Introducción a las señales de CA de frecuencia mixta

En nuestro estudio de los circuitos de CA hasta ahora, hemos explorado los circuitos alimentados por una forma de onda de voltaje sinusoidal de frecuencia única. Sin embargo, en muchas aplicaciones de la electrónica, las señales de frecuencia única son la excepción y no la regla.

Muy a menudo podemos encontrar circuitos donde coexisten múltiples frecuencias de voltaje simultáneamente. Además, las formas de onda del circuito pueden tener una forma diferente a la de onda sinusoidal, en cuyo caso las llamamos no sinusoidales formas de onda .

Además, podemos encontrar situaciones en las que CC se mezcla con CA:donde una forma de onda se superpone a una señal constante (CC).

El resultado de tal mezcla es una señal que varía en intensidad, pero que nunca cambia la polaridad, o cambia la polaridad asimétricamente (pasando más tiempo positivo que negativo, por ejemplo).

Dado que la CC no se alterna como lo hace la CA, se dice que su "frecuencia" es cero, y cualquier señal que contenga CC junto con una señal de intensidad variable (CA) también se puede llamar correctamente una señal de frecuencia mixta.

En cualquiera de estos casos en los que hay una combinación de frecuencias en el mismo circuito, el análisis es más complejo de lo que hemos visto hasta este momento.

Acoplamiento

A veces, las señales de voltaje y corriente de frecuencia mixta se crean accidentalmente. Esto puede ser el resultado de conexiones no deseadas entre circuitos, lo que se denomina acoplamiento — Posible gracias a la capacitancia parásita y / o inductancia entre los conductores de esos circuitos.

Un ejemplo clásico de fenómeno de acoplamiento se ve con frecuencia en la industria donde el cableado de señal de CC se coloca muy cerca del cableado de alimentación de CA. La presencia cercana de altos voltajes y corrientes de CA puede causar que se impriman voltajes "extraños" en la longitud del cableado de señal.

La capacitancia parásita formada por el aislamiento eléctrico que separa los conductores de potencia de los conductores de señal puede causar que el voltaje (con respecto a la tierra) de los conductores de energía se imprima sobre los conductores de señal, mientras que la inductancia parásita formada por tramos paralelos de alambre en el conducto puede causar corriente desde los conductores de potencia para inducir voltaje electromagnéticamente a lo largo de los conductores de señal.

El resultado es una mezcla de CC y CA en la carga de señal. El siguiente esquema muestra cómo una fuente de "ruido" de CA puede "acoplarse" a un circuito de CC a través de la inductancia mutua (Mstray) y la capacitancia (Cstray) a lo largo de los conductores. (Figura siguiente)

La inductancia parásita y la capacitancia acoplan la CA parásita en la señal de CC deseada.

Cuando los voltajes de CA perdidos de una fuente de “ruido” se mezclan con señales de CC conducidas a lo largo del cableado de señales, los resultados generalmente no son deseables. Por esta razón, el cableado de alimentación y el cableado de señal de bajo nivel deben siempre deben enrutarse a través de conductos metálicos separados y dedicados, y las señales deben conducirse a través de un cable de "par trenzado" de 2 conductores en lugar de a través de un solo cable y una conexión a tierra:(Figura siguiente)

Par trenzado blindado con ruido minimizado.

El blindaje del cable conectado a tierra, una trenza de alambre o una lámina de metal envuelta alrededor de los dos conductores aislados, aísla ambos conductores del acoplamiento electrostático (capacitivo) bloqueando cualquier campo eléctrico externo, mientras que la proximidad paralela de los dos conductores cancela efectivamente cualquier electromagnético (mutuamente inductivo). acoplamiento porque cualquier voltaje de ruido inducido será aproximadamente igual en magnitud y opuesto en fase a lo largo de ambos conductores, cancelándose entre sí en el extremo receptor para un voltaje de ruido neto (diferencial) de casi cero.

Las marcas de polaridad colocadas cerca de cada porción inductiva de la longitud del conductor de señal muestran cómo los voltajes inducidos se escalonan de tal manera que se cancelan entre sí.

El acoplamiento también puede ocurrir entre dos conjuntos de conductores que transportan señales de CA, en cuyo caso ambas señales pueden "mezclarse" entre sí:

Acoplamiento de señales de CA entre conductores paralelos.

El acoplamiento es solo un ejemplo de cómo se pueden mezclar señales de diferentes frecuencias. Ya sea CA mezclada con CC o dos señales de CA que se mezclan entre sí, el acoplamiento de señales a través de inductancia parásita y capacitancia suele ser accidental y no deseado.

En otros casos, las señales de frecuencia mixta son el resultado de un diseño intencional o pueden ser una calidad intrínseca de una señal. Generalmente es bastante fácil crear fuentes de señal de frecuencia mixta. Quizás la forma más fácil es simplemente conectar las fuentes de voltaje en serie:(Figura siguiente)

La conexión en serie de fuentes de voltaje mezcla señales.

Algunas redes de comunicaciones por computadora operan según el principio de superposición de señales de voltaje de alta frecuencia a lo largo de conductores de línea eléctrica de 60 Hz, para transmitir datos de computadora a lo largo de las longitudes existentes de cableado de energía.

Esta técnica se ha utilizado durante años en redes de distribución de energía eléctrica para comunicar datos de carga a lo largo de líneas eléctricas de alta tensión. Ciertamente, estos son ejemplos de voltajes de CA de frecuencia mixta, en condiciones que se establecen deliberadamente.

En algunos casos, una sola fuente de voltaje puede producir señales de frecuencia mixta. Tal es el caso de los micrófonos, que convierten ondas de presión de aire de audiofrecuencia en formas de onda de voltaje correspondientes.

La mezcla particular de frecuencias en la señal de voltaje emitida por el micrófono depende del sonido que se reproduce. Si las ondas sonoras constan de una sola nota o tono puro, la forma de onda de voltaje también será una onda sinusoidal en una sola frecuencia.

Si la onda de sonido es un acorde u otra armonía de varias notas, la forma de onda de voltaje resultante producida por el micrófono consistirá en esas frecuencias mezcladas. Muy pocos sonidos naturales consisten en vibraciones de onda sinusoidal pura y única, sino que son una mezcla de vibraciones de frecuencia diferentes a diferentes amplitudes.

Frecuencias fundamentales y armónicas

acordes musicales se producen al combinar una frecuencia con otras frecuencias de múltiplos fraccionarios particulares de la primera.

Sin embargo, investigando un poco más, encontramos que incluso una sola nota de piano (producida por una cuerda pulsada) consiste en una frecuencia predominante mezclada con varias otras frecuencias, cada frecuencia un número entero múltiplo del primero (llamado armónicos , mientras que la primera frecuencia se denomina fundamental ).

En la tabla siguiente se muestra una ilustración de estos términos con una frecuencia fundamental de 1000 Hz (una cifra arbitraria elegida para este ejemplo).

Para una frecuencia "base" de 1000 Hz:

Frecuencia Término 1000 1er armónico, o fundamental 2000 2o armónico 3000 3er armónico 4000 4 ° armónico 5000 5 ° armónico 6000 6 ° armónico 7000 7 ° armónico

Entonado

A veces, el término "sobretono" se utiliza para describir una frecuencia armónica producida por un instrumento musical.

El "primer" sobretono es la primera frecuencia armónica mayor que el fundamental. Si tuviéramos un instrumento que produzca todo el rango de frecuencias armónicas que se muestra en la tabla anterior, el primer sobretono sería 2000 Hz (el segundo armónico), mientras que el segundo sobretono sería 3000 Hz (el tercer armónico), etc.

Sin embargo, esta aplicación del término "sobretono" es específica para instrumentos particulares.

Sucede que ciertos instrumentos son incapaces de producir ciertos tipos de frecuencias armónicas.

Por ejemplo, un instrumento hecho con un tubo que está abierto en un extremo y cerrado en el otro (como una botella, que produce sonido cuando se sopla aire a través de la abertura) es incapaz de producir armónicos pares.

Un instrumento de este tipo configurado para producir una frecuencia fundamental de 1000 Hz también produciría frecuencias de 3000 Hz, 5000 Hz, 7000 Hz, etc., pero no producir 2000 Hz, 4000 Hz, 6000 Hz o cualquier otra frecuencia incluso múltiple de la fundamental.

Como tal, diríamos que el primer sobretono (la primera frecuencia mayor que la fundamental) en tal instrumento sería 3000 Hz (el tercer armónico), mientras que el segundo sobretono sería 5000 Hz (el quinto armónico), y así sucesivamente. .

Una onda sinusoidal pura (frecuencia única), al estar completamente desprovista de armónicos, suena muy "plana" y "sin rasgos distintivos" para el oído humano.

La mayoría de los instrumentos musicales son incapaces de producir sonidos tan simples. Lo que le da a cada instrumento su tono distintivo es el mismo fenómeno que le da a cada persona una voz distintiva:la combinación única de formas de onda armónicas con cada nota fundamental, descrita por la física del movimiento para cada objeto único que produce el sonido.

Los instrumentos de viento metal no poseen el mismo "contenido armónico" que los instrumentos de viento madera, ni producen el mismo contenido armónico que los instrumentos de cuerda. Una mezcla distintiva de frecuencias es lo que le da a un instrumento musical su tono característico.

Como puede decirle cualquiera que haya tocado la guitarra, las cuerdas de acero tienen un sonido diferente al de las cuerdas de nailon. Además, el tono producido por una cuerda de guitarra cambia dependiendo de dónde se puntea a lo largo de su longitud.

Estas diferencias de tono, también, son el resultado de un contenido armónico diferente producido por diferencias en las vibraciones mecánicas de las partes de un instrumento.

Todos estos instrumentos producen frecuencias armónicas (múltiplos enteros de la frecuencia fundamental) cuando se toca una sola nota, pero las amplitudes relativas de esas frecuencias armónicas son diferentes para diferentes instrumentos. En términos musicales, la medida del contenido armónico de un tono se llama timbre o color .

Los tonos musicales se vuelven aún más complejos cuando el elemento resonante de un instrumento es una superficie bidimensional en lugar de una cuerda unidimensional.

Los instrumentos basados ​​en la vibración de una cuerda (guitarra, piano, banjo, laúd, dulcimer, etc.) o de una columna de aire en un tubo (trompeta, flauta, clarinete, tuba, órgano de tubos, etc.) tienden a producir sonidos. compuesto por una sola frecuencia (la "fundamental") y una mezcla de armónicos.

Los instrumentos basados ​​en la vibración de una placa plana (tambores de acero y algunos tipos de campanas), sin embargo, producen un rango de frecuencias mucho más amplio, no limitado a múltiplos enteros de la fundamental. El resultado es un tono distintivo que algunas personas encuentran acústicamente ofensivo.

Como puede ver, la música proporciona un rico campo de estudio para frecuencias mixtas y sus efectos. Las secciones posteriores de este capítulo se referirán a los instrumentos musicales como fuentes de formas de onda para su análisis con más detalle.

REVISAR:

• Un sinusoidal La forma de onda tiene la forma exacta de una onda sinusoidal.
• Un no sinusoidal La forma de onda puede ser cualquier cosa, desde una forma de onda sinusoidal distorsionada hasta algo completamente diferente como una onda cuadrada.
• Las formas de onda de frecuencia mixta pueden crearse accidentalmente, crearse a propósito o simplemente existir por necesidad. La mayoría de los tonos musicales, por ejemplo, no se componen de una onda sinusoidal de frecuencia única, sino que son mezclas ricas de diferentes frecuencias.
• Cuando se mezclan varias formas de onda sinusoidal (como suele ser el caso en la música), la onda sinusoidal de frecuencia más baja se denomina fundamental , y las otras ondas sinusoidales cuyas frecuencias son múltiplos enteros de la onda fundamental se denominan armónicos .
• Un sobretono es un armónico producido por un dispositivo en particular. El "primer" sobretono es la primera frecuencia mayor que la fundamental, mientras que el "segundo" sobretono es la siguiente frecuencia mayor producida. Los armónicos sucesivos pueden o no corresponder a armónicos incrementales, dependiendo del dispositivo que produce las frecuencias mezcladas. Algunos dispositivos y sistemas no permiten el establecimiento de ciertos armónicos, por lo que sus armónicos solo incluirían algunas (no todas) frecuencias armónicas.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de señales de frecuencia mixta
• Hoja de trabajo de inductancia mutua