Del voltaje fijo a la señal viva

01 · Punto de partida

Tu divisor ya se movía: no lo mirabas

En el curso anterior armaste un divisor con un termistor NTC de 10 kΩ y un resistor fijo de 10 kΩ, alimentados con 5 V. A 25 °C la salida valía 2,5 V, y ahí terminaba el ejercicio: un número, una cuenta, una respuesta.

Para un programador la situación es conocida. Es la diferencia entre leer una variable de configuración (se lee una vez y vale siempre) y consumir un stream de eventos o una serie temporal de métricas: ya no preguntás «¿cuánto vale?» sino «¿cómo viene cambiando, a qué ritmo y con qué forma?».

Este curso completo trata sobre la columna de la derecha. Al terminarlo vas a poder responder preguntas como estas:

• ¿Qué cambia al pensar en señales en vez de en valores?
• ¿Qué tres preguntas describen cualquier señal?
• ¿Cómo se lleva una señal débil y sucia hasta una decisión confiable?
• ¿Cómo se organiza este curso de 32 temas?

02 · Concepto

Qué es una señal

Una señal es una magnitud que transporta información y que cambia con el tiempo. En electrónica casi siempre es un voltaje (a veces una corriente) y se escribe como una función:

Fijate que no hay nada nuevo en la unidad: sigue siendo el voltio de siempre. Lo nuevo es la variable t. Un valor fijo es el caso más aburrido de señal: la que vale lo mismo en todos los instantes.

Señal continua (DC)

Valor que no cambia, o cambia tan lento que a los fines prácticos se considera fijo. Es la pila, la salida de un regulador, la tensión de un divisor sin variar. Todo lo que hiciste hasta ahora vivía acá.

Señal variable (AC o dinámica)

Valor que sube y baja con el tiempo. Puede oscilar en torno a cero (la red eléctrica) o en torno a otro nivel (el micrófono de un teléfono, centrado en 2,5 V). «AC» viene de alternating current, pero en la práctica se usa para cualquier variación.

Información

La señal vale por lo que cuenta: la temperatura de un cuarto, el sonido de una voz, el giro de una perilla. El circuito no «entiende» nada: copia una magnitud física a un voltaje que lo imita.

Analógica

Que toma cualquier valor dentro de un rango, en cualquier instante. No viene a saltos ni en pasos: es continua en el tiempo y en el valor. En el Tema 2 la comparamos con la señal digital.

Para mirar una señal conviene dibujarla: el tiempo va en el eje horizontal y el voltaje en el vertical. Una señal que ya conocés, descrita con números concretos:

Se lee así: hay un nivel fijo de 2,5 V (el centro, también llamado offset o componente continua) sobre el que se monta una oscilación de 0,1 V de amplitud que se repite 440 veces por segundo (la nota «la»). Con tres números ya describiste una señal completa. Ese es el vocabulario de la próxima sección.

03 · Vocabulario

Cuánto, qué tan rápido, con qué forma

Cualquier señal, sea cual sea su origen, se describe respondiendo tres preguntas. Son las que se hace un ingeniero con el osciloscopio delante, y las que vas a repetir en cada tema.

Veamos las tres preguntas aplicadas a señales que ya conocés de los cursos anteriores:

Fijate que cada fila pide una solución distinta. Con milivoltios hay que amplificar; con un zumbido a 100 Hz hay que filtrar; con un pulso que se repite hay que contar o decidir. Las tres preguntas no son decoración: te dicen qué herramienta sacar de la caja.

04 · Escalas

Escalas de velocidad: del minuto al microsegundo

La frecuencia merece una sección propia, porque es la pregunta que más cambia el tratamiento. Una señal puede tardar horas en dar una vuelta o millones de vueltas por segundo, y el circuito que sirve para una no sirve para la otra.

La relación entre frecuencia y período es una división, y vale la pena tenerla de memoria. Si algo se repite f veces por segundo, cada repetición dura:

Observá el orden de magnitud: de la primera a la última fila hay diez mil millones de veces de diferencia de velocidad. Es como pasar de una consulta que corre una vez por día a un bucle que itera 16 millones de veces por segundo; nadie las optimiza igual.

1. 1
   Señal lenta (por debajo de unos pocos hertz).

   Casi se comporta como un valor fijo que deriva. Se mide con multímetro, se filtra fuerte para quitar ruido y se la puede leer sin apuro. Ejemplos: temperatura, luz ambiente, nivel de un tanque.

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   Señal de audio y red (decenas de hertz a decenas de kHz).

   Hay que ver la forma para entenderla. Entran los amplificadores y los filtros RC y activos. Ejemplos: voz, vibraciones, la red, rizado.

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   Señal rápida (cientos de kHz y más).

   El cableado y los componentes empiezan a importar: un amplificador común ya no la sigue, y un cable largo la deforma. Es territorio de la electrónica digital y de radiofrecuencia; en este curso solo la vamos a reconocer.

05 · Señales reales

Nivel, variación y ruido: tres capas en un mismo cable

Una señal que sale de un sensor no es una senoide limpia de libro. Si la mirás de cerca, está hecha de tres capas superpuestas, y confundirlas es la fuente de la mayoría de los problemas de medición:

Nivel de continua (offset)

El «centro» alrededor del cual todo se mueve. Un micrófono de electreto, por ejemplo, queda polarizado en torno a 2,5 V aunque nadie hable. Si el nivel no está donde la entrada siguiente lo necesita, la señal se corta o se pierde (Tema 11).

Variación útil

Lo que realmente te interesa medir: los 0,1 V de la voz, los 0,4 V que baja el NTC al calentarse. A menudo es miles de veces más chica que el nivel de continua o que los máximos que soporta la entrada, y por eso se amplifica (Temas 14 a 19).

Ruido

Todo lo que se suma sin ser información: interferencia de la red (zumbido a 50 Hz), conmutación de circuitos digitales cercanos, ruido térmico de los propios resistores. No se puede evitar del todo; se mide, se reduce y se diseña para convivir con él (Tema 27).

Un ejemplo con números te muestra por qué importa. Imaginá un micrófono cuya señal de voz tiene 10 mV de pico, con 1 mV de ruido sumado y centrado en 2,5 V. Si la lees con un conversor de 10 bits y 5 V de rango (cada «escalón» vale unos 4,9 mV), tu voz ocupa apenas 4 escalones y el ruido casi uno entero: lo que lees es una suma de saltitos que no se parece a nada.

A esa relación entre cuánta señal útil hay y cuánto ruido la acompaña se la llama relación señal/ruido. Subir la señal (amplificar a tiempo), bajar el ruido (filtrar, blindar, separar masas) o ambas, es el trabajo central del diseñador analógico.

06 · Método

La cadena de señal: sensar, acondicionar, amplificar, decidir

Todo sistema analógico que vas a construir en este curso, desde un termómetro hasta una alarma, es un recorrido de cuatro estaciones. La señal entra cruda por un extremo y sale convertida en una lectura o en una acción por el otro.

1. 1
   Sensar.

   El transductor convierte una magnitud física en una eléctrica: temperatura en resistencia (NTC), luz en resistencia (LDR), sonido en voltaje (micrófono). Lo que sale es chico, lento o sucio, y casi nunca tiene el rango que necesita el resto (Temas 9 y 26).

2. 2
   Acondicionar.

   Se lleva la señal a un rango y a una forma manejables: un divisor o un puente la convierte en voltaje, un seguidor evita que la carguen, un capacitor separa continua de variación, un diodo y un resistor protegen la entrada (Temas 9 a 13).

3. 3
   Amplificar y filtrar.

   Un operacional da el tamaño útil con una ganancia calculada; un filtro RC o activo deja pasar la banda de interés y descarta el resto (Temas 14 a 25).

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   Medir o decidir.

   La señal ya limpia se mide con un instrumento o se compara con un umbral para accionar algo: un LED, un relé, un aviso (Temas 20 y 29 a 31).

Para ver la cadena trabajando, seguí un termómetro de ambiente con su alarma. Cada columna muestra la señal justo después de cada etapa:

La cadena también te da un método de diagnóstico. Si el circuito no anda, medís la señal después de cada etapa y la falla aparece entre la última etapa que se ve bien y la primera que se ve mal. Es el equivalente a poner un print en cada paso de un pipeline.

07 · Simulador

Describí una señal con sus tres números

El simulador dibuja tres ciclos de una señal en el tiempo. Cambiá la forma, la amplitud, la frecuencia, el nivel de continua y el ruido, y leé cómo se describe con los números del apartado anterior. También te dice cómo le iría si la conectaras directo a una entrada analógica de 0 a 5 V de 10 bits (como la de una placa Arduino).

• Línea turquesa: la señal, con el eje horizontal marcado en períodos (T, 2T, 3T). La escala de tiempo se ajusta a la frecuencia elegida.
• Línea naranja de puntos: el nivel de continua, es decir, el centro de la señal.
• Franja amarilla: el rango de 0 a 5 V de la entrada. Lo que sobresale de la franja quedaría recortado.

Recorrido guiado (5 minutos)

1. 1
   Empezá con «NTC en la habitación».

   Un ciclo dura 100 s: es lento al punto de que casi no lo ves moverse. Entra en la franja de 0 a 5 V y ocupa una buena parte del rango: se podría leer directo.

2. 2
   Pasá a «Rizado de fuente».

   Triangular, 100 Hz, 2 Vpp y centrada en 9 V: toda la señal queda fuera de la franja amarilla. El pin de la placa recibiría un nivel peligroso, aunque lo que interesa del rizado sea solo el «temblor» de 2 V. Falta acondicionar: acoplar en AC y bajar el nivel (Temas 11 y 12).

3. 3
   Pasá a «Voz en un micrófono».

   Está dentro de rango, pero ocupa una línea finita: apenas unos pasos del conversor. Subí la amplitud con el control y mirá cómo cambia el mensaje de abajo: de «hay que amplificar» a «se puede leer directo».

4. 4
   Subí el ruido de la voz al 50 %.

   La forma pierde claridad y los puntos de cruce por el centro se vuelven inciertos. Esto es lo que enfrenta cualquier medición: con ruido, medir «cuándo cruzó» es mucho más difícil. Lo vas a comprobar con código en la sección 09.

5. 5
   Probá «Pulsos digitales».

   Cuadrada de 10 kHz, de 0 a 5 V. Es una señal analógica en el sentido físico (viaja por un cable y tiene flancos) aunque su significado sea digital. El multímetro no la sigue: ahí aparece el osciloscopio.

6. 6
   Con la voz, subí la amplitud a 1 V y bajá el centro a 0 V.

   La mitad inferior de la onda cae por debajo de cero: la entrada de una placa común no acepta tensión negativa. Los capacitores y las referencias de nivel del Tema 11 existen para eso.

Preguntas para pensar

1. ¿Por qué el rizado de la fuente no se puede conectar directo a una entrada de 0 a 5 V, aunque su variación sea de solo 2 V?
2. ¿Qué dos cosas se pueden hacer con la voz para que la lea bien un conversor de 10 bits?
3. Con la cuadrada de 10 kHz, ¿qué pasa con el período al subir la frecuencia, y por qué cada vez es más difícil mirarla con un multímetro?

08 · Mapa del curso

Los 32 temas en 4 bloques

El curso está ordenado de la señal cruda al control, y cada bloque usa lo que dejó el anterior. Conviene seguir el orden: un amplificador sin entender de impedancias, o un filtro sin saber de frecuencia, se vuelve una receta a ciegas.

1. 1
   Primero el lenguaje (Temas 1–8).

   Analógico frente a digital, amplitud, frecuencia, formas, valor medio y eficaz, señales en Python y mediciones con multímetro y osciloscopio. Es el vocabulario del resto del curso.

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   Después el acondicionamiento (Temas 9–13).

   Llevar la señal del sensor al rango útil: escalas, impedancias, acoplo AC/DC, protección y el puente de Wheatstone, con un taller de cierre.

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   Después amplificar y decidir (Temas 14–22).

   El operacional y sus reglas, la realimentación, los amplificadores básicos (seguidor, no inversor, inversor, sumador), el comparador con histéresis y los límites reales de estas piezas.

4. 4
   Al final medir y controlar (Temas 23–32).

   Filtros RC y activos, instrumentación, sensores amplificados, ruido, fuentes limpias, control on/off y proporcional, y un proyecto final: una estación con alarma, documentada.

Si venís con una necesidad concreta

Esta tabla es el índice leído al revés: no por tema, sino por lo que querés lograr. Te muestra hacia dónde vas mientras lo recorrés en orden.

09 · Una señal en código

Muestrear, describir y medir una señal con Python

Antes del toolkit completo del Tema 7, hagamos el camino más corto de una señal a un número: generar muestras (valores tomados a intervalos regulares) y extraer de ellas amplitud, nivel y período. Es lo mismo que hace un conversor analógico/digital con el mundo real: la señal continua se convierte en una lista de números.

Paso 1: muestrear una senoide

Doce muestras por ciclo de una señal de 2 V de pico centrada en 2,5 V, a 1 Hz. Observá los valores máximo y mínimo y cuánto dura el ciclo.

import math

def muestrear(amplitud=2.0, offset=2.5, f_hz=1.0, n=12):
    # n+1 muestras de un período: t en segundos, v en voltios
    print(f"Seno de {amplitud} V de pico, centro {offset} V, f = {f_hz} Hz:")
    for k in range(n + 1):
        t = k / n / f_hz
        v = offset + amplitud * math.sin(2 * math.pi * f_hz * t)
        print(f"  t = {t*1000:6.1f} ms   v = {v:5.2f} V")


muestrear()

¿Cuánto valen el máximo y el mínimo de la tabla? ¿Cuánto dura el ciclo en ms? ¿Qué cambiarías para simular un «la» de 440 Hz?

Paso 2: la ficha de una señal

Convertimos las tres preguntas del apartado 03 en una función que arma la «ficha» de cualquier señal y calcula el período:

def ficha_senial(nombre, amplitud_vpp, f_hz, forma="senoide"):
    t = 1 / f_hz
    unidad, valor = ("s", t) if t >= 1 else ("ms", t * 1e3) if t >= 1e-3 else ("us", t * 1e6)
    print(f"{nombre}: {amplitud_vpp} Vpp, f = {f_hz:g} Hz (T = {valor:.6g} {unidad}), forma {forma}")
    return {"vpp": amplitud_vpp, "f": f_hz, "forma": forma}


ficha_senial("NTC (día/noche)", 1.0, 1 / 86400, "deriva")
ficha_senial("Rizado de fuente", 2.0, 100, "triangular")
ficha_senial("Voz", 0.02, 440, "compleja")
ficha_senial("Red (solo teoría)", 622, 50, "senoide")

Los 622 Vpp son 2 × 311 V de pico. ¿Por qué el período de la NTC sale en segundos? Agregá una fila con tu propia señal.

Paso 3: medir desde las muestras (y ver al ruido arruinarlo)

Ahora al revés: partimos de una lista de muestras y recuperamos los tres números. El período se estima contando cruces ascendentes por el valor medio. Probá con distintos niveles de ruido:

import math, random


def senoide(amp, offset, f_hz, fs_hz, dur_s, ruido=0.0):
    random.seed(1)  # mismo ruido en cada ejecución
    n = int(fs_hz * dur_s)
    return [offset + amp * math.sin(2 * math.pi * f_hz * k / fs_hz)
            + random.uniform(-ruido, ruido) for k in range(n)]


def medir(v, fs_hz):
    vmax, vmin = max(v), min(v)
    media = sum(v) / len(v)
    # cruce ascendente: la muestra anterior está bajo la media y la actual no
    cruces = [k for k in range(1, len(v)) if v[k - 1] < media <= v[k]]
    if len(cruces) > 1:
        T = (cruces[-1] - cruces[0]) / (len(cruces) - 1) / fs_hz
    else:
        T = None
    return vmax - vmin, media, T, len(cruces)


for ruido in (0.0, 0.05, 0.2):
    v = senoide(1.0, 2.5, 50, 5000, 0.2, ruido)
    vpp, media, T, n = medir(v, 5000)
    print(f"ruido ±{ruido} V: Vpp = {vpp:.2f} V, media = {media:.2f} V, "
          f"T = {T*1000:.1f} ms, cruces = {n}")

Sin ruido da Vpp = 2,00 V y T = 20,0 ms (50 Hz). ¿Qué pasa con el período cuando el ruido llega a ±0,2 V? ¿Cuántos cruces «de más» aparecen?

Fijate en la última línea de salida: con ruido suficiente el algoritmo cuenta cruces falsos y el período medido se achica a la mitad, aunque la señal sea la misma. Además el valor pico a pico se infla porque el ruido suma sus propios picos. No es un bug de tu código: es un fenómeno físico, y tiene remedio de hardware. El comparador con histéresis (Tema 20) existe precisamente para no contar cruces falsos, y el filtrado (Tema 23) para que el ruido no llegue hasta ahí.

10 · Analogía de programador

De constante a stream

Si venís de la programación, el cambio de este curso se parece mucho al paso de leer una configuración a procesar un flujo continuo de datos. Las analogías orientan, pero no son exactas: úsalas como mapa, no como definición.

Hay una limitación que conviene tener presente: en software un valor corrupto se puede reintentar y comparar con el original. En una señal analógica el error se suma de forma continua y no deja rastro, así que la defensa es diseñar la cadena para evitar el error, no detectarlo al final.

11 · Comprensión

Confusiones frecuentes

12 · Práctica guiada

Ejercicios de puente

Ejercicio 1: períodos de tres señales

Con la función ficha_senial() del Paso 2, describí estas señales y anotá el período de cada una: (a) una temperatura que sube y baja una vez por día, (b) el rizado de una fuente de 100 Hz y (c) la tensión de la red de 50 Hz.

Ejercicio 2: muestrear a mano

Ejecutá muestrear(amplitud=1.0, offset=0, f_hz=50). ¿Cuánto valen el máximo y el mínimo? ¿Cuánto dura el ciclo? ¿Cuánto tiempo pasa entre dos muestras?

Ejercicio 3: ¿entra a la entrada de 0 a 5 V?

Para cada señal, decidí si se puede conectar directo a una entrada analógica de 0 a 5 V: (a) senoide de 2,5 V centrada en 2,5 V, (b) senoide de 1 V de pico centrada en 0 V, (c) rizado de 2 Vpp sobre 9 V.

Ejercicio 4: pasos de un conversor

Un conversor de 10 bits con 5 V de rango tiene 1024 niveles. ¿Cuánto vale cada escalón y cuántos escalones ocupa una señal de 20 mVpp? ¿Y si la amplificás 50 veces?

Ejercicio 5: tu mapa personal

Listá tres señales de tu casa o taller y estimá su amplitud, frecuencia y forma. Elegí la que medirías primero y decidí con qué instrumento.

13 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 2?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Explicar con tus palabras la diferencia entre un valor y una señal.
• Nombrar las tres preguntas que describen una señal y dar un ejemplo de cada una.
• Calcular el período de una señal de 100 Hz y la frecuencia de una de 20 ms.
• Separar en una señal real el nivel de continua, la variación útil y el ruido.
• Enumerar las cuatro etapas de la cadena de señal y qué resuelve cada una.
• Decir por qué la tensión de la red no se mide ni se prueba en este curso.

Ya mirás el mundo como señales. Ahora, la primera distinción formal: en el próximo tema, señal analógica frente a digital.