UNIVERSIDAD NACIONAL DE QUILMES INGENIERÍA EN AUTOMATIZACIÓN Y CONTROL INDUSTRIAL Cátedra de Instrumentos y Mediciones Docente: Adrián E.

Transcripción

1 8 Osciloscopios 8.1 Introducción Descripción General El osciloscopio es básicamente un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical, representa el voltaje, mientras que el eje horizontal, representa el tiempo. Están entre los instrumentos más versátiles que existen y lo utilizan desde técnicos de reparación de televisores a médicos. Un osciloscopio funciona principalmente con tensión, sin embargo, nos permite medir un gran número de fenómenos, utilizando el transductor apropiado, siendo capaz así de darnos el valor de una presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un coche, etc. Los osciloscopios pueden ser analógicos digitales o híbridos, los primeros trabajan directamente con la señal aplicada que una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcional a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan previamente un conversor (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyéndola posteriormente en la pantalla. Por último están los híbridos que combinan los dos principios de funcionamiento para obtener las mejores cualidades de ambos permitiéndonos ver transitorios, almacenar información, etc... Ancho de banda (BW): Es el que especifica el rango de frecuencias en las que el instrumento puede medir con precisión. En general, el ancho de banda se calcula desde 0Hz (continua) hasta la frecuencia a la cual una señal de tipo sinusoidal se visualiza a un 70.7% del valor aplicado a la entrada (lo que corresponde a una atenuación de 3dB). Tiempo de subida (tr): El tr equivale al tiempo entre el 10% y 90% del tiempo total de subida de un pulso. Es otro parámetro que nos dará, junto con el anterior, la máxima frecuencia de utilización del osciloscopio. Este es muy importante, si se desea medir con fiabilidad pulsos y flancos debido a que las señales poseen transiciones entre niveles de tensión muy rápidas y un osciloscopio no puede visualizar pulsos con tiempo de subida más rápidos que el suyo. Existe una ecuación que relaciona en BW y el tr: k tr = (k = constante, 0.35<k<0.45) (8.1) BW Figura 8-1 Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 1 de 25

2 8.1.2 Utilización UNIVERSIDAD NACIONAL DE QUILMES Son utilizados principalmente para: Determinar directamente el período 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 el desfasaje entre dos señales. Determinar que parte de la señal es ruido y como varía éste en el tiempo. 8.2 Osciloscopio de rayos catódicos (ORC) Un osciloscopio analógico recibe una señal de voltaje, que se alimenta directamente al eje vertical de un cañón de electrones, que se mueve de izquierda a derecha sobre toda la pantalla del osciloscopio (TRC, Tubo de Raros Catódicos). La señal de voltaje deflecta el cañón arriba y abajo proporcionalmente según su movimiento horizontal a través de la pantalla, desplegando la forma de onda sobre la pantalla. El TRC limita el rango de frecuencias que puede desplegar un osciloscopio analógico. Para bajas frecuencias, la señal se ve como un punto brillante moviéndose lentamente, por lo que es muy difícil distinguir la forma de onda de una señal. En altas frecuencias la limitante es la velocidad de escritura en la pantalla del osciloscopio, que esta dado por el movimiento horizontal a través de la pantalla. Cuando se trata de medir una señal que es más rápida que la velocidad de escritura de la pantalla, la gráfica empieza a saturarse, dificultándose la interpretación de la lectura. Los osciloscopios analógicos más rápidos pueden desplegar señales de hasta 1 GHz Diagrama en bloques Figura 8-2 Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 2 de 25

3 La parte principal del osciloscopio analógico es el tubo de rayos catódicos (TRC), que genera el haz de electrones, lo acelera a alta velocidad y lo desvía para crear la imagen. Para esto son necesarios varios voltajes y señales eléctricas, estas señales dictan la operación del resto de los bloques del diagrama que se muestra en la Figura 8-2. Una fuente de poder proporciona los voltajes que necesita el TRC para generar (baja tensión) y acelerar (alta tensión) el haz de electrones, también suministra los voltajes de operación para los demás circuitos del osciloscopio (baja tensión). La señal que se debe visualizar se alimenta a un amplificador vertical. Este incrementa el potencial de la señal de entrada a un nivel que proporciona una deflexión utilizable del haz de electrones. Para sincronizar la deflexión horizontal con la entrada vertical, de manera que la deflexión horizontal comience en el mismo punto de la señal vertical de entrada cada vez que ésta es barrida, se utiliza un circuito de sincronización o de disparo. Este circuito es el enlace entre la entrada vertical y la base de tiempo horizontal Tubo de rayos catódicos El Tubo de Rayos Catódicos (TRC) es el dispositivo mediante el cual el osciloscopio muestra la señal. Todas sus entradas son eléctricas, mientras que su salida es una representación gráfica de la señal de entrada. Está constituido por el tubo al vacío, cañón electrónico, sistema de deflexión, sistema acelerador, postdeflexión, pantalla y gratícula. Figura 8-3 Estructura interna de un tubo de rayos catódicos Tubo al Vacío: Su principio de funcionamiento se basa en el efecto termoiónico el cual dice que la acción del calor hace que los electrones de la capa externa de los átomos de un conductor, puedan adquirir suficiente energía cinética que les permite escapar del metal. Por tanto el metal queda cargado positivamente y atrae algunos de los electrones que habían salido. Colocando una diferencia de potencial entre el conductor calentado (llamado cátodo) y otro conductor (llamado ánodo), se logra que circule corriente a través del circuito. Es decir, que los electrones que libera el cátodo por acción del calor, al verse afectados por el campo eléctrico producido, lleguen hasta el ánodo formando un caudal de electrones entre cátodo y ánodo. A este sistema se debe agregar un encapsulado de vidrio sin aire (al vacío), debido a que el aire contiene oxígeno y puede generar combustión haciendo que el filamento se queme. Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 3 de 25

4 Cañón Electrónico: En el cañón electrónico se forma un haz de electrones. La entrada al cañón electrónico es el caudal de electrones provenientes del cátodo. La aceleración de los electrones es producida por el campo eléctrico presente a lo largo del eje del TRC. Este campo es producido por la diferencia de potencial entre el cátodo y los ánodos de preaceleración y aceleración. El valor de esta diferencia de potencial puede estar alrededor de los 2 kv. La intensidad del haz de electrones está controlada por el voltaje entre el cátodo y la rejilla de control. Si ningún electrón puede pasar por la rejilla se dice que el tubo está en corte. El voltaje entre la rejilla y el ánodo de preaceleración, que puede ser de cientos de voltios, produce un campo electrostático que acelera los electrones que logran salir de la rejilla. Este voltaje también actúa como un primer enfoque ya que los electrones que salen de la rejilla divergen en su camino hasta el ánodo de preaceleración. La combinación de los ánodos de preaceleración, de enfoque y de aceleración, actúa como una lente convergente sobre los electrones. Para que esto ocurra el ánodo del centro (ánodo de enfoque) debe estar a un potencial más bajo que los otros dos, los cuales se encuentran al mismo potencial. El sistema de deflexión consiste en dos pares de placas ubicadas ortogonalmente (placas de deflexión vertical y horizontal) las cuales se hacen coincidir los ejes X e Y de la pantalla. Cuando entre un par de placas existe una diferencia de potencial, se crea un campo electrostático, el cual hace que los electrones que pasen entre ellas se deflecten en dirección de la placa cargada positivamente. El eje del TRC corresponde al eje Z y los ejes cartesianos de la pantalla son los correspondientes ejes X e Y de deflexión del haz de electrones Deflexión electroestática Consideremos un campo eléctrico de intensidad constante con las líneas de fuerza apuntando en la dirección negativa del eje vertical (en adelante eje Y). Un electrón que entra en este campo en dirección positiva del eje horizontal (en adelante eje X) con una velocidad inicial v ox, experimenta una fuerza en la dirección del eje Y. No habrá fuerza de aceleración en ninguna otra dirección debido a que el campo actúa solo a lo largo de ese eje, como el electrón entra en el campo en la dirección positiva del eje X a velocidad constante continúa su viaje a lo largo del eje X a esa velocidad. Ver Figura 8-4 Figura 8-4 Trayectoria de un electrón en movimiento en un campo eléctrico uniforme. La segunda Ley de Newton del movimiento, aplicada a la fuerza que actúa sobre el electrón en la dirección Y es: Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 4 de 25

5 f eε y f = ma y o a y = = = cte m m (8.2) Para determinar el desplazamiento debido a esta fuerza de aceleración, se utilizan las expresiones de velocidad y desplazamiento: v = v + o at [m/s] (velocidad) (8.3) 1 x + at 2 De acuerdo con la condición inicial de velocidad cero en la dirección de Y ( v = 0) = x v 0 t [m] (desplazamiento) (8.4) la ecuación 8.3 después de la sustitución de la ecuación 8.2 da como resultado: eε yt v y = [m/s] (8.5) m El desplazamiento del electrón en la dirección de Y de acuerdo con las condiciones iniciales de desplazamiento cero ( y = 0) y velocidad cero ( v = 0) de la ecuación 8.4 después de la sustitución de la ecuación 8.2 da como resultado: o 2 eε yt y = [m] (8.6) 2m oy oy La distancia X, viajada por el electrón en el intervalo de tiempo t, depende de la velocidad inicialv ox, que utilizando nuevamente la ecuación 8.4 que con la cual después de aplicar las condiciones iniciales para la dirección X ( x = 0) y ( a = 0), se convierte en: x = v t o ox v ox o x t = [s] (8.7) Al sustituir 8.7 en la 8.6, se obtiene la expresión para la deflexión vertical como función de la distancia horizontal viajada por el electrón: x eε y y = x 2 2v0x m 2 [m] (8.8) En conclusión, la ecuación 8.8 muestra que la trayectoria de un electrón, que viaja a través de un campo eléctrico de intensidad constante y que entra en el campo a ángulos rectos con las líneas de flujo, es parabólica en el plano X-Y. Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 5 de 25

6 En la Figura 8-5 dos placas paralelas, llamadas placas de deflexión, están separadas por una distancia d y conectadas a una fuente con diferencia de potencial Ed, de modo de que exista un campo eléctrico ε entre las dos placas. La intensidad de este campo eléctrico es dada por: Ed ε = [V/m] (8.9) d Figura 8-5 Deflexión del haz de rayos catódicos Un electrón que entra en el campo con una velocidad inicial vo x se reflecta hacia la placa positiva siguiendo la trayectoria parabólica de la ecuación 8.8. Cuando el electrón abandona las placas de deflexión, la fuerza de deflexión desaparece y el electrón viaja en línea recta hacia el punto P en la pantalla fluorescente. La pendiente de la parábola a una distancia dy x = ld, donde el electrón abandona la influencia del campo eléctrico es: tan θ =, y donde dx y está dada por la ecuación 8.8 y al diferenciar con respecto a x y al sustituir x = ld se tiene: tanθ dy eε yld = = (8.10) dx mv 2 0x La línea recta del viaje del electrón es tangente a la parábola en x = ld y esta tangente se intersecta con el eje X, luego la localización de este origen aparente O esta dado: 2 eε ld y x O = tanθ y mv y 2 2mv0x = eε ld 2 0x ld = 2 [m] (8.11) Por lo tanto, el origen aparente O se encuentra en el centro de las placas de deflexión y a una distancia L de la pantalla fluorescente. La deflexión en la pantalla esta dada por: D = L tanθ [m] (8.12) Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 6 de 25

7 al sustituir por tan θ, se obtiene: eε yld D = L [m] (8.13) mv 2 0x La energía cinética del electrón que entra en el área entre placas de deflexión con una velocidad inicialv 0 es: x 1 2 mv0 x = εea 2 (8.14) Donde Ea es el voltaje de aceleración en el cañón de electrones. En conclusión, la deflexión sobre la pantalla fluorescente resulta: eε yld D = L 2 mv 0x LldEd = 2dEa [m] (8.15) donde: D = deflexión sobre la pantalla fluorescente (metros) L = distancia a partir del centro de las placas de deflexión hasta la pantalla (metros) ld = longitud efectiva de las placas de deflexión (metros) d = distancia entre las placas de deflexión (metros) Ed = voltaje de deflexión (volts) Ea = voltaje de aceleración (volts) Esta expresión es de suma importancia, y deja en claro que la altura de impacto en plantalla D, para un determinado Ea, es función lineal del voltaje aplicado entre placas Ed (ver que el resto son constantes constructivas del TRC). La sensibilidad de deflexión de un TRC se define como la desviación sobre una pantalla (en metros) por volt del voltaje de deflexión. S D Lld = = [m/v] (8.16) Ed 2dEa El factor de deflexión G de un TRC, es el reciproco de la sensibilidad de deflexión S y se expresa: 1 2dEa G = = [V/m] (8.17) S Lld La expresión para la sensibilidad de deflexión S y el factor de deflexión G indican que la sensibilidad de un TRC es independiente del voltaje de deflexión, pero varia linealmente con el potencial de aceleración, por lo tanto, altos voltajes de aceleración producen un haz de electrones que requieren un alto potencial de deflexión para una excursión dada sobre la pantalla. Un haz altamente acelerado posee más energía cinética y, Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 7 de 25

8 por lo tanto, produce una imagen más brillante sobre la pantalla, pero el haz es más difícil de deflectar. Este es un factor de compromiso en el diseño de los TRCs. Valores típicos de los factores de deflexión están en el rango de 10 V/cm a 100 V/cm, correspondiente a la sensibilidad de 1.0 mm/v y 0.1 mm/v, respectivamente Aceleración postdeflexión La cantidad de luminosidad proporcionada por la pantalla de fósforo depende de la cantidad de energía que transfiere el haz de electrones, si éste se debe deflectar a gran velocidad, para que el osciloscopio responda a eventos que ocurren rápidamente, la velocidad del haz de electrones debe ser más alta, de lo contrario, la luminosidad emitida desaparece. Por esto, para un osciloscopio rápido es deseable acelerar el haz a la máxima velocidad posible, no obstante, la gran velocidad del haz hace más difícil deflectar la luz. Esto requerirá no solo voltajes mayores para la deflexión sino también corrientes mayores para cargar la capacitancia de las placas de deflexión. Algunos TRC utilizan una aceleración de dos pasos para eliminar este problema. Primero, el haz de electrones se acelera a una velocidad relativamente baja a través de un potencial de algunos miles de volts. Entonces el haz se deflecta y después de la deflexión se acelera hasta velocidad final deseada. De esta forma la cantidad de aceleración después de la deflexión no afecta la sensibilidad de ésta. Este tipo de tubos se llama de aceleración postdeflexión. Existen dos modelos constructivos a fines de lograr esta post-deflexión. Uno de ellos utiliza una malla para incrementar aún más la magnitud de barrido del haz de electrones. Esta malla actúa como una lente de amplificación incrementando la deflexión, lo cual mejora la sensibilidad de la deflexión. Este sistema presenta algunas desventajas como ser: la malla tiende a desenfocar el haz y ensancha el punto. conduce parte del haz de electrones fuera de la pantalla dando como resultado una reducción de la corriente del haz que disminuye la intensidad del punto. el haz de electrones tiende a desenfocarse en los alrededores de las placas de deflexión debido a la repulsión a partir de distribuciones de carga dentro del tubo. Algunos avances en el diseño de TRC han eliminado la malla disminuyendo estos problemas, construyendo un cañón de electrones de alta tecnología para utilizarlo en TRC s de alta frecuencia. La Figura 8-6 muestra el cañón de electrones para el tubo de rayos catódicos sin malla. El haz de electrones se genera a partir de un cátodo convencional calentado, rodeado por la rejilla de control. Luego continua, el primer ánodo de aceleración y dos electrodos de enfoque, los cuales proporcionan el enfoque y el voltaje de aceleración. Estos electrodos de enfoque difieren de los elementos cilíndricos del tubo convencional en que están construidos de placas individuales de metal con huecos no cilíndricos en el centro. Esto da una diferente característica de enfoque en los planos horizontal y vertical, generalmente divergentes en un plano y convergentes en otro. Los huecos en el centro de la placa de metal se forman con mayor precisión que en un cilindro, por lo tanto, se puede alcanzar mayores tolerancias a menor costo. Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 8 de 25

9 Figura 8-6 Después de los dos electrodos de enfoque, el haz pasa a través de las placas deflexión vertical. El haz en este punto aún no está totalmente enfocado, lo que disminuye la cantidad de distorsión de haz debido a las distribuciones de carga internas. El haz se enfoca aún más después de la deflexión para proporcionar un punto fino. Después de la deflexión vertical, el haz pasa a través de una lente de barrido de expansión que incrementa la cantidad de desviación en el plano vertical. Entonces, el haz se deflecta en dirección horizontal y pasa a través de otra lente para electrones que proporciona un enfoque adicional. El haz se acelera a la velocidad final mediante una lente cuadripolo, la cual incrementa la velocidad del electrón y agrega un ángulo de barrido (expansión de barrido semejante a la malla en el caso anterior) sin que distorsione o desenfoque el haz de electrones. El resultado de este diseño es un incremento en la sensibilidad de deflexión, por lo general de 2.3 V/cm para la deflexión vertical y 3.7 V/cm en la dirección horizontal Pantallas Cuando el haz de electrones golpea en la pantalla del TRC, se produce un punto luminoso. El material en la pantalla en la superficie interior que produce este efecto es el fósforo. Dicho elemento absorbe la energía cinética de los electrones bombardeados y remite energía a una frecuencia baja en el espectro visible. La propiedad de algunos materiales cristalinos, como el fósforo o el óxido de zinc, para emitir luz cuando son estimulados por una radiación, se llama fluorescencia. Los materiales fluorescentes tienen una segunda característica, denominada fosforescencia, la cual se refiere a la propiedad del material de continuar emitiendo luz aún después que la fuente de excitación (en este caso el haz de electrones) se suspenda. El lapso durante el que ocurre la fosforescencia o el resplandor se llama persistencia del fósforo, la cual se mide en términos del tiempo requerido para que la imagen del TRC decaiga un cierto porcentaje (por lo general 10 %) de la luz original. La intensidad de la luz emitida por la pantalla del TRC, llamada luminancia, depende de varios factores: Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 9 de 25

10 la intensidad de luz se controla por el número de electrones bombardeados que golpean la pantalla por segundo. Si esta corriente de haz se incrementa o se concentra la misma cantidad de ella en un área más pequeña reduciendo el tamaño del punto, la luminancia se incrementó. la luminancia depende de la energía con la cual los electrones golpean la pantalla y esto a su vez está determinado por el potencial de aceleración. El incremento de este potencial aumenta la luminancia. la luminancia es función del tiempo en que el haz golpea un área determinada del fósforo, por lo tanto, la velocidad de barrido afecta la luminancia. Finalmente, la luminancia es función de las características físicas del fósforo. Casi todos los fabricantes permiten a sus clientes seleccionar los materiales de fósforo. La siguiente tabla, Figura 8-7, resume las características de algunos de los materiales de fósforo más utilizados. Tipo de Fluorescencia Fosforescencia Luminancia Decaimiento fósforo relativa a 0.1% (ms.) Comentarios P1 Amarillo-verde Amarillo-verde 50% 95 Propósito general; remplazado por P31 en la mayoría de los casos P2 Azul-verde Amarillo-verde 55% 120 Bueno para aplicaciones de alta y baja velocidad P4 Blanco Blanco 50% 20 Pantallas de televisión P7 Azul Amarillo-verde 35% 1500 Decaimiento largo; observación de fenómenos de baja velocidad P11 Púrpura-Azul Púrpura-azul 15% 20 Aplicaciones fotográficas P31 Amarillo-verde Amarillo-verde 100% 32 Próposito general; es el fósforo más brillante que se dispone Figura 8-7 Luminancia es el equivalente fotométrico de brillantez, se basa en mediciones hechas con un sensor que tiene la sensibilidad espectral aproximada a la del ojo humano. P31 es el fósforo de referencia. El fósforo P31, con su elevada luminancia y mediana persistencia es la mejor elección para la observación de propósito general y, por lo tanto, se encuentra en la mayoría de los ORC para laboratorio estándares. Es posible dañar severamente la pantalla del TRC mediante la incorrecta operación de los controles del panel frontal. Cuando un haz de electrones activa el fósforo con una excesiva densidad de corriente puede ocurrir un daño permanente en el fósforo por quemadura, con lo que se reduce la luz emitida. Dos factores contribuyen a este accidente: la densidad del haz la duración de la excitación La densidad del haz se controla mediante los controles INTENSITY, FOCUS y ASTIGMATISM en el panel frontal del osciloscopio. El lapso en que el haz excita cierta área del fósforo se ajusta mediante el barrido o control TIME/DIV. La quemadura y la posible destrucción del fósforo se puede evitar si se mantiene baja la intensidad del haz y breve el periodo de exposición. Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 10 de 25

11 El bombardeo de electrones que golpean el fósforo produce una emisión secundaria de electrones, lo que mantiene a la pantalla en un estado de equilibrio eléctrico. Estos electrones de emisión secundaria y de baja velocidad se colectan con una película conductiva conocida como aquadag, colocada en la superficie interna del tubo de vidrio, la cual está conectada eléctricamente al segundo ánodo. En algunos tubos, en particular los TRC con enfoque magnético (como en los tubos de TV), se prescinde del ánodo de aceleración por completo y la película conductora se utiliza como ánodo final de aceleración. Gratículas: Se colocan marcas horizontales y verticales calibradas sobre la pantalla del tubo de rayos catódicos para facilitar el uso del osciloscopio. La exactitud de estas marcas depende de qué tan cerca se puedan colocar las marcas de la gratícula y la película de fósforo para eliminar el paralaje. Los primeros tubos de osciloscopio tenían una gratícula externa para proporcionar las marcas necesarias, pero la distancia entre las marcas de la gratícula y la película de fósforo era de alrededor de 1 cm, lo que ocasionaba errores en la medición si no se utilizaba con cuidado. Si las líneas de la gratícula están grabadas en la superficie interna del vidrio frontal del tubo de rayos catódicos, la distancia que separa la película de fósforo y la gratícula es aproximadamente cero y prácticamente son inexistentes los errores de paralaje Deflexión vertical Los circuitos de deflexión vertical reciben la señal de entrada como un voltaje, por medio del cual se obtienen muchos parámetros a medir. Esta señal será amplificada y llevada a niveles apropiados para ser entregada a las placas de deflexión vertical, en la Figura 8-8 se observa un diagrama en bloques con los elementos que adaptan la señal de entrada y a posterior una descripción sobre su principio de funcionamiento. Este procedimiento debe satisfacer las especificaciones de ancho de banda del instrumento y los tiempos requeridos para el buen funcionamiento del mismo. Figura 8-8 Acople: El bloque de acoplamiento tiene tres posiciones que son AC, DC y GND. Cuando el acople está en AC el condensador quita la componente DC de la señal de entrada. Cuando el acople está en DC la señal de entrada pasa igual al siguiente bloque. Y cuando el acople se coloca en GND se conecta internamente la entrada a un potencial de cero voltios, es decir, se conecta a tierra. En este ultimo caso, el osciloscopio muestra cero voltios, éste no coloca en corto la entrada, ya que la conexión es interna y no externa, evitando daños en el circuito en el cual se está realizando la medición. Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 11 de 25

12 Atenuador: La función del atenuador es establecer la sensibilidad del osciloscopio con base en el selector de amplificación vertical. Generalmente la atenuación se rige por una secuencia 1-2-5, mientras se mantiene la impedancia de entrada constante, es decir, que las escalas de voltaje (voltios por división) son por ejemplo 10 mv, 20mV, 50mV, 100mV y 200 mv por división. Amplificador Vertical: Las señales de entrada pueden variar desde unos pocos milivoltios hasta decenas de voltios, mientras que los voltajes para las placas de deflexión vertical pueden estar del orden de cientos de voltios dependiendo de la construcción del tubo. El amplificador vertical es el encargado de proporcionar la ganancia que necesita la señal de entrada para poder deflectar el haz de electrones, no debe distorsionar la onda de ninguna forma, y debe tener una respuesta amplia de frecuencia Línea de retardo A la salida del amplificador vertical la señal está lista para ser enviada a las placas de deflexión vertical, sin embargo se introduce una línea de retardo para que la señal horizontal (base de tiempo o generador de barrido) llegue al mismo tiempo que la señal vertical. El proceso de deflexión horizontal (disparo y generación del diente de sierra) puede tardar aproximadamente 80 ns adicionales al momento en que se tiene la señal de deflexión vertical, este tiempo debe ser compensado con la línea de retardo para que el operador observe el borde de subida de la onda de la señal Deflexión horizontal La deflexión horizontal del haz de electrones debe llevar una velocidad constante. De esta manera cada división en la pantalla corresponde a intervalos iguales de tiempo. Con la escala de tiempo (Tiempo por División) se determina la velocidad con la cual el haz de electrones recorre cada división horizontal y por tanto la pantalla completa de izquierda a derecha. La velocidad constante del haz se genera colocando una diferencia de potencial entre las placas de deflexión horizontal en forma de rampa, ya que la deflexión es directamente proporcional al voltaje colocado entre las placas de deflexión. Los circuitos de deflexión horizontal tienen como entrada el circuito de disparo, como salida las placas de deflexión horizontal del TRC y un serie de circuitos involucrados como se muestra en el diagrama en bloques de la Figura 8-9. Generador de Barrido: El generador de barrido es el encargado de generar la rampa de voltaje. Esto lo hace cargando un condensador con una fuente de corriente constante. La rampa de voltaje siempre tiene valores positivos, pero en realidad la diferencia de potencial en las placas de deflexión debe ir de voltajes negativos, trazo a la izquierda de la pantalla, hasta voltajes positivos, trazo a la derecha de la pantalla. Para que la señal pueda ser visible, el trazo debe repetirse constantemente de tal forma que se vea una línea continua en la pantalla, además debe estar sincronizado con la señal de entrada para que se trace la misma trayectoria y se vea una imagen estable. Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 12 de 25

13 Figura 8-9 Para lograr que se repita el trazo se debe comenzar de nuevo e indefinidamente la rampa de voltaje. El proceso de devolver el haz es llamado retraso o fly-back. Cuando se inicia el trazo el generador de barrido le indica al circuito de compuerta que deshabilite el haz de electrones de tal forma que el TRC se encuentre en corte. Hold-Off, Reset y Circuito de Compuerta: El circuito de hold-off sirve para que el usuario determine un tiempo muerto, que puede ser cero, después de que el retraso ha terminado. Este tiempo puede resultar importante para la sincronización del trazo. Después que ha terminado este tiempo se activa el circuito de reset, el cual le informa al circuito de compuerta que el sistema está listo para comenzar una nueva rampa. El circuito de compuerta espera un pulso del circuito de disparo y al llegar, habilita la salida de electrones por el cañón electrónico, es decir, saca de corte al TRC, y al mismo tiempo le indica al generador de barrido que inicie una nueva rampa. El circuito de compuerta no tiene en cuenta los pulsos de sincronismo que se presentan en los tiempos de retraso, de hold off ó de rampa. Figura 8-10 Los circuitos de sincronismo son los encargados de que el trazo en la pantalla sea estable, dicha estabilidad es necesaria para que la señal se pueda medir y detallar, ver Figura La fuente de sincronismo puede ser la señal proveniente del amplificador vertical, una Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 13 de 25

14 señal externa o la línea entre otras. El circuito de disparo toma la fuente de sincronismo y la compara con un nivel de voltaje y una pendiente de referencia. Cuando son iguales genera un pulso llamado pulso de sincronismo, el cual sirve como entrada para el circuito de compuerta. Para evitar que en la comparación se generen varios pulsos, se puede utilizar un comparador Schmitt Trigger. El circuito de sincronismo hace uso de un comparador Schmitt Trigger, un amplificador diferencial, un interruptor de pendiente, un filtro pasa altos y un diodo. El nivel puede estar determinado por el usuario o por un valor fijo dependiendo de la posición del selector de modo disparo. Cuando se utiliza el modo fijo (fix o fixed), el nivel se toma como el valor promedio de la señal de entrada. Cuando se utiliza el modo normal el nivel está determinado por el usuario. En el modo automático, el nivel también lo determina el usuario pero en el caso de que no se presente disparo, debido a que el nivel seleccionado nunca es igualado por la señal, ésta aparece visible en la pantalla aunque de manera inestable. Si lo anterior ocurriera en modo normal, no se generaría ningún pulso de disparo y no aparecería nada en la pantalla. Cuando el circuito de disparo se encuentra en la posición single, no se tiene en cuenta la fuente de sincronismo, el nivel ni la pendiente. Sólo se tiene un disparo válido cuando el botón single es oprimido. Este modo de disparo se utiliza cuando se desea observar una señal no periódica Trazo múltiple La mayoría de los osciloscopios actuales poseen dos canales, esto permite comparar dos señales, medir frecuencias de tiempo entre ellas, etc. Para conseguir dicho objetivo existen dos métodos: doble haz y doble trazo. Doble Haz: Este método utiliza un TRC especial en el cual se conforman dos haces de electrones. La deflexión horizontal (el eje del tiempo) es el mismo para ambos haces, esto lo hace con un conjunto común de placas de deflexión horizontal y una misma base de tiempo. La deflexión vertical la hace por medio de dos pares de placas de deflexión vertical. También es posible fabricarlo utilizando dos cañones electrónicos; este tipo de osciloscopios es llamado de Doble Cañón (Dual Gun), los cuales no son muy utilizados. Doble Trazo: El método de doble trazo utiliza un TRC normal. El haz de electrones dibuja sobre la pantalla las dos señales mediante la conmutación electrónica de ellas. La salida del conmutador electrónico se amplifica y entra a las placas de Deflexión vertical. Figura 8-11 Diagrama en bloques de un osciloscopio de doble trazo Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 14 de 25

15 El selector de muestreo (Chop-Alt) indica el tipo de conmutación a realizar. Si la conmutación es alternada (modo Alt), cada vez que se dispara el generador de barrido, cambia el conmutador electrónico al otro canal; de tal forma que si la señal correspondiente al canal A (o canal 1) es dibujada sobre la pantalla, al terminar el barrido se dibuja la señal correspondiente al canal B (o canal 2), y así sucesivamente. En el modo chopeado ambas señales se muestran al mismo tiempo conmutando el haz de electrones con un oscilador asíncrono (no sincronización entre la conmutación del haz y la señal de disparo de la base de tiempo) a razones típicas de 100 khz. En modo chopeado o troceado (modo Chop), el osciloscopio muestra en un barrido las dos señales, mientras que en el modo alternado el osciloscopio exhibe una señal en un barrido y la otra en el barrido consecutivo. Para visualizar señales rápidas, se recomienda el modo alternado, ya que con el modo chopeado se podría perder información dado que se trata de una onda con una frecuencia del orden de la frecuencia de chopeado. Para señales lentas se recomienda el modo chopeado, ya que en el modo alternado se presentaría un parpadeo en la pantalla debido a la baja velocidad de escritura. El modo chopeado se observa en la Figura Figura 8-12 Modo Chopeado Cabe destacar que, en algunos osciloscopios, no es posible seleccionar el modo de trazado de las señales. Directamente el selector de la base de tiempo determinará el modo chopeado o alternado de acuerdo con valor límite que puede variar entre los 0.5 y 2 ms, dependiendo del modelo. Por debajo de éste umbral se grafica la señal en modo chopeado y, por encima del mismo, el trazo de la señal se logra en modo alternado Medida del desfasaje entre señales Con el control etiquetado como X-Y podemos medir el desfasaje entre dos señales. El periodo de una señal se corresponde con una fase de 360º. El desfasaje indica el ángulo de atraso ó adelanto que posee una señal con respecto a otra (tomada como referencia) si ambas poseen el mismo periodo. Ya que el osciloscopio solo puede medir directamente los tiempos, la medida del desfasaje será indirecta. Utilizar el modo X-Y implica introducir una señal por el canal vertical (generalmente el 1) y la otra por el canal horizontal (el canal 2). Este método solo funciona de forma correcta si ambas señales son sinusoidales. La forma de onda resultante en pantalla se denomina figura de Lissajous (debido al físico francés denominado Jules Antoine Lissajous). Se puede deducir el desfasaje entre las dos señales, así como su relación de frecuencias observando la Figura Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 15 de 25

16 Transductores y puntas Figura 8-13 Figuras de Lissajous Las puntas están específicamente diseñadas para evitar ruidos que puedan perturbar la medida y para que tengan un efecto mínimo sobre el circuito de medida, lo cual se logra minimizando el efecto de carga con un atenuador pasivo, generalmente de 10X (atenua 10 veces). Puntas pasivas: son las más usuales, están marcadas con un factor de atenuación, normalmente 10X ó 100X, como muestra la Figura Por convenio los factores de atenuación aparecen marcados con el signo X detrás del factor de división y los factores de amplificación aparecen con el signo delante (X10 ó X100). Figura 8-14 Punta de medición general, para otros tipos de medidas se usa puntas especiales como las de corriente o las activas La punta más utilizada posiblemente sea la 10X, reduciendo la amplitud de la señal en un factor de 10. Su utilización se extiende a partir de frecuencias superiores a 5 khz y con niveles de señal superiores a 10 mv. La sonda 1X es similar a la anterior pero introduce más carga en el circuito de prueba, pero puede medir señales con menor nivel. Por comodidad de uso se han introducido sondas especiales con un conmutador que permite una utilización 1X ó 10X. Cuando se utilicen éste tipo de sondas hay que asegurarse de la posición de este conmutador antes de realizar una medida. En la Figura 8-15 se muestran los distintos componentes que intervienen en la sonda: Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 16 de 25

17 Figura 8-15 Punta de medición desplegada Antes de utilizar una punta atenuadora 10X es necesario hacer un ajuste en frecuencia del osciloscopio, denominado compensación de la punta. Para ello se conecta la sonda en el canal 1 y se mide en la toma de compensación. En caso de que el osciloscopio no cuente con dicha toma, se deberá utilizar un generador de onda cuadrada, luego se conecta la punta de cocodrilo a masa y se observa la señal cuadrada de referencia. Si ambas señales son diferentes, se calibra la punta con el destornillador de ajuste de la forma como muestra la Figura 8-16: Figura 8-16 Efectos de la compensación de la punta de prueba Puntas activas: Proporcionan una amplificación antes de aplicar la señal a la entrada del osciloscopio. Pueden ser necesarias en circuitos con una carga muy baja en la salida. Este tipo de sondas necesita para operar una fuente de alimentación. Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 17 de 25

18 Sondas de corriente: Posibilitan la medida directa de las corrientes en un circuito. Las hay para medida de corriente alterna y continua. Poseen una pinza que abarca el cable a través del cual se desea medir la corriente. Al no situarse en serie con el circuito causan muy poca interferencia en él. 8.3 Osciloscopios de almacenamiento En el TRC convencional la persistencia del fósforo va desde unos pocos milisegundos hasta varios segundos, de tal forma que un evento que ocurre una sola vez desaparece de la pantalla después de un período relativamente corto. De hecho, la principal desventaja de un TRC es que la señal que se desea visualizar debe ser periódica Un TRC de almacenamiento puede retener la presentación hasta varias horas después que la imagen fue capturada por primera vez sobre el fósforo. Esta característica de retención es útil cuando se presentan formas de onda de muy baja frecuencia o no periódicas. Con lo cual, los primeros en salvar esta limitación fueron los osciloscopios con almacenamiento en el TRC, pero cabe aclarar que ya son obsoletos en la actualidad. Por otro lado, si se cuenta con un conversor analógico-digital lo suficientemente rápido, se podrán observar y almacenar eventos cortos, como las señales transitorias, lo cual representa una gran ventaja sobre los analógicos. Los digitales primeros en aparecer fueron los osciloscopios de almacenamiento digital (DSO), estos dispositivos venían con un procesamiento serie que limitaba mucho el muestreo de señal de alta frecuencia. Luego aparecieron los osciloscopios de muestreo digital. Su función era la de convertir la señal analógica en digital, para luego mostrarla en un TRC o un LCD. Sin embargo y a pesar de la velocidad de muestreo, la característica más notable de estos osciloscopios digitales es la de pérdida del eje Z (grado de intensidad en el tubo), propia de los analógicos. Los distintos niveles en este eje están dados por la frecuencia de ocurrencia del trazo por cada punto de una pantalla. Aquí entra en juego el DPO (Digital Phosphor Osciloscope) que no sólo posee una matriz de fósforo digital, que resuelve el problema del eje Z, sino que posee una arquitectura de procesamiento paralelo que permite lograr velocidades de muestreo mucho mayores y por ende un despliegue de la información más rápido Osciloscopios de almacenamiento en el TRC Básicamente se fabricaban 3 tipos de TRC, que introducían mejoras en su construcción: Almacenamiento Biestable: El almacenamiento biestable hace uso de un proceso llamado emisión secundaria. Los electrones primarios (de alta energía cinética) sufren una separación al impactar sobre un blanco. El número de electrones, llamados secundarios, emitidos desde la superficie del blanco depende de la cantidad de electrones primarios, de la velocidad que posean, de la composición química del blanco y de la condición de su superficie. El factor que relaciona los electrones secundarios y primarios en el tiempo es llamado relación de emisión secundaria. Dependiendo del voltaje inicial del blanco y manteniendo el haz de electrones primarios, se logra alguna de las condiciones estables del TRC con almacenamiento biestable. Para que la señal sea visible por un periodo de tiempo prolongado, los TRC con almacenamiento biestable cuentan con dos cañones electrónicos auxiliares, los cuales envían electrones primarios adicionales a baja velocidad. Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 18 de 25

19 Esto se detalla en la figura Estos electrones cubren toda la pantalla a todo momento, a diferencia de los electrones primarios provenientes del cañón electrónico principal que barren sólo un trazo en la pantalla. La función de las dos placas colimadoras es distribuir uniformemente sobre la superficie del blanco los electrones provenientes de los cañones auxiliares. La acción de borrado consiste en someter la cubierta conductora a un voltaje pulsante y negativo, de forma que momentáneamente repele los electrones de la emisión secundaria y los refleja al blanco. Esto reduce la relación de emisión secundaria y el blanco queda cargado negativamente retornando a la posición de borrado. Figura 8-17 Persistencia Variable: El TRC de persistencia variable (figura 8-18) es similar al TRC biestable. Las rejillas aceleradoras y de control junto con el colimador, proporcionan la nube de electrones que ocupa toda la pantalla. Esta nube es acelerada por el voltaje de la malla colectora hasta la malla de almacenamiento, que es la que soporta la capa de memoria, donde se controla la escritura del trazo. La malla colectora y la capa de memoria realizan la misma función que el colector y el blanco en la configuración biestable. La escritura en un TRC con persistencia variable es controlada por una señal cuadrada con pulso de ancho variable, con valores típicos de 50 V de amplitud y 2 khz de frecuencia, que se le coloca a la rejilla aceleradora. De esta manera, si el pulso tiene ancho máximo, el brillo será máximo, pero si se reduce, igualmente se reduce el brillo de la señal. Al aumentar el ancho de pulso de la señal cuadrada de la malla de almacenamiento, se produce una mayor luminosidad en la visualización pero un menor tiempo de almacenamiento (menor persistencia). Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 19 de 25

20 Figura 8-18 Transferencia de Carga: La transferencia de carga utiliza un TRC de persistencia variable pero con dos capas de memoria (figura 8-19). La primera de las cuales es de alta velocidad y tiene una emisión secundaria buena pero de corta duración; la segunda posee un gran aislamiento, es decir, tiene gran resistividad transversal de electrones, logrando almacenar durante mayores tiempos trazos bien definidos. La transferencia se realiza de la primera capa de memoria a la segunda con los electrones secundarios que ya están presentes en la primera capa, pero no alcanzan a pasar a la pantalla. Entonces se aplica una señal de voltaje con un valor típico de 600 V y corta duración sobre la segunda malla de almacenamiento, logrando atraer y capturar los electrones secundarios de la primera capa, con suficiente energía para almacenar la imagen en la segunda malla de memoria. Cabe reiterar que toda esta tecnología ya es obsoleta, la fabricación de estos tubos era complicada y además costosa. Figura 8-19 Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 20 de 25

21 8.3.2 Osciloscopios de almacenamiento digital (DSO) Algunos de los sistemas que conforman los DSO s son los mismos que los de los osciloscopios analógicos, sin embargo, los digitales contienen sistemas de procesamiento de datos adicionales. El diagrama en bloques se muestra en la Figura Con los sistemas adicionales, el osciloscopio digital junta los datos de la onda completa y después los muestra. Figura 8-20 Procesamiento serie de un DSO La primera etapa de un DSO (entrada) consta de un amplificador vertical, como los de los osciloscopios analógicos. Los controles de atenuación vertical le permiten ajustar el rango de amplitud de esta etapa. Luego, el convertidor análogico-digital (A/D), en el sistema de adquisición, muestrea la señal en puntos discretos en el tiempo y convierte el voltaje de la señal, en esos puntos a los valores digitales se los llama valores de muestra. El reloj del sistema de muestreo horizontal determina qué tan seguido el A/D toma una muestra. La velocidad de este reloj es llamada frecuencia de muestreo y es expresada en muestras por segundo. Cabe aclarar que este muestreo se realiza en tiempo real (real time sampling). Los valores de muestra del A/D son guardados en la memoria como puntos de la onda. Más que un valor de muestra representan un punto de la onda. Juntos, los puntos de la onda forman un registro de forma de onda. El número de puntos de una onda usado para formar un registro es llamado longitud del registro. El sistema de disparo determina los puntos de inicio y final del registro. La pantalla recibe estos puntos de registro después de ser guardados en la memoria. Dependiendo de las capacidades del osciloscopio, puede tener opciones adicionales que mejoren la imagen. Con el predisparo, por ejemplo se pueden ver eventos antes del punto de disparo. El camino que recorre la señal en un DSO incluye un microprocesador. La señal medida pasa a través de este dispositivo para mostrar la imagen. Además del procesamiento de la señal, el microprocesador coordina las actividades de la pantalla, maneja el panel frontal de controles, y más. Esto es conocido como arquitectura de "procesamiento serie". Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 21 de 25

22 Figura 8-21 Diagrama en bloque de un osciloscopio digital de almacenamiento Figura 8-22 Panel de control de un osciloscopio digital de almacenamiento Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 22 de 25

23 8.3.3 Osciloscopios de muestreo digital Son los únicos que no entran en la categoría denominada de Tiempo Real. Su objetivo es capturar aquellos componentes cuya frecuencia es mucho más elevada que la frecuencia de muestreo tradicional del osciloscopio. Permiten medir señales de un orden de magnitud superior a los anteriores, por lo tanto mejora el ancho de banda más de 10 veces para señales repetitivas. Modos de muestreo: estos permiten controlar la cantidad de puntos que se dibujarán en la pantalla, dichos puntos se obtienen a partir de las muestras del voltaje de la señal de entrada y muestra los valores digitales que provienen de un A/D. El intervalo de muestreo se refiere al tiempo entre muestra y muestra y la diferencia de tiempo entre los puntos de la forma de onda se denomina intervalo de la forma de onda. Mientras en un digital se realiza Real time sampling, en uno de muestreo se puede hacer de 3 maneras (ninguna de ésta en tiempo real): Equivalent-time sampling, Random Equivalent-time sampling, o Sequential equivalenttime sampling. El intervalo de muestra y el intervalo de la forma de onda pueden ser diferentes. Esta situación lleva a diferentes modos de muestreo para el cual un punto en una forma de onda es el resultado de varios puntos de muestra adquiridos secuencialmente. Además, el punto de una forma de onda puede estar compuesto de varios puntos muestra pertenecientes a diferentes adquisiciones, teniéndose un conjunto diferente de modos de muestreo. En el osciloscopio de muestreo digital (Sampling) la forma de onda de la entrada se reconstruye a partir de muchas muestras tomadas durante ciclos recurrentes de la onda de la entrada, evitando las limitaciones de ancho de banda de los amplificadores y TRC convencionales. En la reconstrucción de la onda, los pulsos de muestreo encienden el circuito de muestreo durante intervalos extremadamente cortos. En esta forma el osciloscopio traza la onda punto por punto, empleando cerca de 1000 muestras para reconstruir la onda original. La frecuencia de muestreo puede ser tan baja como un centésimo de la frecuencia de la señal de entrada. Si la señal de entrada tiene una frecuencia de 1000 MHz, el ancho de banda requerido del amplificador sería de 10 MHZ, una cantidad muy razonable. El barrido horizontal se presenta en la Figura 8-23 indica la razón de deflexión horizontal del haz. Ésta, está sincronizado con los pulsos de disparo, los que también determinan el momento del muestreo. Figura 8-23 Formas de onda correspondientes a la operación del osciloscopio de muestreo Una vez que tenemos la información digitalizada la podemos procesar, almacenar o mostrar como más nos convenga. Se puede optar por desplegar la información valiéndonos de un LCD o convirtiéndola nuevamente en una señal analógica para mostrar la señal en un TRC. Este último método sería el correspondiente a un osciloscopio híbrido que tiene las Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 23 de 25

24 ventajas de poder mostrar cualquier tipo de señal, menores costos, y todas las ventajas de la digitalización Osciloscopios de fósforo digital (DPO) El osciloscopio de fósforo digital (DPO) ofrece un nuevo enfoque a la arquitectura de los osciloscopios. El diagrama en bloques se muestra en la Figura Como el analógico, su primera etapa es un amplificador vertical; como el DSO, en segundo lugar tenemos un A/D. Pero después de la conversión de análogo a digital, el DPO luce diferente de un DSO. Tiene características especiales diseñadas para recrear el grado de intensidad de un TRC. Más que depender de un fósforo químico como lo hace un osciloscopio analógico, el DPO tiene un Fósforo Digital puramente electrónico que, en realidad, es una actualización continua de la base de datos. Esta base de datos tiene una celda de información separada para muchos pixeles en la pantalla del osciloscopio. Cada vez que la onda es capturada (es decir, cada vez que el osciloscopio se dispara) ésta es distribuida dentro de las celdas de la base de datos del fósforo digital. Cada celda representa una posición de pantalla, la cual al ser tocada por la onda se refuerza con la información de la intensidad. Esta información de la intensidad muestra sobre qué celdas la onda pasa más a menudo. Cuando agregamos el fósforo digital a la pantalla de nuestro osciloscopio, observamos que la pantalla revela áreas intensificadas de ondas en forma proporcional a la ocurrencia de la señal en ese punto. El fósforo digital resulta mejor que el gradiente de intensidad característico de un osciloscopio analógico. El DPO, a diferencia del analógico, habilita los diferentes niveles para ser expresados en colores contrastantes. Con un DPO, es fácil ver la diferencia entre un evento que ocurre en cualquier momento y uno que ocurre, digamos, en el disparo número 100. Además de todas las funciones y ventajas que se agregan para un DSO, el DPO posee otra distintiva: mientras un DSO procesa en serie la información de las ondas capturadas, el DPO utiliza una arquitectura de procesamiento paralelo, gracias a la cual no se sufren demoras por el proceso de adquisición. El microprocesador trabaja en paralelo con manejo del display, y los automatismos de medición y control del instrumento, esto es, se encuentran fuera del sistema integrado de adquisición y representación de la señal, y no afectan la velocidad de adquisición del mismo. Figura 8-24 Procesamiento paralelo de un DPO Instrumentos y Mediciones Instymed_t8 Página 24 de 25