Los osciloscopios son de los instrumentos más versatiles que existen y lo utilizan desde técnicos de reparación de televisores a médicos. Un osciloscopio puede medir un gran número de fenomenos, provisto del transductor adecuado (un elemento que convierte una magnitud física en señal eléctrica) será capaz de darnos el valor de una presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un coche, etc.
Tipos de Osciloscopios
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| Osciloscopio Digital |
Los equipos electrónicos se dividen en dos tipos: Analógicos y Digitales. Los primeros trabajan con variables continuas mientras quie los segundos lo hacen con variables discretas. Por ejemplo un tocadiscos es un equipo analógico y un Compact Disc es un equipo digital.
Los Osciloscopios también pueden ser analógicos ó digitales. Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada, está una vez amplificada desvia un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan previamente un conversor analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla.
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| Osciloscopio Analago |
Ambos tipos tienen sus ventajas e inconvenientes. Los analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos (picos de tensión que se producen aleatoriamente).
Funcionamiento del Osciloscopio
Osciloscopio Analógico
Cuando se conecta la sonda a un circuito, la señal atraviesa esta última y se dirige a la sección vertical. Dependiendo de donde situemos el mando del amplificador vertical atenuaremos la señal ó la amplificaremos. En la salida de este bloque ya se dispone de la suficiente señal para atacar las placas de deflexión verticales (que naturalmente estan en posición horizontal) y que son las encargadas de desviar el haz de electrones, que surge del catodo e impacta en la capa fluorescente del interior de la pantalla, en sentido vertical. Hacia arriba si la tensión es positiva con respecto al punto de referencia (GND) ó hacia abajo si es negativa.
La señal también atraviesa la sección de disparo para de esta forma iniciar el barrido horizontal (este es el encargado de mover el haz de electrones desde la parte izquierda de la pantalla a la parte derecha en un determinado tiempo). El trazado (recorrido de izquierda a derecha) se consigue aplicando la parte ascendente de un diente de sierra a las placas de deflexión horizontal (las que estan en posición vertical), y puede ser regulable en tiempo actuando sobre el mando TIME-BASE. El retrazado (recorrido de derecha a izquierda) se realiza de forma mucho más rápida con la parte descendente del mismo diente de sierra.
De esta forma la acción combinada del trazado horizontal y de la deflexión vertical traza la gráfica de la señal en la pantalla. La sección de disparo es necesaria para estabilizar las señales repetitivas (se asegura que el trazado comienze en el mismo punto de la señal repetitiva).
En la siguiente figura puede observarse la misma señal en tres ajustes de disparo diferentes: en el primero disparada en flanco ascendente, en el segundo sin disparo y en el tercero disparada en flanco descendente.
Como conclusión para utilizar de forma correcta un osciloscopio analógico necesitamos realizar tres ajuste básicos:
- La atenuación ó amplificación que necesita la señal. Utilizar el mando AMPL. para ajustar la amplitud de la señal antes de que sea aplicada a las placas de deflexión vertical. Conviene que la señal ocupe una parte importante de la pantalla sin llegar a sobrepasar los límites.
- La base de tiempos. Utilizar el mando TIMEBASE para ajustar lo que representa en tiempo una división en horizontal de la pantalla. Para señales repetitivas es conveniente que en la pantalla se puedan observar aproximadamente un par de ciclos.
- Disparo de la señal. Utilizar los mandos TRIGGER LEVEL (nivel de disparo) y TRIGGER SELECTOR (tipo de disparo) para estabilizar lo mejor posible señales repetitivas.
Por supuesto, también deben ajustarse los controles que afectan a la visualización: FOCUS (enfoque), INTENS. (intensidad) nunca excesiva, Y-POS (posición vertical del haz) y X-POS (posición horizontal del haz).
Osciloscopio Digital
Los osciloscopios digitales poseen además de las secciones explicadas anteriormente un sistema adicional de proceso de datos que permite almacenar y visualizar la señal.
Cuando se conecta la sonda de un osciloscopio digital a un circuito, la sección vertical ajusta la amplitud de la señal de la misma forma que lo hacia el osciloscopio analógico.
El conversor analógico-digital del sistema de adquisición de datos muestrea la señal a intervalos de tiempo determinados y convierte la señal de voltaje continua en una serie de valores digitales llamados muestras. En la sección horizontal una señal de reloj determina cuando el conversor A/D toma una muestra. La velocidad de este reloj se denomina velocidad de muestreo y se mide en muestras por segundo.
Los valores digitales muestreados se almacenan en una memoria como puntos de señal. El número de los puntos de señal utilizados para reconstruir la señal en pantalla se denomina registro. La sección de disparo determina el comienzo y el final de los puntos de señal en el registro. La sección de visualización recibe estos puntos del registro, una vez almacenados en la memoria, para presentar en pantalla la señal.
Dependiendo de las capacidades del osciloscopio se pueden tener procesos adicionales sobre los puntos muestreados, incluso se puede disponer de un predisparo, para observar procesos que tengan lugar antes del disparo.
Fundamentalmente, un osciloscopio digital se maneja de una forma similar a uno analógico, para poder tomar las medidas se necesita ajustar el mando AMPL.,el mando TIMEBASE asi como los mandos que intervienen en el disparo.
Métodos de muestreo
Se trata de explicar como se las arreglan los osciloscopios digitales para reunir los puntos de muestreo. Para señales de lenta variación, los osciloscopios digitales pueden perfectamente reunir más puntos de los necesarios para reconstruir posteriormente la señal en la pantalla. No obstante, para señales rápidas (como de rápidas dependerá de la máxima velocidad de muestreo de nuestro aparato) el osciloscopio no puede recoger muestras suficientes y debe recurrir a una de estas dos técnicas:
- Interpolación, es decir, estimar un punto intermedio de la señal basandose en el punto anterior y posterior.
- Muestreo en tiempo equivalente. Si la señal es repetitiva es posible muestrear durante unos cuantos ciclos en diferentes partes de la señal para después reconstruir la señal completa.
Muestreo en tiempo real con Interpolación
El método standard de muestreo en los osciloscopios digitales es el muestreo en tiempo real: el osciloscopio reune los suficientes puntos como para recontruir la señal. Para señales no repetitivas ó la parte transitoria de una señal es el único método válido de muestreo.
Los osciloscopios utilizan la interpolación para poder visualizar señales que son más rápidas que su velocidad de muestreo. Existen básicamente dos tipos de interpolación:
1- Lineal: Simplemente conecta los puntos muestreados con lineas.
2- Senoidal: Conecta los puntos muestreados con curvas según un proceso matemático, de esta forma los puntos intermedios se calculan para rellenar los espacios entre puntos reales de muestreo. Usando este proceso es posible visualizar señales con gran precisión disponiendo de relativamente pocos puntos de muestreo.
Muestreo en tiempo equivalente
Algunos osciloscopios digitales utilizan este tipo de muestreo. Se trata de reconstruir una señal repetitiva capturando una pequeña parte de la señal en cada ciclo.Existen dos tipos básicos:
Muestreo secuencial: Los puntos aparecen de izquierda a derecha en secuencia para conformar la señal.
Muestreo aleatorio: Los puntos aparecen aleatoriamente para formar la señal.
Controles del Osciloscopio
En general, los osciloscopios tienen un panel frontal de controles referente a cada uno de
los canales de entrada, generador de barrido, control de posición horizontal y vertical de las
señales, entre otros.
Controles generales
1. Pantalla con cuadrícula. Esta es el área donde aparece el trazo luminoso y corresponde a la
pantalla de observación del tubo de rayos catódicos. Dicha pantalla posee una cuadrícula de
8 divisiones de ancho por 10 divisiones de altura. Cada división mide aproximadamente un
centímetro y en los ejes centrales, cada división se subdivide en 5 partes iguales.
2. Control de intensidad (intensity). Ajusta la intensidad del brillo del trazo luminoso.
3. Control de rotación del trazo. Permite alinear el trazo luminoso con el eje horizontal de la
pantalla.
4. Control de enfoque. Varía el radio del haz del de electrones que choca contra la pantalla y
enfoca el haz de electrones mejorando la nitidez del trazo.
5. Terminal CAL. Este terminal proporcional una señal de onda cuadrada de 1 KHz de
frecuencia y una amplitud de 0,2 Volt pico a pico. Se utiliza para ajustar la compesación de
las puntas de prueba.
6. Conexión a tierra. Este es un terminal que permite la conexión al aterramiento eléctrico del
aparato lo cual se hace a su vez por medio del cable de alimentación del mismo instrumento.
Controles Verticales
El osciloscopio marca BK PRECISION, MODELO 2120B, posee dos canales de entrada,
es decir, que puede recibir dos señales distintas y mostrarlas simultáneamente en la pantalla.
Cada canal posee un conjunto de controles similares (enumerados del 7 al 12).
7. Control de sensibilidad vertical (VOLTS/DIV). Consiste en un selector, donde cada
posición del mismo viene marcada por un número que indica el valor de voltaje que
corresponde a una división de la pantalla. Para ello es necesario que la perilla que se
encuentra en el centro del selector (control VAR) esté en la posición CAL, rotación completa
en sentido anti-horario. En el modo X-Y, ajusta la sensibilidad del eje X.
8. Control VAR. Este control debe estar normalmente en la posición CAL. La rotación de este
control facilita un ajuste fino de la sensibilidad vertical. Esto permite que la forma de onda
pueda ser ajustada a número exacto de divisiones, aun cuando las medidas verticales no sean
las realmente indicadas en el control de sensibilidad VOLTS/DIV.
Nota. Cuando se hala esta perilla, la sensibilidad vertical se incrementa en un factor de
cinco (PULL X5). Por ejemplo, la posición 5mV/DIV se transforma en 1 mv/DIV.
9. Conector de entrada. En este punto se acoplan las puntas de prueba del instrumento y a
través del mismo se introducen las señales en estudio al canal 1 del instrumento ( o al canal X
en el modo de funcionamiento X-Y). A este tipo de conector se le conoce como BNC (British
Nacional Connector).
10. Selector de modo de acoplamiento (AC-GND-DC). Permite el acoplamiento de la señal al
osciloscopio en tres modos: AC-GND-DC.
10.1. AC. Las señales se acoplan en el modo capacitivo; se bloquean las señales DC. El
límite de baja frecuencia es de aproximadamente 10 Hz.
10.2. GND. Se desconecta el circuito de entrada y ninguna señal es recibida por el
instrumento. Coloque el selector en esta posición cuando se desee alinear el trazo
a una línea de referencia determinada sin necesidad de desconectar las puntas de
prueba.
10.3. DC. Modo de acoplamiento directo de la señal de entrada. Habilita la entrada de
componentes AC y DC al instrumento.
11. Control de posición vertical ( POS).
Términos utilizados al medir
Existe un término general para describir un patrón que se repite en el tiempo: onda. Existen ondas de sonido, ondas oceanicas, ondas cerebrales y por supuesto, ondas de tensión. Un osciloscopio mide estas últimas. Un ciclo es la mínima parte de la onda que se repite en el tiempo. Una forma de onda es la representación gráfica de una onda. Una forma de onda de tensión siempre se presentará con el tiempo en el eje horizontal (X) y la amplitud en el eje vertical (Y).
La forma de onda nos proporciona una valiosa información sobre la señal. En cualquier momento podemos visualizar la altura que alcanza y, por lo tanto, saber si el voltaje ha cambiado en el tiempo (si observamos, por ejemplo, una linea horizontal podremos concluir que en ese intervalo de tiempo la señal es constante). Con la pendiente de las lineas diagonales, tanto en flanco de subida como en flanco de bajada, podremos conocer la velocidad en el paso de un nivel a otro, pueden observarse también cambios repentinos de la señal (angulos muy agudos) generalmente debidos a procesos transitorios.
Tipos de ondas
Se pueden clasificar las ondas en los cuatro tipos siguientes:
Ondas senoidales
Ondas cuadradas y rectangulares
Ondas triangulares y en diente de sierra.
Pulsos y flancos ó escalones.
Ondas senoidales
Son las ondas fundamentales y eso por varias razones: Poseen unas propiedades matemáticas muy interesantes (por ejemplo con combinaciones de señales senoidales de diferente amplitud y frecuencia se puede reconstruir cualquier forma de onda), la señal que se obtiene de las tomas de corriente de cualquier casa tienen esta forma, las señales de test producidas por los circuitos osciladores de un generador de señal son también senoidales, la mayoria de las fuentes de potencia en AC (corriente alterna) producen señales senoidales.
La señal senoidal amortiguada es un caso especial de este tipo de ondas y se producen en fenomenos de oscilación, pero que no se mantienen en el tiempo.
Ondas cuadradas y rectangulares
Las ondas cuadradas son básicamente ondas que pasan de un estado a otro de tensión, a intervalos regulares, en un tiempo muy reducido. Son utilizadas usualmente para probar amplificadores (esto es debido a que este tipo de señales contienen en si mismas todas las frecuencias). La televisión, la radio y los ordenadores utilizan mucho este tipo de señales, fundamentalmente como relojes y temporizadores.
Las ondas rectangulares se diferencian de las cuadradas en no tener iguales los intervalos en los que la tensión permanece a nivel alto y bajo. Son particularmente importantes para analizar circuitos digitales.
Ondas triangulares y en diente de sierra
Se producen en circuitos diseñados para controlar voltajes linealmente, como pueden ser, por ejemplo, el barrido horizontal de un osciloscopio analógico ó el barrido tanto horizontal como vertical de una televisión. Las transiciones entre el nivel mínimo y máximo de la señal cambian a un ritmo constante. Estas transiciones se denominan rampas.
La onda en diente de sierra es un caso especial de señal triangular con una rampa descendente de mucha más pendiente que la rampa ascendente.
Pulsos y flancos ó escalones
Señales, como los flancos y los pulsos, que solo se presentan una sola vez, se denominan señales transitorias. Un flanco ó escalón indica un cambio repentino en el voltaje, por ejemplo cuando se conecta un interruptor de alimentación. El pulso indicaria, en este mismo ejemplo, que se ha conectado el interruptor y en un determinado tiempo se ha desconectado. Generalmente el pulso representa un bit de información atravesando un circuito de un ordenador digital ó también un pequeño defecto en un circuito (por ejemplo un falso contacto momentáneo). Es común encontrar señales de este tipo en ordenadores, equipos de rayos X y de comunicaciones.
Medidas en las formas de onda
En esta sección describimos las medidas más corrientes para describir una forma de onda.
Periodo y Frecuencia
Si una señal se repite en el tiempo, posee una frecuencia (f). La frecuencia se mide en Hertz (Hz) y es igual al numero de veces que la señal se repite en un segundo, es decir, 1Hz equivale a 1 ciclo por segundo.
Una señal repetitiva también posee otro paramentro: el periodo, definiéndose como el tiempo que tarda la señal en completar un ciclo.
Peridodo y frecuencia son reciprocos el uno del otro:
Voltaje
Voltaje es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito. Normalmente uno de esos puntos suele ser masa (GND, 0v), pero no siempre, por ejemplo se puede medir el voltaje pico a pico de una señal (Vpp) como la diferencia entre el valor máximo y mínimo de esta. La palabra amplitud significa generalmente la diferencia entre el valor máximo de una señal y masa.
Fase
La fase se puede explicar mucho mejor si consideramos la forma de onda senoidal. La onda senoidal se puede extraer de la circulación de un punto sobre un circulo de 360º. Un ciclo de la señal senoidal abarca los 360º.
Cuando se comparan dos señales senoidales de la misma frecuencia puede ocurrir que ambas no esten en fase,o sea, que no coincidan en el tiempo los pasos por puntos equivalentes de ambas señales. En este caso se dice que ambas señales estan desfasadas, pudiendose medir el desfase con una simple regla de tres:
360º \\ t ------ x}\right\}"
Siendo t el tiempo de retraso entre una señal y otra.
Parámetros influyen en la calidad de un osciloscopio
Los términos definidos en esta sección nos permitiran comparar diferentes modelos de osciloscopio disponibles en el mercado.
Ancho de Banda
Especifica el rango de frecuencias en las que el osciloscopio puede medir con precisión. Por convenio el ancho de banda se calcula desde 0Hz (continua) hasta la frecuencia a la cual una señal de tipo senoidal se visualiza a un 70.7% del valor aplicado a la entrada (lo que corresponde a una atenuación de 3dB).
Tiempo de subida
Es otro de los parámetros que nos dará, junto con el anterior, la máxima frecuencia de utilización del osciloscopio. Es un parámetro muy importante si se desea medir con fiabilidad pulsos y flancos (recordar que este tipo de señales poseen transiciones entre niveles de tensión muy rápidas). Un osciloscopio no puede visualizar pulsos con tiempos de subida más rápidos que el suyo propio.
Sensibilidad vertical
Indica la facilidad del osciloscopio para amplificar señales débiles. Se suele proporcionar en mV por división vertical, normalmente es del orden de 5 mV/div (llegando hasta 2 mV/div).
Velocidad
Para osciloscopios analógicos esta especificación indica la velocidad maxima del barrido horizontal, lo que nos permitirá observar sucesos más rápidos. Suele ser del orden de nanosegundos por división horizontal.
Exactitud en la ganancia
Indica la precisión con la cual el sistema vertical del osciloscopio amplifica ó atenua la señal. Se proporciona normalmente en porcentaje máximo de error.
Exactitud de la base de tiempos
Indica la precisión en la base de tiempos del sistema horizontal del osciloscopio para visualizar el tiempo. También se suele dar en porcentaje de error máximo.
Velocidad de muestreo
En los osciloscopios digitales indica cuantas muestras por segundo es capaz de tomar el sistema de adquisición de datos (especificamente el conversor A/D). En los osciloscopios de calidad se llega a velocidades de muestreo de Megamuestras/sg. Una velocidad de muestreo grande es importante para poder visualizar pequeños periodos de tiempo. En el otro extremo de la escala, también se necesita velocidades de muestreo bajas para poder observar señales de variación lenta. Generalmente la velocidad de muestreo cambia al actuar sobre el mando TIMEBASE para mantener constante el número de puntos que se almacenaran para representar la forma de onda.
Resolución vertical
Se mide en bits y es un parámetro que nos da la resolución del conversor A/D del osciloscopio digital. Nos indica con que precisión se convierten las señales de entrada en valores digitales almacenados en la memoria. Técnicas de cálculo pueden aumentar la resolución efectiva del osciloscopio.
Longitud del registro
Indica cuantos puntos se memorizan en un registro para la reconstrucción de la forma de onda. Algunos osciloscopios permiten variar, dentro de ciertos límites, este parámetro. La máxima longitud del registro depende del tamaño de la memoria de que disponga el osciloscopio. Una longitud del registro grande permite realizar zooms sobre detalles en la forma de onda de forma muy rápida (los datos ya han sido almacenados), sin embargo esta ventaja es a costa de consumir más tiempo en muestrear la señal completa.
Tipos de Circuitos integrados
B- Circuitos híbridos de capa fina: Son muy similares a los circuitos monolíticos, pero, además, contienen componentes difíciles de fabricar con tecnología monolítica. Muchos conversores A/D y conversores D/A se fabricaron en tecnología híbrida hasta que los progresos en la tecnología permitieron fabricar resistencias precisas.
En cuanto a las funciones integradas, los circuitos se clasifican en dos grandes grupos:
Circuitos integrados digitales: Pueden ser desde básicas puertas lógicas (AND, OR, NOT) hasta los más complicados microprocesadores o microcontroladores. Algunos son diseñados y fabricados para cumplir una función específica dentro de un sistema mayor y más complejo.
