Osciloscopio

República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Defensa Universidad Nacional Experimental de las Fuerzas Armadas UNEFA-núcleo Mérida

Grupo 01 Sección: TEL-503T Lab de Física III

2009

¿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. La imagen así obtenida se denomina oscilograma. Suelen incluir otra entrada, llamada "eje Z" que controla la luminosidad del haz, permitiendo resaltar o apagar algunos segmentos de la traza.

Con un osciloscopio en las manos podemos hacer 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.

¿Cómo funciona un Osciloscopio? El osciloscopio de rayos catódicos (ORC) es un instrumento constituido básicamente por un tubo de rayos catódicos (TRC), unas placas de deflexión vertical y horizontal (para deflexión electromagnética) y una parte electrónica que controla la intensidad, enfoque y posición del haz de electrones, así como circuitos que permiten ajustar la señal de entrada a observarse y variar la frecuencia de la base de tiempo.

1. Tubo de rayos catódicos: El tubo de rayos catódicos (T.R.C.) es lo que comúnmente denominamos pantalla, aunque no solo está compuesto de ésta sino que en el interior tiene más partes. El fundamento de estos tubos es igual al hablar de la televisión. Su principal función es que permite visualizar la señal que se está estudiando, utilizando para ello sustancias fluorescentes que proporcionan una luz normalmente verde.

En la pantalla aparecen un conjunto de líneas reticuladas que sirven como referencia para realizar las medidas. Dichas líneas están colocadas sobre la parte interna del cristal, estando así la traza dibujada por el haz de electrones y la cuadrícula en el mismo plano, lo cual evita muchos errores de apreciación. Según el modelo de osciloscopio la cuadrícula que se utiliza puede ser de un tamaño o de otro. Algunos de los más comunes son de 8 x 10, 10 x 10, 6 x 10, etc. Además de las divisiones principales representadas por la cuadrícula, normalmente suele haber otras subdivisiones que son utilizadas para realizar medidas más precisas. 2. Placas de deflexión vertical y horizontal 2.1 Amplificador horizontal: El amplificador horizontal tiene como cometido amplificar las señales que entren por la entrada horizontal (X). Normalmente se emplea para amplificar las señales que son enviadas desde el circuito de base de tiempos. A dichas señales se les proporciona una amplitud suficiente para que se pueda producir el desvío del haz de electrones a lo ancho de toda la pantalla. Algunas veces no es necesario conectar las señales de la base de tiempos ya que estas tienen la amplitud necesaria. Por lo tanto, como ya hemos dicho, no solo se va a amplificar la señal de la base de tiempos sino que podemos amplificar cualquier señal y luego componerla con la señal procedente del sistema vertical para obtener la gráfica final que va a aparecer en la pantalla.

2.2 Amplificador vertical: El amplificador vertical es, como su nombre indica, el encargado de amplificar la señal que entre por la entrada vertical (Y). Para que el osciloscopio sea bueno debe ser capaz de analizar señales cuyos valores estén comprendidos en un rango lo más grande posible. Normalmente, los amplificadores verticales constan de tres partes: Amplificador, atenuador y seguidor catódico. El amplificador es el encargado de aumentar el valor de la señal. Está formado por un preamplificador que suele ser un transistor y es el encargado de amplificar la tensión. Después, tenemos unos filtros que son los encargados de que el ancho de banda de paso sea lo mayor posible, y pueden aumentar tanto la banda de bajas como de altas frecuencias. Por último, se pasa por el amplificador final que puede estar formado por uno o dos transistores.

3. Circuito de barrido horizontal o base de tiempos Otra de las partes del osciloscopio es la base de tiempos. La función de este circuito es conseguir que la tensión aplicada aparezca en la pantalla como función del tiempo. El sistema de coordenadas está formado por el eje vertical y el horizontal,

siendo en este último donde se suelen representar los tiempos. El circuito de base de tiempos debe conseguir que el punto luminoso se desplace periódicamente y con una velocidad constante en el eje horizontal sobre la pantalla de izquierda a derecha, volviendo luego rápidamente a la posición original y repitiendo todo el proceso. Para conseguir este proceso el circuito de base de tiempos debe proporcionar a las placas horizontales una tensión variable cuya forma debe ser la de diente de sierra.

La forma de estas ondas ya la conocemos, aumenta la tensión hasta un punto máximo, a partir del cual desciende rápidamente en lo que se denomina tiempo de retorno, ya que retorna al punto original (0 de tensión). El tiempo que se tarda en alcanzar el punto máximo de tensión es exactamente el mismo que se va a tardar en recorrer toda la pantalla de izquierda a derecha en el eje horizontal. El tiempo de retorno es lo que se tarda en volver al punto origen de la pantalla, es decir, a la izquierda de la misma. El tiempo en recorrer la pantalla de izquierda a derecha siempre va a ser mayor que el tiempo de retorno; de hecho, cuanto menor sea el tiempo de retorno mejor será la reproducción de la señal en la pantalla. Según sea la frecuencia de la tensión de diente de sierra, el punto luminoso se desplazará con mayor o menor rapidez por la pantalla. Por lo tanto, nos interesa que el circuito de base de tiempos proporcione una frecuencia variable, para que el rango de frecuencias que se puedan analizar sea muy grande y abarque desde las frecuencias muy cortas hasta las muy elevadas.

4. Sistema de sincronismo

El sistema de sincronismo es el encargado de que la imagen que vemos en el tubo de rayos catódicos sea estable. Para poder conseguir esto se utiliza una señal de barrido que tiene que ser igual o múltiplo de la frecuencia de la señal de entrada (vertical). Para sincronizar la señal vertical con la base de tiempos (o señal

horizontal) se puede utilizar la denominada sincronización interna. Consiste en inyectar en el circuito base de tiempos la tensión que se obtiene del ánodo o del cátodo del amplificador vertical (dependiendo de cuál sea la más adecuada). Así se consigue que el principio de la oscilación de la base de tiempos coincida con el inicio del ciclo de la señal de entrada. Este tipo de sincronización no siempre es el más adecuado. Existen otros tipos de sincronización como la sincronización externa y la sincronización de red.

Por último, diremos que todo osciloscopio necesita una fuente de alimentación que va a ser la encargada de proporcionar las tensiones necesarias para alimentar las diferentes etapas que forman los circuitos de un osciloscopio.

¿Qué controles posee un osciloscopio típico?

BRIGHT: Girando su cursos se ajusta la intensidad de la pantalla. FOCUS: Girándolo se ajusta el foco del trazo sobre la pantalla. GRAT: Ilumina una cuadrícula o grilla que facilita la visualización de la señal. TRACE: Selecciona la señal a trazar en la pantalla. TRIGGER: Selecciona la fuente de disparo. TRIGGER LEVEL: Selecciona el punto de la onda utilizado para disparar. TIMEBASE: Selecciona la velocidad con la que el trazo se desplaza en la pantalla. INPUT LEVEL: Ajusta el nivel de la entrada. POS (Position): Establece la posición del trazo en la pantalla. El instrumento dispone de un conector de entrada para cada canal, situado en el frente del mismo. Seguramente su osciloscopio tenga muchos otros mandos que éste, en esta introducción trataremos de cubrirlos a todos ellos. ¿Tipos de osciloscopio? Los osciloscopios, clasificados según su funcionamiento interno, pueden ser tanto analógicos como digitales, siendo el resultado mostrado idéntico en cualquiera de los casos. 1. Osciloscopios analógicos

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 estan en posición horizontal) y que son las encargadas de desviar el haz de electrones, que surge del catodo 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 comience en el mismo punto de la señal repetitiva).

Como conclusión para utilizar de forma correcta un osciloscopio analógico necesitamos realizar tres ajuste básicos: •

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La atenuación ó amplificación que necesita la señal. Utilizar el mando AMPL. para ajustar la amplitud de la señal antes de que sea aplicada a las placas de deflexión vertical. Conviene que la señal ocupe una parte importante de la pantalla sin llegar a sobrepasar los límites. La base de tiempos. Utilizar el mando TIMEBASE para ajustar lo que representa en tiempo una división en horizontal de la pantalla. Para señales repetitivas es conveniente que en la pantalla se puedan observar aproximadamente un par de ciclos. Disparo de la señal. Utilizar los mandos TRIGGER LEVEL (nivel de disparo) y TRIGGER SELECTOR (tipo de disparo) para estabilizar lo mejor posible señales repetitivas.

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).

2. Osciloscopio digital: Los osciloscopios digitales poseen además de las secciones explicadas anteriormente un sistema adicional de proceso de datos que permite almacenar y visualizar la señal.

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.

¿Qué parámetros influyen en la calidad de un osciloscopio? 

Ancho de Banda

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Tiempo de subida

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Sensibilidad vertical

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Velocidad

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Exactitud en la ganancia

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Exactitud de la base de tiempos

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Velocidad de muestreo

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Resolución vertical

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Longitud del registro

Fuentes: http://mx.geocities.com/danapam84/osciloscopio.htm http://portales.educared.net/wikiEducared/index.php?title=Osciloscopi o http://cachivachesonline.blogspot.com/ http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/movimiento/osciloscopi o/osciloscopio.htm http://usuarios.iponet.es/agusbo/osc/osc_1.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Osciloscopio http://ichasagua.dfis.ull.es/docencia/ife/moda/oscilo.html