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Capítulo.6 El Q-metro y el Analizador de Impedancias Página 1 1

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EL Q-METRO Y ANALIZADOR DE IMPEDANCIASS

1.- EL Q- METRO 1.1 Fundamento teórico (2) 1.2 Circuito fundamental para la medida de "Q" (2) 1.3 El Q-metro Meguro (4) 1.4 Mediciones con el Q-metro Meguro (6)

1.4.1 Medidas de Q (L) 1.4.2 Determinación de la Inductancia (7)

1.5 Correcciones de los valores medidos (7) 1.6 Medida de la capacidad distribuída (8) 1.7 Utilización de la función " Q Limit" (9) 1.8 Uso de la función ∆Q (10) 1.9 Circuitos resistivos en alterna (11)

1.9.1 Efecto pelicular (11) 1.9.2 Resistencia de un conductor en alterna (12)

2. - EL ANALIZADOR DE IMPEDANCIAS (13) 2.1 Teoría básica de funcionamiento y esquemas de bloques (14) 2.2 Principio de funcionamiento del modulador (17) 2.3 Detector de relación de los vectores de voltaje (17) 2.4 Instrucciones sobre el modo de operar (26) 2.5 Estudio del comportamiento de algunos componentes

(39) 2.5.1 Estudio de una Inductancia (41) 2.5.2 Estudio de una capacidad (42)

2.6 Estudio de un circuito paso-bajos RC (42) 2.7 Estudio de un circuito resonante LC (43) 2.8 Estudio de cables (44)

Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias Página 2

1. - EL Q-METRO

1.1 - FUNDAMENTO TEÓRICO Definiciones de: "Q", "tg δ" y "cos φ": El símbolo "Q" indica el factor de calidad de un componente o sistema y es igual a la relación entre la energía almacenada y la perdida por ciclo. Numéricamente es la relación entre la reactancia y la resistencia a la frecuencia de prueba.

RRwL

RX wC

1

===Q (1) El inverso de "Q" se denomina tangente de pérdidas o factor de disipación: Q

1=D=tgδ (2)

Ilustr. 1 Esquema vectorial El factor de potencia "cos φ" es el cociente entre la resistencia y la impedancia. Cuando el "Q" tiene valores superiores a 10, la diferencia entre "tg δ" y "cos φ" es muy pequeña., Ilustr. 1. Cuanto mayor es el Q de un circuito resonante, mayor es la selectividad o agudeza de resonancia del circuito.

1.2- CIRCUITO FUNDAMENTAL PARA LA MEDIDA DE "Q" La medida de Q se basa en el siguiente circuito simplificado:

Ilustr.2 Circuito resonante


Un generador ideal con una resistencia serie pequeña (R representa la suma de todas las resistencias del circuito), la inductancia (L) o elemento que queremos medir, y una capacidad patrón (C) de pérdidas muy pequeñas. En este circuito la corriente será máxima en el momento de la resonancia, o sea cuando:

wC1wL = (3)

El voltaje sobre la capacidad o sobre la inductancia vendrá dado por:

wCi iwLEcEL1=== (4)

La corriente: 2

⎟⎠⎞⎜

⎝⎛

=

wC1-wL+R2

ei Pero en la resonancia:Re=i

Luego wCReEc

1⋅= (5)

Combinando la (5) con la (1) tenemos:

Ec = Q . e o bien eEcQ=

(6) El Q se determina, pues, midiendo e y Ec. Esto se realiza en el Q-metro Meguro, como se muestra en la Ilustr.2.

Ilustr. 2 Esquema simplificado del circuito del Q-Metro La tensión de alimentación "e" la suministra el oscilador, a través de un transformador de relación 50:1. La bobina del secundario de este transformador es el terminal LO. La tensión del oscilador se mantiene constante mediante un circuito realimentado. Para medir la Ec se emplea un voltímetro de muy alta impedancia (200


MΩ) conectado a través de un divisor capacitivo (20:1). Como la tensión aplicada al circuito "e" es constante, se puede medir directamente la relación:

e

E=Q c max

Esta relación se marca directamente en el medidor de Q. En otras palabras, Q es la relación, en la resonancia, entre la tensión en la reactancia, (normalmente se mide sobre el condensador), y la tensión aplicada al circuito. 1.3- EL Q-METRO MEGURO 1.3.1- MANDOS DEL PANEL FRONTAL En el panel frontal del Q-metro (ver esquema de la página siguiente) podemos distinguir las siguientes partes: a) Un generador (Ilustr.4 ). Abarca los números de 1 a 4 en el cual, podemos ver: Un display digital de frecuencia, en el cual podemos suprimir o dejar la última cifra, mediante el pulsador "Resolution" (3 y 4). Un mando grueso (1) y otro concéntrico que nos permiten variar la frecuencia dentro del margen seleccionado con los pulsadores de rango de frecuencias. Una serie de pulsadores para seleccionar los rangos o escalas de frecuencia (2). b) Un voltímetro (10), graduado en Q ó en ∆Q con las correspondientes escalas de Q en rojo y de ∆Q en verde. En la parte inferior hay unos pulsadores para seleccionar el Rango de Q: 25, 40, 75, 120, 250, 400 y 750 (5). A la derecha hay tres pulsadores para seleccionar el Q, el ∆Q ó bien comprobar si el nivel de referencia es correcto (raya roja del voltímetro señalada con Os. Level (8) Encima del voltímetro se indica, mediante leds, si estamos midiendo "Q" o "∆Q" y la escala que estamos utilizando. Es una ayuda muy buena para no equivocarse (9). c) El sistema de ajuste del circuito resonante. A la derecha del


voltímetro tenemos el condensador patrón para ajustar el circuito resonante. Consta de un condensador que va de 22 pF a 500 pF (14) en paralelo con otro que va de -3 a +3 pF (15). d) Una tabla (16) que nos permitirá hallar directamente la inductancia de la bobina para unas frecuencias determinadas. También es una orientación de los valores de inductancia que se pueden medir con la frecuencia correspondiente. e) Por ultimo en la parte inferior derecha de la carátula tenemos: ∆Q Balance: que nos permitirá ajustar la referencia cero para medir con más precisión diferencias de Q, o sea ∆Q (11). Os. Level: permite ajustar el nivel del oscilador a la rayita (normalmente no se desajusta y por lo tanto no es necesario tocarlo) (12).

Q Limit % FS: Este mando nos permitirá, junto con la lamparita "Q Limit", situada encima del voltímetro, ver con rapidez, si un componente supera un valor de Q previamente fijado. Es el sistema de "pasa" o "no pasa" (13).

Debajo del voltímetro hay un potenciómetro ajustable, (correlate), que no utilizamos. Se ha de dejar en "cal"


1.4.- MEDICIONES CON EL Q-METRO MEGURO

1.4.1.- MEDIDAS DE Q: a) Encender el aparato y colocar la bobina tal y como está marcado en

la parte superior del aparato. b) Seleccionar la tecla "Q" en "METER" y elegir una escala, por ejemplo

250. c) Seleccionar una frecuencia mediante el rango y los mandos variables

"Coarse" y "Fine". d) Colocar el vernier en cero y buscar la resonancia variando

lentamente el condensador tuning, hasta encontrar la desviación máxima de la aguja.

Si no se consigue recorriendo todo el margen de capacidades entre los 22 pF y los 500 pF, cambiar la escala de frecuencias y volver a variar el condensador hasta conseguir la resonancia.

NOTA 1ª.- Teniendo en cuenta que: LC2

1f r π=

Vemos que para L pequeñas tendremos que elegir frecuencias elevadas, y para L grandes, frecuencias bajas. 2ª.- Para obtener una máxima precisión en la lectura del valor de Q hay que elegir la menor escala posible de Q. Por lo tanto, si la lectura no llega a 50% de la escala, se pasará a la inferior . 3ª.- En la lectura de la capacidad se han de sumar los dos condensadores, el grueso y el fino ó vernier.

1.4.2.- DETERMINACIÓN DE LA INDUCTANCIA L

a) De la fórmula general: LC2

1=f r π (7)

Se puede despejar la L indicada (Li) en función de la C y de la fr En la cual si fr = Mhz yC = pF ; L vendrá en µH.

i 2 2

r r

1 25.330L

(2 C Cf ) fπ= =

⋅ ⋅


b) Si utilizamos las frecuencias contenidas en la tabla que hay en la parte derecha de la carátula, podemos hallar el valor de la inductancia indicada (Li), multiplicando el valor leído en la escala roja del dial por el número correspondiente a esa frecuencia que figura en la primera columna de la tabla.

Ejemplo: Si estamos utilizando la frecuencia de 2.52 Mhz y leemos en el dial rojo 1.2, se multiplicará este número por 10. El resultado seria de 12 µH. Si utilizamos la frecuencia de 796 Khz. y la lectura fuera de 1.8, éste se multiplicaría por 0.1 mH y nos daría 0.18 mH.

1.5.- CORRECCIONES DE LOS VALORES MEDIDOS

Cuando se hace la medida de Q ó de la inductancia, los valores medidos son los indicados por los aparatos. En ellos interviene la capacidad distribuida de la bobina, pero luego en los cálculos sólo tenemos en cuenta la capacidad leída en el condensador patrón.

En efecto, cuando hacemos la medida utilizamos la condición de resonancia del siguiente circuito

Ilustr. 3 Circuito equivalente de medida

Donde )C+C(w

1=Loe

2v

Si en el cálculo de L no tenemos en cuenta la capacidad distribuida, tendremos el valor verdadero (Lv) de la inductancia, que sería la inductancia real. (Ver Cap.7 pág. 2, para la explicación de valores: efectivo, indicado y verdadero).

Si para el cálculo de la L se utiliza únicamente el valor leído Ce, como se hace para obtener la L indicada en el dial, dará un valor mayor, ya que al tomar una C menor la L dará mayor, es la inductancia efectiva Le , que práctica es el más útil. Así si quiero calcular la frecuencia de resonancia con una capacidad C tendré

.CL21 f

er π=


La inductancia L estará neutralizada en parte por Co. Cuando se mide un componente físico en un puente, se tiene en cuenta la resultante de las capacidades e inductancias, que lo constituyen. Es el valor efectivo, que es el que interesa en la práctica.

Resumiendo: Si tomamos fr en MHz ; Co en pF ; La Li vendrá dado en µH quedará:

( ) erer

v CfCflL

⋅=

⋅= 22

330.252π

(8)

C+C

CL)C+C(w1

Loe

ev

oe2i == (9)

De igual modo para el Q:

C

C+CQ=Qe

oeiv (10)

Donde: Li = Inductancia indicada. Ce = Capacidad leída del condensador patrón. Lv = Inductancia verdadera. Qi = Q indicado o leído en el Q-metro. Qv = Q verdadero de la bobina, o del circuito. Co = Autocapacidad de la bobina o capacidad distribuida entre las espiras.

1.6.- MEDIDA DE LA CAPACIDAD DISTRIBUIDA Se halla la resonancia de la bobina para una capacidad del condensador patrón próxima al extremo inferior de la escala. Sea ésta C1.

Llamando Co a la capacidad distribuida y f1 a la frecuencia de resonancia, se cumplirá que

1w)C+CL( 21o1 = (11)

Damos ahora a la frecuencia un nuevo valor más pequeño que llamaremos f2 y sea la nueva capacidad de sintonía C2. Tendremos:

1w)C+CL( 22O2 = (12)


Igualando la (11) y la (12): w)C+CL(w)C+CL( 2

2O221O1 =

Simplificando queda: f)C+C(f)C+C( 2

2O221O1 =

Operando y despejando: f-f

fC-fCC 2

221

211

222

O = (13)

Que en el caso de hacer la segunda frecuencia la mitad de la primera, esto es f2 = f1/2, la fórmula queda muy simplificada:

3

C4-CC 12O = (14)

1.7.- UTILIZACIÓN DE LA FUNCIÓN Q LIMIT Cuando se prueban una gran cantidad de bobinas en una línea de producción es importante comprobar de forma rápida si el Q es igual o superior a un valor determinado, en cuyo caso la bobina "PASA". Para ello es interesante el uso del LED de indicación "Q LIMIT" (de color verde, arriba y a la derecha del voltímetro). El LED se ilumina cuando el valor de Q está por encima del valor prefijado. AJUSTES A REALIZAR:

1 - Selecciona primero la escala que contenga el valor de Q que quieres

prefijar como valor mínimo, mediante "Q RANGE" (5) y "XQ" (6). 2 - Conecta una bobina con Q mayor que el que quieres prefijar como

mínimo, en los terminales de bobina. 3 - Sintoniza el circuito para la resonancia y desintonizarlo lentamente

hasta que el Q indicado en el voltímetro sea el que desees usar como límite mínimo prefijado.

4 - Ajusta el valor de "Q LIMIT" hasta que el LED "Q LIMIT" justo se

ilumine. 5 - Comprueba que el ajuste es correcto variando el condensador de

sintonía "VERNIER".


1.8 - USO DE LA FUNCIÓN ∆Q En el Q-metro Meguro, cuando se quieren medir con precisión pequeñas diferencias de Q, resulta que la escala en que medimos el valor de Q suele ser bastante grande y no se puede apreciar bien pequeñas variaciones. Para solucionarlo disponemos del ∆Q, que en realidad es pasar a medir diferencias ó variaciones en una escala más pequeña, y por lo tanto más precisa. Para cada escala de Q hay una de ∆Q que es 10 veces más pequeña. Así para la escala de Q de 250 la de ∆Q será de 25. Las dos escalas más pequeñas de Q no tienen escala de ∆Q. Como ejemplos de casos en que puede ser interesante el uso de ∆Q podemos citar: En la medida del ancho de banda de circuitos de bajas pérdidas; el efecto de introducir un elemento extraño en una bobina ó variar la separación de las espiras; ver la diferencia de Q en dos bobinas aparentemente iguales, etc. MODO DE PROCEDER:

1 - Coloca la bobina y halla la resonancia, como de costumbre. 2 - Pulsa la tecla ∆Q en "METER". El LED se iluminará y la aguja se irá a la derecha ó la izquierda. 3-Ajusta la aguja mediante los controles "COARSE" y "FINE de"∆Q BALANCE"(11) al inicio de la escala de color verde "0". 4 - Introduce el objeto extraño en la bobina ó varía la separación entre espiras etc, que modifique el valor de Q. Se producirá un desajuste de la resonancia. 5 - Sintoniza de nuevo el circuito con los controles "TUNING" y "VERNIER". 6 - En este momento podemos leer la variación de Q en la escala verde correspondiente. El nuevo valor será el anterior mas o menos una cantidad (∆Q ). NOTA: Lógicamente si la variación tiene un valor mayor que el de la escala ∆Q, no se podrá hacer, ni tampoco hay razón, pues la variación se puede apreciar bien en la escala de Q. EJERCICIOS: 1 - Mide el valor de Q y la inductancia L de varias bobinas.


2 - Halla la capacidad CO de las bobinas anteriores. 3 - Halla el verdaderos valor de Q y L.

4 - Haz el estudio completo de una bobina determinando QV, LV, CO y R. 5 - Haz una gráfica (con siete puntos), de la variación de Q y de R en

función de la frecuencia, abarcando un margen de frecuencias lo más amplio posible.

6 - Halla la variación de Q al introducir un objeto en la bobina o

variando la separación de las espiras. Después de introducirlo hay que ajustar de nuevo la resonancia.

1.9.- CIRCUITOS RESISTIVOS EN ALTERNA

1.9.1.- EFECTO PELICULAR:

Cuando la frecuencia aumenta, la circulación de la corriente va efectuándose más por la periferia del conductor (4).

Ilustr. 4 Area equivalente y distribución de corriente

La profundidad media (de la superficie hacia el centro) de esta capa conductora viene dada por la fórmula

.44,6 Cmf

d =

Donde d es la profundidad de la capa conductora (en centímetros). En el segundo gráfico d es la distancia respecto a la superficie. f es la frecuencia de la corriente (en Hertzios).

Esta fórmula sólo es válida para el cobre.


Ejemplo: Si f=1000MHz. (1GHz) la profundidad "d" es igual a:

(cm) 102=

10

6.44=d 4-9

⋅ (22)

Observaciones:

La noción del espesor d de la capa conductora es el resultado de la ponderación de la superficie de la corona circular equivalente (en la sección) según el siguiente método:

En el gráfico de la Ilustr. 4 se representa la densidad de corriente I en función de la profundidad d. La superficie limitada por los ejes y la curva determina una superficie igual a la del rectángulo, uno de cuyos lados es la distancia del centro de coordenadas al punto de I máx. El otro lado es tal que la superficie del rectángulo sea igual a la superficie limitada por la curva y los ejes de coordenadas. La anchura del rectángulo coincide con el de la corona.

1.9.2.- RESISTENCIA DE UN CONDUCTOR EN ALTERNA

Debido al efecto pelicular, la resistencia de un conductor, en alta frecuencia, es más elevada que su resistencia en corriente contínua.

En el caso de un cable Bifilar:

df

1016.64_=R 8- (23)

Ilustr. 5 Cable bifilar y cable coaxial

Donde: R: resistencia por metro (en Ω/m). f: frecuencia (en Hz).


d = diámetro de cada conductor (en m)

Ejemplo: Un cable bifilar con d = 3 mm, por el cual circula una señal de 500 MHz, tiene una resistencia efectiva de:

6

-8-3

(500 )10R = 16.64 = 1.24 /m10 3 10⋅

⋅ Ω⋅

(24)

En el caso de un cable coaxial:

-8 1 1R = 8.32 f ( + )10 d D⋅ (25)

Donde. R = resistencia por metro del conductor (Ω/m).

f = frecuencia (Hz). d = diámetro del conductor interno en metros. D = diámetro del conductor externo en metros.

Ejemplo: Un cable coaxial de dimensiones d = 4.2mm y D = 15mm, que transmite una señal de 500MHz, tiene una resistencia efectiva de:

-8 6-3 -3

1 1R = 8.32 500 ( + )= 0.56 /m10 10 15 4.210 10⋅ ⋅ Ω

⋅ ⋅


2.- EL ANALIZADOR DE IMPEDANCIAS

2.1.- TEORÍA DE FUNCIONAMIENTO Y ESQUEMA DE BLOQUES

Nota: del funcionamiento del Analizador de impedancias sólo se exigirá el apartado 2.1 Consideramos éste apartado fundamental para entender realmente como opera el equipo para poder medir todos los parámetros que iremos comentando.

Como técnicos nos interesa conocer los principios básicos en los cuales se fundamentan las medidas que realizamos, y no podemos contentarnos con la mecánica de la utilización de los instrumentos.

El analizador de “impedancias” 4192 A de HP se basa en la medida de la relación entre los vectores de voltaje y de corriente. Todos los demás parámetros se calculan a partir de la impedancia y la fase.

La medida de la impedancia, del dispositivo bajo prueba, (Device Under Test = DUT), se determina midiendo la relación entre el voltaje de la señal de prueba aplicada y la corriente que pasa a través del DUT.

Ilustr. 6 Convertidor I-V

En aplicaciones de baja frecuencia el método de los vectores de corriente y voltaje emplea un amplificador conversor, corriente voltaje (I-V) el cual tiene una resistencia, Rr, en el circuito de realimentación. Ver Ilustr.6.

e es r i ix r z Rx r= = =

er

es Rr Z x = (26)


Dado que el potencial del terminal "Low" es prácticamente cero (masa virtual), el conversor I-V hace que a través de la resistencia Rr fluya una corriente igual a la que pasa por el DUT. El voltaje de salida (er) del conversor I-V es igual al producto de la corriente ir por el valor de la resistencia de realimentación (Rr). Por consiguiente la impedancia del DUT se determina a partir de los tres elementos siguientes:

a) del voltaje de la señal de prueba (es.) b) del voltaje del conversor I-V y (er). c) del valor de la resistencia de realimentación (Rr).

El valor de la resistencia de realimentación no influye en la corriente a través del DUT. Además el nivel de la señal aplicada al DUT es constante cualquiera que sea el valor de la resistencia de realimentación.

El ancho de banda del amplificador conversor I-V determina las limitaciones en frecuencia de este método, a causa de la dificultad de conseguir una elevada anchura de banda en un amplificador con una elevada ganancia en bucle abierto. Por su naturaleza este método no es adecuado para altas frecuencias.

El circuito empleado para el auto-balance del puente permite que el vector voltaje a través de la resistencia de realimentación sea proporcional a la corriente a través del DUT desde bajas frecuencias hasta los 13MHz dentro de unos límites aceptables.

Es posible explicar el principio de auto-balance del puente de dos o tres formas distintas. Pero para simplificar la discusión vamos a explicarlo a base de dos osciladores tal como se muestra en la Ilustr.7.

Ilustr. 7 Circuito de auto-balance


En el esquema de la 7, el generador de señal de prueba aplica una tensión es al DUT, la cual produce una corriente ix a través del DUT. Esta determina a su vez, una corriente igual ir, que circula a través de la resistencia de realimentación Rr, ya que por la entrada del amplificador no circula corriente apreciable.

Por otra parte el Oscilador de amplitud y fase variables suministra una señal, er, de la misma frecuencia que el generador de señal de prueba, a la resistencia de realimentación Rr. Las corrientes ix y ir se pueden equilibrar controlando la salida del Oscilador de amplitud y fase variables. El detector de cero detecta la diferencia, id, entre ix e ir (esto es, id = |ix -ir|). Cuando el Oscilador de amplitud y fase variables se ajusta para que id = 0 se puede determinar la impedancia Zx del DUT a partir de los vectores es y er y de la resistencia de realimentación.

La diferencia de corrientes id, tiene la información necesaria para equilibrar el puente. Así la corriente id procedente del detector de cero se utiliza para ajustar automáticamente el puente regulando la salida del Oscilador de Amplitud y fase variables.

i = i como pero Re = i ;

Ze i rx

r

rr

x

sx =

Re =

Ze

r

r

x

s

y también

ee R = Z

r

srx (27)

En realidad, en lugar del Oscilador de frecuencia y fase variables se utiliza un "circuito Modulador" que aumenta la estabilidad de la tensión er. ( Ilustr.8).

La señal del generador de prueba es conducida al Modulador donde es transformada en la tensión, er, controlada por la salida del detector cero.


Ilustr. 8 Control del Auto-Balance

Dado que la frecuencia de la salida del modulador , er, es exactamente igual a la del generador de señal de prueba (aun en el caso que la señal de prueba fluctúe), el problema de la inestabilidad inherente al método de dos osciladores, se elimina.

Para producir la tensión er, el modulador varia de amplitud y de fase de acuerdo con la salida del detector de cero.

En comparación con el método del amplificador realimentado, la combinación del detector de cero y el modulador, este se puede considerar como un amplificador realimentado ideal con un ancho de banda de 13 Mhz.

La Ilustr. 9 es un esquema básico del circuito modulador.

Ilustr. 9 Circuito modulador


NOTA: Lo que sigue, por ser un poco complicado, no se pedirá. Es interesante leerlo para darse cuenta del procedimiento que se utiliza en este aparato.

2.2.- PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL MODULADOR

El modulador de “autobalance” del puente actúa de forma tal que consigue un vector de corriente, a través de la resistencia Rr, igual a la corriente que pasa por el DUT. Cuando el circuito del puente está desequilibrado, el detector de cero, recoge la corriente de desequilibrio en el punto "L", (terminal negativo del componente bajo prueba).

El vector de salida del detector de cero indica de qué forma el puente está desequilibrado en sus componentes real e imaginaria, de la corriente a través de Rr y de DUT.

Para controlar el Modulador de acuerdo con la información del vector de la corriente de desequilibrio detectada a la salida del detector de cero se desdobla en sus componentes ortogonales.

Los niveles de continua, a la salida de los detectores de fase, son proporcionales a las respectivas componentes ortogonales. Si la corriente es positiva indicará que el respectivo vector es positivo. Si es negativa indicará que el vector es negativo.

El modulador del vector 0º/180º proporciona una salida de amplitud controlada que si esta en fase con la frecuencia de prueba dará un voltaje positivo, y será negativo en caso contrario. Así la señal de salida del modulador del vector 0º/180º está representada por un vector en el eje real de coordenadas.

El modulador del vector 90º/-90º actúa de modo similar al del modulador del vector 0º/180º con respecto a la señal de entrada desfasada 90º La señal de salida del modulador del vector 90º/-90º está representada por un vector en el eje imaginario.

En teoría es posible obtener cualquier vector por suma de vectores ortogonales.

Como resultado de esta modulación, real e imaginaria del vector a la salida del detector de cero, se transfieren a los vectores ortogonales del vector a la salida de los moduladores.

El amplificador sumador, suma las señales precedentes de los moduladores de vectores 0º/180º y 90º/-90º y simultáneamente invierte la fase del vector resultante. Consecuentemente, la salida de amplificador sumador, er, es un vector de sentido opuesto a ex


La señal er es controlada con respecto a las magnitudes individuales de los componentes reales e imaginarias de la corriente de desequilibrio, el puente puede alcanzar un balance preciso aun en el caso de que exista un desequilibrio no solo de amplitud sino también de fase.

2.3.-DETECTOR DE RELACIÓN DE VECTORES DE VOLTAJE

El detector de la relación de los vectores de voltaje detecta las componentes real e imaginaria del vector de tensión aplicando el DUT y del vector de tensión sobre el resistor de alimentación, y proporciona las salidas del conversor A-D las cuales representan las magnitudes de las componentes de los vectores.

La detección de las componentes de los vectores se realiza en tres fases :

1º Selección de la señal 2º Detección de fase 3º Conversión A - D

Cuando el puente está equilibrado, la impedancia Zx, (o admitancia Yx) del DUT, la señal aplicada al DUT (es) y la tensión en la resistencia de realimentación er están relacionadas por la siguiente ecuación :

ee

R1 = Y bien o

ee R = Z

s

r

rx

r

srx • (28)

La figura 12 muestra la configuración del circuito básico de la sección del"Detector de relación de voltajes".

Ilustr. 12 Detector de relación de voltajes

El "Amplificador procesador" alternativamente selecciona las tensiones es y er y después de varias amplificaciones y atenuaciones para adecuarlas, las lleva al Detector de Fase. Para obtener el vector relación entre las señales es y er, el


Detector de Fase las separa en sus componentes ortogonales, usando un conjunto de señales, las cuales están 90º desfasadas la una de la otra. La Ilustr. 16 es una representación gráfica de la relación entre las señales medidas (es y er) y las señales de referencia (Vd1 y Vd2).

Las señales (es y er) son descompuestas en sus componentes en fase con los de referencia.

El valor de la impedancia se calcula a partir de las cuatro componentes en fase con las de referencia (dos para cada vector).

e + e

)e e - e e(j + e e + e e R = ej + eej + e R =

ee R = Z 2

b2a

cbdadbcar

ba

dcr

r

srx

••••

(29)

La señal es se toma como referencia para el ángulo de fase de la señal er. La er se desdobla en sus componentes real e imaginaria.

Ilustr. 10 Diagrama vectorial de detección de fase. Así er = ea + jeb

Los componentes del vector ea y eb se obtienen usando señales detectadas en fase, las cuales están en fase ó desfasadas 90º respecto a la señal de referencia es.

La relación de los vectores ea/es y eb/es representan las componentes reales e imaginarias respectivamente del D.U.T., esto es los valores de la conductancia y la susceptancia. En una medida de la relación de voltaje típico que utiliza la técnica de la doble integración. Un integrador se carga y descarga con las señales ea y es como se indica.

T1 : Período de carga con la señal ea. T2 : Período de descarga con la señal es.


Ilustr. 11 Periodos de carga y descarga

La relación entre la carga y la descarga se representa por las siguientes ecuaciones:

1 1 2 2 2 1 1 2 21 1 2

1 2 2 1a a

2 1 1 2s s

+ = 0 ; = e e eK T K E T K T K T

e eK T T K = ; K = ; K = = cte. del sistema e eK T T K

• • ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

••

Normalmente el tiempo de carga se hace que sea constante, con lo cual midiendo el tiempo de descarga T2, podemos hallar la relación :

cia)(conductan ee

s

a

Para medir la magnitud de la componente de cada vector (ea, eb, ec y ed), los voltajes de los vectores son secuencialmente convertidos en "período de tiempo". El conversor A-D realiza esta conversión en cuatro ciclos (un ciclo por cada componente de cada vector). En el primer ciclo por ejemplo la señal ec carga un integrador en un tiempo T1. Luego el integrador es descargado con un voltaje de corriente continua (-Es) hasta que el nivel de salida se reduce a cero. Teniendo en cuenta que la suma de las corrientes de carga y descarga son cero, los voltajes (ec y Es) aplicados al integrador se relacionan con los tiempos, mediante la cual:


TT E K = e :Despejando

TEK=TeK

1

2sc

2s21c1

•

••••

NOTA: La constante K es el producto (ganancia del Amplificador de Proceso) * (Eficiencia del detector de fase) * (La constante de tiempo del integrador)

La magnitud de ec se conoce midiendo T2

Las otras componentes de los vectores se miden de la misma forma. El conversor A - D utilizado en 4192 A es de multirampa pero la secuencia es la misma.

Ilustr. 13 Secuencia temporal de la relación de tensiones

2.3.1.- CORRECCIÓN DEL CERO

En el ajuste del cero (en circuito abierto y en cerrado) se mide la impedancia residual del dispositivo de montaje bajo condiciones de corto circuito, y la admitancia distribuida en condiciones de circuito abierto.

Los cálculos de corrección en la medida del DUT se hacen utilizando las siguientes ecuaciones y el modelo de circuito equivalente.


Y Z-1Y-Y = Y

1) »Z Y( Z Y-1

Z-Z = Z

mo

omc

oomo

onc

•

••

Ilustr. 14 Modelo de circuito equivalente

donde: Zc = valor de la impedancia corregida. Yc = valor de la admitancia corregida. Z0 = valor de la impedancia residual. Y0 = valor de la admitancia distribuida. Zm = valor medido de la impedancia del DUT. Ym = valor medio de la admitancia del DUT.

2.3.2. CIRCUITO DE MEDIDA DE AMPLITUD Y FASE

Generalmente el instrumento que tiene posibilidades de medida de amplitud y fase para el análisis de redes de 4 terminales, está construido con dos voltímetros independientes con el fin de aceptar simultáneamente dos canales de entrada y un medidor de fase para detectar la fase relativa entre las dos señales.

Este método tiene una gran ventaja en la velocidad de medida, pues las dos entradas son medidas simultáneamente.


La medida de amplitud y fase con el 4192A se realiza usando un detector del vector de relación del voltaje con un único canal, el cual también realiza la medida de las señales procedentes del puente autobalanceado a la medida de impedancias.

La Ilustr. 15 muestra el diagrama de bloques de la medida de circuitos relacionados con la medida de amplitud y fase.

Ilustr. 15 Circuito de medida de amplitud y fase.

El generador de señal, la resistencia del generador y el VRD (Detector de relación de voltaje) son también parte del circuito de medida de impedancias. Mirando el circuito de medidas analógicas, la función de medida de "amplitud y fase" se hace posible añadiendo dos terminales de entrada que conmuta al VRD.

Cuando se elige la función B-A (ganancia relativa) el VRD alternativamente acepta las entradas del Canal A y el Canal B y separadamente las magnitudes de las componentes del vector correspondiente. El selector de señal secuencialmente selecciona las señales de entrada de manera similar a como lo hace en la medida de impedancias.

Cuando las señales de entrada se separan en las componentes del vector (Va,Vb,Vc y Vd) la relación de amplitud se calcula de acuerdo con la siguiente ecuación :

log log2 2c dB

2 2A a b

A a b

B c d

+ V VVB - A (dB) = 20 = 20 V + V V

= + j V V V

Donde : = + j V V V

⎛ ⎞⎛ ⎞⋅ ⋅ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

⎧⎪⎨⎪⎩

El "ángulo de fase" de la señal de entrada del Canal B, medida con respecto a la entrada del Canal A se calcula mediante la fórmula:


arctan b c a d

a c b d

- V V V V = + V V V V

θ ⎛ ⎞⋅ ⋅⎜ ⎟⋅ ⋅⎝ ⎠

NOTA: Esta última fórmula se halla buscando la relación:

Vj - VVj - V

Vj + VVj + V =

VV

ba

ba

ba

dc

A

B •

Una vez hallada la parte real y la imaginaria del vector cociente basta tomar arc tg de la parte imaginaria dividida por la parte real.

Cuando se coloca en el modo de medida A ó B (absoluta), el VRD mide exclusivamente el canal A ó B.

Ilustr. 17 Diagrama de bloques


2.4.- INSTRUCCIONES SOBRE EL MODO DE OPERAR

Explicaremos cada elemento del panel frontal y del posterior.

Ilustr. 17 Panel frontal

1 - LINE OFF/ON Enciende o apaga el aparato

2 - TRIGGER LAMP Se enciende cuando se dispara, ya sea interna, externa ó manualmente.

3 - DISPLAY A Muestra los valores medidos de los parámetros seleccionados mediante los mandos del grupo 15. Muestra los códigos de error y mensajes: Self Test; Zero offset Así como las direcciones cuando se trabaja con el sistema HP IB. También muestra las unidades de los valores medidos.


4 - DISPLAY B

Muestra los valores medidos de los parámetros seleccionados mediante los mandos del grupo 16. Si la medida no se puede realizar aparece OF2 ó ----. También indica las unidades del parámetro medido.

5 - DISPLAY C Muestra los valores de los parámetros de prueba (Frecuencia, Polarización y nivel del oscilador). Estos parámetros se introducen mediante las teclas del grupo 17. También indica: las unidades, los códigos de error, la sobrecarga y cuando se guardan los valores mediante la tecla "save".

6 - BIAS ON Este indicador se enciende cuando se aplica una tensión de polarización al DUT (Dispositivo Bajo Prueba). Se puede aplicar ó suprimir la polarización con la tecla 28.

7 - TECLAS ∆/∆% E INDICADORES Estas teclas, una para el display A y otra para el B se utilizan para hallar la "desviación" o la "desviación en %" de la medida. La ∆ es la diferencia entre el valor del DUT medido y un valor de referencia previamente almacenado. ∆% es la diferencia entre el valor medido del DUT y el valor previamente almacenado como referencia, expresado en %.

La fórmula es: D R

R

- V V 100V

⋅ ; VD = Valor DUT ; VR = Valor Referencia.

8 - EL CONECTOR CHANEL B (ENTRADA DE PRUEBA) Se utiliza conjuntamente con el canal A "9" y la salida del oscilador "11" en medidas de ganancia, atenuación (B-A), fase y retardo de grupo. El "port" de salida del dispositivo bajo prueba se conecta a este conector.


La impedancia de entrada es de 1 MΩ en paralelo con 25 pF. Máxima tensión a la entrada en ac de 2 V eficaces.

9 - EL CONECTOR CHANEL A (ENTRADA DE REFERENCIA)

Se utiliza conjuntamente con el canal B y la salida del oscilador para las medidas indicadas en "8". La salida del oscilador es simultáneamente aplicada a la entrada del DUT y a este conector, a través del espliter.

La impedancia de entrada es de 1 MΩ en paralelo con 25 pF. Máxima tensión a la entrada en ac de 2 V eficaces.

10 - CABLE LENGTH SWITCH Este conmutador sólo tiene significado en la medida de impedancias. Facilita el ajuste y minimiza los errores cuando en la medida se utilizan cables de más de 1 m de largos.

11 - EL CONECTOR OSC. OUTPUT Se utiliza conjuntamente con los canales A y B para las medidas de ganancia, fase, etc. Proporciona una señal de 5 Hz a 13 MHz para estimular el DUT. La impedancia de salida es de 50 Ω.

12 - UNKNOWN TERMINALS Estos cuatro terminales se utilizan en la medida de |Z| |Y|, R, G, L, C, X, y B. Proporcionan el medio de conectar el DUT en la configuración de 4 terminales. Dos terminales proporcionan la corriente al DUT. Los otros dos toman la tensión en los terminales mismos del DUT. Con ello se consigue una mayor precisión en la medida.


13 - GROUND TERMINAL Este terminal está unido al chasis del instrumento y se puede utilizar en medidas que requieren "guarda"

14 - INDICADORES DE ESTADO EN EL MODO HP-IB Estos cuatro leds indican el estado cuando se utiliza el interface con un controlador a través del HP-IB. La tecla "Local", cuando está apretada, libera el instrumento del control remoto (HP-IB) y permite utilizar los controles del panel frontal.

Ilustr. 18 Control de los displays y BUS 15 - SELECCIÓN DE FUNCIONES E INDICADORES "DISPLAY A"

Para seleccionar cada una de las funciones o parámetros encerrados en este recuadro se utilizan las teclas que llevan unas flechas.

El parámetro seleccionado queda indicado con una luz. La flecha hacia abajo nos indica que al pulsarla se seleccionará el parámetro inmediato inferior. La flecha hacia arriba, selecciona el inmediato superior.


⎜Ζ| / |Υ| Cuando el "Circuit mode" 27 se coloca en "Auto" ó en serie, el instru-mento mide el valor absoluto de la impedancia del DUT. |Z| y el ángulo de fase θ en grados ó en radianes, dependiendo de la función del Display B (16) .

|Z| Se muestra en el display A ,y el θ en B ; proporcionando una representa-ción polar (|Z|,θ) de la impedancia del DUT. Cuando el "circuit mode" está en paralelo el instrumento mide el valor absoluto de la admitancia |Y| y el ángulo de fase θ, en grados o radianes.

R/G: Cuando el "Circuit mode"está en serie, el instrumento mide la R (resistencia) y la X (reactancia) del DUT. Los resultados se muestran en los displays A y respectivamente, proporcionando una representación rectangular (R ± jX) de la impedancia del DUT. Cuando el "Circuit mode" está en paralelo, el instrumento mide la G (Conductancia) y la B (Susceptancia) y los resultados se muestran en los displays A y B respectivamente. Nos proporciona también una representación rectangular (G ± jB) de la admitancia del DUT. L Mide la inductancia, y dependiendo de la función del display B

16, el factor de calidad Q, ó el factor de pérdidas D. En R/G mide la resistencia serie ó la conductancia paralelo, dependiendo de la posición del "Circuit mode".

C: Mide la capacidad, y dependiendo de la función del display B (16),

el factor de calidad Q, ó el factor de pérdidas D. En R/G mide la resistencia serie ó la conductancia paralelo, dependiendo de la posición del "Circuit mode".

B-A (dB) Mide la amplitud relativa entre la entrada de referencia

(Canal A) y la entrada de prueba (Canal B). El resultado aparece en el display También mide el "retardo de grupo" ó la fase en grados o radianes, dependiendo de la función del display B

A(dBm/dBV): Mide la amplitud absoluta de la entrada de referencia (Canal A)

en dBm ó en dBV seleccionado por la tecla 26 "Gain mode". Cuando se elige este parámetro, el display B queda borrado.

B (dBm/dBV): Mide la amplitud absoluta de la entrada de prueba (Canal B) de

modo idéntico a como lo hace A (dBm/dBV) en todos los demás aspectos.


16- SELECCIÓN DE FUNCIONES E INDICADORES DEL "DISPLAY B"

La tecla indicada con una flecha es utilizada conjuntamente con la tecla 27 "Circuit mode" para seleccionar los parámetros secundarios de medida para el display B.

El ángulo de fase sólo puede ser seleccionado cuando la función del display A está en |Z|, |Y| ó en B-A (dB).

La Q, D y R/G únicamente actuan cuando la función del display A está en L ó C. El Retardo de Grupo sólo funciona cuando el display A está en la función B - A (dB)

El parámetro elegido queda indicado con una luz.

θ (deg) Mide en grados el ángulo de fase de |Z| ó de |Y|

θ (rad) Mide en radianes el ángulo de fase de |Y| X/B Estos parámetros son automáticamente seleccionados cuando la

función del display A se pone en R/G. X es la reactancia del DUT B es la susceptancia de la admitancia del DUT

Q Mide el factor de calidad del DUT

D Mide el factor de pérdidas del DUT

R/G Mide la resistencia serie o la conductancia paralelo del DUT. La tecla 27 del "Circuit mode" determina cual de los dos parámetros queda seleccionado.

GROUP DELAY: Mide el retardo de grupo entre la entrada de referencia A y la

entrada de prueba B.

θ (deg) Mide, en grados, la diferencia de fase entre el canal de referencia A y el de prueba B.

θ (rad) Mide, en radianes, la diferencia de fase entre la entrada de

referencia A y la de prueba B.


Ilustr. 19 Parámetros y datos

17 - SELECCIÓN DE LOS PARÁMETROS QUE SE VAN A UTILIZAR EN LA MEDIDA Y SUS INDICADORES

Estas teclas se utilizan conjuntamente con las teclas de entrada de DATOS (Grupo19), la tecla ENTER, 20 y la tecla AZUL 37, para asignar valores a los varios parámetros de prueba; para almacenar y llamar las posiciones de control del panel; y para la entrada de los datos de referencia para la desviación y el porcentaje de desviación. SPOT FREQ / BIAS

Para medidas a una frecuencia determinada. Se coloca la frecuencia y la polarización deseadas. Cuando se utiliza una polarización se enciende la lamparita indicadora de Bias.

STEP FREQ / BIAS Se utiliza para medidas con barrido. Hay que colocar los incrementos de frecuencia o los incrementos de la tensión de polarización.


STAR FREQ/BIAS

Para medidas con barridos. Se coloca la frecuencia inicial ó la polarización inicial.

STOP FREQ / BIAS

Para medidas con barrido, se coloca la frecuencia final del barrido ó la polarización final.

OSC LEVEL

Se fija el voltaje (RMS) del Generador de frecuencia interno.

REF. A

Para medidas de desviaciones ∆ y porcentajes de desviación ∆%, se coloca primero el valor de referencia para el display A. Ej. : Tecla AZUL - Ref A - (numero) - Enter y ∆

REF. B

Para medidas de desviación y porcentaje de desviación (∆/∆%), se coloca primero el valor de referencia para el Display B.

NOTA: Estas referencias tienen aplicación para ver si un conjunto de componentes están o no dentro de los márgenes de tolerancia.

18 - TEST LEVEL MONITOR

Apretando esta tecla se muestra el nivel de la señal de prueba aplicada al DUT ó si se pulsa primero la tecla azul (37) la corriente que circula a través del DUT. La lámpara anunciadora se enciende.

19 - DATA IMPUT KEYS

Las teclas de 0 a 9, el punto decimal y el signo menos se usan para introducir los valores de los parámetros; los números de los registros para almacenar en la memoria (save) y los datos de referencia para los displays A y B, para la medida desviaciones (∆/∆%) Cada tecla tiene una función de control, marcada en azul encima de la tecla, que es accesible a través de la tecla azul 37.


20 - ENTER KEYS

Cada una de estas tres teclas instruyen al aparato para leer los datos de los parámetros de prueba, de los datos de referencia (17), y de los datos de entrada (19). Los datos no se introducen hasta que una de las teclas de se pulsa la tecla ENTER.

MHz. V

Introduce el valor de la frecuencia elegida con el “Data imput”, en MHz, para los parámetros de frecuencia y de voltaje de polarización.

KHz. mV

Introduce los datos de frecuencia en KHz. ó de tensión en mV.

Hz, Ref.Data

Introduce la frecuencia en Hz ó los datos de referencia para las medidas de desviaciones.

21 - RCL

Esta tecla se utiliza para "volver" el instrumento a la posición que tenían los controles del panel frontal, cuando se hizo un "save" Las teclas 0 a 4 se usan para seleccionar el registro en que se quieren almacenar las posiciones de los controles del panel frontal. Ej: Para retornar el instrumento a las posiciones de los controles almacenados en el registro "0", bastará apretar 1º la tecla RCL y luego la tecla "0".

22 - SAVE

Esta tecla se utiliza para guardar ó almacenar las posiciones de los controles del panel frontal. Para ello se utiliza la tecla "save" y una de las teclas 0 a 4. Como los registros son no volátiles, se pueden recuperar las posiciones de los mandos, si se han guardado, después de haber estado apagado el Analizador.


Ilustr. 20 Circuito, ganancia, escala, trigger y barrido 23 - TECLAS PARA CONTROLAR EL BARRIDO (SWEEP)

Estas teclas controlan la función de barrido del instrumento. Se pueden realizar barridos: de frecuencia, de polarización y de nivel de la señal del generador. Este último solo se puede hacer en el modo Manual. Cuando se quiere hacer un barrido del voltaje de polarización, se tiene que encender la lamparita de "Bias on" (6). Para hacer un barrido de frecuencia debe estar apagada la polarización. La tecla "MAN-AUTO" controla el modo de barrido. Para un barrido logarítmico hay que pulsar la tecla "Log sweep" (35) . En automático tenemos las siguientes posibilidades: Start up En inicia el barrido de frecuencia ó de voltaje de polarización, desde los valores colocados mediante la tecla "Start freq/Bias" (17). El barrido se va incrementando por los saltos indicados mediante la tecla "Step Freq/Bias . También restablece el barrido después de una pausa. Pause Detiene temporalmente el barrido, para permitir modificar los "steps" ó cambiar la dirección.


El barrido se restablece pulsando Start up ó Start down.

Start down

Igual que start up, pero decrementando los valores. En manual tenemos las siguientes posibilidades.

Step up Cada vez que se pulsa esta tecla se incrementa en el valor prefijado por la tecla step ya sea de la frecuencia ya sea la polarización. Si primero se pulsa la tecla "Os. Level", el nivel del oscilador se irá variando de 1 mV en mV cuando el nivel es inferior a 100 mV y de 5 mV en 5 mV cuando es superior. El nivel máximo que da el generador es de 1,1 V. Se producirá un barrido si se mantiene la tecla apretada.

x 10/Step

Pulsando al mismo tiempo esta tecla y "Step up" ó "Step down" los incrementos quedan multiplicados por 10.

Step down

Hace lo mismo que step up pero decrementando los valores.

24 - TRIGGER

Esta tecla selecciona el modo de disparo. Int El Trigger interno permite al instrumento hacer medidas automáticas repetidas. La velocidad de medida depende: del tipo de medida, de la f recuencia del oscilador y del modo seleccionado: normal, average (promedio de 7 medidas) ó alta velocidad. Ext Se realiza una medida cada vez que se dispara el trigger por una señal exterior aplicada al conector situado en la parte posterior (7). Hold/Manual Se realiza una medida cada vez que se pulsa esta tecla . El resultado de la medida permanece en el display hasta que se pulsa la tecla de nuevo.


25 - Z -Y RANGE

En la medida de impedancias ó admitancias, estas teclas seleccionan el "rango" de medida. Puede ser: Auto: Automáticamente se selecciona el óptimo rango de medida. Manual: El rango de medida es fijo. Para elegirlo basta pulsar las teclas down o up, cualquiera de las dos que se pulse, pasa a manual. NOTA: Cuando se realiza un barrido y éste se hace en automático, el rango también salta a auto. Si se quiere hacer un barrido, manteniendo una escala fija, hay que hacerlo manualmente.

26 - GAIN MODE

En medidas de Amplitud y fase estas teclas seleccionan la unidad apropiada para A y para B. En dBm: Muestra la amplitud absoluta en dBm = (20 log(V) + 13.01). Por ser dBm hemos de tomar como potencia de referencia 1mW. Así:

log log log log

2VP RdBm 10 = 10 = 20 ( V ) - 10 ( 0,001 R )

0,001 0,001

⎛ ⎞⎜ ⎟⎛ ⎞= ⋅⎜ ⎟⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠

Como en nuestro caso R = 50Ω: 13,01 + ) V ( 20 = dBm log dBV: Muestra la amplitud absoluta en dBV; dBV = 20 log(V)

27 - CIRCUIT MODE

Ya se explicó en los números 15 y 16.

28 - BIAS OFF

Cuando tenemos una polarización aplicada (la luz de Bias on, encendida) podemos suprimirla apretando la tecla azul y luego la tecla "Bias off".


Ilustr. 21 Registro X-Y y otros parámetros 29 - ZERO OFFSET

Mediante estas dos teclas se pueden compensar la impedancia y la admitancia del dispositivo de medida y de los cables. El ajuste del "cero" se hace para una frecuencia determinada. Si se cambia de frecuencia tiene que volverse a ajustar el cero. En general el error que se comete suele ser muy pequeño. Por tanto sólo para aquellas medidas que requieran media precisión será necesario ajustar el cero. Proceso: Se hacen dos ajustes uno en circuito abierto y otro en circuito cerrado. En circuito OPEN = abierto, almacenamos la admitancia residual (G ±jB). En CORTO circuito almacenamos la impedancia residual (R ± jX). OPEN Para realizar esta medida el" circuit mode" a de estar en

paralelo, y en el display B elegir la función G/B.

Estando el indicador de esta tecla apagado, y el circuito de medida abierto, se pulsa la tecla "open". En el display B aparece la indicación CAL. Luego se apaga y aparecen ceros. La tecla "open" queda encendida.

SHORT Para realizar este ajuste el "Circuit mode" ha de estar en

serie, y elegida la función R/G. Estando esta tecla apagada y el circuito de medida en cortocircuito, se pulsa la tecla "short".


En el display A aparece la indicación CAL. Luego se apaga y aparecen ceros. La tecla "open" queda encendida.

Frecuencias en los ajustes de CERO

5 a 500 Hz (se ha de hacer en cada frecuencia). 500 Hz a 100 KHz. Basta ajustarlo a 100 KHz. 100 KHz a 10 MHz. Ajustarlo sólo a la máxima frecuencia..

30 - AVERAGE

Cuando se ilumina esta tecla la medida tiene una mayor resolución y repetitividad que en el modo Normal. Tanto para seleccionar este modo como para pasar a normal hay que pulsar primero la tecla azul (37). En realidad hace el promedio de siete medidas.

31 - HIGH SPEED

En este modo de alta velocidad de medida, el tiempo empleado en cada medida es 1/2 del que emplea en el modo Normal. La precisión disminuye. Tanto para seleccionarlo como para pasar el normal hay que pulsar primero la tecla azul (37).

32 - SELF TEST

Pulsando esta tecla se hace un test del instrumento. Mientras se realiza el test (la lamparita correspondiente está encendida. Se realizan, automáticamente, seis pruebas básicas que chequean las funciones del instrumento. El resultado (Pass o Fail) paso ó fallo aparece en el display A. Cuando el chequeo termina automáticamente cambia al modo normal de medida.

33 - X - Y RECORDER

NOTA: No se utilizará esta posibilidad, por ser muy engorroso obtener una gráfica calibrada. Estas teclas controlan la posibilidad de una salida analógica del instrumento.


En la parte posterior existen unos conectores que nos dan un voltaje proporcional a los resultados de las medidas de los displays A y B. Estas salidas permiten obtener gráficas de los valores de cada uno de los displays A y B en función de la frecuencia ó de la polarización. Normalmente los displays A ó B se llevan al eje vertical del Registrador, mientras que la salida "Freq./Bias" se lleva al eje horizontal. Existe una cuarta salida (Pen lift) que nos sirve para bajar ó subir la plumilla del registrador cuando se inicia ó se termina el barrido, para evitar que en el retroceso escriba. Hay que tener en cuenta que los niveles de salida son de 0 a 1 V ó de -0,5 a +0,5. Para obtener un gráfico es muy importante calibrar los ejes, tanto en frecuencia como en el parámetro vertical. En el sentido vertical hay que ver, cuál es el valor máximo y el mínimo que nos muestra el display para que la diferencia la podamos distribuir fácilmente entre el número de cuadros verticales que elijamos. Para facilitar esta tarea, el Registrador lleva un ajuste continuo entre cada escala. ON Permite la salida analógica representativa de los resultados

de la medida y de los valores de la frecuencia ó polarización. La lamparita correspondiente se enciende.

OFF No hay salida analógica y se pueden hacer los ajustes de cero

y plena escala del registrador. ↓← LL Proporciona un voltaje de 0 V en cada salida para el

registrador. Se utiliza para ajustar el cero u origen de coordenadas. Cuando se pulsa esta tecla, la plumilla del Registrador normalmente se posesiona en la parte inferior izquierda del área a utilizar.

UR →↑ Esta tecla proporciona un voltaje de referencia de (1V) en

cada salida para el Registrador. Se utiliza para ajustar la plena escala del Registrador.

Cuando se pulsa esta tecla la plumilla del Registrador se posesiona en la parte superior derecha (X e Y al máximo).

NOTA: Cada escala tiene un margen del 30% más, antes de cambiar. Así si estamos en la escala de 10, no cambiará hasta que no llegue a 13.

Teniendo en cuenta esto, si una medida tiene al inicio el valor de 7 y al final del barrido el valor de 11 no me cambiará de escala, pero sí cambiaría


si tuviera el valor de 15. En el caso que para un barrido de frecuencias los valores mínimo y máximo fueran 7 y 11, resultaría que la gráfica sólo ocuparía 4/13 del papel en el sentido vertical.

34 - STORE DSPL. A/B

Esta tecla memoriza simultáneamente los valores mostrados en los displays A y B, como valores de referencia para las medidas de desviación.

35 - LOG. SWEEP

Esta tecla es para hacer un barrido logarítmico. En el modo logarítmico la frecuencia se distribuye en 20 saltos ó escalones para cada década. Los pasos se hacen automáticamente en intervalos regulares, entre cada década. Si el valor inicial es de 3 KHZ y el final 17 KHz, él tomará 20 valores entre 1 K y 10 K y otros 20 entre 10 K y 100 K. No principiará en 3KHz ni acabará en 17 KHz.

PANEL POSTERIOR 1 - Conector VCO. OUTPUT:

El conector BNC hembra da una salida de 40.000005 MHz a 53 MHz, del sintetizador interno. Normalmente esta salida está conectada a EXT VCO (conector 2) con un pequeño puente.

2 - Conector EXT VCO:

El conector "BNC" hembra es una entrada de 40 MHz. a 53 MHz. (Nivel de entrada: 0 dBm - 3 dBm) señal para generar una frecuencia de medida (5 Hz a 13 MHz). Este conector puede conectarse a una frecuencia externa para un mejor ajuste, estabilidad y resolución; o al sintetizador interno del instrumento; normalmente esta conectado al conector VCO OUTPUT 1 con un pequeño puente


Ilustr. 22 Panel posterior 3 - Conector EXT REFERENCE:

Conector BNC hembra. Entrada a 1 MHz o 10 MHz señal de referencia para una fuente de señal externa para mejorar la estabilidad del sintetizador interno. La impedancia aproximada de entrada es de 50 Ω.

4 - Conector 1 MHz OUTPUT:

Conector BNC hembra; salida a 1 MHz. de onda cuadrada ( = 1.6 Vpp) para fijar la fase externa del instrumento. La impedancia de salida es de 50 Ω aproximadamente.

5 - Interruptor de control HP-IB:

Este interruptor selecciona la dirección del instrumento HP-IB (0-30), el formato de salida (A ó B), y las posibilidades del interface (Solo hablar o Direccionable).

6 - Conector HP - IB:

Conector de 24 pins; conecta el instrumento al HP-IB para control por ordenador,


7 - Conector EXT TRIGGER

Este conector se usa para entrar un trigger externo al instrumento por la entrada de señal externa de trigger. La tecla TRIGGER del panel frontal tiene que estar a EXT.

2.5.- ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO DE DISTINTOS COMPONENTES

2.5.1.- ESTUDIO DE UNA BOBINA

Haz el estudio de cómo varían, con la frecuencia, cada uno de los parámetros de una bobina (L, Z, φ, R, X, Y, G, B). Saca consecuencias Haz el estudio para unas 10 frecuencias diferentes.

Ilustr.23 Circuito equivalente

¿Por qué aumenta la resistencia serie al aumentar la frecuencia? (Efecto corona)

2.5.2 - ESTUDIO DE UN CONDENSADOR

Estudia como varían los distintos parámetros con la frecuencia. Hazlo para 10 frecuencias diferentes. Saca conclusiones.

Compara los parámetros de un condensador de poliester con uno de policarbonato y otro cerámico. Ilustr. 24 Circuito equivalente


2.6 - ESTUDIO DE UN CIRCUITO PASA BAJOS RC

Ilustr. 25 Esquema de conexión.

1 - Para muy bajas frecuencias se cumple que VB = VA ; VB - VA = 0 y desfasaje = 0.

2 - Para la frecuencia de corte la caída es -3dB y la fase = -45º 3 - Para frecuencias > a las de corte, la caída irá aumentando, y la fase irá tendiendo a - 90º. A partir de la frecuencia de resonancia propia del condensador la fase puede variar, ya que a partir de esa frecuencia se comportará como una inductancia.

Vemos en la zona de transición (a partir de la frecuencia de corte) que al doblarse la frecuencia, la caída es de 6 dB/oct. Por ser un filtro de primer orden, tiene una pendiente de 6 dB/oct.

4 - La frecuencia de corte viene dada por: C R 2

1 = F c π

5 - Comprueba si se cumple la ecuación anterior.


2.7 - ESTUDIO DE UN CIRCUITO RESONANTE LC

Ilustr. 26 Esquema de conexión.

El montaje está en cajitas con dos BNC. 1 - Halla la frecuencia de resonancia. (Vc = máxima, y Fase = -90º)

En el caso que la tensión en el canal B fuera excesiva, el sistema sale de escala y hay que disminuir la tensión del Oscilador (por ejemplo a 100 mV)

El valor del ángulo define mejor la frecuencia de resonancia, dado que en esta zona el ángulo varía fuertemente, mientras que la tensión varía poco.

Hemos de tener en cuenta que el ángulo que nos marca el aparato, cuando trabajamos en (B - A), es el ángulo de desfasaje entre la tensión aplicada al canal B y la aplicada al canal A.

Así en nuestro caso para frecuencias suficientemente bajas (<< de la frecuencia de resonancia) nos dará una fase de 0º ó un valor negativo pequeño. Para frecuencias suficientemente grandes (>> que la frecuencia de resonancia) la fase tenderá a -180º.

En la frecuencia de resonancia la fase será de 90º.


2.8.- ESTUDIO DE CABLES

2.8.1.-IMPEDANCIA DE CABLES

Se llama "impedancia de línea", en un punto de la línea, la relación vectorial que existe entre la tensión y la corriente en ese punto particular. Esta es la impe-dancia que se mediría si se pinchara la línea ese punto y se midiera la impedan-cia, mirando hacia la carga, con un puente de impedancias. En un punto de la línea donde la tensión es máxima, la corriente es mínima y viceversa.

I

E = Z e →

→

Cuando la impedancia de carga (Z1) es igual a la impedancia característica de la línea (Z0), sólo está presente la onda incidente y la impedancia de línea es en todas partes igual a la impedancia característica.

Cuando hay una onda reflejada (que más o menos nos encontramos en todos los casos prácticos, pues la carga o no es totalmente resistiva, o no es igual a Z0), la impedancia medida será alternativamente mayor o menor que la impedancia característica. Puesto que la corriente de línea pasa siempre por un mínimo cuando la tensión pasa por un máximo y viceversa, los máximos y los mínimos de impedancia coinciden con los máximos y los mínimos de tensión.

La magnitud de la impedancia, en consecuencia, varia cíclicamente a lo largo de la línea, con una periodicidad igual a media longitud de onda.

Si las pérdidas de la línea son despreciables, y el coeficiente de reflexión es bastante menor de la unidad, la impedancia de la línea se repite casi exactamente en los distintos intervalos de media longitud de onda. No obstante, cuando la relación de onda estacionaria es grande (ρ.≈1), la atenuación de la línea, aunque sea pequeña, hace que los picos de impedancia vayan disminuyendo de amplitud a medida que aumenta la distancia a la carga. (Fig.b).

Si se considera la impedancia en el extremo unido al generador de una línea de longitud fija cuando la frecuencia con que se hace la medición se aumenta progresivamente, se observa que la impedancia varía con la frecuencia en forma muy parecida a como varía cuando se aumenta la longitud.


Ilustr. 27 Formas de onda para distintas cargas

Así con el extremo final en cortocircuito, la impedancia pasa por sucesivos valores máximos para frecuencias que hacen que la longitud de la línea corresponda a 1/4,3/4,5/4... de una longitud de onda, y pasará por valores mínimos para frecuencias que correspondan a longitudes de línea de 2/4, 4/4, 6/4 de longitud de onda. Para hallar λ hay que tener en cuenta que la velocidad de propagación por un cable coaxial es aproximadamente de 200.000 Km/s. Si la impedancia de carga es puramente resistiva, el primer máximo o el primer mínimo, según sea la resistencia de carga menor o mayor que la impedancia característica del cable, se produce a 1/4 de λ cualquiera que sea el valor de la R.

La mejor manera de apreciar los mínimos o máximos es ver el momento en que la fase pasa por 0º


Ilustr. 28

Si la carga es compleja el primer máximo aparece antes o después de 1/4 de onda, aunque la distancia entre dos máximos seguirá siendo de 1/2 longitud de onda.

Así, pues, la impedancia que presentará un cable dependerá:

a) de la naturaleza y magnitud de la carga. b) de la frecuencia de trabajo. c) de la longitud de cable.

Medidas a realizar: Haz el estudio de un cable. Para ello haz las siguientes mediciones: 1º La capacidad por metro C0 (extremo abierto). 2º La inductancia por metro L0 (extremo cerrado). 3º La atenuación por metro para distintas frecuencias. 4º El retardo de grupo para distintos intervalos de frecuencias.

Observa la variación.

NOTA: 1 - Por definición "Retardo de grupo" = F

dd

∆∆

≈θ

ωθ

Lo que interesa en un retardo de grupo es que sea constante, no que sea pequeño o grande.


Fm : Frecuencia de medida (Spot). Fs : Salto de frecuencia (Step). F1 : 1ª frecuencia de medida. F2 : 2ª frecuencia de medida. ∆F : F2 - F1 (= 2 Fs) θ1 : Fase a la 1 frec. de medida. θ2 : Fase a la 2 frec. de medida. ∆θ : θ1 - θ2

I Fig. 29 Retardo de grupo

En la práctica podemos hacer el montaje siguiente:

Ilustr. 30

La salida del oscilador se lleva a un splitter que divide la señal en dos. Una de ellas se lleva, mediante un cable corto, a la entrada del canal A, mediante una carga de 50 Ω. La otra se conecta a un extremo del cable, y el otro extremo se carga con 50 Ω y se lleva a la entra B

Se coloca la primera frecuencia de medida con el Spot frec. Por ejemplo 50 kHz.

Se colocan los Steps. Ejemplo 10 kHz

Se coloca la última frecuencia de medida. Ejemplo 5 MHz.

En el display A elegimos el parámetro A - B.


En el display B elegimos "Group delay".

Si ahora hacemos un barrido de frecuencias, en el canal A nos irá dando la atenuación total del cable, en dBm o dBV, para cada frecuencia. En el canal B irá haciendo la relación F / ∆∆θ . Para cada medida toma la frecuencia de Spot ± el step.

Ejemplo: F1 = 50 KHz ; F2 = 60KHz ; ∆ F = 10 KHz. En una segunda medida F1 = 60 KHz ; F2 = 70KHz ; ∆F = 10 kHz, etc.

El Analizador de Impedancias evalúa el “Retardo de grupo” aplicando la siguiente fórmula:

F 2 / bien o

F 360 / = T g ∆

∆∆

∆ ° πθθ

el q-metro y analizador de impedanciassusers.salleurl.edu/~se04066/mesures/p06.pdf · cuando el...

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