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El Osciloscopio
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 deflexión, se consigue mediante campos eléctricos. Ello constituye la deflexión electrostática. Una minoría de aparatos de osciloscopía especializados en la visualización de curvas de respuesta, emplean el sistema de deflexión electromagnética, igual al usado en televisión. Este último tipo de osciloscopio carece de control del tiempo de exploración. El proceso de deflexión del haz electrónico se lleva a cabo en el vacío creado en el interior del llamado tubo de rayos catódicos (TRC). En la pantalla de éste es donde se visualiza la información aplicada . El tubo de rayos catódicos de deflexión electroestática está dotado con dos pares de placas de deflexión horizontal y vertical respectivamente, que debidamente controladas hacen posible la representación sobre la pantalla de los fenómenos que se desean analizar. Esta representación se puede considerar inscrita sobre unas coordenadas cartesianas en las que los ejes horizontal y vertical representan tiempo y tensión respectivamente. La escala de cada uno de los ejes cartesianos grabados en la pantalla, puede ser cambiada de modo independiente uno de otro, a fin de dotar a la señal de la representación más adecuada para su medida y análisis. Las dimensiones de la pantalla del TRC están actualmente normalizadas en la mayoría de instrumentos, a 10 cm en el eje horizontal (X) por 8 cm en el eje vertical (Y). Sobre la pantalla se encuentran grabadas divisiones de 1 cm cuadrado, bien directamente sobre el TRC o sobre una pieza superpuesta a él, en la que se encuentra impresa una retícula de 80 cm cuadrados. En esta retícula es donde se realiza la representación de la señal aplicada al osciloscopio.
Qué es un osciloscopio?
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
¿Qué podemos hacer con un osciloscopio?.
Básicamente esto:
· Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal.
· Determinar indirectamente la frecuencia de una señal.
· Determinar que parte de la señal es DC y cual AC.
· Localizar averías en un circuito.
· Medir la fase entre dos señales.
· Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo.
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.
¿Qué tipos de osciloscopios existen?
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).
Tipos de ondas
Se pueden clasificar las ondas en los cuatro tipos siguientes:
· 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.
Términos utilizados al medir
Existe un término general para describir un patrón que se repite en el tiempo: onda. Existen
ondas de sonido, ondas oceánicas, 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 línea 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.
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, definiendose
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: Siendo t el tiempo de retraso entre una señal y otra.
¿Qué parámetros influyen en la calidad de un osciloscopio?
Los términos definidos en esta sección nos permitirán 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 máxima 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 atenúa 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.