Osciloscopio. Agenda. 1. Principio de funcionamiento. 1.1 Concepto. 1.2 Principio de funcionamiento

Transcripción

1 1. Principio de funcionamiento Osciloscopio Analógico y Digital - Rev Concepto Es un dispositivo que permite desplegar señales eléctricas de tensión (existen puntas de corriente) principalmente en función del tiempo. La señal se despliega en pantalla como el resultado de la información a través de tres ejes: Medidas Eléctricas Facultad de Ingeniería Universidad de la República Eje X: Corresponde a un barrido horizontal, el cual se hace a velocidad constante generalmente. Eje Y: Corresponde a la desviación vertical del haz, el cual responde a la amplitud de la señal de entrada. Eje Z: Corresponde a la intensidad del punto luminoso, y la misma es proporcional a la amplitud de la señal del canal Z. Agenda Principio de Funcionamiento Controles de Presentación Sistema Vertical Sistema Horizontal Sistema de Disparo Puntas de Prueba Osciloscopio Digital 1.2 Principio de funcionamiento Los osciloscopio pueden ser : Analógicos, basados en los CRT Digitales En un osciloscopio analógico los elementos fundamentales son: El tubo de rayos catódicos Los sistemas de desviación (horizontal y vertical) y disparo 1

2 Dentro del tubo existe un cañón de electrones que proyecta un haz, este haz atraviesa el sistema de desviación e incide sobre una superficie de fósforo produciendo un punto luminoso Sistema de deflexión 2.2. Intensidad Canal Z Este control ajusta el brillo del trazo, el cual depende de: la cantidad de electrones que se emitan, el potencial de aceleración el tipo de fósforo empleado Aparte del control normal de intensidad, existe una entrada auxiliar (Canal Z) que permite ajustar la intensidad del trazo según los niveles de tensión de la señal aplicada. Más negativo más brillante Ch. Z Conjunto de cañón de electrones Pantalla de fósforo 2. Controles de presentación 2.1. Beam finder Este control permite localizar el haz de electrones cuando éste se encuentra fuera de los límites de la pantalla. Esencialmente, se reducen las tensiones aplicadas en las placas de desviación de forma de asegurar que el trazo entre en la misma Foco Este control permite obtener un punto de luz concentrado 2.4. Rotación Este control permite alinear la desviación horizontal con las líneas de la grilla de modo que el trazo no se vea inclinado. Por ser de uso infrecuente, este control consiste en general en un tornillo. Pantalla 2

3 3. Sistema Vertical 3.1 Fundamentos Propósito: Proporcionar una señal amplificada, del nivel apropiado, para manejar las placas de desviación verticales sin introducir distorsiones apreciables en el sistema. Los controles de este sistema son: Posicionamiento Acople a la entrada Sensibilidad Inversión del segundo canal Modos de operación: ALT, CHOP, ADD 3.1. Sensibilidad Este control permite observar señales de diferentes tensiones, desde unos pocos microvoltios a cintos de voltios o incluso miles de voltios (puntas divisoras). Este control puede ser: Discreto: según la secuencia común 1, 2, 5, ej.: 10 mv, 20 mv, 50 mv Continuo: mediante un perilla es posibles ajustar la ganancia en forma continua Ej.: observar figuras de Lissajous 3.2. Modos de operación vertical Existen dos selectores para definir el modo de operación vertical: El primer selector permite observar: Ch1, Ch2, Both Si se ha seleccionado Both en el primero, este control permite seleccionar entre: modo ALT, CHOP o ADD 3.1. Posicionamiento Si se suma una tensión constante al que llega a las placas de desviación del sistema vertical es posible subir y bajar la señal en la pantalla. Esto permite alinear las señales con la grilla o posicionar dos señales para compararlas Desacople a la entrada Es posible desacoplar los niveles de continua a la entrada del osciloscopio mediante un condensador de desacople. Este resulta especialmente útil cuando se desea observar señales de alterna en presencia de altos niveles de continua. Observación: Este desacople puede introducir distorsiones si se trabaja con señales de media o baja frecuencia Modo ALT El barrido se realiza en forma alternada entre los canales 1 y 2, por este motivo los eventos observados no son simultáneos. No son adecuados para: Observar eventos simultáneos Observar señales lentas, debido a la persistencia del fósforo Modo Chop En este caso se realiza un único barrido, el cual va conmutando entre los dos canales. Esta conmutación se realiza a través de llaves electrónicas las cuales limitan la velocidad máxima de conmutación y por lo tanto este modo no resulta adecuado para observar señales de evolución rápida. Pero sí resulta adecuado para observar eventos simultáneos. 3

4 4. Sistema horizontal 4.1 Fundamentos Propósito: Desviar el haz de electrones en forma horizontal de forma de generar el barrido a una velocidad constante. El mismo consta de: un generador de base de tiempo: controla la velocidad con la que se barre el haz en la pantalla del CRT (rampa de pendiente variable) amplificador horizontal: incrementa la amplitud de las señales generadas por el generador de barrido para proporcionar a las placas de desviación horizontal la tensión adecuada 4.2 Controles del sistema horizontal Posicionamiento Es posible mover el trazo en la pantalla al aplicar una tensión de continua (DC) a las placas de desviación. Utilizado para alinear el trazo con la grilla y facilitar las mediciones. Velocidad de barrido (sensibilidad) Las diferentes velocidades de barrido se obtienen al variar la pendiente de la rampa. Vmax Vh(t) Condición de disparo t 1 ms/div 2 ms/div 5 ms/div Forma de onda aplicada a las placas de desviación horizontal Vh(t) Vmax Condición de disparo > tiempo de barrido 2-> retorno del trazo (se apaga el haz de electrones) si el mismo no se apagara se vería el trazo de retorno 3-> tiempo de espera: inicialización de circuitos y holdoff t Existe un ajuste continuo para la velocidad de barrido. El mismo puede ser utilizado para alinear eventos con la grilla. Modo XY En este modo no se utiliza la base de tiempo para generar el barrido horizontal, sino que el mismo es realizado utilizando el canal 1 (Ch1-X), mientras que el barrido vertical se realiza con el canal 2 (Ch2-Y). Este modo permite visualizar curvas paramétricas en el tiempo, lo cual suele ser utilizado para: i) medir desfasajes ii) comparar frecuencias iii) observar dependencias entre las señales de los canales (ej: trazar curvas características) Magnificación x10 Es una técnica utilizada para obtener una vista expandida de la señal de entrada. Para ello el amplificador horizontal multiplica por 10 la señal a ser aplicada sobre las placas de desviación. 4

5 Forma de onda: magnificación x10 10*Vmax Vmax Vh(t) con magnificación sin magnificación t 5. Sistema de disparo 5.1 Fundamentos Propósito: Establecer el momento en que se origina el barrido del osciloscopio. Es necesario que el mismo comience en un lugar fijo de la onda de modo que el trazo se vea estable en la pantalla. Condición de disparo Sin x10 Con x10 Es necesario utilizar el control de posición para visualizar la imagen (trazo más tenue) Trigger hold-off Este control permite extender el tiempo de espera antes de habilitar los circuitos de disparo. Al inhibir el disparo de forma regulable, es posible observar señales complejas en forma estable. 1er barrido 2do barrido 1er barrido hold-off 2do barrido Barrido retardado Este control necesita de dos bases de tiempo en vez de una. Existen básicamente dos modalidades: i) iniciar el barrido un tiempo ajustable luego de detectada la condición de disparo ii) utilizando dos condiciones de disparo, en vez de una 5.2. Fuentes de disparo Se llama así a la señal que se compara con las condiciones de disparo establecidas. Las fuentes de disparo pueden ser: internas o externas Fuentes internas: CH1: Se selecciona como fuente de disparo la señal conectada al canal 1 CH2: Se selecciona como fuente de disparo la señal conectada al canal 2 VERT MODE: Si el Modo vertical es CH1 -> fuente de disparo: CH1 Si el Modo vertical es CH2 -> fuente de disparo: CH2 Si el Modo vertical es BOTH - ALT -> alterna la fuente de disparo entre CH1 y CH2 Si el Modo vertical es BOTH CHOP o BOTH ADD ->fuente de dispar: CH1 + CH2 Fuentes externas: EXT: Se selecciona una fuente externa conectada a la entrada EXT del osciloscopio LINE: Se selecciona como fuente de disparo la propia red de alimentación 5

6 5.3. Modos de disparo Generalmente existen cuatro modos de operación: Normal, Automático, Barrido único, Modo TV. Automático (AUTO): El barrido puede comenzar por dos motivos: Detección de la condición de disparo Expira el tiempo de Timeout + Permite ver la línea base cuando no hay señal aplicada al canal + Permite cambiar de señal sin tener que ajustar el nivel de disparo - Este modo no funciona correctamente para señales lentas. El disparo puede realizarse por ambos motivos tornando inestable al imagen en la pantalla Normal (NORM): Solo comienza el barrido horizontal una vez detectada la condición de disparo. + Se obtienen señales más estables en un rango mayor de frecuencias - Se necesita conocer de antemano ciertas características de la señal para poder fijar la condición de disparo 6. Puntas de prueba Objetivo: conectar el osciloscopio al circuito de prueba, sin que este se vea afectado. Existen diversidad de puntas: Puntas x1 Puntas divisoras x10, x100 o x1000 Puntas diferenciales Puntas de corriente La elección inadecuada de la unta de prueba puede traducirse en una disminución de las prestaciones del osciloscopio. En un principio para poder observar una señal podría bastar con un par de cables. Pero esta solución será adecuada sólo en determinadas condiciones. Barrido Único (Single Sweep) : Se dispone de un botón de inicialización RESET que luego de ser pulsado arma el sistema de disparo. Una vez detectada la condición de disparo se realiza un único barrido Es utilizado para fotografiar eventos únicos, no repetitivos. Por ej.: transitorios Modo TV (TV): Se sincroniza con las señales de campo o de línea de las señales de televisión. Puesto que las señales de televisión son muy complejas, definir condiciones de disparo adecuadas sin utilizar este modo se torna sumamente difícil Esta solución será adecuada si: Tenemos una baja impedancia de salida Ro ~ ohm Una alta relación SNR Señales de baja frecuencia Supongamos una señal de baja frecuencia con una resistencia de salida Rth. La impedancia de entrada al osciloscopio es constante y vale:1mohm \\ 25pF. Si Rth =10 ohm error = 0.001% Si Rth=100 kohm error = 9.0% Para evitar este tipo de inconvenientes sería adecuado utilizar un punta divisora, la cual proporciona entre otras características, una alta impedancia de entrada. 6

7 6.1 Puntas x10 Estas puntas se caracterizan por Proporcionar una alta impedancia de entrada (10 veces más que las puntas x1) Mejor respuesta en frecuencia Permiten medir tensiones más altas que las puntas comunes Ajuste de la punta 1. Se coloca una onda cuadrada en la punta a ser compensada (usar generador interno del osc.) 2. Se visualiza dicha onda en el osciloscopio 3. Se ajusta el condensador de ajuste (en la base de la punta) hasta visualizar la onda cuadrada lo mejor posible Esquema de una punta x10 Punta de prueba Osciloscopio Zin del osc. Respuesta en frecuencia Ajuste de la punta Respuesta temporal H(jw) db Sobre compensada 1/10 Compensada Sub compensada Log(w) Predomina el divisor resistivo: H(jw)= Ro/(Rp + Ro) Predomina el divisor capacitivo: H(jw)= Cp/(Cp + Co), con Co = Cosc + Caj + Ck Punta subcompensada Punta compensada t Punta sobre compensada 7

8 6.2 Puntas de corriente Estas basan su funcionamiento en el denominado Efecto Hall Efecto Hall Closed loop sensor: En una tecnología de lazo cerrado, la salida del transductor de efecto Hall alimenta un segundo bobinado, el cual se opone al campo generado por el bobinado primario y lo cancela. Esta corriente en el secundario, es proporcional a la corriente en el primario, permitiendo medir con un resistor de salida la corriente. Este método proporciona una mayor linealidad a cambio de una mayor complejidad. Una tensión es generada en forma transversal al flujo de corriente, si es aplicado un flujo magnético en forma perpendicular. Este efecto se hace más pronunciado en los materiales semiconductores Open loop sensor: En una tecnología de lazo abierto, la salida del transductor de efecto Hall es simplemente amplificado, para obtener la salida. Esto se traduce en una mayor simplicidad, pero una menor linealidad 7. Osciloscopio Digital 7.1 Concepto Utilizan como uno de los principales componentes, un conversor Analógico-Digital (ADC) para transformar los valores de tensión analógicos en información digital. Digitalización: Muestro en el tiempo: se toman muestreas de la señal en estudio a una tasa fija, dada por la frecuencia de muestreo. Discretización de amplitud: asignación de uno de los posibles valores representables por el conversor (ej: conversor de 10 bits 1024 valores) 8

9 7.2 Digital Storage Oscilloscope Señales de entrada periódica: El ancho de banda del osciloscopio será esencialmente función del ancho de banda de los componentes analógicos existentes antes de la etapa de muestreo (comúnmente en referencia a la caída 3dB) Señales de entrada transitorias o single shot : El ancho de banda del osciloscopio será esencialmente función del ancho de banda de los componentes analógicos existentes antes de la etapa de muestreo (comúnmente en referencia a la caída 3dB) Los DSO (Digital Storage Oscilloscope) son los osciloscopios digitales convencionales, con las siguientes características principales: Osciloscopio Digital: Permiten capturar y visualizar eventos transitorios Almacenamiento Análisis Procesamiento Cálculo automático de algunos parámetros y medidas Pre-Trigger DSO: Típicamente NO son capaces de mostrar variaciones en la intensidad de la señal Poseen una arquitectura de procesamiento serie Se pueden clasificar en: Procesamiento serie: Digital Storage Oscilloscope (DSO) Digital Phosphor Oscilloscope (DPO) Sample Oscilloscope Amplificador vertical Control de Sensibilidad Control de Posición Desacople a la entrada Conversor A/D Microprocesador: Procesamiento Desplegar información en la pantalla Pantalla 9

10 7.3 Digital Phosphor Oscilloscope La idea es lograr una arquitectura que permita adquirir y representar las señales, tan fiel a la realidad como sea posible. Holdoff: se define como el intervalo de tiempo luego de haber adquirido la señal y quedar a la espera de un detectar una nueva condición de disparo. Existe una probabilidad de no detectar un evento en la señal, si éste se produce durante dicho intervalo. En comparación con los DSO: Poseen una arquitectura de procesamiento paralelo Mayores velocidades de muestreo Mejor representación de las señales en pantalla (fósforo digital) Aumento de la probabilidad de representar eventos (disminución del trigger holdoff ) Se busca resolver el potencial problema de no detectar un evento durante el tiempo de holdoff: Evitando el cuello de botella que puede representar el microprocesador a la hora de realizar todas las tareas requeridas por el sistema (determinado por su velocidad de proceso), ya que limita la velocidad de muestreo. Utilizando una base de datos con información para cada punto a ser representado, enviando esa información a la pantalla directamente (sin utilizar para ello el procesador). Procesamiento paralelo: Fósforo digital: Cada vez que se produce el disparo, se almacena en la base de datos (digital-phosphor) la información de la señal adquirida. Cada punto de la pantalla (al que le corresponde un conjunto de información almacenada en dicha base de datos) es actualizado con la información acumulada de las sucesivas adquisiciones, incrementando así su intensidad. Esto se refleja en la pantalla en forma de áreas más o menos intensas según la cantidad de veces que la señal pasa por dicho punto. Amplificador vertical Control de Sensibilidad Control de Posición Desacople a la entrada Conversor A/D Fósforo-Digital: base de datos con información de la señal para cada punto de la pantalla Microprocesador Pantalla Así, por ejemplo, se puede observar la diferencia entre formas de onda similares que ocurren en sucesivos disparos y formas de onda más esporádicas o con menor frecuencia de ocurrencia. 10

11 7.4 Sample Oscilloscope Son utilizados cuando las señales a medir son de alta frecuencia o cuando queremos visualizar y analizar eventos transitorios de muy corta duración en el tiempo. Logran velocidades un orden de magnitud superiores a los demás osciloscopios y anchos de banda del orden de 10 veces superiores. Poseen una arquitectura en la cual la etapa de muestreo se encuentra antes que la de amplificación. De esta forma permite utilizar amplificadores de bajo ancho de banda. Características: Dado que no hay etapa de amplificación a la entrada (antes de la de muestreo), el rango dinámico del instrumento es muy reducido (en comparación con el del resto de los osciloscopios); siendo este de unos pocos voltios pico a pico (en el entorno de 1Vpp en comparación a los 50 a 100Vpp de los anteriormente mencionados osciloscopios). El nivel de protección a la entrada también se ve drásticamente reducido debido a la inexistencia de diodos de protección para no impactar el ancho de banda; quedando en el orden de los 3V (en comparación a los 500V del resto). 11