Sesión 2: Análisis Espectral (II)
Medida y Cuantificación de Señales en Hardware Real.
1. Introducción a la Medida Real
Tras estudiar la base matemática de la Serie de Fourier, en esta sesión pasamos del simulador al banco de trabajo. El objetivo es aprender a manejar los instrumentos de laboratorio para caracterizar señales reales y contrastar los resultados con la teoría.
Dominio del Tiempo
Visualizamos la evolución del voltaje respecto al tiempo. Ideal para medir periodos, flancos de subida y duty cycle.
Dominio de la Frecuencia
Visualizamos la distribución de energía. Fundamental para analizar distorsión armónica, ancho de banda e interferencias.
A diferencia de la simulación, en el hardware real nos enfrentamos a limitaciones como el ruido de fondo, el ancho de banda finito de las sondas y la resolución de los convertidores ADC.
2. El Triángulo de Instrumentación
Para esta práctica utilizaremos tres herramientas fundamentales que deben trabajar en perfecta sincronía:
Generador de Funciones
Nuestra fuente de señal. Permite crear ondas senoidales, cuadradas o arbitrarias controlando la frecuencia, amplitud y offset con alta precisión.
Osciloscopio Digital
Nuestra ventana al tiempo. Captura señales eléctricas y las representa visualmente, permitiendo realizar medidas automáticas de Vpp, Vrms y frecuencia.
Analizador de Espectros / FFT
Nuestra ventana a la frecuencia. Descompone la señal en sus armónicos y permite medir la potencia de cada uno en dBm o Voltios.
3. El Generador de Funciones: HP 33120A
El HP 33120A es un generador de funciones de 15 MHz con tecnología de síntesis digital directa (DDS). Es el corazón de nuestras pruebas espectrales ya que genera las señales "puras" que luego analizaremos.
Panel Real del HP 33120A
Controles Principales:
- Function: Botones para seleccionar la forma de onda (Sine, Square, Triangle, Ramp, Noise).
- Parameter Buttons: Permiten alternar entre Frecuencia, Amplitud y Offset.
- Rueda de Ajuste (Dial): Ajuste rápido de los valores seleccionados.
- Teclado Numérico: Entrada directa de valores con unidades (Hz, kHz, Vpp...).
- Output BNC: Salida principal de señal donde conectaremos nuestras sondas.
4. Impedancia y Carga: ¿Por qué mi medida es doble?
Uno de los errores más comunes en el laboratorio es medir tensiones que son el doble de lo esperado. Esto se debe a la Impedancia de Salida del generador.
La Regla de Oro
El generador HP 33120A tiene una resistencia interna de 50 \(\Omega\).
El equipo necesita saber qué hay conectado al otro lado para calcular el voltaje a mostrar:
- Modo 50 \(\Omega\): El generador asume que la carga es de 50 \(\Omega\). Para compensar el divisor, entrega el doble de voltaje internamente.
- Modo High-Z: El generador asume carga infinita (como el osciloscopio). Muestra el voltaje real presente en bornes.
Voltaje real en la carga (\(V_L\)):
\[V_L = V_{gen} \cdot \frac{R_L}{50\Omega + R_L}\]Si el generador cree que hay 50\(\Omega\) pero hay un osciloscopio (High-Z), verás el doble de tensión.
Simulador de Generador: Comportamiento Eléctrico
Experimenta cómo cambia el voltaje real en el osciloscopio según la configuración de impedancia.
Carga conectada (Osciloscopio): 1 M\(\Omega\) (Alta Impedancia)
Voltaje medido en pantalla: 5.00 Vpp
7. El Osciloscopio Digital: Rigol DS1000
El osciloscopio es el instrumento de medida principal en electrónica. Nos permite visualizar la evolución temporal de las señales. Los modelos de la serie Rigol DS1000 que usamos en el laboratorio son osciloscopios de dos canales, versátiles y precisos.
Panel Real del Osciloscopio Rigol
Controles y Especificaciones:
- Canales: 2 canales analógicos con identificación por colores (Amarillo CH1, Azul CH2).
- Vertical (Volts/Div): Ajusta la escala de tensión. La impedancia de entrada típica es de 1 M\(\Omega\).
- Horizontal (Time/Div): Ajusta la base de tiempos para ver más o menos ciclos de la señal.
- Trigger (Disparo): El control más crítico. Define el instante en que el osciloscopio "congela" la imagen para que sea estable.
- Medidas Automáticas: El botón Measure permite calcular Vpp, Frecuencia, RMS, etc., sin usar los cursores.
Simulador de Osciloscopio: Control de Trigger
Ajusta el nivel de trigger para "congelar" la señal en pantalla. Si el nivel está fuera de la señal, la imagen se volverá inestable.
Concepto de Disparo (Trigger): El osciloscopio espera a que la señal cruce el nivel de trigger (la línea naranja) en sentido ascendente para empezar a dibujar. Si el nivel está por encima o por debajo de la señal, el osciloscopio no tiene referencia y dibuja de forma errática.
9. El Analizador de Espectros: R&S®FPC1500
Si el osciloscopio es nuestra ventana al tiempo, el analizador de espectros es nuestra ventana a la frecuencia. Es el instrumento encargado de descomponer cualquier señal eléctrica en sus componentes sinusoidales (armónicos), midiendo la potencia de cada uno de ellos.
Panel Real del Analizador de Espectros
Controles Fundamentales:
En el laboratorio disponemos de los modelos FS315 y el más moderno FPC1500. Sus controles principales son:
- FREQ (Frecuencia): Permite definir la Center Frequency (lo que queda en medio de la pantalla) o los límites Start y Stop.
- SPAN (Ancho de barrido): Define el rango total de frecuencias que vemos en el eje X. Si ponemos Zero Span, el equipo se comporta como un receptor fijo.
- AMPT (Amplitud): Ajusta el Reference Level. Es el valor de potencia de la línea superior de la cuadrícula (normalmente medido en dBm).
- BW (Bandwidth): Controla el RBW (Resolution Bandwidth). Un RBW pequeño permite distinguir picos muy cercanos pero hace que el barrido sea más lento.
- MARKER: Herramienta esencial para colocar un cursor sobre un pico y leer su frecuencia y potencia exacta con precisión.
10. Decibelios y Medidas: dB, dBm y dBV
En el analizador de espectros no solemos hablar de voltios, sino de Decibelios. El decibelio es una unidad logarítmica que permite manejar rangos dinámicos inmensos (desde microvatios hasta vatios) con números manejables.
dB (Decibelio)
Es una relación relativa entre dos potencias o tensiones. No tiene unidad física.
\[dB = 10 \log_{10}\left(\frac{P_1}{P_2}\right)\]
dBm
Potencia absoluta referida a 1 milivatio (1 mW) sobre una carga de 50 \(\Omega\).
\[dBm = 10 \log_{10}\left(\frac{P}{1mW}\right)\]
dBV
Tensión absoluta referida a 1 Voltio eficaz (1 Vrms).
\[dBV = 20 \log_{10}\left(\frac{V_{rms}}{1V}\right)\]
Ejemplo Práctico: El misterio de los 10 dBm
Supongamos que generamos una señal senoidal pura de 1V de pico con nuestro generador de 50 \(\Omega\). ¿Qué veríamos en el analizador de espectros?
- Paso 1: Calcular la tensión eficaz (RMS) \[V_{rms} = \frac{V_p}{\sqrt{2}} = \frac{1V}{1.414} \approx 0.707 V\]
- Paso 2: Calcular la potencia sobre la carga (50 \(\Omega\)) \[P = \frac{V_{rms}^2}{R} = \frac{(0.707V)^2}{50\Omega} = \frac{0.5W}{50} = 0.01 W = \mathbf{10 mW}\]
- Paso 3: Convertir a dBm \[P_{dBm} = 10 \log_{10}\left(\frac{10mW}{1mW}\right) = 10 \log_{10}(10) = \mathbf{10 dBm}\]
Resultado: Un pico de 1V en el osciloscopio se ve como una raya de 10 dBm en el analizador.
11. Interpretación de la Pantalla: Señal AM
Para entender el analizador, nada mejor que analizar una situación de medida real. En la siguiente imagen vemos una señal modulada en amplitud (AM) centrada en 100 MHz.
Parámetros Clave:
- 1. Nivel de Referencia (REF: 0.0 dBm) Es la línea superior de la rejilla. Define el rango de visualización. Aquí, el pico más alto está unos 10 dB por debajo de la referencia.
- 2. Frecuencia Central (CENT: 100.000 MHz) Es el punto medio exacto del eje X. La portadora de nuestra señal está perfectamente centrada.
- 3. Span (SPAN: 1.000 MHz) Es el ancho total de la "ventana" que estamos viendo. En este caso vemos desde 99.5 MHz hasta 100.5 MHz.
- 4. Resolución (RBW: 10 kHz) Define el filtro de resolución. Permite ver las bandas laterales separadas de la portadora.
- 5. Marcador (M1: -10.0 dBm) El marcador nos da el valor exacto de potencia en el pico: -10 dBm. Esto equivale a 0.1 mW sobre 50\(\Omega\).