Osciloscopios. 2.1 Reseña histórica, función del osciloscopio y criterios de clasificación

Transcripción

1 2 Osciloscopios 2.1 Reseña histórica, función del osciloscopio y criterios de clasificación El osciloscopio de rayos catódicos es el instrumento electrónico más utilizado para capturar y analizar señales eléctricas variables en el tiempo. En su modo de operación por defecto (modo Y-t) el eje vertical representa la magnitud de la señal y el eje horizontal el tiempo. El tubo de rayos catódicos permite observar variaciones de alta velocidad cuando se aplican señales a uno de sus canales, por ello sustituyó al oscilógrafo y al registrador X- Y. Estos instrumentos, basados en componentes electromecánicos, al medir señales de alta frecuencia estaban limitados por la inercia del trazador (pluma móvil cuyo movimiento en dirección perpendicular al papel registra la señal). En el cátodo del tubo de rayos catódicos se genera un haz colimado de electrones que, al incidir sobre la pantalla de fósforo, produce el trazo visible, que reproduce fielmente la señal de interés objeto de medida, y que resulta de componer dos movimientos transversales. El movimiento del haz electrónico es causado por la acción de campos eléctricos aplicados a dos conjuntos de placas de deflexión, que constituyen las tensiones de deflexión. Estas tensiones se generan internamente a partir de las señales medidas. Desde su generación hasta el punto de incidencia, el haz apenas es afectado por fenómenos de tipo mecánico (como por ejemplo vibraciones o la inercia del movimiento), debido a que está formado por partículas de masa despreciable. Básicamente, con un osciloscopio se pueden realizar las siguientes medidas directas: Período y magnitud (tensión) de una señal. Componente de continua (señal de acoplo) de una señal alterna. Desfases entre dos señales de la misma frecuencia. Tiempos de subida y bajada de transitorios (flancos de una señal). Anchuras de pulsos. Test o comprobación de componentes activos y pasivos. En una primera aproximación, los osciloscopios pueden clasificarse en analógicos y digitales (de almacenamiento digital). Los primeros reconstruyen la señal aplicada al canal vertical en tiempo real, por ello son los adecuados para capturar eventos periódicos y rápidos. La incorporación de dispositivos de memorización permite capturar fenómenos no repetitivos, como por ejemplo los transitorios asociados a picos JJGDR-UCA 1

2 Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa de tensión, el tiempo de estabilización de una señal en torno a un nivel o el arranque de un oscilador. Otros instrumentos electrónicos basados en el mismo principio operativo del osciloscopio (tubo de rayos catódicos) son los analizadores lógicos de estados (en esencia osciloscopios de varios canales), los trazadores de curvas de dispositivos semiconductores y los analizadores de espectros. Con independencia de sus posibilidades de almacenamiento digital, dos son los criterios básicos de clasificación de esos instrumentos: la frecuencia máxima admisible para la señal aplicada al canal vertical y el número de canales verticales que incorporan. Según el primer criterio existen osciloscopios de baja frecuencia (hasta 10 MHz aproximadamente) y de alta frecuencia (hasta unos 500 MHz). Hay modelos que admiten frecuencias intermedias. Por otra parte, casi todos los osciloscopios incorporan al menos dos canales verticales. En este caso la representación simultánea de dos, o más señales, se consigue gracias a la elevada persistencia de los trazos sobre la pantalla que da una apariencia de simultaneidad. Esto se consigue con un solo haz electrónico con sus correspondientes sistemas de deflexión vertical y horizontal. 2.2 Hoja de características de un osciloscopio. Criterios de selección Las características técnicas de un osciloscopio son extensas y no todas influyen por igual en la relación rendimiento/coste del instrumento. En consecuencia, es necesario conocer los parámetros que determinan la calidad del instrumento. En este apartado se exponen las primeras definiciones, basadas en estos parámetros, que nos aproximan a la operación del instrumento. La calidad y en consecuencia el coste de un osciloscopio, depende en esencia, y aproximadamente en este orden, de los siguientes factores: a) Número de canales. Establece las entradas externas aplicables y que pueden ser capturadas por el instrumento al mismo tiempo. b) Ancho de banda y tiempo de subida. Cuantifican la capacidad de procesamiento de frecuencias y la velocidad de respuesta de la unidad de deflexión vertical del instrumento. El modelo de sistema de primer orden con respuesta frecuencial de tipo paso-baja, refleja con fidelidad su comportamiento. c) Sensibilidad de los canales verticales. Indica la capacidad del instrumento para resolver pequeños cambios en la amplitud de la señal de entrada. La unidad principal de medida en la pantalla es la división. En consecuencia, un osciloscopio sensible debe ser capaz de representar pocos milivoltios en una división; es decir, expandirá y resolverá notablemente señales de bajo nivel (pequeña amplitud). Existen modelos que pueden alcanzar valores de sensibilidad inferiores a los 2 mv/div. La mayoría poseen como mejor sensibilidad 5 mv/div. d) Velocidad máxima del barrido horizontal. Refleja la capacidad de un osciloscopio de capturar sucesos rápidos; es decir, establece la resolución temporal del instrumento. Si en una división horizontal vemos pocas unidades temporales de un evento, realizamos una expansión del mismo. Más adelante se demuestra que la capacidad de expansión de transitorios rápidos está relacionada con la pendiente de la señal de barrido (en forma de diente de sierra) generada en la unidad de desviación horizontal. Una velocidad de 2 JJGDR-UCA

3 2 Osciloscopios barrido elevada supone ver muy poco evento en una división (pocos microsegundos por división). e) Exactitud de la ganancia del amplificador vertical. Indica el error con que se especifica la ganancia del amplificador vertical del osciloscopio. Se proporciona un porcentaje de error máximo. f) Precisión de la base de tiempos de la unidad de deflexión horizontal. Mediante un porcentaje de error, el fabricante indica la precisión con que el instrumento expande (poco evento por división, velocidades de barrido altas) o contrae (mucho evento por división, velocidades de barrido bajas) la señal en el eje temporal. Las siguientes características son propias de osciloscopios de almacenamiento digital, que incorporan circuitos de conversión de analógica/digital (A/D) y elementos de memoria. g) Frecuencia de muestreo. La mitad de este parámetro establece la máxima componente en frecuencia de una señal que es capaz de digitalizar el instrumento, reproduciendo con fidelidad la señal analógica muestreada. Viene determinada por el convertidor A/D. En los modelos más avanzados se alcanzan velocidades de muestreo del orden de Gigamuestras/seg. La velocidad de muestreo depende de la posición de la base de tiempos del instrumento, ya que éste suele diseñarse con el propósito de almacenar en la memoria el mismo número de puntos para cualquier posición de la base de tiempos. h) Capacidad de almacenamiento. Indica la capacidad de la memoria RAM. i) Capacidad del registro. El registro es un almacén intermedio de datos, de cuya información se puede disponer para ampliación de tramos de la señal. j) Resolución vertical. Cada muestra es digitalizada con un número de bits, determinado por el convertidor A/D, que indica la resolución de la digitalización. k) Incorporación de módulos para el cálculo de operaciones matemáticas. Por ejemplo, módulos de transformada rápida de Fourier (FFT; Fast Fourier Transform). l) Control mediante programación (instrumentación programable). Los instrumentos que incorporan tarjeta controladora permiten el gobierno por computadora de su panel, mediante una secuencia de órdenes descritas en un programa informático. De esta forma, el instrumento puede formar parte de una red de instrumentos controlada por ordenador. Uno de los estándares más comunes (el más conocido en instrumentos de laboratorio) es el sistema de interconexión de instrumentos programables descrito por la norma IEEE 488, conocido comercialmente mediante el acrónimo GPIB (General Purpose Interface Bus, bus interfaz para interconexión de propósito general). Para poder controlar un instrumento que incorpore esta opción es necesario instalar en el ordenador de control una tarjeta GPIB (con su correspondiente programa controlador o JJGDR-UCA 3

4 Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa driver ), que se une al instrumento mediante un cable de la misma designación. También es posible el control sin necesidad de instalar en el ordenador nuevas tarjetas en los buses de expansión; por ejemplo, mediante el puerto de comunicaciones serie, RS232. En la actualidad, las prestaciones mínimas que incluyen los modelos básicos son cada vez más avanzadas y numerosas. Así, encontramos en el mercado modelos con anchos de banda mínimos de 10 MHz, la incorporación de doble base de tiempos con velocidades de barrido elevadas y pantallas con lecturas digitales (readout) y cursores. Estos últimos facilitan las medidas de tensión, tiempo y frecuencia. La tendencia generalizada consiste en la incorporación de control por procesador, que dota al instrumento de cierto grado de inteligencia, con la consecuente simplificación de su manejo. El microprocesador permite el ajuste automático (opción Auto Set) de los mandos. Asimismo, permite memorizar y recuperar (opciones Save/Recall), desde la memoria RAM del procesador, situaciones predeterminadas de ajuste de los parámetros de medida. De esta forma, el usuario no se preocupa por capturar la señal, sino por ajustar los mandos del panel con el fin de visualizarla según su criterio; y si por error u olvido se pierde el ajuste, puede recuperarlo. Los instrumentos de alta tecnología suelen disponer además de un menú de calibración con el fin de ajustar las funciones del equipo sin necesidad de retirar su carcasa. Los datos técnicos de la hoja de características suelen agruparse, según las opciones analógica y digital, en las secciones que muestran las tablas 1-5. Los parámetros que contienen se describirán en sus correspondientes apartados. El propósito de nombrarlos aquí es mostrar al lector la amplitud de este instrumento y proporcionar algunas primeras definiciones. En el transcurso del libro se definirá el resto y se ampliarán las definidas. El fabricante también suele informar de los accesorios y posibles ampliaciones del instrumento. Más adelante se incluyen las tablas de características de un modelo real de osciloscopio. El lector podrá entonces comprobar su grado de aprendizaje y familiarizarse con los órdenes de magnitud y unidades de los parámetros suministrados. Con el fin de lograr este objetivo, comenzamos la exposición de los módulos componentes del instrumento. Tabla 1. Características analógicas de un osciloscopio. Amplificador vertical Modos de operación al visualizar dos o más señales Suma y resta de señales Modo XY de dos señales; eliminación de la variable tiempo Inversión de señales Ancho de banda o margen de frecuencias Tiempo de subida en el caso más desfavorable Sobreimpulso producido al capturar la señal; amortiguamiento del instrumento Sensibilidades o coeficientes de deflexión que permitirán amplificar o atenuar la señal Impedancia de entrada: asociación en paralelo de una resistencia y un condensador Acoplamientos de entrada: posibilidad de ver la señal con o sin su acoplo de CC Tensión máxima de entrada Línea de retardo: para mejorar la captura de eventos rápidos Tabla 1. Cont. Características analógicas de un osciloscopio. 4 JJGDR-UCA

5 2 Osciloscopios Amplificador horizontal Bases de tiempos principal y retardada: concentración y expansión temporal de eventos Precisiones analógica y digital Precisión analógica con ampliación horizontal X10 Tiempo de hold-off: para capturar eventos de periodicidad complicada Ancho de banda del amplificador horizontal: margen de frecuencias Opciones de sincronismo Mínima amplitud pico-pico para disparo automático Margen de frecuencias con disparo automático Margen de frecuencias con disparo normal Flancos de disparo Selección de la señal de disparo Tipos de acoplamiento de la señal de disparo Posibilidad de segundo disparo en la base de tiempos retardada Disparo alternado entre canales Disparo externo: características de la señal externa empleada como disparo Separador activo de sincronismo Tabla 2. Características de la unidad de almacenamiento digital. Amplificador vertical Modos de operación: emulación de registrador continuo o rodillo, de refresco, disparo único, XY, de envolvente, promediado Unión de puntos: interpolaciones lineal y/o senoidal Circuitos de muestreo (tiempo real): frecuencia de muestreo máxima, tipo de memoria (generalmente flash) y bits de codificación de datos Profundidad de memoria: palabras X bits por palabra Memoria de referencia Resolución: puntos por cm Ancho de banda y diferencia de fase en el modo XY Disparo anterior y posterior a la señal capturada Tabla 3. Panel de usuario y posibilidades de control. Ajuste automático (Auto Set): disposición automática de parámetros para la captura de señales Memorización y recuperación de disposiciones de ajuste (Save/Recall) Indicación digital de medidas con cursores Interfaz para control y/o transferencia de datos: RS232, IEEE 488 Tabla 4. Características eléctricas y dimensionales. Tubo de rayos catódicos: se especifica el modelo Tensión de aceleración del haz electrónico Circuito de calibración: características de las señales generadas internamente para calibrarlo Conexión de red y consumo Protección Peso, color y medidas Tabla 5. Comprobador de componentes. Tensión y corriente de test suministradas por el instrumento cuando se le conectan componentes para comprobar su estado mediante la visualización de curvas estáticas 2.3 Diagrama de bloques, subsistemas y funcionamiento cualitativo Generalmente consta de los siguientes bloques funcionales: JJGDR-UCA 5

6 Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa 1. Tubo de rayos catódicos. 2. Subsistema de deflexión (desvío) vertical. 3. Subsistema de deflexión horizontal. 4. Fuentes de alimentación de alta y media tensión. 5. Circuitos de calibración (generadores internos de señal para calibrar las sondas). 6. Sondas (pueden considerarse elementos exteriores). Con el fin de exponer el funcionamiento cualitativo, se muestra en la figura 1 la disposición aproximada de las unidades de deflexión horizontal y vertical (bloques funcionales más importantes del osciloscopio) y de sus circuitos, hasta las placas de desviación; y en la figura 2, la alteración que experimenta el haz electrónico generado en el cátodo, por acción de las tensiones de deflexión. En esta última se incluye la asignación de ejes adoptada en el estudio de este instrumento. La sonda captura una señal, que se transmite al osciloscopio mediante un cable (generalmente coaxial) y se aplica al instrumento a través del circuito de entrada. Lo más frecuente es que la amplitud de la señal de entrada no sea suficiente para producir la deflexión vertical, por ello, requiere de amplificación, realizada en el sistema de deflexión vertical. Una vez amplificada la señal, se aplica a las placas de deflexión vertical del tubo de rayos catódicos. Unidad de Deflexión Vertical Acoplamiento Atenuador Amplificador de deflexión vertical Placas verticales Fuente de baja tensión Fuente de alta tensión Tubo de rayos catódicos Unidad de Deflexión Horizontal Circuito de disparo Generador de Barrido Amplificador de deflexión vertical Placas horizontales Sonda Fig. 1. Diagrama de bloques genérico del osciloscopio, donde destacan las unidades de deflexión y sus circuitos, que modifican la señal capturada por la sonda hasta su aplicación en las placas de deflexión. En la figura 2 se aprecia el efecto de la señal capturada sobre el haz electrónico. Éste se genera en el tubo de rayos y se enfoca y dirige hacia un punto, el lugar del impacto con la pantalla. La desviación vertical del haz depende de la magnitud del voltaje aplicado a las placas verticales. La señal de entrada también pasa por el sistema de deflexión horizontal, que mueve (barre) el haz electrónico en esta dirección a velocidad 6 JJGDR-UCA

7 2 Osciloscopios constante de izquierda a derecha por la acción de una tensión en forma de diente de sierra. El efecto simultáneo de estas desviaciones provoca el trazado de una línea en la pantalla (generalmente cubierta de fósforo). Y X Enfoque Aceleración Z Filamento, cátodo y rejilla Placas de deflexión vertical Placas de deflexión horizontal Fig. 2. Funcionamiento cualitativo del osciloscopio y sistema de ejes considerado en su estudio. El haz electrónico, generado en el tubo de rayos catódicos, recorre la trayectoria sinusoidal repetidas veces y a una velocidad tan elevada que el ojo humano integra su repetición y produce la sensación de persistencia. Pantalla El punto de la pantalla recorrerá el mismo camino si la entrada es periódica y la base de tiempos sintoniza el barrido horizontal con la deflexión vertical. Es decir, el barrido horizontal debe comenzar siempre en el mismo punto (pendiente y nivel de la señal aplicada a las placas verticales). Si la señal es de frecuencia suficientemente elevada, el barrido se produce a una velocidad suficiente como para que la imagen dé la sensación de estar permanentemente pintada en la pantalla. Del razonamiento anterior se intuye la necesidad de sincronizar las tensiones de deflexión horizontal y vertical (el barrido, o señal de diente de sierra, debe comenzar siempre en el mismo punto de la señal de entrada). De ahí que se aprecie en la figura 1 la derivación de una parte de la señal del amplificador vertical hacia el circuito de disparo. Cuando esto sucede, la fuente de disparo es interna. Más adelante se estudiarán las distintas fuentes de disparo y su conveniencia. El ejemplo 1 introduce, bajo una perspectiva experimental, la interpretación de los parámetros de una señal visualizada en el osciloscopio y la necesidad de sincronismo para lograr una imagen estable. JJGDR-UCA 7

8 Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa Ejemplo 1. Visualización de las condiciones de funcionamiento de un osciloscopio empleando otro osciloscopio. En la figura Ej. 1 (a) se aprecia una señal senoidal de 8 V pp, de 2 khz sin acoplo de continua visualizada en una expansión temporal horizontal de 1 ms; de ahí que se visualicen 2 periodos de la señal (T=0,5 ms). Como hay diez divisiones horizontales, esto significa que el ajuste del osciloscopio (a) es de 0,1 ms/div. La señal de barrido ( diente de sierra ) del osciloscopio (a) abarca de un extremo al otro de su pantalla y debe durar el tiempo de barrido, que es el tiempo de la duración del evento horizontal visualizado, es decir, 1 ms. Esta señal se observa en el osciloscopio (b) en el que la duración del recorrido temporal horizontal es de 5 ms. Esto significa que en el instrumento (b), por cada división se registran 500 µs de evento (A: 500 µs en la parte superior izquierda de la pantalla). (a) (b) Fig. Ej. 1. (a) Señal en el osciloscopio 1. (b) Señal en el osciloscopio 2 con la señal de barrido del osciloscopio 1. Cada barrido (rampa creciente del diente de sierra) abarca el mismo recorrido temporal de señal. La reiteración de la imagen produce en (a) la sensación estable. La zona de tensión nula entre cada barrido se denomina tiempo de retención y en algunos modelos puede hacerse variable con el fin de visualizar situaciones complejas. 2.4 Tubo de rayos catódicos. Componentes y principios operativos Su misión consiste en generar un haz electrónico colimado y actuar sobre él de acuerdo con las tensiones de desviación aplicadas a las placas de deflexión. Es un tubo de vidrio sellado donde se ha practicado el alto vacío evacuando del aire de su interior. Esto es necesario para que el haz electrónico posea un alto grado de colimación (concentración de electrones en un área pequeña). En efecto, si un electrón encontrara una partícula en su trayectoria, ésta se vería alterada y el haz se dispersaría. Consta de un sistema de generación de electrones (cañón electrónico), unas lentes electrostáticas para el enfoque, las placas de deflexión horizontal y vertical del haz electrónico, un sistema de aceleración posterior (no en todos los modelos) y una pantalla reticulada. Las conexiones de las placas de deflexión se realizan en la base del tubo si no hay sistema de postaceleración. En caso de existir aceleración posterior se realizan en el cuello o base del tubo. 8 JJGDR-UCA

9 2 Osciloscopios Generación termoiónica del haz electrónico y enfoque electrostático La generación del haz se produce en el cañón; que consta de un cátodo que emite electrones al calentarlo mediante un filamento (cátodo termoiónico), varios electrodos de aceleración y controles de enfoque e intensidad. La figura 2 mostró la disposición de estos elementos. La figura 3 ilustra el proceso de generación y colimación del haz electrónico. La rejilla de control de intensidad permite controlar el flujo de electrones (intensidad) mediante la aplicación de un potencial negativo (amplificador del eje Z, mando INTENSIDAD del panel del instrumento). El ánodo está a una tensión de varios miles de voltios respecto del cátodo (entre 2 y 12 kv), esto permite acelerar los electrones que emergen de la rejilla. Además posee una abertura de colimación del haz electrónico. La relación entre la tensión de aceleración y la intensidad del haz electrónico no es proporcional. En los osciloscopios analógicos es recomendable aumentar el nivel de intensidad si aumenta la velocidad de barrido, ya que se visualiza menos evento en una división horizontal de la pantalla y la imagen puede perder persistencia. Miles de voltios Filamento Cátodo, - Ánodo, + Haz electrónico colimado Rejilla a potencial negativo Hacia lentes de enfoque Fig. 3. Generación termoiónica del haz. Los electrones que salen de la rejilla son acelerados hacia el ánodo; otros no sobrepasan la rejilla debido a la aplicación de un potencial negativo de control de intensidad, que los rechaza. El haz electrónico puede rotarse con el fin de alinearlo con el eje horizontal (calibración del haz). Esto se consigue gracias a la acción de una bobina interna, que produce un campo magnético corrector que, a su vez, compensa la acción perturbadora de campos parásitos cercanos. Incluso el campo magnético terrestre es considerado en aplicaciones que requieran elevada precisión. JJGDR-UCA 9

10 Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa Fig. 4. Rotación del haz electrónico. Vista frontal de la pantalla. El sistema de enfoque electrostático está formado en esencia por lentes electrostáticas, que actúan como ánodos directores del haz, permitiendo la convergencia del haz emergente del primer ánodo. El control FOCO del panel frontal del instrumento (que actúa sobre un potenciómetro) permite ajustar la mayor o menor convergencia (colimación) del haz, aplicando una diferencia de potencial entre el cátodo y los ánodos de aceleración/enfoque posteriores (o intermedios si se dispone de aceleración posterior). Los osciloscopios de almacenamiento digital no necesitan este control, ya que muestrean la señal una vez ésta abandona el amplificador vertical. Los ánodos de enfoque aceleran el haz electrónico en la dirección perpendicular a la pantalla (dirección longitudinal del tubo). En efecto, conforme el electrón atraviesa el ánodo de enfoque (el de longitud mayor en la figura 2) cruza perpendicularmente las superficies equipotenciales originadas por la aplicación del potencial de enfoque. En consecuencia, al abandonar una superficie la velocidad normal a ella aumenta, manteniéndose la velocidad tangencial. La figura 5 muestra la acción del enfoque electrostático. - v n - + v t E v t - v n Superficie equipotencial Fig. 5. Enfoque electrostático. La componente tangencial de la velocidad del electrón no se ve alterada por la acción del campo eléctrico. Sólo aumenta la componente normal a la superficie, con el consecuente efecto de colimación del haz. 10 JJGDR-UCA

11 2 Osciloscopios Al aumentar sólo la componente normal de la velocidad del electrón (v n ), se produce la concentración de los electrones en una pequeña superficie transversal a la dirección del flujo (colimación) Placas de desviación del haz electrónico El haz de electrones abandona el cañón y llega a las placas de deflexión. Existen dos conjuntos de placas deflectoras colocadas perpendicularmente dos a dos. El haz atraviesa primero las placas de deflexión vertical, que provocan la desviación del haz en esta dirección (el sentido depende de la polaridad de la tensión de deflexión). Si no hay tensión aplicada a las placas, el haz incide en el centro de la pantalla (si el instrumento está bien calibrado y si el usuario no ha actuado sobre los mandos Y-POS y X-POS). La deflexión producida es proporcional a la diferencia de tensión aplicada (por ejemplo, entre 10 y 20 V aplicados a una pareja de placas para deflexionar 1 cm). La entrada al instrumento es atenuada y amplificada en los circuitos de deflexión vertical antes de aplicarse a las placas verticales. La desviación resultante se establece en términos de divisiones (generalmente existen 8 divisiones verticales en la pantalla). Las placas verticales se sitúan antes que las horizontales (éstas están más cercanas a la pantalla), ya que a priori la tensión que van a soportar es desconocida y conviene que ésta sea pequeña. Sin embargo, las tensiones aplicadas a las placas horizontales son conocidas, como la tensión de barrido que genera el integrador del generador de barrido, que alcanza siempre el mismo máximo. Ajustando las tensiones continuas aplicadas a las placas (mandos Y-POS y X-POS) es posible mover el centro de la onda formada hacia otra zona de la pantalla. Estas tensiones son generadas por los circuitos internos de alimentación del instrumento. El haz electrónico se desvía según una trayectoria parabólica entre las dos placas verticales, por acción del campo eléctrico originado entre ambas. La desviación producida es directamente proporcional a la tensión de deflexión, V def, e inversamente proporcional a la tensión de aceleración entre los ánodos y el cátodo, V ac ; además, la deflexión producida en la pantalla viene dada en función de dimensiones propias del tubo de rayos catódicos según la expresión: Def L l V = 2 d V def ac Con el fin de estudiar el movimiento del electrón entre las placas verticales, supongamos que la tensión de desviación vertical es continua (resultado de medir una señal invariante en el tiempo) y que la polaridad de la placa superior supera a la de la placa inferior. Una vez abandonadas las placas verticales, la trayectoria es rectilínea hasta el punto de incidencia en la pantalla. La situación queda reflejada en la figura 6. El factor de deflexión (V def /Def) se define como la tensión que es necesario aplicar a las placas para producir una desviación unitaria en la pantalla (tensión por unidad de longitud); es decir, es el campo eléctrico que provoca la desviación unitaria del haz electrónico. Suele oscilar entre 10 y 100 V/cm (unidades de campo eléctrico; campo eléctrico entre las placas verticales) según modelos, y debe producir la misma deflexión en toda la superficie de la pantalla. El factor de deflexión es directamente proporcional a la tensión de deflexión e inversamente proporcional a la longitud del tubo y a la longitud de las placas. En consecuencia, determina las características de un tubo de rayos catódicos. JJGDR-UCA 11

12 Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa + - Deflexión en la pantalla d V def L E Fig. 6. Modificación de la trayectoria del electrón por acción de la tensión de deflexión vertical. El diseño de las placas puede optimizarse según dos criterios. Por una parte, si se desea una gran área de barrido se emplean placas inclinadas, que aumentan el ángulo de salida máximo del haz electrónico. Por otra, la capacidad parásita asociada a las placas aumenta a altas frecuencias (disminuye la reactancia del condensador que forman las placas plano-paralelas); por ello, se emplean placas segmentadas y/o distribuidas. Los elementos de aceleración posterior proporcionan al haz electrónico una energía adicional que permite obtener un brillo suficiente en la pantalla cuando se aplican a las placas tensiones deflectoras de alta frecuencia. Para ello, se aplica una tensión positiva (del orden de kv) a la pantalla respecto del ánodo Pantalla y rejilla - l La pantalla está cubierta en su lado interno de un material fotoemisor (fósforo generalmente). La persistencia del material es el tiempo que tarda disminuir el brillo original en un 90 %. En los modelos comerciales se emplean materiales con persistencia media (fosforescente verde). Existen modelos con tubos de rayos capaces de mantener la imagen en la pantalla durante varias horas después del trazado original. Son los osciloscopios de almacenamiento o de memoria. La figura 7 muestra el reticulado o rejilla, que constituye la escala gráfica de medida del osciloscopio, generalmente externa al tubo de rayos. Consta de divisiones principales y de subdivisiones (5 por cada división principal de las líneas centrales de la rejilla). También existen marcas para medir los tiempos de subida y de bajada de señales. Generalmente existen 8 divisiones verticales y 10 horizontales, con un ancho aproximado de 1 cm. Además, incorpora marcas para medir la duración de los flancos de señales (tiempos de subida y de bajada). 12 JJGDR-UCA

13 2 Osciloscopios Unidad de deflexión vertical Fig. 7. Diseño del reticulado de la pantalla de un osciloscopio estándar. Su misión consiste en generar una señal a partir de la aplicada al canal vertical, que reproduzca con exactitud a esta última en su trazado. Si se aplicaran directamente las señales débiles a las placas deflectoras, no tendrían amplitud suficiente como para producir la deflexión (es necesario aplicar entre 10 y 20 V para deflexionar 1 cm). En consecuencia, los circuitos de deflexión vertical amplifican las señales débiles, incapaces de producir por sí mismas desviaciones apreciables. Por otro lado, atenúan las señales de amplitud elevada, que producirían desviaciones imposibles de visualizar en un espacio confinado, como la pantalla (producirían la saturación del amplificador vertical) Velocidad y ancho de banda. Mediciones de tiempos de subida La unidad de deflexión vertical determina la velocidad (ancho de banda) del osciloscopio, así como la impedancia de entrada del instrumento. En este apartado se estudia la primera limitación práctica del instrumento y las reglas relativas al cálculo de su ancho de banda. Los aspectos fundamentales que debe recordar el usuario y que son relativos al ancho de banda y a las sondas empleadas se resumen en las siguientes reglas experimentales Relación entre el tiempo de subida y el ancho de banda El osciloscopio se aproxima con gran fidelidad a un sistema primer orden, con una respuesta frecuencial de tipo paso-baja. Para estos sistemas, la frecuencia superior de corte y el tiempo de subida de la respuesta a un escalón unitario (respuesta indicial) verifican la relación aproximada: f o t s = 0,35 donde f o es el ancho de banda del instrumento y t s el tiempo de subida del canal vertical. Esta relación indica que cuanto mayor es el ancho de banda del osciloscopio, más capacidad posee el instrumento de capturar transitorios rápidos y flancos de subida veloces. JJGDR-UCA 13

14 Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa A partir del ancho de banda del osciloscopio, indicado en su hoja de características, es inmediato calcular el tiempo de subida del canal vertical. Ejemplo 2. El osciloscopio analógico HM 1004 tiene un ancho de banda de 100 MHz. Esto significa que el tiempo de subida de cada uno de sus dos canales verticales es de: 0,35 0,35 t s = = = 3500 ps f 8 10 Hz Tiempo de subida real. Fuentes de error 0 Al medir el tiempo de subida de una señal, y especialmente en la medida de pulsos o transitorios rápidos, deben considerarse, además del propio tiempo del instrumento los siguientes tiempos parásitos: El tiempo de subida propio del osciloscopio, el tiempo de subida de la sonda empleada, y el tiempo de medida del circuito RC constituido por la resistencia de la fuente (cuya señal es objeto de medida), y el circuito equivalente de la sonda y el osciloscopio. Si la resistencia de la fuente es muy baja este último se suele despreciar (como ocurre en muchas situaciones prácticas). Con el fin de obtener errores en la medida de tiempos de subida inferiores al 5%, la suma de los tiempos parásitos debe ser inferior a 1/3 del tiempo de subida de la señal de interés. Para que los errores sean inferiores al 1% la suma de los tiempos parásitos debe ser inferior a 1/7 del tiempo de interés. Si se verifica la primera condición (y, en consecuencia, la segunda), una buena aproximación consiste en emplear la suma cuadrática para el tiempo de subida de la señal medida: s( medido) = ts( señal) + ts( RC) + ts( osciloscopio) ts( sonda) t + Los dos últimos tiempos pueden proporcionarse en uno sólo, para el conjunto osciloscopio-sonda, bajo el nombre de tiempo del sistema, t s(sistema), s( sistema) = ts( osciloscopio) ts( sonda) t + Si el fabricante proporciona el tiempo de subida del instrumento, es necesario buscar el tiempo de la sonda entre las características de ésta. Este último suele expresarse en términos conservadores (la hoja de características proporciona un máximo); una buena opción consiste en tomar el primer número entero inferior al máximo. En la práctica, el tiempo de subida se mide utilizando las marcas porcentuales del 10 y del 90 % de la pantalla del osciloscopio. La figura 8 muestra una medición práctica. 14 JJGDR-UCA

15 2 Osciloscopios Fig. 8. Medida de un tiempo de subida de una señal cuadrada. Se observa también el tiempo de estabilización. Ejemplo 3. El osciloscopio analógico HM 604 tiene un ancho de banda de 60 MHz. Se emplea la sonda HZ51 (con un tiempo de subida < 2,4 ns) para medir el tiempo de subida de una señal cuadrada; resultando que en la posición de la base de tiempos correspondiente a 0,2 µs/div se contabilizan 1,7 divisiones horizontales entre las marcas del 10 % y del 90 % de la señal. Calcular el tiempo de subida de la señal aplicada al osciloscopio. El tiempo de subida del osciloscopio es: 0,35 t s = 5, 83 ns Hz El tiempo de subida de la sonda se considera con efectos prácticos 2 ns. El tiempo de subida medido en la pantalla del instrumento es: 1,7 div 0,2 µs/div = 0,34 µs. En consecuencia, el tiempo de subida de la señal (originada por ejemplo en un generador de funciones) se calcula empleando la expresión de la suma cuadrática: Operando, resulta: ( 0,34 µ s) 2 ( 5,83 ns) 2 ( ns) s( señal) = ts( medido) ts( osciloscopio) ts 2 ( sonda) = 2 t t señal s ( ) = 0, , = 1, , s 0,34 µ s 13 7 El resultado muestra que para señales lentas, la medida realizada refleja con gran exactitud el tiempo de subida de la señal bajo test. Para transitorios rápidos, del orden de nanosegundos, los tiempos de subida del osciloscopio y de la sonda deben considerarse en el cálculo. JJGDR-UCA 15

16 Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa La relación empírica entre el tiempo de subida y el ancho de banda también se emplea para estudiar el conjunto sonda-osciloscopio. Ejemplo 4. Los modelos de la familia de osciloscopios HP Infinium se caracterizan con sondas HP compatibles. Por ejemplo, al configurar el modelo HP 54845A con la sonda pasiva 10:1 de 500 Ω, HP A, el conjunto ofrece un ancho de banda de 1,5 GHz. El tiempo de subida del conjunto osciloscopio-sonda es: 0,35 10 t s = = 2,3 10 s 233 ps 9 1,5 10 Hz La capacidad de adaptación de la sonda resulta fundamental en las mediciones de tiempos de subida pequeños. El siguiente ejemplo muestra cómo una combinación lenta de osciloscopio-sonda puede introducir errores intolerables. Ejemplo 5. Se realiza la medida del tiempo de subida de una señal con un tiempo de subida real de 1 ns. El tiempo de subida de carga debido a la resistencia de la fuente es de 800 ps, y se utiliza una combinación osciloscopio-sonda con el mismo tiempo de subida. Obtener la desviación de la medida. El tiempo de subida medido es: Operando, resulta: ( 1 ns) 2 + ( 800 ps) 2 ( ps) s medido) = ts( señal) + ts( RC) + ts( sistema) = + t ( ( 1 ns) + ( 0,8 ns) + ( 0,8 ns) 1, ns 1, ns ts( medido) = 5 Resulta pues que el error absoluto ((valor medido-valor verdadero)/valor verdadero)cometido es: t Error = s( medido) t t s( señal) s( señal) 1,5 ns 1 ns 100% =.100% = 50% 1 ns En consecuencia, la combinación osciloscopio-sonda elegida es inadecuada para la medida Elementos y circuitos del sistema de deflexión vertical La unidad de deflexión vertical consta de los siguientes circuitos: 1. Selector del acoplamiento de la señal de entrada. 2. Atenuador compensado. 3. Preamplificador. 4. Amplificador principal (diferencial) de deflexión. 1 Ahora Agilent 16 JJGDR-UCA

17 2 Osciloscopios 5. Línea retardadora. El diagrama de bloques de la Fig. 9 representa la cascada anterior de circuitos: Amplificador Placas Acoplamiento Atenuador Pre-amplificador Principal Fig.9. Elementos de la unidad de deflexión vertical Selector del tipo de acoplamiento verticales Este circuito proporciona flexibilidad al osciloscopio, ya que permite ver una señal con o sin su nivel de acoplo de CC (posiciones DC y AC respectivamente), o visualizar una línea horizontal en la pantalla con el fin de calibrar el instrumento o de reestablecer el origen de coordenadas original, después de haber desplazado verticalmente una señal. La figura 10 muestra el esquema eléctrico del selector de acoplamiento. Admitancia de entrada del instrumento 1 M Ω 25 pf CA Tierra CC Al atenuador de entrada Conector BNC donde se conecta la sonda Efecto del mando externo Tierra del osciloscopio Fig. 10. Selector del tipo de acoplamiento. A menudo es necesario visualizar una señal sin su nivel de continua (CC o DC), ya que éste puede ser elevado y poco relevante, como por ejemplo el nivel de acoplo de la señal de rizado de fuentes de alimentación, si estamos interesados en medir el rizado. La posición AC, de bloqueo de continua, logra este objetivo, proporcionando consecuentemente mayor resolución a las medidas, ya que el atenuador puede situarse en posiciones bajas, menos voltios en una división. Sin embargo, las señales de baja frecuencia pueden ser atenuadas de manera no deseable, ya que la señal de entrada pasa por un condensador, cuya reactancia a estas frecuencias es elevada y absorbe gran parte de la tensión aplicada. En la posición DC la señal de entrada se conecta directamente al atenuador, y la señal se muestra en la pantalla con su nivel de acoplamiento. La posición GND suministra 0 V al circuito atenuador y su efecto es una línea horizontal en la pantalla. Suele emplearse esta última para calibrar el haz electrónico sin desconectar la sonda del circuito objeto de medida, ya que la tierra permite la rápida descarga de los condensadores del circuito de atenuación. JJGDR-UCA 17

18 Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa Atenuador compensado Su misión consiste en disminuir la amplitud de la señal de entrada antes de que ésta pase al preamplificador. La atenuación, conmutador del panel frontal V/div, debe ser la misma para cualquier frecuencia de entrada dentro del ancho de banda del osciloscopio, de ahí el atributo compensado. Una red de asociaciones resistencia/capacidad en paralelo determina todas las posibles atenuaciones. Cada asociación se diseña de forma que su constante de tiempo iguale la del circuito de entrada. De esta forma se consigue atenuación constante en todo el ancho de banda. En los modelos comerciales la inexactitud máxima de la relación de atenuación suele ser del 3 % Preamplificador y amplificador principal Estos dos elementos suelen diseñarse de manera conjunta para dar una ganancia fija (entre 1000 y 2000). Esto permite soslayar los problemas derivados de la estabilidad y ancho de banda, ya que el compromiso ganancia/ancho de banda se resuelve por igual para todas las señales. Sin embargo, el instrumento suele incorporar un ajuste fino de ganancia, GAIN VERNIER (situado generalmente en el centro del mando de control de sensibilidad), que permite lograr ganancias intermedias entre las establecidas por el atenuador. La tensión de salida del amplificador de deflexión y la tensión de entrada están relacionadas mediante la siguiente expresión: V = A K def V ent donde K es la ganancia de las etapas de amplificación (preamplificador y amplificador principal) y A es la atenuación seleccionada. El diseño de la cascada formada por el atenuador, el preamplificador y el amplificador principal determina el rango dinámico (o margen de amplitudes de entrada) del instrumento. El ejemplo 6 muestra el empleo del concepto de rango dinámico. Ejemplo 6. Un osciloscopio posee un rango dinámico de 1000:1. La tensión de deflexión puede oscilar entonces entre la obtenida para un factor de atenuación máximo y la situación de puenteo del atenuador 1 V def = A K Vent = 1000 Vent = V 1000 V = A K V = V = 1000V def ent ent ent ent Con efectos prácticos, los amplificadores se diseñan en términos de sensibilidad. Es decir, se especifica la amplitud de la señal de entrada equivalente a una división principal. Suelen establecerse secuencias de sensibilidad. Por ejemplo, 1, 2, 5, 10, En general, las distintas posiciones de sensibilidad abarcan desde 2 mv/div hasta 10 V/div. El amplificador final de deflexión es un circuito diferencial. Se escoge esta topología para aumentar el margen de linealidad y el CMRR. La adición de tensiones continuas a la señal, para variar su posición en la pantalla, se realiza mediante un control accesible desde el panel frontal, POSICIÓN VERTICAL. 18 JJGDR-UCA

19 2 Osciloscopios Línea retardadora La señal que es objeto de medida entra en los circuitos de deflexión vertical y horizontal. En este último la señal es procesada por los circuitos de base de tiempos que generan un retardo en el comienzo del barrido respecto de la señal aplicada a las placas de deflexión vertical. Como quiera que la señal no aparece en la pantalla hasta que no comienza el barrido, el retardo generado impediría la visualización de la primera zona de la señal. Por ello, se intercala una línea de retardo entre el amplificador de deflexión vertical y las placas verticales. Existen dos tipos de elementos de retardo: cable coaxial y circuito impreso. Las tarjetas impresas son más ventajosas, ya que pesan menos, son menos voluminosas y proporcionan buena fiabilidad y estabilidad Doble trazado de señales Son numerosas las aplicaciones que requieren la visualización simultánea de dos señales. Por ejemplo, medir el desfase que introduce un circuito a una entrada sinusoidal; o la distorsión producida por un amplificador. Se utilizan dos técnicas para lograr el trazo doble. Los osciloscopios de dos haces poseen dos cañones de electrones o un cañón que genera dos haces, y dos asociaciones de placas deflectoras verticales. Debido a que son de menor coste, es más frecuente encontrar osciloscopios de doble trazo, en los que se requiere un solo cañón y un solo conjunto de placas deflectoras verticales. Éstos logran la doble traza realizando conmutaciones electrónicas entre los preamplificadores de cada canal y un amplificador de deflexión vertical común. La conmutación puede realizarse en el modo ALTERNATE (alternado), representando alternativamente la salida de un canal en cada barrido; o en el modo CHOPPER (muestreado), en el que se toma una porción de cada canal a lo largo de un barrido. La figura 11 muestra la diferencia entre ambos modos de funcionamiento. A partir de las señales originales (a) y (b), y considerando la tensión de barrido (c), se obtienen las situaciones de muestreo (d) y (e), de barrido alternado (f) y (g). El modo alternado se emplea para velocidades de barrido altas, mientras que el modo muestreado se usa para señales de frecuencias menores. El paso de un modo de funcionamiento a otro se suele producir automáticamente. Cuando la base de tiempos (TIME/div) es inferior a un valor, que suele ser 500 µs/div, se emplea el modo alternado; cuando se supera aproximadamente 1 ms/div se pasa al modo de muestreo. Recordemos como regla práctica, que al disminuir el tiempo por división, es menor el tiempo que tarda en recorrer la pantalla el haz electrónico, el barrido dura menos; en consecuencia, la velocidad de barrido es mayor. Recuerde, menos tiempo horizontal supone una mayor velocidad de barrido. Así en el modo muestreado, durante un barrido (que dura mucho) se muestrean puntos de los dos preamplificadotes, y tenemos suficiente evento de señal en la pantalla. Como, una velocidad de barrido elevada corresponde a poco evento por división y es la apropiada para capturar señales de alta frecuencia; parece lógico pues que este modo de operación no conmute entre preamplificadores de los dos canales durante un barrido, ya que la frecuencia de la señal podría superar la velocidad de conmutación entre canales en el modo de muestreo. JJGDR-UCA 19

20 Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa (a) (b) (c) Retención (d) (e) (f) (g) Fig. 11. Diferencias entre los modos de funcionamiento ALT y CHOP. (a) y (b) son las señales reales, (c) es la señal de barrido, (d) y (e) son las señales en modo muestreado, y (f) y (g) en modo alternado. 20 JJGDR-UCA

21 2 Osciloscopios Ejemplo 7. En el modelo HM 1004, desde 500 ms/div a 500 µs/div (ambos inclusive) se utiliza el modo de muestreo; desde 200 µs/div a 50 ns/div se utiliza el modo alternado de representación. En consecuencia, desde 500 ms/div a 500 µs/div se consideran velocidades de barrido bajas; y desde 200 µs/div a 50 ns/div se consideran velocidades de barrido elevadas (el haz electrónico tarda muy poco en atravesar la pantalla). HM 1004: Subdivisiones de la base de tiempos principal. 500 ms/200 ms/100 ms/50 ms/20 ms/10 ms/5 ms/2 ms/1 ms/500 µs CHOP: velocidades de barrido bajas ALT: velocidades de barrido altas 200 µs/100 µs/50 µs/20 µs/10 µs/5 µs/2 µs/1 µs/ 500 ns/200 ns/100 ns/50 ns Recuerde, una velocidad de barrido elevada corresponde a poco evento por división y es la apropiada para capturar señales de alta frecuencia; parece lógico pues que en este modo de operación no se conmute entre preamplificadores de los dos canales, ya que la frecuencia de la señal podría superar a la velocidad de conmutación entre canales y no producirse la correcta visualización. 2.6 Unidad de deflexión horizontal Los circuitos de esta unidad realizan dos funciones excluyentes. Por una parte, se encargan de desplazar a velocidad constante y de izquierda a derecha el haz electrónico en sincronismo con la señal procedente de los circuitos de deflexión vertical. En este caso determina el eje temporal, y el modo de funcionamiento se denomina Y-t; en él se observa la variación de una señal de entrada en función del tiempo. Por otra, permite representar con fidelidad una señal de entrada; la señal de un canal se aplica a las placas verticales y la que se inyecta al otro canal se aplica a las horizontales, dando lugar a las figuras de Lissajous, en el modo de operación X-Y. Este modo de operación es de interés en la medida de desfases y en la caracterización de componentes activos y pasivos. La figura 12 muestra el diagrama de bloques de esta unidad del osciloscopio. Consta en esencia de dos subsistemas: el amplificador de deflexión horizontal y los circuitos de la base de tiempos. A su vez, ésta se compone del generador de barrido y el circuito de disparo. La figura 13 muestra las señales generadas por cada bloque funcional y su acción en la visualización de una señal. Sólo la zona de la señal de interés (a) comprendida dentro del ancho de la rampa creciente (señal de barrido, d) se visualiza en la pantalla. La pendiente de la señal de barrido se controla desde el exterior con el mando TIME/div. Durante el tiempo de blanqueo (o supresión del haz de retorno), se apaga el haz electrónico, impidiendo que regrese de derecha a izquierda de la pantalla. La señal compuesta de impulsos de disparo (b) es la que determina el comienzo de cada nuevo barrido. Este punto de comienzo deber ser siempre el mismo, con el fin de producir en la pantalla una imagen estable; a esta acción se le denomina sincronismo. El punto de disparo viene determinado por la tendencia y el nivel de la señal de entrada. En la figura 12, se emite cada pulso de (b) cuando la señal (a) crece y alcanza la amplitud marcada. JJGDR-UCA 21

22 Instrumentación Electrónica. Juan José González de la Rosa Unidad de Deflexión Vertical Placas Horizontales del Osciloscopio - + Señal Externa de Disparo Circuito de Disparo Generador de Barrido Disparo de Red, interno al instrumento Conmutador externo de Tiempo/división TIME/div Fig. 12. Diagrama de bloques de la unidad de deflexión horizontal. Amplificador Diferencial de Deflexión Horizontal (a) (b) (c) (d) Blanqueo o supresión del haz de retorno Retención Fig. 13. Señales involucradas en la unidad de deflexión horizontal. La salida del circuito de disparo (c) se produce en cada flanco de subida del impulso que la provoca. Durante el tiempo de retención se inhibe el circuito de disparo, hasta el próximo barrido; esto permite la descarga del condensador del circuito integrador Miller que constituye el generador de barrido. Mediante el mando HOLD-OFF (retención) algunos modelos pueden hacer que el tiempo de retención varíe; esto permite obtener imágenes estables en situaciones complejas, como cuando una señal posee varias componentes de frecuencia. Esta situación viene representada en la figura 14. En ella se aprecia que es 22 JJGDR-UCA