GENERADOR DE SEÑAL

El generador de señal es un equipo electrónico auxiliar utilizado para producir señales
eléctricas que se usan como estimulo en las pruebas de un determinado equipo o subsistema
bajo ensayo. Es una de las piezas clave de cualquier laboratorio de diseño o test de sistemas
electrónicos del que sólo se puede prescindir cuando trabajemos con circuitos que trabajen
únicamente en dc.
Podemos clasificar los generadores de señales en tres grandes grupos: generadores de
función, sintetizadores de frecuencia y fuentes digitales de señal. El primero de ellos se utiliza
cuando nos interesa generar señales de baja o media frecuencia con formas de onda casi
ideales, pudiendo variar los parámetros básicos que caracterizan la señal. Usaremos los
sintetizadores de frecuencia si nos interesara generar señales con frecuencias, generalmente
altas, muy estables y precisas. En el último de los grupos, las señales se obtienen mediante un
proceso de muestreo digital. Cuando necesitaremos señales de forma de onda compleja que se
asemejen en lo posible a señales reales emplearemos los generadores arbitrarios. Si nuestro
objetivo es generar como estímulos de ensayo datos binarios utilizaremos los llamados
generadores de datos.
Por lo tanto, la forma de onda de salida y los rangos de frecuencia de los generadores
de señal son variables dependiendo del tipo de generador y de la aplicación a la que vayan
destinados. En cualquier caso se ha de exigir a los generadores de señal los siguientes
requisitos básicos:
- La frecuencia de salida ajustable y estable.
- La amplitud de la salida variable.
- Impedancia de salida conocida.
Además se deben exigir otros requisitos opcionales que varían según el tipo de
generador de señal y que enumeraremos en los apartados correspondientes.

GENERADOR DE FUNCION

Los generadores de función, también llamados sintetizadores de función o
sintetizadores multifunción, tienen un rango de frecuencia que va desde dc hasta algunos
megahertzios y deben de cumplir, además de los requisitos básicos anteriormente citados, la
mayor cantidad posible de los siguientes requisitos opcionales:
- Forma de onda seleccionable (sinusoidal, triangular, rectangular).
- Control del ciclo de trabajo de la señal de salida.
- Control de nivel dc de offset en la salida.
- Control externo de la frecuencia de salida (modulación FM, barridos, etc.).
- Control externo de la amplitud de salida (modulación AM, ráfagas, etc.).
- Salida con impedancia de salida seleccionable (50W, alta impedancia, etc.).
- Salida auxiliar de nivel lógico (TTL, CMOS; etc.).

íntesis muestreada.
La teoría del muestreo nos dice que es posible reconstruir una señal a partir de una
secuencia uniformemente espaciada de datos almacenados en memoria y provenientes de una
adquisición previa. El criterio de Nyquist limita teóricamente la frecuencia máxima de esta
señal al menos a la mitad de la frecuencia de muestreo, aunque en la práctica se exige un
sobremuestreo para mejorara la calidad de la señal. En el proceso de la síntesis muestreada,
también llamada síntesis digital directa (DDS), se utiliza una tabla de datos, correspondientes
a una determinada forma de onda, cuya variable de entrada es la fase y cuya salida es la
fr 1/N DF F1(s) VCO f0
1/M1
1/Pn
DF Fn(s) VCO
1/Mn
1/P1
DF F2(s) VCO
1/M2
1/P2
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amplitud correspondiente que pasa a la salida a través de un convertidor digital analógico y un
filtro paso bajo que realiza un proceso de interpolación analógica para eliminar los escalones
de la forma de onda provenientes de la conversión.
En la siguiente figura podemos ver el diagrama de bloques de un generador por
síntesis muestreada.
Figura 3.12. Diagrama de bloques de un generador de frecuencia por síntesis
muestreada
El acumulador de fase funciona de modo que se pueda configurar el valor incremento
del dato de fase de entrada a la tabla. El valor “constante de frecuencia” determina el numero
de pasos de fase que hay entre una entrada a la tabla y la siguiente. Si tiene como valor 1 se
recuperan todos los valores de la tabla. La resolución en fase es máxima y la frecuencia
mínima (máximo número de puntos extraídos de la tabla a frecuencia reloj fija).
Si el valor de la constante de frecuencia es, por ejemplo, 4 se extrae de la tabla 1 de
cada 4 valores. En este caso la resolución en fase baja a la cuarta parte mientras que la
frecuencia se cuadruplica manteniéndose el numero total de puntos como se muestra en la
figura 3.13. El valor máximo de la constante de frecuencia vendrá dado, para una determinada
configuración de acumulador de fase, por el criterio de Nyquist.
Figura 3.13. Cambio de la base de tiempos en un generador de síntesis
muestreada.
Salida
sintetizada
+
Registro
Acumulador
de fase
Reloj
Constante
de frecuencia
Tabla de la
forma de onda
D/A FPB
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10
En figura 3.14 se muestra el proceso de la generación de una señal
sinusoidal tras la conversión digital/analógica y el posterior filtrado.
Figura 3.14. Proceso de síntesis de una señal sinusoidal. (1) Señal ideal. (2)
Salida del D/A. (3) Salida filtrada
A continuación vamos a enumerar las ventajas de la síntesis muestreada:
- Gran velocidad de cambio de frecuencia ya que el tamaño del paso de fase puede
cambiar de uno al siguiente y por lo tanto la frecuencia del al señal de salida.
- Mediante un circuito lógico añadido podemos comenzar elegir cualquier punto de la
tabla como elemento inicial lo cual nos permite tomar de modo arbitrario la fase
origen de la forma de onda.
- La inclusión de más tablas de forma de onda también nos permite convertir fácilmente
este sintetizador en un generador de funciones.
- Gran exactitud en frecuencia puesto que es posible elegir un acumulador de fase de
gran resolución si se dispone de un registro de gran numero de bits.
La gran desventaja de este sintetizador es un limitado rango de frecuencias limitado
que para tecnologías convencionales es del orden de 10 MHz. Para esas grandes frecuencias el
numero de puntos por ciclo evidentemente se reduce acercándose al límite establecido por el
criterio de Nyquist con lo que la calidad de la forma de onda se degrada. Además, existen
algunas otras desventajas propias del uso de sistemas de muestreo y convertidores Digital
analógico como son el ruido de cuantización, el aliasing y la posible aparición de
componentes espúreas en la salida. Estos dos últimos problemas pueden resolverse adecuando
el diseño del filtro paso bajo de salida.
3.4.1. Especificaciones de un sintetizador de muestreo.
A continuación vamos a describir los parámetros fundamentales que describen el
proceso de muestreo y conversión analógica en los generadores de síntesis muestreada.
- Velocidad de muestreo. Para generadores de síntesis muestreada este parámetro
define la máxima velocidad de extracción y conversión de los datos de la memoria.
Para tecnologías convencionales es del orden de 100 MS/s llegándose a alcanzar con
tecnologías avanzadas (AsGa) los 2.6 GS/s.
Lección 3 GENERADORES DE SEÑAL
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- Resolución vertical (en amplitud). Este parámetro viene determinado directamente
por el numero de bit del convertidor digital/analógico. Para generadores de alta
frecuencia se utilizan convertidores de 8 o 10 bits, mientras que en generadores de
propósito general a frecuencias más reducidas se pueden encontrar convertidores de 12
o 14 bits. Por ejemplo, si la salida de un generador con un convertidor de 10 bits
(1024 niveles) es de 1 Vp-p, se puede tiene una resolución (menor incremento posible
en la salida) de aproximadamente 1 mV si no hay alguna otra restricción en la
arquitectura de sistema.
- Profundidad de la memoria. El aumento del tamaño de la memoria del generador
implica algunas mejoras en su funcionamiento. Por un lado se puede incluir más de un
ciclo de la señal lo cual lo cual reduce la distorsión que puede aparecer en la salida
debido a la “vuelta atrás” desde la posición final de forma de onda hasta la posición
inicial. Por otro lado, sobretodo para señales de alta frecuencia, señales con flancos de
gran pendiente o formas de onda complejas, se puede aumentar el número de puntos y,
por lo tanto, la calidad de la señal de salida. Hoy en día se pueden encontrar
generadores con memoria de hasta 8 MS.
- Resolución horizontal.. La resolución depende del número de bits del acumulador de
fase. Una especificación usual en este tipo de equipo es una resolución de 0.1 Hz
aunque es posible encontrar equipos especializados con resolución de hasta 1 mHz.
- Rango de frecuencia. Normalmente no hay limite inferior en el rango de frecuencia
mientras que el limite superior depende de la velocidad de muestreo y de la
profundidad de memoria. La frecuencia máxima que se puede obtener sin perdida de
información se puede calcular como fmax = (velocidad de muestreo / profundidad de
memoria) x (número de ciclos en memoria). Para valores superiores de frecuencia de
salida se han “saltar” puntos degradándose la calidad de señal y manteniéndose la
resolución horizontal constante a su valor máximo. Para valores inferiores se ha de
bajar adecuadamente la frecuencia del reloj del acumulador de fase (velocidad de
muestreo efectiva) de modo que se vuelque a la salida toda la información de la
memoria en el tiempo especificado (número de ciclos en memoria / fsalida). En este
caso la calidad de la señal se mantiene mientras que la resolución horizontal se
degrada.
- Velocidad de cambio de frecuencia (frequency switching speed). Como ya hemos
dicho este parámetro depende del tiempo de estabilización del circuito ante un cambio
de la frecuencia. Afecta fundamentalmente a los sistemas de síntesis indirecta donde
aparecen circuitos PLL. Esta velocidad de respuesta depende de la frecuencia final de
salida del sintetizador de modo que el tiempo aumenta cuando disminuye la
frecuencia. Se suele especificar el tiempo de cambio hasta una frecuencia de 100 Hz y
suele ser desde decenas de milisegundos en equipos básicos, hasta centenares de
microsegundos en los equipos más especializados. En los generadores con síntesis
muestreada este tiempo es tan sólo el de algunos ciclos de reloj.
- Calidad de señal (signal purity). Esta especificación afecta a todos los sistemas que,
como estos, trabajan en el dominio de la frecuencia y determina la degradación del
espectro de la señal de salida respecto del espectro ideal. Se suelen dar los siguientes
parámetros:
- Ruido de fase. Determina la modulación de fase de la señal y se suele dar en
magnitud logarítmica dB por Hz,
Lección 3 GENERADORES DE SEÑAL
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- Señales espúreas. Son señales no armónicas que aparecen en la salida que suelen
provenir del defecto de filtrado del los escalones entre los diferentes niveles de
salida del convertidor digital analógico. También aparecen cuando se selecciona un
cambio de frecuencia de salida. Se suele especificar también en magnitud
logarítmica.
3.5. Generadores de función arbitraria.
Este tipo de generadores (en inglés AFG arbitrary function generator o AWG arbitrary
waveform generator) basados en el funcionamiento de los generadores de síntesis muestreada,
permite generar señales con formas de onda diversas almacenadas en memoria o con otras de
generación manual (configuradas desde panel frontal o teclado) o adquiridas mediante
diversas herramientas (sistemas de calculo matemático, simulación, CAD, etc.) o equipos
electrónicos (osciloscopios digitales, analizadores, etc.).
La diferencia básica entre AFG y AWG estriba únicamente en la potencia de
almacenamiento, adquisición y edición del generador. En un AFG se dispone de una librería
básica de formas de onda y los procesos de adquisición y edición de nuevas formas de onda
esta limitado. Para un AWG todas estas características están notablemente mejoradas. Todas
las características y especificaciones introducidas para los sintetizadores de muestreo son
válidas para describir a los generadores de función arbitraria. En la figura 3.15 se muestra el
frontal de uno de estos equipos.
Figura 3.15. Frontal de un generador de funciones arbitrarias.
3.5.1. Principio de operación.
Partiendo del diagrama de bloques del circuito de síntesis muestreada y añadiendo una
entrada de carga al bloque que contiene la tabla de la forma de onda se obtiene el diagrama
del generador de función arbitraria (figura 3.16).
La diferencia fundamental aparece en el bloque de carga y lectura de la tabla de la
forma de onda. Esta tabla se implementa en una memoria de acceso aleatorio RAM lo cual
nos permite diversidad de funciones de edición y acceso.
Lección 3 GENERADORES DE SEÑAL
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Figura 3.16. Diagrama básico de un generador de funciones arbitrarias.
En la figura 3.17 se muestra un diagrama de bloques que muestra una configuración de
la arquitectura de un AFG en la que se incluye el sistema basado en microprocesador que
permite la configuración local y remota del equipo y la transferencia de datos a través de un
bus estándar de comunicaciones. A continuación se van a describir los modos de
funcionamiento, configuración de un AFG y los procesos edición de formas de onda que
permite este sistema.
Figura 3.17. Arquitectura un generador de funciones arbitrarias.
3.5.2. Modos de funcionamiento.
En este apartado se van a dar los diferentes procesos para generar la formas de onda
que se obtendrán en la salida. En el primero de ellos es posible obtener diferentes formas
combinando adecuadamente los datos de la memoria antes de la conversión, mientras que en
el segundo se altera de un modo controlado la forma mediante su filtrado paramétrico después
de la conversión.
Constante
de frecuencia
Salida
sintetizada
+
Registro
Acumulador
de fase
Reloj
Tabla en RAM de la
forma de onda
D/A FPB
Carga de formas
de onda
mP
Comunicaciones
Memoria DAC Filtro Ampl.
Acumulador
de fase
Visualización
y control
Lección 3 GENERADORES DE SEÑAL
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Secuenciación de formas de onda
- Modo normal. Se recorre la memoria de modo secuencial
- Looping y jumping. Se enlazan diferentes segmentos de una misma forma de onda
de la memoria.
- Linking. Se enlazan segmentos o formas de onda distintas grabadas en la memoria.
- Looping, jumping y linking. Combinación de las técnicas anteriores.
Figura 3.18. Un ejemplo de la secuenciación de formas de onda.
Filtrado selectivo
3.5.3. Modos de adquisición.
Aquí se enumeran alguno de los posibles métodos de adquisición de los datos que
pasan a la memoria para su posterior conversión:
- Formas de onda de librería.
- Array digital.
- Ecuación..
- Adquisición de ondas reales desde osciloscopio.
- Generación con herramientas gráficas.
- Adquisición desde digitalizador o scanner.
3.5.4. Edición de formas de onda.
Ahora se citan los posibles medios que permiten la edición de las formas de onda.
- Edición gráfica.
- Escalado.
- Operadores algebraicas.
3.6. Generadores de datos
Este último tipo de fuente de señal, los generadores de datos DG (data generator), es
una herramienta especializada para los ensayos de equipos digitales donde los generadores
descritos anteriormente no tienen capacidad suficiente. Los generadores de datos obtienen
cadenas de señales binarias, (unos o ceros) con determinadas características analógicas y,
sobretodo digitales parametrizables.
Lección 3 GENERADORES DE SEÑAL
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Los generadores de datos se caracterizan fundamentalmente por la siguientes
cualidades:
Secuenciamiento. En ensayos digitales normalmente se requiere generar cadenas de
datos complejas de gran contenido. Para evitar la necesidad de incorporar al equipo grandes
memorias donde almacenar una determinada secuencia, los DG disponen de un potente
sistema secuenciador capaz de generar este tipo de señales con un uso óptimo de memoria.
Salida múltiple. Los sistemas digitales bajo ensayo disponen usualmente de un gran
número de señales de entrada (buses) lo cual implica que los DG dispongan también de un
conjunto suficiente de salidas.
Compatibilidad con otros sistemas digitales de ensayo. Los modernos DG aceptan
datos provenientes de analizadores lógicos, osciloscopios digitales, simuladores, emuladores,
etc., con el objeto de optimizar la tarea de la especificación de la secuencias de datos a
generar.
Visualización compleja. La gran complejidad y volumen de la información generada
requiere una potente visualización donde se detalle simultáneamente los cronogramas de las
señales generadas en cada canal del DG. Esta visualización debe de permitir, además, el uso
de cursores, marcadores y otras herramientas de medición automática. Un ejemplo del
visualizador de un DG se puede ver en la figura 3.19.
Figura 3.19. Visualizador de un generador de datos multicanal.
En la figura 3.20 se muestra el diagrama de bloques que describe la arquitectura de un
generador de datos básico. En este diagrama aparece un generador de direcciones, una
memoria de formas de onda, un registro de desplazamiento, etc., pero no existe como en los
AFG o AWG ningún convertidor digital/analógico puesto que no son necesarios ya que la
salida de un DG es digital.
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Figura 3.20. Diagrama de bloques de un generador de datos.
Sin embargo, si existe un bloque analógico de salida que es el responsable de fijar o
perturbar la amplitud de la tensión de salida (figura 3.21a) y las pendientes de los flancos de
la señal (figura 3.21b). El bloque “Delay” permite, mediante su correcta parametrización,
programar los retrasos del la señal en la salida en incluso generar cambios periódicos de la
posición de los flancos (jitter) de la señal (incluso con saltos del orden de los ps) como se
puede observar en la figura 3.21c
a