tema 2. osciloscopios

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Osciloscopios
2.1 Reseña histórica, función del osciloscopio y criterios de clasificación
El osciloscopio de rayos catódicos es el instrumento electrónico más utilizado para
capturar y analizar señales eléctricas variables en el tiempo. En su modo de operación
por defecto (modo Y-t) el eje vertical representa la magnitud de la señal y el eje
horizontal el tiempo.
El tubo de rayos catódicos permite observar variaciones de alta velocidad cuando se
aplican señales a uno de sus canales, por ello sustituyó al oscilógrafo y al registrador XY. Estos instrumentos, basados en componentes electromecánicos, al medir señales de
alta frecuencia estaban limitados por la inercia del trazador (pluma móvil cuyo
movimiento en dirección perpendicular al papel registra la señal).
En el cátodo del tubo de rayos catódicos se genera un haz colimado de electrones
que, al incidir sobre la pantalla de fósforo, produce el trazo visible, que reproduce
fielmente la señal de interés objeto de medida, y que resulta de componer dos
movimientos transversales. El movimiento del haz electrónico es causado por la acción
de campos eléctricos aplicados a dos conjuntos de placas de deflexión, que constituyen
las tensiones de deflexión. Estas tensiones se generan internamente a partir de las
señales medidas. Desde su generación hasta el punto de incidencia, el haz apenas es
afectado por fenómenos de tipo mecánico (como por ejemplo vibraciones o la inercia
del movimiento), debido a que está formado por partículas de masa despreciable.
Básicamente, con un osciloscopio se pueden realizar las siguientes medidas directas:
•
•
•
•
•
•
Período y magnitud (tensión) de una señal.
Componente de continua (señal de acoplo) de una señal alterna.
Desfases entre dos señales de la misma frecuencia.
Tiempos de subida y bajada de transitorios (flancos de una señal).
Anchuras de pulsos.
Test o comprobación de componentes activos y pasivos.
En una primera aproximación, los osciloscopios pueden clasificarse en analógicos y
digitales (de almacenamiento digital). Los primeros reconstruyen la señal aplicada al
canal vertical en tiempo real, por ello son los adecuados para capturar eventos
periódicos y rápidos. La incorporación de dispositivos de memorización permite
capturar fenómenos no repetitivos, como por ejemplo los transitorios asociados a picos
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de tensión, el tiempo de estabilización de una señal en torno a un nivel o el arranque de
un oscilador.
Otros instrumentos electrónicos basados en el mismo principio operativo del
osciloscopio (tubo de rayos catódicos) son los analizadores lógicos de estados (en
esencia osciloscopios de varios canales), los trazadores de curvas de dispositivos
semiconductores y los analizadores de espectros.
Con independencia de sus posibilidades de almacenamiento digital, dos son los
criterios básicos de clasificación de esos instrumentos: la frecuencia máxima admisible
para la señal aplicada al canal vertical y el número de canales verticales que incorporan.
Según el primer criterio existen osciloscopios de baja frecuencia (hasta 10 MHz
aproximadamente) y de alta frecuencia (hasta unos 500 MHz). Hay modelos que
admiten frecuencias intermedias. Por otra parte, casi todos los osciloscopios incorporan
al menos dos canales verticales. En este caso la representación simultánea de dos, o más
señales, se consigue gracias a la elevada persistencia de los trazos sobre la pantalla que da
una apariencia de simultaneidad. Esto se consigue con un solo haz electrónico con sus
correspondientes sistemas de deflexión vertical y horizontal.
2.2 Hoja de características de un osciloscopio. Criterios de selección
Las características técnicas de un osciloscopio son extensas y no todas influyen por igual
en la relación rendimiento/coste del instrumento. En consecuencia, es necesario
conocer los parámetros que determinan la calidad del instrumento. En este apartado se
exponen las primeras definiciones, basadas en estos parámetros, que nos aproximan a la
operación del instrumento.
La calidad y en consecuencia el coste de un osciloscopio, depende en esencia, y
aproximadamente en este orden, de los siguientes factores:
a) Número de canales. Establece las entradas externas aplicables y que pueden ser
capturadas por el instrumento al mismo tiempo.
b) Ancho de banda y tiempo de subida. Cuantifican la capacidad de procesamiento de
frecuencias y la velocidad de respuesta de la unidad de deflexión vertical del
instrumento. El modelo de sistema de primer orden con respuesta frecuencial de tipo
paso-baja, refleja con fidelidad su comportamiento.
c) Sensibilidad de los canales verticales. Indica la capacidad del instrumento para
resolver pequeños cambios en la amplitud de la señal de entrada. La unidad principal de
medida en la pantalla es la división. En consecuencia, un osciloscopio sensible debe ser
capaz de representar pocos milivoltios en una división; es decir, expandirá y resolverá
notablemente señales de bajo nivel (pequeña amplitud). Existen modelos que pueden
alcanzar valores de sensibilidad inferiores a los 2 mV/div. La mayoría poseen como
mejor sensibilidad 5 mV/div.
d) Velocidad máxima del barrido horizontal. Refleja la capacidad de un osciloscopio de
capturar sucesos rápidos; es decir, establece la resolución temporal del instrumento. Si
en una división horizontal vemos pocas unidades temporales de un evento, realizamos
una expansión del mismo. Más adelante se demuestra que la capacidad de expansión de
transitorios rápidos está relacionada con la pendiente de la señal de barrido (en forma de
diente de sierra) generada en la unidad de desviación horizontal. Una velocidad de
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barrido elevada supone ver muy poco evento en una división (pocos microsegundos por
división).
e) Exactitud de la ganancia del amplificador vertical. Indica el error con que se especifica
la ganancia del amplificador vertical del osciloscopio. Se proporciona un porcentaje de
error máximo.
f) Precisión de la base de tiempos de la unidad de deflexión horizontal. Mediante un
porcentaje de error, el fabricante indica la precisión con que el instrumento expande
(poco evento por división, velocidades de barrido altas) o contrae (mucho evento por
división, velocidades de barrido bajas) la señal en el eje temporal.
Las siguientes características son propias de osciloscopios de almacenamiento digital,
que incorporan circuitos de conversión de analógica/digital (A/D) y elementos de
memoria.
g) Frecuencia de muestreo. La mitad de este parámetro establece la máxima componente
en frecuencia de una señal que es capaz de digitalizar el instrumento, reproduciendo con
fidelidad la señal analógica muestreada. Viene determinada por el convertidor A/D. En
los modelos más avanzados se alcanzan velocidades de muestreo del orden de
Gigamuestras/seg.
La velocidad de muestreo depende de la posición de la base de tiempos del instrumento,
ya que éste suele diseñarse con el propósito de almacenar en la memoria el mismo
número de puntos para cualquier posición de la base de tiempos.
h) Capacidad de almacenamiento. Indica la capacidad de la memoria RAM.
i) Capacidad del registro. El registro es un almacén intermedio de datos, de cuya
información se puede disponer para ampliación de tramos de la señal.
j) Resolución vertical. Cada muestra es digitalizada con un número de bits, determinado
por el convertidor A/D, que indica la resolución de la digitalización.
k) Incorporación de módulos para el cálculo de operaciones matemáticas. Por ejemplo,
módulos de transformada rápida de Fourier (FFT; Fast Fourier Transform).
l) Control mediante programación (instrumentación programable). Los instrumentos
que incorporan tarjeta controladora permiten el gobierno por computadora de su panel,
mediante una secuencia de órdenes descritas en un programa informático. De esta
forma, el instrumento puede formar parte de una red de instrumentos controlada por
ordenador.
Uno de los estándares más comunes (el más conocido en instrumentos de
laboratorio) es el sistema de interconexión de instrumentos programables descrito por la
norma IEEE 488, conocido comercialmente mediante el acrónimo GPIB (General
Purpose Interface Bus, bus interfaz para interconexión de propósito general). Para
poder controlar un instrumento que incorpore esta opción es necesario instalar en el
ordenador de control una tarjeta GPIB (con su correspondiente programa controlador o
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“driver”), que se une al instrumento mediante un cable de la misma designación.
También es posible el control sin necesidad de instalar en el ordenador nuevas tarjetas
en los buses de expansión; por ejemplo, mediante el puerto de comunicaciones serie,
RS232.
En la actualidad, las prestaciones mínimas que incluyen los modelos básicos son cada
vez más avanzadas y numerosas. Así, encontramos en el mercado modelos con anchos
de banda mínimos de 10 MHz, la incorporación de doble base de tiempos con
velocidades de barrido elevadas y pantallas con lecturas digitales (readout) y cursores.
Estos últimos facilitan las medidas de tensión, tiempo y frecuencia.
La tendencia generalizada consiste en la incorporación de control por procesador,
que dota al instrumento de cierto grado de inteligencia, con la consecuente
simplificación de su manejo. El microprocesador permite el ajuste automático (opción
Auto Set) de los mandos. Asimismo, permite memorizar y recuperar (opciones
Save/Recall), desde la memoria RAM del procesador, situaciones predeterminadas de
ajuste de los parámetros de medida. De esta forma, el usuario no se preocupa por
capturar la señal, sino por ajustar los mandos del panel con el fin de visualizarla según su
criterio; y si por error u olvido se pierde el ajuste, puede recuperarlo.
Los instrumentos de alta tecnología suelen disponer además de un menú de
calibración con el fin de ajustar las funciones del equipo sin necesidad de retirar su
carcasa.
Los datos técnicos de la hoja de características suelen agruparse, según las opciones
analógica y digital, en las secciones que muestran las tablas 1-5. Los parámetros que
contienen se describirán en sus correspondientes apartados. El propósito de nombrarlos
aquí es mostrar al lector la amplitud de este instrumento y proporcionar algunas
primeras definiciones. En el transcurso del libro se definirá el resto y se ampliarán las
definidas.
El fabricante también suele informar de los accesorios y posibles ampliaciones del
instrumento. Más adelante se incluyen las tablas de características de un modelo real de
osciloscopio. El lector podrá entonces comprobar su grado de aprendizaje y
familiarizarse con los órdenes de magnitud y unidades de los parámetros suministrados.
Con el fin de lograr este objetivo, comenzamos la exposición de los módulos
componentes del instrumento.
Tabla 1. Características analógicas de un osciloscopio.
Amplificador vertical
Modos de operación al visualizar dos o más señales
Suma y resta de señales
Modo XY de dos señales; eliminación de la variable tiempo
Inversión de señales
Ancho de banda o margen de frecuencias
Tiempo de subida en el caso más desfavorable
Sobreimpulso producido al capturar la señal; amortiguamiento del instrumento
Sensibilidades o coeficientes de deflexión que permitirán amplificar o atenuar la señal
Impedancia de entrada: asociación en paralelo de una resistencia y un condensador
Acoplamientos de entrada: posibilidad de ver la señal con o sin su acoplo de CC
Tensión máxima de entrada
Línea de retardo: para mejorar la captura de eventos rápidos
Tabla 1. Cont. Características analógicas de un osciloscopio.
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Amplificador horizontal
Bases de tiempos principal y retardada: concentración y expansión temporal de eventos
Precisiones analógica y digital
Precisión analógica con ampliación horizontal X10
Tiempo de hold-off: para capturar eventos de periodicidad complicada
Ancho de banda del amplificador horizontal: margen de frecuencias
Opciones de sincronismo
Mínima amplitud pico-pico para disparo automático
Margen de frecuencias con disparo automático
Margen de frecuencias con disparo normal
Flancos de disparo
Selección de la señal de disparo
Tipos de acoplamiento de la señal de disparo
Posibilidad de segundo disparo en la base de tiempos retardada
Disparo alternado entre canales
Disparo externo: características de la señal externa empleada como disparo
Separador activo de sincronismo
Tabla 2. Características de la unidad de almacenamiento digital.
Amplificador vertical
Modos de operación: emulación de registrador continuo o “rodillo”, de refresco, disparo único, XY, de
envolvente, promediado
Unión de puntos: interpolaciones lineal y/o senoidal
Circuitos de muestreo (tiempo real): frecuencia de muestreo máxima, tipo de memoria (generalmente
flash) y bits de codificación de datos
Profundidad de memoria: palabras X bits por palabra
Memoria de referencia
Resolución: puntos por cm
Ancho de banda y diferencia de fase en el modo XY
Disparo anterior y posterior a la señal capturada
Tabla 3. Panel de usuario y posibilidades de control.
Ajuste automático (Auto Set): disposición automática de parámetros para la captura de señales
Memorización y recuperación de disposiciones de ajuste (Save/Recall)
Indicación digital de medidas con cursores
Interfaz para control y/o transferencia de datos: RS232, IEEE 488
Tabla 4. Características eléctricas y dimensionales.
Tubo de rayos catódicos: se especifica el modelo
Tensión de aceleración del haz electrónico
Circuito de calibración: características de las señales generadas internamente para calibrarlo
Conexión de red y consumo
Protección
Peso, color y medidas
Tabla 5. Comprobador de componentes.
Tensión y corriente de test suministradas por el instrumento cuando se le conectan componentes para
comprobar su estado mediante la visualización de curvas estáticas
2.3 Diagrama de bloques, subsistemas y funcionamiento cualitativo
Generalmente consta de los siguientes bloques funcionales:
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5.
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Tubo de rayos catódicos.
Subsistema de deflexión (desvío) vertical.
Subsistema de deflexión horizontal.
Fuentes de alimentación de alta y media tensión.
Circuitos de calibración (generadores internos de señal para calibrar las sondas).
Sondas (pueden considerarse elementos exteriores).
Con el fin de exponer el funcionamiento cualitativo, se muestra en la figura 1 la
disposición aproximada de las unidades de deflexión horizontal y vertical (bloques
funcionales más importantes del osciloscopio) y de sus circuitos, hasta las placas de
desviación; y en la figura 2, la alteración que experimenta el haz electrónico generado en
el cátodo, por acción de las tensiones de deflexión. En esta última se incluye la
asignación de ejes adoptada en el estudio de este instrumento.
La sonda captura una señal, que se transmite al osciloscopio mediante un cable
(generalmente coaxial) y se aplica al instrumento a través del circuito de entrada. Lo más
frecuente es que la amplitud de la señal de entrada no sea suficiente para producir la
deflexión vertical, por ello, requiere de amplificación, realizada en el sistema de
deflexión vertical. Una vez amplificada la señal, se aplica a las placas de deflexión
vertical del tubo de rayos catódicos.
Unidad de Deflexión Vertical
Acoplamiento
Atenuador
Amplificador
de deflexión
vertical
Fuente de
baja
tensión
Placas verticales
Fuente
de alta
tensión
Tubo de rayos
catódicos
Unidad de Deflexión Horizontal
Circuito de
disparo
Generador
de Barrido
Amplificador
de deflexión
vertical
Placas
horizontales
Sonda
Fig. 1. Diagrama de bloques genérico del osciloscopio, donde destacan las unidades de
deflexión y sus circuitos, que modifican la señal capturada por la sonda hasta su aplicación en
las placas de deflexión.
En la figura 2 se aprecia el efecto de la señal capturada sobre el haz electrónico. Éste
se genera en el tubo de rayos y se enfoca y dirige hacia un punto, el lugar del impacto
con la pantalla. La desviación vertical del haz depende de la magnitud del voltaje
aplicado a las placas verticales. La señal de entrada también pasa por el sistema de
deflexión horizontal, que mueve (barre) el haz electrónico en esta dirección a velocidad
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constante de izquierda a derecha por la acción de una tensión en forma de “diente de
sierra”. El efecto simultáneo de estas desviaciones provoca el trazado de una línea en la
pantalla (generalmente cubierta de fósforo).
Y
X
Enfoque Aceleración
Z
Filamento,
cátodo y
rejilla
Placas de
deflexión
vertical
Placas de
deflexión
horizontal
Pantalla
Fig. 2. Funcionamiento cualitativo del osciloscopio y sistema de ejes
considerado en su estudio. El haz electrónico, generado en el tubo de rayos
catódicos, recorre la trayectoria sinusoidal repetidas veces y a una velocidad tan
elevada que el ojo humano integra su repetición y produce la sensación de
persistencia.
El punto de la pantalla recorrerá el mismo camino si la entrada es periódica y la base
de tiempos sintoniza el barrido horizontal con la deflexión vertical. Es decir, el barrido
horizontal debe comenzar siempre en el mismo punto (pendiente y nivel de la señal
aplicada a las placas verticales). Si la señal es de frecuencia suficientemente elevada, el
barrido se produce a una velocidad suficiente como para que la imagen dé la sensación
de estar permanentemente pintada en la pantalla.
Del razonamiento anterior se intuye la necesidad de sincronizar las tensiones de
deflexión horizontal y vertical (el barrido, o señal de diente de sierra, debe comenzar
siempre en el mismo punto de la señal de entrada). De ahí que se aprecie en la figura 1 la
derivación de una parte de la señal del amplificador vertical hacia el circuito de disparo.
Cuando esto sucede, la fuente de disparo es interna. Más adelante se estudiarán las
distintas fuentes de disparo y su conveniencia.
El ejemplo 1 introduce, bajo una perspectiva experimental, la interpretación de los
parámetros de una señal visualizada en el osciloscopio y la necesidad de sincronismo
para lograr una imagen estable.
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Ejemplo 1. Visualización de las condiciones de funcionamiento de un osciloscopio empleando otro
osciloscopio.
En la figura Ej. 1 (a) se aprecia una señal senoidal de 8 Vpp, de 2 kHz sin acoplo de
continua visualizada en una expansión temporal horizontal de 1 ms; de ahí que se
visualicen 2 periodos de la señal (T=0,5 ms). Como hay diez divisiones horizontales,
esto significa que el ajuste del osciloscopio (a) es de 0,1 ms/div. La señal de barrido
(“diente de sierra”) del osciloscopio (a) abarca de un extremo al otro de su pantalla y
debe durar el tiempo de barrido, que es el tiempo de la duración del evento horizontal
visualizado, es decir, 1 ms. Esta señal se observa en el osciloscopio (b) en el que la
duración del recorrido temporal horizontal es de 5 ms.
Esto significa que en el instrumento (b), por cada división se registran 500 µs de evento
(A: 500 µs en la parte superior izquierda de la pantalla).
(a)
(b)
Fig. Ej. 1. (a) Señal en el osciloscopio 1. (b) Señal en el osciloscopio 2 con la señal de barrido
del osciloscopio 1.
Cada barrido (rampa creciente del diente de sierra) abarca el mismo recorrido temporal
de señal. La reiteración de la imagen produce en (a) la sensación estable. La zona de
tensión nula entre cada barrido se denomina “tiempo de retención” y en algunos
modelos puede hacerse variable con el fin de visualizar situaciones complejas.
2.4 Tubo de rayos catódicos. Componentes y principios operativos
Su misión consiste en generar un haz electrónico colimado y actuar sobre él de acuerdo
con las tensiones de desviación aplicadas a las placas de deflexión. Es un tubo de vidrio
sellado donde se ha practicado el alto vacío evacuando del aire de su interior. Esto es
necesario para que el haz electrónico posea un alto grado de colimación (concentración
de electrones en un área pequeña). En efecto, si un electrón encontrara una partícula en
su trayectoria, ésta se vería alterada y el haz se dispersaría.
Consta de un sistema de generación de electrones (cañón electrónico), unas lentes
electrostáticas para el enfoque, las placas de deflexión horizontal y vertical del haz
electrónico, un sistema de aceleración posterior (no en todos los modelos) y una pantalla
reticulada. Las conexiones de las placas de deflexión se realizan en la base del tubo si no
hay sistema de postaceleración. En caso de existir aceleración posterior se realizan en el
cuello o base del tubo.
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2.4.1 Generación termoiónica del haz electrónico y enfoque electrostático
La generación del haz se produce en el cañón; que consta de un cátodo que emite
electrones al calentarlo mediante un filamento (cátodo termoiónico), varios electrodos
de aceleración y controles de enfoque e intensidad. La figura 2 mostró la disposición de
estos elementos. La figura 3 ilustra el proceso de generación y colimación del haz
electrónico.
La rejilla de control de intensidad permite controlar el flujo de electrones (intensidad)
mediante la aplicación de un potencial negativo (amplificador del eje Z, mando
INTENSIDAD del panel del instrumento). El ánodo está a una tensión de varios miles
de voltios respecto del cátodo (entre 2 y 12 kV), esto permite acelerar los electrones que
emergen de la rejilla. Además posee una abertura de colimación del haz electrónico. La
relación entre la tensión de aceleración y la intensidad del haz electrónico no es
proporcional.
En los osciloscopios analógicos es recomendable aumentar el nivel de intensidad si
aumenta la velocidad de barrido, ya que se visualiza menos evento en una división
horizontal de la pantalla y la imagen puede perder persistencia.
Miles de voltios
Filamento
Ánodo, +
Haz
electrónico
colimado
Cátodo, -
Rejilla a
potencial
negativo
Hacia
lentes de
enfoque
Fig. 3. Generación termoiónica del haz. Los electrones que
salen de la rejilla son acelerados hacia el ánodo; otros no
sobrepasan la rejilla debido a la aplicación de un potencial
negativo de control de intensidad, que los rechaza.
El haz electrónico puede rotarse con el fin de alinearlo con el eje horizontal
(calibración del haz). Esto se consigue gracias a la acción de una bobina interna, que
produce un campo magnético corrector que, a su vez, compensa la acción perturbadora
de campos parásitos cercanos. Incluso el campo magnético terrestre es considerado en
aplicaciones que requieran elevada precisión.
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Fig. 4. Rotación del haz electrónico. Vista frontal de
la pantalla.
El sistema de enfoque electrostático está formado en esencia por lentes
electrostáticas, que actúan como ánodos directores del haz, permitiendo la convergencia
del haz emergente del primer ánodo. El control FOCO del panel frontal del
instrumento (que actúa sobre un potenciómetro) permite ajustar la mayor o menor
convergencia (colimación) del haz, aplicando una diferencia de potencial entre el cátodo
y los ánodos de aceleración/enfoque posteriores (o intermedios si se dispone de
aceleración posterior). Los osciloscopios de almacenamiento digital no necesitan este
control, ya que muestrean la señal una vez ésta abandona el amplificador vertical.
Los ánodos de enfoque aceleran el haz electrónico en la dirección perpendicular a la
pantalla (dirección longitudinal del tubo). En efecto, conforme el electrón atraviesa el
ánodo de enfoque (el de longitud mayor en la figura 2) cruza perpendicularmente las
superficies equipotenciales originadas por la aplicación del potencial de enfoque. En
consecuencia, al abandonar una superficie la velocidad normal a ella aumenta,
manteniéndose la velocidad tangencial. La figura 5 muestra la acción del enfoque
electrostático.
vn
-
+
vt
vt
-
vn’
E
Superficie
equipotencial
Fig. 5. Enfoque electrostático. La componente tangencial de
la velocidad del electrón no se ve alterada por la acción del
campo eléctrico. Sólo aumenta la componente normal a la
superficie, con el consecuente efecto de colimación del haz.
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2 Osciloscopios
Al aumentar sólo la componente normal de la velocidad del electrón (vn), se produce
la concentración de los electrones en una pequeña superficie transversal a la dirección
del flujo (colimación).
2.4.2 Placas de desviación del haz electrónico
El haz de electrones abandona el cañón y llega a las placas de deflexión. Existen dos
conjuntos de placas deflectoras colocadas perpendicularmente dos a dos. El haz
atraviesa primero las placas de deflexión vertical, que provocan la desviación del haz en
esta dirección (el sentido depende de la polaridad de la tensión de deflexión). Si no hay
tensión aplicada a las placas, el haz incide en el centro de la pantalla (si el instrumento
está bien calibrado y si el usuario no ha actuado sobre los mandos Y-POS y X-POS). La
deflexión producida es proporcional a la diferencia de tensión aplicada (por ejemplo,
entre 10 y 20 V aplicados a una pareja de placas para deflexionar 1 cm).
La entrada al instrumento es atenuada y amplificada en los circuitos de deflexión
vertical antes de aplicarse a las placas verticales. La desviación resultante se establece en
términos de divisiones (generalmente existen 8 divisiones verticales en la pantalla).
Las placas verticales se sitúan antes que las horizontales (éstas están más cercanas a la
pantalla), ya que a priori la tensión que van a soportar es desconocida y conviene que
ésta sea pequeña. Sin embargo, las tensiones aplicadas a las placas horizontales son
conocidas, como la tensión de barrido que genera el integrador del generador de
barrido, que alcanza siempre el mismo máximo.
Ajustando las tensiones continuas aplicadas a las placas (mandos Y-POS y X-POS) es
posible mover el centro de la onda formada hacia otra zona de la pantalla. Estas
tensiones son generadas por los circuitos internos de alimentación del instrumento.
El haz electrónico se desvía según una trayectoria parabólica entre las dos placas
verticales, por acción del campo eléctrico originado entre ambas. La desviación
producida es directamente proporcional a la tensión de deflexión, Vdef, e inversamente
proporcional a la tensión de aceleración entre los ánodos y el cátodo, Vac; además, la
deflexión producida en la pantalla viene dada en función de dimensiones propias del
tubo de rayos catódicos según la expresión:
Def =
L ⋅ l ⋅ Vdef
2d ⋅ Vac
Con el fin de estudiar el movimiento del electrón entre las placas verticales,
supongamos que la tensión de desviación vertical es continua (resultado de medir una
señal invariante en el tiempo) y que la polaridad de la placa superior supera a la de la
placa inferior. Una vez abandonadas las placas verticales, la trayectoria es rectilínea hasta
el punto de incidencia en la pantalla. La situación queda reflejada en la figura 6.
El factor de deflexión (Vdef /Def) se define como la tensión que es necesario aplicar a
las placas para producir una desviación unitaria en la pantalla (tensión por unidad de
longitud); es decir, es el campo eléctrico que provoca la desviación unitaria del haz
electrónico. Suele oscilar entre 10 y 100 V/cm (unidades de campo eléctrico; campo
eléctrico entre las placas verticales) según modelos, y debe producir la misma deflexión
en toda la superficie de la pantalla. El factor de deflexión es directamente proporcional a
la tensión de deflexión e inversamente proporcional a la longitud del tubo y a la longitud
de las placas. En consecuencia, determina las características de un tubo de rayos
catódicos.
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Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa
+
Deflexión en la
pantalla
d
Vdef
L
E
l
Fig. 6. Modificación de la trayectoria del electrón por acción de la tensión de deflexión vertical.
El diseño de las placas puede optimizarse según dos criterios. Por una parte, si se
desea una gran área de barrido se emplean placas inclinadas, que aumentan el ángulo de
salida máximo del haz electrónico. Por otra, la capacidad parásita asociada a las placas
aumenta a altas frecuencias (disminuye la reactancia del condensador que forman las
placas plano-paralelas); por ello, se emplean placas segmentadas y/o distribuidas.
Los elementos de aceleración posterior proporcionan al haz electrónico una energía
adicional que permite obtener un brillo suficiente en la pantalla cuando se aplican a las
placas tensiones deflectoras de alta frecuencia. Para ello, se aplica una tensión positiva
(del orden de kV) a la pantalla respecto del ánodo.
2.4.3 Pantalla y rejilla
La pantalla está cubierta en su lado interno de un material fotoemisor (fósforo
generalmente). La persistencia del material es el tiempo que tarda disminuir el brillo
original en un 90 %. En los modelos comerciales se emplean materiales con persistencia
media (fosforescente verde). Existen modelos con tubos de rayos capaces de mantener
la imagen en la pantalla durante varias horas después del trazado original. Son los
osciloscopios de almacenamiento o de memoria.
La figura 7 muestra el reticulado o rejilla, que constituye la escala gráfica de medida
del osciloscopio, generalmente externa al tubo de rayos. Consta de divisiones principales
y de subdivisiones (5 por cada división principal de las líneas centrales de la rejilla).
También existen marcas para medir los tiempos de subida y de bajada de señales.
Generalmente existen 8 divisiones verticales y 10 horizontales, con un ancho
aproximado de 1 cm. Además, incorpora marcas para medir la duración de los flancos
de señales (tiempos de subida y de bajada).
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2 Osciloscopios
100
90
10
0
Fig. 7. Diseño del reticulado de la pantalla de un
osciloscopio estándar.
2.5 Unidad de deflexión vertical
Su misión consiste en generar una señal a partir de la aplicada al canal vertical, que
reproduzca con exactitud a esta última en su trazado. Si se aplicaran directamente las
señales débiles a las placas deflectoras, no tendrían amplitud suficiente como para
producir la deflexión (es necesario aplicar entre 10 y 20 V para deflexionar 1 cm). En
consecuencia, los circuitos de deflexión vertical amplifican las señales débiles, incapaces
de producir por sí mismas desviaciones apreciables. Por otro lado, atenúan las señales de
amplitud elevada, que producirían desviaciones imposibles de visualizar en un espacio
confinado, como la pantalla (producirían la saturación del amplificador vertical).
2.5.1 Velocidad y ancho de banda. Mediciones de tiempos de subida
La unidad de deflexión vertical determina la velocidad (ancho de banda) del
osciloscopio, así como la impedancia de entrada del instrumento. En este apartado se
estudia la primera limitación práctica del instrumento y las reglas relativas al cálculo de
su ancho de banda.
Los aspectos fundamentales que debe recordar el usuario y que son relativos al ancho
de banda y a las sondas empleadas se resumen en las siguientes reglas experimentales.
2.5.1.1 Relación entre el tiempo de subida y el ancho de banda
El osciloscopio se aproxima con gran fidelidad a un sistema primer orden, con una
respuesta frecuencial de tipo paso-baja. Para estos sistemas, la frecuencia superior de
corte y el tiempo de subida de la respuesta a un escalón unitario (respuesta indicial)
verifican la relación aproximada:
fo⋅ts = 0,35
donde fo es el ancho de banda del instrumento y ts el tiempo de subida del canal vertical.
Esta relación indica que cuanto mayor es el ancho de banda del osciloscopio, más
capacidad posee el instrumento de capturar transitorios rápidos y flancos de subida
veloces.
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Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa
A partir del ancho de banda del osciloscopio, indicado en su hoja de características,
es inmediato calcular el tiempo de subida del canal vertical.
Ejemplo 2. El osciloscopio analógico HM 1004 tiene un ancho de banda de 100 MHz. Esto
significa que el tiempo de subida de cada uno de sus dos canales verticales es de:
ts =
0,35
0,35
= 8
= 3500 ps
f0
10 Hz
2.5.1.2 Tiempo de subida real. Fuentes de error
Al medir el tiempo de subida de una señal, y especialmente en la medida de pulsos o
transitorios rápidos, deben considerarse, además del propio tiempo del instrumento los
siguientes tiempos parásitos:
•
•
•
El tiempo de subida propio del osciloscopio,
el tiempo de subida de la sonda empleada, y
el tiempo de medida del circuito RC constituido por la resistencia de la fuente
(cuya señal es objeto de medida), y el circuito equivalente de la sonda y el
osciloscopio. Si la resistencia de la fuente es muy baja este último se suele
despreciar (como ocurre en muchas situaciones prácticas).
Con el fin de obtener errores en la medida de tiempos de subida inferiores al 5%, la
suma de los tiempos parásitos debe ser inferior a 1/3 del tiempo de subida de la señal de
interés. Para que los errores sean inferiores al 1% la suma de los tiempos parásitos debe
ser inferior a 1/7 del tiempo de interés. Si se verifica la primera condición (y, en
consecuencia, la segunda), una buena aproximación consiste en emplear la suma
cuadrática para el tiempo de subida de la señal medida:
t s2( medido) = t s2( señal ) + t s2( RC ) + t s2( osciloscopio ) + t s2( sonda)
Los dos últimos tiempos pueden proporcionarse en uno sólo, para el conjunto
osciloscopio-sonda, bajo el nombre de tiempo del sistema, ts(sistema),
t s2( sistema) = t s2(osciloscopio ) + t s2( sonda)
Si el fabricante proporciona el tiempo de subida del instrumento, es necesario buscar
el tiempo de la sonda entre las características de ésta. Este último suele expresarse en
términos conservadores (la hoja de características proporciona un máximo); una buena
opción consiste en tomar el primer número entero inferior al máximo.
En la práctica, el tiempo de subida se mide utilizando las marcas porcentuales del 10
y del 90 % de la pantalla del osciloscopio. La figura 8 muestra una medición práctica.
14
JJGDR-UCA
2 Osciloscopios
Fig. 8. Medida de un tiempo de subida de una señal
cuadrada. Se observa también el tiempo de estabilización.
Ejemplo 3. El osciloscopio analógico HM 604 tiene un ancho de banda de 60 MHz. Se emplea la
sonda HZ51 (con un tiempo de subida < 2,4 ns) para medir el tiempo de subida de una señal cuadrada;
resultando que en la posición de la base de tiempos correspondiente a 0,2 µs/div se contabilizan 1,7
divisiones horizontales entre las marcas del 10 % y del 90 % de la señal. Calcular el tiempo de subida de
la señal aplicada al osciloscopio.
El tiempo de subida del osciloscopio es:
ts =
0,35
60 ⋅ 106 Hz
≅ 5,83 ns
El tiempo de subida de la sonda se considera con efectos prácticos 2 ns. El tiempo de
subida medido en la pantalla del instrumento es: 1,7 div ⋅ 0,2 µs/div = 0,34 µs. En
consecuencia, el tiempo de subida de la señal (originada por ejemplo en un generador de
funciones) se calcula empleando la expresión de la suma cuadrática:
t s ( señal ) = t s2( medido) − t s2( osciloscopio) − t s2( sonda) =
(0,34 µs )2 − (5,83 ns )2 − (2 ns )2
Operando, resulta:
t s ( señal ) = 0,1156 ⋅10 −12 − 37,9889 ⋅10 −18 = 1,1556201 ⋅10 −13 ≅ 3,3994413 ⋅10 −7 s ≈ 0,34 µs
El resultado muestra que para señales lentas, la medida realizada refleja con gran exactitud
el tiempo de subida de la señal bajo test. Para transitorios rápidos, del orden de
nanosegundos, los tiempos de subida del osciloscopio y de la sonda deben considerarse
en el cálculo.
JJGDR-UCA
15
Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa
La relación empírica entre el tiempo de subida y el ancho de banda también se
emplea para estudiar el conjunto sonda-osciloscopio.
Ejemplo 4. Los modelos de la familia de osciloscopios HP Infinium se caracterizan con sondas HP
compatibles. Por ejemplo, al configurar el modelo HP 54845A con la sonda pasiva 10:1 de 500 Ω,
HP1 1163A, el conjunto ofrece un ancho de banda de 1,5 GHz.
El tiempo de subida del conjunto osciloscopio-sonda es:
ts =
0,35
1,5 ⋅ 10 Hz
9
−
= 2, 3⋅ 10 −10 s ≅ 233 ps
La capacidad de adaptación de la sonda resulta fundamental en las mediciones de
tiempos de subida pequeños. El siguiente ejemplo muestra cómo una combinación lenta
de osciloscopio-sonda puede introducir errores intolerables.
Ejemplo 5. Se realiza la medida del tiempo de subida de una señal con un tiempo de subida real de 1
ns. El tiempo de subida de carga debido a la resistencia de la fuente es de 800 ps, y se utiliza una
combinación osciloscopio-sonda con el mismo tiempo de subida. Obtener la desviación de la medida.
El tiempo de subida medido es:
t s ( medido) = t s2( señal ) + t s2( RC ) + t s2( sistema) =
(1 ns )2 + (800 ps )2 + (800 ps )2
Operando, resulta:
t s ( medido ) =
(1 ns )2 + (0,8 ns )2 + (0,8 ns )2
≅ 1,5099669 ns ≈ 1,5 ns
Resulta pues que el error absoluto ((valor medido-valor verdadero)/valor
verdadero)cometido es:
Error =
t s ( medido) − t s ( señal )
t s ( señal )
⋅ 100% =
1,5 ns − 1 ns
.100% = 50%
1 ns
En consecuencia, la combinación osciloscopio-sonda elegida es inadecuada para la
medida.
2.5.2 Elementos y circuitos del sistema de deflexión vertical
La unidad de deflexión vertical consta de los siguientes circuitos:
1.
2.
3.
4.
1
Selector del acoplamiento de la señal de entrada.
Atenuador compensado.
Preamplificador.
Amplificador principal (diferencial) de deflexión.
Ahora Agilent
16
JJGDR-UCA
2 Osciloscopios
5. Línea retardadora.
El diagrama de bloques de la Fig. 9 representa la cascada anterior de circuitos:
Acoplamiento
Atenuador
Pre-amplificador
Amplificador
Principal
Placas
verticales
Fig.9. Elementos de la unidad de deflexión vertical.
2.5.2.1 Selector del tipo de acoplamiento
Este circuito proporciona flexibilidad al osciloscopio, ya que permite ver una señal con
o sin su nivel de acoplo de CC (posiciones DC y AC respectivamente), o visualizar una
línea horizontal en la pantalla con el fin de calibrar el instrumento o de reestablecer el
origen de coordenadas original, después de haber desplazado verticalmente una señal.
La figura 10 muestra el esquema eléctrico del selector de acoplamiento.
Admitancia de entrada
del instrumento
1 M Ω25 pF
CA
Tierra
CC
Conector BNC donde
se conecta la sonda
Al atenuador de
entrada
Efecto del mando
externo
Tierra del
osciloscopio
Fig. 10. Selector del tipo de acoplamiento.
A menudo es necesario visualizar una señal sin su nivel de continua (CC o DC), ya
que éste puede ser elevado y poco relevante, como por ejemplo el nivel de acoplo de la
señal de rizado de fuentes de alimentación, si estamos interesados en medir el rizado. La
posición AC, de bloqueo de continua, logra este objetivo, proporcionando
consecuentemente mayor resolución a las medidas, ya que el atenuador puede situarse
en posiciones bajas, menos voltios en una división. Sin embargo, las señales de baja
frecuencia pueden ser atenuadas de manera no deseable, ya que la señal de entrada pasa
por un condensador, cuya reactancia a estas frecuencias es elevada y absorbe gran parte
de la tensión aplicada.
En la posición DC la señal de entrada se conecta directamente al atenuador, y la señal
se muestra en la pantalla con su nivel de acoplamiento.
La posición GND suministra 0 V al circuito atenuador y su efecto es una línea
horizontal en la pantalla. Suele emplearse esta última para calibrar el haz electrónico sin
desconectar la sonda del circuito objeto de medida, ya que la tierra permite la rápida
descarga de los condensadores del circuito de atenuación.
JJGDR-UCA
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Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa
2.5.2.2 Atenuador compensado
Su misión consiste en disminuir la amplitud de la señal de entrada antes de que ésta pase
al preamplificador. La atenuación, conmutador del panel frontal V/div, debe ser la
misma para cualquier frecuencia de entrada dentro del ancho de banda del osciloscopio,
de ahí el atributo compensado. Una red de asociaciones resistencia/capacidad en paralelo
determina todas las posibles atenuaciones. Cada asociación se diseña de forma que su
constante de tiempo iguale la del circuito de entrada. De esta forma se consigue
atenuación constante en todo el ancho de banda.
En los modelos comerciales la inexactitud máxima de la relación de atenuación suele
ser del 3 %.
2.5.2.3 Preamplificador y amplificador principal
Estos dos elementos suelen diseñarse de manera conjunta para dar una ganancia fija
(entre 1000 y 2000). Esto permite soslayar los problemas derivados de la estabilidad y
ancho de banda, ya que el compromiso ganancia/ancho de banda se resuelve por igual
para todas las señales. Sin embargo, el instrumento suele incorporar un ajuste fino de
ganancia, GAIN VERNIER (situado generalmente en el centro del mando de control
de sensibilidad), que permite lograr ganancias intermedias entre las establecidas por el
atenuador.
La tensión de salida del amplificador de deflexión y la tensión de entrada están
relacionadas mediante la siguiente expresión:
Vdef = A ⋅ K ⋅ Vent
donde K es la ganancia de las etapas de amplificación (preamplificador y amplificador
principal) y A es la atenuación seleccionada. El diseño de la cascada formada por el
atenuador, el preamplificador y el amplificador principal determina el rango dinámico (o
margen de amplitudes de entrada) del instrumento. El ejemplo 6 muestra el empleo del
concepto de rango dinámico.
Ejemplo 6. Un osciloscopio posee un rango dinámico de 1000:1. La tensión de deflexión puede
oscilar entonces entre la obtenida para un factor de atenuación máximo y la situación
de “puenteo” del atenuador
1
⋅ 1000 ⋅ Vent = Vent
1000
= 1 ⋅ 1000 ⋅ Vent = 1000Vent
Vdef = A ⋅ K ⋅ Vent =
Vdef = A ⋅ K ⋅ Vent
Con efectos prácticos, los amplificadores se diseñan en términos de sensibilidad. Es
decir, se especifica la amplitud de la señal de entrada equivalente a una división
principal. Suelen establecerse secuencias de sensibilidad. Por ejemplo, 1, 2, 5, 10, … En
general, las distintas posiciones de sensibilidad abarcan desde 2 mV/div hasta 10 V/div.
El amplificador final de deflexión es un circuito diferencial. Se escoge esta topología
para aumentar el margen de linealidad y el CMRR.
La adición de tensiones continuas a la señal, para variar su posición en la pantalla, se
realiza mediante un control accesible desde el panel frontal, POSICIÓN VERTICAL.
18
JJGDR-UCA
2 Osciloscopios
2.5.2.4 Línea retardadora
La señal que es objeto de medida entra en los circuitos de deflexión vertical y horizontal.
En este último la señal es procesada por los circuitos de base de tiempos que generan un
retardo en el comienzo del barrido respecto de la señal aplicada a las placas de deflexión
vertical. Como quiera que la señal no aparece en la pantalla hasta que no comienza el
barrido, el retardo generado impediría la visualización de la primera zona de la señal. Por
ello, se intercala una línea de retardo entre el amplificador de deflexión vertical y las
placas verticales.
Existen dos tipos de elementos de retardo: cable coaxial y circuito impreso. Las
tarjetas impresas son más ventajosas, ya que pesan menos, son menos voluminosas y
proporcionan buena fiabilidad y estabilidad.
2.5.2.5 Doble trazado de señales
Son numerosas las aplicaciones que requieren la visualización simultánea de dos señales.
Por ejemplo, medir el desfase que introduce un circuito a una entrada sinusoidal; o la
distorsión producida por un amplificador.
Se utilizan dos técnicas para lograr el trazo doble. Los osciloscopios de dos haces poseen
dos cañones de electrones o un cañón que genera dos haces, y dos asociaciones de
placas deflectoras verticales. Debido a que son de menor coste, es más frecuente
encontrar osciloscopios de doble trazo, en los que se requiere un solo cañón y un solo
conjunto de placas deflectoras verticales. Éstos logran la doble traza realizando
conmutaciones electrónicas entre los preamplificadores de cada canal y un amplificador
de deflexión vertical común. La conmutación puede realizarse en el modo
ALTERNATE (alternado), representando alternativamente la salida de un canal en cada
barrido; o en el modo CHOPPER (muestreado), en el que se toma una porción de cada
canal a lo largo de un barrido.
La figura 11 muestra la diferencia entre ambos modos de funcionamiento. A partir de
las señales originales (a) y (b), y considerando la tensión de barrido (c), se obtienen las
situaciones de muestreo (d) y (e), de barrido alternado (f) y (g).
El modo alternado se emplea para velocidades de barrido altas, mientras que el modo
muestreado se usa para señales de frecuencias menores. El paso de un modo de
funcionamiento a otro se suele producir automáticamente. Cuando la base de tiempos
(TIME/div) es inferior a un valor, que suele ser 500 µs/div, se emplea el modo
alternado; cuando se supera aproximadamente 1 ms/div se pasa al modo de muestreo.
Recordemos como regla práctica, que al disminuir el tiempo por división, es menor el
tiempo que tarda en recorrer la pantalla el haz electrónico, el barrido dura menos; en
consecuencia, la velocidad de barrido es mayor. Recuerde, menos tiempo horizontal
supone una mayor velocidad de barrido. Así en el modo muestreado, durante un barrido
(que dura mucho) se muestrean puntos de los dos preamplificadotes, y tenemos
suficiente evento de señal en la pantalla.
Como, una velocidad de barrido elevada corresponde a poco evento por división y es
la apropiada para capturar señales de alta frecuencia; parece lógico pues que este modo
de operación no conmute entre preamplificadores de los dos canales durante un barrido,
ya que la frecuencia de la señal podría superar la velocidad de conmutación entre canales
en el modo de muestreo.
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19
Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa
(a)
(b)
Retención
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
Fig. 11. Diferencias entre los modos de funcionamiento ALT y
CHOP. (a) y (b) son las señales reales, (c) es la señal de barrido,
(d) y (e) son las señales en modo muestreado, y (f) y (g) en modo
alternado.
20
JJGDR-UCA
2 Osciloscopios
Ejemplo 7. En el modelo HM 1004, desde 500 ms/div a 500 µs/div (ambos inclusive) se
utiliza el modo de muestreo; desde 200 µs/div a 50 ns/div se utiliza el modo alternado
de representación. En consecuencia, desde 500 ms/div a 500 µs/div se consideran
velocidades de barrido bajas; y desde 200 µs/div a 50 ns/div se consideran velocidades
de barrido elevadas (el haz electrónico tarda muy poco en atravesar la pantalla).
HM 1004: Subdivisiones de la base de tiempos principal.
500 ms/200 ms/100 ms/50 ms/20 ms/10 ms/5 ms/2 ms/1 ms/500 µs
CHOP: velocidades de barrido bajas
ALT: velocidades de barrido altas
200 µs/100 µs/50 µs/20 µs/10 µs/5 µs/2 µs/1 µs/ 500 ns/200 ns/100 ns/50 ns
Recuerde, una velocidad de barrido elevada corresponde a poco evento por división
y es la apropiada para capturar señales de alta frecuencia; parece lógico pues que en este
modo de operación no se conmute entre preamplificadores de los dos canales, ya que la
frecuencia de la señal podría superar a la velocidad de conmutación entre canales y no
producirse la correcta visualización.
2.6 Unidad de deflexión horizontal
Los circuitos de esta unidad realizan dos funciones excluyentes. Por una parte, se
encargan de desplazar a velocidad constante y de izquierda a derecha el haz electrónico
en sincronismo con la señal procedente de los circuitos de deflexión vertical. En este
caso determina el eje temporal, y el modo de funcionamiento se denomina Y-t; en él se
observa la variación de una señal de entrada en función del tiempo. Por otra, permite
representar con fidelidad una señal de entrada; la señal de un canal se aplica a las placas
verticales y la que se inyecta al otro canal se aplica a las horizontales, dando lugar a las
figuras de Lissajous, en el modo de operación X-Y. Este modo de operación es de interés
en la medida de desfases y en la caracterización de componentes activos y pasivos.
La figura 12 muestra el diagrama de bloques de esta unidad del osciloscopio. Consta
en esencia de dos subsistemas: el amplificador de deflexión horizontal y los circuitos de
la base de tiempos. A su vez, ésta se compone del generador de barrido y el circuito de
disparo.
La figura 13 muestra las señales generadas por cada bloque funcional y su acción en
la visualización de una señal. Sólo la zona de la señal de interés (a) comprendida dentro
del ancho de la rampa creciente (señal de barrido, d) se visualiza en la pantalla. La
pendiente de la señal de barrido se controla desde el exterior con el mando TIME/div.
Durante el tiempo de blanqueo (o supresión del haz de retorno), se apaga el haz
electrónico, impidiendo que regrese de derecha a izquierda de la pantalla. La señal
compuesta de impulsos de disparo (b) es la que determina el comienzo de cada nuevo
barrido. Este punto de comienzo deber ser siempre el mismo, con el fin de producir en
la pantalla una imagen estable; a esta acción se le denomina sincronismo. El punto de
disparo viene determinado por la tendencia y el nivel de la señal de entrada. En la figura
12, se emite cada pulso de (b) cuando la señal (a) crece y alcanza la amplitud marcada.
JJGDR-UCA
21
Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa
Placas Horizontales del
Osciloscopio
Unidad de
Deflexión
Vertical
Señal
Externa de
Disparo
Circuito de
Disparo
-
+
Generador
de Barrido
Amplificador Diferencial de
Deflexión Horizontal
Disparo de Red,
interno al
instrumento
Conmutador externo de
Tiempo/división TIME/div
Fig. 12. Diagrama de bloques de la unidad de deflexión horizontal.
(a)
(b)
(c)
(d)
Blanqueo o
supresión del
haz de retorno
Retención
Fig. 13. Señales involucradas en la unidad de deflexión horizontal. La salida
del circuito de disparo (c) se produce en cada flanco de subida del impulso
que la provoca.
Durante el tiempo de retención se inhibe el circuito de disparo, hasta el próximo
barrido; esto permite la descarga del condensador del circuito “integrador Miller” que
constituye el generador de barrido. Mediante el mando HOLD-OFF (retención) algunos
modelos pueden hacer que el tiempo de retención varíe; esto permite obtener imágenes
estables en situaciones complejas, como cuando una señal posee varias componentes de
frecuencia. Esta situación viene representada en la figura 14. En ella se aprecia que es
22
JJGDR-UCA
2 Osciloscopios
necesario un aumento del tiempo de retención para que la imagen correspondiente a la
frecuencia lenta de la señal sea estable.
Desplazamiento
del comienzo del
siguiente barrido
Fig. 14. Situación que muestra el empleo del mando externo HOLD OFF para
visualizar una señal modulada en frecuencia. Las flechas de punta gruesa indican
puntos de disparo que inician barridos.
La primera señal de barrido no logra producir imagen estable debido a que los
recorridos de los sucesivos barridos encierran distintas zonas de la señal. En el abarrido
inferior, se aumenta el tiempo de retención para sincronizar el siguiente barrido en la
misma zona de recorrido horizontal.
Con el fin de considerar otro supuesto práctico del ajuste variable del tiempo holdoff se estudia la Fig. 15. En ella se aprecia que si la señal que es objeto de medida tiene
una forma compleja, como por ejemplo el caso de una señal suma de dos o más
frecuencias que se repiten, entonces el ajuste del disparo se complica. Vemos en este
caso que el tiempo variable es de gran ayuda ya que es capaz de variar el retardo entre
dos barridos consecutivos, con el fin de conseguir una imagen estable.
La sub-figura 1 muestra la situación con el mando girado a la derecha. Como se
visualizan diferentes pares de un periodo no aparece una imagen estable. Es decir,
aparece una “doble imagen”, una señal con una frecuencia en un barrido y la otra señal
u otra frecuencia, en el siguiente barrido. Esto evidencia una falta de persistencia, o
imagen inestable. En la sub-figura 2 el tiempo hola-off se ha ajustado de forma que
siempre se visualizan los mismos tramos del periodo; por ello aparece una imagen
estable.
JJGDR-UCA
23
Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa
Fig. 15. Situación que muestra el empleo del mando
externo HOLD-OFF. En algunos manuales aparece
explícitamente la frase “tiempo variable hold-off”,
como el de HAMEG, cuya cortesía nos permite esta
figura, extraída del manual del HM 604.
2.6.1 Amplificador de deflexión horizontal
Cuando el osciloscopio trabaja en el modo de representación X-Y, amplifica una señal
externa, para posteriormente ser aplicada a las placas horizontales del tubo de rayos
catódicos. En este modo de funcionamiento el osciloscopio muestra el resultado de
componer la variación de una señal mostrada en la dirección vertical, con otra, que se
muestra en dirección horizontal.
El amplificador horizontal procesa pues dos tipos de señales, en función del modo
de funcionamiento. En el modo X-Y amplifica una señal externa, y en el modo Y-t una
señal en forma de "diente de sierra", proveniente del generador de barrido, cuya función
consiste en mover el haz electrónico de izquierda a derecha de la pantalla a velocidad
constante.
Las características de ganancia y ancho de banda deben ser semejantes a las del
amplificador vertical (dado que procesa también señales externas). Un aumento de
ganancia permite aumentar la resolución del eje temporal del instrumento sin accionar la
base de tiempos TIME/div, que también altera el punto de disparo, con el consiguiente
riesgo de perder la captura de eventos complejos. Esto se consigue desde el panel
frontal con el mando MAGNIFIER o X MAG. (X10). Algunos modelos permiten el
ensamblaje de unidades adicionales que permiten aumentar aún más la resolución
horizontal.
Este circuito es capaz de añadir a la señal generada un nivel de continua que permite
variar su posición horizontal sobre la pantalla. Esto se consigue mediante el control
externo POSICIÓN HORIZONTAL.
2.6.2 Generador de barrido
Este circuito, basado en un “integrador Miller” (un condensador se carga a corriente
constante), produce una señal en forma de diente de sierra cuya pendiente determina el
24
JJGDR-UCA
2 Osciloscopios
número de ciclos de la señal de entrada que se muestran en la pantalla. La rampa
generada provoca el desplazamiento del haz de izquierda a derecha y es el resultado de
integrar un escalón de tensión proveniente del circuito de disparo. Durante el intervalo
de descenso (desde el final de la rampa hasta que la tensión del integrador es cero) el
punto regresa rápidamente al lado izquierdo de la pantalla sin trazar este camino de
vuelta en el fósforo. Esta supresión del haz de retorno la realiza otro bloque funcional, el
amplificador de puerta o de eje Z.
La velocidad de barrido, pendiente de la rampa creciente, se establece variando el
condensador del integrador Miller. Esta variación es la que provoca el usuario
accionando el mando externo TIME/div.
Cuando finaliza un barrido debe darse tiempo al condensador para que evacue su
carga, para, de esta forma, comenzar el siguiente en el mismo punto. Esto se consigue
inhibiendo el circuito de disparo con un pulso de retención, que varía en función de la
selección establecida en la base de tiempos. Casi todos los osciloscopios incorporan un
mando externo, HOLD-OFF, que permite variar la duración del pulso inhibidor,
independientemente de la posición TIME/div. Esto permite la visualización de señales
que, aún siendo periódicas, poseen varios ciclos o, en general, son complejas. Sirva
como ejemplo una señal senoidal de amplitud decreciente hasta un instante, en el que
comienza a crecer de nuevo con el mismo ritmo de crecimiento.
2.6.3 Circuito de disparo
Este circuito genera el pulso que posteriormente procesa el integrador. En su ausencia,
sólo se trazaría una señal estable si la duración de la rampa más el pulso de retención
fueran submúltiplos del período de la señal de entrada.
2.6.3.1 Funcionamiento y fuentes de disparo
La señal de disparo (entrada del circuito) puede ser interna (INT) (derivada de uno de
los canales verticales) o externa (EXT) (independiente de los canales verticales).
En esencia, la topología empleada es un comparador. En una de sus terminales se
conecta la señal que provoca el disparo, interna o externa, y en la otra una tensión
continua que establece el nivel de disparo (control externo LEVEL). Cuando la señal
causante del disparo alcanza el nivel fijado se genera un pulso que dura hasta que vuelve
a superarlo en el otro sentido. En caso de seleccionar un disparo exterior la señal
causante pasa por un atenuador de entrada, que evita saturaciones internas y, además,
sirve de filtro de señales de ruido. Si la fuente de disparo se toma de uno de los canales
verticales, la señal ha sido afectada previamente por el selector y el atenuador del canal
vertical correspondiente.
El interruptor exterior SLOPE permite conmutar entre las pendientes de disparo
positiva y negativa. Esto significa que podemos fijar el comienzo de barrido en tramos
ascendentes o descendentes de la señal de entrada. Por ejemplo, si se establece la
posición SLOPE +, y el nivel de disparo es 100 mV, cada vez que la entrada alcance este
nivel en un tramo ascendente se generará un pulso de disparo que provocará una rampa
de barrido.
El ejemplo anterior ilustra la necesidad de sincronizar la señal de entrada y la de
disparo para lograr una imagen estable en la pantalla. En caso de ser el disparo interno, el
más común, es fácil lograr la sincronización, ya que la señal de disparo es la de entrada,
tomada del amplificador de deflexión vertical. En esta situación, la misma señal de
JJGDR-UCA
25
Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa
entrada inicia la señal de barrido y el primer punto de la señal que aparece en la pantalla
corresponde al que iguala el nivel y la pendiente de disparo seleccionados. La única
restricción en este caso consiste en que la señal de entrada debe tener la suficiente
amplitud como para desviar el haz electrónico de acuerdo con la sensibilidad
seleccionada en el atenuador y para producir el pulso de disparo.
En casos desfavorables o que requieran otro tipo de sincronismo, se emplea el disparo
externo (borne EXT. TRIGGER). Por ejemplo, se suele emplear para medir diferencias
de fases entre dos señales senoidales de la misma frecuencia.
Casi todos los osciloscopios permiten que la señal de red de 50 ó 60 Hz actúe como
fuente de disparo. En este caso se habla de disparo de red o de línea, que se suele emplear
cuando las señales a observar son de frecuencias múltiplos de la de red.
De lo anterior de concluye que la selección de disparo supone el establecimiento del
modo de acoplamiento de la señal de disparo (AC, DC, LF, HF, red+), la pendiente
elegida (+,-) y la fijación de un nivel de comienzo del barrido.
2.6.3.2 Modos de operación
Se refieren a la repetición de los barridos establecida por el interruptor de nivel de
disparo. El modo usual de funcionamiento es el AUTO, que es el más apropiado para la
mayor parte de las representaciones. En él, el generador de pulsos emite un pulso de
disparo siempre que la señal de disparo pase por cero. La señal de disparo se acopla en
AC al generador de pulsos y debe tener una amplitud mínima de 0,5 divisiones.
Este modo tiene la peculiaridad de que permite obtener un trazo visible incluso si no
hay señal aplicada al canal vertical. Es decir, si no hay señal aplicada al generador de
pulsos o si la que recibe es muy débil, se continúa disparando de forma automática la
señal de barrido. Por esta razón, cuando no hay señal en el canal vertical y se selecciona
este modo, aparece una línea horizontal en la pantalla.
El modo auto se basa en un tiempo de espera constante, de forma que si al cabo de
un tiempo no se ha producido ningún barrido, se inician barridos sucesivos. Cuando
está presente una señal de disparo se acaba el barrido en curso y se inicia el siguiente,
provocado por esta señal.
En el modo NORMAL el instante de disparo viene dado por el nivel seleccionado y
el barrido no comienza hasta que se alcanza dicho nivel.
El modo de disparo SINGLE (disparo único) es propio de osciloscopios de
memoria. Se realiza un solo barrido y después no se aceptan más impulsos de disparo
hasta que no se pulse el control de borrado (RESET). Este modo de funcionamiento
permite capturar transitorios o fenómenos no repetitivos de la señal que sepamos
cuándo se van a producir, como por ejemplo la medida del “rebote de un conmutador”.
2.6.3.3 Doble base de tiempos
Cada vez son más los fabricantes que incorporan esta función incluso al más básico de
sus modelos de osciloscopios analógicos. La doble base temporal permite ampliar una
porción de señal y visualizar este tramo ampliado junto al original. Esto permite
aumentar la resolución de las medidas, estableciendo el lugar exacto de donde fue
extraída la muestra.
Por otra parte, ya que el punto de disparo está siempre al comienzo del trazo, sólo se
puede realizar desde este punto una expansión horizontal (X10) de la señal. Algunas
26
JJGDR-UCA
2 Osciloscopios
partes de la señal, que se presentaban con anterioridad más a la derecha, ya no son
visibles en muchas ocasiones. La base de tiempos retardada soluciona estos problemas.
Las bases de tiempo se denominan principal (A) y retardada (B). La primera es una
base de tiempos normal. La retardada comienza su barrido un tiempo después (tiempo
de retardo) del comienzo del barrido principal. La opción de disparo de red no está
disponible.
El nivel de disparo de la base retardada determina el retardo, y se establece con un
potenciómetro multivuelta. El tiempo de retardo depende de la posición del atenuador
TIME/div (común para las dos bases pero con funcionalidad doble) de la base
principal. A partir del punto de disparo de la base A, la base B puede retardar el
comienzo del barrido. De esta forma, el disparo retardado puede iniciarse en cualquier
punto del período de la señal. Esto permite presentar, en comparación a la presentación
de la base A, el segmento de tiempo que sigue al inicio del disparo de la base B muy
ampliado, aumentando la velocidad de deflexión (se reduce el coeficiente de tiempo).
A medida que se expande la imagen se reduce la luminosidad que, por otra parte, es
graduable.
Existen distintas opciones de representación de las señales de las dos bases de
tiempos:
•
•
•
La ofrecida por el barrido retardado: Se observa la señal correspondiente a la
base B. Su intensidad es considerable, ya que se suma una tensión a la señal que
va al eje Z.
El modo alternado de las dos bases: Se alternan el barrido principal y el
retardado. La base principal aparece intensificada en la zona que se va a ampliar.
Al final del barrido principal el amplificador de deflexión horizontal se conmuta
a la base retardada. Simultáneamente, se suma una señal continua al amplificador
vertical. De esta forma, aparecen los dos canales en la pantalla.
Realización de un barrido mixto: Cuando se alcanza el disparo de la base
retardada, es ésta asume el control de la velocidad de barrido.
El ejemplo 8 muestra el manejo y presentación de la imagen en un osciloscopio con
doble base de tiempos.
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Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa
Ejemplo 8. Una señal triangular de 0,8 Vpp, valor medio nulo y 1 kHz de frecuencia se conecta al
CH1, con acoplo CC, de un osciloscopio analógico con doble base de tiempos. El ajuste del disparo es
TR: Y1, flanco negativo, AC y la base principal A se sitúa en 200 µs/div. Se activa la doble base de
tiempos, y se ajusta el potenciómetro de retardo, delay time (Dt), a 500 µs. B: 100 µs/div. El
osciloscopio posee 10 divisiones horizontales y 8 verticales. En las situaciones de doble barrido (ALT)
representar la situación de medida.
En la figura Ej. 8 se presentan los ajustes involucrados en la situación de medida.
Fig. Ej. 8. Situación de medida.
El tiempo horizontal para la base A es de 2000 µs = 2 ms; lo que representa dos
periodos de la entrada. Para la base retardada B, el tiempo horizontal es de 1000 µs = 1
ms; un periodo.
El barrido retardado (B) comienza 500 µs después de haberse iniciado el barrido
principal (A). El tiempo de retardo se aprecia en la base principal como la mitad del
primer periodo de la señal trazada por la base A. La duración del barrido retardado se
aprecia en las marcas se señalización horizontal de la pantalla. Entre estas marcas y
empezando por la izquierda vemos ½+1+1+1+1+½ = 5 divisiones, que suponen 500
µs, según el ajuste de la base B (100 µs/div).
El resto de los ajustes del osciloscopio se aprecian también en la pantalla.
2.7 Sondas del osciloscopio
Detectan la señal a medir en el circuito bajo test. Esta función debe en teoría realizarse
sin efecto de carga. En la práctica sabemos que esto no sucede. En efecto, por una parte
hemos visto que las medidas de tiempos subida deben corregirse incorporando el
tiempo de subida de la sonda. Por otra, la impedancia de la sonda es de considerar en el
error por carga.
El cabezal de la sonda contiene los circuitos electrónicos encargados de capturar la
señal; estos circuitos pueden ser activos o pasivos. Casi siempre se emplea un cable
coaxial para transmitir la señal desde la punta de la sonda al instrumento. El cable
coaxial es capaz de transmitir sin distorsión señales de alta frecuencia. Esto significa que
el acho de banda de la sonda debe igualar al menos al del instrumento.
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2 Osciloscopios
Las sondas pasivas son las más se emplean. Se distingue entre sondas pasivas X1 y
sondas pasivas X10 o atenuadoras con compensación. Las primeras sólo se utilizan en
aplicaciones de bajas frecuencias ya que a altas frecuencias la impedancia de entrada del
osciloscopio disminuye drásticamente; por el contrario, las sondas atenuadoras
aumentan la impedancia de entrada del instrumento extendiendo el ancho de banda del
mismo.
La Fig. 16 muestra los tres circuitos involucrados en la medida con sondas, con el fin
de cuantificar el efecto de la compensación:
Cs
Ri = 0
Vi
Rs
Ve
Re
Ce
Ccable
Fig. 16. Circuitos equivalentes de la fuente de señal, la sonda, el cable
coaxial y el circuito de entrada (impedancia de entrada) del
osciloscopio, respectivamente.
Se escoge Rs =9Re; con ello, la impedancia de entrada en CC aumenta 10 veces. De esta
forma, en CC:
Ve =
Vi
Vi
V
⋅ Re =
⋅ Re = i
Rs + Re
9 Re + Re
10
Esta atenuación debe mantenerse en CA. Para ello, si se define la capacidad paralelo Cequ
= Ce + Ccable, y se escoge Cs = (1/9)Cequ, se obtiene:
Ve =
Z equ
Z s + Z equ
Re
1 + jwReCequ
⋅ Vi =
⋅ Vi
Rs
Re
+
1 + jwRsCs 1 + jwReCequ
Atendiendo a las dos constantes de tiempo, se observa que coinciden:
1
τ s = Rs ⋅ C s = 9 Re ⋅ C equ = τ equ
9
En consecuencia, la división de tensiones anterior no depende de la frecuencia. Se ha
producido el efecto de compensación; es decir, la compensación consiste en igualar las
constantes de tiempo del circuito de entrada (incluyendo la capacidad del cable coaxial)
y del circuito de la sonda del osciloscopio.
La compensación en las sondas se realiza girando el potenciómetro de ajuste (trimmer)
que hace variar el valor del condensador interno. Las situaciones extremas fuera de
calibración se muestran en la Fig. 17.
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Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa
Fig. 17. (a) Sonda subcompensada.
(b) Sonda sobrecompensada.
2.8 Osciloscopios de almacenamiento digital
No hace demasiado tiempo la elección de un osciloscopio se basaba en el ancho de
banda y en el número de canales. El desarrollo de dispositivos de almacenamiento y de
convertidores analógico/digitales permitió su incorporación en los osciloscopios,
introduciendo dos nuevos niveles de decisión al usuario: la profundidad de memoria y la
máxima frecuencia de muestreo. Estos dos factores determinan la calidad de la imagen
representada. El primero determina la resolución y la precisión de la medida; el segundo
el ancho de banda del instrumento. En esta sección se analiza la combinación de los
parámetros frecuencia de muestreo, profundidad de memoria y expansión temporal de
pantalla, con el fin de estudiar cómo afectan a la medida.
2.8.1 Principios de la conversión analógica a digital
El convertidor analógico/digital (CAD) del instrumento muestrea, cuantifica y codifica
la señal analógica de tensión capturada durante cada barrido realizado por la unidad de
deflexión horizontal. Cada muestra viene codificada con un número de bits dado por la
resolución del CAD, y se almacena en una de las direcciones de una memoria RAM de
transferencia rápida. El número de los puntos utilizados para reconstruir la señal en la
pantalla se denomina registro. La Fig. 18 muestra el proceso de muestreo, el significado
del almacenamiento de los datos en memoria., y la reconstrucción posterior de la señal
digitalizada.
Una vez digitalizada la señal, el contenido de la memoria puede transferirse a
dispositivos exteriores según distintos formatos de salida. Los formatos más comunes
son en RS232 y en IEEE488. También pueden operar en modo analógico. El paso de
un modo de funcionamiento a otro se realiza pulsando el botón de almacenamiento,
accesible desde el panel frontal del instrumento. En el modo de almacenamiento (digital)
se permite una gama menor de velocidades de barrido, es decir, sólo es accesible una
zona de la base de tiempos.
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2 Osciloscopios
Array de datos
... ...
1,3
3
1,5
-1,9
-2,8
-1,1
0
... ...
... ...
... ...
Tm
0
... ...
... ...
Fig. 18. Digitalización de una señal sinusoidal de 6 Vpp, almacenamiento en la
memoria y reconstrucción por interpolación lineal.
Dependiendo de las posibilidades del osciloscopio se pueden tener procesos
adicionales sobre los puntos muestreados, incluso se puede disponer de un “predisparo”
(pretrigger), para observar eventos que tengan lugar antes del disparo.
Aunque se puede seleccionar la resolución de tiempo (resolución horizontal), en la
que el usuario determina el número de puntos necesarios para digitalizar la señal, lo
usual es que el instrumento almacene el número máximo de muestras, es decir, que la
memoria se llene para cualquier velocidad de barrido (posición de la base de tiempos)
permitida. De esta forma, se garantiza la máxima resolución. En consecuencia, el
número de muestras almacenadas, M, es constante, independiente de la acción de
cualquier control, y sólo depende del tamaño (profundidad) de la memoria. Por tanto,
cada velocidad de barrido determina una frecuencia de muestreo.
La señal de entrada debe muestrearse a una frecuencia como mínimo el doble de la
máxima componente espectral de la señal, con el fin de poder recuperar la señal
analógica a partir de sus muestras. En caso contrario tendrá lugar el fenómeno de
aliasing. Por tanto, en teoría, la mitad de la máxima frecuencia de muestreo constituye el
ancho de banda máximo del instrumento en el modo digital.
La máxima frecuencia de muestreo se produce para velocidades de barrido elevadas,
valores bajos de la base de tiempos. Estas posiciones se emplean para mostrar pocos
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Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa
ciclos de la señal, así que hay que muestrear rápido para llenar la memoria. La posición
menor de la base de tiempos corresponde a la máxima resolución del instrumento. En
efecto, los mismos datos (la capacidad de la memoria) de dedican a representar pocos
ciclos de la señal.
2.8.2 Frecuencia de muestreo y profundidad de memoria
En este apartado se introduce la relación entre la profundidad de memoria, la frecuencia
de muestreo y el tiempo de visualización o expansión temporal de la señal en la pantalla.
En lo que sigue supondremos fija la profundidad de memoria de cada modelo.
Fija una posición de la base de tiempos, la frecuencia de muestreo (Tm) asociada a
esta velocidad de barrido se obtiene dividiendo el tiempo que dura el barrido (10 veces
la posición de la base de tiempos) entre el tamaño o profundidad de la memoria, M:
M=
Tseñal , pantalla
Tm
→ Tm =
Tseñal , pantalla
M
Ejemplo 9. Sea un osciloscopio digital con una capacidad de M = 4096 muestras (cuando opera sólo
un canal). Se introduce una señal de 1 kHz, período 1 ms. Para ver un período de la señal, la
base de tiempos deber situarse en 0,1 ms/div (tiempo de pantalla o de duración del
barrido de 1 ms). En esta posición, la frecuencia de muestreo resulta:
Tm =
Tseñal ,
pantalla
M
=
1 ms
= 0,000244140625 ms →
4096
f m = 4096 kHz ≈ 4 MHz
En la posición de 0,2 ms la frecuencia de muestreo es aproximadamente 2 MHz. A
medida que aumenta la base de tiempos la frecuencia de muestreo disminuye. También
disminuye la resolución temporal de cada período o tramo de la señal a observar, ya que
al concentrarse más el evento a cada período corresponden menos puntos.
A menudo, las especificaciones de memoria de un osciloscopio digital hacen
referencia al número de bits del convertidor A/D, y suelen proporcionarse según el
formato: módulos de memoria X capacidad de un módulo X número de bits del CAD. El número
de bits del CAD determina la resolución del proceso de conversión y, en consecuencia,
la resolución vertical de la pantalla. La resolución horizontal para cada canal se evalúa
multiplicando los dos primeros términos de la especificación de memoria, obteniéndose
el número de direcciones de memoria disponibles.
En el modo alternado la resolución se reduce a la mitad, ya que se emplea cada mitad
de la memoria para almacenar los puntos correspondientes a cada canal. Sin embargo,
los resultados de sumar y restar señales se presentan con la máxima resolución. En el
modo XY la resolución horizontal iguala a la vertical (32 puntos/div.). Cuando se
emplea la posición x10, la resolución disminuye en el mismo factor.
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2 Osciloscopios
Ejemplo 10. El modelo HM 408 tiene las especificaciones 4 X 1024 X 8 bit. Si la pantalla tiene
8 divisiones verticales y 10 horizontales la resolución vertical resulta:
2 8 estados 256
=
= 32 estados / div.
8 div
8
Esto significa que cada división vertical puede subdividirse en 32 segmentos y la
anchura de cada segmento es la resolución. La resolución horizontal para cada canal es:
4 ⋅ 1024 puntos 4096 puntos
=
≈ 400 puntos / div.
10 div
10 div
2.8.3 Limitaciones en la profundidad de memoria
En este apartado se analiza mediante ejemplos la relación de la frecuencia de muestreo
con la profundidad de memoria y la base de tiempos de un osciloscopio digital. Se
mostrará que el instrumento con mayor profundidad de memoria permite muestrear a
mayor velocidad.
Ejemplo 11. El modelo Agilent 54645D posee una frecuencia de muestreo máxima de 200
Mmuestras/s que se da en la posición correspondiente a 0,5 ms/div. Se comparan las posibilidades de
este muestreador con las de dos modelos con profundidades de memoria de 10.000 y 1000 puntos,
respectivamente.
El mínimo período de muestreo del instrumento es:
Tm, mín =
1
f m, máx
=
1
8
2 Hz
= 5 ns
La profundidad de memoria resulta:
M=
Tseñal ,
pantalla
Tm
=
5 ms
= 106 puntos
5 ns
Si tomamos los modelos a comparar y consideramos el tiempo total de pantalla,
obtenemos:
Tm, mín =
5 ms
Tm, mín =
5 ms
104
103
= 500 ns →
= 5 µs
→
f m, máx = 2 Mmuestras / s
f m, máx = 200 kmuestras / s
Se observa que, al disminuir la profundidad de memoria, el muestreador ve reducida de
forma proporcional su frecuencia de muestreo, para la misma posición de la base de
tiempos.
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Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa
2.8.4 Ventajas frente a los osciloscopios analógicos
•
•
•
•
•
•
•
Los osciloscopios de almacenamiento digital poseen como ventajas principales
frente a los analógicos su mayor velocidad en captura única y resolución
(determinadas por el CAD). Además, presentan las siguientes opciones:
Ampliación con unidades modulares para el cálculo y representación de
operaciones con los datos capturados (como los módulos de transformada
rápida de Fourier (FFT, Fast Fourier Transform).
Almacenamiento indefinido de señales para su posterior comparación o cálculo.
Posibilidad de realizar barridos únicos (modo single) que permiten la captura de
transitorios, como el arranque de un oscilador.
Captura de eventos que tienen lugar antes del disparo de la señal (modo
pretrigger).
Representación continua de la señal (modo de representación continua o roll).
En este modo de operación la señal aparece por el borde izquierdo de la pantalla
y desaparece por el derecho. El muestreo se produce sin barrido, por tanto, es
posible esperar que un evento atípico (como la alteración repentina de la forma
de una señal) suceda para ser memorizado.
Transferencia de datos almacenados a otros instrumentos digitales o a
ordenadores vía RS232 e IEEE488 principalmente. La Fig. 19 muestra la
representación de varias figuras capturadas por un programa de ordenador que
adquiere vía serie los datos procedentes de un osciloscopio digital.
Fig. 19. Captura de varias señales, representadas en un osciloscopio digital, por el
puerto serie. Sobre ellas se pueden realizar operaciones matemáticas.
34
JJGDR-UCA
2 Osciloscopios
2.9 osciloscopios para aplicaciones específicas
2.9.1 Osciloscopios de muestreo
La técnica del muestreo secuencial se emplea para representar señales de muy alta
frecuencia, que superan los límites del instrumento.
El funcionamiento de un osciloscopio de muestreo es similar al de un estroboscopio.
Éste dispositivo se concibió con el fin de visualizar maquinaria industrial en régimen
rotacional elevado. En cada giro se ilumina la máquina en posiciones sucesivamente
avanzadas.
En el osciloscopio de muestreo, se mide la amplitud de una pequeña parte de la
onda, e instantáneamente se muestra en la pantalla. Después de este punto, se apaga el
haz electrónico y se mueve horizontalmente para repetir el proceso en el siguiente ciclo
de la onda; los movimientos horizontales son de la misma cuantía. La Fig. 20 muestra el
proceso de muestreo sucesivo. En ella se observa el equiespaciado de puntos de
muestreo y la sucesión de puntos que por efecto “estroboscópico” se forma en la
pantalla. Es sencillo deducir que para que se visualice correctamente, la señal debe ser
recurrente.
... ...
Fig. 20. Proceso de muestreo secuencial.
Gracias al empleo de las técnicas de muestreo, la frecuencia de muestreo puede ser
una centésima de la frecuencia de entrada.
La principal limitación de estos instrumentos reside en que la tensión de entrada
máxima es pequeña (1 ó 2 V), debido a las limitaciones propias de los diodos de
muestreo. Este problema puede soslayarse utilizando atenuadores en las sondas. Otra
limitación importante reside en la baja impedancia de entrada de estos instrumentos. En
efecto, sus aproximados 50 Ω sólo le permiten visualizar cargas pequeñas; suelen
emplearse en visualización de pulsos provenientes de fuentes de de baja impedancia.
Para ampliar las posibilidades de medida deben emplearse sondas activas, con más
impedancia de entrada (recordemos que estas sondas se bajan en transistores de efecto
campo).
2.9.2 Osciloscopios de almacenamiento analógico
En estos instrumentos, la imagen permanece en la pantalla después de haberse
capturado, gracias al impacto del haz electrónico en una superficie de memorización con
elevada persistencia. La capacidad de almacenamiento se debe al fenómeno de la
emisión de electrones secundarios; estos se separan de la superficie del material
fotoemisor (fósforo de elevada persistencia) al incidir sobre ellos un haz. La persistencia
va desde segundos hasta horas. Sus aplicaciones se centran en la captura de fenómenos
no repetitivos y en fenómenos de evolución lenta.
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Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa
Estos instrumentos poseen tubos de rayos catódicos especiales, y en función de este
elemento se clasifican como sigue:
•
•
•
De memoria biestable o fósforo biestable,
de persistencia variable, y
de transferencia.
Los primeros funcionan memorizando o no. Existe un cañón de escritura y dos
cañones de iluminación o desbordamiento. El blanco de almacenamiento (único para
todos los cañones) contiene partículas de fósforo dopado para tener una buena
reemisión de electrones; estas partículas se consideran blancos independientes. El
blanco de almacenamiento reposa sobre una placa metálica (suele ser de aluminio) de
respaldo, que actúa de electrodo de control. Algunos modelos poseen pantalla dividida.
El cañón de escritura carga positivamente las zonas del blanco donde incide. Después, al
producirse la iluminación, estas zonas atraen los electrones de los cañones de
desbordamiento. Para borrar la imagen, se desactiva el cañón de escritura y se reduce el
potencial del electrodo de control.
Los modelos de persistencia variable permiten seleccionar el tiempo de permanencia
(se controla el tiempo de memorización) y el brillo de la imagen. Estos instrumentos son
los adecuados para aplicaciones de tiempo real, análisis espectral y todas las aplicaciones
que requieran velocidades de barrido bajas. Ahora hay dos blancos, la pantalla de
fósforo ya conocida con su capa metálica y una malla dieléctrica que se comporta como
superficie de memorización. La misión del recubrimiento de aluminio es la misma que
en los modelos biestables; acelerar los electrones de iluminación. Cuando esta superficie
no tiene carga positiva repele los electrones, que se recogen en la malla colectora. La
persistencia y el brillo variables se logran mediante aplicación de trenes de pulsos.
En los instrumentos de transferencia rápida existe un electrodo intermedio que
captura la señal, para luego transferirla a un electrodo más lento. Éste puede funcionar
según el modelo de fósforo biestable o de transferencia rápida.
2.10 Técnicas de medición con el osciloscopio
En este apartado se analizan las mediciones de frecuencia y de fase en el modo X-Y.
Asimismo, se describe cómo obtener curvas características de componentes.
2.10.1 Medidas de frecuencias
Si se aplica una fuente de señal patrón ajustable al amplificador horizontal (canal II), se
puede determinar la frecuencia de una señal desconocida que se aplique al amplificador
vertical (canal I). Esto se logra variando la frecuencia de la fuente patrón hasta que se
obtenga en la pantalla una figura de Lissajous de círculo o elipse. Si la figura de Lissajous
es estable (inmóvil) es indicativo de que las frecuencias coinciden.
Si no es posible obtener un círculo o una elipse, debe ajustarse la frecuencia patrón
para obtener una figura estable (o lo más estable posible, ya que en la práctica es difícil
conseguirlo) que posea un cierto número de curvas cerradas. El número de trayectorias
cerradas determina la cantidad múltiplo de la frecuencia aplicada al canal II
(amplificador horizontal). La relación de frecuencias viene dada también por el número
de “crestas” de la curva. La Fig. 21 muestra la figura móvil correspondiente a una
relación de frecuencias 3:1. Si se intercambian los canales la figura rota 90º.
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2 Osciloscopios
Fig. 21. Figura de Lissajous rotatoria correspondiente a una relación de frecuencias
3:1, tomadas en dos instantes de tiempo. Se observan las tres trayectorias cerradas.
2.10.2 Test de componentes
Los osciloscopios analógicos incorporan una unidad para testear componentes
electrónicos. Esta unidad genera una tensión alterna que permite obtener la
característica estática del dispositivo.
Desde un punto de vista práctico, una de las terminales del componente se conecta
mediante una “banana” al borne “component tester” y el otro terminal se conecta a la tierra
del instrumento, en uno de sus canales verticales. La situación se muestra en la Fig. 22.
Fig. 22. Situación de test de un diodo con un
osciloscopio analógico. En la parte inferior
izquierda se aprecia la banana de conexión al test.
Para iniciar el test se debe pulsar el botón
Componen Test.
Referencias
[1]
[2]
[3]
W.D. Cooper and A.D. Helfrick, Instrumentación electrónica moderna y técnicas
de medición, Prentice-Hall. Hispanoamericana, 1991.
R. Pallás, Instrumentación electrónica básica, Marcombo, Boixareu editores, 1987.
S. Wolf, y R.F.M. Smith, Guía para mediciones electrónicas y prácticas de
laboratorio, edición ampliada y actualizada. prentice-hall hispanoamericana.
méxico, etc., 1992.
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37
Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa
[4]
[5]
Tektronix, Manuales de usuario del osciloscopio TDS 210 y módulos de extensión,
2001.
http://www.ucm.es/info/electron/laboratorio/instrumentos/osc/osc.html
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