El Osciloscopio

EL 41B Laboratorio de Redes

EL OSCILOSCOPIO

Sin duda alguna, uno de los instrumentos de medición más importantes dentro de cualquier laboratorio es el osciloscopio. El osciloscopio es básicamente un dispositivo de representación de gráficos. Permite de hecho “observar” señales eléctricas, las que generalmente se muestran en función del tiempo.

La utilidad de un osciloscopio no está limitada al mundo de la electrónica. Con un transductor adecuado, un osciloscopio puede medir toda clase de fenómenos (Un transductor es un dispositivo que emite una señal eléctrica como respuesta a la energía física, tal como el sonido, el esfuerzo mecánico, la presión, la luz o el calor. Por ejemplo, un micrófono es un transductor).

La información que despliega un osciloscopio describe en forma completa las características de una señal. Por ejemplo:

• Puede determinar parámetros de tiempo y tensión de una señal.

• Puede calcular la frecuencia de una señal oscilante.

• Puede ver “las piezas móviles” de un circuito representado por una señal.

• Puede ver si un componente defectuoso está distorsionando la señal.

• Puede averiguar cuánta corriente continua (CC) y corriente alterna (CA) componen la señal.

• Puede determinar cuánto ruido hay en una señal y si el ruido cambia con el tiempo.

El dispositivo de despliegue que permite observar variaciones de señales eléctricas de alta velo¬cidad es el tubo de rayos catódicos. El tubo genera un haz delgado de electrones (el rayo catódico) dentro de sí mismo. Este rayo choca con una pantalla fluo¬rescente que cubre un extremo del tubo y emite un punto de luz visible. Cuando el haz se mueve a través de la pantalla, ‘‘pin¬ta’’ un trazo de su trayectoria. Como el rayo está constituido por electrones, que son partículas cargadas eléctricamente, se pueden desviar en forma rápida y exac¬ta mediante campos eléctricos o magnéticos adecuados colocados en su trayecto¬ria. Además, como los electrones son muy ligeros, el haz puede responder casi instantáneamente a variaciones rápidas de seña¬les de alta frecuencia. Esta capacidad también permite que el tubo de rayos catódi¬cos (CRT) muestre virtualmente cualquier tipo de forma de onda en la pantalla del osciloscopio. Los campos que provocan las deflexiones del haz de electrones se crean a lo largo de su trayecto mediante placas deflectoras. Las intensidades de los campos se determinan mediante los voltajes aplicados a las placas, haciendo que la cantidad de deflexión sea directamente proporcional al voltaje aplicado. Esto indica que figura en la pantalla del osciloscopio depende de los voltajes aplicados a las placas del tubo. También se sigue de esta conclusión que el osciloscopio en realidad es un vóltmetro, con mecanismo de despliegue de velocidad super alta.

Dependiendo del modo de operación que se emplee, la figura desplegada en la pantalla es una gráfica de la variación del voltaje con el tiempo, o la gráfica de la variación de voltaje de una señal contra otra. Sin embargo, el voltaje no es la única cantidad que se puede medir. Interpretando correctamente las características del despliegue, se puede usar el osciloscopio para indicar corriente, tiempo, frecuencia y diferencia de fase. Por último, se puede me¬dir también una gran variedad de señales no eléctricas, usando el osciloscopio para monitorear la salida de un elemento transductor. El osciloscopio probablemente sea el instrumento más versátil y útil usado para trabajos de mediciones eléctricas.

Como es sabido, hay dos tipos de equipos electrónicos: el analógico y el digital. El equipo analógico funciona con tensiones continuamente variables, mientras que el equipo digital funciona con números discretos que pueden representar muestras de tensión. Por ejemplo, la platina porta discos de un fonógrafo convencional es un dispositivo analógico; un reproductor de discos compactos es un dispositivo digital.

Los osciloscopios también son del tipo analógico y digital. El osciloscopio analógico funciona mediante la aplicación directa de la tensión que se mide a un haz de electrones que recorre la pantalla del osciloscopio. La tensión desvía el haz proporcionalmente hacia arriba y hacia abajo, trazando la forma de onda en la pantalla. Así, se obtiene una imagen inmediata de la forma de onda.

El osciloscopio digital, por el contrario, toma muestras de la forma de onda y utiliza un convertidor analógico-digital (CAD) para convertir la tensión que se está midiendo en información digital. A continuación, el osciloscopio usa esta información para reconstruir la forma de onda en pantalla.

Para muchas aplicaciones, se puede utilizar tanto un osciloscopio analógico como digital. No obstante, cada tipo posee características únicas que lo hacen más o menos apropiado para trabajos específicos. A menudo, los usuarios prefieren los osciloscopios analógicos cuando es importante visualizar señales que varían rápidamente en “tiempo real” (o a medida que ocurren).

Los osciloscopios digitales permiten capturar y ver eventos que pueden ocurrir solamente una vez. Pueden procesar los datos de la forma de onda digital asociada o enviarlos a un computador para ser procesados. Además, los osciloscopios digitales pueden almacenar los datos de la forma de onda digital para ser visualizados, analizados, o impresos posteriormente. Actualmente, los osciloscopios digitales no tienen problemas en mostrar señales en tiempo real, al igual que los análogos, sin embargo, tienen una desventaja en su precio y en el grado de especialización que debe tener el usuario para aplicarlos.

1.- El osciloscopio Analógico

El osciloscopio analógico comprende un grupo de subsistemas, diseñados cada uno para efectuar una parte de la ta¬rea de medición o de despliegue. Estos subsistemas son:

1. Subsistema de despliegue (tubo de rayos catódicos)

2. Subsistema de deflexión vertical

3. Subsistema de deflexión horizontal

4. Fuentes de poder

5. Sondas (puntas de prueba)

6. Circuitos de calibración

El diagrama de bloques de la Figura 1 muestra la trayectoria de una señal me¬dida cuando pasa a través de los diferentes subsistemas de un osciloscopio y cómo interaccionan los subsis¬temas para que el resultado sea el despliegue de la señal observada.

Figura 1 Diagrama de bloques de los subsistemas del osciloscopio

La señal de voltaje se detecta desde la fuente de origen mediante una punta de prueba. El voltaje de la señal se transmite mediante un ca¬ble coaxial y entra a las terminales de entrada del aparato. Con frecuencia la señal en este punto tiene una amplitud demasiado pequeña para activar al subsistema de despliegue (el tubo de ra¬yos catódicos), por lo que generalmente necesita amplificarse. La función del siste¬ma de deflexión vertical es llevar a cabo dicha amplificación.

Dentro del tubo, se crea un haz de electrones mediante un cañón de electrones. El haz de electrones se enfoca y se dirige para que choque con la pantalla fluorescente, creando un punto de luz en el lugar del impacto con la pan¬talla. El haz se deflecta en forma vertical en proporción a la amplitud del voltaje aplicado a las placas de deflexión vertical del tubo.

Después de la amplifi¬cación adecuada, la señal de entrada se aplica a las placas de deflexión vertical del tubo de rayos catódicos. La aplicación de tensión a estas placas deflectoras causa el movimiento del punto luminoso. (Un haz de electrones al golpear el fósforo dentro del TRC crea el punto luminoso).

La señal de entrada también se alimenta hacia al sistema de disparo (trigger) para empezar o disparar un barrido horizontal. El barrido horizontal es un término que se refiere a la acción del sistema horizontal que hace que el punto luminoso recorra horizontalmente de un lado al otro la pantalla del osciloscopio a una velocidad uniforme. El disparo del sistema horizontal hace que la base horizontal de tiempo mueva el punto luminoso del lado izquierdo al derecho de la pantalla dentro de un intervalo definido de tiempo. Muchos barridos en rápida secuencia hacen que el movimiento del punto luminoso parezca una línea continua. A altas velocidades, el punto luminoso puede barrer la pantalla hasta 500.000 veces por segundo.

La deflexión simultánea del haz de electrones en la dirección vertical (por el subsistema de deflexión vertical y las placas de deflexión vertical) y en la dirección horizontal (por los circuitos de base tiempo y las placas de deflexión horizontal), hace que el punto de luz producido por el haz de electrones trace un gráfico de la señal en la pantalla del tubo de rayos catódicos. Si la entrada es periódica y los circuitos de base de tiempo sincronizan correctamente el barrido horizontal con la deflexión vertical, el punto de luz recorrerá el mismo camino en la pantalla una y otra vez. El disparo es necesario para estabilizar la señal repetitiva. De esta manera se asegura que el barrido empiece en el mismo punto que la señal repetitiva, resultando en una imagen estable y claramente definida.

En conclusión, para utilizar un osciloscopio analógico hay que ajustar tres configuraciones básicas para acomodar una señal de entrada:

• La atenuación o amplificación de la señal (Volts/div)

• La base de tiempo (seg/div)

• El disparo del osciloscopio. Hay que utilizar el nivel de disparo para estabilizar una señal repetitiva, así como

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