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🔬 Simulador de instrumental

Un banco de laboratorio con nueve equipos: dos osciloscopios analógicos de dos canales, un analizador de espectro, dos generadores de funciones, un multiplicador, un sumador y dos filtros, uno pasa-bajos y otro pasa-altos. Los cables BNC se conectan arrastrando de un conector al otro y todas las perillas del frente andan. Alcanza para medir una señal contando divisiones y también para fabricar las cuatro modulaciones de amplitud clásicas —doble banda lateral con portadora suprimida, AM, banda lateral única superior e inferior— compararlas en pantalla y medirles el ancho de banda. Es el banco de El osciloscopio, Mediciones en CA, Sistemas de modulación y el modulador MC1496.
Arrastrá desde un BNC para tirar un cable y soltalo sobre otro para conectarlo. Las perillas se giran arrastrando o con las flechitas del costado. Deslizá la mesa de costado para llegar a todo.

Qué están midiendo

Lo mismo que haría cualquiera frente al equipo: contar divisiones en el osciloscopio y leer las rayas en el analizador.

Osciloscopio A

Sin señal en pantalla.

Analizador de espectro

Sin señal en la entrada.

Práctica guiada

    Cómo se usa

    Cómo está armada la mesa

    El banco tiene tres columnas y la señal viaja de derecha a izquierda. A la derecha están las fuentes, los dos generadores, con sus salidas sobre el borde izquierdo del frente. En el medio está el procesamiento: el multiplicador, el sumador y los dos filtros, cada uno con las entradas sobre el borde derecho y la salida sobre el izquierdo, así que la señal los atraviesa en el mismo sentido en que cruza la mesa. Y a la izquierda está la medición: los dos osciloscopios y el analizador, con las entradas en una franja del borde derecho.

    Con esa disposición cada conector mira al equipo que le toca y los cables viajan por los dos pasillos que quedan entre columnas. El único que da una vuelta es el que va de un módulo a otro, porque tiene que salir por la izquierda y volver a entrar por la derecha, igual que en una mesa de verdad. Los cinco botones de arriba arman solos las conexiones de cada ejemplo, y después se puede desconectar y probar otra cosa.

    Cada perilla y cada llave se maneja de tres maneras: arrastrando, con la rueda del ratón, o con el par de flechitas que tienen al costado. Las flechas mueven el control de a un paso por vez y, si se las mantiene apretadas, siguen avanzando solas. Sirven para ajustar sin depender del pulso, que es lo que hace falta cuando uno quiere mover la frecuencia de a poquito mirando el trazo.

    Los generadores

    La frecuencia sale de dos controles que trabajan juntos: el dial grande da un número entre 0,2 y 2, y la fila de botones lo multiplica por 1, 10, 100 y así hasta un millón. Poner 1 kHz es dejar el dial en 1 y apretar el multiplicador ×1k. Los generadores analógicos siempre se manejaron de esa manera, y por eso tienen ese dial enorme con la escala impresa alrededor.

    Los dos son el mismo modelo. En los ejemplos al 1 lo usamos de moduladora, que es la señal que lleva la información, y al 2 de portadora, la señal rápida que la transporta.

    Los osciloscopios

    La pantalla está dividida en 10 divisiones a lo ancho y 8 a lo alto. Ese enrejado es toda la regla que hay: el instrumento no dice cuánto mide nada, lo dice la llave. Si el VOLTS/DIV está en 2 V y la onda ocupa 3 divisiones de alto, la señal tiene 6 volts de pico a pico. Si el TIEMPO/DIV está en 0,2 ms y un ciclo entra en 5 divisiones, el período es 1 ms y la frecuencia es su inversa, 1 kHz.

    Hay dos osciloscopios y cada uno tiene dos canales, así que se pueden mirar cuatro señales a la vez. Es justo lo que hace falta para poner una al lado de la otra la doble banda lateral, la AM y las dos bandas laterales únicas. El canal 1 dibuja en verde y el canal 2 en amarillo, con un puntito del mismo color al lado de cada rótulo, para no confundirse cuando los dos trazos se cruzan.

    La llave de VOLTS/DIV no sigue la secuencia 1-2-5 de los equipos de banco sino la 1-2-3-5-7. Los escalones intermedios sirven: una AM de 15 volts de pico a pico se sale de la pantalla en 2 V/div y queda chica en 5, mientras que en 3 V/div ocupa cinco divisiones justas.

    El disparo es lo que deja la imagen quieta: espera a que la señal pase por un nivel de tensión y recién ahí larga el barrido, así todos los barridos arrancan en el mismo punto de la onda. En AUTO, si el nivel quedó fuera de la señal el equipo barre igual y la imagen corre; en NORM no barre y la pantalla queda negra. Cuando conviven dos frecuencias muy distintas conviene disparar con la más lenta, y por eso en los ejemplos la moduladora va a un canal y el disparo toma de ahí.

    El multiplicador y la doble banda lateral

    El multiplicador entrega el producto de sus dos entradas dividido por diez. Esa división no es un capricho: los integrados multiplicadores reales traen esa constante para que dos señales de diez volts no den cien, que no entrarían en la fuente.

    W = X · Y / 10 V Con las dos entradas en volts, la salida también queda en volts.

    Con la moduladora en X y la portadora en Y, el producto de dos cosenos da la identidad de siempre: dos cosenos de frecuencias nuevas, la suma y la resta de las originales.

    cos(ωmt) · cos(ωct) = ½ cos(ωc−ωm)t + ½ cos(ωc+ωm)t Las dos bandas laterales. La portadora sola no aparece por ningún lado.

    Eso es una doble banda lateral con portadora suprimida. En el osciloscopio se reconoce porque la envolvente toca el cero entre lomo y lomo, y en cada uno de esos cruces la fase de la portadora se da vuelta: el dibujo parece rebotar contra el eje en vez de apoyarse. En el analizador se reconoce porque hay dos rayas y en el medio, donde debería estar la portadora, no hay nada.

    El sumador y la AM

    Una AM común es una doble banda lateral a la que se le devuelve la portadora, y eso es exactamente lo que hace el sumador.

    Vc·cos(ωct) + (VmVc/10)·cos(ωmt)·cos(ωct) = Vc·cos(ωct) · [ 1 + (Vm/10)·cos(ωmt) ] El corchete es la envolvente, y lo que multiplica al coseno de adentro es el índice de modulación.

    El índice de modulación es entonces la amplitud de pico de la moduladora dividida por los 10 V de la constante del multiplicador. Con la moduladora en 10 Vpp su pico es 5 V y el índice da 0,5, un 50 %. Subiéndola al máximo de 20 Vpp el índice llega a 1, la envolvente toca el cero y la modulación es del 100 %.

    En el analizador la diferencia salta a la vista: aparece una tercera raya en el medio, la portadora, más alta que las dos laterales. Y el ancho de banda no cambia: sigue siendo el doble de la frecuencia moduladora, porque las bandas laterales están donde estaban.

    Los filtros y la banda lateral única

    Si la información va completa en cada banda lateral, mandar las dos es gastar el doble de ancho de banda para decir lo mismo. La banda lateral única deja pasar una y tira la otra. El método más viejo para lograrlo es el que está armado acá: se hace la doble banda y se le pone un filtro que corte justo en la frecuencia de la portadora.

    El pasa-altos deja la de arriba y da la banda lateral superior; el pasa-bajos deja la de abajo y da la inferior. Los dos filtros son Butterworth, que es la respuesta plana en la banda de paso que se estudia primero, y tienen la frecuencia de corte y la cantidad de polos a mano.

    Acá aparece el problema de verdad de este método. Las dos bandas laterales están separadas por el doble de la frecuencia moduladora, y para tirar una sin tocar la otra el filtro tiene que caer muchísimo en ese tramo. Con la moduladora en 1 kHz y la portadora en 20 kHz están a 19 y 21 kHz, apenas un 10 % de diferencia: no hay filtro Butterworth razonable que las separe. Por eso los ejemplos de banda lateral única usan una moduladora bastante más alta, de 8 kHz sobre una portadora de 32 kHz, donde las bandas quedan en 24 y 40 kHz y un filtro de 16 polos ya rechaza la que sobra unos 30 dB.

    En un equipo de radio de verdad esto se resuelve con un filtro de cuarzo o mecánico, trabajando en una frecuencia intermedia alta, donde el salto entre una banda y la otra es de unos cientos de hertz sobre varios megahertz. Ninguna red de resistores y capacitores llega a eso; hace falta la selectividad de un cristal. Subiendo los polos del filtro y mirando el analizador se ve exactamente cuánto mejora y cuánto falta.

    Y hay algo que conviene mirar en el osciloscopio: la banda lateral única de un tono solo es una senoidal común, de amplitud constante y de frecuencia igual a la portadora más o menos la moduladora. Toda la información quedó en la frecuencia. Por eso una BLU no se puede demodular con un detector de envolvente y hace falta reponer la portadora en el receptor.

    El analizador de espectro

    El osciloscopio dibuja la señal contra el tiempo; el analizador la dibuja contra la frecuencia. Cada componente senoidal aparece como una raya parada en su frecuencia, y la altura dice su amplitud. Es la misma señal vista desde el otro lado.

    Los controles son los de cualquier analizador. La frecuencia central y el span por división eligen qué pedazo del espectro se mira. La referencia fija qué nivel corresponde al borde de arriba de la pantalla, y de ahí para abajo van 10 dB por división. El marcador es un cursor vertical que informa la frecuencia y el nivel donde se lo pare.

    El control que más enseña es el ancho de banda de resolución. Un analizador no ve rayas infinitamente finas: cada componente se dibuja con el ancho del filtro que usa para medir. Si ese filtro es más ancho que la separación entre dos componentes, las dos se ven como una sola loma. Bajándolo aparecen separadas. Con la portadora en 20 kHz y la moduladora en 1 kHz hay que bajarlo por debajo del kilohertz para llegar a contar las tres rayas de la AM.

    Con el marcador puesto en la raya de más a la izquierda y después en la de más a la derecha se lee el ancho de banda ocupado. En la doble banda y en la AM da lo mismo, el doble de la moduladora; en la banda lateral única da la mitad. Ése es todo el negocio de la BLU.

    Los modos de la pantalla del osciloscopio

    Dos detalles del banco

    Las salidas aceptan varios cables y las entradas uno solo. Eso hace falta porque la portadora tiene que ir a dos lugares a la vez para armar la AM. En el laboratorio de verdad se resuelve con una T de BNC, y hay que tener presente que al repartir una salida entre dos entradas la carga cambia y la amplitud puede caer.

    Los dos módulos que hacen cuentas, el multiplicador y el sumador, recortan la salida en ±12 V, que son los rieles de su fuente, y encienden un piloto cuando eso pasa. Es el mismo límite que tiene cualquier circuito con amplificadores operacionales alimentado a esa tensión.

    Los frentes están inspirados en los equipos analógicos de banco que se usaron durante décadas en las escuelas técnicas. No reproducen ningún modelo en particular: son frentes genéricos armados con la disposición de controles que casi todos comparten.