el q-metro y analizador de impedanciass

1
Capítulo.6
El Q-metro y el Analizador de Impedancias
Página 1
6
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.
1
Q = XR = wL
= wCR
R
(1)
El inverso de "Q" se denomina tangente de pérdidas o
factor de disipación:
tgδ = D = Q1
(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
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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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:
(3)
wL = 1
wC
El voltaje sobre la capacidad o sobre la inductancia vendrá dado por:
La corriente:
Luego
EL = Ec = iwL = i 1
wC
e
i=
2
1
⎞
⎛
2
⎟
R +⎜ wLwC⎠
⎝
(4)
Pero en la resonancia: i =
e 1
Ec = ⋅
R wC
e
R
(5)
Combinando la (5) con la (1) tenemos:
Ec = Q . e
o bien
E
Q= c
e
(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
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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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:
Q = E c max
e
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
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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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"
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 6
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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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: f r =
1
2π LC
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: f r =
1
(7)
2π LC
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.
Li =
1
(2π f r ) ⋅ C
2
=
25.330
2
f r ⋅C
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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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
Lv =
1
w ( Ce + Co )
2
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
1
fr=
2π Le .C
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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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:
Lv =
Li =
l
(2πf r )
2
⋅ Ce
=
25.330
f r2 ⋅ C e
1
Ce
= Lv
2
w ( Ce + Co )
Ce + Co
(8)
(9)
De igual modo para el Q:
Qv = Qi
Ce + Co
Ce
(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
L( C 1 + C o ) w12 = 1
(11)
Damos ahora a la frecuencia un nuevo valor más pequeño que llamaremos f2 y
sea la nueva capacidad de sintonía C2.
Tendremos:
L( C 2 + C O ) w22 = 1
(12)
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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Igualando la (11) y la (12): L( C 1 + C O ) w12 = L( C 2 + C O ) w22
Simplificando queda: ( C 1 + C O ) f 12 = ( C 2 + C O ) f 22
2
Operando y despejando:
2
C 2 f 2 - C1 f 1
CO =
2
2
f1- f2
(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:
CO =
C 2 - 4 C1
3
(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".
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 12
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
d=
6,44
f
Cm.
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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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Ejemplo: Si f=1000MHz. (1GHz) la profundidad "d" es igual a:
d=
6.44
10
9
= 2 ⋅ 10-4 (cm)
(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:
R = 16.64_ 10 - 8
f
d
Ilustr. 5 Cable bifilar y cable coaxial
Donde:
R: resistencia por metro (en Ω/m).
f: frecuencia (en Hz).
(23)
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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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:
R = 16.64 ⋅ 10 -8
(500 ⋅ 10 6 )
= 1.24 Ω/m
3 ⋅ 10 -3
(24)
En el caso de un cable coaxial:
R = 8.32 ⋅ 10 -8 f (
Donde.
1 1
+ )
d D
(25)
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:
R = 8.32 ⋅ 10 -8 500 ⋅ 10 6 (
1
1
+
)= 0.56 Ω/m
-3
15 ⋅ 10
4.2 ⋅ 10 -3
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 15
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.
ix = ir =
es er
=
zx Rr
Z x = Rr
es
er
(26)
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 16
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
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 17
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.
ix =
es
;
Zx
ir =
er
pero como i x = i r
Rr
e s er
=
Z x Rr
y también
Z x = Rr
es
er
(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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 18
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
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 19
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
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 20
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
VOLTAJE
DE
RELACIÓN
DE
VECTORES
DE
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 :
Z x = Rr
es
er
o bien Y x =
1
• er
Rr es
(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
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 21
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).
Z x = Rr
e s = ec + j e d = e a • ec + eb • e d + j ( e a • e d - eb • ec )
Rr
Rr
2
2
er
e a + j eb
e a + eb
(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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 22
Ilustr. 11 Periodos de carga y descarga
La relación entre la carga y la descarga se representa por las siguientes
ecuaciones:
K 1 • e1 • T 1 + K 2 ⋅ E 2 ⋅ T 2 = 0 ;
K 1 • ea = T 2 ;
K 2 • es T 1
K
ea T 2
= ;
es T 1
K 1 ⋅ e1 ⋅ T 1 = K 2 ⋅ e 2 ⋅ T 2
K = K 1 = cte. del sistema
K2
Normalmente el tiempo de carga se hace que sea constante, con lo cual midiendo
el tiempo de descarga T2, podemos hallar la relación :
ea
es
(conductancia)
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:
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 23
K 1 • ec • T 1 = K 2 • E s • T 2
Despejando : ec = K • E s T 2
T1
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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Zc=
Zn - Zo
1-Yo • Zm
Yc=
Página 24
( Y o • Z o» 1)
Ym -Yo
1- Zo •Y m
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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 25
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 :
⎛
⎛ V ⎞
B - A (dB) = 20 ⋅ log ⎜ B ⎟ = 20 ⋅ log ⎜
⎜
⎝ VA ⎠
⎝
2
2
Vc + Vd
2
2
Va + Vb
⎞
⎟
⎟
⎠
⎧ V A=V a + j V b
⎪
Donde : ⎨
⎪ V =V + j V
c
d
⎩ B
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:
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 26
⎛
⎞
⋅
⋅
θ = arctan ⎜ V b V c V a V d ⎟
⎝ V a ⋅V c + V b ⋅V d ⎠
NOTA: Esta última fórmula se halla buscando la relación:
V B =Vc + jVd •Va - jVb
V A Va + jVb Va - jVb
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
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 27
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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 28
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:
V D -V R
⋅ 100 ; VD = Valor DUT ; VR = Valor Referencia.
VR
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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 29
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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 31
⎜Ζ| / |Υ| Cuando el "Circuit mode" 27 se coloca en "Auto" ó en serie, el instrumento 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 representación 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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 32
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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 33
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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 34
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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 35
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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 36
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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 37
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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 38
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:
⎛ V2
⎜ R
⎛ P ⎞
log
dBm = 10 log ⎜
=
10
⎜
⎟
⎝ 0,001 ⎠
⎜⎜ 0,001
⎝
Como en nuestro caso R = 50Ω:
⎞
⎟
⎟ = 20 log ( V ) - 10 log ( 0,001 ⋅ R )
⎟⎟
⎠
dBm = 20 log ( V ) + 13,01
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".
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 39
Ilustr. 21 Registro X-Y y otros parámetros
29 - ZERO OFFSET
Mediante estas dos teclas se pueden compensar la
admitancia del dispositivo de medida y de los cables.
impedancia
y la
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".
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 40
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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 41
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
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
Página 42
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
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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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,
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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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
DISTINTOS COMPONENTES
2.5.1.-
DE
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
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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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:
5 - Comprueba si se cumple la ecuación anterior.
Fc=
1
2 π RC
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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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 impedancia que se mediría si se pinchara la línea ese punto y se midiera la impedancia, 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.
→
E
Ze=
→
I
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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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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
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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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" =
dθ ∆θ
≈
dω ∆F
Lo que interesa en un retardo de grupo es que sea constante, no que sea
pequeño o grande.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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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.
Capítulo 6. El Q-metro y el Analizador de impedancias
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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 ∆θ / ∆F . 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
siguiente fórmula:
Tg=
evalúa el “Retardo de grupo” aplicando la
∆ θ / 360 °
∆F
o bien
∆θ / 2 π
∆F