El osciloscopio es básicamente un dispositivo
de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el
tiempo. El eje vertical, a partir de ahora denominado Y, representa el voltaje;
mientras que el eje horizontal, denominado X, representa el tiempo.
¿Qué podemos hacer con un
osciloscopio?
Básicamente esto:
-
Determinar directamente el periodo 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 la fase entre dos señales.
-
Determinar que parte de la señal es ruido y como varia
este en el tiempo.
Los osciloscopios son de los instrumentos más
versátiles que existen y lo utilizan desde técnicos de reparación de
televisores a médicos.
Un osciloscopio puede medir un gran número de
fenómenos, provisto del transductor adecuado (un elemento que convierte una
magnitud física en señal eléctrica) será capaz de darnos el valor de una
presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un coche,
etc.
¿Qué tipos de osciloscopios
existen?
Los equipos electrónicos se dividen en dos
tipos: Analógicos y Digitales. Los primeros trabajan con
variables continuas mientras que los segundos lo hacen con variables discretas.
Por ejemplo un tocadiscos es un equipo analógico
y un Compact Disc es un equipo digital.
Los Osciloscopios también pueden ser analógicos
ó digitales. Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada, está
una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical
proporcionalmente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan
previamente un conversor analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la
señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la
pantalla.
Ambos tipos tienen sus ventajas e
inconvenientes. 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).
¿Qué controles posee un
osciloscopio típico?
A primera vista un osciloscopio se parece a
una pequeña televisión portátil, salvo una rejilla que ocupa la pantalla y el
mayor número de controles que posee.
En la siguiente figura se representan estos
controles distribuidos en cinco secciones:
¿Como funciona un osciloscopio?
Para entender el funcionamiento de los
controles que posee un osciloscopio es necesario detenerse un poco en los
procesos internos llevados a cabo por este aparato. Empezaremos por el tipo analógico
ya que es el más sencillo.
Osciloscopios analógicos:
Cuando se conecta la sonda a un circuito, la
señal atraviesa esta última y se dirige a la sección vertical. Dependiendo de
donde situemos el mando del amplificador vertical atenuaremos la señal ó la
amplificaremos. En la salida de este bloque ya se dispone de la suficiente señal
para atacar las placas de deflexión verticales (que naturalmente están en
posición horizontal) y que son las encargadas de desviar el haz de electrones,
que surge del cátodo e impacta en la capa fluorescente del interior de la
pantalla, en sentido vertical.
Hacia arriba si la tensión es positiva con
respecto al punto de referencia (GND) ó hacia abajo si es negativa.
La señal también atraviesa la sección de
disparo para de esta forma iniciar el barrido horizontal (este es el encargado
de mover el haz de electrones desde la parte izquierda de la pantalla a la parte
derecha en un determinado tiempo). El trazado (recorrido de izquierda a derecha)
se consigue aplicando la parte ascendente de un diente de sierra a las placas de
deflexión horizontal (las que están en posición vertical), y puede ser
regulable en tiempo actuando sobre el mando TIME-BASE. El retrazado (recorrido
de derecha a izquierda) se realiza de forma mucho más rápida con la parte
descendente del mismo diente de sierra.
De esta forma la acción combinada del trazado
horizontal y de la deflexión vertical traza la gráfica de la señal en la
pantalla. La sección de disparo es necesaria para estabilizar las señales
repetitivas (se asegura que el trazado comienze en el mismo punto de la señal
repetitiva).
En la siguiente figura puede observarse la
misma señal en tres ajustes de disparo diferentes: en el primero disparada en
flanco ascendente, en el segundo sin disparo y en el tercero disparada en flanco
descendente.
Como conclusión para utilizar de forma
correcta un osciloscopio analógico necesitamos realizar tres ajuste básicos:
-
La atenuación ó amplificación que necesita la señal.
Utilizar el mando AMPL. para ajustar la amplitud de la señal antes de que
sea aplicada a las placas de deflexión vertical. Conviene que la señal
ocupe una parte importante de la pantalla sin llegar a sobrepasar los límites.
-
La base de tiempos. Utilizar el mando TIMEBASE para ajustar
lo que representa en tiempo una división en horizontal de la pantalla. Para
señales repetitivas es conveniente que en la pantalla se puedan observar
aproximadamente un par de ciclos.
-
Disparo de la señal. Utilizar los mandos TRIGGER LEVEL
(nivel de disparo) y TRIGGER SELECTOR (tipo de disparo) para estabilizar lo
mejor posible señales repetitivas.
Por supuesto, también deben ajustarse los
controles que afectan a la visualización: FOCUS (enfoque), INTENS. (intensidad)
nunca excesiva, Y-POS (posición vertical del haz) y X-POS (posición horizontal
del haz).
Osciloscopios digitales:
Los osciloscopios digitales poseen además de las
secciones explicadas anteriormente un sistema adicional de proceso de datos que
permite almacenar y visualizar.
Cuando se conecta la sonda de un osciloscopio
digital a un circuito, la sección vertical ajusta la amplitud de la señal de
la misma forma que lo hacia el osciloscopio analógico.
El conversor analógico-digital del sistema de
adquisición de datos muestrea la señal a intervalos de tiempo determinados y
convierte la señal de voltaje continua en una serie de valores digitales
llamados muestras. En la sección horizontal una señal de reloj
determina cuando el conversor A/D toma una muestra. La velocidad de este reloj
se denomina velocidad de muestreo y se mide en muestras por segundo.
Los valores digitales muestreados se almacenan
en una memoria como puntos de señal. El número de los puntos de señal
utilizados para reconstruir la señal en pantalla se denomina registro. La sección
de disparo determina el comienzo y el final de los puntos de señal en el
registro. La sección de visualización recibe estos puntos del registro, una
vez almacenados en la memoria, para presentar en pantalla la señal.
Dependiendo de las capacidades del
osciloscopio se pueden tener procesos adicionales sobre los puntos muestreados,
incluso se puede disponer de un predisparo, para observar procesos que tengan
lugar antes del disparo.
Fundamentalmente, un osciloscopio digital se
maneja de una forma similar a uno analógico, para poder tomar las medidas se
necesita ajustar el mando AMPL.,el mando TIMEBASE así como los mandos que
intervienen en el disparo.
Métodos de muestreo
Se trata de explicar como se las arreglan los
osciloscopios digitales para reunir los puntos de muestreo. Para señales de
lenta variación, los osciloscopios digitales pueden perfectamente reunir más
puntos de los necesarios para reconstruir posteriormente la señal en la
pantalla. No obstante, para señales rápidas (como de rápidas dependerá de la
máxima velocidad de muestreo de nuestro aparato) el osciloscopio no puede
recoger muestras suficientes y debe recurrir a una de estas dos técnicas:
-
Interpolación, es decir, estimar
un punto intermedio de la señal basándose en el punto anterior y posterior.
-
Muestreo en tiempo equivalente.
Si la señal es repetitiva es posible muestrear durante unos cuantos ciclos en
diferentes partes de la señal para después reconstruir la señal completa.
Muestreo en tiempo real
con interpolación
El método standard de muestreo en los
osciloscopios digitales es el muestreo en tiempo real: el osciloscopio reúne los
suficientes puntos como para reconstruir la señal. Para señales no repetitivas
ó la parte transitoria de una señal es el único método válido de muestreo.
Los osciloscopios utilizan la interpolación
para poder visualizar señales que son más rápidas que su velocidad de
muestreo. Existen básicamente dos tipos de interpolación:
Lineal: Simplemente
conecta los puntos muestreados con líneas.
Senoidal: Conecta los puntos muestreados con curvas según un proceso
matemático, de esta forma los puntos intermedios se calculan para rellenar los
espacios entre puntos reales de muestreo.
Usando este proceso es posible visualizar señales
con gran precisión disponiendo de relativamente pocos puntos de muestreo.
Muestreo en tiempo
equivalente
Algunos osciloscopios digitales utilizan este
tipo de muestreo. Se trata de reconstruir una señal repetitiva capturando una
pequeña parte de la señal en cada ciclo. Existen dos tipos básicos: Muestreo
secuencial- Los puntos aparecen de izquierda a derecha en secuencia para
conformar la señal. Muestreo aleatorio- Los puntos aparecen aleatoriamente para
formar la señal
Terminología
Estudiar sobre un
tema implica conocer nuevos términos técnicos. Ahora he pensado que debo
explicar los términos más utilizados en relación al estudio de los
osciloscopios.
Términos utilizados al
medir
Existe un término general para describir un
patrón que se repite en el tiempo: onda. Existen ondas de sonido, ondas
oceánicas, ondas cerebrales y por supuesto, ondas de tensión. Un osciloscopio
mide estas últimas. Un ciclo es la mínima parte de la onda que se
repite en el tiempo. Una forma de onda es la representación gráfica de
una onda. Una forma de onda de tensión siempre se presentará con el tiempo en
el eje horizontal (X) y la amplitud en el eje vertical (Y).
La forma de onda nos proporciona una valiosa
información sobre la señal. En cualquier momento podemos visualizar la altura
que alcanza y, por lo tanto, saber si el voltaje ha cambiado en el tiempo (si
observamos, por ejemplo, una línea horizontal podremos concluir que en ese
intervalo de tiempo la señal es constante). Con la pendiente de las líneas
diagonales, tanto en flanco de subida como en flanco de bajada, podremos conocer
la velocidad en el paso de un nivel a otro, pueden observarse también cambios
repentinos de la señal (ángulos muy agudos) generalmente debidos a procesos
transitorios.
Tipos de ondas
Se pueden clasificar las ondas en los cuatro
tipos siguientes:
-
Ondas senoidales
-
Ondas cuadradas y rectangulares
-
Ondas triangulares y en diente de sierra.
-
Pulsos y flancos ó escalones.
Ondas senoidales
Son las ondas fundamentales y eso por varias
razones: Poseen unas propiedades matemáticas muy interesantes (por ejemplo con
combinaciones de señales senoidales de diferente amplitud y frecuencia se puede
reconstruir cualquier forma de onda), la señal que se obtiene de las tomas de
corriente de cualquier casa tienen esta forma, las señales de test producidas
por los circuitos osciladores de un generador de señal son también senoidales,
la mayoría de las fuentes de potencia en AC (corriente alterna) producen señales
senoidales.
La señal senoidal amortiguada es un caso
especial de este tipo de ondas y se producen en fenómenos de oscilación, pero
que no se mantienen en el tiempo.
Ondas cuadradas y
rectangulares
Las ondas cuadradas son básicamente ondas que
pasan de un estado a otro de tensión, a intervalos regulares, en un tiempo muy
reducido. Son utilizadas usualmente para probar amplificadores (esto es debido a
que este tipo de señales contienen en si mismas todas las frecuencias). La
televisión, la radio y los ordenadores utilizan mucho este tipo de señales,
fundamentalmente como relojes y temporizadores.
Las ondas rectangulares se diferencian de las
cuadradas en no tener iguales los intervalos en los que la tensión permanece a
nivel alto y bajo. Son particularmente importantes para analizar circuitos
digitales.
Ondas triangulares y en
diente de sierra
Se producen en circuitos diseñados para
controlar voltajes linealmente, como pueden ser, por ejemplo, el barrido
horizontal de un osciloscopio analógico ó el barrido tanto horizontal como
vertical de una televisión. Las transiciones entre el nivel mínimo y máximo
de la señal cambian a un ritmo constante. Estas transiciones se denominan rampas.
La onda en diente de sierra es un caso
especial de señal triangular con una rampa descendente de mucha más pendiente
que la rampa ascendente.
Pulsos y flancos o
escalones
Señales, como los flancos y los pulsos, que
solo se presentan una sola vez, se denominan señales transitorias. Un
flanco ó escalón indica un cambio repentino en el voltaje, por ejemplo cuando
se conecta un interruptor de alimentación. El pulso indicaria, en este mismo
ejemplo, que se ha conectado el interruptor y en un determinado tiempo se ha
desconectado. Generalmente el pulso representa un bit de información
atravesando un circuito de un ordenador digital ó también un pequeño defecto
en un circuito (por ejemplo un falso contacto momentáneo). Es común encontrar
señales de este tipo en ordenadores, equipos de rayos X y de comunicaciones.
Medidas en las formas de
onda
En esta sección describimos las medidas más
corrientes para describir una forma de onda.
Periodo y frecuencia
Si una señal se repite en el tiempo, posee
una frecuencia (f). La frecuencia se mide en Hertz (Hz) y es igual al numero de
veces que la señal se repite en un segundo, es decir, 1Hz equivale a 1 ciclo
por segundo.
Una señal repetitiva también posee otro
paramentro: el periodo, definiéndose como el tiempo que tarda la señal en
completar un ciclo.
Peridodo y frecuencia son reciprocos el uno
del otro:
Tensión
La tensión es la diferencia de potencial eléctrico
entre dos puntos de un circuito. Normalmente uno de esos puntos suele ser masa
(GND, 0v), pero no siempre, por ejemplo se puede medir el voltaje pico a pico de
una señal (Vpp) como la diferencia entre el valor máximo y mínimo
de esta. La palabra amplitud significa generalmente la diferencia entre
el valor máximo de una señal y masa.
Fase
La fase se puede explicar mucho mejor si
consideramos la forma de onda senoidal. La onda senoidal se puede extraer de la
circulación de un punto sobre un circulo de 360º. Un ciclo de la señal
senoidal abarca los 360º.
Cuando se comparan dos señales senoidales de la misma frecuencia puede ocurrir
que ambas no esten en fase,o sea, que no coincidan en el tiempo los pasos por
puntos equivalentes de ambas señales. En este caso se dice que ambas señales
estan desfasadas, pudiendose medir el desfase con una simple regla de tres.
¿Qué parámetros
influyen en la calidad de un osciloscopio?
Los términos definidos en esta sección nos
permitirán comparar diferentes modelos de osciloscopio disponibles en el
mercado.
Ancho de banda
Especifica el rango de frecuencias en las que
el osciloscopio puede medir con precisión. Por convenio el ancho de banda se
calcula desde 0Hz (continua) hasta la frecuencia a la cual una señal de tipo
senoidal se visualiza a un 70.7% del valor aplicado a la entrada (lo que
corresponde a una atenuación de 3dB).
Tiempo de subida
Es otro de los parámetros que nos dará,
junto con el anterior, la máxima frecuencia de utilización del osciloscopio.
Es un parámetro muy importante si se desea medir con fiabilidad pulsos y
flancos (recordar que este tipo de señales poseen transiciones entre niveles de
tensión muy rápidas). Un osciloscopio no puede visualizar pulsos con tiempos
de subida más rápidos que el suyo propio.
Sensibilidad vertical
Indica la facilidad del osciloscopio para
amplificar señales débiles. Se suele proporcionar en mV por división
vertical, normalmente es del orden de 5 mV/div (llegando hasta 2 mV/div).
Velocidad
Para osciloscopios analógicos esta
especificación indica la velocidad maxima del barrido horizontal, lo que nos
permitirá observar sucesos más rápidos. Suele ser del orden de nanosegundos
por división horizontal.
Exactitud en la ganancia
Indica la precisión con la cual el sistema
vertical del osciloscopio amplifica ó atenua la señal. Se proporciona
normalmente en porcentaje máximo de error.
Exactitud de la base de
tiempos
Indica la precisión en la base de tiempos del
sistema horizontal del osciloscopio para visualizar el tiempo. También se suele
dar en porcentaje de error máximo.
Velocidad de muestreo
En los osciloscopios digitales indica cuantas
muestras por segundo es capaz de tomar el sistema de adquisición de datos
(especificamente el conversor A/D). En los osciloscopios de calidad se llega a
velocidades de muestreo de Megamuestras/sg. Una velocidad de muestreo grande es
importante para poder visualizar pequeños periodos de tiempo. En el otro
extremo de la escala, también se necesita velocidades de muestreo bajas para
poder observar señales de variación lenta. Generalmente la velocidad de
muestreo cambia al actuar sobre el mando TIMEBASE para mantener constante el número
de puntos que se almacenaran para representar la forma de onda.
Resolución vertical
Se mide en bits y es un parámetro que nos da
la resolución del conversor A/D del osciloscopio digital. Nos indica con que
precisión se convierten las señales de entrada en valores digitales
almacenados en la memoria. Técnicas de cálculo pueden aumentar la resolución
efectiva del osciloscopio.
Longitud del registro
Indica cuantos puntos se memorizan en un
registro para la reconstrucción de la forma de onda. Algunos osciloscopios
permiten variar, dentro de ciertos límites, este parámetro. La máxima
longitud del registro depende del tamaño de la memoria de que disponga el
osciloscopio. Una longitud del registro grande permite realizar zooms sobre
detalles en la forma de onda de forma muy rápida (los datos ya han sido
almacenados), sin embargo esta ventaja es a costa de consumir más tiempo en
muestrear la señal completa. |
