Fuentes de señales
Un DDS con reloj de 100 MHz ajusta la frecuencia en pasos de 0,023 Hz, pero a 45 MHz su imagen queda casi al mismo nivel que la señal. Por eso nadie lo usa más allá del 40 % de su reloj.
01La mitad de cada medición
Para medir la respuesta de un amplificador, un filtro o un receptor hace falta excitarlo con una señal conocida. La fuente de señales es la otra mitad del banco de medición, y sus imperfecciones —distorsión, error de frecuencia, ruido de fase, amplitud que cambia con la frecuencia— se suman a las del circuito que se ensaya. Conocer cómo se generan las señales permite saber cuándo el generador limita la medición.
02Generadores de funciones analógicos
El generador de funciones clásico parte de una onda triangular: un integrador carga un capacitor con corriente constante y un comparador con histéresis invierte el sentido al llegar a cada umbral. La salida del comparador es la onda cuadrada, y la senoidal se obtiene redondeando la triangular con una red de diodos que aproxima la curvatura por tramos, con una distorsión típica del 0,5 al 1 %. La frecuencia se cambia con la corriente de carga, lo que permite barrerla con una tensión de control.
Los osciladores senoidales de baja distorsión, como el puente de Wien con control de amplitud, se ven en la tecnicatura, en osciladores.
03Síntesis digital directa
Casi todos los generadores actuales son de síntesis digital directa (DDS). Un registro de \( N \) bits, el acumulador de fase, suma en cada ciclo de reloj un número \( M \), la palabra de sintonía. Su valor recorre la fase de 0 a \( 2\pi \) y se desborda para volver a empezar. Los bits altos del acumulador indexan una tabla con los valores del seno, y un DAC los convierte en tensión:
La salida del DAC es una escalera: cada muestra se mantiene durante un período de reloj. Eso produce dos efectos. La amplitud cae con la frecuencia según \( \sin(\pi f/f_{clk}) / (\pi f/f_{clk}) \), y aparecen imágenes del espectro en \( f_{clk} \pm f_{out} \), \( 2 f_{clk} \pm f_{out} \)… Un filtro de reconstrucción las elimina, y por eso un DDS se usa hasta alrededor del 40 % de su frecuencia de reloj: más arriba, la imagen queda demasiado cerca para filtrarla.
Reloj de 100 MHz, acumulador de fase de 32 bits y DAC de 14 bits. Arriba, las muestras que salen del DAC (escalera) sobre la senoidal ideal, durante dos períodos; abajo, el espectro antes del filtro, con la fundamental y las dos primeras imágenes.
04Generadores arbitrarios, de pulsos y de RF
| Generador | Cómo funciona | Especificación clave |
|---|---|---|
| De formas arbitrarias (AWG) | Una memoria con muestras de cualquier forma, leída a velocidad fija | Frecuencia de muestreo, largo de memoria y bits del DAC |
| De pulsos | Pulsos con ancho, período, retardo y flancos ajustables | Tiempo de subida, jitter |
| De RF | Un oscilador controlado por tensión enganchado con un PLL a una referencia | Ruido de fase, potencia de salida calibrada, modulaciones |
El ruido de fase de un generador de RF es la potencia de ruido a una distancia dada de la portadora, en dBc/Hz: por ejemplo, −110 dBc/Hz a 10 kHz. Limita la medición de receptores y de osciladores, porque el ruido del generador se confunde con el del circuito.
05La impedancia de salida
Casi todos los generadores tienen 50 Ω de impedancia de salida y muestran la amplitud suponiendo una carga de 50 Ω. Si la carga es alta, como la entrada de un osciloscopio o de un amplificador operacional, la tensión real es el doble de la indicada: el divisor entre los 50 Ω internos y la carga ya no divide por dos. Los generadores permiten configurar la carga para que la indicación coincida. Con cargas intermedias hay que calcular el divisor.
06En el laboratorio
Programar 1 V pico a pico en un generador y medirlo con el osciloscopio en alta impedancia y con una terminación de 50 Ω. Explicar la diferencia.
Con un analizador de espectro, observar la salida de un módulo DDS sin filtro a varias frecuencias y medir el nivel de la primera imagen. Compararlo con el laboratorio.
Medir con un analizador de espectro la distorsión armónica de la senoidal de un generador de funciones analógico y de uno DDS.
07Errores frecuentes
- Olvidar la carga de 50 Ω. Con un osciloscopio en alta impedancia se mide el doble de lo programado.
- Usar un DDS cerca de la mitad de su reloj. La imagen queda casi al mismo nivel que la señal.
- Atribuir al circuito la distorsión del generador. Hay que medir primero el generador solo.
- Confiar en la frecuencia sin mirar la referencia. La exactitud es la del cristal, y un reloj externo de 10 MHz mejora todo el banco.
08Autoevaluación
¿Qué palabra de sintonía da 1 MHz en un DDS de 32 bits con reloj de 100 MHz?
\( M = 10^6 \cdot 2^{32} / 10^8 \approx 42\,949\,673 \).
¿Cuánto cae la amplitud de un DDS a un cuarto de su frecuencia de reloj?
\( \sin(\pi/4)/(\pi/4) = 0{,}90 \): 0,91 dB.
Un generador indica 2 V en una carga de 50 Ω. ¿Qué tensión da en una carga de 1 MΩ?
4 V.
¿Dónde aparece la primera imagen de una salida de 30 MHz con reloj de 100 MHz?
En 70 MHz.
09Para ampliar
- Analog Devices. A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis. Analog Devices, 1999. El tutorial de referencia sobre DDS: acumulador de fase, truncamiento, espurios e imágenes.
- Albert D. Helfrick y William D. Cooper. Instrumentación electrónica moderna y técnicas de medición. Prentice Hall Hispanoamericana, 1991. Los generadores de señales y de funciones, con sus circuitos.
- Ulrich L. Rohde y Enrico Rubiola. Microwave and Wireless Synthesizers: Theory and Design. 2.ª ed., Wiley, 2021. Síntesis de frecuencia con PLL y DDS, y el ruido de fase a fondo.