El osciloscopio. Fundamento teórico:

Transcripción

1 El osciloscopio El osciloscopio es básicamente un dispositivo que permite la visualización gráfica de señales eléctricas variables en el tiempo. Para tal fin, el osciloscopio dispone de una pantalla en la que aparece la gráfica de la señal eléctrica aplicada en función del tiempo. El eje vertical (eje Y) representa el voltaje de la señal; mientras que el eje horizontal (eje X) representa el tiempo. Un osciloscopio puede medir multitud de magnitudes físicas, simplemente necesita la sonda adecuada que convierta la magnitud a medir en una señal eléctrica (p.e. en el caso del sonido, un micrófono convierte la señal acústica en una señal eléctrica). Debido a la diversidad de medidas y magnitudes que se puede estudiar con los osciloscopios, estos se utilizan en campos muy dispares que abarcan desde la medicina hasta la mecánica del automóvil. En un principio los osciloscopios eran analógicos, pero hoy en día suelen ser digitales, si bien estos últimos también permiten trabajar en modo analógico. En los analógicos es la propia señal aplicada la que, convenientemente amplificada, produce la figura que se observa en la pantalla. Sin embargo, en los digitales la señal aplicada se convierte en una señal digital que aparte de presentarse en la pantalla permite ser almacenada. Los analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos (picos de tensión que se producen aleatoriamente). Fundamento teórico: El elemento principal de un osciloscopio es el tubo de rayos catódicos. Éste posee en su interior un cátodo incandescente que emite electrones, los cuales inciden sobre una pantalla fluorescente dando lugar a la emisión de una luz que suele ser verdosa o azulada. En su trayectoria hasta la pantalla, el haz de electrones atraviesa dos pares de placas deflectoras (ver figura 1), unas horizontales y otras verticales. Mediante la aplicación de diferencias de potencial a estas placas el haz de electrones puede desviarse a voluntad. La diferencia de potencial aplicada a las placas horizontales permite desviar al haz verticalmente, y la diferencia de potencial aplicada a las placas verticales desvía al haz horizontalmente. Estas direcciones horizontal y vertical corresponden con los ejes X e Y respectivamente. 43

2 Figura 1. Esquema de tubo de rayos catódicos de un osciloscopio Cuando sobre las placas deflectoras no se aplica ninguna tensión el haz de electrones incide sobre el centro de la pantalla, dando lugar a un punto luminoso inmóvil en dicho punto. Normalmente, en las placas horizontales se introduce una diferencia de potencial proporcional a la señal de entrada. De esta forma el punto luminoso en la pantalla se desvía verticalmente siguiendo las variaciones de la señal de entrada. Por otra parte, introduciendo en las placas verticales una señal variable en forma de dientes de sierra (figura 2), cuya frecuencia puede variarse a voluntad, se consigue hacer que el punto luminoso de la pantalla se desvíe horizontalmente de izquierda a derecha, es lo que se denomina barrido. La velocidad del barrido es proporcional al paso del tiempo. Conjugando el movimiento vertical y horizontal del punto luminoso se consigue que el haz luminoso siga una trayectoria equivalente a la variación de la señal de entrada con el tiempo. En cuanto la frecuencia de barrido es lo suficientemente grande, la traza del punto luminoso en la pantalla se ve como una trayectoria continua. Si el barrido horizontal está conectado y no se aplica ninguna tensión a las placas de desviación vertical, se observará en la pantalla un punto que la barre horizontalmente, y que nos parecerá una línea horizontal si la frecuencia de barrido es alta. 44

3 Voltaje t V=Vb tiempo V=Va τ=nt Figura 2. Esquema de la señal tipo diente de sierra que produce el barrido horizontal. Cuando el voltaje es Va el punto luminoso está en la parte izquierda de la pantalla. Según aumenta el potencial el punto se desplaza hacia la derecha y cuando alcanza el valor Vb llega a la parte derecha. Los tramos planos de voltaje Va y tiempo t son tramos de espera para sincronizar el periodo (τ) de la señal de barrido con el periodo (T) de la señal de que se quiere observar. Se ha de cumplir que (τ= nt). Descripción del aparato: A primera vista un osciloscopio podría parecer una especie de televisión portátil salvo por la cuadrícula de la pantalla y por el mayor número de controles que tiene. En las figuras 3 y 4 puede verse una vista de la parte frontal de dos osciloscopios. Las diferentes partes de control y medida del osciloscopio pueden agruparse en tres partes diferentes: pantalla, conectores y mandos de control. Pantalla (33): Es un aparte fundamental de los osciloscopios, en ella es donde va a aparecer la imagen de la señal que se quiere medir. Aparte de la información cualitativa que se puede extraer de la simple visualización de la señal, usando el osciloscopio también se pueden hacer mediciones cuantitativas. Éstas se realizan midiendo distancias sobre la imagen de la señal, para facilitar este proceso la pantalla está dividida en una cuadrícula. Cada cuadrado de dicha cuadrícula es de 1cm 1cm., si bien en los ejes aparecen marcas cada 0.2 cm. 45

4 Conectores: Son las conexiones por donde se introduce la señal de entrada al osciloscopio. El número y tipo de conectores depende de los modelos de osciloscopio. Actualmente los osciloscopios suelen tener dos canales de entrada, es decir permiten observar dos señales a la vez. Los conectores son de tipo BNC para cables coaxiales apantallados y hay un conector por cada canal de entrada (CH 1 y CH 2) (8 y 20) (ver esquema figura 4). Además, suele haber otra conexión para introducir una señal de sincronización externa (EXT TRIG o TRIG IN) (24) (ver apartado sobre mandos de control de sincronización). Los osciloscopios antiguos sólo tienen una canal de entrada (por ejemplo el representado en la figura 3) y los conectores son de tipo banana normal. En este caso tiene un conector para la señal activa (superior) y otro para la señal de tierra (inferior). En algunos casos tienen otra pareja de conectores (superior señal activa, inferior señal de tierra). Usada para introducir otra señal de entrada, de forma que se puede representar la primera señal en función de la segunda, o bien una señal de disparo externa (EXT TRIG) (ver apartado sobre mandos de control de sincronización). Mandos de control generales: Interruptor (ON/OFF) (6): Aunque suele ser un botón individual, en algunos modelos el encendido esta asociado al mando de control de brillo (BRIGHTNESS). Brillo (BRIGHTNESS o INTEN) (2): Este mando permite variar la intensidad del punto luminoso de la pantalla. Debe regularse de manera que la imagen no posea un halo luminoso a su alrededor. En general,el brillo debe de ser suficiente para que la imagen sea visible. Foco (FOCUS) (3): Este mando permite obtener una imagen nítida en la pantalla. Modo simple/dual/suma (MODE: CH1, CH2, DUAL, ADD) (14): (en osciloscopios de dos canales) permite seleccionar entre ver un canal u otro (CH 1/ CH 2), ver los dos a la vez (DUAL) o ver la suma de los dos canales (ADD). Modo XY (X-Y) (29 en posición X-Y): Al seleccionar este modo se representa en pantalla la señal de un canal frente a la señal del otro. Aunque, normalmente el canal I hace de eje Y y el canal II de eje X, en el osciloscopio representado en la figura 4, el canal 1 es el eje X y el canal 2 es el eje Y. Algunos osciloscopios aún teniendo un solo canal de entrada disponen de este modo introduciendo la segunda señal por el conector del disparo exterior (EXT TRIG). En algunos modelos, hay un botón específico para poner el modo X-Y y en otros aparece como una posición más del mando de modo simple/dual/suma. 46

5 Mandos del sistema vertical (VERTICAL): (En el caso de osciloscopios con varios canales, habrá uno de cada uno de los siguientes mandos para cada canal) Desplazamiento vertical ( POSITION, Y-POS ó Y-SHIFT) (11 y 19): Permite el desplazamiento vertical de la imagen, de forma que se puede posicionar la imagen en el punto exacto que se desee. Resulta de mucha utilidad cuando se trata de realizar medidas, para alinear puntos concretos de la señal con la retícula de la pantalla. Escala vertical (VOLTS/DIV ó VOLTS/CM) (7 y 22): Se trata de un conmutador con un gran número de posiciones determinadas, cada una de las cuales representa el factor de escala empleado por el sistema vertical. Por ejemplo, si el mando esta en la posición 2 voltios/div significa que cada una de las divisiones verticales de la pantalla, que recordemos son de un 1 cm, representan 2 voltios. Por lo tanto, usando el valor de esta escala convertimos las distancias medidas en el eje vertical a voltios. Es muy importante seleccionar la escala adecuada para cada señal, de forma que la imagen ocupe la mayor parte de la pantalla que sea posible. Mando variable (VARIABLE ó VAR.) (9 y 21): Se trata de un potenciómetro situado de forma concéntrica al mando de la escala vertical. Permite variar la escala vertical de forma continua, se puede considerar una especie de lupa del eje vertical. Cuando se trata de hacer medidas es muy importante que este mando esté en la posición de calibrado (CAL), que debe aparecer claramente indicada. Amplificación (MAG ó Y-MAG) (tirando de 9 y/o 21 hacia fuera): Este mando permite ampliar la escala del eje vertical en un factor determinado que normalmente es cinco ( 5) o diez ( 10). Si se utiliza está amplificación habrá que tenerla en cuenta al hacer medidas cuantitativas, por ejemplo si la escala vertical está en 1vol/div y la amplificación es de 5 tendremos 1 voltio por cada 5 centímetros. Acoplamiento de la entrada (AC/GND/DC) (10 y 18): Se trata de un conmutador que permite variar la forma en la que la señal de entrada se conecta la osciloscopio. Lo más usual es que se trate de un conmutador con tres posiciones: AC, DC y GND. La posición AC elimina mediante un condensador la componente continua que posea la señal exterior. La posición DC deja pasar la señal tal como viene, y la posición GND desconecta la señal de entrada del sistema vertical y lo conecta a tierra (potencial cero). Mandos del sistema horizontal (HORIZONTAL): Desplazamiento horizontal ( POSITION, X-POS ó X-SHIFT) (32): Permite el desplazamiento horizontal de la imagen, de forma que se puede posicionar la imagen en el 47

6 punto exacto que se desee. Resulta de mucha utilidad cuando se trata de realizar medidas, para alinear puntos concretos de la señal con la retícula de la pantalla. Escala horizontal ó base de tiempos (TIME/DIV, TIME/CM ó TIMEBASE) (29): Se trata de un conmutador con un gran número de posiciones determinadas, cada una de las cuales representa el factor de escala empleado por el sistema de barrido horizontal. Por ejemplo, si el mando esta en la posición 5 ms/div significa que cada una de las divisiones horizontales de la pantalla, que recordemos son de un 1 cm, representan 5 milisegundos. Por lo tanto, usando el valor de esta escala convertimos las distancias medidas en el eje horizontal a segundos. Es muy importante seleccionar la escala adecuada para cada señal, de forma que las medidas se puedan hacer de forma precisa. Mando variable (VARIABLE ó SWP. VAR.) (30): Se trata de un potenciómetro situado de forma concéntrica al mando de la escala horizontal. Permite variar la escala horizontal de forma continua, se puede considerar una especie de lupa del eje horizontal. Cuando se trata de hacer medidas es muy importante que este mando esté en la posición de calibrado (CAL), que debe aparecer claramente indicada. Amplificación (MAG ó X-MAG) (31): Este mando permite ampliar la escala del eje horizontal en un factor determinado que normalmente es cinco ( 5) o diez ( 10). Si se utiliza está amplificación habrá que tenerla en cuenta al hacer medidas cuantitativas. Por ejemplo, si la escala horizontal está en 1ms/div y la amplificación es de 10 tendremos 1 milisegundo por cada 10 centímetros. Mandos de control de sincronización y disparo (TRIGGER): Cuando se está observando una señal periódica es posible hacer que en la pantalla del osciloscopio se obtenga una imagen estable haciendo que el barrido horizontal comience de manera sincronizada con el periodo de la señal a observar. Por eso, el barrido debe comenzar o ser lanzado o disparado por dicha señal o por otra señal externa que mantenga una relación temporal fija con la que se quiere visualizar. Modo de disparo (MODE, TRIG SELECTOR) (25): Normalmente es un conmutador con varias posiciones (AUTO, NORM, TV-V, TV-H, ) que sirven para seleccionar la frecuencia de la señal de disparo. En el modo AUTO el barrido funciona siempre, lo que no garantiza la observación de imágenes estables. En el modo NORM el barrido funciona según el valor del nivel de disparo (ver siguiente punto). Si el nivel de disparo tiene un valor que no alcanza la señal de entrada no se produce el disparo y por lo tanto el barrido, por lo que no se ve ninguna imagen, lo cual puede ser desconcertante. Así, no es recomendable usar esta opción para usuarios noveles. Los modos TV introducen pulsos de sincronización automáticos de TV que suelen garantizar la observación de imágenes 48

7 estables en la pantalla. Algunos modelos de osciloscopios sólo tienen dos opciones de disparo: Normal (NORM) y TV. Nivel de disparo (LEVEL ó TRIG LEVEL) (28): Permite controlar el valor para el que se produce el inicio o disparo del barrido. Es decir el nivel de la señal de entrada que se toma como referencia para iniciar el barrido. Para ello el modo de disparo ha de estar en posición normal (NORM). En algunos modelos el nivel de disparo tiene una posición de AUTO en la que el nivel de disparo es aproximadamente el valor medio de la señal de entrada, lo que garantiza que se produzca el barrido. Salvo para medidas muy específicas sería recomendable poner este mando en posición AUTO. Fuente de disparo (SOURCE) (12): Normalmente es un conmutador con varias posiciones (CH1, CH2, LINE, EXT, ) para seleccionar la señal que realiza el disparo. CH1 ó CH2 son las opciones más normales y son para utilizar la señal del canal 1 ó 2 como señal de disparo, LINE es para usar como señal de disparo la señal de la red eléctrica, y EXT es para utilizar una señal de disparo externa que se introduce en el conector TRIG IN. Otros mandos de control: Congelar imagen (HOLD): (sólo en osciloscopios digitales) Permite congelar la imagen. Cuando se vuelve a pulsar la imagen se descongela. Cada canal se puede congelar de forma independiente. Es muy útil para señales con mucho ruido o no periódicas. 49

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11 Figura 3. Vista frontal de un osciloscopio antiguo de un solo canal 51

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15 53 Figura 4. Vista frontal esquemática de un osciloscopio de dos canales