VOLTIMETRO VECTORIAL

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1 VOLTIMETRO VECTORIAL El voltímetro vectorial HP 8405 tiene un voltímetro y un fasímetro que permiten medir la amplitud y la relación de fase entre 2 componentes fundamentales de una tensión de RF. El rango de RF va de 1 MHz a 1000 MHz, con amplitudes de 1,5 mv a 1 V rms para un canal (A) y 10 µv a 1 V rms para el otro (B). La relación de fase se puede medir directamente para valores entre 0 y 360 con una resolución de ± 0.1. Se pueden leer las amplitudes absolutas separadamente (A ó B) con un error máximo de ± 2% desde 1 MHz a 100 MHz; con un error de ± 6% desde 100 MHz a 400 MHz y ± 12% desde 400 MHz a 1 GHz. Se pueden hacer mediciones relativas (un canal respecto al otro) con ± 2% (0,2 db) de error de plena escala para rangos de amplitud entre -10 y 60 dbm. Estos errores no pueden individualizarse, dependiendo entre otros factores del espectro del pulso de muestreo, del capacitor de desacople, de la impedancia compleja de entrada, de la resistencia de los diodos, etc. Posee salidas de FI (frecuencia intermedia) de cada entrada en 20 khz que son réplicas de la señal de RF; con la misma amplitud y mantienen la relación de fase que se encontraba a la entrada. Se dispone además de una salida proporcional a la lectura del medidor de amplitud (canal A ó B) y una tensión proporcional a la lectura del medidor de fase. La sintonía es semiautomática, con un ajuste grueso manual y un ajuste fino automático, que sintoniza ambos canales simultáneamente con la señal del canal A; determinando la frecuencia a la que se efectúan las mediciones. El canal A debe tener una amplitud suficientemente grande como para disparar el circuito de sintonía. Las amplitudes mínimas necesarias son: 1,5 mv de 1 MHz a 10 MHz; 300 µv de 10 MHz a 500 MHz y 500 µv de 500 MHz a 1 GHz. Para el canal B la entrada mínima es 10 µv para todo el rango (1 a 1000 MHz). La banda de paso es muy angosta (± 1 khz); por lo tanto se pueden realizar mediciones en otras formas de onda que no sean senoidales; también en señales de amplitud modulada. No se pueden medir señales moduladas por pulsos, porque no puede sintonizar una señal intermitente. FUNCIONAMIENTO BARRIENDO EN FRECUENCIA Se pueden hacer mediciones de amplitud y fase en señales que cambien de frecuencia, mientras que la velocidad de barrido sea menor de 15 MHz/seg. y que la frecuencia permanezca dentro del rango de sintonía fina automática. A medida que la frecuencia de entrada cambia la luz APC UNLOCKED parpadea momentáneamente cada 1.6 MHz. Esto es normal y no significa incerteza en la medición. El mejor funcionamiento se logra barriendo en frecuencia hacia abajo. SALIDAS 20 khz (FI) Tienen la misma forma de onda, amplitud (hasta 1 V rms) y relaciones de fase que la señal de RF; pero la frecuencia fundamental es 20 khz y las armónicas de la señal de RF son correspondientemente armónicas de 20 khz. Hasta aproximadamente la 12 armónica

2 de la fundamental de RF se puede reproducir, mientras que esté dentro del ancho de banda del V.V. La señal estará formada por pequeños escalones por tratarse de una señal muestreada. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO Un diagrama en bloques simplificado se muestra en la figura 1. Fig. 1: Diagrama en bloques simplificado CONVERSORES RF-FI Los conversores de los canales A y B son iguales y se muestran en la figura 2. Cada conversor consiste de un muestreador y un amplificador sintonizado que extrae la fundamental de la réplica de RF. Muestreo: es un proceso de dilatación temporal por el cual una señal repetitiva de alta frecuencia es duplicada a una frecuencia mucho menor. La señal de baja frecuencia se obtiene acumulando pulsos tomados de diferentes ciclos de la señal de alta frecuencia. El tiempo que se necesita para obtener suficiente cantidad de puntos es mucho mayor que el período de la señal de entrada (dilatación). Este efecto se muestra en la figuras 3 y 4. Cada vez que la compuerta de muestreo se cierra el capacitor se carga al 15% de la señal de entrada debido a la corta duración de los pulsos de muestreo (aprox. 300 ps). Entre pulsos, un circuito realimentado en alterna entrega suficiente carga para hacer que la tensión almacenada sea igual a la de entrada. Ambas compuertas se abren y cierran al mismo tiempo por lo que se mantiene la relación de fase de las señales de entrada en las

3 señales de FI. La compuerta es un puente de 4 diodos rápidos que normalmente están polarizados en inversa por una red de polarización que impide que la señal de entrada los haga conducir. Cuando se muestrea, los pulsos polarizan en directa los diodos durante un tiempo muy corto. FREQ RANGE MHz Fig. 2: Circuitos de muestreo y Control Automático de Fase Fig. 3: Señal de RF reproducida con una Base de Tiempo lenta

4 Fig. 4: Diagrama simplificado del Muestreador CONTROL AUTOMATICO DE FASE Es un oscilador local que regula automáticamente su frecuencia para generar los pulsos de muestreo. Consta de tres partes. Generador de Pulsos de Muestreo, Búsqueda y Comparador de Fase. La velocidad de los pulsos de muestreo es controlada por un VTO, cuya tensión de sintonía es suministrada por las secciones de búsqueda y comparador de fase. La Búsqueda inicia el barrido hasta que la señal muestreada del canal A esté en 20 khz, luego el comparador de fase se encarga de mantenerla enganchada con el oscilador de referencia de 20 khz. La sección de enganche regula también la velocidad de muestreo para que siga pequeños cambios de frecuencia en la punta A mientras que la velocidad de estos cambios no exceda 15 MHz/s. Un diagrama en bloques de estas secciones se muestra en la figura 2. La sección de Búsqueda varía la velocidad de muestreo hasta que la frecuencia fundamental de la salida muestreada del canal A es 20 khz con la misma fase del Oscilador de Referencia y la misma polaridad de la señal de RF de entrada. La entrada a esta sección es la salida de la sección de muestreo del canal A. Si la frecuencia no es de 20 khz, el Generador de Rampa de Búsqueda produce una rampa de tensión que barre la frecuencia de un VTO (oscilador controlado por tensión) que gobierna la velocidad de muestreo. Cuando la velocidad de muestreo es tal que la frecuencia de la onda muestreada es de 20 khz y está en fase con el Oscilador de Referencia se para la búsqueda y se mantiene el enganche por el Comparador de Fase. La velocidad de muestreo puede variar desde 0.98 a 2 MHz. Para una frecuencia de entrada cualquiera habrá muchas velocidades de muestreo que produzcan una FI de 20 khz. Sin embargo solamente una velocidad de muestreo permite la mejor reproducción de la forma de onda de RF. Esta es la velocidad más alta que produzca una FI que tenga la misma forma de onda y la misma polaridad que la de RF. Por lo tanto los principales requerimientos para las salidas de los muestreadores son: que tengan una frecuencia fundamental de 20 khz, la misma polaridad que la forma de onda de entrada y una alta velocidad de muestreo. La frecuencia fundamental de 20 khz se logra enganchando la salida del muestreador con un Oscilador de Referencia de 20 khz. La polaridad correcta se obtiene con un circuito Identificador de Banda Lateral que frena la búsqueda en la velocidad de muestreo más alta que tenga un múltiplo 20 khz por debajo de la frecuencia de entrada. La máxima velocidad

5 de muestreo se logra haciendo que cada rampa de barrido vaya desde el extremo alto al bajo de su rango. La pendiente de la rampa se cambia automáticamente de modo de lograr el enganche en el menor tiempo. Cuanto más diferencia hay entre la señal muestreada y la referencia, es mayor la velocidad de barrido. Mientras está en el proceso de búsqueda se mantiene encendida la luz APC UNLOCKED. El circuito de mantenimiento del enganche está formado por el Comparador de Fase, que permite pequeños corrimiento de la frecuencia de entrada, sin que se inicie una nueva búsqueda. FASIMETRO Antes de que las señales ingresen al fasímetro, las senoides de 20 khz son amplificadas y recortadas, para evitar las diferencias en la amplitud, reteniendo sólo la diferencia de fase φ. En el fasímetro las ondas recortadas se utilizan como pulsos de disparos espaciados en el tiempo en forma proporcional a la diferencia de fase. Los pulsos generan una onda cuadrada cuya simetría es entonces proporcional a esa diferencia de fase. Esta onda cuadrada controla el generador de corriente con que funciona el instrumento, que va a deflexionar en forma proporcional al valor medio. La figura 5 muestra un diagrama en bloques de esta sección. 20 khz CANAL A LIMITADOR CORRIMIENTO +60 Y FILTRO PHASE ZERO PHASE RANGE LIMITADOR Y GENERADOR DE DISPARO FUENTE CTE. CTE. DIVISOR PHASE DETECTOR FASE (MULTIVIBRADOR) HABILITACION CORRIENTE RECORDER OUTPUT PHASE LIMITADOR Y GENERADOR DE DISPARO PHASE FINDER FUENTE DE CORRIENTE CONTROLADA 1 kω CORRIMIENTO +60 /-120 Y FILTRO PHASE METER OFFSET 20 khz CANAL B LIMITADOR Fig. 5: Diagrama en bloques del fasímetro ESPECIFICACIONES Máxima tensión: 1.4 V rms y 2 V pico. En contínua ± 50 V.

6 Aislación entre canales: no se deben conectar ambas puntas directamente sobre el mismo punto de prueba. Para hacerlo deben utilizarse los aisladores (ISOLATORS) ó los divisores 10:1 (DIVIDER). MEDICIONES SOBRE CIRCUITOS Las principales consideraciones se deben hacer sobre: a) impedancia de entrada de la punta, b) la impedancia que presenta el circuito en el punto de medición, c) el efecto de los pulsos de muestreo y d) el método de conectar la masa de la punta. a) Impedancia de entrada: la impedancia de la punta de prueba es 0.1 MΩ//2.5 pf. Con el divisor se eleva a 1 MΩ//2 pf; pero su uso reduce la sensibilidad por un factor de 10, incrementa el error de medición de amplitud (es una red divisora que depende de la frecuencia) y agrega error de fase cuando se usa sólo en una de las puntas. b) Impedancia del circuito: el valor de la impedancia del punto de medición provocará errores de amplitud debido entre otros factores, a que los 100 kω de entrada afectan de distinta manera al valor de R generador variando el error desde un 0 % para un punto de 25 Ω a -2% para un punto de 1000 Ω. Los errores en la medición de fase están en ± 2% para variaciones del punto de prueba entre 0 y 50 Ω y es menor de -9 para una variación de impedancia de 25 Ω a 1000 Ω. Estos errores pueden reducirse empleando el divisor para mediciones hasta 100 MHz. Por encima, los circuitos se comportan como líneas de transmisión. c) Señal de muestreo: son pulsos de ancho fijo (0,3 ns) y frecuencia variable entre 0.98 y 2 MHz. La amplitud depende del punto del circuito donde se muestree y para 50 Ω de impedancia ésta es de 60 µv/mhz de ancho de banda del circuito, extendiéndose hasta 2 GHz. Para evitar que estos pulsos afecten al circuito que se está midiendo deberían usarse los divisores 10:1. d) Puesta de masa: si se utilizan los accesorios de conexión de masa de los puntos deben conectarse a la masa del circuito tan cerca del punto de medición como se pueda.

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