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EL OSCILOSCOPIO CAPITULO 8. JOSEPH J. CARR

Jorge Salgado Sagredo [email protected] Fofic: 220 3513

OBJETIVOS 1. Comprender los principios de operación de los osciloscopios de tubos de rayos catódicos. 2. Conocer los diferentes tipos de osciloscopios. 3. Aprender a usar el osciloscopio 4. Aprender a interpretar las formas de ondas en los osciloscopios. .

EL OSCILOSCOPIO DE TUBO DE RAYOS CATÓDICOS • El Osciloscopio de rayos catódico (también llamado ORC, oscilógrafo, osciloscopio) ha sido considerado el instrumento más importante en ingeniería electrónica. • Se usa para medir voltaje (ac y dc), tiempos, desfases, frecuencia y para observar la forma de la onda de la señal de entrada. • El Osciloscopio es una pantalla de televisión, que produce una imagen de la forma de la señal de entrada, sobre una pantalla de fósforo emisora de luz. • El corazón del Osciloscopio es un tubo al vacío, llamado Tubo de Rayos del Cátodo TRC ó (CTR).

EL TUBO DE RAYOS

Fig. 8-1 (a). Vista general de un tubo de rayos catódicos

OPERACION La operación de un osciloscopio depende del tubo de rayos, el cual emite electrones desde el cátodo, tubo que se muestra en fig.8-1 (a) Los principales componentes del tubo de rayos catódicos (TRC) son: • El tubo o cañón electrónico donde se forma el haz electrónico. • El electrodo de control (grilla 1) • El electrodo de enfoque (ánodo 1) • El electrodo de aceleración (ánodo 2; alta tensión) • Las placas deflectoras horizontales • Las placas deflectoras verticales • Pantalla fluorescente recubierta de fósforo

Algunos modelos de TRC también tienen un electrodo de aceleración post-deflexión (a veces llamado segundo ánodo de aceleración). • El cañón electrónico es un cátodo calentado, que desprende electrones por emisión termoiónica. • El cátodo está rodeado por un cilindro de control (grilla 1) cargado negativamente, que tiene un agujero en un extremo. • Los electrones, de carga negativa, son por lo tanto repelidos por las murallas del cilindro, y saldrán en forma de un haz a través del agujero del cilindro, hacía un electrodo de aceleración, más positivo, ánodo 2. • El efecto del ánodo acelerador es aumentar la velocidad de los electrones, por tanto incrementar sus energías cinéticas. • Cuando los electrones golpean la pantalla de fósforo, éstos devuelven la energía cinética en forma de energía luminosa.

• El diámetro del haz de electrones, emitido desde el cañón electrónico, es muy amplio para aplicaciones prácticas, y por lo tanto se requiere de algún enfoque. • La función de enfoque es cumplida por el primer ánodo, también llamado electrodo de enfoque. En la fig. 8-2 se muestra un diseño de una fuente de poder del TRC. • La fuente de poder de – 1.500 V está conectada a través de un divisor de tensión, que consiste de R1 hasta R3. • El resistor R3 varía el potencial aplicado al electrodo de control (grilla 1, la cual cumple la función de control de intensidad). • El potenciómetro R2 controla el foco, varíando el potencial aplicado al electrodo de enfoque, designado como ánodo N° 1 (grilla 2). • El potencial aplicado al ánodo 2 de alto voltaje (electrodo de aceleración) se mantiene constante.

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Fig. 8-3 (a). Voltajes al segundo ánodo y a las placas deflectoras

En la fig. 8-3 (b) se muestra un electrodo, después de las placas deflectoras, cercano a la pantalla de fósforo, llamado electrodo post-acelerador. • Ese electrodo mejora la linealidad del TRC, es decir, el punto, formado en la pantalla por la llegada de los electrones, permanece igual en una gran área de la pantalla visual. • El potencial del electrodo post-acelerador es usualmente mayor de 1 kV en osciloscopios de bajos costos, de 3 a 7 kV en osciloscopios de mayores precios, y sobre 25 kV en receptores de televisión a color. • Cuando el haz de electrones acelerados golpea la pantalla de fósforo, la energía de los electrones es entregada a la pantalla. Esa energía es absorbida por los electrones de los átomos de fósforo, pero luego es liberada, a medida que esos electrones retornan a sus estados energéticos iniciales.

SISTEMAS DE DEFLEXIÓN • El sistema de deflexión de un osciloscopio mueve el haz electrónico a la izquierda o derecha y hacia arriba o hacia abajo; es decir realiza dos acciones diferentes. Existen dos tipos de sistemas de deflexión: • Magnéticos • Electrostáticos Un sistema magnético no tiene placas internas deflectoras, sino que electro-magnetos externos, que rodean el cuello del TRC de vidrio.

El TRC mostrado en la fig. 8-1 (a) es del tipo electrostático; nótese que las placas deflectoras horizontales y deflectoras verticales, están ubicadas entre el segundo ánodo y la pantalla fluorescente.

Por lo tanto, este tipo de TRC, usa el campo electrostático entre dos placas, para desviar el haz electrónico. Las Fig. 8-4 (a) hasta (g) muestran la posición del haz sobre la pantalla, como una función del potencial aplicado a las placas deflectoras. Cuando el potencial en las 4 placas es el mismo, o cero el haz estará centrado en la pantalla , Fig. 8-4 (a).

EXPLICACIÓN DE LA DEFLEXIÓN ELECTRÓNICA

Nomenclatura: VH = Vertical High (Placa deflectora Vertical Superior) VL = Vertical Low (Placa deflectora Vertical Inferior) HL = Horizontal Left (Placa deflectora

) HR = Horizontal Right (Placa (deflectora Horizontal Derecha) Horizontal Izquierda

OSCILOSCOPIO X-Y Un osciloscopio X-Y permite al operador posicionar el haz en cualquier lugar sobre la pantalla del TRC, mediante el control de los potenciales aplicados a las placas deflectoras horizontales y verticales. • Aunque es posible usar las placas deflectoras directamente (en algunos casos se usa), en la mayoría de los osciloscopios se utilizan amplificadores electrónicos para controlar los voltajes de las placas deflectoras. • Estos amplificadores electrónicos permiten desplegar señales de amplitudes muy pequeñas.

(a)

MODO Y-T En la mayoría de los osciloscopios de servicio y de laboratorio se aplica a las placas de deflexión horizontal (barrido horizontal) una señal en función del tiempo (diente de sierra, fig. 8-6 (b)). Este diseño se llama modo Y - T (Y - Time) MODO Y-X • En el modo Y-X se aplican señales de entrada en ambas placas deflectoras (horizontales y verticales); así se forma una trayectoria (Lissajous), que permite discernir la relación entre las dos señales. Tal diagrama se conoce como trayectoria Lissajous (ver fig. 8-6 (c). • Se puede medir frecuencias (audio) con la trayectoria Lissajous. • En el modo Y – X se puede aplicar a las placas deflectoras horizontales la señal interna de barrido (base de tiempo T), o una señal externa (X) distinta de la base de tiempo T.

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Usos de los Osciloscopios: Laboratorios de estudios y servicios Laboratorio de reparación de equipos de radio y de TV Laboratorio de Operadores de TV-cable Estudios de transmisión de TV para analizar señales de color moduladas en fase. • También lo usan los fabricantes de instrumentos médicos. Ej. Cardiógrafo-vectorial, que es un instrumento para desplegar un gráfico de información del funcionamiento del corazón, obtenido desde un electrocardiograma. • • • •

• La razón entre el número de loops a lo largo de los lados vertical y horizontal de la figura, es una relación entre las frecuencias aplicadas a la entrada vertical y a la entrada horizontal (fig. 8-6 (c)). • El osciloscopio Y- X se usa en una gran variedad de aplicaciones, especialmente como pantallas en los terminales de computadores o en aplicaciones científicas y médicas. Las fig. 8-7 y 8-8 muestran 2 aplicaciones del osciloscopio Y - X • En fig. 8-7 se observa como medir la fase relativa entre dos señales de la misma frecuencia, mediante Lissajous. • En la fig. 8-8 se observa como medir la frecuencia de dos señales relacionadas harmónicamente (mismo método).

• Nótese en la fig. 8-7 que todas las diferencias de fase, distintas a 0°, 90°, 180°, 270°, 360° producen figuras elípticas. Usando la fig. 8-7, se puede calcular el ángulo de fase Ø como: Ø = arcsin (a/b)

(8-1)

Hay dos casos especiales en la fig. 8-7: 0° y 90° (recta y círculo). • Cuando ambas placas, verticales y horizontales están conectadas a la misma señal o a señales en fase, la diferencia de fase es 0° ó 360° (el mismo punto); esta diferencia de fase produce una línea recta en la pantalla del TRC. • Cuando ambas placas, verticales y horizontales están conectadas a señales con diferencia de fase de 90° ó 270° se produce un circulo en la pantalla del TRC.

• Si ambas señales son de la misma fase y amplitud, entonces la línea estará en 45° respecto de la línea horizontal. • Pero si las amplitudes de las señales son diferentes, entonces el ángulo de inclinación será: Ø1 = arctan [Ev/Eh] Donde: Ø1 = El ángulo de inclinación en grados Ev = El potencial en las placas verticales Eh = El potencial en las placas horizontales

EJEMPLO 1

Calcular el ángulo de inclinación de la recta sobre la pantalla del osciloscopio, si se aplica una señal ac de 60 Hz a las placas deflectoras, con Ev = 38 V y Eh = 14 V. Solución:

Ø1 = arctan [Ev/Eh] = arctan [38/14] = arctan [2,71] = 69,8 °

La trayectoria de Lissajous de la Fig. 8-8 es la resultante de aplicar señales harmónicamente relacionadas en ambos tipos de placas deflectoras. En la figura mostrada en 8-8, la frecuencia vertical es el doble de la frecuencia horizontal. Nótese que la diferencia de fase determina la forma de la trayectoria de Lissajous, mientras que el número de loops está determinado por la razón de las frecuencias. Las dos frecuencias están relacionadas por: Fv/Fh = Nh/Nv (8-3) Donde: Fv = Frecuencia aplicada a las placas verticales. Fh = Frecuencia aplicada a las placas verticales Nv = Número de loops observados a lo largo del lado vertical Nh = Número de loops observados a lo largo del lado vertical

Ejemplo 2 En la fig. 8-8 (a) la señal vertical es de 1 kHz. Hallar la frecuencia de la señal horizontal. Solución:

Fv/Fh = Nh/Nv Entonces, Fh = [Fv Nv]/Nh Fh = [1 KHz] [1 lazo] / [2 lazos] = 1 KHz/ 2 = 500 Hz

(8-3)

• Esta técnica está limitada por el conocimiento preciso de una de las frecuencias, y debe ser un múltiplo o sub-múltiplo de la incógnita. • En la práctica, una fuente de señal variable y calibrada se ajusta hasta que la trayectoria de Lissajous se estabilice y su pueda “interpretar”; entonces se lee la frecuencia en el dial del generador ajustable, y se realiza el cálculo.

EL OSCILOSCOPIO Y - T Es el instrumento que muchos identifican como el osciloscopio básico del tipo Y-Time (Y - tiempo), que se muestra en la fig. 8-9 (a). • El canal vertical es el mismo que el de un sistema X-Y, donde un amplificador alimenta sus placas deflectoras. • El amplificador horizontal, sin embargo, no está conectado a una fuente externa, sino que a una señal interna dependiente del tiempo; la señal base - tiempo (time-base signal). • El generador de la base-tiempo crea una onda con forma de diente de sierra, o rampa, la cual deflecta horizontalmente el haz electrónico. .

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El potencial de las placas deflectoras horizontales (voltaje diente de sierra) se ajusta a cero, cuando el haz electrónico esté posicionado a la izquierda de la pantalla. • El haz es empujado a la derecha a medida que el voltaje con forma de rampa aumenta. • Si todo está perfectamente ajustado, entonces la rampa alcanzará el máximo justo cuando el haz desaparece en el extremo derecho de la pantalla (Fig. 8-9 (b). • La onda diente de sierra cae rápidamente a cero (cuando la rampa se completa), permitiendo que el haz retorne al lado izquierdo de la pantalla.

En osciloscopios de bajo costo, la base de tiempo se dice que es de carrera libre (free-runnnig), aunque el oscilador de la base de tiempo, está sincronizado con la señal del amplificador del canal vertical. *** • A no ser que la base de tiempo esté bien sincronizada, con la onda a visualizar, ésta se desplegará en la pantalla, pero permanecerá inestable (en movimiento). • La sincronización significa que la señal de base de tiempo barre el largo de la pantalla en un tiempo tal, que es igual a un número entero de períodos de la señal vertical. Si hay sincronismo la onda del canal vertical aparecerá enclavada (fija) sobre la pantalla del TRC. ***

La sección vertical consiste de una combinación de un preamplificador de banda ancha y de un amplificador de potencia, los que controlan las placas deflectoras verticales del TRC. • El amplificador vertical tiene una alta ganancia para pequeñas señales de entrada. • Las grandes señales deben pasar a través de un atenuador. En osciloscopios de bajo costo, lo hacen a través de un control de ganancia vertical. Los osciloscopio de “carrera libre” (free-running) son de bajo costo, pero son relativamente simples de operar.

Barrido sincronizado (gatillado o sincronizado) • Los osciloscopios de carrera libre son de utilidad limitada • El osciloscopio con barrido horizontal gatillado (triggered sweep oscilloscope), es considerado el más versátil y es el modelo estándar en la industria. Los fabricantes como Tektronix, HP y otros ofrecen estos modelos con barrido sincronizado, a precios bajos, y que han reemplazado a los de carrera libre.

La fig. 8-10 muestra el diagrama en bloques del modelo de osciloscopio con barrido activado o disparado. El barrido horizontal se apaga, mientras el haz electrónico del tubo permanece en el lado izquierdo de la pantalla del TRC, hasta que aparece la señal vertical a ser visualizada.

El circuito de disparo consta generalmente de un circuito Schmitttrigger y de un multivibrador monoestable (generador de un pulso) El circuito Schmitt-trigger produce un nivel alto o nivel bajo de tensión, dependiendo de si la señal de entrada está sobre o bajo un nivel umbral. Cuando la amplitud de la señal del canal vertical excede ese umbral, la salida del Schmitt-trigger cambia de nivel, y esta acción hace que el circuito monoestable genere un pulso que habilita al barrido para una excursión o recorrido, a lo largo de la pantalla del TRC. Mientras existe la señal en el amplificador del canal vertical, y esa tenga un nivel capaz de re-disparar el barrido, el barrido horizontal tendrá la apariencia de ser de carrera libre. La diferencia, sin embargo, está en que el barrido sincronizado comienza cada vez en el mismo nivel de la onda vertical de entrada

ESPECIFICACIONES DEL OSCILOSCOPIO • Existen varios parámetros que son importantes para el usuario de los osciloscopios. • Dependiendo de la comprensión de dichos parámetros, será la utilidad que prestará el instrumento en una situación dada. (*) Sensibilidad Vertical La sensibilidad vertical, o factor de deflexión vertical, es una medida de la desviación lograda por una señal especifica en la entrada. * Esto es muy importante

La pantalla del TRC tiene un reticulado o grilla cuadriculada. • Las divisiones de la grilla están separadas por 0,75 a 1,3 cm, siendo en la mayoría 1 cm la separación. • El atenuador vertical está calibrado en términos de volt/división (V/div); esto es, la posición indicada por el dial requerirá esa cantidad de voltaje para deflectar o desviar el haz, una división en la dirección vertical. Definición: La sensibilidad vertical de un osciloscopio, es el menor factor de deflexión, señalado en el dial del atenuador vert. Si por ejemplo, la posición menor del dial del atenuador vertical es 2 mV/div, entonces la sensibilidad vertical del osciloscopio es 2 mV/div.

Ancho de banda

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Esta propiedad del osciloscopio es también muy importante, y está definida de muchas formas por los fabricantes. Muchos fabricantes la especifican como el rango de frecuencia en el cual la ganancia del amplificador vertical, está dentro de ± 3 dB de su propia ganancia. Ejemplos: Un osciloscopio típico puede tener una respuesta en frecuencia desde dc hasta una frecuencia superior límite de: 500 KHz; 15 MHz; 20 MHz; 50 MHz, etc. Ésos serían los anchos de bandas del osciloscopio dado.

Tiempo de subida o tiempo de elevación (rise-time) Más importante que la respuesta en frecuencia del osciloscopio, es el tiempo de subida o elevación (rise-time) del osciloscopio. Es el tiempo de respuesta del osciloscopio que especifica cuán bien reproduce las ondas con forma de pulsos. Definición del tiempo de elevación de una señal: Se define como el tiempo requerido por el flanco de subida de una señal, para ir desde el 10 % de la amplitud hasta el 90 % de ésta. Un osciloscopio para observar un pulso, necesita un tiempo de ascenso que sea igual o más rápido que el tiempo de elevación del pulso.

Si el fabricante del osciloscopio no especifica el tiempo de subida, entonces se puede calcular a partir de la respuesta en frecuencia del osciloscopio, a partir de la ecuación: tr = 0,35 / F

(8-4)

Donde: F = Frec. superior del osciloscopio en Hz, donde la ganancia cae en -3 dB tr = es el tiempo de subida en (s) Alternativamente, se puede usar la misma ecuación para calcular el ancho de banda requerido por el osciloscopio, si se conoce el tiempo de subida o elevación tr del pulso.

EJEMPLO 8-3 ¿Cuál es la respuesta en frecuencia mínima, requerida en un osciloscopio, que debe reproducir sin distorsión un pulso que tiene un tiempo de elevación de 15 ns? Solución: a partir de

tr = 0,35 / F F = 0,35/ [15 x 10ˉ9 s ] = 23,33 MHz

(8.4)

TIEMPO DE BARRIDO HORIZONTAL En los modelos actuales de osciloscopios usados en ingeniería, la escala horizontal está calibrada en unidades de tiempo/división (t /div). Ejemplo: Si un osciloscopio tiene un reticulado horizontal de 10 divisiones, y si el control está ubicado en la posición 0,2 µs/div, entonces el tiempo para recorrer la pantalla completa del TRC (de barrido) estará dado por: t = 0,2 µs/div x 10 div = 2 µs

Usando esta información, se puede determinar la frecuencia o el período de la onda desplegada.

Ejemplo1 Si la longitud de un período completo de una cierta señal en una pantalla es 2,3 div, con una calibración horizontal de 0,2 µs/div, calcular su período Solución: T = 2,3 div x (0,2 µs / div) = 0,46 µs Y como la frecuencia en Hertz es el recíproco del período en segundos, entonces la frecuencia de la señal mostrada en pantalla es: F = 1/T = 1/ (0,46 µs) = 2,17 Mhz

El osciloscopio está diseñado para el análisis de formas de ondas, y no solo proporciona información sobre la forma de la onda, sino que también de la frecuencia, el período, la amplitud y el tiempo de elevación.

MODELOS DE DOBLE HAZ El concepto osciloscopio de “doble haz”, no se refiere a dos haces electrónicos en un osciloscopio, sino que a dos trazos o trazados sobre la pantalla del TRC. • La creación de los dos trazos a partir de un solo haz electrónico se logra mediante conmutación del rayo electrónico. • La fig. 8-13 (a) muestra como puede ser obtenido un osciloscopio de doble haz. • Existen dos pre-amplificadores: uno para cada canal A y B. • En la salida un sólo amplificador vertical alimenta las placas verticales del TRC.

Fig. 8-13. La conmutación electrónica permite contar con dos trazos sobre el mismo TRC

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Fig. 8-13 (b) y (c). Dos señales diferentes, separadas, pueden ser observadas simultáneamente, utilizando la misma base de tiempo.

Existen dos entradas verticales separadas en los osciloscopios de doble haz, de tal forma que dos señales separadas (A y B ) pueden graficarse simultáneamente, con la misma base- tiempo. • Los dos controles de posiciones verticales pueden ajustarse para separar o superponer las dos señales de entrada. • Los osciloscopios de doble haz son extremadamente útiles para comparar los tiempos entre dos señales, o en una comparación punto a punto. • Otra aplicación es en la búsqueda de problemas, o comparación entre señales de entrada y salida de algún circuito.

CONTROLES EN UN OSCILOSCOPIO I.

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Grupo de control

Incluye el interruptor de potencia (On-Off), intensidad, foco, astigmatismo, iluminación, rotación del trazado, buscador del haz, y calibrador de señales internas. Interruptor On-Off: tiene la función de encender o apagar el instrumento. Intensidad: Controla el brillo del haz sobre la pantalla. Hay que ser cuidadoso con este control en orden a no quemar la pantalla de fósforo, con el haz posicionado un largo tiempo en el mismo punto de la pantalla. Foco: Este control ajusta el tamaño del punto del haz electrónico sobre la pantalla. Es, a menudo, interactivo con el control de astigmatismo.

Astigmatismo: Este control ajusta la redondez del punto sobre el TRC, y a menudo es interactivo con el control de foco. Una buena forma de ajustar este control es, ajustarlo para un espesor de una línea uniforme, cuando el TRC está barrido horizontalmente, sin señal en el canal vertical. En muchos osciloscopios el control de astigmatismo, es un tornillo en el panel frontal, o atrás, disponible para ser ajustado mediante un destornillador, mientras que el control de foco es una perilla ajustable, que se encuentra en el panel frontal. Iluminación: El control de iluminación ajusta una lámpara que ilumina las líneas del reticulado sobre la pantalla del TRC. En la posición mínima de este control, no hay luz sobre el reticulado.

Rotación del trazo: también llamado alineación del trazo en algunos modelos. Este ajuste, logrado mediante un destornillador, compensa los efectos de los campos magnéticos locales, sobre el trazo en la pantalla del TRC. Este control se ajusta de tal forma que el trazado del haz sea horizontal respecto al reticulado. Buscador del haz: Este control desconecta las entradas vertical y horizontal, de tal forma que el haz colapse en forma de punto a mayor intensidad, que el trazo original. Ayuda al operador a localizar el haz, que algunas veces puede estar fuera de la pantalla. Calibración: Este control de calibración proporciona una señal estándar para calibrar el amplificador vertical. Las señales típicas son 400 a 1.000 Hz, en 1 o 2 Volts peak-to-peak. A veces se usa una señal alterna, otras una señal cuadrada. Es común encontrar una señal cuadrada de 1.000 Hz de 2 Volts, 200 mV, 500 mVp-p.

II. Grupo vertical Este grupo controla la posición vertical del haz, el factor de amplificación y la selección de la entrada del osciloscopio. • Conector de entrada: es el punto de entrada en el cual se aplica al osciloscopio la señal exterior, al amplificador vertical. Usualmente es un conector coaxial, forma BNC, montado en el chasis. • Selector de entrada: Este interruptor está marcado como “AC-GND-DC” Se usa para seleccionar el tipo de acoplamiento de la señal de entrada, con la entrada del amplificador vertical. DC: en esta posición significa que el conector con la señal está acoplado directamente al amplificador de entrada. AC: en esta posición significa que existe un capacitor de bloqueo en serie con el centro del conductor de la señal (sólo ingresarán señales ac; las señales dc serán bloqueadas).

• GND: en esta posición la entrada al amplificador vertical está conectada a tierra, y el centro del conector de entrada está en circuito abierto; no hay contacto de la señal de entrada con el instrumento. ¡ La señal de entrada no se altera ! Posición: El control de posición vertical mueve el haz electrónico hacia arriba o hacia abajo, sobre la pantalla del TRC. También existe un control de posición horizontal. Es práctica común, poner el selector AC-GND-DC en posición GND, y después usar el control de posición para ubicar el trazo de línea recta sobre el fondo o el centro del cuadriculado, el cual se transforma en el punto de voltaje cero de referencia ( 0 V).

Atenuador de paso: La sensibilidad del amplificador vertical es una medida de su ganancia y se expresa en términos del voltaje requerido para deflectar el haz del TRC en una cantidad especificada (V/div ó V/cm). El atenuador en pasos se observa en la fig. 8-16.

El atenuador en pasos es un divisor de tensión resistivo-capacitivo que permite al instrumento acomodar al mayor voltaje posible de aplicar, que de otra forma desviaría en exceso al haz electrónico. Cada posición del atenuador de pasos es calibrado en volts o milivolts por división (V/div ó mV/div). Por ejemplo, si una onda senoidal tiene 5,6 divisiones, entre máximo y mínimo, cuando el atenuador de paso está en posición de 0,2 V/div, el voltaje peak-a-peak es: (5,6 div) x (0,2 V/div) = 1,12 Vp-p Atenuador variable (Vernier): Este control variable es concéntrico (está en el centro) con el atenuador de paso, y permite variar continuamente el factor de sensibilidad (por lo tanto el tamaño del trazo vertical). La calibración del atenuador de paso es válida solamente cuando el vernier de atenuación está en la posición CAL; en caso contrario se enciende una luz roja, indicando que las posiciones del atenuador de pasos no son confiables.

Tierra: el conector de tierra está conectado a la tierra del chasis, en la entrada del amplificador vertical. Se usa para proporcionar una tierra principal, y para eliminar o prevenir errores de conexión a tierra. Magnificador por 5x (5xMAG): El control de magnificación 5x incrementa el factor de sensibilidad 5 veces, lo que significa que todas las calibraciones de V/div y mV/div deben ser divididas por 5. Por ejemplo, cuando la perilla sensibilidad está en la posición 50 mV/div y el magnificador 5xMAG está presionado, se encenderá una luz en el magnificador 5x, para advertirle al operador que el aumento de sensibilidad es de 5 veces (10 mV/div : es la sensibilidad real en este ejemplo). Esta propiedad es útil cuando se está operando con señales de bajos niveles y que están ordinariamente bajo el umbral de los ajustes normales, de tal manera que efectivamente quintuplica el número de los factores de sensibilidad disponibles.

Polaridad del canal 2: Cuando está presionado el control de polaridad invierte la señal del canal 2. El control de polaridad permite tener una entrada seudo - diferencial sobre una pantalla. Modo vertical. Este control forma un sub-grupo que incluye lo siguiente: CH1 y CH2, ALT y CHP, ADD, X-Y, los que se describen a continuación: • CH1, CH2: Este control selecciona el modo uni-canal. Cuando se elije un canal, ej. CH1, el osciloscopio despliega sólo la señal del canal 1. • ALT, CHOP: Estos son modos de canales dobles. Existe sólo un haz electrónico en el TRC, y debe ser compartido entre los canales. En modo ALT, la señal del canal 2 no comienza hasta que termina el barrido de la señal del canal 1. En otras palabras, la pantalla alterna entre dos señales.

En el modo CHOP, el haz electrónico es conmutado rápidamente entre el canal 1 y el canal 2. Las frecuencias de las señales de entradas, deben ser mucho menores que la frecuencia de conmutación. ADD: En este modo, las dos señales son combinadas en una sola, con una amplitud resultante que es la suma algebraica de los dos canales (CH1+CH2). Si el control de polaridad está oprimido, entonces las entradas se transforman en seudo-diferencial, y la suma será: CH1 - CH2. X-Y: En este modo la base de tiempo interna del osciloscopio se desconecta, y el instrumento se transforma en una pantalla vectorial. El canal 1 se transforma en una entrada horizontal (X), mientras el canal 2 es el vertical (entrada Y). En este modo el osciloscopio se usa como medidor de modulación, visualizador de trayectorias de Lissajous, por citar algunas aplicaciones.

III. Grupo horizontal

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Este grupo determina la deflexión horizontal y las características del barrido. Los controles consisten de: tiempo de barrido, vernier de barrido, posición horizontal, magnificación 10x y modo del barrido. •Tiempo de barrido: Este es el control horizontal principal, y se usa para determinar el tiempo requerido por división, para barrer el haz a través de la pantalla, desde la izquierda a la derecha. La calibración es en unidades de tiempo/división (s/div, ms/div). A partir de este control y del número de divisiones ocupadas por un ciclo de la señal, se puede determinar el período de una señal (Ej. ya visto). Ejemplo- 2: si un período de una señal seno ocupa 6,2 divisiones en el reticulado, y el tiempo de barrido es 2 ms/div, entonces el período de la señal es: T = (6,2 div) x (2 ms/div) = 12,4 ms.

Debido a que la frecuencia es el recíproco del período, se calcula la frecuencia como: f = 1/T = 1/ 12,4 ms = 1/ 0,0124 s) = 80, 65 Hz. Vernier de barrido: Este control, continuamente variable en el tiempo, permite interpolar entre posiciones de pasos. Este ajuste del tiempo del paso es exacto, sólo cuando el vernier está en la posición CAL´D. El vernier está ligado al atenuador de pasos y por lo tanto es concéntrico a tal control. (No existe en todos los osciloscopios…) Posición horizontal: Este control mueve el trazo de derecha a izquierda sobre la pantalla del TRC. Al igual que el equivalente control vertical, el control horizontal se usa para posicionar el trazo sobre el reticulado, para mejorar la precisión de la medición.

Magnificador por 10 (10x Mag): Este control apura el barrido por 10 veces. Por ejemplo, si el control de barrido fuese colocado en 10 ms/div, y si el control 10xMag está activo, el barrido real es sólo 1 ms/div. Modo del barrido (sweep-mode): Este modo selecciona los sub-modos: - Automático (AUTO) - Normal (NORM) - Individual (SINGLE). • En el modo AUTO el barrido se dispara periódicamente, aún si no hay señal presente en el canal vertical. • La posición NORM requiere una señal vertical para que comience el barrido horizontal en el TRC; en caso contrario la pantalla permanecerá en blanco. • En el modo SINGLE el haz será barrido solamente una vez.

IV Grupo Trigger Los osciloscopios con barridos sincronizados o gatillados son más útiles que los modelos antiguos (que no lo eran). La pantalla con barrido gatillado no permitirá que el haz electrónico recorra horizontalmente la pantalla, a no ser que una señal en el canal vertical dispare al generador de barrido. Este grupo está formado por los siguientes controles: • Nivel de disparo (trigger level): Este control determina la amplitud mínima requerida en la señal del canal vertical para disparar el barrido horizontal y el lugar donde comenzará la onda barrida (fig. 8-18 (a)). Las fig. 8-18 (b) y (c), muestran el efecto de este control. Ambas señales fueron registradas en momentos diferentes con el mismo osciloscopio. La única diferencia fue el nivel de la entrada para el disparo (posición del control trigger level) de la señal de barrido.

• Pendiente (slope): Este control determina si el disparo ocurrirá en un flanco de subida o de bajada de la onda de entrada. En las figuras 8-18(a) y 8-18(b), el control de pendiente se ha ubicado en la posición ”+”, de tal forma que la activación del barrido comienza en el flanco positivo de la onda senoidal y triangular. En caso contrario, en la figura 8-18 (c) se muestra el control de pendiente cambiado a “-”. Nótese que la sincronización ocurre ahora en la pendiente negativa de la forma de onda. • Fuente (source): Este control selecciona la fuente de la señal aplicada al circuito de disparo. Las selecciones son: INT, LINE, EXT, y EXT/10.

• INT corresponde a la selección interna, lo que significa que la fuente de la señal es seleccionada por el interruptor CH1/CH2/NORM en la sección vertical. Por ejemplo, con el control de fuente en INT y el otro interruptor en la posición CH1, la señal en el amplificador vertical 1 causará la activación o disparo. • LINE significa que la señal de línea de 50 Hz, causará el disparo; (útil en algunas mediciones). • EXT: significa que la señal aplicada a la entrada externa de trigger (EXT TRIG INPUT), disparará el circuito de barrido. Su propósito es seleccionar el canal que proporciona la señal de disparo. • EXT/10: Cumple la misma función que EXT, pero con un atenuador 10:1

Coupling (acoplamiento). Este control permite adecuar el tipo de señal de disparo. Tiene las selecciones: AC, HF REJ, TV, DC. AC y DC son auto explicativas. HF REJ: en esta posición se usa un filtro pasa-bajo en la entrada del circuito de trigger, el que rechaza altas frecuencias. Por ejemplo, nos permite disparar con la señal modulante de una portadora de radio frecuencia, ignorando la señal de radio-frecuencia. Algunos osciloscopios tienen también la opción LF REJ. External Trigger Input. Este control tiene un conector de entrada que proporciona al circuito de trigger una señal externa, para propósitos especiales.

PUNTAS DE PRUEBA EN OSCILOSCOPIOS COMUNES La fig. 8-20 (a) muestra la forma más básica de las puntas de prueba de entrada de un osciloscopio. Se observa un trozo de cable blindado, usualmente cable coaxial, con un conector BNC en un extremo, y un par de pinzas (caimán) en el otro extremo.

Fig. 8-20 (a). Puntas de prueba básicas de un osciloscopio

Estas puntas funcionan bien en frecuencias de señales dc hasta varios kHz. Pero surge un problema que debe ser reconocido. • El cable tiene capacitancias del orden de 20 pF/pié. • La impedancia de entrada en un osciloscopio típico es de 1 MΩ, en paralelo con una capacitancia de 20-pF. • Si el cable tiene unos tres pies de largo, tiene una capacitancia de 60-pF, que cuando se suman a la capacidad natural de entrada del osciloscopio, resulta en 80-pF, en paralelo con 1 MΩ. La red RC creada tiene las características de un filtro pasa-bajo, en que la magnitud de la ganancia cae en -20dB/dec a partir de la frecuencia superior ( en que la ganancia es 0,707 (–3 db)): f = 1/ [ 2πRC]= 1/ [2π x 1 MΩ x 80 pF] f = 1.990 Hz

Esta punta de prueba afectará cualquier frecuencia superior a 2.000 hz, que se desee medir, y por tanto no será la mejor solución. • Las ondas no senoidales están formadas por una colección de ondas senoidales, constituidas por una frecuencia fundamental y sus armónicas • Entonces el filtro pasa bajo, presente en las puntas de prueba de la figura 8-20(a), descartará las mayores armónicas y redondeará las esquinas de la onda cuadrada. La solución a este problema de respuesta en frecuencia, es usar una punta de prueba de baja capacidad; en las figuras 8-20 (b) y (c) se muestran dos ejemplos. La punta de prueba de la fig. 8-20 (b) es la punta de prueba estándar con razón 10:1 70/84

Fig. 8-20 (b). Punta de entrada con baja capacitancia. Fig. 8-20 (c). Punta con circuito bloqueador de RF.

MEDICIONES CON EL OSCILOSCOPIO • El visor de un osciloscopio estándar (Fig. 8-21) se calibra en los dos ejes: vertical y horizontal. • El eje horizontal se calibra en unidades de tiempo, típicamente tiempo/div. La mayoría usa el cm como unidad de división. • El eje vertical se calibra en volt/div . Representa la amplitud de la señal aplicada (usualmente voltaje).

OSCILOSCOPIOS CON ALMACENAMIENTO

La señal de entrada puede ser periódica; esto es, se puede repetir a intervalos fijos para ser analizada. Pero los eventos individuales a menudo pasan muy rápido para ser observados en el osciloscopio, a no ser que se cuente con la opción de almacenarlos. Existen dos tipos básicos de osciloscopios con almacenamiento: • Uno usa un TRC especial y • El otro usa técnicas de memoria digital.

ALMACENAMIENTO DIGITAL

Un osciloscopio con almacenamiento digital utiliza un conversor analógico-digital, para digitalizar la onda de entrada. Esto significa que se muestreará la señal en muchos puntos y después se deben convertir las amplitudes instantáneas de cada punto, a valores en números binarios, proporcionales a la amplitud. Esos números binarios, se almacenan entonces en memoria. Un conversor digital-analógico a la salida de la memoria re-convierte las palabras binarias a voltajes analógicos, capaces de controlar el sistema de deflexión vertical del TRC. La memoria es explorada (scanned) muchas veces por segundo, de tal forma que la pantalla del TRC está siendo contantemente refrescada por los datos almacenados en la memoria, antes que estos se desvanezcan en la pantalla. La técnica digital de almacenamiento se usa en osciloscopios para señales de alta frecuencia, diseñados como capturadores de transientes, aunque la técnica es muy cara en esos rangos de frecuencia.

La técnica digital, sin embargo, se usa extensamente en medicina y fisiología. La velocidad de barrido es típicamente 25 mm/s, de tal suerte que demora 4 s en barrer la pantalla de 10 cm del TRC; por lo tanto, es normal ver que se desvanece el haz a la izquierda de la pantalla, antes que el trazo alcance el lado derecho. Sin embargo, debido a su capacidad de almacenamiento digital, esta pantalla es un modelo “sin desvanecimiento del trazo”. La forma de onda en la pantalla es refrescada continuamente, hasta que una nueva forma de onda se sobre-escribe en los datos antiguos.

OSCILOSCOPIOS USADOS EN MEDICINA Hay osciloscopios diseñados específicamente para aplicaciones en medicina, biología y fisiología. Estos osciloscopio son calibrados a lo largo de su eje horizontal en unidades de distancia /tiempo, en lugar de sólo tiempo. • Por ejemplo, el registrador estándar ECG, con terminal externo, graba en un formulario continuo; está calibrado en 25 milímetros por segundo (25 mm/s). • Otros instrumentos se calibran en 50 mm/s ó 100 mm/s. • Algunos instrumentos multipropósitos están disponibles con las tres calibraciones. • El reticulado en muchos instrumentos en medicina está marcado en milímetros.

OTROS TIPOS DE OSCILOSCOPIOS Existen otras variedades de osciloscopios, y equipos, que siendo importantes en ciertas aplicaciones, no tienen gran relevancia en nuestro curso. Serán mencionados, por si algún estudiante desea profundizar sus conocimientos sobre dichos instrumentos. Se citarán: • Osciloscopios en medicina sin desvanecimiento de la imagen • Osciloscopios delta-tiempo (delta-time) • Osciloscopios de muestreo • (Cámaras para osciloscopios)

RESUMEN 1. El osciloscopio de TRC permite evaluar: la forma de onda de una señal, medir su frecuencia, período, duración, fase y otros factores. 2. Se usan dos tipos de deflexión: magnética y electrostática. La mayoría de los osciloscopios para laboratorio y servicios son del tipo electrostático, porque son capaces de operar a mayor frecuencia. 3. En un osciloscopio Y-T, el eje horizontal es conectado a una señal de tiempo-base (diente de sierra), y la entrada vertical (eje Y) es controlada por la señal desconocida, aplicada al instrumento. 4. La sección vertical se calibra en volts/división, mientras que la horizontal se calibra en tiempo/división. 5. Un osciloscopio con almacenamiento retiene el trazo sobre la pantalla, por un tiempo prolongado.

PROBLEMAS 1. Hallar la frecuencia de la onda en la fig. 8-35 (a), si el tiempo base es 0,5 µs/div. 2. Hallar la amplitud rms de la misma onda, si el atenuador vertical está ajustado en 2 V/div. 3. Hallar el período de la onda de la fig. 8-35 (b), si el tiempo base es 10 ms/div. 4. En la fig. 8-35 (b) hallar: a) La amplitud si el atenuador vertical está en la posición 1 V/div. b) La pendiente del flanco líder 5. Hallar la frecuencia de la onda de la fig. 8-35 (c), si el tiempo base está ajustado en 2 µs/div.

6. En la fig. 8-35 (c), hallar la amplitud si el atenuador vertical está en la posición 5 V/div. 7. Una onda de una señal seno de 1 kHz, calza exactamente en una pantalla reticulada de 10 cm de ancho de un TRC. ¿Cuál es la posición o ajuste de la perilla del tiempo base, en unidades de tiempo/div?. 8. Dada la trayectoria de Lissajous de la fig. 8-36 (a) calcular la diferencia de fase, entre las señales verticales y horizontales. 9. ¿Cuál es el ángulo de fase de la señal en la fig. 8-36 (b)?. 10. La trayectoria de Lissajous de la fig. 8-37 se produce cuando se aplica una señal de 41 kHz al canal vertical y una señal de frecuencia desconocida se aplica a la entrada horizontal. Hallar la frecuencia de la señal desconocida. 11. Hallar el ancho de banda en Hertz, requerido por el amplificador vertical de un osciloscopio, si el tiempo de subida de un pulso de entrada es de 26 ns.

FIN Unidad JSS/jss_ DIE_UdeC Mayo-2019