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Más sobre este recurso: Catalogado en base de datos como: El osciloscopio: Funcionamiento y caratcerísticas del osciloscopio. Osciloscopios digitales. Tipos de ondas. Ciclos de onda. Longitud de onda. Agregado: 26 de JULIO de 2003 (Por Michel Mosse) | Palabras: 3148 | Votar! | Sin Votos | Sin comentarios | Agregar Comentario Categoría: Apuntes y Monografías > Electrónica > |
El osciloscopio es básicamente
un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas
variables en el tiempo. El eje vertical, a partir de ahora denominado Y,
representa el voltaje; mientras que el eje horizontal, denominado X, representa
el tiempo.
Básicamente esto:
Los osciloscopios son de los
instrumentos más versátiles que existen y lo utilizan desde técnicos de
reparación de televisores a médicos.
Un osciloscopio puede medir un
gran número de fenómenos, 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.
Los equipos electrónicos se
dividen en dos tipos: Analógicos y Digitales. Los primeros
trabajan con variables continuas mientras que 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 desvía 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.
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).
A primera vista un osciloscopio
se parece a una pequeña televisión portátil, salvo una rejilla que ocupa la
pantalla y el mayor número de controles que posee.
En la siguiente figura se
representan estos controles distribuidos en cinco secciones:
|
|
** Vertical.
** Horizontal. ** Disparo.
** Control de la visualización ** Conectores.
Para entender el funcionamiento
de los controles que posee un osciloscopio es necesario detenerse un poco en
los procesos internos llevados a cabo por este aparato. Empezaremos por el tipo
analógico ya que es el más sencillo.
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 están en
posición horizontal) y que son las encargadas de desviar el haz de electrones,
que surge del cátodo 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 están 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:
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).
Los osciloscopios digitales
poseen además de las secciones explicadas anteriormente un sistema adicional de
proceso de datos que permite almacenar y visualizar
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 así como
los mandos que intervienen en el disparo.
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:
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 basicamente dos tipos de interpolación:
Lineal:
Simplemente conecta los puntos muestreados con lineas.
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.
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
TERMINOLOGÍA
Estudiar sobre un tema implica
conocer nuevos términos técnicos. Ahora he pensado que debo explicar los
términos más utilizados en relación al estudio de los osciloscopios.
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.
Se pueden clasificar las ondas
en los cuatro tipos siguientes:
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.
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.
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.
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.
En esta sección describimos las
medidas más corrientes para describir una forma de onda.
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 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.
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.
Los términos definidos en esta
sección nos permitiran comparar diferentes modelos de osciloscopio disponibles
en el mercado.
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).
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.
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).
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.
Indica la precisión con la cual
el sistema vertical del osciloscopio amplifica ó atenua la señal. Se
proporciona normalmente en porcentaje máximo de error.
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.
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.
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.
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.
CONCLUSIONES
Los recursos que ofrece la red
de internet y la cantidad de libros publicados sobre electrónica (concretamente
sobre los osciloscopios), podrían haber echo de este trabajo, casi un libro
entero pero he optado por separarlo en tan sólo dos apartados que constan de
una introducción y una terminología, con el fin de tener una idea sobre lo que
es un osciloscopio, en cambio, no he citado la puesta de funcionamiento ni los
controles, ni muchos otros factores, dado que no creo fuera este el objetivo
del trabajo.
BIBLIOGRAFÍA
Las fuentes de información que
ahora citaré, concretamente las páginas web, no han sido todas las que he utilizado
y algunas de ellas sólo muestran tipos de osciloscopios (de 1 canal, de 2,
etc…) distintos o són de propaganda para algunas empresas pero con cualquier
buscador aparecen más de cien páginas diferentes.
Webs
libros
EL
OSCILOSCOPIO
Edgar
Carnero
Tresserras
Q3·Electrónica Naval·’98
INDICE
Primera parte: Introducción
Segunda parte:
Terminología
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