UTFSM. Figura 1: Tubo de Rayos Catódicos y placas de Deflexión.

Transcripción

1 Parte I El Osciloscopio. [1] 1. El Tubo de Rayos Catódicos. La unidad básica de representación visual de un osciloscopio es el tubo de rayos catódicos (TRC). Este tubo puede considerarse como una botella cuyo extremo plano está recubierto interiormente de una capa luminoscente. Cuando esta capa es sometida al choque de electrones, la energía cinética de los mismos se transforma en energía luminosa, dando lugar a un punto luminoso en la pantalla. El cuello de esta botella contiene al cañón emisor de electrones los cuales son emitidos mediante el calentamiento de un cátodo recubierto con sulfato de bario. Figura 1: Tubo de Rayos Catódicos y placas de Deflexión. Con lo anterior se ha logrado obtener un punto luminoso en la pantalla.corresponde analizar ahora los mecanismos de deflexión vertical y horizontal que permitan desplazar el punto por la pantalla. Para lograr lo anterior, se disponen dos pares de placas de deflexión: las placas de deflexión horizontal, y las placas de deflexión vertical como se muestra en la parte de la derecha de la Figura 1. En ausencia de voltaje aplicado a las placas de deflexión, el haz de electrones incide sobre el punto central de la pantalla. Si se aplica un voltaje positivo a las placas de deflexión vertical, el haz se deflecta hacia arriba. En consecuencia, también el punto luminoso se desplaza en este sentido en la pantalla. De modo similar también se manifiesta la aplicación de un potencial sobre las placas de deflexión horizontal. Si bien este apunte está ideado de forma que explique cualquier osciloscopio, la Figura 2 muestra un osciloscopio Tektronix 2261, el cual se tomará como ejemplo para desarrollar el presente documento. 3

2 L2 U 01 TF 2 SM 01 0 Departamento de Electro nica Laboratorio de Electro nica Ana loga y Digital Figura 2: Osciloscopio Tektronix TE En la Figura 3 se muestra el panel frontal del osciloscopio con todos los controles correspondientes. Figura 3: Panel frontal del osciloscopio Tektronix

3 2. Formas de Representación A continuación se entregarán algunas representaciones posibles de establecer con el sistema desarrollado hasta este momento. Para la representación de un punto i en la pantalla se han considerado los valores instantáneos correspondientes al tiempo t i que asumen ambas variables x(t i ) e y(t i ), donde x(t i ) e y(t i ) son la posición instantánea del punto luminoso en la coordenada x e y respectivamente Modo XY Al seleccionar el Modo XY en el osciloscopio, la posición del punto luminosos en la coordenada x e y será comandada por el voltaje instantáneo de la señal ingresada por el canal A y por el canal B respectivamente. La figura 4 muestra las entrada para los respectivos canales. Figura 4: Entradas para los canales A (X) y B (Y). En la Figura 5 se presentan las denominadas Figuras de Lissajous para distintas combinaciones de señales de entrada, que corresponden a las figuras que se pueden obtener utilizando el osciloscopio en modo XY. Figura 5: Modo XY para distintas combinaciones de frecuencias (ω i ) y desfase (ϕ). También en este modo de visualización es posible observar la denominada Característica de punto motriz de un elemento, que corresponde a la representación de la corriente en función del voltaje de entrada para un determinado elemento 1. 1 En la Figura 6 se muestra la CPM para un diodo 5

4 Figura 6: Característica de punto motriz para un diodo. Por último, se destaca que también es posible graficar la Característica de Transferencia de una red de dos puertas, en que ambas puertas tienen un terminal común. La característica de transferencia es, en esencia, la relación voltaje de excitación versus voltaje de respuesta Modo Y (t) La aplicación principal de un osciloscopio no consiste en representar la relación existente entre dos variables, sino más bien el de representar estas variables en función del tiempo. Cuando se aplica una rampa de voltaje a la entrada X y una señal sinusoidal a la entrada Y de un osciloscopio, en pantalla aparecerá la forma de onda de la señal Y. Si se repite continuamente en el tiempo esta rampa entre los valores que producen máxima deflexión horizontal (aplicación de un diente de sierra), la señal que aparecerá en pantalla será la imagen exacta de la señal Y, siempre y cuando la rampa generada comience para instantes en que la señal Y tenga igual nivel y pendiente. Figura 7: Representación Temporal de una sinusoide. 6

5 Figura 8: Representación Temporal de una sinusoide con rampa más rápida. Se denomina base de tiempo al control que se ejerce sobre la velocidad de repetición del diente de sierra de voltaje aplicado la entrada X. En principio esta representación debería denominarse Y (t), sin embargo, suele emplearse a menudo el término de representación X(t) Eje Z Se conoce bajo este concepto la posibilidad de controlar la intensidad del haz de electrones mediante un voltaje externo. Tiene aplicaciones específica pero a la vez importantes. La Figura 9 muestra la entrada para este eje ubicado en la parte posterior del equipo. Figura 9: Eje Z para el osciloscopio Tektronix

6 3. Modos de despliegue en pantalla. Hay aplicaciones para las cuales sería conveniente tener en la pantalla de un osciloscopio la representación de dos o más señales. Por ejemplo, la medición de retardos de tiempo entre dos señales de pulsos como también poder representar con mayor facilidad la relación existente entre los voltajes de excitación y respuesta de un sistema. El método más directo para lograr la representación de dos señales consiste en hacer uso de dos haces electrónicos con cañones electrónicos y placas de deflexión vertical y horizontal diferentes. Esta configuración presenta problemas de deformación de las señales representadas ya que es físicamente imposible ubicar ambos cañones electrónicos sobre la línea de los ejes vertical y horizontal de la pantalla. Una solución que se encontró frente a la dificultad antes mencionada consistió en el diseño de un TRC con un cañón electrónico cuyo haz electrónico se divide para deflectado independientemente en sentido vertical y conjuntamente en sentido horizontal. Debido a que es necesario igualar cuidadosamente los sistemas de amplificación y loss sistemas de deflexión verticales con respecto a sus características de fase y frecuencia sobre todo el ancho de banda del osciloscopio, no se suelen encontrar muchos osciloscopios que operen en base a este principio a frecuencias superiores de 10[M Hz]. Dada la dificultad de construir tubos de doble haz/doble sistema de deflexión, el método más utilizado es el de disponer un conmutador electrónico que nos presente, de forma secuencial, ambas señales. Según la frecuencia de estas señales existen dos modos de trabajo: modo alternado y modo troceado Modo Alternado En el modo alternado el generador de barrido horizontal produce, después de cada diente de sierra, una señal de mando que conecta - alternativamente - la entrada del conmutador a cada una de las señales. Si la velocidad de barrido es suficientemente elevada, la persistencia del fósforo de la pantalla nos garantizará una imagen continua, sin desvanecimiento de su intensidad entre cada dos barridos. Si la velocidad de barrido es lento este método ya no es válido, dado que ambas traza aparecerán y desaparecerán de la pantalla alternativamente Modo Troceado (Chop Mode) Para evitar el inconveniente anteriormente mencionado, se utiliza el modo troceado, que consiste en tomar muestras de una y otra señal a una frecuencia superior a la frecuencia de la señal bajo medida. Teóricamente esta frecuencia de muestreo deberá ser al menos 10 veces superior a la frecuencia de la señal. 8

7 3.3. Modo Diferencial. Los osciloscopios de dos canales tienen generalmente la posibilidad adicional de representar la suma de las señales aplicadas a las entradas de deflexión vertical correspondientes. Esto puede ser útil a veces, pero el funcionamiento que resulta especialmente interesante es el de modo diferencial. Usualmente se consigue esto colocando el selector de modo en posición suma y operando simultáneamente sobre un selector que invierta uno de los dos canales. La principal utilidad de este tipo de medición corresponde a poder medir un voltaje de un elemento sin necesidad de referirlo a tierra. Cuando se trata de un elemento dinámico(inductor o condensador) puede ser difícil establecer imaginariamente la forma de onda de la diferencia entre sus terminales, siendo en este caso muy conveniente una medición en modo diferencial. La Figura 10 muestra los controles en el osciloscopio que permiten seleccionar el modo de funcionamiento. CH1 y CH2 producen el despliegue en pantalla únicamente del Canal 1 o el Canal 2 respectivamente. También se encuentran los botones para el Modo Alternado (ALT) y para el modo Troceado (CHOP). Por último, el control ADD produce la suma de las señales de cada canal, y el último control de la derecha permite invertir la señal del canal 2 y de esta forma lograr el Modo Diferencial. Figura 10: Controles para el modo de funcionamiento. 9

8 4. El sincronismo Sincronización En las Figuras 7 y 8 se ha supuesto que la frecuencia de repetición del diente de sierra era un múltiplo entero de la frecuencia de la señal. Sin embargo, ésto no siempre ocurre, por lo cual fácilmente puede suceder que la señal a observar se vea desplazándose en la pantalla. Si se desea representar una señal reconocible en la pantalla, pudiendo al mismo tiempo variar la base de tiempo, es necesario que el generados de diente de sierra que realiza la deflexión horizontal espere a que la señal aplicada a la entrada Y pase por una misma condición. Esta condición puede definirse por un nivel de voltaje y la condición de que sea sobrepasado(nivel y pendiente positiva), o bien, por un nivel de voltaje determinado y pendiente negativa. En otras palabras, la rampa de voltaje debe comenzar siempre cuando la señal que se desee visualizar esté en la misma condición (se asume una señal periódica). Así se tiene que el Level corresponde al nivel de voltaje(positivo o negativo) que dispara la rampa de voltaje y Slope corresponde a la pendiente para el disparo(positiva o negativa). La Figura 11 muestra los controles de pendiente, de nivel, el control de la base de tiempo, la fuente de trigger y el acoplamiento. Figura 11: Control horizontal del osciloscopio. La necesidad de poder seleccionar una fuente de sincronismo externa se impone, a veces, debido a que las señales que se desean visualizar son complejas y no siempre se 10

9 puede seleccionar la base de tiempo adecuada. Si se dispone de una señal de sincronismo adicional es posible hacer uso de ésta a objeto de representar la señal deseada con la base de tiempo conveniente Selección de la Fuente de Sincronismo. En este caso no basta con seleccionar si la fuente de sincronismo ha de ser externa -es decir, a través de una entrada de sincronismo adicional- o interna. En el último modo se requiere especificar adicionalmente si la fuente de sincronismo se deriva de uno o del otro canal. En la Figura 12 se muestran los controles respectivos. Figura 12: Controles para la selección de la fuente de sincronismo Selección del tipo de acoplamiento a la señal de sincronismo (Coupling) Mediante el selector mostrado en la Figura 13 es posible escoger la forma de llevar la señal que sirve de fuente de sincronismo al circuito de sincronismo (llamado, a veces, circuito de disparo del barrido horizontal). Los modos son: a) AC: En este modo se quita el nivel continuo de la señal. b) DC: En este modo, la señal ingresa sin cambios para el sincronismo. c) NORM: es el modo de acoplamiento normal d) TV: es un modo que se utiliza para poder sincronizar las señales de Televisión. Figura 13: Controles para la selección del acoplamiento de la fuente de sincronismo. 11

10 4.4. Selección del nivel de sincronismo y pendiente (Level y Slope): La Figura 14 muestra los controles para seleccionar el nivel y la pendiente del sincronismo en el osciloscopio Tektronix Figura 14: Controles para la selección del nivel y pendiente Selección del modo de sincronismo Se conocen los siguientes modos: a) Modo de sincronismo automático(auto). La base de tiempos interna genera la señal de barrido horizontal automáticamente en ausencia de señal de sincronismo. En presencia de señal de sincronismo, en cambio, el barrido será sincrónico de acuerdo a la fuente, el nivel y pendiente de sincronismo escogidos. La falta de señal de sincronismo puede deberse a que: no se escogió adecuadamente la fuente de sincronismo, el nivel de sincronismo seleccionado no está dentro del rango de la variación de la amplitud de la señal que es fuente de sincronismo. b) Modo de sincronismo normal(norm). En ausencia de señal de sincronismo no hay barrido horizontal. En otras palabras, en este modo la rampa de voltaje que produce la deflexión horizontal del punto luminoso en pantalla sólo se dispara cuando recibe la señal de disparo desde el circuito de sincronismo. c) Modo de sincronismo que produce un barrido único(sgl). Este modo es similar al anterior, con la diferencia que sólo se dispara la rampa de deflexión horizontal con el primer pulso de sincronismo que proporciona el circuito de disparo. Sólo mediante la acción de un interruptor RESET el sistema queda en condiciones de dispararse nuevamente. 12

11 Los controles se muestran en la Figura 15 Figura 15: Controles para la selección del modo de sincronismo. 5. Bibliografía Referencias [1] Walter Grote, OSCILOSCOPIOS, Departamento de Electrónica, 13