Al igual que el arco iris, las ondas sonoras forman un espectro de longitudes de onda. De la misma forma que nuestras sensaciones de color son las etiquetas que el cerebro asigna a las distintas longitudes de onda de la luz, las etiquetas internas equivalentes para los sonidos son los distintos tonos. Pero en los sonidos hay más que el simple tono.
La mayoría de los sonidos son ondas dentadas y complejas, pero existen unas ondas en particular, las ondas sonoras sinusoidales, que son más simples, una especie de ondas ideales, una abstracción matemática. El sonido emitido por estos instrumentos es un sonido cristalino puro. Un oído barométrico situado en cierto punto detecta un suave aumento de presión seguido de un suave descenso, oscilando rítmicamente sin ensortijamientos ni culebreos.
Si hacemos oscilar un diapasón con una frecuencia de 440 ciclos por segundo, o 440 Hz, oiremos un tono puro, la nota “la” de la octava media. La diferencia entre esta nota “la” y que el “la” que oiremos de otro instrumento cualquiera es que otros instrumentos como el violín o la flauta producen ondas suplementarias cuyas frecuencias son múltiplos de la frecuencia fundamental. Estas ondas superpuestas se denominan “armónicos”.
En cualquier señal cíclica, se pueden definir los parámetros, relacionados entre sí, llamados periodo, frecuencia y longitud de onda. El periodo (T) mide lo que dura cada ciclo de esa señal repetitiva. Es una medida de tiempo y por tanto en unidades de segundo (o alguna fracción como milisegundos).
La frecuencia (f) es el número de ciclos por segundo y se indica con unidad hercio (Hz) en honor a Herzt (aunque también a veces se encuentra indicada como ‘cps’ por ciclos por segundo, totalmente equivalente a Hz). La longitud de onda (λ) se refiere al espacio físico en el que se desarrolla cada ciclo dentro del medio en el que se esté propagando.
Se trata pues de una distancia, y por tanto se mide en metros o sus fracciones. El interés de esas expresiones radica en que es difícil medir λ directamente. Al fin y al cabo no vemos el aire ni su compresión/rarefacción. Las relaciones anteriores permiten conocer su valor a partir de la frecuencia o del periodo, que sí son fáciles de medir.
El hecho demostrable de que otras formas de señal puedan describirse acudiendo a una combinación de sinusoides hace que las consideremos como la forma más simple posible en una onda, en tanto que las demás pueden ‘reconstruirse’ por agregación de múltiples sinusoidales.
¿Qué es una Onda Diente de Sierra?
Planteémonos el sonido de una cuerda ya sea pulsada/percutida o frotada con arco. En el caso del frotamiento, la presión del arco sobre la cuerda la desplaza gradualmente de su posición de reposo y eso incrementa la tensión. Hasta que llega un punto en que la tensión es tal que la cuerda puede 'escapar' súbitamente del agarre al arco.
Se produce un desplazamiento brusco al que seguirá una repetición de este patrón con de nuevo un desplazamiento gradual. Si os imagináis mentalmente la película, es desplazamiento de la cuerda acaba teniendo un patrón, una forma de ciclo, que asemeja ser una sucesión de rampas, al modo de lo que viene a ser el perfil de los dientes de una sierra.
Eso es lo que nos dice una cierta intuición sobre cómo funciona. Nos interesamos ahora por su descomposición en vibraciones más simples. Es un hecho físico que en esa vibración compleja de la cuerda se superponen muchos modos diferentes, cada uno de ellos asimilable a una sinusoidal, y con esa peculiar relación entre sus frecuencias (todas múltiplos de una determinada).
Imaginemos una cuerda cuya longitud hace que produzca la nota ‘La’ central. Desde luego dicha cuerda vibrará a 440 Hz., pero, aunque nos cueste verlo, también vibra simultáneamente a 880Hz., 1320 Hz., etc. (los sucesivos múltiplos de 440).
No con ánimo de demostrar nada, sino sólo de ilustrar, pensemos en una cuerda percutida. Oscila en toda su longitud con una frecuencia que depende de esa longitud y de la rigidez/tensión de la cuerda, pero además cuando la percutimos también oscila en un segundo modo el doble de rápido en el que ambas mitades se mueven en sentidos contrarios: una mitad de la cuerda sube mientras la otra mitad baja.
También vibra en un tercer modo, en el que la cuerda parecería subdividida en tres fragmentos con el centro moviéndose en oposición a los extremos. Y así podríamos seguir con la cuerda concebida en cuatro fragmentos, en cinco, etc. Cada uno de estos modos de vibración de tipo sinusoidal y es de menor nivel (menor intensidad) que el anterior.
El de la cuerda (igual sucedería con cualquier otro elemento musical u objeto acústico) es por tanto un sonido ‘complejo’ (compuesto) en el sentido de que está formado por varias vibraciones sinusoidales superpuestas. En el caso de que A1=A0/2; A2=A0/3; A3=A0/4, … (es decir, una caída progresiva hacia niveles cada vez más bajos con esa regla de amplitudes) la forma de onda obtenida resultante tiende hacia una rampa, y la sucesión de varios ciclos parece formar el contorno de la hoja de un serrucho.
De hecho se habla de forma de onda en ‘diente de sierra’ (tanto más perfecta cuantos más componentes añadamos). Como evidencia el ejemplo, esa característica que mencionábamos en la cuerda de que todas las componentes tengan frecuencias múltiplos de una determinada, hace que contribuyan a modificar la forma del ciclo pero manteniendo su duración.
Cambian la forma de onda final pero no su frecuencia ni periodo, y es un hecho tan común que merece su propio apartado. El sonido tan delgado y básico del diapasón, dista mucho de la riqueza, complejidad y contrastes que ofrecen otros muchos sonidos como el de la cuerda.
Forma de onda diente de sierra
Armónicos y Parciales
Armónicos: En aquellos sonidos, como los de nuestra cuerda y de tantísimos instrumentos musicales, en los que hay un ciclo repetitivo somos capaces de percibir una sensación nítida de altura tonal (de ‘nota’) y se aprecia una mezcla de diversos modos de vibración cuyas frecuencias constituyen valores múltiplos de una frecuencia llamada fundamental.
Por ejemplo, un violín produciendo la nota ‘La’ de la octava central (caracterizada por un ciclo que se repite con frecuencia de 440Hz) está generando la agregación de diversas componentes de vibración simple (sinusoidal) a 440Hz, 880Hz, 1320Hz, 1760Hz, etc., que llamamos armónicos. Se dice que el fundamental y esas componentes superiores forman una serie armónica.
Parciales: En algunos otros casos (como en muchas campanas), se superponen varias formas de vibrar que de nuevo son aproximadamente sinusoidales, pero que no llegan a formar una serie armónica, sino que recaen en frecuencias distribuidas de forma que no son múltiplos de ninguna ‘frecuencia fundamental’ que pueda justificarlas a todas ellas.
En esos casos estamos ante un sonido inarmónico, pero con una estructura todavía basada en combinación de modos simples de vibración periódica (sinusoidales), y que se percibe de una forma característica, que no es ni de una nota nítida ni de un ruido caótico. Al no formar una serie armónica, no cabe hablar de armónicos y tampoco tiene sentido el concepto de ‘fundamental’, y pasamos a denominarlos ‘parciales’.
Es la estructura y distribución de estos modos de vibración, de estos parciales (que habitualmente están configurados como un fundamental y sus armónicos), una clave principal para poder distinguir los diversos sonidos, instrumentos, y voces. Las vibraciones de tipo cíclico llevan aparejada una sensación nítida de altura tonal, de nota, y en ellos se aplica el concepto de serie armónica con un fundamental y diversos parciales.
Si la vibración es rápidamente cambiante sin tono definido nin ningún otro tipo de regularidad ni parciales destacados, estamos ante un ruido (ruidos que pueden tener por supuesto interés como sonido y usos musicales).
Generador de Funciones y Osciloscopio
Generador de señales y osciloscopio - Funciones básicas - Primera parte
Si te gusta entender la tecnología en profundidad, el tema que vamos a abordar hoy te va a interesar. El osciloscopio y el generador de funciones conforman un equipo de trabajo extraordinario, ya que el primero nos permite ver cómo varían las señales eléctricas en función del tiempo y el segundo crea algunas señales eléctricas que nos ayudarán a analizar el comportamiento de muchos equipos electrónicos.
Un generador de AF (Audiofrecuencia) y RF (Radiofrecuencia) es un instrumento que permite generar señales senoidales de frecuencias bajas (frecuencias audibles, que van desde algunos Hz hasta unos pocos kHz) y frecuencias altas (frecuencias de radio, que van desde unos pocos kHz hasta varios GHz), que pueden ser moduladas es amplitud, AM (del inglés, Amplitude Modulation) o en frecuencia, FM (del inglés, Frecuency Modulation).
Es un generador de señal que permite al usuario generar múltiples señales eléctricas con formas y características ajustables y de alta precisión tales como la frecuencia, la amplitud y diversas forma de onda. Un generador de funciones es un tipo especial de generador de señal. Es un instrumento de medición electrónico que se utiliza para generar señales eléctricas de forma controlada y precisa.
Ejemplo de un generador de funciones moderno
Este tipo de generador de funciones era capaz de producir señales de audio de baja frecuencia con bastante precisión y fue utilizado para probar equipos de radio y televisión durante muchos años. Con el tiempo, el generador de funciones se fue perfeccionando y mejorando y se desarrollaron dispositivos electrónicos más sofisticados para generar señales de frecuencia mucho más alta.
Es aquel que genera formas de ondas periódicas o repetitivas como la onda senoidal, cuadrada o triangular. Son los más económicos y los más utilizados para trabajos no especializados. Generalmente son análogos y solo pueden formar señales de baja frecuencia periódicas, del orden de 20 MHz.
El generador de funciones arbitrario, AFG (del inglés, Arbitrary Function Generator) es digital y puede generar las formas de onda convencionales, pero además es capaz de crear formas de onda personalizadas y programables, lo que significa que el usuario puede obtener formas de ondas complejas y no periódicas que no pueden ser generadas por un generador de funciones convencional.
Algunos de los diferentes tipos de onda que puede generar un AFG son de tipo de rectificación de onda senoidal, logarítmicas, señales de tipo ritmo cardiaco (como la que se muestra en la imagen inferior) o tipo escalera; también pueden generar señales moduladas en amplitud, frecuencia o fase, entre otras.
Este instrumento se utiliza comúnmente en la caracterización de dispositivos electrónicos de alta frecuencia, la verificación de sistemas de comunicación inalámbrica y la simulación de entornos de comunicación. Son capaces de generar señales de alta frecuencia con una amplitud, frecuencia y fase controlada, lo que les permite simular con precisión una variedad de condiciones de prueba.
Para realizar el análisis del funcionamiento de un generador de funciones análogo, vamos a utilizar el Protek, modelo 9205A. Posee 7 botones para ir incrementando la frecuencia de la onda. Solo podemos obtener una forma de onda a la vez. Como casi todos los generadores de funciones la salida es con conector BNC (Bayonet Neill-Concelman) con una impedancia de 50Ω.
Este es un tipo de conector coaxial muy utilizado en aplicaciones de radiofrecuencia y en equipos de prueba y medición, como los osciloscopios y proporciona una conexión segura y resistente a las vibraciones. Tiene una precisión de +/- 1 unidad de conteo en la medición de la frecuencia para señales de frecuencia superiores a 1 Hz.
La mayoría de los generadores de funciones pueden ser usados como contadores de frecuencia. Es decir no sacan formas de onda sino que reciben frecuencias. Es una medida de cuánto se desvía la forma de onda producida por el generador de funciones de una onda perfectamente senoidal.
La distorsión armónica se mide en porcentaje (%). por ejemplo, si una señal tiene una amplitud de 10 V y una distorsión armónica total del 5%, entonces la amplitud de todas las armónicas combinadas es igual al 5% de 10 V, es decir, 0,5 V.
Los generadores de funciones modernos, como el que aparece en la imagen inferior, son digitales y tienen características adicionales. La resolución vertical se determina por el número de bits que se utilizan para representar la amplitud de la señal.
Por ejemplo, un generador de funciones con una resolución vertical de 8 bits puede representar 2^8 (256) niveles de amplitud diferentes. En términos de unidades de medida, la longitud de registro y la longitud de forma de onda se miden en puntos o muestras.
Es la tasa de muestreo y se refiere a la frecuencia a la cual el generador de funciones toma muestras de la forma de onda que está generando. La tasa de muestreo se mide en mega muestras por segundo, MSa/s (del inglés, Mega Samples per second) o en Hertz (Hz).
Cada forma de onda tiene características y propiedades únicas que las hacen adecuadas para diferentes aplicaciones en la ciencia, la ingeniería y la industria. Se refiere a la capacidad del dispositivo para ajustar la frecuencia de la señal de salida generada.
Se refiere al proceso de eliminar o reducir la componente de corriente continua (CC) o corriente directa (DC) en la señal de salida generada por el dispositivo. La compensación de CC en un generador de funciones se logra mediante el uso de un circuito de acoplamiento capacitivo que bloquea la corriente continua de la señal de entrada.
El ciclo de trabajo en un generador de funciones se refiere a la relación porcentual entre el tiempo en que la señal de salida está en un nivel alto y el tiempo en que está en un nivel bajo en una forma de onda cuadrada o rectangular. Un ciclo de trabajo del 50% significa que la señal está en el nivel alto y bajo por igual, lo que da como resultado una señal cuadrada simétrica.
Vamos a conectar el generador de funciones al osciloscopio para verificar las formas de onda. Vamos a seleccionar la forma de onda senoidal en el generador de funciones y la visualizamos en el osciloscopio en modo automático (AUTO).
Aplicaciones de las Ondas Diente de Sierra
Un generador de señal hace referencia a un instrumento, utilizado generalmente en el ámbito industrial, que produce una señal eléctrica en forma de onda pudiéndose inyectar en un circuito electrónico para realizar pruebas de diferente tipo junto a otros instrumentos industriales.
A diferencia del generador de señales de radiofrecuencia y otros instrumentos que únicamente crean ondas sinusoidales, el generador de señales es capaz de crear formas de onda repetitivas con una serie de formas comunes: cuadrada, de pulso, sinusoidal, triangular, diente de sierra, etc.
Este tipo de generador no es el encargado de medir la señal que entrega, aún cuando pueda indicarla, sino que son utilizados como instrumentos industriales de alimentación o prueba de circuitos eléctricos o actuadores, tanto en su desarrollo como en la verificación de su funcionamiento.
En concreto, un generador de señales se utiliza para obtener señales periódicas, en las que la tensión varía periódicamente en el tiempo, controlando su período, reconocido como el tiempo en el que se realiza una oscilación completa, y su amplitud, el máximo valor que toma la tensión de la señal.
La función principal de un generador de señal es la de producir señales periódicas o no periódicas, aplicándose normalmente en el diseño, prueba y reparación de dispositivos electrónicos; aunque también puede tener usos artísticos y ser empleado en la medicina.
El constante avance de las tecnologías ha permitido contar hoy en día con un generador de señal específico para cada trabajo, permitiendo una conexión directa con el ordenador y funciones como, por ejemplo, registrar cada señal producida y poder programar el generador para que emita una amplia gama de señales en una secuencia específica.
Generar señales: señales ideales o funciones ya conocidas para utilizarlas como referencia o como señal de entrada para pruebas.
Los generadores de señales se usan actualmente para la industria de las telecomunicaciones inalámbricas, y la industria aeroespacial, pudiendo simular señales de radar o gps, o pudiendo probar receptores y transmisores digitales.
Además, hay que tener en cuenta que el simulador de señal no cumple la misma función que los instrumentos de test y medida industriales como los analizadores de espectro, multímetros u osciloscopios, ya que estos últimos miden una señal digital o analógica, mientras que un generador produce una señal en la que es el propio usuario el que elige a qué frecuencia va a oscilar la onda.
Tabla de Formas de Onda Comunes y sus Aplicaciones
| Forma de Onda | Aplicaciones Comunes |
|---|---|
| Senoidal | Pruebas de audio, modulación, comunicaciones |
| Cuadrada | Pruebas de respuesta de sistemas digitales, generación de relojes |
| Triangular | Barridos, generación de funciones, control de voltaje |
| Diente de Sierra | Barridos horizontales en osciloscopios, síntesis de sonido |
| Pulso | Simulación de eventos discretos, pruebas de sistemas digitales |
Consideraciones Finales
Hemos analizado el generador de funciones en sus aspectos más importantes y vimos que es un compañero inseparable del osciloscopio como instrumentos de medición para el laboratorio de electrónica. Espero que este artículo te genere interés en los instrumentos de medición utilizados en la tecnología electrónica y te animes a adquirirlos y utilizarlos.