El Osciloscopio

Operación y uso del osciloscopio

El osciloscopio es un instrumento electrónico de medición, que si bien directamente solo mide voltajes, puede medir indirectamente una gran cantidad de magnitudes físicas, siempre y cuando se pueda asociar un voltaje directamente proporcional a la magnitud de interés.

OPERACIÓN DEL OSCILOSCOPIO.

Una medición de voltaje implica siempre colocar las puntas del voltímetro a través de los puntos que se van a medir. Por consiguiente, al hacer una medición con osciloscopio se deben conectar cuando menos dos puntas del circuito que se esté midiendo con las entradas del osciloscopio. El numero de puntas y el tipo de conexión depende del tipo de la entrada al amplificador y de si se ha de medir el voltaje en relación a tierra o a algún otro nivel no aterrizado. Las siguientes reglas indican como se hacen de manera las conexiones de manera correcta.

1.- Si algún punto del circuito que se esta midiendo esta conectado a tierra, se conecta a la tierra del osciloscopio con esa tierra de circuito con una punta separada.

2.- Si se mide el voltaje del punto en cuestión en relación a tierra, entonces se debe hacer una condición adicional del instrumento. Dependiendo de si la entrada al osciloscopio es de una punta o diferencial, esta conexión se hace de manera diferente:

a) Entrada de una punta. Conéctese la sonda con el punto en cuestión del circuito que se va a medir y con la terminal de entrada no aterrizada del osciloscopio (es decir, con el conductor central del conector BNC).

b) Entrada diferencial. Conéctese la sonda al punto de interés en el circuito a la terminal de entrada más o positiva de la entrada diferencial. Conéctese la tierra la entrada menos o negativa de la entrada, fijando su interruptor de acoplamiento de entrada a la posición GROUND o TIERRA o asegúrese que el cincho de tierra este conectado a esa terminal. (El procedimiento de conexión a tierra depende del diseño de la entrada específica).

3.- Si el voltaje que se va a medir con osciloscopio esta entre otros puntos no aterrizados en un circuito, el método de conexión también depende del tipo de la entrada disponibles en el osciloscopio que se esté empleando.

a) Entradas de una terminal. Con una entrada de una terminal de medición de los voltajes no conectados a tierra implica un método muy peligroso (y a veces puede conducir a resultados erróneos). Este método implica el empleo de adaptador de tres a dos conductores en el cable de alimentación del osciloscopio (véase en la figura siguiente). ….

Fig. a) Adaptador de tres a dos conductores

b) Osciloscopio con clavija adoptadora de tres a dos

Este adaptador desconecta del tercer conductor del cable de tres alambres, de la tierra de la construcción y por lo mismo desconecta las terminales de tierra del osciloscopio y el chasis de la tierra de la construcción.

Como las terminales de tierra del osciloscopio ya no están conectadas a una tierra física, se puede conectar un voltaje no aterrizado entre las dos terminales de entrada vertical y el osciloscopio mostrara la diferencia de voltaje entre ellas.

El posible peligro que puede presentarse al emplear este método implica el hecho de que el chasis del osciloscopio tiene el mismo nivel de voltaje con respecto a tierra que el voltaje conectado a cualquiera de sus terminales de tierra. Si la terminal de tierra se conecta a un punto en el circuito que este a 115 V con respecto a tierra, el chasis completo del osciloscopio se comporta como un conductor de 115 V expuesto sobre el banco de prueba. Si alguien toca el osciloscopio y un punto de tierra física puede presentarse una descarga potencialmente letal. Por lo tanto, el empleo de los conectores de tres o dos conductores se mencionan aquí más que nada para alertar al usuario acerca del peligro asociado con su empleo y no como una recomendación.

A veces es posible otro método de medición de voltajes no aterrizados, que no es peligroso, en los osciloscopios de doble trazo. El osciloscopio debe tener la característica que le permita mostrar la diferencia de los niveles de voltaje alimentados a sus dos canales de entrada. A continuación, el voltaje de un punto no aterrizado en el circuito que se prueba se puede alimentar al canal A y el otro al canal B. Con el control de presentación puesto en la posición de restar, el osciloscopio mostrara la diferencia de voltaje entre los dos puntos sin tener que recurrir a un conector de tres a dos conductores. Esta técnica tendrá errores de corrimiento porque los amplificadores para cada uno de los canales no son idénticos.

Es importante notar que si se emplea el modo (A-B) para rechazar un voltaje alto común que este presente en los dos canales (por ejemplo, un voltaje alterno del cable de 115 V) se pueden dañar los amplificadores de entrada del osciloscopio. En consecuencia nunca se debe rebasar el voltaje máximo especificado por el fabricante del osciloscopio para el amplificador de entrada. Siempre que sea posible, empléese un osciloscopio de baterías al efectuar mediciones de voltaje diferenciales en la parte media de un circuito.

b) Entrada diferencial. Conéctese un punto que se esté midiendo con la terminal de entrada positiva de la entrada diferencial y la otra a la entrada negativa. El osciloscopio restara electrónicamente un voltaje del otro y desplegara la diferencia de voltajes entre los dos puntos.

Uso del osciloscopio

El osciloscopio se a utilizado en casi cualquier disciplina, desde aplicaciones de ingeniaría eléctrica, hasta mediciones en medicina, etc.

Los osciloscopios permiten visualizar el comportamiento de una señal a medida que transcurre el tiempo, es decir, en su pantalla muestra la señal de voltaje en función del tiempo. Además permite visualizar gráficas de Vy vrs Vx, gráficas de un voltaje en función de otro. Esto es muy útil para efectos de simulación en una gran cantidad de fenómenos.

A diferencia de un multiprobador o un voltímetro normal, que solamente dan información de los valores promedios de voltaje o valores picos.

Su principio de funcionamiento es muy parecido en algunos aspectos a los de un televisor normal, sobre todo en lo que se refiere a su pantalla, la cual es llamada técnicamente tubo de rayos catódicos (TRC).

Tipos de osciloscopios

Se dividen en dos tipos: 

Analógicos y Digitales. Los primeros trabajan con variables continuas mientras que los segundos lo hacen con variables discretas. 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).

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 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, y puede ser regulable en tiempo actuando sobre el mando TIME-BASE. El trazado (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 ajustes básicos:

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 TIME-BASE 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).

OSCILOSCOPIOS DIGITALES

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 hace un muestreo 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 pre disparo, 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 TIME-BASE así como los mandos que intervienen en el disparo.

A continuación se describen las partes principales que típicamente componen a un osciloscopio.

1.- El tubo de rayos catódicos (TRC)

2.- La sección horizontal.

3.- La sección vertical.

Tubo de rayos catódicos

Es la parte donde se presenta la información, en la siguiente figura se muestra un esquema simplificado:

Diagrama esquemático simplificado de un tubo de rayos catódicos en un osciloscopio.

El TRC consiste en un tubo al vacío, cuya pantalla está internamente recubierta de algún tipo de material fosforescente, el cual al ser golpeado por electrones absorbe la energía cinética de éstos y luego la libera en forma de luz, haciendo visible la trayectoria por la cual se desplaza.

Los electrones que llegan a la pantalla en el TRC son inicialmente liberados gracias al calentamiento producido por una corriente a través de un filamento al cual se le aplica una diferencia de potencial V, luego son reunidos en un haz mediante campos magnéticos producidos en bobinas colocadas cerca del filamento.

La aceleración de los electrones hacia la pantalla se realiza mediante la aplicación de un alto voltaje (entre 1.5 y 5.0 KV aproximadamente).

En su trayectoria, el haz de electrones atraviesa dos parejas de placas deflectoras, una pareja vertical y otra horizontal. Cada pareja de placas está sometida a una diferencia de potencial variable, las verticales hacen variar la posición horizontal del haz sobre la pantalla y las horizontales modifican la posición vertical. A estas últimas se les aplica un voltaje directamente proporcional a la señal que se desea medir o estudiar, aunque esto puede variar dependiendo del modelo particular del osciloscopio.

Los controles asociados con el tubo de rayos catódicos son los siguientes:

Intensidad. (Intensity).

Enfoque. (Focus).

Posición vertical. (Vertical).

Posición horizontal. (Horizontal).

Localizador de haz. (Beam finder).

El control de intensidad regula el voltaje de aceleración, produciendo una mayor o menor aceleración del haz de electrones y por lo tanto de la brillantez de la luz producida en la pantalla.

El enfoque controla la concentración o dispersión del haz de electrones, permitiendo refinar la apariencia de la traza dejada por los electrones sobre la pantalla.

Posición vertical. Regula la posición vertical de la traza, para poder ubicar una referencia, medir más fácilmente amplitudes, etc.

Posición horizontal, similar al anterior sólo que en cuanto a la parte horizontal.

Localizador del haz. Cuando sobre la pantalla no aparece ninguna señal, puede deberse a la inadecuada regulación de los controles de posición o de otras escalas; para tener una idea de qué controles mover, el localizador de haz comprime la traza del haz sobre el área de la pantalla, pudiéndose apreciar desde qué parte proviene y así manipular el control apropiado.

En la parte externa de la pantalla suele colocarse una cuadrícula graduada por lo general en cm, de tal manera que sirva como escala para medir las señales.

SECCIÓN HORIZONTAL

Generalmente se divide en dos partes, la base de tiempo y la función disparo. La primera regula la rapidez con la cual el haz barre horizontalmente la pantalla, fijando así la escala del tiempo sobre la cuadrícula de la pantalla; la mayor parte de osciloscopios tienen graduado este control en segundos por división (sec/div) o fracciones.

El control de disparo regula la formación de imágenes estables en la pantalla, y el momento o fase a partir de la cual se comienza a visualizar una señal. En algunos modelos también permite visualizar señales que se producen una sola vez y que normalmente no es posible ver, ya que el osciloscopio trabaja con señales periódicas de frecuencia relativamente alta.

SECCIÓN VERTICAL

En esta sección encontramos el control para la escala vertical, graduada en voltios por división (V/div), también llamada sensibilidad.

PRECAUCIONES GENERALES

Si bien los aparatos tienen algunas características de auto protección, es necesario ser cuidadoso en el uso de ellos, para no afectar su funcionamiento y para obtener medidas correctas, se deben observar las siguientes precauciones:

1.- Evitar golpear o mover bruscamente los aparatos, ni marcar nada sobre ellos.

2.- No desconectar el cable de potencia mientras no se haya apagado el osciloscopio.

3.- Mover los controles e interruptores en forma moderada, para evitar su daño.

4.- Evitar aplicar voltajes mayores que los tolerados por cada aparato (generalmente indicado en el panel de controles).

5.- Usar adecuadamente el control de intensidad, para evitar quemar o dañar de manera permanente la capa fosforescente que recubre la pantalla.

6.- No maltratar los cables de conexión y conectadores de entrada, evitar tocar las partes expuestas, si se trabaja con alto voltaje.

7.- Asegurarse que el osciloscopio esté adecuadamente conectado a tierra.

Al utilizar el osciloscopio con otros aparatos conectados a la red, debe verificarse qué terminales, especialmente los de tierra, pudieran provocar un cortocircuito, ya que la referencia es la misma para la mayoría de aparatos en el laboratorio y están por lo tanto conectados a través de la red eléctrica.

Medición de voltajes C.D, voltajes pico a pico en C.A y frecuencia

MEDICIÓN DE VOLTAJE DE CORRIENTE DIRECTA

El barrido de frecuencia no es indispensable ajustarlo pero puede colocarlo a 100 Hz.

Se coloca el interruptor de entrada vertical en GND y se fija la línea de frecuencia con el control de posición vertical. (Ver Ilustración 0-2)

Se selecciona la escala vertical, por ejemplo 2 V/div. Con el control variable respectivo apagado.

Se aplica el voltaje a medir en la entrada vertical y luego se pasa el interruptor a la posición DC. El haz en la línea de referencia se traslada a otra posición. (Ver ilustración)

Se cuentan los las divisiones desplazadas y se multiplica por la escala para obtener la medida, en este caso:

4.5 div * 2V/div = 9 V.

Medición de voltajes AC y su respectiva frecuencia

Si el osciloscopio cuenta con base de tiempo debe ajustarse los siguientes controles (Si es de doble traza la señal se considera aplicada en el canal 1).

INTENSITY: Moderada.

TRIGGER MODE: P-P AUTO.

SOURCE: CH1.

CH1-CH2-BOTH: CH1.

AC-GND-DC: DC.

ADD-ALT-CHOP: ALT.

CH1 VOLT/DIV: Según el rango de voltios a medir. (Por ejemplo "5")

SEC/DIV: Según el rango de frecuencia a medir. (Por ejemplo 2 ms).

Al aplicar voltaje al canal 1 se obtiene una señal como la mostrada en la siguiente ilustración.

MEDICIÓN DE VOLTAJES PICO A PICO

Para medir el voltaje pico a pico se cuentan las divisiones que separan a un máximo y un mínimo, en este caso 6 divisiones y se multiplica por la escala vertical.

Vpp = 6 div * 5 V/div = 30 V.

Para medir la frecuencia tenemos que encontrar el número de divisiones que separan a dos puntos en fase sucesivos (dos máximos por ejemplo).

En nuestro caso la distancia entre dos máximos sucesivos es 3 div.

Como la escala seleccionada es de 2 ms/div, el período T de la señal es:

T = 3 div * 2 ms/div = 6 ms, y la frecuencia, F = 1/T = 166.7 Hz.

Anexo

DESCRIPCIÓN DEL MODELO 2205 TEKTRONIX.

Esquema de controles del modelo 2205 Tektronix.

RESUMEN DE LOS CONTROLES, CONECTADORES E INDICADORES DEL

OSCILOSCOPIO TEKTRONIX 2205

Autor:

Pablo Turmero