Tema 2: Osciloscopio

Tema 2: Osciloscopio El Osciloscopio de Rayos Catódicos Da una representación visual de una señal (tensión) medida y visualización Análisis en el dominio del tiempo: frecuencia, diferencias de fase, anchura de pulsos, etc Para medir otras magnitudes físicas es necesario usar transductores Tubo de rayos catódicos (TRC) Tubo de vacío + elementos de enfoque Genera un haz de electrones Pantalla cubierta de material fosforescente Representación X-Y - Canal X/1: abscisa: tiempo o voltaje - Canal Y/2: ordenada: voltaje 1

Tema 2: Osciloscopio: clasificación La frecuencia máxima admisible en el canal vertical (canal Y) Osciloscopios de baja frecuencia (hasta 10 MHz) Osciloscopios de alta frecuencia (hasta 500 MHz) El número de canales verticales que posea el osciloscopio. Osciloscopios de un canal 2 canales o más.. Si el osciloscopio tiene 2 canales puede haber dos opciones: Que tenga dos cañones de haz de electrones, cada uno con sus sistemas de deflexión horizontal y vertical: DUAL GUN Puede tener un único cañón con un sistema de deflexión horizontal y dos sistemas de deflexión verticales: DUAL BEAM La persistencia de los trazos sobre la pantalla es alta de modo que parece una representación simultánea (es la más usual) El tipo de pantalla Pantalla "pasivas"(con distintos grados de persistencia) Pantalla de "memoria que retienen la forma de onda de la señal durante tiempos muy largos comparados con la duración de la señal Osciloscopio de memoria digital: no necesita de una pantalla especial, sino que previamente digitalizan la señal a representar 2

Tema 2: Osciloscopio: clasificación Panel frontal de un osciloscopio: Area de pantalla Area de controles: Canales verticales Canal horizontal (canal X/1, canal Y/2) o base de tiempos Controles de disparo Tektronics, TDS 220 3

Tema 2. Osciloscopio: esquema de bloques El osciloscopio presenta una gran cantidad de conceptos: gran variedad de osciloscopios existentes en el mercado Todos los osciloscopios poseen unos circuitos básicos comunes A. Nucleo central del osciloscopio: TRC (convierte la señal en imagen) Tubo de vidrio al vacío: genera electrones dirigidos hacia la pantalla fosforescente Osciloscopios digitales recientes no emplean TRC sino que utilizan paneles de cristal líquido, pero no permiten observar las señales en tiempo real B. Sistemas de deflexión vertical y horizontal: : posicionan el haz en el punto adecuado Esquema de bloques general de un osciloscopio 4 R. Pallás. 1987

Tema 2. Osciloscopio: esquema de bloques Todos los osciloscopios poseen unos circuitos básicos comunes A. TRC (convierte la señal en imagen) 1. Generación y Enfoque 2. Placas de deflexión 3. Sistema de post-aceleración 4. Pantalla B. Sistemas de deflexión vertical 1. Selector de entrada 2. Atenuador 3. Amplificador C. Sistema de deflexión horizontal: 1. Generador de barrido Señal de barrido horizontal Impulso de borrador 2. Sincronismo Circuito de disparo 5

Tubo de rayos catódicos (TRC) 1. Sistema de generación del haz de electrones: generación y enfoque El cátodo es termoiónico : es el emisor de electrones: e - La rejilla de control: es un cilindro que rodea al cátodo (más negativo que e él) Pequeña abertura en el eje del tubo Su tensión controla la emisión de electrones: (botón de intensidad). Los ánodos aceleradores: haz de e - A1 y A3: tensión elevada + - aceleran los e - hacia la pantalla - abertura alineada con la de la rejilla: A2: ánodo de enfoque concentrar el haz mediante la aplicación de una tensión positiva Generación Intensidad Enfoque Foco y astigmatismo DEFLEXION Posición XY alineación 2. Placas de deflexión : Placas de deflexión horizontal: verticales (movimiento horizontal) Placas de deflexión vertical Tubo de rayos catódicos 6 Pantalla fluorescente

Sistema de deflexión electrostática V A : tensión de aceleración (ánodo-cátodo) en dirección z (trayectoria) 0< z < l d : Placas de deflexión vertical: : aplican una tensión de deflexión V D (dirección y): E perpendicular a la trayectoria del haz de electrones trayectoria parabólica VD 2 y z Placas de deflexión vertical 4dV A z > l d : trayectoria es rectilinea,, pendiente: dy VD Ld tan dz 2 d V z ld La deflexión D en la pantalla: VD Ld D L tan L proporcional a la V D 2 d V A Factor de Deflexión : tensión para mover el haz una división de pantalla. VD 2dVA FD D L Ld Placas de deflexión vertical (voltaje en canal Y): se sitúan alejadas de la pantalla para aplicar valores de V D menores (gran ángulo de deflexión) Placas de deflexión horizontal (base de tiempos: canal X): señales de barrido conocidas A d y L d + V D /2 -V D /2 7 l d L Pantalla D R. Pallás. 1987 z

Tubo de rayos catódicos (TRC) 3. Sistema de post-aceleración: Para obtener un brillo en la pantalla adecuado a frecuencias de deflexión altas el haz debe tener una energía elevada. Sin embargo, en el sistema de deflexión habría dificultades para a desviar un haz que ha sido acelerado mediante los ánodos A1 y A3 y es demasiado energético Solución: se acelera mediante el ánodo de post-aceleración el haz entre las placas de deflexión y la pantalla. Para lograrlo, se aplica una tensión positiva (hasta de 20 kv) ) a la pantalla con respecto al ánodo. La desventaja de este sistema es que el haz se desvía hacia el centro de la pantalla, para evitarlo se utiliza una malla polarizada a una tensión que el ánodo post- acelerador. Generación Intensidad Enfoque Foco y astigmatismo Tubo de rayos catódicos DEFLEXION Posición XY alineación Pantalla fluorescente 8

Tubo de rayos catódicos (TRC) 4. Pantalla y retículas La pantalla está recubierta interiormente de fósforo : la energía de los electrones se convierte en emisión de luz en el punto donde incide el haz incluso después de cesar la incidencia. El tipo se fósforo (P 31), factores: Persistencia Color: verde Resistencia al quemado Luminancia Velocidad de escritura permitida Divisiones menores En el lado interno del fósforo: Aluminio ( trasparente a los electrones) Evita la acumulación de carga: menos brillo Reducir la dispersión de la luz Disipar el calor (quemado de la pantalla) Tektronics, TDS 220 Divisiones principales La retícula: divisiones horizontales y verticales que facilitan el análisis de la señal mediante la calibración de la deflexión del haz. La retícula puede ser externa al tubo o interna, en este último caso el fósforo y la retícula se depositan en el mismo plano. 9

Sistemas de deflexión horizontal y vertical Sistema de deflexión vertical Reproducir la señal de entrada sin alterar su amplitud ni su frecuencia: diseñado para reproducir sin distorsión los pulsos rápidos (óptima respuesta temporal). La estructura del sistema de deflexión vertical consta de los siguientes s bloques: Un selector de entrada Un atenuador variable Un pre-amplificador Un amplificador de deflexión Una etapa de amplificación final con salida diferencial. Estudio más detallado Señal de entrada Selector Atenuador variable Posicionamiento vertical Preamplificador Amplificador de deflexión TRC R. Pallás. 1987 Queremos que el desplazamiento vertical del haz del TRC siga a la señal de entrada 10

Sistema de deflexión vertical (Voltaje) Selector de entrada: : Su esquema eléctrico es el que se muestra : Señal de entrada AC Al atenuador GND DC R. Pallás. 1987 En la posición AC se bloquea el paso a la corriente continua (tiene un condensador) y de este modo medir señales alternas superpuestas a niveles de tensión continua altos (transitorios en señales TTL, rizado en fuentes de alimentación...)...). En la posición GND la señal de entrada queda desconectada y se conecta la entrada del osciloscopio a 0V. En la posición DC se conecta directamente la señal de entrada al atenuador 11

Sistema de deflexión vertical (Voltaje) Atenuador Variable: : Idéntico al estudiado en los multímetros adapta el rango de la señal de entrada al tamaño de la pantalla Siempre hay un error en la atenuación: : ± 3 % de la medida La atenuación máxima (A)( ) suele ser del orden de 500 : 1 (con secuencia de 1-2-5-101 10-20-50-100-200-500) El cambio en la atenuación se realiza mediante el conmutador VOLT/DIV situado en el panel frontal El amplificador de deflexión: Consta de varias etapas con ganancia fija, con lo que se minimizan los problemas de estabilidad Ejemplo de ganancia del amplificador G=2000 Cuidado!! es posieble que haya un boton que permita: ganancia y atenuación variables (no fijas como marca el conmutador en calibrado) Normalmente, es posible invertir la señal del canal vertical 2 o canal Y Tektronics, TDS 220 12

Sistema de deflexión vertical: : canales múltiples Canales múltiples: Se pueden hacer comparaciones entre dos señales, medidas de tiempos relativos, etc Señal A (t), señal B (t), señal A (t) + B (t), señal A (t) -B(t), A(t) y B(t), también X-YX Dos sistemas de preamplificación y atenuación, pero ambos canales comparten el mismo sistema de deflexión vertical: Modo alternate (ALT): los dos canales lo usan de forma alternativa tiva (frecuencias altas) Modo chopper/troceado: se traza sucesivamente un fragmento de cada canal a lo largo de un barrido (debe suprimirse el haz al pasar de un canal al otro) (frecuencias bajas). Paso automático de un modo al otro cuando dependiendo del tiempo o de barrido Señal de entrada A CANAL 1/X Selector Señal de entrada B Atenuador variable PreamplificadorAmplificador de deflexión TRC CANAL 2/Y Selector Atenuador variable Preamplificador Amplificador de deflexión 13 R. Pallás. 1987

Sistemas de deflexión horizontal Para visualizar la forma de onda de la señal de entrada escala/base de tiempos o barrido horizontal en el eje X: crear una El haz/trazo de la señal se desplaza de izquierda a derecha (con velocidad constante ): sistema de deflexión horizontal Las placas deflectoras horizontales aplican una tensión: diente de sierra Diente de sierra ideal Señal de barrido horizontal Derecha de la pantalla Izquierda de la pantalla Tiempo de barrido La amplitud del diente de sierra haz recorra horizontalmente la pantalla Retorna rápidamente a su valor inicial para que el haz vuelva a su punto de origen en la parte izquierda de la pantalla Circuito generador de dicha señal: generador de barrido= = generador de la base de tiempos 14

Sistemas de deflexión horizontal Sin embargo, en la práctica: la pendiente de bajada infinita (puesto que el diente de sierra se genera con un circuito que carga y descarga un condensador) Diente de sierra real Señal de barrido horizontal Impulsos de borrado Durante el tiempo de retorno se debe anular el haz para evitar su visualización en la pantalla Impulso de borrado: de una amplitud adecuada y duración igual al intervalo descendente del diente de sierra (potencial negativo a la rejilla que anula el haz) Tanto la señal de barrido como el impulso de borrado son generados por el generador de barrido Generador de barrido o base de tiempos del osciloscopio Generador de barrido Impulsos de borrado Señal de barrido 15

Sistemas de deflexión horizontal De este modo, el sistema de deflexión horizontal = sistema de deflexión d vertical + generador de barrido TRC Diagrama de bloques completo del osciloscopio Canal de entrada (Y) Amplificador vertical Circuito control INT y FOCO Impulso de borrado Circuito de disparo Entrada de disparo externo Generador de barrido Amplificador horizontal Señal de barrido Canal de entrada (X) 16

Visualización del osciloscopio La aplicación simultánea: De la salida del generador de barrido al amplificador horizontal De la señal a visualizar del amplificador vertical Problema: Si la señal de barrido y la señal a visualizar tienen frecuencias las imágenes que aparecen en pantalla en barridos sucesivos: imagen de t 1 imagen de t 2 visualización en la pantalla de la señal durante el tiempo de subida del diente de sierra Señal a visualizar barrido horizontal Debido a la persistencia de la imagen : mezcla de imágenes en pantalla Solución: sincronismo Uso de un circuito de disparo Impulsos de borrado Imagen en la pantalla t 1 t 2 17

Circuito de diparo: Sincronismo: circuito de disparo La señal a visualizar se convierte en una onda cuadrada circuito comparador En los flancos de subida o de bajada se genera un impulso de sincronismo que actúa sobre el generador de barrido. Los pulsos de sincronismo pueden generarse mediante un circuito diferenciador, de modo que permite eliminar los impulsos producidos en los flancos de bajada o de salida. Tanto la conversión a la onda cuadrada como la generación de los impulsos de sincronismo forma parte de circuito de disparo: un único bloque. Generación de impulsos de sincronismo en los flancos de subida y de bajada Señal a visualizar Onda cuadrada Impulsos de sincronismo 18 Generador de barrido

Sistemas de deflexión horizontal Deflexión horizontal: circuito de disparo + generador de barrido Señal a visualizar Circuito de disparo Impulsos de sincronismo Circuito de disparo + generador de barrido : Un determinado impulso de sincronismo produce el comienzo del diente de sierra Sincronismo de flanco de subida o bajada se elije en el mando: SLOPE La parte descendente del diente de sierra: comienza el impulso de borrado que se mantiene hasta nuevo impulso de sincronismo Finalizado el diente de sierra, la salida del generador de barrido permanece a nivel constante (espera) hasta que aparece un nuevo impulso de sincronismo Generador de barrido Señal a visualizar Impulsos de sincronismo Señal de barrido Impulsos de borrado Impulso de borrado Señal de barrido No considera este pulso de sincronismo Espera al siguiente sincronismo Se logra de esta forma que en la pantalla permanezca una imagen fija Imagen en pantalla 19

Circuito de disparo La onda cuadrada obtenida de la señal de entrada cambia de estado cuando ésta última pasa por el nivel cero se produce el impulso de sincronismo Para variar el punto de la señal de entrada en el que se inicia su visualización: controles del circuito de disparo: Control de NIVEL = TRIGGER LEVEL: permite variar el valor mínimo que debe alcanzar la señal de entrada para que se produzca el cambio de estado de la onda cuadrada Un conmutador de PENDIENTE: SLOPE selecciona si los impulsos de sincronismo se producen en la pendiente de bajada o de subida de la onda cuadrada Visualización de señal senoidal: a) disparo con nivel 1 y pendiente positiva b) disparo con nivel 2 y pendiente negativa El "modo" de disparo se refiere a la repetición de los barridos: Modo NORMAL: : no hay barrido hasta que se alcanza el NIVEL. Modo automático (AUTOTRIGGER),( si en un tiempo fijo no se producide un nuevo disparo se inician ligeramente barridos sucesivos : trazo visible en la pantalla tanto si hay como si no señal vertical. Modo de disparo SINGLE,, sólo acepta un único nuevo disparo hasta RESET 20

Circuito de disparo Circuito de diparo: : conmutador C1 Interés de que el generador de barrido se sincronice con la señal a visualizar: Modo de DISPARO INTERNO El selector de disparo: Si la señal no es simétrica, puede interesar el disparo con uno u otro flanco. Conviene que el nivel de disparo en el punto de máxima m pendiente En otras ocasiones: la entrada del conmutador C1 permite seleccionar el disparo entre las siguientes señales Por ejemplo, la señal procedente del amplificador vertical Una señal externa que se aplica a un conector situado en la parte frontal del osciloscopio: DISPARO EXTERNO,, independientemente de la señal interna Una tensión senoidal de la frecuencia de red (50 Hz) En ausencia de señal de sincronismo en la pantalla no se observa a el haz. Pero resta misma situación se produce en el caso de que el circuito de disparo no actúe correctamente Posibilidades de representación: Evolución de la señal o dos señales en el tiempo Representar la relación entre las amplitudes de dos señales: Una de las señales se aplica al amplificador vertical La otra se aplica directamente al amplificador horizontal en lugar del diente de sierra procedente del generador de barrido: El osciloscopio en X-YX 21

Osciloscopios de memoria analógica se presenta una señal aún después de haber ocurrido, independientemente del fósforo Emplean TRC especiales Presentación de señales lentas, captura y presentación de señales es rápidas no repetitivas, comparación de dos señales no simultáneas Osciloscopios de tiempo real digital: : conversión A/D de alguna señal: memorizan digitalmente la forma de onda completa. Ventajas: Osciloscopios especiales Presentación: permiten ver la señal anterior y posterior al disparo, ampliar una zona determinada o realizar un barrido a velocidad lenta Tienen mayor resolución. Con memoria analógica se logran 0.3 mm sobre 8 cm y únicamente bastan 9 bits para superar esta resolución Transmisión de la información digitalizada Inconvenientes: Menor ancho de banda que los osciloscopios analógicos El número de muestras es fijo al venir determinado por el tamaño o de la memoria La frecuencia de muestreo (para evitar el aliasing) ) debe cambiarse al variar la posición de la base de tiempos El ancho de banda no es constante como en un osciloscopio analógico, sino que viene determinado por la amplitud de la señal determinado por la amplitud de la señal 22

Sondas para osciloscopio Hasta ahora hemos supuesto que el osciloscopio no modifica la señal conectada a medir. El instrumento de medida real tiene unas prestaciones limitadas determinadas por sus características Resistencia R e en paralelo con un condensador C e : Impedancia Z i que varía con la frecuencia Z e = Impedancia de entrada Ancho de banda del osciloscopio Situaciones en las que las medidas son imposibles o incorrectas: Si la f señal > f atenuación del ancho de banda: no se visualizan correctamente Z i = depende de la frecuencia de la señal a visualizar Los cables de entrada del osciloscopio, captan señales parásitas, espúreas o ruido: imagen borrosa SOLUCION: Sondas de osciloscopio 23

Sondas para osciloscopio Sondas de tensión no atenuadoras: PUNTA DE PRUEBA Un punzón fino de metal conectado al osciloscopio mediante un cable c aislado El extremo de la sonda cubierto por un mango aislante o provisto o de unas pinzas Esta sonda se llama sonda de prueba directa Si se añade un blindaje a la sonda de prueba directa (cable coaxial) se eliminan los ruidos: sonda no atenuadora Sonda de tensión no atenuadora Medida con sonda no atenuadora: V s =V e Medidas correctas: Si Zi >> Rs Vg=Vs Vs y por tanto Vs=Ve Ve Señales de baja frecuencia, audiofrecuencia, (Zi( grande) Circuitos de baja impedancia de salida (Rs( pequeña) Medidas incorrectas: Si Zi < Rs: : entonces Vg Vs Frecuencias elevadas: Ve/Vg Vg depende de la frecuencia con Zi 24 V e V g Zi R Z s i

Sondas para osciloscopio Sondas de tensión atenuadoras: Vs Ve Esta sonda resuelve el problema de carga que el osciloscopio real r ejerce sobre el cirucito en el que se efectúa la medida Aumentar la impedancia de entrada (Z( i ) del oscoloscopio añadiendo componentes pasivos externos: : atenuadores RC entre el punzón y el cable de la sonda no atenuadora Ve 1 VS a a atenuación Medida con sonda atenuadora: divisor de tensión resistivo y capacitivo Suponemos Zi es puramente resistiva= Re. Se conecta en serie con ella una R=9 Re. La impedancia de entrada es 10 veces mayor y Ve/Vs no depende de la frecuencia Suponemos que Zi es puramente capacitiva Zi=Ce. Se conecta en serie con ella una capacidad C que cumple que C=Ce/9. Entonces la capacidad total es diez veces menor que la del osciloscopio y la relación Ve/Vs no depende de la frecuencia Se puede realizar la conexión de las resistencia R y la capacidad C, y obtener un divisor de tensión resistivo y capacitivo: 25

Circuito de disparo y Generador de barrido El generador de barrido: conmutador C2 Lo normal es estar conectado a la salida del circuito de disparo: Con respecto a un NIVEL constante (de dc) ) que es el que selecciona el punto de inicio del barrido: comienza el diente de sierra de barrido El control de NIVEL de disparo selecciona el punto de inicio del l barrido. El "modo" de disparo se refiere a la repetición de los barridos: En modo NORMAL: no hay barrido hasta que se alcanza el NIVEL. En este caso no se sabe en la pantalla si es que no hay una señal vertical o si es que ésta no alcanza el nivel de disparo. En modo automático (AUTOTRIGGER), si al cabo de un tiempo fijo no se ha producido un nuevo disparo se inician ligeramente barridos sucesivos, y cuando aparece una nueva señal de disparo se acaba el barrido en curso y se vuelve a esperar el tiempo que corresponda. Este modo permite obtener un trazo visible en la pantalla tanto si hay como si no señal vertical. En modo de disparo SINGLE, después de un barrido no son aceptados nuevos impulsos de disparo hasta que se haya pulsado un control RESET, después de esto acepta un único nuevo disparo. 26

Figuras cortesía de R. Pallás,, Instrumentación Electrónica. Marcombo,, 1987 E. Mandado, P. Mariño y A. Lago, Instrumentación Electrónica. Marcombo.. 1995. Manual del osciloscopio digital Tecktronix TDS 220. www.tektronix.com. 27