El Generador de Funciones

Uno de los instrumentos de medida, más comunes en los laboratorios de electrónica está el generador de funciones, un equipo muy útil para el análisis del comportamiento de los circuitos.

Está pensado para trabajar desde los 0 Hz hasta algunas decenas de MHz.

Todos los instrumentos de medida están diseñados para permitirnos realizar el análisis del comportamiento del equipo que deseamos verificar. Es decir, tanto en el proceso de desarrollo, como en el de ajuste y pruebas o como en el de mantenimiento de un equipo, tenemos la necesidad de una serie de instrumentos que nos permitan determinar el comportamiento del mismo en su modo de funcionamiento normal. 

Cualquier sistema de pruebas está basado en un conjunto de instrumentos que nos proporciona todas las señales de entrada y alimentación que necesita el equipo bajo prueba para su correcto funcionamiento, además de todos aquellos encargados de recibir las señales que se generan dentro del mismo, y de analizar sus distintos parámetros. Del mismo modo, en el interior del equipo se realiza un procesamiento de dichas señales de entrada, para obtener unas señales de salida determinadas. 

Para la medida de estas señales de salida, o de aquellas que se generan en el interior del equipo, dispondremos de osciloscopios, analizadores de espectros, polimetros, vatimetros, etcétera. Equipos que, por lo general, reciben señales. analizan sus parámetros y nos entregan los resultados obtenidos. 

Pero, como hemos dicho anteriormente, también se necesitan instrumentos que nos proporcionen señales de entrada al equipo bajo prueba, que deben ser lo más parecidas posibles a aquellas con las que trabajará en modo real. Entre estos equipos se encuentran todo tipo de fuentes de alimentación y de generadores de señal. De estos últimos tenemos una gran variedad, dependiendo de las frecuencias de trabajo y del tipo de señal que se necesite. 

Uno de estos generadores, muy útil y versátil, es el generador de funciones, capaz de proporcionarnos una gran variedad de señales, con una amplia gama de frecuencias, distintos tipos de señales y con distintas amplitudes. 

El generador de funciones 

El mas tradicional y más conocido de estos instrumentos es aquel que produce formas de onda sinusoidales, cuadradas y triangulares. Después, a medida que el equipo se hace más complejo y profesional, se le van añadiendo una serie de funciones y posibilidades de uso que determinan la calidad y uso del mismo. 

Así pues, en un generador de funciones deberemos tener en cuenta, como parámetros importantes los siguientes: 

Los distintos tipos de señales que es capaz de proporcionarnos, es decir, señales sinusoidales, cuadradas, triangulares, en rampa, una señal de barrido, o de disparo, generación de impulsos, modulación AM y FM para algunas de estas señales, etcétera. 

El rango de frecuencias de trabajo, con una fácil programación y selección de la frecuencia de salida. Los modernos generadores trabajan desde algunas centésimas de Hz hasta varias decenas de MHz. 

El rango de los niveles de las diferentes señales de salida, desde algunos milivoltios, hasta algunas decenas de voltios (20 V), para los equipos profesionales. 

La precisión y estabilidad de la frecuencia de la señal de salida nos determina la calidad del equipo.

La distorsión de la onda sinusoidal. Si la señal generada tiene una distorsión elevada no estaremos seguros de que la distorsión de salida del equipo bajo prueba es propia o del generador.

A medida que la electrónica ha hecho posible integrar circuitos en componentes o en placas de reducido tamaño, ha quedado espacio libre en el interior para ser utilizado en añadir una seri de funciones que anteriormente eran realizadas por otros instrumentos específicos. 

Así, tenemos equipos que incorporan módulos para la generación de todo tipo de impulsos, en donde la onda cuadrada incorporada permite generar formas de onda complejas. Disponen de un disparo interno muy útil para crear formas de onda en puerta, por ráfagas y sincronizadas en fase, de modo que esta señal puede utilizarse para la sincronización del generador con otros instrumentos. 

En las señales sinusoidales existe la posibilidad de obtener diferentes tipos de modulaciones muy útiles para la prueba de equipos de radio y de baja frecuencia. 

También pueden incorporar módulos que sean generadores de ondas arbitrarias para aplicaciones especiales en baja frecuencia. En este modo de funcionamiento permiten crear ondas especiales en forma de series de rampas de voltaje o vectores. 

Por otro lado, los paneles de control suelen ser bastante ergonómicos, a fin de que podamos identificar de una manera rápida las distintas funciones y opciones de que dispone el equipo, así como poderle sacar el máximo provecho a las diferentes prestaciones que nos ofrece. 

Para los métodos de prueba actuales es conveniente que el equipo pueda ser integrado en todo un sistema de pruebas automático. A tal efecto debe incorporar un módulo de control remoto a través del cual podamos controlar el equipo por programa, sin necesidad de tocar ningún control. 

Por lo general, la mayoría de los equipos disponen de este módulo como opción, aunque muchos vienen ya con él incorporado.

El generador de funciones nos permite obtener señales de una variada gama, dependiendo de los parámetros que variemos.

Así, podemos variar la simetría la de la señal, tanto en lo referente a su nivel, en cuyo caso añade un cierto componente de continúa a la señal (c)), como en la frecuencia, donde, sobre todo en la señal cuadrada podemos modificar su ciclo de trabajo (b) entre el 80% y el 20% de la señal original.

La mayor parte de los generadores de funciones profesionales tiene la posibilidad de suministrar señales moduladas en amplitud, frecuencia y fase.

En estos casos, deberemos analizar las distintas posibilidades de modificación de sus parámetros, ya que ello nos da una idea de las prestaciones que nos proporciona el equipo. Así, deberemos tener en cuenta el indice de modulación para las señales de AM, la desviación de frecuencia para las de FM, etcétera.


Un generador de funciones tradicional incorpora dos generadores diferentes: el de señales simples y el de señales moduladas. El primero tiene un alcance de 13 MHz como frecuencia más alta. El segundo nos permite modulación en amplitud y frecuencia tanto interna como externa (es decir, a través de un generador externo), para los tres tipos de señal.

En otro tipo de generadores, bastante más modernos y potentes, disponen, además de las funciones normales, de un contador de ráfagas, un barrido lineal/logarítmico, sincronización de fase, etcétera, y, sobre todo, de un generador de ondas arbitrarias, cuyos valores podemos escribir fácilmente a través del panel frontal y usar el osciloscopio para ver las señales.

El generador de funciones puede ir integrado en otros equipos o viceversa. En este caso, el instrumento se complementa con un generador de pulsos aumentando la potencia de trabajo del mismo. Así, podemos disponer de dos entradas externas, una para modular la señal que queremos obtener y otra como señal de disparo, todo simultáneamente.

Los generadores de señales son otros instrumentos utilizados en las pruebas de equipos análogos. Ellos son los encargados de proporcionar a dichos equipos las señales de entrada necesarias para poder analizar su correcto funcionamiento y determinar así su comportamiento final.

El Frecuencímetro

Uno de los parámetros más importantes de una señal periódica es su frecuencia y, en el dominio del tiempo, su periodo. También es importante la medida de determinados intervalos de tiempo (en señales periódicas y no periódicas).

Una gran cantidad de estas medidas se pueden realizar con un solo instrumento: el frecuencímetro.

Una señal eléctrica se representa como un determinado nivel que fluctúa a lo largo del tiempo. Esta fluctuación puede ser, bien aleatoria, con lo que la señal representada se denomina aperiódica o aleatoria, o bien repetitiva, con lo que ciertos valores de la señal se repiten cada cierto tiempo bien determinado.

Las veces que una determinada señal repite sus valores de amplitud en la unidad de tiempo, define la frecuencia de dicha señal. La medida de dicho parámetro se puede realizar, de una manera indirecta, con un osciloscopio, pero es una tarea pesada y tediosa.

Por lo tanto, se necesita un instrumento específico para el análisis de este parámetro. Así  los antiguos frecuencímetros análogos empleaban un circuito LC resonante que ajustaba su frecuencia de resonancia, según la frecuencia de la señal de entrada.

En la actualidad, los frecuencímetros son todos digitales, usando la técnica de los contadores de décadas colocados en cascada. Todo esto se ha conseguido gracias al gran avance de la electrónica digital y su fácil equipamiento en pequeños circuitos integrados.

Esto ha provocado que el frecuencímetro como tal vaya insertado dentro de otro instrumento de medida, formando parte del mismo como un accesorio para o una función más a realizar, generando una información adicional de la señal  que se está analizando. Así  podemos ver frecuencímetros en los analizadores de espectros, en los osciloscopios, en los generales de señales, etc.

Técnicas de contadores en cascada

Es la técnica más utilizada actualmente, y la más fácil de entender, ya que, al mismo tiempo, nos permite en análisis de otros parámetros de diferentes señales en el dominio del tiempo.

Queda bien claro que los frecuencímetros profesionales son una compilación bastante mayor, ya que, si bien mantienen la filosofía de medida, el poder de conseguir instrumentos con unas mayores precisiones y presentaciones, supone un aumento de la complejidad del diseño.

Por lo tanto, para poder llegar a comprender mas fácilmente la filosofía de trabajo de un frecuencímetro  nos fijaremos tan solo en el diagrama de bloques; aunque, los detalles para las distintas posibilidades de estos equipos, solo se mencionarán, ya que, en el presente texto, no esta previsto tratar con detalle estos circuitos.

La idea fundamental es bien sencilla y se deriva de la propia definición de frecuencia, es decir, del número de veces que una señal se repite en la unidad de tiempo. Con lo cual, si disponemos de un contador que está activado durante un segundo, podremos saber la cantidad de veces que una señal se repite en dicho periodo de tiempo o, lo que es igual, su frecuencia.

Esto es posible cuando la frecuencia de la señal que ha de medirse no es muy elevada. Pero, en cuanto deseamos medir frecuencias más allá de los MHz, para poder contar el número de impulsos sin ningún problema, deberemos llenar el interior del frecuencímetro de circuitos contadores decimales.

Figura 1 - Diagrama de bloques de un frecuencímetro
de contadores en cascada

Para evitar esto, se divide la señal de referencia, en el lugar de multiplicar. Es decir, en vez de contar el número de  impulsos que obtenemos en un segundo, lo haremos en 0,1 segundos, 10 segundos, y así sucesivamente. Podría objetarse que, si suprimimos contadores para añadir divisores, no hemos resuelto nada; sin embargo, la solución está en que, para conseguir una frecuencia estable y fija, debemos partir de un oscilador de referencia (O.R. en el diagrama de bloques - figura 1), de gran estabilidad y precisión (cuanto más estable y preciso sea el cristal, mejor será nuestro frecuencímetro, al que aplicamos sucesivas divisiones (D), para obtener las distintas escalas de que dispondrá el frecuencímetro.

Son estos divisores, que nos dan las distintas escalas seleccionables (S), los que debemos aprovechar y añadir para no tener que colocar contadores.

Por otro lado, queda un problema por resolver: en una señal digital es más o menos fácil aislar, de los ruidos no deseados, la señal que va a medirse. Pero, por lo general, en una señal análoga es mucho más probable encontrar señales parásitas de un cierto nivel que pueden distorsionar la medida y a las que, a veces será difícil eliminar.

Para solucionar esto se utiliza un segundo oscilador, llamado oscilador de disparo (O.D. en el diagrama - figura 1), el cual toma una muestra de la señal de entrada y, dependiendo del nivel de dichas señales parásitas  lo ajustaremos para que el frecuencímetro haga la medida tan solo durante el periodo de tiempo en que la señal de entrada es mayor que las posibles señales parásitas (R). A este tiempo, durante el cual podemos hacer la medida, se le denomina ventana de disparo, y es el momento durante el cual el contador C cuenta los impulsos de la señal de entrada en la unidad de tiempo seleccionada en S.

Asimismo, el ajuste que nos permite separar las señales que han de medirse de las señales parásitas se denomina ajuste de nivel, y la posibilidad de medir la frecuencia de señales de bajo nivel nos determina la sensibilidad de dicho equipo.

A la entrada del equipo será necesito colocar un adaptador de señal (A.D), de manera que podamos conectar una gran variedad de señales de entrada con muy diferentes niveles y, al mismo tiempo, que la impedancia de entrada del equipo no perturbe dichas señales de entrada.

Para presentar los resultados de la medida se utiliza, por lo general, un visualizador o display de cristal líquido o de diodos, negus el caso (D).

Esta presentación junto con las distintas señales de control y el procesamiento de la señal de entrada para obtener las variadas funciones del frecuencímetro está supervisada por la lógica de control (L.C.) gobernada, a su vez por lo general, por un microprocesador.

Anotaciones Finales

Podemos observar este sencillo frecuencímetro de laboratorio en el que podemos observar sus dos canales de entrada y el reducido numero de teclas de control para simplificar su uso. Tiene una capacidad de medir la frecuencia de señales en un rango que va desde 10 Hz hasta 100 MHz. Está pensado para su utilización en talleres y laboratorios de uso normal.

Disponer de más de una entrada en un frecuencímetro permite el desarrollo de una serie de funciones que son de gran utilidad a la hora de trabajar y comparar varios equipos. Así, podemos programar que la puerta de disparo del instrumento se active con el flanco de subida o de bajada de una de las dos entradas, y que se detenga con cualquiera de los dos flancos de la señal del otro canal, permitiéndonos medir espacios de tiempo entre dos señales.

El frecuencímetro como tal nos facilita la medida de frecuencias, periodos, etc.

En este caso las teclas de función que observamos nos permiten la medida de los parámetros mencionados, ademas del tiempo intermedio entre la señal A y la B, un autochequeo, etc.

Al mismo tiempo, en la pantalla tenemos impresionado del valor de medida obtenida, con las unidades que correspondan en cada caso.

Los frecuencímetros profesionales están diseñador para añadir una serie de presentaciones a las que podemos obtener de un frecuencímetro normal A las presentaciones de autoescala, un tamaño mas reducido, mayor número de funciones, etc., debemos añadir la posibilidad de ser controlados remotamente a través del bus GPIB, lo que facilita y rentabiliza su uso en producciones elevadas.

Los actuales osciloscopios digitales son una muestra de como se puede implementar un frecuencímetro dentro de otro instrumento. Con las distintas funciones de que disponen, pueden presentar información de la frecuencia de una señal, periodo, tiempo de subida, tiempo de bajada, etc., y todos aquellos parámetros que tengan que ver con el análisis de señal en el dominio del tiempo.

Aunque, en la actualidad, se fabrican circuitos integrados que realizan la mayor parte de dichas funciones. Es decir, con una fuente de alimentación  un visualizador o display y algunos componentes asociados a estos circuitos integrados, podemos construir un frecuencímetro que, bien calibrado, puede ser de gran utilidad en el laboratorio.

El Analizador de Espectro

Es un instrumento en que podemos realizar y visualizar medidas de los parámetros mas importantes de las señales análogas  como son las frecuencias, armónicos  modulaciones, ruidos, ancho de banda, distorsiones, etc.

El analizador de espectro es un equipo de medida necesario en cualquier laboratorio profesional que trabaje en el campo de las bajas frecuencias (audio y señales por debajo de los 2MHz), o bien en el campo de la radiofrecuencia; llegando incluso al campo de las microondas, donde existen analizadores que trabajan con mas de 20GHz.

El gran desarrollo de la electrónica  y sobre todo la implementación de la electrónica digital en los equipos análogos  nos permite hoy en día disponer de equipos cada vez mas avanzados, a la vez mas que precisos, y con unas posibilidades de aplicaciones y manejo impensables hasta hace poco tiempo.

Todo esto se puede apreciar cada vez mas en las prestaciones que nos proporcionan los equipos de laboratorio mas o menos profesionales, y en general los analizadores de espectros modernos, donde el numero de funciones y menús de manejo se incrementan en cada nuevo equipo.

Pero, veamos con mas profundad la filosofía de trabajo de un analizador de espectros básico  ya que el fundamento del funcionamiento de estos equipos es el mismo para todos. Posteriormente se le añaden las distintas prestaciones con que nos podemos encontrar, y que serán especificas de cada marca y modelo.

El analizador de espectros y el Osciloscopio

Aunque pueda sorprendernos que comparemos el analizador de espectros y el osciloscopio, la verdad es que la filosofía de trabajo es comparable entre ellos.

Así, el osciloscopio nos muestra la señal a analizar en pantalla y siempre en el dominio del tiempo, de donde obtenemos ciertos parámetros, como frecuencia, distorsión, nivel, etc.

El analizador de espectros, por el contrario, nos muestra la señal con la que estamos trabajando en el dominio de la frecuencia. Es decir, hay una interpolación de los parámetros que antes medíamos en el dominio del tiempo al de la frecuencia. Esto se analiza porque hay una serie de parámetros cuya medida se complica (o son necesarios otros instrumentos adicionales), si intentamos trabajar con el tiempo. En cambio, al no depender de dichos parámetros del tiempo, sino de la frecuencia, se simplifican ciertas medidas. Por lo tanto, podemos decir que con un buen osciloscopio y un buen analizador de espectros en nuestro laborario disponemos de la mayor parte de la instrumentación necesaria para el análisis de señales análogas.

El análisis de señales en el dominio de la frecuencia se puede realizar de varias formas diferentes.Cada una de ellas tiene sus ventajas y sus inconvenientes, por lo que iremos viendo cada una por separado.

Técnica de medida en tiempo real

Esta técnica se caracteriza por el uso de filtros colocados a lo largo de la banda en que trabaja el analizador. Son un conjunto de filtros paso-banda fijos, colocados directamente a la entrada del analizador, de esta manera que cualquier señal de entrada puede ser analizada y separada de las demás señales del resto de la banda por dichos filtros. Solo debemos sintonizar correctamente los filtros de entrada con la frecuencia de la señal que nos llega.

Este método resulta muy eficaz para el análisis de señales de baja frecuencia comprendidas desde la señal continua hasta poco mas allá de las señales de audio.Del mismo modo, su principal inconveniente es un pequeño ancho de banda de trabajo.

Técnica del analizador por Transformadas de Fourier

Los analizadores de espectros que utilizan esta técnica realizan un tratamiento digital de la señal de entrada durante un determinado periodo de tiempo. De esta transformación se obtiene como resultado una información de frecuencia, fase y amplitud.

El tratamiento digital de la señal nos permite el análisis de señales tanto de tipo periódicas o aleatorias. Por el contrario, al igual que los analizadores en tiempo real, presentan inconveniente del pequeño ancho de banda con que trabajan, limitado por la propia digitalización que sufre la señal. El margen de frecuencias hasta donde suelen llegar a trabajar este tipo de analizadores de espectros es de unos pocos cientos de kilohertz (KHz).

Técnica del analizador por barrido sintonizado

Este tipo de análisis de la señal se divide a su vez en dos: la técnica por filtros sintonizados, donde la señal a analizar ataca a unos filtros de entrada cuya frecuencia de paso se adapta perfectamente a la frecuencia de dicha señal a medir. Este tipo de analizadores son baratos en cuanto a su diseño pero quedan mas bien pobres en cuanto a los resultados de los parámetros analizados.

Es por ello por lo que el tipo de analizador más utilizado es el receptor heterodino, donde la señal recibida es captada por un receptor heterodino. Esto trae consigo una mayor precisión de los parámetros a medir de la señales de entrada, al mismo tiempo que se amplia considerablemente el margen de frecuencias sobre las que se puede trabajar.

El diagrama de bloques de este tipo de analizadores se muestra en la figura 1. En  ella podemos  observar que la señal de entrada es cambiada a una frecuencia inferior (después de haber sido correctamente filtrada), a través de un mezclador, al que llega la frecuencia de un oscilador local controlado por un generador de barrido.

Esta señal, bajada de frecuencia, es trata y detectada de manera que se puedan hacer las medidas oportunas, al mismo tiempo que tenemos una presentación en pantalla de la misma.

Los analizadores de espectro actuales se caracterizan por su tendencia a facilitar al usuario su manejo, al mismo tiempo que se aumentan sus prestaciones. Este tipo de analizadores llevan internamente todo un sistema de control y análisis que permite una presentación en pantalla de la mayor parte de los parámetros a medir.

El resto de las utilidades se seleccionan a través de diferentes menús; también permiten un control automático de los mismos a través de puertos de comunicaciones RS-232 o bus GPIB.

Figura 1

Los diferentes parámetros de ancho de banda de FI (A), tipo y forma del filtro de FI (B), la estabilidad del oscilador local (C) y la presencia de ruido interno del propio equipo (D), determinan las características generales de un analizador de espectros. Es decir, un filtro con gran estabilidad y banda de corte ajustable y precisa, un oscilador local suficientemente preciso y un buen rechazo de ruido generado por el propio equipo, serán los que nos permitan asegurarnos la precisión de nuestras medidas.

La presentación en pantalla de la mayor parte de las medidas realizadas por el analizador supone un fácil acceso a la información  Si a esto le añadimos una serie de menús que nos permitan acceder a las funciones que no tenemos en pantalla en un momento dado, obtenemos un equipo de un manejo practico y fácil de aprender.

El ruido interno (Noise) del analizador de espectros viene determinado en su mayor parte por las características del filtro de frecuencia intermedia. Por lo tanto, el diseño del mismo debe hacerse para que en ausencia de señal de entrada, no detectemos ninguna señal en las medidas que realicemos hasta que no descendamos por debajo de un cierto nivel que determina la sensibilidad del equipo.

A la hora de realizar las medidas, otra de las características que hay que tener en cuenta en un analizador de espectros es su resolución de la frecuencia a medir. Si el equipo fuese ideal, la representación de un tono puro (sin armónicos), debería verse en pantalla como una linea vertical.

Debido a que el equipo y mas concretamente, su filtro de FI, no es ideal, dicho tono se vera con algo de abertura en su base. Este detalle es importante para poder discernir entre dos frecuencias diferentes muy próximas.

La resolución de amplitud nos determina la mas pequeña variación del nivel de señal de entrada que puede detectar el analizador de espectros. Esta característica viene determinada por la resolución de los convertidores y voltímetros internos del analizador que nos fijaran la precisión con que medimos la amplitud de una determinada señal de entrada y el error que estamos cometiendo al realizarla.