Introducción al osciloscopio El funcionamiento del osciloscopio está basado en la posibilidad de desviar un haz de electrones por medio de la creación de campos eléctricos y magnéticos. En la mayoría de osciloscopios, la desviación electrónica, llamada deeión, se consigue mediante campos eléctricos. Ello constituye la deeión electrostática. !na minoría de aparatos de osciloscopía especializados en la visualización de curvas de respuesta, emplean el sistema de deeión electromagnética, electromagnética, igual al usado en televisión. Este "ltimo tipo de osciloscopio carece carece de control del tiempo de eploración. El proceso de deeión del haz electrónico se lleva a cabo en el vacío creado en el interior del llamado tubo de rayos catódicos #$%&'. #$%&'. En la pantalla de éste es donde se visualiza la información aplicada . El tubo de rayos catódicos de deeión electroestática está dotado con dos pares de placas de deeión horizontal y vertical respectivamente, (ue debidamente controladas hacen posible la representación sobre la pantalla de los fenómenos (ue se desean analizar. Esta representación se puede considerar in scrita sobre unas coordenadas cartesianas en las (ue los e)es horizontal y vertical representan tiempo y tensión respectivamente. *a escala de cada uno de los e)es cartesianos grabados en la pantalla, puede ser cambiada de modo independiente uno de otro, a +n de dotar a la seal de la representación más adecuada para su medida y análisis. *as dimensiones de la pantalla del $%& están actualmente normalizadas en la mayoría de instrumentos, a - cm en el e)e horizontal #/' por 0 cm en el e)e vertical #1'. 2obre la pantalla se encuentran grabadas divisiones de - cm cuadrado, bien directamente sobre el $%& o sobre una pieza superpuesta a él, en la (ue se encuentra en cuentra impresa una retícula de 0 cm cuadrados. En esta retícula es donde se realiza la representación de la seal aplicada al osciloscopio. 3ué es un osciloscopio4 El osciloscopio es básicamente un dispositivo de visualización grá+ca (ue muestra seales eléctricas variables en el tiempo. El e)e vertical, a partir de ahora denominado 1, representa el volta)e5 mientras (ue el e)e horizontal, denominado /, representa el tiempo
63ué podemos hacer con un osciloscopio4. 7ásicamente esto8 9 :eterminar directamente el periodo y el volta)e de una seal. 9 :eterminar indirectamente la frecuencia de una seal. 9 :eterminar (ue parte de la seal es :& y cual ;&. 9 *ocalizar averías en un circuito. 9
*os e(uipos electrónicos se dividen en dos tipos8 ;nalógicos y :igitales. *os primeros traba)an con variables continuas mientras (ue los segundos lo hacen con variables discretas. =or e)emplo un tocadiscos es un e(uipo analógico y un &ompact :isc es un e(uipo digital. *os >sciloscopios también pueden ser analógicos ó digitales. *os primeros traba)an directamente con la seal aplicada, está una vez ampli+cada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan previamente un conversor analógico?digital #;@:' para almacenar digitalmente la seal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla. ;mbos tipos tienen sus venta)as e inconvenientes. *os analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la seal de entrada en tiempo real. *os osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos #picos de tensión (ue se producen aleatoriamente'. $ipos de ondas 2e pueden clasi+car las ondas en los cuatro tipos siguientes8 9 >ndas senoidales 8 son las ondas fundamentales y eso por varias razones, poseen unas propiedades matemáticas muy interesantes #por e)emplo con combinaciones de seales senoidales de diferente amplitud y frecuencia se puede reconstruir cual(uier forma de onda', la seal (ue se obtiene de las tomas de corriente de cual(uier casa tienen esta forma, las seales de test producidas por los circuitos osciladores de un generador de seal son también senoidales, la mayoria de las fuentes de potencia en ;& #corriente alterna' producen seales senoidales. *a seal senoidal amortiguada es un caso especial de este tipo de ondas y se producen en fenomenos de oscilación, pero (ue no se mantienen en el tiempo.
9 >ndas cuadradas y rectangulares8 *as ondas cuadradas son básicamente ondas (ue pasan de un estado a otro de tensión, a intervalos regulares, en un tiempo muy reducido. 2on utilizadas usualmente para probar ampli+cadores
#esto es debido a (ue este tipo de seales contienen en si mismas todas las frecuencias'. *a televisión, la radio y los ordenadores utilizan mucho este tipo de seales, fundamentalmente como relo)es y temporizadores. *as ondas rectangulares se diferencian de las cuadradas en no tener iguales los intervalos en los (ue la tensión permanece a nivel alto y ba)o. 2on particularmente importantes para analizar circuitos digitales.
9 >ndas triangulares y en diente de sierra8 2e producen en circuitos diseados para controlar volta)es linealmente, como pueden ser , por e)emplo, el barrido horizontal de un osciloscopio analógico ó el barrido tanto horizontal como vertical de una televisión. *as transiciones entre el nivel mínimo y máimo de la seal cambian a un ritmo constante. Estas transiciones se denominan rampas. *a onda en diente de sierra es un caso especial de seal triangular con u na rampa descendente de mucha más pendiente (ue la rampa ascendente.
9 =ulsos y ancos ó escalones8 2eales, como los ancos y los pulsos, (ue solo se presentan una sola vez, se denominan seales transitorias. !n anco ó escalón indica un cambio repentino en el volta)e, por e)emplo cuando se conecta un interruptor de alimentación. El pulso indicaria, en este mismo e)emplo, (ue se ha conectado el interruptor y en un determinado tiempo se ha desconectado. Aeneralmente el pulso representa un bit de información atravesando un circuito de un ordenador digital ó también un pe(ueo defecto en un circuito #por e)emplo un falso contacto momentáneo'. Es com"n encontrar seales de este tipo en ordenadores, e(uipos de rayos / y de comunicaciones.
$érminos utilizados al medir Eiste un término general para describir un patrón (ue se repite en el tiempo8 onda. Eisten ondas de sonido, ondas oceánicas, ondas cerebrales y por supuesto, ondas de tensión. !n osciloscopio mide estas "ltimas. !n ciclo es la mínima parte de la onda (ue se repite en el tiempo. !na forma de onda es la representación grá+ca de una onda. !na forma de onda de tensión siempre se presentará con el tiempo en el e)e horizontal #/' y la amplitud en el e)e vertical #1'. *a forma de onda nos proporciona una valiosa información sobre la seal. En cual(uier momento podemos visualizar la altura (ue alcanza y, por lo tanto, saber si el volta)e ha cambiado en el tiempo #si observamos, por e)emplo, una línea horizontal podremos concluir (ue en ese intervalo de tiempo la seal es constante'. &on la pendiente de las lineas diagonales, tanto en anco de subida como en anco de ba)ada, podremos conocer la velocidad en el paso de un nivel a otro, pueden observarse también cambios repentinos de la se al #angulos muy agudos' generalmente debidos a procesos transitorios.
Dolta)e Dolta)e es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito. ormalmente uno de esos puntos suele ser masa #A:, v', pero no siempre, por e)emplo se puede medir el volta)e pico a pico de un a seal #Dpp' como la diferencia entre el valor máimo y mínimo de esta. *a palabra amplitud signi+ca generalmente la diferencia entre el valor máimo de una seal y masa. Base *a fase se puede eplicar mucho me)or si consideramos la forma de onda senoidal. *a onda senoidal se puede etraer de la circulación de un punto sobre un circulo de FGH. !n ciclo de la se al senoidal abarca los FGH.
&uando se comparan dos seales senoidales de la misma frecuencia puede ocurrir (ue ambas no esten en fase,o sea, (ue no coincidan en el tiempo los pasos por puntos e(uivalentes de ambas seales. En este caso se dice (ue ambas seales estan desfasadas, pudiendose medir el desfase con un a simple regla de tres8 2iendo t el tiempo de retraso entre una seal y otra.
63ué parámetros inuyen en la calidad de un osciloscopio4 *os términos de+nidos en esta sección nos permitirán comparar diferentes modelos de osciloscopio disponibles en el me rcado. ;ncho de banda. Especi+ca el rango de frecuencias en las (ue el osciloscopio puede medir con precisión. =or convenio el ancho de banda se calcula desde Cz #continua' hasta la frecuencia a la cual una seal de tipo senoidal se visualiza a un .J del valor aplicado a la entrada #lo (ue corresponde a una atenuación de Fd7'. $iempo de subida. Es otro de los parámetros (ue nos dará, )unto con el anterior, la máima frecuencia de utilización del osciloscopio. Es un parámetro muy importante si se desea medir con +abilidad pulsos y ancos #recordar (ue este tipo de seales poseen transiciones entre niveles de tensión muy rápidas'. !n osciloscopio no puede visualizar pulsos con tiempos de subida más rápidos (ue el suyo propio. 2ensibilidad vertical. Indica la facilidad del osciloscopio para ampli+car seales débiles. 2e suele proporcionar en mD por división vertical, normalmente es del orden de K mD@div #llegando hasta L mD@div'. Delocidad
=ara osciloscopios analógicos esta especi+cación indica la velocidad máima del barrido horizontal, lo (ue nos permitirá observar sucesos más rápidos. 2uele ser del orden de nanosegundos por división h orizontal. Eactitud en la ganancia. Indica la precisión con la cual el sistema vertical del osciloscopio ampli+ca ó aten"a la seal. 2e proporciona normalmente en porcenta)e máimo de error. Eactitud de la base de tiempos. Indica la precisión en la base de tiempos del sistema horizontal del osciloscopio para visualizar el tiempo. $ambién se suele dar en porcenta)e de error máimo. Delocidad de muestreo. En los osciloscopios digitales indica cuantas muestras por segundo es capaz de tomar el sistema de ad(uisición de datos #especi+camente el conversor ;@:'. En los osciloscopios de calidad se llega a velocidades de muestreo de
=oner a tierra. !na buena coneión a tierra es muy importante para realizar medidas con un osciloscopio. &olocar a tierra el osciloscopio =or seguridad es obligatorio colocar a tierra el osciloscopio. 2i se produce un contacto entre un alto volta)e y la carcasa de un osciloscopio no puesto a tierra, cual(uier parte de la carcasa, incluidos los mandos, puede producirle un peligroso shocM.
=onerse a tierra uno mismo 2i se traba)a en circuitos integrados #I&s', especialmente del tipo &<>2, es necesario colocarse a tierra uno mismo. Esto es debido a (ue ciertas partes de estos circuitos integrados son susceptibles de estropearse con la tensión estática (ue almacena nuestro propio cuerpo. =ara resolver este problema se puede emplear una correa conductora (ue se conectará debidamente a tierra, descargando la electricidad estática (ue posea su cuerpo.
;)uste inicial de los controles :espués de conectar el osciloscopio a la toma de red y de alimentarlo pulsando en el interruptor de encendido
Es necesario familiarizarse con el panel frontal del osciloscopio. $odos los osciloscopios disponen de tres secciones básicas (ue llamaremos8 Dertical, Corizontal, y :isparo. :ependiendo del tipo de osciloscopio empleado en particular, podemos disponer de otras secciones. Eisten unos conectores 7&, donde se colocan las sondas de medida.
*a mayoria de los osciloscopios actuales disponen de dos canales eti(uetados normalmente como I y II #ó ; y 7'. El disponer de dos canales nos permite comparar seales de forma muy cómoda. ;lgunos osciloscopios avanzados poseen un interruptor eti(uetado como ;!$>2E$ ó =%E2E$ (ue a)ustan los controles en un solo paso para a)ustar perfectamente la seal a la pantalla. 2i tu osciloscopio no posee esta caracteristica, es importante a)ustar los
diferentes controles del aparato a su posición standar antes de proceder a medir. Estos son los pasos más recomendables 9 ;)ustar el osciloscopio para visualizar el canal I. #al mismo tiempo se colocará como canal de disparo el I'. 9 ;)ustar a u na posición intermedia la escala voltios@división del canal I #por e)emplo -v@cm'.
9 &olocar en posición calibrada el mando variable de voltios@división #potenciómetro central'. 9 :esactivar cual(uier tipo de multiplicadores verticales. 9 &olocar el conmutador de entrada para el canal I en acoplamiento :&. 9 &olocar el modo de disparo en automático. 9 :esactivar el disparo retardado al mínimo ó desactivado. 9 2ituar el control de intensidad al mínimo (ue permita apreciar el trazo en la pantalla, y el trazo de focus a)ustado para una visualización lo más nítida posible #generalmente los mandos (uedaran con la sealización cercana a la posición vertical'. 9 2ondas de medida 8 &on los pasos detallados anteriormente, ya estas en condiciones de conectar la sonda de medida al conector de entrada del canal I. Es muy importante utilizar las sondas diseadas para traba)ar especi+camente con el osciloscopio. !na sonda no es ,ni muco menos, un cable con una pinza, sino (ue es un conector especi+camente diseado para evitar ruidos (ue puedan perturbar la medida. ;demás, las sondas se construyen para (ue tengan un efecto mínimo sobre el circuito de medida. Esta facultad de la sondas recibe el nombre de efecto de carga, para minimizarla se utiliza un atenuador pasivo, generalmente de -. Este tipo de sonda se proprociona generalmente con el osciloscopio y es una ecelente sonda de utilización general. =ara otros tipos de medidas se utilizan sondas especiales, como pueden ser las sondas de corriente ó las activas.
2ondas pasivas *a mayoria de las sondas pasivas estan marcadas con un factor de atenuación, normalmente -/ ó -/. =or convenio los factores de atenuación aparecen con el signo / detrás del factor de división. En contraste los factores de ampli+cación aparecen con el signo / delante #/- ó /-'. *a sonda más utilizada posiblemente sea la -/, reduciendo la amplitud de la seal en un factor de -. 2u utilización se etiende a partir de frecuencias superiores a K MCz y con niveles de seal superiores a - mD. *a sonda -/ es similar a la anterior pero introduce más carga en el circuito de prueba, pero puede medir seales con menor nivel. =or comodidad de uso se h an introducido sondas especiales con un conmutador (ue permite una utilización -/ ó -/. &uando se utilicen este tipo de sondas hay (ue asegurarse de la posición de este conmutador antes de realizar una medida.
&ompensación de la sonda ;ntes de utilizar una sonda atenuadora -/ es necesario realizar un a)uste en frecuencia para el osciloscopio en particular sobre el (ue se vaya a traba)ar. Este a)uste se denomina compensación de la sonda y consta de los siguientes pasos. 9 &onectar la sonda a la entrada del canal I. 9 &onectar la punta de la sonda al punto de seal de compensación #*a mayoria de los osciloscopios disponen de una toma para a)ustar las sondas, en caso contrario será necesario utilizar un generador de onda cuadrada'.
9 &onectar la pinza de cocodrilo de la sonda a masa. 9 >bservar la seal cuadrada de referencia en la pantalla. 9 &on el destornillador de a)uste, actuar sobre el condensador de a)uste hasta observar una seal cuadrada perfecta.
2ondas ;ctivas =roporcionan una ampli+cación antes de aplicar la seal a la entrada del osciloscopio. =ueden ser necesarias en circuitos con una cargabilidad de salida muy ba)a. Este tipo de sondas necesitan para operar una fuente de alimentación. 2ondas de &orriente =osibilitan la medida directa de las corrientes en un circuito. *as hay para medida de corriente alterna y continua. =oseen una pinza (ue abarca el cable a través del cual se desea medir la corriente. ;l no situarse en serie con el circuito causan muy poca interferencia en él. 2istema :e Disualización Intensidad 2e trata de un potenciómetro (ue a)usta el brillo de la seal en la pantalla. Este mando act"a sobre la re)illa más cercana al cátodo del &%$ #A-', controlando el n"mero de electrones emitidos por este. En un osciloscopio analógico si se aumenta la velocidad de barrido es necesario aumentar el nivel de intensidad. =or otra parte, si se desconecta el barrido horizontal es necesario reducir la intensidad del haz al mínimo #para evitar (ue el bombardeo concentrado de electrones sobre la parte interior de la pantalla deteriore la capa uorescente (ue la recubre'.
Enfo(ue 2e trata de un potenciómetro (ue a)usta la nitidez del haz sobre la pantalla. Este mando act"a sobre las re)illas intermedias del &%$ #AL y AN' controlando la +nura del haz de electrones. 2e retocará dicho mando para una visualización lo más precisa posible. *os osciloscopios digitales no necesitan este control.
%otación del haz %esistencia a)ustable actuando sobre una bobina y (ue nos permite alinear el haz con el e)e horizontal de la pantalla. &os magnéticos intensos cercanos al osciloscopio pueden afectar a la orientación del haz. *a posición del osciloscopio con respecto al campo magnético terrestre también puede afectar. *os osciloscopios digitales no necesitan de este control. 2e a)ustará dicha
resistencia, con el mando de acoplamiento de la seal de entrada en posición A:, hasta conseguir (ue el haz esté perfectamente horizontal.
2istema vertical =osición Este control consta de un potenciómetro (ue permite mover verticalmente la forma de onda hasta el punto eacto (ue se desee. &uando se está traba)ando con una sola seal el punto normalmente elegido suele ser el centro de la pantalla. &onmutador 2e trata de un conmutador con un gran n"mero de posiciones, cada una de las cuales, representa el factor de escala empleado por el sistema vertical. =or e)emplo si el mando esta en la posición L voltios@div signi+ca (ue cada una de las divisiones verticales de la pantalla #aproimadamente de un - cm.' representan L voltios. *as divisiones más pe(ueas representaran una (uinta parte de este valor, o sea, .N voltios. *a máima tensión (ue se puede visualizar con el osciloscopio presentado y con una sonda de -/ será entonces8 - #factor de división de la sonda' L voltios@div #máima escala' 0 divisiones verticales O -G voltios. En la pantalla se representa una seal de -Dpp tal como la veriamos en diferentes posiciones del conmutador.
;coplamiento de entrada 2e trata de un conmutador de tres posiciones (ue conecta eléctricamente a la entrada del osciloscopio la seal eterior. El acoplamiento :& de)a pasar la seal tal como viene del circuito eterior #es la seal real'.El acoplamiento ;& blo(uea mediante un condensador la componente continua (ue posea la seal eterior. El acoplamiento A: desconecta la seal de entrada del sistema vertical y lo conecta a masa, permitiéndonos situar el punto de referencia en cual(uier parte de la pantalla #generalmente el centro de la pantalla cuando se traba)a con una sola seal'.
Inversión
Es un conmutador de dos posiciones en forma de botón (ue permite en una de sus posiciones invertir la seal de entrada en el canal I #eisten otros osciloscopios (ue invierten el canal II'.
2istema Corizontal =osición Este control consta de un potenciómetro (ue permite mover horizontalmente la forma de onda hasta el punto eacto (ue se desee. &uando se está traba)ando con una sola seal el punto normalmente elegido suele ser el centro de la pantalla.
&onmutador 2e trata de un conmutador con un gran n"mero de posiciones, cada una de las cuales, representa el factor de escala empleado por el sistema de barrido horizontal. =or e)emplo si el mando esta en la posición - msg@div signi+ca (ue cada una de las divisiones horizontales de la pantalla #aproimadamente de un - cm.' representan - milisegundo. *as divisiones más pe(ueas representaran una (uinta parte de este valor, o sea, L Qsg. El osciloscopio presentado puede visualizar un máimo de L sg en pantalla #L msg - divisiones' y un mínimo de - nsg por división, si empleamos la ;mpli+cación #.K Qsg @ K'.
;mpli+cación Este control consta de un pe(ueo conmutador en forma de botón (ue permite ampli+car la seal en horizontal por un factor constante #normalmente K ó -'. 2e utiliza para visualizar seales de muy alta frecuencia #cuando el conmutador $I
/1
Este control consta de un pe(ueo conmutador en forma de botón (ue permite desconectar el sistema de barrido interno del osciloscopio, haciendo estas funciones uno de los canales verticales #generalmente el canal II'. &omo veremos en el capítulo dedicado a las medidas esto nos permite visualizar curvas de respuesta ó las famosas +guras de *issa)ous, utiles tanto para la medida de fase como de frecuencia.
2istema :e :isparo 2entido Este control consta de un conmutador en forma de botón (ue permite invertir el sentido del disparo. 2i está sin pulsar la seal se dispara subiendo #anco positivo P' y si lo pulsamos se disparará ba)ando #anco negativo ?'.Es conveniente disparar la seal en el an co de transición más rápida.
ivel 2e trata de un potenciómetro (ue permite en el modo de disparo manual, a)ustar el nivel de seal a partir del cual, el sistema de barrido empieza a actuar. Este a)uste no es operativo en modo de disparo automático.
;coplamiento :ebido a las muy diferentes seales (ue se pueden presentar en electrónica, el osciloscopio presenta un conmutador con el (ue podemos conseguir el disparo estable de la seal en diferentes situaciones. *a gama de frecuencias ó tipos de seales (ue abarca cada posición del conmutador depende del tipo de osciloscopio #es posible incluso (ue el osciloscopio tenga otras posiciones, especialmente para tratar las seales de televisión'. En la siguiente +gura se especi+ca los datos para un osciloscopio en particular. =ara tu osciloscopio deberás consultar la información suministrada por el fabricante, para actualizar esta tabla.
Eterior *a situación normal es (ue se permita al osciloscopio (uien internamente dispare la seal de entrada. Esto permite sincronizar casi todas las seales periódicas siempre (ue la altura de la imagen supere un cierto valor #generalmente muy pe(ueo, del orden de media división'. =ara algunas seales complicadas, es necesario dispararlas con otra seal procedente del mismo circuito de prueba. Esto puede hacerse introduciendo esta "ltima seal por el conector eti(uetado $%IA. E/$. y pulsando también el botón (ue le acompaa.
ColdoR =odía traducirse como mantener #hold' desconectado #oR'.Este control no está incluido en los osciloscopios de nivel ba)o ó medio. 2e utiliza cuando deseamos sincronizar en la pantalla del osciloscopio seales formadas por trenes de impulsos espaciados en el tiempo. 2e pretende (ue el osciloscopio se dispare cuando el primer impulso del (ue consta el tren alcance el nivel de tensión +)ado para el disparo, pero (ue eista una zona de sombra para el disparo (ue cubra los impulsos siguientes, el osciloscopio no debe dispararse hasta (ue llegue el primer impulso del siguiente tren. &onsta generalmente de un mando asociado con un interruptor, este "ltimo pone en funcionamiento el sistema holdoR y el mando variable a)usta el tiempo de sombra para el disparo. En la siguiente +gura se observará me)or el funcionamiento.
*inea de retardo
$ampoco es habitual encontrar dicho mando en los osciloscopios de gama media, ba)a. 2in embargo cuando deseamos ampli+car un detalle (ue no se encuentra cercano al momento del disparo, necesitamos de alguna manera retardar este "ltimo un determinado tiempo para con el mando de la base de tiempos poderlo ampli+car. Esto es precisamente lo (ue realiza este mando. &onsta de un conmutador de varias posiciones (ue nos proporciona el tiempo (ue el osciloscopio retarda la presentación desde el momento (ue la seal se dispara, este tiempo puede variar, dependiendo del osciloscopio, desde algunas fracciones de Qsg a algunos centenares de msg5 posee también, y generalmente concentrico con el anterior, un mando variable para a)ustar de forma más precisa el tiempo anterior. 1 por "ltimo, un conmutador (ue en una posición eti(uetada como search indica al osciloscopio (ue bus(ue el punto a partir del cual deseamos (ue se presente la seal y otra posición eti(uetada como delay (ue +)a la anterior posición y permite el u so de la base de tiempos para ampli+car el detalle deseado
fuente El Osciloscopio
