Caso práctico: Filtro RC para suavizar ruido

Contexto

• Escenario: Caso práctico: Filtro RC para suavizar ruido
• Objetivo: Reducir el ruido de alta frecuencia en una señal usando un filtro RC pasa‑bajos y comprobar su eficacia midiendo atenuación y suavizado en el tiempo.
• Topología (resumen): Filtro RC de primer orden: R1 en serie desde Vin a Vout y C1 desde Vout a GND.
• Mediciones (resumen): Comparar Vin y Vout con osciloscopio (CH1/CH2); medir Vpp, Vrms y respuesta en frecuencia alrededor de la frecuencia de corte.

Materiales

• 1 × R1 = 1 kΩ (1/4 W, ±5 % o mejor)
• 1 × C1 = 100 nF (cerámico, X7R o C0G)
• 1 × Generador de señales (seno; opción de ruido si está disponible)
• 1 × Osciloscopio de 2 canales con función de medida (Vpp/Vrms)
• 1 × Protoboard y cables de conexión
• 2 × Pinzas o latiguillos de tierra para sondas del osciloscopio

Guía de conexionado

• Inserta R1 en serie entre el punto Vin (salida del generador) y el nodo Vout.
• Conecta C1 entre Vout y GND (a tierra común).
• Conecta la terminal de tierra del generador a GND en la protoboard.
• Conecta la sonda CH1 del osciloscopio al nodo Vin y su pinza de tierra a GND.
• Conecta la sonda CH2 del osciloscopio al nodo Vout y su pinza de tierra a GND.
• Ajustes iniciales del generador: seno de 1 kHz, 1 Vpp, 0 V de offset. Si tu generador permite superponer ruido, actívalo (ruido blanco a un nivel moderado).
• Abreviaturas usadas:
• Vin: salida del generador de señales (entrada del filtro).
• Vout: nodo de salida del filtro (entre R1 y C1).
• CH1/CH2: canales 1 y 2 del osciloscopio conectados a Vin y Vout, respectivamente.
• GND: referencia común (tierra) del circuito, generador y osciloscopio.

Esquemático

        Generador de señales (seno + ruido)
            (1 Vpp, 0 V offset)

Vin ──────●CH1───────┬
                       │
                      ┌┴┐
                      │ │   R1 = 1 kΩ (serie)
                      │ │
                      └┬┘
                       │
                     Vout ──●CH2
                       │
                      ┌┴┐
                      │ │   C1 = 100 nF a GND
                      │ │
                      └┬┘
                       │
                       ├──────────── Tierra del generador
                       │
───────────────────────┴─────────────────────────── GND

Mediciones y pruebas

• Cálculo previo de la frecuencia de corte (referencia):

  • R1 = 1 kΩ, C1 = 100 nF → fc ≈ 1 / (2·π·R·C) ≈ 1 / (2·π·1000·100e‑9) ≈ 1.59 kHz.
  • Espera poca atenuación por debajo de fc y atenuación creciente por encima de fc (~−20 dB/década).

• Verificación básica en el dominio del tiempo:

  • Ajusta el generador a 1 kHz, 1 Vpp, sin ruido.
  • Observa CH1 (Vin) y CH2 (Vout). Deberían ser casi iguales en amplitud y fase (ligero retraso/fase en Vout).
  • Activa el ruido en el generador. Compara CH2 respecto a CH1: Vout debe verse más “suave” (menos rizado/alta frecuencia).

• Medida de atenuación con barrido de frecuencia:

  • Mantén 1 Vpp y barre la frecuencia: 100 Hz, 1 kHz, 1.6 kHz, 5 kHz, 10 kHz.
  • En cada punto, mide Vpp en CH1 y CH2. Calcula A = Vout_pp / Vin_pp.
  • Opcional: convierte a dB → 20·log10(A). Cerca de 1.6 kHz espera ~−3 dB.

• Medida de ruido (Vrms) con ruido activado:

  • Con el generador a 1 kHz y ruido activado, usa la función Vrms del osciloscopio en CH1 y CH2.
  • Observa la reducción de Vrms en Vout respecto a Vin (cuantifica el “suavizado” del ruido).

• Respuesta temporal a cambios bruscos:

  • Cambia la forma de onda a cuadrada (1 kHz, 1 Vpp). Observa CH2: debe verse como una exponencial de carga/descarga (constante de tiempo τ = R·C ≈ 100 μs), evidenciando el filtrado.

• Comprobación de masas y conexiones:

  • Verifica que las tierras del generador y de ambas sondas del osciloscopio están al mismo punto GND.
  • Si hay zumbido o formas erráticas, revisa la pinza de tierra de las sondas.

Errores comunes

• No compartir GND entre generador y osciloscopio: produce lecturas inconsistentes.
• Colocar R1 y C1 invertidos (C1 en serie y R1 a tierra): eso crea un pasa‑altos, no un pasa‑bajos.
• Usar un C1 electrolítico polarizado sin respetar polaridad ni tensión: en este caso, prefiere cerámico de 100 nF.
• Valores distintos a los calculados: cambiar R o C alterará fc y las expectativas de atenuación.
• Cables de medida excesivamente largos: incrementan el ruido captado y la inductancia parásita.

Seguridad y buenas prácticas

• Mantén amplitudes bajas (≤ 5 Vpp) para evitar dañar el osciloscopio o el protoboard.
• No toques las puntas metálicas cuando el equipo esté en funcionamiento para evitar ruido acoplado y mediciones erróneas.
• Usa la atenuación correcta de las sondas (x10 recomendado para minimizar carga en el circuito).

Mejoras y exploraciones

• Cambia C1 a 47 nF o 220 nF y repite mediciones; verifica el desplazamiento de fc.
• Añade una resistencia de carga RL desde Vout a GND (p. ej., 10 kΩ) y observa cómo modifica la atenuación efectiva.
• Encadena dos etapas RC (R‑C‑R‑C) para un filtro de 2º orden y compara la pendiente de atenuación.
• Mide el desfase entre Vin y Vout y grafica fase vs. frecuencia junto con la magnitud.

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Carlos Núñez Zorrilla

Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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