Generadores de señal en electrónica: tipos, arquitectura y atenuadores

Generadores de Señal: Conceptos Fundamentales y Aplicaciones

Definición y Función

Un generador de señal es un instrumento auxiliar para mediciones cuya función es entregar señales de distintas formas de onda para la realización de mediciones sobre equipos electrónicos.

Características Clave

• Entregar señales estables en frecuencia, amplitud y forma de onda.
• No generar perturbaciones en su entorno.
• No ser influenciado por perturbaciones exteriores.

Clasificación de Generadores de Señal

Por Forma de Onda

• Senoidales: Ondas puras.
• De Función: Incluyen senoidales, cuadradas, triangulares, etc.
• De Pulsos: Generan pulsos de duración y repetición controladas.
• Especiales: Como los utilizados en televisión, barrido, etc.

Por Frecuencia de Trabajo

• De Audiofrecuencia (AF): Rango audible.
• De Radiofrecuencia (RF): Rango de radio.
• De Microondas: Frecuencias muy altas.

Generadores de Ruido

Generan ruidos blancos, ruidos fortuitos o ruidos aleatorios. Sirven para observar cómo se comporta un circuito electrónico en presencia de ruido.

Generadores Senoidales

Pueden ser con modulación o sin modulación.

Generadores de Audiofrecuencia (GAF)

Son aquellos que operan en el rango de frecuencias audibles para el ser humano (20 Hz a 20 kHz). Generalmente, su rango de operación es de <1 Hz a ~1 MHz.

Generadores de Radiofrecuencia (GRF)

Operan por encima de 20 kHz, con rangos típicos de ~10 kHz a ~1 GHz.

Generadores de Microondas

• Conceptualmente: por encima de 1 GHz.
• Teóricamente: por encima de 3 GHz.

Arquitectura Interna de un Generador de Audiofrecuencia (GAF)

Diagrama de Bloques

A continuación, se describen los componentes clave de un GAF:

Separador (Buffer)

Permite obtener la información seleccionada sin extraer energía de la etapa anterior, gracias a su alta impedancia de entrada. Entrega energía por su baja impedancia de salida, tomándola de la fuente de alimentación.

Conformador de Onda

Transforma la onda senoidal que entrega el OFV (Oscilador de Frecuencia Variable) en otras formas de onda (cuadrada, triangular, etc.).

Cadena de Amplificación

Debe poseer linealidad y un ancho de banda muy amplio. A la salida se obtiene la máxima amplitud. Ejemplo: Si se requiere amplificar señales cuadradas de 50 kHz, es necesario amplificar hasta el 11º armónico; por lo tanto, el ancho de banda debe ser de al menos 550 kHz (50 kHz * 11).

Atenuador Calibrado

Modifica la amplitud de la señal entregada por el amplificador hasta alcanzar la amplitud deseada a la salida, dado que el amplificador siempre entrega la misma. No debe deformar la onda, por lo que se construye únicamente con resistencias y llaves selectoras. Otra función es adaptar la impedancia para asegurar la máxima transferencia de potencia del generador al equipo bajo prueba. Al diseñar un generador, es crucial seleccionar componentes de alta calidad para garantizar la fiabilidad de la señal.

Tipos de Osciladores

Oscilador por Rotación de Fase

Oscila a una única frecuencia determinada por las resistencias y capacitores; las demás frecuencias se atenúan. Para cambiar la frecuencia, se modifican simultáneamente las resistencias o los capacitores.

Oscilador Puente de Wien

Es más estable que el de rotación de fase, ya que incorpora dos realimentaciones y un amplificador operacional. La realimentación positiva, proporcionada por celdas RC, genera la oscilación y una inestabilidad inicial. La realimentación negativa, por su parte, estabiliza la oscilación y determina la ganancia necesaria para mantenerla constante a lo largo del tiempo.

Técnicas de Conformación de Onda

Conversión Senoidal a Cuadrada

Se utiliza un Trigger de Schmitt. Cuando la entrada es superior al nivel de referencia, la salida es negativa. Cuando la señal de entrada es inferior al nivel de referencia, la salida es positiva. Solo se pueden obtener dos valores de salida: +Vcc o –Vcc.

Conversión Senoidal a Rectangular

Para obtener una señal rectangular, se varían los niveles de referencia. Para ello, se coloca una fuente de tensión variable en serie con R1 y R2. El valor positivo de referencia se establece en la pendiente positiva y la referencia negativa en la pendiente negativa.

Conversión Cuadrada a Triangular

Para obtener una onda triangular, se coloca un integrador a la salida del conformador de onda, lo que permite obtener la integral de la señal cuadrada. Con una fuente de corriente lineal para la carga de un capacitor, se logra una rampa perfectamente lineal. Al descargar este capacitor, y calculando la resistencia adecuada, se puede generar la señal triangular.

Atenuadores: Principios y Tipos

Atenuador Resistivo

Reduce la amplitud de una señal sin modificar su forma de onda, lográndolo mediante un divisor resistivo. La fórmula de atenuación es: Vo = Vi * (R2 / (R1 + R2)). Para atenuaciones muy grandes, se pueden colocar varios atenuadores en cascada; la atenuación total es la suma de las atenuaciones parciales.

Atenuadores de Línea

Son atenuadores de potencia donde las resistencias de entrada y salida suelen ser iguales. Existen atenuadores desbalanceados y balanceados. Para que un par de conductores se considere una línea de transmisión, su longitud debe ser al menos 1/10 de la longitud de onda de la señal a transmitir.