Si te gusta entender la tecnología en profundidad, el tema que vamos a abordar hoy te va a interesar. Analizaremos las bases de funcionamiento de uno de los instrumentos más útiles en el laboratorio de electrónica, el generador de funciones o tambien llamado generador de señales.
El osciloscopio y el generador de funciones conforman un equipo de trabajo extraordinario, ya que el primero nos permite ver cómo varían las señales eléctricas en función del tiempo y el segundo crea algunas señales eléctricas que nos ayudarán a analizar el comportamiento de muchos equipos electrónicos.
En este tutorial se manejan algunos conceptos que pueden parecer extraños si no tienes las bases necesarias.
Por lo tanto, aquí tienes un artículo donde se habla sobre el funcionamiento de un osciloscopio . Puedes encontrar algunos detalles interesantes que te ayudarán a entender los generadores de funciones.
Vamos entonces a conocer qué es el generador de funciones y observar sus formas de onda con ayuda de un osciloscopio. Acompáñame con tu lectura.
Indice de contenidos
Antes de entrar en materia y para evitar confusiones, veamos algunos términos que corresponden a instrumentos que se utilizan en los laboratorios de electrónica y cuyo funcionamiento es muy parecido.
Veamos las diferencias entre algunos de estos equipos.
- Generador de audio y radio frecuencia
Un generador de AF (Audiofrecuencia) y RF (Radiofrecuencia) es un instrumento que permite generar señales senoidales de frecuencias bajas (frecuencias audibles, que van desde algunos Hz hasta unos pocos kHz) y frecuencias altas (frecuencias de radio, que van desde unos pocos kHz hasta varios GHz), que pueden ser moduladas es amplitud, AM (del inglés, Amplitude Modulation) o en frecuencia, FM (del inglés, Frecuency Modulation).
Este equipo se utiliza en pruebas y mediciones de equipos de audio y radiofrecuencia, sistemas de comunicaciones alámbricas e inalámbricas y pruebas de antenas, entre otros.
- Generador de señal
Es un dispositivo electrónico que puede generar diferente tipos de onda predefinidas tales como senoidal, cuadrada, triangular, pulso o ruido eléctrico que pueden ser ajustadas en amplitud y frecuencia.
- Generador de funciones
Es un generador de señal que permite al usuario generar múltiples señales eléctricas con formas y características ajustables y de alta precisión tales como la frecuencia, la amplitud y diversas forma de onda.
Cómo ves los tres equipos son similares, el generador de AF y RF tiene unas aplicaciones muy específicas, el generador de funciones es un tipo de generador de señal y todos ellos se utilizan como instrumentos de laboratorio en trabajos en electrónica.
En este artículo vamos a centrarnos en el generador de funciones.
¿Qué es un generador de funciones?
Un generador de funciones es un tipo especial de generador de señal. Es un instrumento de medición electrónico que se utiliza para generar señales eléctricas de forma controlada y precisa.
Estas señales pueden tener diferentes formas de onda, como senoidal, cuadrada (rectangular), triangular (diente de sierra) y pulso, entre otras.
El primer generador de funciones fue desarrollado en la década de 1930 por el ingeniero estadounidense Harold Alden Wheeler quien trabajaba para la compañía General Radio Company y su objetivo era crear un dispositivo que pudiera producir señales de prueba precisas para probar equipos de radio y televisión.
Este tipo de generador de funciones era capaz de producir señales de audio de baja frecuencia con bastante precisión y fue utilizado para probar equipos de radio y televisión durante muchos años. Sin embargo, tenía algunas limitaciones, como la baja capacidad para generar señales de alta frecuencia y susceptibilidad a las interferencias electromagnéticas.
Con el tiempo, el generador de funciones se fue perfeccionando y mejorando y se desarrollaron dispositivos electrónicos más sofisticados para generar señales de frecuencia mucho más alta.
Hoy en día, los generadores de funciones son dispositivos altamente precisos y versátiles que se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, desde la investigación científica hasta el diseño de circuitos electrónicos.
¿Para qué se usa un generador funciones?
Los generadores de funciones se utilizan en diversas aplicaciones, tales como:
- Crear y generar señales de muchos tipos ya sean predefinidas o aleatorias.
- Pruebas, mediciones y calibración de equipos electrónicos: se utilizan en pruebas y mediciones de circuitos electrónicos para simular diferentes señales de entrada y comprobar el comportamiento de los circuitos, además de calibrar la precisión de los instrumentos electrónicos.
- Desarrollo de circuitos: los generadores de funciones son muy útiles para el desarrollo de circuitos electrónicos, ya que permiten generar señales de prueba y validar el diseño antes de implementarlo en el circuito final.
- Enseñanza: se utilizan en la enseñanza de la electrónica para estudiar las propiedades de las señales eléctricas y su comportamiento en diferentes circuitos.
- Comunicación de datos: los generadores de funciones se utilizan para generar señales de comunicación de datos y probar sistemas de comunicaciones.
- Investigación en ciencias de la computación: se utilizan para probar algoritmos y protocolos de comunicación.
En general, los generadores de funciones son herramientas esenciales en el campo de la electrónica para generar señales eléctricas precisas y controladas que se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones.
Tipos de generadores de funciones
Podemos clasificar los generadores de funciones según la tecnología de fabricación en analógicos y digitales.
- Generador de funciones analógico o análogo
Generan las señales eléctricas a través de la manipulación de componentes electrónicos analógicos, como amplificadores, osciladores y filtros.
Generalmente el generador de funciones analógico tiene un rango de frecuencia más limitado que el digital, usualmente de unos pocos Hertz a varios MHz.
La precisión y estabilidad de las señales es baja comparada con los digitales.
Las funcionalidades de un equipo analógico son muy limitadas.
Pueden tener o no visualización en pantalla de la frecuencia generada.
- Generador de funciones digital
Genera señales mediante la conversión digital-analógica, DAC (del inglés, Digital to Analog Converter) de datos binarios previamente almacenados en memoria.
Pueden generar señales en un rango de frecuencia muy amplio, desde unos pocos Hertz hasta varios GHz.
Los generadores de funciones digitales suelen ser más estables que los analógicos, ya que la señal se genera a través de circuitos digitales y es menos susceptible a fluctuaciones de la fuente de alimentación y otros factores ambientales.
Ofrecen una amplia variedad de funciones adicionales, como modulación, barrido, generación de impulsos, entre otros.
La visualización se realiza en pantallas de cristal líquido, LCD (del inglés, Liquid Crystal Display) o de tecnología de película táctil, TFT (del inglés, Touch Film Technology).
Ofrecen también uno, dos, cuatro o más canales de salida.
Otra forma de clasificación de los generadores de funciones es según sus funcionalidades adicionales.
- Generador de funciones convencional
Es aquel que genera formas de ondas periódicas o repetitivas como la onda senoidal, cuadrada o triangular. Son los más económicos y los más utilizados para trabajos no especializados. Generalmente son análogos y solo pueden formar señales de baja frecuencia periódicas, del orden de 20 MHz.
- Generador de funciones arbitrario
El generador de funciones arbitrario, AFG (del inglés, Arbitrary Function Generator) es digital y puede generar las formas de onda convencionales, pero además es capaz de crear formas de onda personalizadas y programables, lo que significa que el usuario puede obtener formas de ondas complejas y no periódicas que no pueden ser generadas por un generador de funciones convencional. Esto se logra mediante el uso de un convertidor digital analógico (DAC), que permite generar señales de forma muy precisa y con alta resolución.
Algunos de los diferentes tipos de onda que puede generar un AFG son de tipo de rectificación de onda senoidal, logarítmicas, señales de tipo ritmo cardiaco (como la que se muestra en la imagen inferior) o tipo escalera; también pueden generar señales moduladas en amplitud, frecuencia o fase, entre otras. También el usuario puede generar sus propias formas de onda.
- Generador de funciones vectorial o RF
Un generador de funciones vectorial o RF (Radiofrecuencia) es un instrumento de medición utilizado en aplicaciones que involucran señales de alta frecuencia, como en el campo de las telecomunicaciones y la electrónica.
El generador de funciones vectorial RF es capaz de generar señales de alta frecuencia con formas de onda complejas y personalizables, tales como formas de onda moduladas o señales de banda ancha.
Este instrumento se utiliza comúnmente en la caracterización de dispositivos electrónicos de alta frecuencia, la verificación de sistemas de comunicación inalámbrica y la simulación de entornos de comunicación. Son capaces de generar señales de alta frecuencia con una amplitud, frecuencia y fase controlada, lo que les permite simular con precisión una variedad de condiciones de prueba. Además, tienen la capacidad de modular la señal de salida, lo que permite simular diferentes tipos de modulación de amplitud (como la mostrada en la imagen inferior) o de frecuencia, como la modulación de fase, la modulación de amplitud en cuadratura, QAM(del inglés, Quadrature Amplitude Modulation), la modulación de amplitud en fase, PSK (del inglés, Phase Shift Keying), entre otras.
- Generador de funciones USB PC
Este equipo electrónico genera señales eléctricas en forma de ondas de diferentes formas, amplitudes y frecuencias, pero está diseñado para ser conectado a una computadora a través del puerto USB y así controlar y ajustar las características de la señal generada mediante un software específico.
Las grandes ventajas de un generador de funciones USB PC son su fácil portabilidad debido a que ocupa muy poco espacio y su bajo costo ya que la visualización y ajustes se realizan en el ordenador.
Especificaciones del generador de funciones
- Especificaciones de un generador de funciones análogo
Para realizar el análisis del funcionamiento de un generador de funciones análogo, vamos a utilizar el Protek, modelo 9205A.
Características o especificaciones más importantes.
- Generador de funciones análogo convencional
Es decir de procesamiento analógico y generación de las ondas tradicionales, pulso, triangular, senoidal y cuadrada.
- Alimentación: 100 / 120 / 220 / 230V AC +/- 10%, 50 / 60Hz, 14W
Como se aprecia es un equipo de muy bajo consumo.
- Rango de frecuencia: 0.03 Hz ~ 3 MHz (7 rangos)
Posee 7 botones para ir incrementando la frecuencia de la onda.
- Pantalla de siete segmentos de 4 dígitos
Aparte de la pantalla de cuatro dígitos, posee también cuatro diodos emisores de luz, LED (del inglés, Light Emitting Diode) que ayudan al usuario a visualizar qué funcionalidades están siendo seleccionadas.
- Número de canales: 1
Solo podemos obtener una forma de onda a la vez.
Como casi todos los generadores de funciones la salida es con conector BNC (Bayonet Neill-Concelman) con una impedancia de 50Ω. Este es un tipo de conector coaxial muy utilizado en aplicaciones de radiofrecuencia y en equipos de prueba y medición, como los osciloscopios y proporciona una conexión segura y resistente a las vibraciones.
Precisión: over 1Hz +/- 1 Count +/- Time Base error
Tiene una precisión de +/- 1 unidad de conteo en la medición de la frecuencia para señales de frecuencia superiores a 1 Hz. Puede haber un error adicional debido a la variación en la estabilidad de la fuente de referencia de frecuencia o base de tiempo del instrumento.
- Impedancia: 50Ω +/- 5%
Es la impedancia de salida del generador de funciones y la que verá el osciloscopio o el equipo al cual inyectaremos la señal.
- Amplitud: 1Vp a 20Vp con circuito abierto (sin carga) o 0.5Vp a 5Vp con 50Ω
Es la tensión de la onda entregada por el generador de funciones.
- Nivel de Atenuación: fija a 20dB +/- 1dB
Si necesitamos aplicar a un circuito una señal muy pequeña, podemos obtener una señal de salida atenuada de una manera fija o ajustable.
- Contador de frecuencia: 10Hz ~ 3MHz
La mayoría de los generadores de funciones pueden ser usados como contadores de frecuencia. Es decir no sacan formas de onda sino que reciben frecuencias. En este caso también tiene unas características específicas como Precisión, Máxima tensión de entrada e Impedancia de entrada.
- Modulación de AM: 0 ~ 100%, 10V Máximo de entrada.
El generador de funciones Protek 9205A es capaz de realizar modulación de amplitud en la señal de salida, con un rango o profundidad de modulación de 0% a 100% y un nivel máximo de voltaje de señal de entrada de 10V, esto si se desea obtener una modulación de amplitud del 100%.
- Distorsión armónica: para la onda senoidal es inferior a 2% desde 10 Hz a 100 kHz
Es una medida de cuánto se desvía la forma de onda producida por el generador de funciones de una onda perfectamente senoidal. Una baja distorsión armónica es importante para realizar mediciones precisas, esto depende de la calidad del instrumento.
La distorsión armónica se mide en porcentaje (%). por ejemplo, si una señal tiene una amplitud de 10 V y una distorsión armónica total del 5%, entonces la amplitud de todas las armónicas combinadas es igual al 5% de 10 V, es decir, 0,5 V. Sin embargo, hay que especificar la frecuencia, la amplitud y la carga a la que se aplica la señal bajo prueba.
2. Especificaciones de un generador de funciones digital
Los generadores de funciones modernos, como el que aparece en la imagen inferior, son digitales y tienen características adicionales. Veamos algunas de ellas.
- Resolución vertical
La resolución vertical se refiere a la precisión con la que el generador de funciones puede generar diferentes niveles de amplitud de la señal de salida, a mayor resolución vertical se producirán señales de salida con mayor precisión y detalle
La resolución vertical se determina por el número de bits que se utilizan para representar la amplitud de la señal. Por ejemplo, un generador de funciones con una resolución vertical de 8 bits puede representar 2^8 (256) niveles de amplitud diferentes.
Un generador de funciones arbitrario puede tener una resolución vertical de 14 bits y puede representar 2^14 (16384) niveles de amplitud diferentes.
- Longitud de registro y longitud de forma de onda
La longitud de registro se refiere a la cantidad total de puntos de muestra que se pueden almacenar en la memoria del generador de funciones para generar una secuencia de formas de onda aleatorias.
La longitud de forma de onda, por otro lado, se refiere a la cantidad de puntos de muestra (o puntos de datos) que se utilizan para generar una forma de onda específica.
En términos de unidades de medida, la longitud de registro y la longitud de forma de onda se miden en puntos o muestras. Por ejemplo, un generador de funciones puede tener una longitud de forma de onda de 1024 puntos y una longitud de registro de 16384 puntos (16 kpts).
- Velocidad de muestreo
Es la tasa de muestreo y se refiere a la frecuencia a la cual el generador de funciones toma muestras de la forma de onda que está generando. Es decir, la tasa de muestreo es la velocidad a la que se muestrea la forma de onda analógica y se convierte en una forma de onda digital.
La tasa de muestreo se mide en mega muestras por segundo, MSa/s (del inglés, Mega Samples per second) o en Hertz (Hz). Por ejemplo, si la tasa de muestreo de un generador de funciones es de 150 MSa/s (150 mega muestras por segundo), esto significa que el generador está tomando 150 millones de muestras por segundo de la forma de onda analógica y las está convirtiendo en una señal digital.
Siempre es deseable una velocidad de muestreo más alta ya que permite una mayor resolución y precisión en la forma de onda generada.
Controles básicos de un generador de funciones
Los diferentes controles de funcionalidades de un generador de funciones se pueden lograr mediante el uso de controles giratorios, teclados numéricos, paneles táctiles y software de control remoto.
- Tipo de forma de onda
El control de tipo de forma de onda en un generador de funciones se refiere a la capacidad del dispositivo para generar diferentes tipos de formas de onda en su señal de salida, como ondas senoidales, cuadradas, triangulares, diente de sierra, pulso y muchas otras.
Cada forma de onda tiene características y propiedades únicas que las hacen adecuadas para diferentes aplicaciones en la ciencia, la ingeniería y la industria. Por ejemplo, las ondas senoidales se utilizan comúnmente para probar circuitos eléctricos y electrónicos, mientras que las ondas cuadradas se utilizan para probar la respuesta de los sistemas digitales y las ondas de pulso se utilizan para probar la capacidad de un sistema para transmitir señales digitales.
- Frecuencia
Se refiere a la capacidad del dispositivo para ajustar la frecuencia de la señal de salida generada. Este control de frecuencia le permite al usuario ajustar el valor de frecuencia de la señal de salida a un valor específico, lo que es útil en una amplia variedad de aplicaciones, como en la investigación científica, en la educación, en la ingeniería y en la industria.
Primero, con el ajuste grueso (coarse) nos acercamos al valor de frecuencia deseado y luego con el ajuste fino (fine) alcanzamos el valor que necesitamos.
- Compensación de CC o DC
Se refiere al proceso de eliminar o reducir la componente de corriente continua (CC) o corriente directa (DC) en la señal de salida generada por el dispositivo. La presencia de CC en una señal de salida puede ser problemática en ciertas aplicaciones, ya que puede causar desviaciones no deseadas en los circuitos que se prueban con la señal de salida.
La compensación de CC en un generador de funciones se logra mediante el uso de un circuito de acoplamiento capacitivo que bloquea la corriente continua de la señal de entrada. Algunos generadores de funciones también pueden incluir una corrección del nivel de DC que permiten al usuario ajustar el nivel de CC en la señal de salida si se necesita una cantidad específica de CC en una aplicación determinada.
- Ciclo de trabajo
El ciclo de trabajo en un generador de funciones se refiere a la relación porcentual entre el tiempo en que la señal de salida está en un nivel alto y el tiempo en que está en un nivel bajo en una forma de onda cuadrada o rectangular.
En una forma de onda cuadrada o rectangular, el ciclo de trabajo se puede ajustar para controlar o modular el ancho de pulso de la señal de salida o PWM (del inglés, Pulse Width Modulation).
Un ciclo de trabajo del 50% significa que la señal está en el nivel alto y bajo por igual, lo que da como resultado una señal cuadrada simétrica. El ciclo de trabajo se puede subir o bajar y de esta forma aumentar o disminuir la duración del nivel alto.
Visualización de las formas de onda de un generador de funciones
Vamos a verificar el funcionamiento de un generador de funciones Protek, modelo 9205A con ayuda de un osciloscopio UNIT-T UTD2102CE.
Inicialmente debemos verificar el buen funcionamiento del osciloscopio y la calibración de la sonda del mismo.
El osciloscopio genera una señal de calibración de 3 voltios a una frecuencia de 1 kHz (1000 Hz).
Ingresamos la señal de prueba por el canal uno (CH 1), con el osciloscopio y la sonda en atenuación X1.
Este es el mapa de bits generado en el osciloscopio con la señal de calibración.
La sensibilidad vertical está ajustada a 1.00 V/Div y como la señal se eleva en 3 divisiones, tenemos los 3 voltios.
La escala horizontal o de tiempo está en 500 µs/Div y ocupa 2 divisiones, o sea un periodo de 1000 µs (1 ms) y como la frecuencia es el inverso del periodo, tenemos que:
Vamos a conectar el generador de funciones al osciloscopio para verificar las formas de onda.
Aunque la conexión de las sondas del osciloscopio y del generador de funciones es del tipo BNC, las terminales de sus puntas son diferentes, así que debemos utilizar los caimanes de la sonda del generador de funciones para agarrar la punta de la sonda del osciloscopio y su caimán de tierra.
- Generación de onda senoidal
Vamos a seleccionar la forma de onda senoidal en el generador de funciones y la visualizamos en el osciloscopio en modo automático (AUTO).
La sensibilidad vertical está ajustada a 1.00 V/Div y como la señal se eleva en 4 divisiones, tenemos 4 voltios de pico a pico.
La escala horizontal o de tiempo está en 20 µs/Div y ocupa 4.2 divisiones, o sea un periodo de 84 µs, y como la frecuencia es el inverso del periodo, tenemos que:
La medición del osciloscopio muestra el periodo y la frecuencia un poco más exactos.
- Generación de onda triangular
Seleccionamos la señal triangular y movemos el ajuste de frecuencia y de amplitud.
La sensibilidad vertical está ajustada a 2.00 V/Div y como la señal se eleva en 6 divisiones, tenemos 12 voltios de amplitud. La escala horizontal o de tiempo está en 2 µs/Div y ocupa aproximadamente 2.4 divisiones, o sea un periodo de 4.8 µs, y como la frecuencia es el inverso del periodo, tenemos que:
El osciloscopio muestra una mejor aproximación.
- Generación de onda cuadrada
Finalicemos con la onda cuadrada, variamos de nuevo la frecuencia y amplitud.
La sensibilidad vertical está ajustada a 2.00 V/Div y como la señal se eleva en 4 divisiones, tenemos 8 voltios de amplitud. La escala horizontal o de tiempo está en 2 ms/Div y ocupa aproximadamente 4.1 divisiones, o sea un periodo de 8.2 ms, y como la frecuencia es el inverso del periodo, tenemos que:
Frecuencia es :
Verificamos las medidas más precisas del osciloscopio.
Conclusiones acerca del generador de funciones
Hemos analizado el generador de funciones en sus aspectos más importantes y vimos que es un compañero inseparable del osciloscopio como instrumentos de medición para el laboratorio de electrónica.
Con la ayuda de estos dos instrumentos y teniendo los manuales técnicos de los equipos electrónicos bajo prueba, se facilita el servicio técnico, ya que sin ellos la localización de fallas se torna casi imposible, especialmente cuando hay fallas que aparecen esporádicamente como consecuencia de una señal espuria o indeseada.
Espero que este artículo te genere interés en los instrumentos de medición utilizados en la tecnología electrónica y te animes a adquirirlos y utilizarlos.
Hasta una próxima ocasión.
Gracias a Depositphotos por la cesión de las imágenes.
