Analizador de distorsión
La distorsión armónica causada por un circuito o dispositivo electrónico se define como la relación de la porción total de la señal de salida producida por la armónica con respecto a la porción de la señal de salida a la frecuencia fundamental. El instrumento que se emplea para medir la distorsión armónica total originada por los amplificadores o demás equipos electrónicos se llama analizador de distorsión. Consiste en un amplificador que suprime la señal de la frecuencia fundamental y amplifica todas las demás. Se emplea en el instrumento un puente de Wien como filtro de rechazo; esto es, el circuito de Wien permite que pasen y se amplifiquen todas las armónicas y se alimenten a un voltímetro. El voltímetro indica el valor efectivo de la señal total debida a las armónicas. Los analizadores de distorsión se emplean para determinaciones rápidas y cuantitativas de la distorsión total en una onda. Distorsión Armónica Total (THD)
La distorsión armónica es un parámetro técnico utilizado para definir la señal de audio que sale de un sistema. La distorsión armónica se produce cuando la señal de salida de un sistema no equivale a la señal que entró en él. Esta falta de linealidad afecta a la forma de la onda, porque el equipo ha introducido armónicosque no estaban en la señal de entrada. Puesto que son armónicos, es decir múltiplos de la señal de entrada, esta distorsión no es tan disonante y es más difícil de detectar. Al hablar de distorsión armónica, normalmente se hace referencia a la llamada distorsión armónica total, que es precisamente, la cantidad de armónicos que el equipo introduce y que no estaban en la señal original. Para normalizar las medidas. La distorsión armónica total se mide introduciendo un tono de 1 kHz y midiendo la señal de salida. En los parámetros técnicos de los equipos, suele figurar la distorsión armónica total y se da en forma de porcentaje. Habitualmente, se indica con las siglas en inglés THD (Total Harmonic Distortion). Por ejemplo, THD 0,3 @ 1 kHz. Analizador fundamental de la supresión
Éste es un tipo específico de analizador de THD, en el cual la frecuencia fundamental de la onda de la entrada está básicamente suprimido para quitar lo de los espectros de los metros usados para la medida de la distorsión, y el aumento total de todos los armónicos se calcula, así obtención distorsión total causado por los armónicos.
Analizador de espectro
Un analizador de espectro es un equipo de medición electrónica que permite visualizar en una pantalla las componentes espectrales en un espectro de frecuencias de las señales presentes en la entrada, pudiendo ser ésta cualquier tipo de ondas eléctricas, acústicas u ópticas. En el eje de ordenadas suele presentarse en una escala logarítmica el nivel en dBm del pitido contenido espectral de la señal. En el eje de abscisas se representa la frecuencia, en una escala que es función de la separación temporal y el número de muestras capturadas. Se denomina frecuencia central del analizador a la que corresponde con la frecuencia en el punto medio de la pantalla. Analizador superheterodino o de barrido
Este analizador realiza un barrido frecuencial de la señal a su entrada, utilizando un filtro con un ancho de banda muy reducido que filtra secuencialmente diferentes frecuencias para medir el nivel de energía en cada una de ellas, y muestra por pantalla las componentes frecuenciales de la señal de entrada. Este tipo de analizador utiliza la base del funcionamiento del receptor superheterodino clásico y es el que se utilizará para realizar las mediciones, por ello en el siguiente apartado se realiza una explicación detallada de su funcionamiento. Para poder mostrar las componentes frecuenciales por pantalla, el analizador superheterodino realiza un barrido frecuencial de la señal a la entrada utilizando un filtro con un ancho de banda muy reducido, denominado filtro de resolución, para medir el nivel de energía presente en diversas componentes frecuenciales, tal y como se muestra en la figura 3.2. Este barrido puede hacerse de dos maneras. La primera consistiría en usar un filtro sintonizable muy selectivo, que se fuera sintonizando secuencialmente en las frecuencias que queremos analizar. El problema de esta aproximación es que es complicado y costoso diseñar un filtro de este tipo ya que el rango de frecuencias que tiene que poder sintonizar es muy amplio y además el filtro tiene que ser muy selectivo para poder distinguir entre señales que estén muy próximas entre sí.
Figura 3.2 Barrido que realiza el filtro del analizador espectral, donde la curva negra es el espectro de la señal medida y la azul representa la función de transferencia del filtro de resolución del analizador Una forma alternativa para realizar el barrido consistiría en utilizar un filtro muy selectivo a frecuencia fija, y trasladar en frecuencia la señal de la entrada de manera que sea ésta la que pase por el filtro. Ésta es la base del funcionamiento del analizador de espectro superheterodino clásico. En este caso, al operar a una frecuencia fija, el filtro de resolución se puede diseñar para que sea más selectivo.
Figura 3.3Diagrama de bloques de analizador superheterodino clásico La figura 3.3 muestra el diagrama de bloques de un analizador de espectro superheterodino clásico. Tal como se puede ver en el diagrama, la señal a la entrada pasa a través de un atenuador y de un filtro paso bajo (más adelante veremos cuál es su función). Seguidamente la señal llega a un mezclador, donde se traslada a frecuencia intermedia para poder ser filtrada con un filtro de mejores características, denominado filtro de resolución. Este traslado se hace barriendo todo el rango de frecuencias que se quieren estudiar, en orden ascendente. Esto a su vez se logra variando linealmente la frecuencia del oscilador local.
Una vez trasladados los componentes a la frecuencia del filtro de resolución, la señal se filtra y a la salida se detecta su envolvente. Si a la frecuencia que sale del filtro hay señal, entonces del detector sale una señal constante de amplitud proporcional al nivel de entrada y se muestra por pantalla. De esta manera se consigue mostrar por pantalla el valor de amplitud, energía o potencia para una determinada señal o componente frecuencial. Para mostrar todas las componentes espectrales, el generador de rampa crea el movimiento horizontal en la pantalla del analizador a la vez que se encarga de sintonizar el oscilador local a la frecuencia correspondiente que se muestra en la pantalla en cada momento. Sección de RF
El atenuador de entrada es un atenuador de paso localizado antes de la entrada al mezclador. Es utilizado para ajustar el nivel de la señal de entrada incidente. Esto es importante para prevenir posibles distorsiones de la señal por un nivel de entrada muy alto o por superposición de señales. Sección de Frecuencia intermedia
Este amplificador que está colocado entre el mezclador y el filtro de FI, es usado para ajustar en la posición vertical la señal en la pantalla, solucionando el posible error introducido en la etapa de mezcla. Cuando se cambia el valor del nivel de referencia, se hace en forma coordinada. Así, cuando queremos cambiar el nivel de referencia (representado en el eje vertical), nosotros cambiamos la regulación del atenuador de entrada, como estos dos componentes trabajan juntos, la ganancia del Amplificador de FI cambia automáticamente para compensar este. ( FI = 3.6 GHZ) Display
Es el elemento que nos permite visualizar la señal que se está analizando. El display de un analizador de espectro consiste en una cuadrícula donde el eje horizontal es lineal y representa el rango de frecuencias medido ( Span) y el eje vertical puede representar amplitud, energía o potencia tanto en magnitud lineal (para señales que no difieran más de 20-30 dB) como en magnitud logarítmica. Los analizadores de espectro actuales disponen de displays digitales para mostrar el espectro de la señal medida. Estos displays tienen una resolución limitada y, por lo tanto, pueden representar el espectro de la señal medida con un número limitado de puntos. Por muy elevada que sea la resolución de la pantalla, cada punto debe representar lo que ocurre con el espectro de la señal sobre un determinado rango de frecuencias, denominado bucket . Si por ejemplo se midiera una señal con un ancho de banda de 10 MHz utilizando un analizador con un display de 100 puntos, el rango de medida se dividiría en 100 buckets de 100 kHz cada uno y se utilizaría un punto en el display del analizador para representar lo ocurre con el espectro de la señal en cada uno de los 100 buckets. El criterio seguido para determinar el valor mostrado en cada bucket depende del tipo de detección empleado por el analizador. Normalmente los analizadores actuales disponen de diversos métodos de
detección, siendo los más comunes los siguientes: detección de muestra, detección de pico positivo o detección de pico, detección de pico negativo, detección normal y detección promedio. La figura 3.15 ilustra algunos de estos métodos de detección.
Figura 3.15 Ejemplo de algunos métodos de detección típicos en analizadores de espectro
Principio de funcionamiento
El analizador de espectro tiene el mismo principio de operación que una radio. Consta de un mezclador que realiza la convolución entre la señal a medir y una señal proveniente de un oscilador local (LO). A la salida del mezclador aparecerán las siguientes señales: A1.sen(win.t) A2.sen(wLO.t) A3.sen(wLO + win)t A4.sen(wLO – win)t Todas estas componentes pasan a través de un filtro de FI pasabanda cuya frecuencia es: fFI = fLO – fin Esta frecuencia de FI es fija, por lo tanto cuando en la entrada del analizador aparezca una señal cuya frecuencia fin es fLO-fFI, se detectará una tensión proporcional a la amplitud de dicha señal. Él LO está excitado por un generador de rampa de tensión, haciéndolo barrer linealmente en frecuencia desde una frecuencia mínima fLOmin hasta un valor máximo de fLOmax. Esta misma rampa se usa para el barrido horizontal de la pantalla. El barrido vertical es proporcional a los valores detectados para cada frecuencia.
Modos de operación
ZERO SPAN implica que el analizador deja de barrer en frecuencia, el OL es de frecuencia fija, de modo que sólo la frecuencia seleccionada (center) y el ancho de banda determinado por RW pasa a través del filtro de FI
Una señal AM es desmodulada directamente y en la pantalla se presenta m(t). También es posible desmodular señales FM usando la banda de transición del filtro de FI (discriminador de frecuencia) Características de modulación am, fm y pulsos.
MEDIDA DE SEÑAL AM • Efecto del ancho de banda RBW en la visualización • Determinación del índice de modulación en el espectro • Términos de intermodulación del modulador • Demodulación Zero-Span
MEDIDA DE SEÑAL FM • Efecto del ancho de banda RBW en la visualización • • Determinación de la desviación de frecuencia • Demodulación Zero-Span
Analizador de tiempo real y de Fourier.
El analizador de Fourier realiza otro estudio espectral. En este caso, la señal de entrada se pasa, en paralelo y simultáneamente, por un gran número (en algunos casos hasta 2048) de filtros digitales. De esta forma, el espectro de frecuencias de una señal se puede obtener muy rápidamente (por este motivo se les conoce también como analizadores de tiempo real). En este caso, como elemento de representación gráfica, también se emplea un tubo de rayos catódicos. Normalmente se utilizan en el rango de DC hasta los 100 KHz. Finalmente, el analizador de ondas emplea un filtro sintonizable muy semejante al de un analizador de espectro convencional. Sin embargo, se selecciona y ajusta manualmente la frecuencia de interés. Para indicar la amplitud de los armónicos de interés se emplea un voltímetro de corriente alterna, en lugar de un tubo de rayos catódicos. Este tipo de analizador es práctico desde 15 Hz hasta más de 32 MHz. Contadores universales
Los instrumentos que realizan la medida de frecuencia y período, y otros parámetros relacionados con ellos, reciben la denominación de “Contadores Universales” y constituyen un grupo de aparatos que, además de la frecuencia,
suelen realizar otro tipo de mediciones tales como período, relación de frecuencias entre dos señales, tiempo transcurrido entre dos acontecimientos,
e incluso el número de impulsos producidos en un determinado intervalo de tiempo. Diagrama de bloques
Medición de frecuencia
Básicamente, medir una frecuencia es compararla con otra que se toma como referencia. La comparación se realiza contando el número de impulsos de la señal de entrada durante un intervalo de tiempo perfectamente determinado la base de tiempos. En este modo el contador mide la frecuencia de la señal de entrada. Esquemáticamente su funcionamiento se puede explicar a partir de los siguientes diagramas:
Medición de periodo
La medida del periodo se realiza determinando la cantidad de tiempo que emplea una señal para completar un ciclo de oscilación.
Medición del intervalo de tiempo (duración del pulso)
El contador de intervalos de tiempo también se emplea para medir con exactitud bajas frecuencias, en lugar del contador digital de frecuencia. Esto se lleva a cabo debido a que la medición del periodo de una señal de baja frecuencia permite que se acumulen más conteos durante un periodo. De este modo se mejoran tanto la exactitud como la resolución de las mediciones. Los contadores de intervalos de tiempo emplean un oscilador cuya frecuencia de salida (típicamente 1 MHz) es constante y se conoce con mucha exactitud. Cuentan el número de ciclos emitidos por este oscilador durante durante el intervalo de tiempo de interés. Por lo tanto, como se conoce el tiempo de cada ciclo, se puede calcular el intervalo de tiempo. Poseen una compuerta que controla el arranque y el paro del contador se activa mediante pulsos que significan el principio y el fin del intervalo de tiempo que se está midiendo. En el modo de medición de intervalos de tiempo, (subida-bajada) se mide el espacio de tiempo entre el flanco positivo y negativo. Idem para flancos negativos. El nivel de disparo se ajusta manualmente. El atenuador y el acoplamiento se pueden seleccionar independientemente. Para lograr una resolución más alta en señales periódicas, se aplica la función de intervalo de tiempo con cálculo del valor medio (Ti AVG). Se trata de medir muchos valores de una señal repetitiva y el cálculo de su valor medio. La exactitud de medida y la resolución aumentan con el número de valores medios calculados. Comparando con la medición de eventos únicos, la resolución básica de 100 ns aumenta por el factor N1/2, siendo N el número de intervalos de tiempo medidos. Para ello es necesario disponer de una señal de entrada repetitivo y que no tenga relación con la fase de la frecuencia del oscilador. La resolución en este modo de medición puede ser de hasta 10 ps. El número de valores medidos resulta del tiempo de medida seleccionado y de la anchura de pulso de la señal de medida.
En general conviene que la señal de entrada se seleccione lo más grande posible (a ser posible sin atenuación) sin que ésta produzca una sobreexcitación del amplificador de entrada. De esta manera se logra que el error de disparo causado por histéresis y ruido se mantenga lo más bajo posible. El error de disparo será máximo con señales de medida del nivel de la sensibilidad de entrada. En el modo de medición de intervalos de tiempo se puede aplicar la función de auto disparo. Medida de relación de frecuencias
Aplicando al divisor de la base de tiempos una señal exterior en lugar de la del oscilador de referencia, se mide la relación de frecuencia entre ella y la aplicada al contador, que debe ser la de frecuencia más elevada.
Oscilador a cristal
Un oscilador de cristal es aquel oscilador que incluye en su realimentación un resonador piezoeléctrico. El oscilador de cristal se caracteriza por su estabilidad de frecuencia y pureza de fase, dada por el resonador. La frecuencia es estable frente a variaciones de la tensión de alimentación. La dependencia con la temperatura depende del resonador, pero un valor típico para cristales de cuarzo es de 0' 005% del valor a 25 °C, en el margen de 0 a 70 °C. Estos osciladores admiten un pequeño ajuste de frecuencia, con un condensador en serie con el resonador, que aproxima la frecuencia de este, de la resonancia serie a la paralela. Este ajuste se puede utilizar en los VCO para modular su salida.
Estabilidad a corto y largo plazo
La estabilidad puede clasificarse como de corto o largo plazo
Estabilidad de Corto Plazo: Hace referencia a las variaciones de la frecuencia
producto de las fluctuaciones en las condiciones de operación de continua (corrientes y tensiones).
Estabilidad a Largo Plazo: Se ve afectada por el desgaste con el paso del
tiempo de los componentes, producto de la temperatura y humedad. La variación o cambio en la frecuencia de salida se representa como un porcentaje de cambio del valor deseado. Por ejemplo, un oscilador operando a 100 kHz con una estabilidad de ±5% operará a una f recuencia de 100 kHz + 5 kHz, es decir que su salida puede variar entre 95 y 105 kHz. Extensión del rango de frecuencia
Para incrementar el rango de frecuencia del contador se pueden utilizar varias técnicas. Una es aplicar un preescalador. Un preescalador es un contador digital rápido que por lo general divide la frecuencia de entrada entre 10. El preescalador no maneja la pantalla, no utiliza compuerta ni tampoco los datos de salida son transferidos al latch de almacenamiento. Por lo tanto, el retraso de propagación del preescalador no es importante en tanto que el preescalador opere a la frecuencia deseada. Si se emplea un preescalador que divide entre 10 antes de un contador de 10 MHz, la frecuencia del contador seria incrementada por un factor de 10, con lo que el sistema podría contar hasta 100 MHz Los preescaladores están disponibles para frecuencias de 1 GHz con divisiones de 10 a 100, lo que puede extender el rango del contador del ejemplo de 10 MHz a 1 GHz
