Osciloscopio

OBJETIVOS.-

Hacer que el estudiante conozca los controles y empiece a manejar el osciloscopio para así poderlo usar posteriormente como:

Instrumento de medida de voltaje contante, voltaje alterno, y como instrumento para medir amplitud, período y frecuencia de diferentes funciones de voltaje periódicas en el tiempo.

Graficador XY.

FUNDAMENTO TEÓRICO.-

Sin duda alguna el osciloscopio constituye el instrumento que mejor caracteriza a un laboratorio de electrónica. Su utilidad se comprende fácilmente ya que permite la observación y medida de señales, usualmente periódicas, que se están produciendo o que se están procesando en un circuito electrónico; es decir es un instrumento que permite saber lo que está ocurriendo con las señales de un circuito “en tiempo real”. En la actualidad se dispone de osciloscopios de tipo análogo y digital, cada uno con sus ventajas y desventajas.

Osciloscopio analógico:

La tensión a medir se aplica a las placas de desviación vertical de un tubo de rayos catódicos (utilizando un amplificador con alta impedancia de entrada y ganancia ajustable) mientras que a las placas de desviación horizontal se aplica una tensión en diente de sierra (denominada así porque, de forma repetida, crece suavemente y luego cae de forma brusca).

Esta tensión es producida mediante un circuito oscilador apropiado y su frecuencia puede ajustarse dentro de un amplio rango de valores, lo que permite adaptarse a la frecuencia de la señal a medir. Esto es lo que se denomina base de tiempos.

En el tubo de rayos catódicos el rayo de electrones generado por el cátodo y acelerado por el ánodo llega a la pantalla, recubierta interiormente de una capa fluorescente que se ilumina por el impacto de los electrones. Si se aplica una diferencia de potencial a cualquiera de las dos parejas de placas de desviación, tiene lugar una desviación del haz de electrones debido al campo eléctrico creado por la tensión aplicada.

De este modo, la tensión en diente de sierra, que se aplica a las placas de desviación horizontal, hace que el haz se mueva de izquierda a derecha y durante este tiempo, en ausencia de señal en las placas de desviación vertical, dibuje una línea recta horizontal en la pantalla y luego vuelva al punto de partida para iniciar un nuevo barrido. Este retorno no es percibido por el ojo humano debido a la velocidad a que se realiza y a que, de forma adicional, durante el mismo se produce un apagado (borrado) parcial o una desviación del rayo.

Si en estas condiciones se aplica a las placas de desviación vertical la señal a medir (a través del amplificador de ganancia ajustable) el haz, además de moverse de izquierda a derecha, se moverá hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de la polaridad de la señal, y con mayor o menor amplitud dependiendo de la tensión aplicada.

Al estar los ejes de coordenadas divididos mediante marcas, es posible establecer una relación entre estas divisiones y el período del diente de sierra en lo que se refiere al eje X y al voltaje en lo referido al Y. Con ello a cada división horizontal corresponderá un tiempo concreto, del mismo modo que a cada división vertical corresponderá una tensión concreta.

Osciloscopio digital:

En la actualidad los osciloscopios analógicos están siendo desplazados en gran medida por los osciloscopios digitales, entre otras razones por la facilidad de poder transferir las medidas a un ordenador personal.

En el osciloscopio digital la señal es previamente digitalizada por un conversor analógico digital. Al depender la fiabilidad de la visualización de la calidad de este componente, esta debe ser cuidada al máximo.

Las características y procedimientos señalados para los osciloscopios analógicos son aplicables a los digitales. Sin embargo, en estos se tienen posibilidades adicionales, tales como el disparo anticipado (pre-triggering) para la visualización de eventos de corta duración, o la memorización del oscilograma transfiriendo los datos a un PC. Esto permite comparar medidas realizadas en el mismo punto de un circuito o elemento. Existen asimismo equipos que combinan etapas analógicas y digitales.

Estos osciloscopios añaden prestaciones y facilidades al usuario imposibles de obtener con circuitería analógica, como los siguientes:

-Medida automática de valores de pico, máximos y mínimos de señal. Verdadero valor eficaz.

-Medida de flancos de la señal y otros intervalos.

- Captura de transitorios.

-Cálculos avanzados, como la FFT para calcular el espectro de la señal.

COMPONENTES DE UN OSCILOSCOPIO

Para comprender el funcionamiento de un osciloscopio en su totalidad, se debe tener en consideración que sus complejas funciones de mediciones se llevan a cabo por el funcionamiento de distintos subsistemas.

Las partes esenciales (o subsistemas) que se pueden distinguir son:}

- Tubos de rayos catódicos (TRC).

- Amplificador X-Y ó sistema de deflexión horizontal-vertical.

- Fuente de poder.

- Puntas de pruebas.

- Circuitos de calibración.

La señal a medir se detecta por medio de las puntas de pruebas o sondas del osciloscopio (generalmente cable coaxial) e ingresa al osciloscopio (terminales de entrada del equipo). Con frecuencia la señal en este punto tiene una amplitud demasiado pequeña para activar el TRC. Se usa la amplificación antes de llegar a las placas de deflexión vertical. Con todo ello y dentro del TRC, se crea un haz de electrones mediante un cañón de electrones que es dirigido a una pantalla fluorescente creando un punto de luz en el lugar del impacto con la pantalla. Dicho haz se dirige en forma vertical en proporción a la magnitud del voltaje aplicado a las placas de deflexión vertical del tubo. Esta señal amplificada de entrada también está monitoreada por el sistema de deflexión horizontal, el cual tiene la misión de barrer horizontalmente el haz de electrones a través de la pantalla a una velocidad uniforme.

La deflexión simultánea del haz de electrones en la dirección vertical (por el sistema de deflexión vertical y las placas de deflexión vertical) y en la dirección horizontal (por los circuitos de base de tiempo y las placas de deflexión horizontal) hace que el punto de luz producido por el haz de electrones trace una línea en el TRC. Si la entrada es periódica y los circuitos base de tiempo sincronizan correctamente el barrido horizontal con la deflexión vertical, el punto de luz recorrerá el mismo camino una vez y otra vez. Si la frecuencia de la señal periódica es bastante alta (mucho mayor de 50 Hz), el trazo aparecerá como una imagen permanente y estable en la pantalla.

Despliegue del rayo o haz de electrones (TRC)

El tubo en sí es un recipiente sellado de vidrio con un cañón de electrones y un sistema de deflexión dentro de él y una pantalla fluorescente todo ello inmerso en un alto vacío de manera que no interfieran las moléculas gaseosas en el camino del haz de electrones y pierda su alta finesa.

Amplificador X-Y ó sistema de deflexión horizontal – vertical

En el cañón el cañón electrónico y la pantalla existen dos pares de electrodos paralelos conocidos como placas deflectoras. Un par está colocado verticalmente, produciendo una deflexión vertical (eje y) y el otro está dispuesto en forma horizontal produciendo una deflexión horizontal (eje x). Según sea el potencial aplicado a estos electrodos, será la ubicación del punto donde incide el haz luminoso en la pantalla. La deflexión será más o menos grande y en un sentido o en otro según sean los valores y polaridades de los potenciales aplicados. La aplicación simultánea de tensiones apropiadas a ambos pares de placas permite controlar el impacto luminoso en todo el plano X-Y.

La pantalla fluorescente

El interior de la pantalla está recubierto por un depósito de fluorescente que al incidir el haz de luz de electrones emite luz que es captada del exterior del tubo. Esta capa es de fósforo y debe ser lo suficientemente delgada como para ser atravesada por la luz. Las sustancias fluorescentes naturales o sintéticas, útiles para pantallas son numerosas, produciendo distintos colores o luminosidad. Las de uso común son muy pocas. Algunas de estas substancias ofrecen una persistencia grande y otras persistencia muy baja. El tiempo que tarda la intensidad del punto para disminuir al 10 por ciento su brillantez se llama persistencia del fósforo. Para osciloscopio de laboratorio un fosforescente verde media da una imagen que para todos los fines es altamente de calidad. En la siguiente tabla se indican las más usadas.

“Trigger” ó disparo.

La posición del punto en la pantalla de tubo de rayos catódicos está determinada por la suma de dos vectores, que representan la posición en el eje X e Y.

Si la señal de entrada, eje Y, tiene una forma de onda periódica, cada ciclo de la onda base de tiempo debe producir un trazo que coincida punto por punto con el trazo precedente, si esto se cumple, la señal se mantiene fija en la pantalla y se dice que es estable. El disparo interno consigue estabilidad usando la señal Y de entrada para controlar la partida de cada barrido horizontal.

Ganancia y sensibilidad del amplificador del Osciloscopio

Se describe a modo de repaso de la operación combinada del atenuador, el PreAmplificador y el amplificador vertical. El amplificador

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