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UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN Enrique Guzmán y Valle
Alma Máter del Magisterio Nacional FACULTAD DE TECNOLOGÍA
Escuela Profesional de Electrónica y Telecomunicaciones
MONOGRAFÍA
El osciloscopio y el analizador de espectro
Examen de Suficiencia Profesional Res. Nº0711-2019-D-FATEC
Presentada por:
Gaona Vásquez, José Antonio
Para optar al Título Profesional de Licenciado en Educación
Especialidad: Electrónica e Informática
Lima, Perú 2019
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MONOGRAFÍA
El osciloscopio y el analizador de espectro
Designación de Jurado Resolución Nº Nº0711-2019-D-FATEC
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Dr. Soria Cuellar, Fidel Tadeo Presidente
___________________________________________
Dr. Niño Cueva, Danés Carlos Enrique Secretario
____________________________________
Mg. Pumacayo Sanchez, Orlando Yban Vocal
Línea de investigación: Tecnología y soportes educativos
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Dedicatoria
A Dios por haberme dado la familia que tengo.
A mi esposa por haberme apoyado en todo momento.
A mis docentes por todas las enseñanzas que me brindaron en mi etapa universitaria.
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Índice de contenidos
Portada...i
Hoja de firmas de jurado...ii
Dedicatoria... iii
Índice de contenidos ... iv
Lista de tablas ... ix
Lista de figuras ... x
Introducción ... xii
Capítulo I. Conocimientos previos ... 13
1.1 Señales eléctricas ... 13
1.1.1 Historia de las señales eléctricas. ... 13
1.1.2 Tipos y características de las señales eléctricas. ... 15
1.2 Aplicación de las señales eléctricas ... 17
1.2.1 Aplicación de la señal cuadrada. ... 17
1.2.2 Aplicación de la señal senoidal. ... 18
1.2.3 Aplicación de la señal triangular. ... 18
1.3 Señales inalámbricas... 19
1.3.1 Historia de las señales inalámbricas. ... 20
1.3.2 Tipos de las señales inalámbricas. ... 25
1.4 Aplicación de las señales inalámbricas ... 26
Capítulo II. El osciloscopio ... 27
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2.1 El osciloscopio ... 27
2.2 Historia del osciloscopio ... 27
2.3 Tipos y características del osciloscopio... 29
2.3.1 Osciloscopio analógico. ... 29
2.3.2 Osciloscopio digital. ... 30
2.4 Mediciones con el osciloscopio ... 32
2.4.1 La pantalla. ... 32
2.4.2 Medida de voltajes. ... 33
2.4.3 Medida de tiempo y frecuencia. ... 35
2.4.4 Medida de tiempos de subida y bajada en los flancos. ... 35
2.4.5 Holdoff. ... 36
2.4.6 Línea de retardo...37
2.4.7 Valor Eficaz. ... 37
2.4.8 Valor Promedio. ... 38
2.4.9 Valor Eficaz de un tren de pulsos. ... 38
2.5 Sondas de prueba ... 39
2.5.1 Sondas pasivas. ... 39
2.5.2 Sondas activas. ... 41
2.6 Funciones del osciloscopio ... 41
2.6.1 Funciones de los botones y perillas del osciloscopio. ... 41
2.7 Aplicaciones del osciloscopio ... 44
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2.7.1 Análisis de potencia. ... 44
2.7.2 Análisis de datos en serie. ... 45
2.7.3 Análisis de fluctuación de retardo. ... 45
Capitulo III. El analizador de espectro ... 46
3.1 El analizador de espectro ... 46
3.2 Historia del analizador de espectro ... 47
3.3 Tipos y características del analizador de espectro. ... 47
3.3.1 Analizador de barrido sintonizado. ... 47
3.3.2 Analizador FFT. ... 48
3.4 Mediciones con el analizador de espectro ... 48
3.5 Funciones del analizador de espectro ... 50
3.5.1 La pantalla. ... 50
3.5.2 Configuración de la frecuencia. ... 51
3.5.3 Ajustes de ganancia y atenuación. ... 52
3.5.4 Velocidad de escaneo. ... 53
3.5.5 Ancho de banda del filtro. ... 53
3.5.6 Marcadores. ... 54
3.6 Aplicaciones del analizador de espectro ... 55
Capitulo IV. Proyecto: Módulo generador de señales cuadrad, senoidal, triangular y de frecuencia modulada. ... 57
4.1 Base teórica... 57
4.1.1 Integrado generador de funciones XR 2206... 57
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4.1.2 Integrado generador de frecuencia modulada qn8027. ... 59
4.1.3 Frecuencia modulada. ... 61
4.2 Objetivos ... 66
4.3 Requerimientos para el diseño del módulo instructivo ... 67
4.3.1 Responder al sistema modular instructivo y pedagógico. ... 67
4.3.2 Responder a las características tecnológicas del módulo generador de señales, cuadrada, senoidal, triangular y de frecuencia modulada. ... 68
4.3.3 Requerimientos tecnológicos. ... 68
4.4 Diseño pedagógico e instruccional ... 68
4.6 Formativo... 68
4.7 Tecnológico. ... 69
4.8 Experiencia de campo ... 69
4.9 Descripción del proyecto ... 69
4.10 Diagrama de bloques del generador de funciones ... 69
4.11 Diseño ... 70
4.11.1 Diagrama del generador de funciones. ... 70
4.11.2 Diagrama del generador de FM... 70
4.11.3 Placa impresa. ... 71
4.12 Recursos... 71
4.12.1 Humanos ... 71
4.12.2 Materiales. ... 72
4.12.3 Económicos. ... 73
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4.13 Cronograma ... 74
4.14 De la evaluación ... 76
4.15 Del informe ... 76
Aplicación didáctica ... 77
Síntesis ... 111
Apreciación crítica y sugerencias ... 112
Referencias ... 113
Apéndices ... 114
ix
Lista de tablas
Tabla 1. Banda espectral de radio frecuencias………... 52
Tabla 2. Tabla de materiales……… 67
Tabla 3. Tabla de precios……….. 68
x
Lista de figuras
Figura 1: Amplitud de una señal senoidal………... 17
Figura 2: Valor máximo positivo y máximo negativo………... 17
Figura 3: Longitud de onda(λ). ………... 18
Figura 4: Fase inicial de una onda………... 18
Figura 5: Flip – Flop D Sincronizado………... 18
Figura 6: Espectro electromagnético de radiación... 20
Figura 7: Radiación electromagnética………... 20
Figura 8: Señal senoidal analógica y digital……… 26
Figura 9: Osciloscopio analógico………... 29
Figura 10: Diagrama de un osciloscopio………... 31
Figura 11: Divisiones de la pantalla………... 32
Figura 12: Medición de voltajes………... 33
Figura 13: Línea vertical de medición de voltaje………... 34
Figura 14: Línea horizontal de medición de tiempo………... 35
Figura 15: Flanco de subida………... 36
Figura 16: Amplificación de impulso………... 37
Figura 17: Valores: promedio, rms, pico y pico a pico... 38
Figura 18: Valor eficaz de un tren de pulsos……….... 38
Figura 19: Calibración de una sonda de prueba………... 38
Figura 20: Sonda de prueba………... 39
Figura 21: Botones y perillas del osciloscopio………... 40
Figura 22: Diagrama de bloque de un analizador que usa el principio de heterodino... 45
Figura 23: Diagrama de bloque de un analizador FFT…...………... 46
Figura 24: Diagrama de pines del Integrado XR 2206………... 55
xi
Figura 25: Circuito de onda senoidal con ajuste externo... 56
Figura 26: Diagrama de pines del integrado QN8027………... 57
Figura 27: Un ejemplo de modulación de frecuencia. El diagrama superior muestra la señal moduladora superpuestas a la onda portadora. El diagrama inferior muestra la señal modulada resultante... 61
Figura 28: Diagrama de bloques del generador de funciones…...……… 65
Figura 29: Diagrama de bloques del generador de FM………... 65
Figura 30: Diagrama del generador de funciones con le integrado XR2206………... 65
Figura 31: Diagrama del generador de FM con le integrado QN8027... 66
Figura 32: Diseño de circuito impreso del generador de funciones... 66
Figura 33: Impreso del generador de funciones………... 66
xii
Introducción
Gracias al conocimiento obtenido del estudio de los fenómenos eléctricos, la electrónica pudo desarrollar diversas tecnologías que ayudan a facilitar la vida del hombre.
El conocimiento de estos fenómenos es esencial para entender los diversos tipos de dispositivos electrónicos que nos rodean, ya que la electrónica se encuentra en todos los aspectos de nuestras vidas, y pareciera que seguirá y aumentará su desarrollo en los años venideros.
El estudio de las señales eléctricas nos ayuda a comprender muchos aspectos de los diversos equipos electrónicos, desde las señales dentro de una placa de control industrial, hasta las señales inalámbricas generadas por un equipo de radio.
Para el estudio de este tipo de señales contamos con instrumentos que nos ayudan en su visualización y estudio, los cuales son, el osciloscopio para ondas eléctricas dentro de una placa electrónica y el analizador de espectro para señales inalámbricas.
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Capítulo I Conocimientos previos
1.1 Señales eléctricas
Vamos a describir a las señales eléctricas como un fenómeno de movimiento de electrones con diversos patrones o sin ellos.
Podemos determinar que dentro de un circuito la variación de tensión o corriente van a ser funciones que tienen como variable el tiempo.
Estas magnitudes pueden ser continuas o discontinuas, dependiendo el circuito.
En los casos de ser continuas y variables en el tiempo, hacemos referencia a una señal analógica.
Si la señal es continua y discreta, decimos que es una señal digital.
1.1.1 Historia de las señales eléctricas.
En este trabajo vamos a hacer referencia sobre la historia de las señales eléctricas desde el momento en el que se utilizaron para transmitir información.
El primer telégrafo fue inventado por Claude Chappe en 1794. Este era un sistema visual. Basado en el banner del alfabeto, depende de la apariencia de la comunicación. Más tarde, este telégrafo fue reemplazado por telégrafo. En 1809, Samuel Soemmering inventó
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un nuevo telégrafo en Baviera. Soemmering usó 35 cables con electrodos de oro en el agua.
La comunicación terminó a una distancia de 2,000 pies y fue detectada por la cantidad de gas producido por electrólisis. En 1828, Harrison Dyer inventó el primer telégrafo en los Estados Unidos. Telegraph envió chispas eléctricas a la cinta de papel electroprocesada y envió los puntos y rayas grabados.
Sin embargo, la base para la evolución a gran escala de las comunicaciones electrónicas se estableció en 1825 mediante la creación de "electroimanes" por William Sturgeon. Solo 7 onzas (aproximadamente 200 gramos) de hierro fueron envueltas en alambre y circulaba corriente de batería.
Sin embargo, el verdadero poder de los electroimanes es un papel en la creación de innumerables inventos en el futuro. En 1830, Joseph Henry USA demostró el potencial de los electroimanes Sturgeon para comunicaciones de larga distancia y envió
comunicaciones electrónicas a través de un cable de 1 milla que toca el imán y la campana.
Sin embargo, Samuel Morse desarrolló con éxito un electroimán y mejoró la
invención de Joseph Henry. Morse creó un boceto de un "imán magnetizado" basado en el trabajo de Henry. Inventó y comercializó un sistema telegráfico comercialmente exitoso.
Cuando trabajaba como profesor de arte y diseño en la Universidad de Nueva York, Samuel Morse demostró que las señales se pueden transmitir a través de cables. Utilizó pulsos de corriente para desviar el electroimán y mover el marcador para generar un código Morse escrito en el papel.
Al año siguiente, el dispositivo se cambió para incorporar puntos y guiones. Hizo una demostración pública en 1838, pero cinco años después del Congreso, entregó $ 30,000 y construyó una línea telegráfica experimental de 40 millas desde Washington a Baltimore.
Seis años después, los legisladores presenciaron el envío y la recepción de mensajes a
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través de una parte de la línea telegráfica. Morse y sus colaboradores adquirieron fondos privados para expandir sus líneas a Filadelfia y Nueva York, y el telégrafo comenzó a usarse en pequeñas empresas.
En 1861, Western Unión construyó la primera línea telegráfica transcontinental a lo largo de la vía del ferrocarril. En 1881, los sistemas postales y telegráficos llegaron a las zonas rurales por razones económicas y se fusionaron con Western Unión en 1943. El código Morse original fue impreso en cinta. Sin embargo, en los Estados Unidos, las operaciones se realizaron con código de oído. Los operadores capacitados pueden enviar 40-50 palabras por minuto.
1.1.2 Tipos y características de las señales eléctricas.
Podemos dividir en dos los tipos de señales eléctricas, las señales analógicas y digitales, a continuación, mencionamos las características de las ondas eléctrica:
• Frecuencia (𝑓)
Esta magnitud expresa las oscilaciones realizadas por la señal en la unidad de tiempo (un segundo), su unidad es el Hertz (Hz).
• Periodo (Τ)
Es el tiempo necesario para que la señal realice toda una oscilación.
Τ = 1 𝑓
• Frecuencia angular (𝑟𝑎𝑑 𝑠⁄ )
Mide la velocidad de rotación de un cuerpo.
𝜔 = 2𝜋. 𝑓
• Amplitud (A)
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Es la medida del valor máximo o mínimo de una onda continua y periódica, teniendo como referencia la mitad del desplazamiento vertical de la onda.
Figura 1. Amplitud de una señal senoidal. Fuente: Autoría propia.
• Valor pico a pico
Es el valor medido desde el pico negativo o valle hasta el pico positivo o cresta.
Figura 2. Valor máximo positivo y máximo negativo. Fuente: Autoría propia.
• Longitud de onda (𝜆)
Es la distancia recorrida por la onda al realizar un periodo completo
Figura 3. Longitud de onda (𝜆). Fuente: Autoría propia.
𝛌 = 𝒗 × 𝑻, (1)
Donde 𝒗 es la velocidad de la onda en un medio específico y 𝑻 es el periodo.
Su unidad se encuentra en metros por segundos.
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1.1.2.1 Representación matemática de una señal sinusoidal.
𝑦(x) = Asen(ωx + φ), (2) Donde 𝝋 es la fase inicial de la onda.
Figura 4. Fase inicial de una onda. Fuente: Autoría propia.
1.2 Aplicación de las señales eléctricas
1.2.1 Aplicación de la señal cuadrada.
Este tipo de señales son muy usadas en electrónica digital, sirven como señal de reloj para memorias, registros de desplazamiento y en microcontroladores nos dan la frecuencia para poder ejecutar líneas de programación.
Figura 5. Flip – Flop D Sincronizado. Fuente: Autoría propia.
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1.2.2 Aplicación de la señal senoidal.
Vamos a mencionar dos aplicaciones de las ondas senoidales, la corriente eléctrica y la modulación AM (Amplitud Modulada) y FM (Frecuencia Modulada).
1.2.2.1 La corriente eléctrica.
La forma de transmisión de energía eléctrica es una señal sinusoidal, esta forma de transmitir la energía es muchos más eficiente de transmitirla que forma corriente directa, a la forma sinusoidal de corriente eléctrica la mencionaremos como corriente alterna.
Es más eficiente transmitir la energía eléctrica de forma alterna ya que solo
transmitimos oscilaciones de los electrones dentro de los conductores eléctricos, en cambio si fuera de forma directa los electrones recorrerían todo el circuito completo, esto
implicaría perdidas en el potencial de los electrones por la resistencia que ofrecen los conductores eléctricos.
1.2.2.2 Modulación AM y FM.
Utilizamos las ondas senoidales en el AM como la onda portadora para poder reforzar la señal que deseamos enviar.
En el FM modificamos la frecuencia de la onda portadora con relación al valor de la señal de entrada.
1.2.3 Aplicación de la señal triangular.
Las ondas triangulares tienen los siguientes excelentes usos:
• Generación de señal de onda sinusoidal.
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Una onda sinusoidal se genera formando una señal triangular con una red de resistencia y un diodo. Esta es la forma habitual de generar una onda sinusoidal con un generador de funciones de baja frecuencia (hasta aproximadamente 10 MHz).
Una generación radical. En un tubo de rayos catódicos, un osciloscopio aplica
tensión triangular asimétrica (dientes de sierra) a la placa deflectora, y la corriente se aplica a la bobina deflectora como una pantalla de computadora. Para monitor de TV. Etc.
• Oscilador. Dado que la relación entre el tiempo y la amplitud de la onda triangular es lineal, es conveniente ejecutar un oscilador controlado por voltaje y comparar su nivel con el voltaje de control.
1.3 Señales inalámbricas
Este fenómeno físico es generado por el movimiento de electrones, que al moverse por un conductor eléctrico generan ondas electromagnéticas, otra forma de generar ondas
electromagnéticas es mediante el calentamiento de un cuerpo o por radiación natural.
Utilizamos las ondas electromagnéticas para transmitir mensajes de forma remota o calentar nuestros alimentos.
A continuación, mostramos el espectro electromagnético de radiación:
Figura 6. Espectro electromagnético de radiación. Fuente: Autoría propia.
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La radiación electromagnética es energía que pasa a través del espacio en forma de ondas electromagnéticas, y es una onda formada por otro magnetismo (B) que vibra en un campo eléctrico (E) y es ortogonal entre sí.
Figura 7. Radiación electromagnética. Fuente: Autoría propia.
1.3.1 Historia de las señales inalámbricas.
Las ondas electromagnéticas dominan nuestro universo y nuestras vidas. Para hacer esto, es suficiente mirar alrededor y reconocer la luz emitida por estrellas como el sol, escuchar la radio y hablar usando su teléfono móvil. ¿Cuándo conoces la naturaleza de estas olas? ¿Cuándo fueron descubiertos?
Regrese al siglo XIX, especialmente el último día de la vida de Michael Faraday (1791-1867). La inducción electromagnética, una de sus principales contribuciones, confirmó la creencia de Faraday sobre la existencia de simetría en muchos fenómenos naturales. Por el contrario, cuando un campo eléctrico genera un campo magnético, el campo magnético genera una corriente.
A mediados del siglo XIX, el científico escocés James Clark Maxwell (1831-1879) quedó fascinado por los fenómenos eléctricos y magnéticos descubiertos por Faraday. Con la ayuda de un científico británico que pensó en las líneas de campo magnético de un campo magnético que fue visualizado hábilmente utilizando archivos de hierro e imanes, puede formular un sistema de ecuaciones que explican estas estructuras y relaciones. Eso fue verdad. Hay cuatro ecuaciones que condensan todo el principio de investigación a un nivel clásico. Esto significa que las ecuaciones de Maxwell pueden usarse para explicar
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todos los fenómenos, incluida la electricidad y el magnetismo, a un nivel físico clásico.
Hoy, la teoría electromagnética de Maxwell y la teoría del movimiento y la gravedad de Newton se consideran pilares de la física clásica.
Maxwell sintió que sus ecuaciones sugerían la existencia de ondas electromagnéticas.
En otras palabras, a partir de esta ecuación, un campo magnético variable genera un campo eléctrico, y un cambio en el campo eléctrico genera un campo magnético variable, por lo que este proceso periódico genera ondas electromagnéticas que se propagan en el espacio. . También descubrió que la velocidad a la que se propagan estas ondas se puede calcular y encontrar, pero esa velocidad no tiene sorpresa ni alegría y no es una medida de la velocidad de la luz. Para Maxwell, la luz también era radiación electromagnética. ¡Me sorprendió que su teoría de la electricidad y el magnetismo sea también la teoría de la luz!
En la época de Maxwell, no se conocía una carga de vibración que pudiera generar luz. Esto se logró muchos años después. Por lo tanto, hasta que el físico alemán R.
Heinrich Herz (1857-1894) descubrió las ondas de radio a través de una serie de experimentos y confirmó la teoría de la radiación electromagnética de Maxwell, nadie creía en la teoría de Maxwell.
Antes de que Heinrich Hildorf Hertz (1857-1894) hiciera el experimento, se sabía poco sobre el espectro visible del espectro electromagnético. Por lo tanto, en 1800, William Herschel (1738-1822) descubrió una radiación invisible llamada roja además de infrarroja, y unos años más tarde, Johann Wilhelm Ritter (1776-1810) descubrió que el cloruro se volvió negro Descubierto y encontrado plata UV Hertz fue descubierto en 1888 cuando era profesor de física en la Universidad de Karlsruhe. Como se muestra en la siguiente figura, instaló un circuito eléctrico oscilante.
Puede producirse una chispa eléctrica entre dos bolas de metal de latón separadas por un pequeño espacio a través de una bobina de inducción conectada a dos placas de
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cobre A y A. Salté fue el circuito de oscilación el que generó el choque a la frecuencia resonante. Según la teoría de Maxwell, cada vibración genera una onda electromagnética que se propaga a la velocidad de la luz.
Cuando la corriente oscilante generó una chispa en el primer circuito y se emitió radiación electromagnética, se generó una corriente en el segundo bucle al hacer que una pequeña chispa saltara entre las esferas del bucle detector. Como se muestra en la figura anterior, Hertz usó un espejo parabólico para enfocar las ondas en el transmisor y el receptor. En sus experimentos, Hertz pudo calcular la longitud de onda de la radiación que se encontró que era de 66 centímetros moviendo el detector colocando el detector en varios lugares y distancias en el transmisor. Estos experimentos y otros hertz adicionales indican que estas ondas son de origen electromagnético y que la velocidad es la velocidad de la luz que Maxwell predijo hace varios años.
Cuando se le preguntó si su experimento conduciría al desarrollo de un
radiotelescopio, dijo que era imposible porque necesitaba hacer un reflector astronómico.
Curiosamente, Hearts no sabía que el desarrollo de un detector más sensible eliminaría ese enfoque. Pensé que era necesario concentrar las ondas de radio para que pudieran viajar una distancia específica. Eso fue verdad. Eso fue verdad. También señaló el inconveniente de que las olas viajan a lo largo de una línea recta mientras la tierra es redonda. En ese momento, no se sabía nada sobre el reflejo de las ondas de radio en la ionosfera.
Hoy, en su honor, el nombre se usa como una unidad de frecuencia. Un hertz (1 Hz) es equivalente a una vibración por segundo (1 Hz = 1 s-1).
Aplicación de ondas como medio de transmisión de datos. El telégrafo inalámbrico es la transmisión de señales de telégrafo eléctrico sin cables (comunicación inalámbrica).
Actualmente, este término se usa para designar el primer sistema de telégrafo "radial" que se comunica a través de ondas de radio, y este término comenzó en el siglo XIX, pero
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también se usa en algunas tecnologías de comunicación experimentales. Era inalámbrico como telégrafo fotoeléctrico y de inducción.
El primer transmisor y receptor de radio práctico fue inventado en 1894 por Guillermo Marconi, quien utilizó el telégrafo "radial". Wireless Telegraph es la única transmisión inalámbrica en los primeros 30 años de comunicación inalámbrica, y recientemente conocida como la "era inalámbrica", modula de forma inalámbrica la
amplitud (AM) y la voz de un teléfono inalámbrico hasta la Primera Guerra Mundial. En el telegrama inalámbrico mundial, la información se transmite en dos longitudes diferentes de pulsos de radiación llamados "puntos" y "franjas" que se convierten en mensajes de texto como el código Morse. En un sistema manual, cuando el operador presiona un interruptor llamado "tecla de teléfono", el transmisor se puede encender y apagar para generar una onda radial.
El pulso se recibe como un pitido en el altavoz del receptor y un operador que conoce el código Morse lo convierte en texto.
Antes de 1910, debido a que la radio ya era dominante, el término radio se usaba para referirse a otras tecnologías experimentales que podían transmitir señales telegráficas sin cables, como los sistemas de inducción electromagnética y los sistemas de tierra telegráfica. Eso fue verdad.
En la primera mitad del siglo XX, las conexiones inalámbricas se utilizaron para comunicaciones interpersonales de larga distancia por razones comerciales, diplomáticas y militares. Si el enemigo corta el cable submarino, los países sin estaciones de radio pueden permanecer aislados del mundo, lo que será una herramienta estratégicamente importante durante la Segunda Guerra Mundial.
Las estaciones de telégrafos inalámbricos, que comenzaron alrededor de 1908, pudieron enviar telegramas entre países a aproximadamente 200 palabras por minuto. El
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telégrafo inalámbrico se ha transmitido en varios formatos de modulación a lo largo de su historia. El primitivo "transmisor de chispas" utilizado hasta 1920 transmitía ondas de lodo de banda ancha e interfería fácilmente con otras transmisiones de banda ancha.
Este tipo de lanzamiento fue prohibido en 1930. Los transmisores de válvula termoeléctrica que se han reutilizado desde 1920 transmiten códigos a través de pulsos sinusoidales no modulados llamados onda continua (CW). Para escuchar la transmisión CW, el receptor necesita un circuito llamado Beat Frequency Oscillator (BFO). El tercer tipo de modulación, Modulación de cambio de frecuencia (FSK), solo se usó con Radio Telepo (RTTY). Para expandir su uso en la Segunda Guerra Mundial, los códigos Morse inalámbricos fueron reemplazados gradualmente por redes inalámbricas. Aunque
raramente se usa hoy, lo que queda es una comunidad de operadores de radio aficionado y militares capacitados para emergencias.
En base al desarrollo de telegrafía inalámbrica y el tratamiento de las señales eléctrica logramos el desarrollo de la radio y la televisión.
La comunicación inalámbrica se originó a partir de la investigación sobre
transmisión remota de sonido realizada por muchos investigadores y científicos a lo largo del siglo XIX. En 1909, la transmisión fue posible al combinar dos inventos recientes (teléfono e inalámbrico) en un dispositivo. En 1920, se estableció la primera estación de radio regular en los Estados Unidos.
Otras mejoras como la modulación de frecuencia (FM), grabadora de cinta, estéreo, transistor, etc. Han mejorado y ampliado la calidad y el brillo. La radio futura se centrará en el uso de tecnología digital, mejorará la calidad del sonido y ampliará el alcance de Internet.
Hablando de televisión, el ingeniero alemán Paul Nipkou nació de la idea original de
"Quiero mostrar un objeto desde la ubicación A en otra ubicación deseada B". En 1926, el
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escocés J. L. Baird pudo enviar la imagen de una persona de una habitación a otra.
Después de la Segunda Guerra Mundial, la televisión experimentó un auge excepcional cuando se consideró un medio privilegiado para la publicidad.
1.3.2 Tipos de las señales inalámbricas.
La comunicación inalámbrica por radiofrecuencia (RF) es la forma principal de comunicación inalámbrica, ya que se utiliza en TV, radio, sistemas de teléfonos celulares, redes inalámbricas y varias otras aplicaciones. El advenimiento de las comunicaciones de RF había visto el surgimiento de sistemas analógicos que ahora han sido reemplazados principalmente por sistemas digitales debido a las ventajas que ofrecen las tecnologías digitales.
1.3.2.1 Señales analógicas.
En los sistemas analógicos, se utilizan señales de frecuencia o amplitud variables para modular las ondas portadoras. Las señales analógicas cambian continuamente (valores infinitos) y se representan como una serie de ondas sinusoidales. Las transmisiones de radio AM y FM son los ejemplos más comunes de transmisión analógica.
1.3.2.2 Señales digitales.
En los sistemas digitales, las señales son discretas (conjunto de valores finito o limitado) en tiempo y valor y están representadas por números binarios, "0" o "1" (cada uno llamado un bit).
Figura 8. Señal senoidal analógica y digital. Fuente: Autoría propia.
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Las señales digitales se pueden generar mediante el muestreo de la señal continua (analógica) donde la señal digital intenta aproximarse a los valores de la señal analógica en pequeños pasos discretos.
1.4 Aplicación de las señales inalámbricas
• Las bandas más importantes con aplicaciones inalámbricas, del rango de
frecuencias que abarcan las ondas de radio, son la VLF (comunicaciones en navegación y submarinos), LF (radio AM de onda larga), MF (radio AM de onda media), HF(radio AM de onda corta), VHF (radio FM y TV), UHF (TV).
• Mediante las microondas terrestres, existen diferentes aplicaciones basadas en protocolos como Bluetooth o ZigBee para interconectar ordenadores portátiles, PDAs, teléfonos u otros aparatos. También se utilizan las microondas para comunicaciones con radares (detección de velocidad u otras características de objetos remotos) y para la televisión digital terrestre.
• Las microondas por satélite se usan para la difusión de televisión por satélite, transmisión telefónica a larga distancia y en redes privadas, por ejemplo.
• Los infrarrojos tienen aplicaciones como la comunicación a corta distancia de los ordenadores con sus periféricos. También se utilizan para mandos a distancia, ya que así no interfieren con otras señales electromagnéticas, por ejemplo la señal de televisión. Uno de los estándares más usados en estas comunicaciones es el IrDA (Infrared Data Association).
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Capítulo II El osciloscopio
2.1 El osciloscopio
Un osciloscopio es un dispositivo de visualización electrónico que muestra gráficamente señales eléctricas que cambian con el tiempo. A menudo se usa ampliamente en electrónica de señales con analizadores de espectro.
El valor de la señal eléctrica se muestra en formato de coordenadas en la pantalla. En general, el eje X (horizontal) representa el tiempo y el eje Y (vertical) representa el voltaje.
La imagen obtenida de esta manera se llama oscilograma. Por lo general, contiene entradas separadas llamadas "ejes THRASHER" o "cilindros Welnert" que controlan el brillo del haz, lo que le permite resaltar o desactivar partes de la traza.
Los osciloscopios clasificados según la función interna son analógicos y digitales, y en teoría los resultados son los mismos en ambos casos.
2.2 Historia del osciloscopio
La historia del osciloscopio comenzó en 1893. El ingeniero y físico francés Andre Blondel había presentado el primer osciloscopio electromagnético del mundo con su propia
suspensión de dos cables. Con la ayuda de un péndulo con tinta conectada a la bobina, el
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dispositivo pudo registrar valores eléctricos como la intensidad de corriente alterna en la cinta de papel.
Teniendo en cuenta, que en el proceso se utilizaban simultáneamente varios
dispositivos mecánicos, primeros osciloscopios no eran muy exactos y su ancho de banda oscilaba en el diapasón entre 10 y 19 kHz.
Verdadera evolución de osciloscopios comenzó en el año 1897, cuando el científico alemán Karl Ferdinand Braun invento el tubo de rayos catódicos (CRT). La compañía británica A.C. Cossor pudo adaptar esta tecnología y en el año 1932 presento el primer osciloscopio basado en el tubo de rayos catódicos.
Cuando terminó la Segunda Guerra Mundial, los equipos de medida, incluyendo los osciloscopios, empezaron a desarrollarse por todo el mundo. Más que todo esto fue notable en Europa y América. En el año 1946 Howard Vollum y Melvin Murdock fundaron la compañía Tektronix, que muy pronto se convirtió en el líder mundial en oscilografía. El mismo año Vollum y Murdock fabricaron su primer osciloscopio de exploración retardada (exploración de ciclo simple) — esta tecnología fue utilizada en el modelo 511 con el ancho de banda 10 MHz. Bajo el término de exploración retardada en un osciloscopio se entiende el tipo de exploración que se activa únicamente durante el tiempo de desarrollo de impulso eléctrico investigado.
En los años 1950 prácticamente en todos los países desarrollados empezaron a fabricar estos aparatos. Gracias a esto los osciloscopios se convirtieron en una herramienta de medición universal. Fabricación de primeros modelos industriales ocasionó el
crecimiento rápido de la banda pasante y precisión de osciloscopios, hasta que en el año 1985 aparecieron primeros equipos digitales.
Seguramente podemos considerar este año como un punto clave en la historia de desarrollo de oscilografía. Precisamente en este año para el centro de investigaciones
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CERN por primera vez en el mundo fue fabricado un osciloscopio de almacenamiento digital. Proceso de desarrollo de este aparato dirigió el ingeniero Walter LeCroy, fundador de la compañía LeCroy. A partir de los años 1980 el mercado de osciloscopios ha
progresado con pasos enormes, y hoy en día estos equipos son indispensables.
2.3 Tipos y características del osciloscopio
2.3.1 Osciloscopio analógico.
El voltaje por medir se aplica a la placa de desviación vertical oscilante del tubo de rayos catódicos (usando un amplificador con alta impedancia de entrada y ganancia ajustable), y se aplica un voltaje irregular a la placa de desviación horizontal (crece repetidamente).
Entonces cae de inmediato, este voltaje es generado por un circuito oscilante adecuado y su frecuencia se puede ajustar dentro de un amplio rango de valores para que coincida con la frecuencia de la señal que se está midiendo. Esto se llama la base de tiempo.
Figura 9. Osciloscopio analógico. Fuente: Autoría propia.
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2.3.2 Osciloscopio digital.
Hoy en día, los osciloscopios analógicos son casi reemplazados por osciloscopios digitales, incluida la razón por la cual las mediciones pueden transferirse fácilmente a una PC o pantalla LCD.
En los osciloscopios digitales, la señal fue digitalizada previamente por un
convertidor D / A, pero se debe tener cuidado si la fiabilidad de la pantalla depende de la calidad de este componente.
Las funciones y procedimientos que se muestran para los osciloscopios analógicos también se pueden aplicar a los osciloscopios digitales. Sin embargo, hay posibilidades adicionales, como la activación temprana que indica un evento corto (activación previa) o la transferencia de datos a una PC para guardar el oscilograma. Esto le permite comparar mediciones realizadas en el mismo punto del circuito o elemento. Algunos equipos combinan etapas analógicas y digitales.
La función principal del osciloscopio digital es la frecuencia de muestreo. Esto determina el ancho de banda máximo que el instrumento puede medir. Generalmente expresado en MS / s (millones de muestras por segundo).
La mayoría de los osciloscopios digitales modernos se basan en el control FPGA (matriz de compuerta programable de campo en inglés). El FPGA es el elemento de control del convertidor analógico para los circuitos digitales internos del dispositivo, como la memoria, los búferes y otros circuitos internos de alta velocidad.
Estos osciloscopios añaden prestaciones y facilidades al usuario imposibles de obtener con circuitería analógica, como los siguientes:
• Medida automática de valores de pico, máximos y mínimos de señal.
• Verdadero valor eficaz.
• Medida de flancos de la señal y otros intervalos.
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• Captura de transitorios.
• Cálculos avanzados, como la FFT para calcular el espectro de la señal. también sirve para medir señales de tensión.
Un osciloscopio es un dispositivo electrónico que proporciona una pantalla gráfica de señales eléctricas que cambian con el tiempo. A menudo se usa ampliamente en electrónica de señales con analizadores de espectro.
El valor de la señal eléctrica se muestra en formato de coordenadas en la pantalla, en general, el eje X (horizontal) representa el tiempo y el eje Y (vertical) representa el voltaje.
La imagen obtenida de esta manera se llama oscilograma. Por lo general, incluye una entrada separada llamada "eje Z" o "cilindro de Welnert" que puede controlar la intensidad del haz y resaltar o apagar parte de la traza.
Los osciloscopios clasificados según la función interna son analógicos y digitales, y en teoría los resultados son los mismos en ambos casos.
Figura 10. Diagrama de un osciloscopio. Fuente: Autoría propia.
El osciloscopio tiene básicamente dos tipos de controles y se utiliza como regulador para ajustar la señal de entrada. Como resultado, la medición en la pantalla se hace posible y se puede confirmar la forma de la señal medida con el osciloscopio. Técnicamente, se utiliza un osciloscopio para observar la señal que se mide.
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El primer control ajusta el eje X (horizontal) y evalúa las fracciones de tiempo (segundos, milisegundos, microsegundos, etc., según la resolución del dispositivo). El segundo ajusta el eje Y (vertical) controlando el voltaje de entrada (voltios, milivoltios, microvoltios, etc., dependiendo de la resolución del dispositivo).
Estas regulaciones determinan el valor de escala de la cuadrícula que divide la pantalla, para que pueda saber cuánto representa cada cuadrado en la pantalla, para que pueda determinar el valor de la señal que desea medir tanto en voltaje como en frecuencia.
Puede ver que la onda de señal se mide realmente y se calcula la frecuencia.
2.4 Mediciones con el osciloscopio
Esta sección describe técnicas básicas de medición utilizando un osciloscopio. Las dos mediciones más básicas que puede realizar con un osciloscopio son voltaje y tiempo, que son mediciones directas.
Esta sección describe cómo realizar mediciones visualmente en una pantalla de osciloscopio. Algunos osciloscopios digitales tienen software interno que puede medir automáticamente. No obstante, si ha aprendido a realizar mediciones manualmente, también puede ver mediciones automatizadas realizadas con un osciloscopio digital.
2.4.1 La pantalla.
Vea la siguiente figura que representa una pantalla de osciloscopio. Tenga en cuenta que la pantalla tiene una serie de marcas que se dividen tanto vertical como
horizontalmente, formando una llamada grilla o grilla. La separación de dos líneas de cuadrícula consecutivas constituye una llamada división. La cuadrícula generalmente tiene 10 divisiones horizontales por 8 líneas verticales del mismo tamaño (aproximadamente cm), formando una pantalla más ancha que la altura. En la línea central de las líneas
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horizontal y vertical, cada cuadro o cuadro tiene una marca dividida en cinco partes iguales (los detalles se usarán más adelante)
Figura 11. Divisiones de la pantalla. Fuente: Autoría propia.
Algunos osciloscopios tienen marcas horizontales de 0%, 10%, 90% y 100% (10% a 90% de amplitud pico a pico) para facilitar la medición de los tiempos de subida y bajada lateral. % Medido). Algunos osciloscopios también muestran en la pantalla cuántos voltios representa cada segmento vertical y cuántos segundos representa cada segmento
horizontal.
2.4.2 Medida de voltajes.
En general, cuando se habla de voltaje, la diferencia de potencial entre dos puntos en el circuito debe expresarse en voltios. Sin embargo, generalmente uno de los puntos está conectado a tierra (0 voltios) y el voltaje en el punto A se explica brevemente (en realidad, la diferencia de potencial entre el punto A y GND). El voltaje también se puede medir de pico a pico (entre los valores de señal máximo y mínimo). Es muy importante especificar el tipo de voltaje a medir.
Un osciloscopio es un dispositivo que mide directamente el voltaje. Ahora puede realizar otras mediciones con cálculos simples (fuerza, fuerza, etc.). El cálculo de la señal de CA puede ser complicado, pero el primer paso para medir otras cantidades es siempre comenzar con el voltaje.
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Figura 12. Medición de voltajes. Fuente: Autoría propia
En la figura anterior, valor pico V p, valor pico hasta pico V pp, generalmente dos veces V p, valor RMS V ef o V RMS (raíz cuadrada media, es decir, cuadrado medio de valores instantáneos), intensidad de la señal de CA.
Hacer mediciones de voltaje con un osciloscopio es fácil. Simplemente cuente el número de divisiones verticales ocupadas por la señal en la pantalla, al ajustar la señal con el control de posicionamiento horizontal, puede realizar mediciones más precisas
utilizando el ajuste de cuadrícula. (Tenga en cuenta que una subdivisión suele ser igual a 1/5 de lo que representa una división completa). Para mediciones confiables, es importante que la señal ocupe el mayor espacio en la pantalla. Esto se debe a que afecta el interruptor del amplificador vertical.
Figura 13. Línea vertical de medición de voltaje. Fuente: Autoría propia.
Algunas pantallas de osciloscopio tienen un cursor que le permite realizar
mediciones de voltaje sin contar el número de divisiones que ocupa la señal. Básicamente, el cursor es dos líneas horizontales para medir el voltaje y dos líneas verticales para medir
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el tiempo que se puede mover independientemente en la pantalla. El valor medido se muestra automáticamente en la pantalla del osciloscopio.
2.4.3 Medida de tiempo y frecuencia.
La escala horizontal del osciloscopio se usa para mediciones de tiempo. Esto incluye el período de medición, el ancho del pulso y los tiempos de subida y bajada del pulso. La frecuencia es una medida indirecta calculada calculando el recíproco de un período. Al igual que con el voltaje, las mediciones de tiempo son más precisas cuando el tiempo que se mide ocupa la mayor parte de la pantalla.
Esto se debe a que funciona de acuerdo con el cambio de la base de tiempo. Si usa el control de posicionamiento vertical para centrar la señal, puede usar la subdivisión para realizar mediciones más precisas.
Figura 14. Línea horizontal de medición de tiempo. Fuente: Autoría propia.
2.4.4 Medida de tiempos de subida y bajada en los flancos.
En muchas aplicaciones es importante conocer los detalles del pulso, especialmente el tiempo de subida o bajada.
Las medidas típicas para un pulso son su ancho, tiempo de subida y tiempo de caída.
El tiempo de subida del pulso es una transición de un nivel bajo a un nivel de alto voltaje.
Por acuerdo, se mide el tiempo que tarda el pulso en alcanzar el 90% después de alcanzar el 10% del voltaje total. Esto elimina las irregularidades del borde de impulso. Esta es una
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descripción de la marca observada en algunos osciloscopios (a veces simplemente una línea punteada).
Para la medición de pulso, se requiere un ajuste fino del control de disparo. Para convertirse en un experto en captura de pulso, es importante saber cómo usar el control de inicio del osciloscopio. Una vez que se captura el pulso, el proceso de medición es el siguiente: Funciona con el interruptor de amplificador vertical hasta que la amplitud de pulso de pico a pico coincida con la línea de puntos (o lo que aparece como 0) y se establece en las variables relevantes control% y 100%). Se mide el intervalo de tiempo entre los cortes de impulso en las líneas que se muestran como 10% y 90%, y el interruptor de base de tiempo se ajusta para que este tiempo ocupe el valor máximo en la pantalla del osciloscopio.
Figura 15. Flanco de subida. Fuente: Autoría propia.
2.4.5 Holdoff.
Podía traducirse como mantener (hold) desconectado (off). Este control no está incluido con osciloscopios de nivel bajo o medio.
Esto se utiliza para sincronizar la señal formada por el tren de pulsos de intervalo de tiempo en la pantalla del osciloscopio. El osciloscopio está diseñado para funcionar cuando el primer impacto del tren alcanza el nivel de tensión establecido para el viaje, pero el osciloscopio llega porque hay un área de proyección que cubre el impacto posterior. El primer impulso del próximo tren que no se ha verificado hasta ahora. Generalmente
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consiste en comandos asociados con el interruptor, este último activa el sistema de espera y los comandos variables ajustan el tiempo de sombra del disparo.
2.4.6 Línea de retardo.
Además, estos controles generalmente no se encuentran en osciloscopios de rango medio y bajo. Sin embargo, si desea amplificar los detalles que no están cerca del tiempo de disparo, deberá retrasar el tiempo específico de alguna manera para poder amplificar con el comando de base de tiempo. Esta es exactamente la función de este comando.
Consiste en un interruptor de múltiples posiciones que le da al osciloscopio tiempo para retrasar la presentación desde el momento en que la señal se activa. Este tiempo varía de unos pocos µsg a cientos de mensajes dependiendo del osciloscopio. También hay un control variable para ajustar el tiempo anterior con mayor precisión. Finalmente, el
interruptor etiquetado Buscar es el punto donde el osciloscopio muestra la señal y establece la posición previa para amplificar los detalles requeridos.
Figura 16. Amplificación de impulso. Fuente: Autoría propia.
2.4.7 Valor Eficaz.
También llamado valor cuadrático medio o en ingles root mean square.
El significado físico de un valor válido es especificar un valor de corriente
estrictamente constante que produce el mismo efecto de calentamiento que una corriente variable cuando circula a través de una resistencia óhmica particular. De esta manera, se
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establece el paralelismo entre todos los tipos de corriente variable y corriente continua, lo que facilita los cálculos de corriente continua.
Este valor lo obtenemos al multiplicar el valor pico de la señal por 0.707.
𝑽𝑹𝑴𝑺= 𝑽𝑷𝑰𝑪𝑶 × 𝟎. 𝟕𝟎𝟕 (3)
2.4.8 Valor Promedio.
El valor promedio de un ciclo completo de voltaje o corriente es cero (0). Si se toma en cuenta sólo un semiciclo (supongamos el positivo) el valor promedio es:
𝑽𝑷𝑹𝑶𝑴= 𝑽𝑷𝑰𝑪𝑶 × 𝟎. 𝟔𝟑𝟔 (4)
Y la relación entre el valor promedio y el valor eficaz es:
𝑽𝑷𝑹𝑶𝑴= 𝑽𝑹𝑴𝑺 × 𝟎. 𝟗 (5)
Figura 17. Valores: promedio, rms, pico y pico a pico. Fuente: Autoría propia.
2.4.9 Valor Eficaz de un tren de pulsos.
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Figura 18. Valor eficaz de un tren de pulsos. Fuente: Autoría propia.
𝑽𝒆𝒇 = 𝑽𝑷𝑰𝑪𝑶√𝑻− 𝑻𝑻𝑷
𝑷 (6)
2.5 Sondas de prueba
Usar una sonda específicamente diseñada para trabajar con un osciloscopio es muy importante. La sonda no es un cable sujeto sino un conector especialmente diseñado para evitar ruidos que puedan interferir con la medición.
Además, la sonda está configurada para minimizar el impacto en el circuito de
medición. Esta potencia de la sonda se denomina efecto de carga, y generalmente se usa un atenuador pasivo 10x para minimizar esto.
Figura 19. Calibración de una sonda de prueba. Fuente: Autoría propia.
Este tipo de sonda generalmente viene con un osciloscopio y es una excelente sonda de uso general. Otros tipos de mediciones utilizan sondas especiales como sondas de corriente y sondas activas.
2.5.1 Sondas pasivas.
La mayoría de las sondas pasivas suelen tener un factor de atenuación de 10X o 100X. Por acuerdo, el factor de amortiguación se indica con un símbolo X después del factor de división. Por el contrario, la ganancia se muestra antes del símbolo X (X10 o X100).
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La sonda más utilizada es diez veces, lo que reduce la amplitud de la señal en un factor de diez. Su rango de uso es desde frecuencias superiores a 5 kHz hasta niveles de señal superiores a 10 mV. La sonda 1X es similar a la anterior, pero coloca más carga en el circuito de prueba, pero puede medir señales de nivel más bajo. Para facilitar su uso, se introdujo una sonda especial con un interruptor que permite el uso de 1X o 10X. Cuando se utilizan estos tipos de sondas, la posición de este interruptor debe verificarse antes de la medición.
Figura 20. Sonda de prueba. Fuente: Autoría propia.
2.5.1.1 Compensación de la sonda.
Antes de utilizar una sonda atenuadora 10X es necesario realizar un ajuste en frecuencia para el osciloscopio en particular sobre el que se vaya a trabajar. Este ajuste se denomina compensación de la sonda y consta de los siguientes pasos.
• Conectar la sonda a la entrada del canal I.
• Conectar la punta de la sonda al punto de señal de compensación (La mayoria de los osciloscopios disponen de una toma para ajustar las sondas, en caso contrario será necesario utilizar un generador de onda cuadrada), Conectar la pinza de cocodrilo de la sonda a masa.
• Observar la señal cuadrada de referencia en la pantalla.
• Con el destornillador de ajuste, actuar sobre el condensador de ajuste hasta observar una señal cuadrada perfecta.
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2.5.2 Sondas activas.
Amplifica la señal antes de aplicarla a la entrada del osciloscopio. Puede ser
necesario para circuitos con muy baja capacidad de carga de salida. Se requiere una fuente de alimentación para usar este tipo de sondas.
2.5.2.1 Sondas de corriente.
Puede medir directamente la corriente en el circuito. Se puede utilizar para
mediciones de CA y CC. Hay una abrazadera que cubre el cable para medir la corriente.
Como no está en serie con el circuito, casi no hay interferencia en el circuito.
2.6 Funciones del osciloscopio
2.6.1 Funciones de los botones y perillas del osciloscopio.
• On/Off (1).
No usar la clavija de la pared como interruptor de encendido/apagado. Un buen sistema de apagado mantiene el control sobre los transitorios eléctricos, que pueden dañar los componentes de circuitos sensibles.
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1 16 2
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Figura 21. Botones y perillas del osciloscopio. Fuente: Autoría propia.
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• Intensidad (2).
Ajustar el brillo de la trazada hasta que se vean todos los detalles de la forma de onda. Si el trazo está demasiado brillante, no se verán mejor los detalles, la vista se cansará y podría dañarse el aparato.
• Foco (3).
Girar este botón hasta que el trazo se vea nítido.
• Buscador de trazo (4).
Si no se encuentra el trazado, pulsar este botón. La pantalla mostrará en que cuadrante está el trazo. Luego se pueden usar los controles horizontales (#10) y vertical (#15) para llevar el trazo al centro de la pantalla.
• Fuente de activación y Modo (5).
Se puede usar el osciloscopio para observar señales que se repiten frecuentemente.
Con objeto de producir una imagen estable en la pantalla, el osciloscopio debe comenzar a barrer la forma de onda en el mismo punto cada vez. Esta función se llama "disparar". En muchas aplicaciones se debe poner el mando de control de fuente en la posición "internal", y el mando de modo en "auto". Con esto se permite que el osciloscopio decida cuando y como disparar.
• Disparo de bajada (6).
Normalmente el voltaje de la señal igualará dos veces el voltaje de disparo cuando está subiendo y una vez cuando está bajando. El control de pendiente de disparo, habilita la selección de la pendiente de voltaje que se va a usar para el disparo (hacia arriba o abajo).
• Nivel de disparo (7).
Esto establece el voltaje interno que se compara con el voltaje de la señal de entrada.
Cuando el voltaje de la señal de entrada se iguala al voltaje de disparo, comienza el
muestreo. Si se ve una imagen que se asemeja a la superposición de muchas ondas, girar el
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botón de nivel de disparo hacia adelante o hacia atrás lentamente, hasta que se consiga una imagen estable.
• Calibración de barrido (8).
Esto permite cambiar la escala horizontal. A menos que se gire totalmente esta perilla en sentido horario, el osciloscopio no está calibrado y los datos de barrido
horizontal no tendrán ningún valor. Girar este mando en dirección horaria completamente y comprobarlo frecuentemente al tomar datos.
• Barrer (9).
Esto determina la escala horizontal del aparato. La escala se lee en la ventanilla superior blanca. Sus unidades son segundos/división.
• Posición Horizontal (10).
Esto permita mover la señal hacia adelante y atrás a lo largo del eje X. Esto determina en efecto, el valor que tiene la señal en el origen.
• Selección de canal (11).
La mayoría de los osciloscopios tienen trazo dual. Esto significa que pueden mostrar dos señales a la vez. Por ello hay dos puertas de señales de entrada y dos controles de sensibilidad.
• Puerto de señal (12).
Hay una puerta de señal para cada canal. En el osciloscopio que se muestra es un conector tipo BNC.
• Calibración de la sensibilidad (13).
Este botón se usa para cambiar la escala vertical. Si no está girado completamente en sentido horario, el osciloscopio no está calibrado y los datos no tendrán ningún valor. Girar este mando en sentido horario completamente y comprobarlo frecuentemente al tomar datos.
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• Sensibilidad (14).
Esto determina la escala vertical. Se lee en la ventana blanca de la izquierda. Las unidades son voltios/división.
• Posición Vertical (15).
Esta perilla controla la posición vertical del trazo. Es muy útil en la configuración o lectura del voltaje.
• Selector de AC/DC (16).
Cuando este mando se coloca en la posición de "AC" se filtra la parte de DC de la señal, por medio de unos condensadores que se colocan en serie entre la entrada de señal y el osciloscopio. Cuando el selector se coloca en "ground", el haz se dibujará a cero voltios (una línea horizontal). Cuando el selector se coloca en la posición de "DC", se mostrará la señal completa en el aparato.
2.7 Aplicaciones del osciloscopio
Los osciloscopios se utilizan en una amplia variedad de industrias y aplicaciones diferentes. Estas son algunas de las aplicaciones y usos más comunes para los osciloscopios en la actualidad:
2.7.1 Análisis de potencia.
Los osciloscopios se pueden usar para medir y analizar las características operativas de los dispositivos de conversión de potencia, circuitos y armónicos de potencia de línea. Para ello se necesitan sondas amplificadoras diferenciales, y también se ofrece un software especial para facilitar el análisis de los datos.
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2.7.2 Análisis de datos en serie.
Las señales de datos digitales se están moviendo a formatos de datos en serie cada vez mayores. Los osciloscopios se utilizan para analizar y caracterizar formatos de datos como USB, SCSI, Ethernet, Serial ATA, Fibre Channel, FireWire, Rapid I / O, InfiniBand, Bluetooth y CAN Bus (para la industria automotriz).
2.7.3 Análisis de fluctuación de retardo.
Hoy en día, los circuitos de gran ancho de banda tienen señales y relojes extremadamente rápidos. Los osciloscopios se utilizan para caracterizar y depurar la fluctuación de señal, así como la sincronización de relojes, reloj a datos y análisis de flujo de datos.
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Capitulo III
El analizador de espectro
3.1 El analizador de espectro
Un analizador de espectro es un dispositivo de medición electrónico que puede mostrar el contenido espectral del espectro de frecuencia de una señal presente en la entrada en la pantalla. Este es cualquier tipo de onda eléctrica, acústica o de luz.
En otras palabras, se conoce como una máquina o dispositivo que puede verificar la frecuencia y el tamaño de las ondas electromagnéticas.
En el eje vertical, el nivel de dBm del componente espectral de la señal generalmente se muestra en una escala logarítmica. El eje de frecuencia está representado en el eje horizontal por una escala que es función del intervalo de tiempo y el número de muestras capturadas.
Esto se llama la frecuencia central del analizador que corresponde a la frecuencia del punto medio de la pantalla.
Un dispositivo puede medir la potencia (cm) o el voltaje de una señal eléctrica configurando el dispositivo correctamente. Sin embargo, los valores del campo eléctrico o del campo magnético no se pueden medir. Este último no es un gran problema porque hay
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una forma inmediata de obtener estos valores de campo de un parámetro específico (para mediciones de antena, el campo eléctrico se puede obtener del parámetro de antena k).
3.2 Historia del analizador de espectro
Los primeros analizadores de espectro, en la década de 1960, fueron instrumentos sintonizados.
Tras el descubrimiento de la transformada rápida de Fourier (FFT) en 1965, los primeros analizadores basados en FFT se introdujeron en 1967.
Hoy en día, hay tres tipos básicos de analizador: el analizador de espectro
sintonizado, el analizador de señal vectorial y el analizador de espectro en tiempo real.
3.3 Tipos y características del analizador de espectro.
Los tipos de analizadores de espectro se distinguen por los métodos utilizados para obtener el espectro de una señal. Hay analizadores de espectro basados en barrido y transformada rápida de Fourier (FFT):
3.3.1 Analizador de barrido sintonizado.
Utiliza un receptor superheterodino para convertir una parte del espectro de la señal de entrada a la frecuencia central de un filtro de paso de banda estrecho , cuya potencia de salida instantánea se registra o se muestra en función del tiempo. Al barrer la frecuencia central del receptor (usando un oscilador controlado por voltaje ) a través de un rango de frecuencias, la salida también es una función de la frecuencia. Pero mientras el barrido se centra en cualquier frecuencia en particular, puede faltar eventos de corta duración en otras frecuencias.
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Figura 22. Diagrama de bloque de un analizador que usa el principio de heterodino. Fuente: Autoría propia.
3.3.2 Analizador FFT.
Calcula una secuencia temporal de periodogramas . FFT se refiere a un algoritmo matemático particular utilizado en el proceso. Esto se usa comúnmente junto con un receptor y un convertidor e analógico a digital . Como arriba, el receptor reduce la frecuencia central de una porción del espectro de la señal de entrada, pero la porción no es barrida.
El propósito del receptor es reducir la frecuencia de muestreo con la que debe lidiar el analizador. Con una frecuencia de muestreo lo suficientemente baja, los analizadores FFT pueden procesar todas las muestras (100% de ciclo de trabajo ) y, por lo tanto, pueden evitar eventos perdidos de corta duración.
Figura 23. Diagrama de bloque de un analizador FFT. Fuente: Autoría propia.
3.4 Mediciones con el analizador de espectro
El dBm (a veces dBmW u decibelios de onda milimétrica) es una unidad de medida para la relación o razón de potencia expresada en decibelios (dB) a 1 milímetro de onda (mW). Se
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puede usar como una medida conveniente de potencia absoluta en redes inalámbricas, de microondas y de fibra óptica porque puede representar valores muy grandes y pequeños en forma corta. Esto es diferente de dBW, que representa vatios (1,000 mW).
Como los vatios están referenciados, están en unidades absolutas y se usan para medir la potencia absoluta. En contraste, los decibelios (dB) es una unidad adimensional y se utiliza para cuantificar la relación entre dos valores, como la relación S / N, para audio y telefonía, se hace referencia a dBm con una impedancia de 600 ohmios, pero a frecuencias de radio, se hace referencia a dBm con una impedancia de 50 ohmios.
La ventaja de usar unidades logarítmicas es que el cálculo de potencia cuando hay ganancia o atenuación se reduce a sumas y restas. Por ejemplo, la aplicación de una señal de 15 dBm a un amplificador con una ganancia de 10 dBm da como resultado una señal de 25 dBm en la salida.
La ecuación es la siguiente para realizar la conversión de dbm a mW.
𝒂 = 𝟏𝟎 × 𝒍𝒐𝒈𝟏𝟎(𝒃) (9)
Donde:
𝒂 es la potencia de la señal en dbm y 𝒃 es la potencia de la señal en mW.
Ejemplo:
Si la 10kW es la potencia de típica de una estación de radio FM con un alcance de 10km, Hallar la potencia de la señal en dbm.
Por lo tanto: 10kW debemos pasarlo a mW.
𝟏𝟎𝒌𝑾 = 𝟏𝟎 × 𝟏𝟎𝟑𝑾 ×𝟏𝟎𝟑𝒎𝑾
𝟏𝑾 = 𝟏𝟎 × 𝟏𝟎𝟔𝒎𝑾 = 𝟏𝟎𝟕𝒎𝑾 Entonces: 𝒃 = 𝟏𝟎𝟕𝒎𝑾
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Reemplazando en la ecuación:
𝒂 = 𝟏𝟎 × 𝒍𝒐𝒈𝟏𝟎𝟏𝟎𝟕 𝒂 = 𝟏𝟎 × 𝟕 𝒂 = 𝟕𝟎𝒅𝒃𝒎 Concluimos que la potencia de la señal es de 70dbm.
3.5 Funciones del analizador de espectro
Hay varios controles e interfaces diferentes en un analizador de espectro. Aunque estos instrumentos pueden parecer complicados, es posible hacer un buen uso de ellos después de un poco de práctica, ya que es necesario usar los controles correctamente.
3.5.1 La pantalla.
Cuando se observa cómo usar un analizador de espectro, uno de los elementos principales de la unidad es la pantalla. La pantalla tiene una retícula que generalmente tiene diez divisiones horizontales principales y diez divisiones verticales principales.
El eje horizontal del analizador está calibrado linealmente en frecuencia con la frecuencia más alta en el lado derecho de la pantalla. El eje vertical está calibrado en amplitud. Esta escala es normalmente logarítmica, aunque a menudo es posible tener otras escalas, incluso lineales para mediciones especializadas.
Normalmente se usa una escala logarítmica porque permite ver señales en un rango muy amplio en el analizador de espectro; las señales de interés pueden variar en 70dB, 80dB o más. Típicamente se usa un valor de 10 dB por división. Esta escala normalmente se calibra en dBm (es decir, decibelios en relación con 1 milivatio) y, por lo tanto, es posible ver niveles de potencia absolutos y comparar la diferencia de nivel entre dos señales.
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3.5.2 Configuración de la frecuencia.
Para configurar la frecuencia de un analizador de espectro, se pueden hacer dos selecciones. Estas selecciones son independientes entre sí y en diferentes controles o se ingresan a través de un teclado por separado:
3.5.2.1 Frecuencia central.
La selección de frecuencia central establece la frecuencia del centro de la escala en el valor elegido. Normalmente es donde se ubicaría la señal a monitorear. De esta forma, la señal principal se encuentra en el centro de la pantalla y las frecuencias a cada lado pueden ser monitoreadas.
3.5.2.2 Alcance o spam
La selección de alcance es el alcance de la cobertura de frecuencia que se debe ver o monitorear cuando se usa el analizador de espectro. El intervalo puede darse como un ancho de banda por división en la retícula, o el intervalo total que se ve en la parte calibrada de la pantalla, es decir, dentro de los límites máximos de las calibraciones en la retícula. Otra opción que a menudo está disponible es establecer las frecuencias de inicio y parada del escaneo.
Esta es otra forma de expresar el intervalo, ya que la diferencia entre las frecuencias de inicio y parada es igual al intervalo. La reducción de la amplitud permitirá una mejor resolución de la señal, permitiendo ver los componentes cercanos de la señal.
3.5.2.3 Frecuencias superior e inferior.
Como alternativa a la configuración del intervalo y la frecuencia central, muchos analizadores ofrecen la capacidad de ingresar las frecuencias de inicio y parada o superior e inferior para el barrido.
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3.5.3 Ajustes de ganancia y atenuación.
Hay otros controles para usar en un analizador de espectro. La mayoría de estos se dividen en una de dos categorías. El primero está asociado con la ganancia o atenuación de secciones dentro del analizador de espectro.
Si las secciones están sobrecargadas, se pueden generar señales falsas dentro del instrumento. Esto se puede evitar mediante la inclusión de atenuación adicional utilizando el atenuador de entrada. Sin embargo, si se inserta demasiada atenuación, se requiere una ganancia adicional en las etapas posteriores (ganancia IF) y el nivel de ruido de fondo aumenta y esto a veces puede enmascarar las señales de nivel inferior. Por lo tanto, se necesita una elección cuidadosa de los niveles de ganancia relevantes dentro del analizador de espectro para obtener el rendimiento óptimo.
Los analizadores modernos a menudo tienen un solo control de ganancia, a menudo llamado control de nivel de referencia, que combina la atenuación de entrada y los
controles de ganancia IF. Ajusta automáticamente ambos para obtener la configuración óptima. De esta manera, tanto la sobrecarga en un extremo como la escala y el ruido de fondo en el otro extremo se optimizan.
Normalmente, la ganancia general se ajusta de modo que el pico de la señal de interés se coloque hacia la parte superior de la pantalla; por lo general, un espacio de 10 dB desde la parte superior es un margen suficiente. De esta manera, las señales graves y de otro tipo en amplitud también se pueden ver muy fácilmente.
Si el nivel de referencia se reduce demasiado, las señales reducirán su valor y se acercarán progresivamente al nivel de ruido residual. Para mediciones razonables debe haber una diferencia de 20 dB entre la señal y el ruido.
