Referencia Teórica

La práctica se realizará tomando como referencia el documento "Mediciones con el Analizador de Espectro" desarrollado previamente en teoría. Para cada experiencia se deberán relacionar las observaciones experimentales con los conceptos, expresiones y ejemplos allí presentados.

1. Objetivos

1. Familiarizarse con la utilización del analizador de espectro para la observación y medición de señales en el dominio de la frecuencia.
2. Configurar adecuadamente frecuencia central, Span, nivel de referencia, atenuación de entrada, RBW y VBW de acuerdo con la medición a realizar.
3. Identificar la componente fundamental, armónicas, bandas laterales y productos de intermodulación presentes en distintas señales.
4. Realizar mediciones de distorsión armónica, modulación en amplitud (AM), modulación en frecuencia (FM) e intermodulación.
5. Comparar los resultados experimentales con los valores teóricos y justificar las diferencias observadas.

2. Materiales Necesarios

• Analizador de espectro.
• Dos generadores de señales para la experiencia de intermodulación; para el resto de las experiencias se utilizará la cantidad necesaria según la configuración.
• Osciloscopio.
• Fuente de alimentación continua de 9 V.
• Transistor NPN de propósito general y alta frecuencia (por ejemplo 2N3904 o BC547).
• Resistencias: 2 × 470 Ω para el sumador, 47 kΩ, 6.8 kΩ, 1 kΩ, 100 Ω y 470 Ω para la salida.
• Capacitores: 2 × 10 nF, 100 nF y 10 µF.
• Cables coaxiales, conectores, adaptadores y protoboard o placa de montaje.
• Atenuadores externos, en caso de ser requeridos.

3. Procedimiento Experimental

Paso 1: Reconocimiento y Configuración Inicial del Analizador

Conectar una señal senoidal proveniente del generador y ajustar frecuencia central, Span, nivel de referencia, escala vertical, atenuación de entrada, RBW y VBW.

• Identificar la frecuencia y amplitud de la señal.
• Observar el piso de ruido.
• Modificar Span, RBW y VBW y registrar el efecto producido sobre la visualización y el tiempo de barrido.

Paso 2: Medición de Distorsión Armónica

Aplicar una señal periódica en la cual puedan observarse la fundamental y las primeras armónicas significativas.

• Medir frecuencia y amplitud de la fundamental.
• Medir frecuencia y amplitud relativa de las armónicas observables.
• Ajustar RBW y VBW cuando sea necesario para separar las componentes del piso de ruido.
• Calcular la Distorsión Armónica Total (THD) mediante el procedimiento desarrollado en teoría.
• Comparar el cálculo considerando todas las armónicas observables con la aproximación que utiliza únicamente la armónica predominante.

Paso 3: Medición de una Señal Modulada en Amplitud (AM)

Generar una señal AM con los parámetros indicados por el docente y observarla inicialmente con osciloscopio y luego con el analizador de espectro.

• Identificar portadora, banda lateral inferior y banda lateral superior.
• Medir la frecuencia de portadora y la separación entre portadora y bandas laterales para determinar la frecuencia modulante.
• Medir la amplitud relativa de las bandas laterales respecto de la portadora y determinar el índice de modulación.
• Repetir la experiencia para al menos dos índices de modulación diferentes.
• Cuando el instrumento lo permita, utilizar Span cero y comparar la información obtenida en el dominio del tiempo con la obtenida en el dominio de la frecuencia.

Paso 4: Medición de una Señal Modulada en Frecuencia (FM)

Generar una señal FM con frecuencia de portadora, frecuencia modulante y desviación de frecuencia conocidas.

• Identificar portadora y bandas laterales.
• Determinar la frecuencia modulante a partir de la separación entre componentes espectrales.
• Modificar el índice de modulación y observar la redistribución de amplitudes entre portadora y bandas laterales.
• Comparar cualitativamente el espectro con el comportamiento de las funciones de Bessel analizadas en teoría.
• Determinar las bandas laterales significativas y estimar el ancho de banda ocupado.
• Cuando el generador lo permita, variar la frecuencia modulante hasta observar un cero de amplitud de la portadora y utilizarlo para verificar la desviación pico en frecuencia.

Paso 5: Medición de Distorsión por Intermodulación

La experiencia utilizará dos tonos simultáneos y una etapa electrónica que se llevará progresivamente desde una condición aproximadamente lineal hacia una condición no lineal.

5.1. Señales de Prueba y Medición de Referencia

Configurar inicialmente dos generadores senoidales. Para facilitar el montaje en protoboard se sugieren los siguientes valores:

Si los generadores permiten ajustar el nivel en dBm, comenzar con ambos en aproximadamente -20 dBm e incrementar luego el nivel de manera simultánea en pasos de 5 dB (-20, -15, -10, -5 dBm, etc.) hasta observar con claridad los productos de intermodulación. No es necesario alcanzar 0 dBm si las componentes ya son visibles.

Antes de conectar la etapa no lineal, realizar una medición de referencia en TP1. Para ello, conectar TP1 al analizador a través de una resistencia serie de 470 Ω y verificar que las componentes principales correspondan a f₁ y f₂. Registrar el espectro.

5.2. Circuito Propuesto para Generar la No Linealidad

Construir la etapa mostrada en la Figura 1 (ver documento original). El transistor trabaja inicialmente como un amplificador aproximadamente lineal. Al aumentar el nivel conjunto de las dos señales, la excursión de la etapa se acerca a las regiones de corte y/o saturación y aparecen productos de distorsión e intermodulación.

Antes de aplicar las señales, alimentar el circuito con 9 V y verificar el punto de operación en continua. Como referencia orientativa, para un transistor con ganancia de corriente típica se esperan aproximadamente:

• V_B ≈ 1.0 V
• V_E ≈ 0.3 V
• V_C del orden de 5.5 V a 7 V

Los valores pueden variar con el transistor utilizado.

La resistencia serie de 470 Ω ubicada a la salida limita la carga presentada por la entrada de 50 Ω del analizador y proporciona aislamiento adicional. Esta red introduce atenuación, lo cual es aceptable para la finalidad comparativa de la experiencia.

5.3. Observación de los Productos de Intermodulación

Conectar nuevamente ambos generadores al sumador y la salida de la etapa al analizador. Configurar un Span que permita observar las fundamentales y los productos de interés.

Aumentar gradualmente y de manera similar el nivel de ambos generadores. En cada nivel registrar el espectro y observar la aparición y el crecimiento de componentes que no estaban presentes en la medición de referencia.

Identificar y medir, cuando resulten observables, los productos de segundo orden:

• |f₂ − f₁|
• f₁ + f₂
• 2f₁
• 2f₂

Identificar especialmente los productos de tercer orden próximos a las fundamentales:

• 2f₁ − f₂
• 2f₂ − f₁

Para los valores sugeridos f₁ = 1.00 MHz y f₂ = 1.20 MHz, calcular antes de medir las frecuencias esperadas de cada producto. Comparar luego los valores calculados con los observados en el analizador.

Repetir la medición para al menos tres niveles de excitación diferentes. Registrar cómo cambia la amplitud relativa de los productos de intermodulación a medida que la etapa se aleja de su región lineal.

4. Mediciones y Análisis

Para cada experiencia deberán registrarse los parámetros de configuración del analizador y las magnitudes medidas. Las capturas de pantalla deberán estar acompañadas por una interpretación del espectro; no será suficiente incluir imágenes sin identificar el origen de sus componentes.

Parámetros a Registrar:

• Frecuencia central y Span.
• RBW y VBW.
• Nivel de referencia y atenuación de entrada.
• Frecuencias y amplitudes de las componentes relevantes.
• Cálculos teóricos y comparación con los valores experimentales.
• Capturas de pantalla correctamente identificadas.

Análisis Específico de Intermodulación

Presentar dos espectros comparativos: uno correspondiente a la suma de los dos tonos antes de la etapa no lineal y otro a la salida de la etapa. Para cada producto observado indicar:

• Su expresión
• Frecuencia teórica
• Frecuencia medida
• Amplitud relativa
• Orden

Analizar por qué las nuevas componentes no estaban presentes originalmente y explicar la relación entre el aumento del nivel de excitación, la no linealidad de la etapa y el crecimiento de los productos de intermodulación.

5. Informe Final

El grupo deberá presentar:

1. Breve descripción de las experiencias realizadas y de los esquemas de conexión utilizados.
2. Parámetros de configuración empleados en el analizador para cada medición, justificando especialmente Span, RBW, VBW, nivel de referencia y atenuación.
3. Capturas de pantalla representativas de los espectros obtenidos, correctamente identificadas.
4. Cálculo de la THD y comparación entre el cálculo completo y la aproximación utilizando la armónica predominante.
5. Para AM: determinación de la frecuencia modulante y del índice de modulación a partir del espectro.
6. Para FM: identificación de bandas laterales, frecuencia modulante, índice de modulación y ancho de banda ocupado.
7. Para intermodulación: espectros antes y después de la etapa no lineal; identificación de fundamentales, productos de segundo y tercer orden, frecuencias teóricas y medidas, y amplitudes relativas para al menos tres niveles de excitación.
8. Comparación entre valores teóricos y experimentales, indicando posibles causas de las diferencias encontradas.
9. Conclusión técnica sobre las ventajas del análisis en el dominio de la frecuencia para caracterizar señales y sistemas.