Osciloscopio Analógico y Digital_Rev2_2slides Archivo

Osciloscopio
Analógico y Digital - Rev.2
Medidas Eléctricas
Facultad de Ingeniería – Universidad de la República
Agenda
Principio de Funcionamiento
Controles de Presentación
Sistema Vertical
Sistema Horizontal
Sistema de Disparo
Puntas de Prueba
Osciloscopio Digital
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1. Principio de funcionamiento
1.1 Concepto
Es un dispositivo que permite desplegar señales eléctricas de
tensión (existen puntas de corriente) principalmente en función
del tiempo.
La señal se despliega en pantalla como el resultado de la
información a través de tres ejes:
Eje X: Corresponde a un barrido horizontal, el cual se hace a
velocidad constante generalmente.
Eje Y: Corresponde a la desviación vertical del haz, el cual
responde a la amplitud de la señal de entrada.
Eje Z: Corresponde a la intensidad del punto luminoso, y la
misma es proporcional a la amplitud de la señal del canal Z.
1.2 Principio de funcionamiento
Los osciloscopio pueden ser :
Analógicos, basados en los CRT
Digitales
En un osciloscopio analógico los elementos fundamentales son:
El tubo de rayos catódicos
Los sistemas de desviación (horizontal y vertical) y disparo
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Dentro del tubo existe un cañón de electrones que proyecta un
haz, este haz atraviesa el sistema de desviación e incide sobre
una superficie de fósforo produciendo un punto luminoso
Sistema de
deflexión
Conjunto de cañón de
electrones
Pantalla de
fósforo
2. Controles de presentación
2.1. Beam finder
Este control permite localizar el haz de electrones cuando éste
se encuentra fuera de los límites de la pantalla. Esencialmente,
se reducen las tensiones aplicadas en las placas de desviación
de forma de asegurar que el trazo entre en la misma.
Pantalla
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2.2. Intensidad – Canal Z
Este control ajusta el brillo del trazo, el cual depende de:
la cantidad de electrones que se emitan,
el potencial de aceleración
el tipo de fósforo empleado
Aparte del control normal de intensidad, existe una entrada
auxiliar (Canal Z) que permite ajustar la intensidad del trazo
según los niveles de tensión de la señal aplicada.
Más negativo
más brillante
Ch. Z
2.3. Foco
Este control permite obtener un punto de luz concentrado
2.4. Rotación
Este control permite alinear la desviación horizontal con las líneas
de la grilla de modo que el trazo no se vea inclinado. Por ser de
uso infrecuente, este control consiste en general en un tornillo.
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3. Sistema Vertical
3.1 Fundamentos
Propósito: Proporcionar una señal amplificada, del nivel apropiado,
para manejar las placas de desviación verticales sin introducir
distorsiones apreciables en el sistema.
Los controles de este sistema son:
Posicionamiento
Acople a la entrada
Sensibilidad
Inversión del segundo canal
Modos de operación: ALT, CHOP, ADD
3.1. Posicionamiento
Si se suma una tensión constante al que llega a las placas de
desviación del sistema vertical es posible subir y bajar la señal
en la pantalla. Esto permite alinear las señales con la grilla o
posicionar dos señales para compararlas.
3.2. Desacople a la entrada
Es posible desacoplar los niveles de continua a la entrada del
osciloscopio mediante un condensador de desacople. Este
resulta especialmente útil cuando se desea observar señales
de alterna en presencia de altos niveles de continua.
Observación: Este desacople puede introducir distorsiones si se
trabaja con señales de media o baja frecuencia
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3.1. Sensibilidad
Este control permite observar señales de diferentes tensiones,
desde unos pocos microvoltios a cintos de voltios o incluso
miles de voltios (puntas divisoras).
Este control puede ser:
Discreto: ´según la secuencia común 1, 2 , 5,
ej.: 10 mV, 20 mV, 50 mV
Continuo: mediante un perilla es posibles ajustar la ganancia
en forma continua
Ej.: observar figuras de Lissajous
3.2. Modos de operación vertical
Existen dos selectores para definir el modo de operación vertical:
El primer selector permite observar: Ch1, Ch2, Both
Si se ha seleccionado Both en el primero, este control permite
seleccionar entre: modo ALT, CHOP o ADD
Modo ALT
El barrido se realiza en forma alternada entre los canales 1 y 2,
por este motivo los eventos observados no son simultáneos.
No son adecuados para:
Observar eventos simultáneos
Observar señales lentas, debido a la persistencia del fósforo
Modo Chop
En este caso se realiza un único barrido, el cual va conmutando
entre los dos canales. Esta conmutación se realiza a través de
llaves electrónicas las cuales limitan la velocidad máxima de
conmutación y por lo tanto este modo no resulta adecuado
para observar señales de evolución rápida. Pero sí resulta
adecuado para observar eventos simultáneos.
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4. Sistema horizontal
4.1 Fundamentos
Propósito: Desviar el haz de electrones en forma horizontal de
forma de generar el barrido a una velocidad constante.
El mismo consta de:
un generador de base de tiempo: controla la velocidad con la
que se barre el haz en la pantalla del CRT (rampa de pendiente
variable)
amplificador horizontal: incrementa la amplitud de las señales
generadas por el generador de barrido para proporcionar a las
placas de desviación horizontal la tensión adecuada
Forma de onda aplicada a las placas de desviación horizontal
Vh(t)
Vmax
1
3
t
2
Condición de disparo
1-> tiempo de barrido
2-> retorno del trazo (se apaga el haz de electrones)
si el mismo no se apagara
se vería el trazo de retorno
3-> tiempo de espera: inicialización de circuitos y holdoff
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4.2 Controles del sistema horizontal
Posicionamiento
Es posible mover el trazo en la pantalla al aplicar una tensión
de continua (DC) a las placas de desviación. Utilizado para
alinear el trazo con la grilla y facilitar las mediciones.
Velocidad de barrido (sensibilidad)
Las diferentes velocidades de barrido se obtienen al variar la
pendiente de la rampa.
Vh(t)
Vmax
t
1 ms/div
2 ms/div
Condición de disparo
5 ms/div
Existe un ajuste continuo para la velocidad de barrido. El mismo
puede ser utilizado para alinear eventos con la grilla.
Modo XY
En este modo no se utiliza la base de tiempo para generar el
barrido horizontal, sino que el mismo es realizado utilizando el
canal 1 (Ch1-X), mientras que el barrido vertical se realiza con
el canal 2 (Ch2-Y). Este modo permite visualizar curvas
paramétricas en el tiempo, lo cual suele ser utilizado para:
i) medir desfasajes
ii) comparar frecuencias
iii) observar dependencias entre las señales de los canales (ej:
trazar curvas características)
Magnificación x10
Es una técnica utilizada para obtener una vista expandida de la
señal de entrada. Para ello el amplificador horizontal multiplica
por 10 la señal a ser aplicada sobre las placas de desviación.
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Forma de onda: magnificación x10
Vh(t)
10*Vmax
con magnificación
sin magnificación
Vmax
t
Condición de disparo
Sin x10
Con x10
Es necesario utilizar el control de posición para visualizar la
imagen (trazo más tenue)
Trigger hold-off
Este control permite extender el tiempo de espera antes de
habilitar los circuitos de disparo. Al inhibir el disparo de forma
regulable, es posible observar señales complejas en forma
estable.
1er barrido
1er barrido
2do barrido
hold-off
2do barrido
Barrido retardado
Este control necesita de dos bases de tiempo en vez de una.
Existen básicamente dos modalidades:
i) iniciar el barrido un tiempo ajustable luego de detectada la
condición de disparo
ii) utilizando dos condiciones de disparo, en vez de una
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5. Sistema de disparo
5.1 Fundamentos
Propósito: Establecer el momento en que se origina el barrido del
osciloscopio. Es necesario que el mismo comience en un lugar
fijo de la onda de modo que el trazo se vea estable en la
pantalla.
5.2. Fuentes de disparo
Se llama así a la señal que se compara con las condiciones de
disparo establecidas.
Las fuentes de disparo pueden ser: internas o externas
Fuentes internas:
CH1: Se selecciona como fuente de disparo la señal conectada al canal 1
CH2: Se selecciona como fuente de disparo la señal conectada al canal 2
VERT MODE:
Si el Modo vertical es CH1 -> fuente de disparo: CH1
Si el Modo vertical es CH2 -> fuente de disparo: CH2
Si el Modo vertical es BOTH - ALT -> alterna la fuente de
disparo entre CH1 y CH2
Si el Modo vertical es BOTH – CHOP o BOTH – ADD ->fuente
de dispar: CH1 + CH2
Fuentes externas:
EXT: Se selecciona una fuente externa conectada a la entrada EXT del
osciloscopio
LINE: Se selecciona como fuente de disparo la propia red de alimentación
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5.3. Modos de disparo
Generalmente existen cuatro modos de operación: “Normal”, “Automático”,
“Barrido único”, “Modo TV”.
Automático (AUTO):
El barrido puede comenzar por dos motivos:
Detección de la condición de disparo
Expira el tiempo de “Timeout”
+ Permite ver la línea base cuando no hay señal aplicada al canal
+ Permite cambiar de señal sin tener que ajustar el nivel de disparo
Este modo no funciona correctamente para señales lentas. El disparo puede
realizarse por ambos motivos tornando inestable al imagen en la pantalla
Normal (NORM):
Solo comienza el barrido horizontal una vez detectada la condición de disparo.
+ Se obtienen señales más estables en un rango mayor de frecuencias
- Se necesita conocer de antemano ciertas características de la señal para
poder fijar la condición de disparo
Barrido Único (Single Sweep) :
Se dispone de un botón de inicialización RESET que luego de ser pulsado arma el
sistema de disparo. Una vez detectada la condición de disparo se realiza un
único barrido
Es utilizado para fotografiar eventos únicos, no repetitivos. Por ej.: transitorios
Modo TV (TV):
Se sincroniza con las señales de campo o de línea de las señales de televisión.
Puesto que las señales de televisión son muy complejas, definir condiciones
de disparo adecuadas sin utilizar este modo se torna sumamente difícil
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6. Puntas de prueba
Objetivo: conectar el osciloscopio al circuito de prueba, sin que
este se vea afectado.
Existen diversidad de puntas:
Puntas x1
Puntas divisoras x10, x100 o x1000
Puntas diferenciales
Puntas de corriente
La elección inadecuada de la unta de prueba puede traducirse en
una disminución de las prestaciones del osciloscopio.
En un principio para poder observar una señal podría bastar con
un par de cables. Pero esta solución será adecuada sólo en
determinadas condiciones.
Esta solución será adecuada si:
Tenemos una baja impedancia de salida Ro ~ ohm
Una alta relación SNR
Señales de baja frecuencia
Supongamos una señal de baja frecuencia con una resistencia de
salida Rth. La impedancia de entrada al osciloscopio es
constante y vale:1Mohm \\ 25pF.
Si Rth =10 ohm
Si Rth=100 kohm
error = 0.001%
error = 9.0%
Para evitar este tipo de inconvenientes sería adecuado utilizar un
punta divisora, la cual proporciona entre otras características,
una alta impedancia de entrada.
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6.1 Puntas x10
Estas puntas se caracterizan por
Proporcionar una alta impedancia de entrada (10 veces más
que las puntas x1)
Mejor respuesta en frecuencia
Permiten medir tensiones más altas que las puntas comunes
Esquema de una punta x10
Punta de prueba
Osciloscopio
Zin del osc.
Respuesta en frecuencia
|H(jw)|db
Sobre compensada
1/10
Compensada
Sub compensada
Log(w)
Predomina el divisor
resistivo:
Predomina el divisor
capacitivo:
H(jw)= Ro/(Rp + Ro)
H(jw)= Cp/(Cp + Co), con
Co = Cosc + Caj + Ck
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Ajuste de la punta
1.
2.
3.
Se coloca una onda cuadrada en la punta a ser
compensada (usar generador interno del osc.)
Se visualiza dicha onda en el osciloscopio
Se ajusta el condensador de ajuste (en la base de la punta)
hasta visualizar la onda cuadrada lo mejor posible
Ajuste de la punta – Respuesta temporal
t
Punta subcompensada
Punta compensada
Punta sobre compensada
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6.2 Puntas de corriente
Estas basan su funcionamiento en el denominado Efecto Hall
Efecto Hall
Una tensión es generada en forma transversal al flujo de corriente,
si es aplicado un flujo magnético en forma perpendicular. Este
efecto se hace más pronunciado en los materiales
semiconductores
Open loop sensor:
En una tecnología de lazo abierto, la salida del transductor de
efecto Hall es simplemente amplificado, para obtener la salida.
Esto se traduce en una mayor simplicidad, pero una menor
linealidad
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Closed loop sensor:
En una tecnología de lazo cerrado, la salida del transductor de
efecto Hall alimenta un segundo bobinado, el cual se opone al
campo generado por el bobinado primario y lo cancela. Esta
corriente en el secundario, es proporcional a la corriente en el
primario, permitiendo medir con un resistor de salida la
corriente. Este método proporciona una mayor linealidad a
cambio de una mayor complejidad.
7. Osciloscopio Digital
7.1 Concepto
Utilizan como uno de los
principales componentes, un
conversor Analógico-Digital
(ADC) para transformar los
valores de tensión analógicos
en información digital.
Digitalización:
– Muestro en el tiempo: se toman muestreas de la señal en estudio a una
tasa fija, dada por la frecuencia de muestreo.
– Discretización de amplitud: asignación de uno de los posibles valores
representables por el conversor (ej: conversor de 10 bits ￫ 1024 valores)
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Señales de entrada periódica:
El ancho de banda del osciloscopio será esencialmente
función del ancho de banda de los componentes
analógicos existentes antes de la etapa de muestreo
(comúnmente en referencia a la caída 3dB)
Señales de entrada transitorias o “single shot”:
El ancho de banda del osciloscopio será esencialmente
función del ancho de banda de los componentes
analógicos existentes antes de la etapa de muestreo
(comúnmente en referencia a la caída 3dB)
Se pueden clasificar en:
Digital Storage Oscilloscope (DSO)
Digital Phosphor Oscilloscope (DPO)
Sample Oscilloscope
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7.2 Digital Storage Oscilloscope
Los DSO (Digital Storage Oscilloscope) son los
osciloscopios digitales convencionales, con las siguientes
características principales:
Osciloscopio Digital:
Permiten capturar y visualizar eventos transitorios
Almacenamiento
Análisis
Procesamiento
Cálculo automático de algunos parámetros y medidas
Pre-Trigger
DSO:
Típicamente NO son capaces de mostrar variaciones en la
intensidad de la señal
Poseen una arquitectura de procesamiento serie
Procesamiento serie:
Amplificador vertical
– Control de Sensibilidad
– Control de Posición
– Desacople a la entrada
Conversor A/D
Microprocesador:
– Procesamiento
– Desplegar información en la pantalla
Pantalla
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7.3 Digital Phosphor Oscilloscope
La idea es lograr una arquitectura que permita adquirir y
representar las señales, tan fiel a la realidad como sea
posible.
En comparación con los DSO:
Poseen una arquitectura de procesamiento paralelo
Mayores velocidades de muestreo
Mejor representación de las señales en pantalla (fósforo digital)
Aumento de la probabilidad de representar eventos
(disminución del “trigger holdoff”)
Procesamiento paralelo:
Amplificador vertical
– Control de Sensibilidad
– Control de Posición
– Desacople a la entrada
Conversor A/D
Fósforo-Digital: base de datos con información de la señal para
cada punto de la pantalla
Microprocesador
Pantalla
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Holdoff: se define como el intervalo de tiempo luego de haber
adquirido la señal y quedar a la espera de un detectar una
nueva condición de disparo.
Existe una probabilidad de no detectar un evento en la señal, si
éste se produce durante dicho intervalo.
Se busca resolver el potencial problema de no detectar un
evento durante el tiempo de holdoff:
Evitando el “cuello de botella” que puede representar el
microprocesador a la hora de realizar todas las tareas
requeridas por el sistema (determinado por su velocidad de
proceso), ya que limita la velocidad de muestreo.
Utilizando una “base de datos” con información para cada
punto a ser representado, enviando esa información a la
pantalla directamente (sin utilizar para ello el procesador).
Fósforo digital: Cada vez que se produce el disparo, se almacena
en la base de datos (digital-phosphor) la información de la señal
adquirida. Cada punto de la pantalla (al que le corresponde un
conjunto de información almacenada en dicha base de datos) es
actualizado con la información acumulada de las sucesivas
adquisiciones, incrementando así su “intensidad”. Esto se refleja
en la pantalla en forma de áreas más o menos intensas según
la cantidad de veces que la señal pasa por dicho punto.
Así, por ejemplo, se puede
observar la diferencia entre
formas de onda similares
que ocurren en sucesivos
disparos y formas de onda
más esporádicas o con
menor frecuencia de
ocurrencia.
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7.4 Sample Oscilloscope
Son utilizados cuando las señales a medir son de alta
frecuencia o cuando queremos visualizar y analizar eventos
transitorios de muy corta duración en el tiempo.
Logran velocidades un orden de magnitud superiores a los
demás osciloscopios y anchos de banda del orden de 10 veces
superiores.
Poseen una arquitectura en la cual la etapa de muestreo se
encuentra antes que la de amplificación. De esta forma permite
utilizar amplificadores de bajo ancho de banda.
Características:
Dado que no hay etapa de amplificación a la entrada (antes de
la de muestreo), el rango dinámico del instrumento es muy
reducido (en comparación con el del resto de los osciloscopios);
siendo este de unos pocos voltios pico a pico (en el entorno de
1Vpp en comparación a los 50 a 100Vpp de los anteriormente
mencionados osciloscopios).
El nivel de protección a la entrada también se ve drásticamente
reducido debido a la inexistencia de diodos de protección para
no impactar el ancho de banda; quedando en el orden de los 3V
(en comparación a los 500V del resto).
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