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Osciloscopio

El Osciloscopio de Rayos Catódicos (CRO, Cathode Ray Oscilloscope) es el instrumento habitual para la medida y análisis de señales variables en el tiempo. A pesar de ello, es relativamente desconocido ya que, muchas veces, por ejemplo, se considera que ofrece una visión «continua» de la señal, cuando en realidad sólo representa segmentos de ésta. Los registradores galvanométricos existieron antes, pero sólo pueden presentar fenómenos lentos, ya que están basados en el movimiento de masas grandes.En este capítulo se describen los elementos y controles que permiten obtener una imagen adecuada para el análisis de las señales, incluyendo las sondas, inevitables en la mayoría de los casos.

FUNCION Y TIPOSLa función de los osciloscopios es capturar y dar una representación visual de una señal (tensión), para permitir su análisis en el dominio del tiempo.Se basan en el tubo de rayos catódicos (TRC) inventado por Crookes en 1879. Consiste en un tubo de vacío con elementos de enfoque para producir un haz estrecho de electrones, que se enfoca en un blanco fosforescente (la pantalla), y al que se dota de un sistema dinámico para la deflexión del haz en las direcciones vertical y horizontal. El trazo obtenido tiene un grosor de unos 0,3 mm.Como sistema de representación es un trazador X- Y donde la ordenada del punto en la pantalla se corresponde con la amplitud de la señal a estudiar, y la abscisa o bien es proporcional al intervalo de tiempo transcurrido desde un punto de referencia, o bien se corresponde también con la amplitud de otra señal a estudiar. Los movimientos del haz en las direcciones X e Y son independientes uno de otro. El origen de coordenadas se suele situar en el centro de la pantalla, y los cuadrantes se designan del mismo modo que en trigonometría. Además de la detección de la presencia o ausencia de señal, y de la inspección de formas de onda complejas (o secuencias de «unos» y «ceros»), los osciloscopios permiten realizar las medidas básicas relacionadas con tensiones y tiempos (frecuencia, diferencias de fase, tiempos de subida y bajada, anchuras de pulsos, etc.). Para medir otras magnitudes físicas que no sean tensiones hay que emplear transductores.Los criterios básicos para clasificar los distintos tipos de osciloscopios son: la frecuencia máxima admisible para la señal aplicada en la entrada Y (canal vertical) y el número de canales verticales disponible.Según la frecuencia máxima admisible en el canal vertical, se habla de osciloscopios de baja frecuencia (hasta unos 10 MHz) y de alta frecuencia (hasta unos 500 MHz). Hay varios grupos de modelos que admiten hasta 50, 100 y 150 MHz, u otras frecuencias intermedias. Para frecuencias superiores a 1 GHz se dispone de osciloscopios de muestreo, que no representan la señal en tiempo real (apartado 2.6.3).Según el número de canales verticales se distingue entre los osciloscopios que sólo tienen uno y los que tienen dos o más. En este segundo caso, hay diversas estrategias para obtener la simultaneidad de representaciones. Una posibilidad es que se tengan dos cañones de electrones, cada uno con sus sistemas de deflexión vertical y horizontal («dual gun»). Otra posibilidad es

disponer un solo cañón con su sistema de deflexión horizontal pero con dos sistemas de deflexión vertical distintos, obteniendo así dos haces de electrones («dual beam»). Lo más habitual es tener un solo haz, con sus correspondientes sistemas de deflexión vertical y horizontal. La representación de varias señales no es entonces simultánea, pero la persistencia de los trazos sobre la pantalla es suficientemente alta como para tener la apariencia de simultaneidad («dual trace»).Un aspecto adicional para la clasificación es el tipo de pantalla. Por una

ESQUEMA DE BLOQUES DE UN OSCILOSCOPIO

parte están las denominadas «pasivas», con diversos grados de persistencia, y por otra están las de «memoria», que retienen la forma de onda de la señal representada durante tiempos muy largos comparados con la duración de dicha señal, según se verá (apartado 2.6.1). Los denominados osciloscopios de memoria digital no se basan en una pantalla especial, sino en la digitalización previa de la señal a representar (apartado 2.6.2).Hay otros instrumentos electrónicos basados en un TRC que trabajan en el dominio del tiempo. Los denominados analizadores lógicos de tiempo son en esencia osciloscopios multicanales (de 16 a 64), previstos para observar simultáneamente varias señales digitales. Los trazadores de curvas para semiconductores o circuitos integrados son analizadores que presentan la respuesta de dichos dispositivos cuando son excitados por señales que puede generar el propio instrumento. Otros equipos que utilizan un TRC, pero que no trabajan en el dominio temporal, son los analizadores lógicos de estados y los analizadores de espectros.

ESQUEMA DE BLOQUESUn osciloscopio está constituido esencialmente por un TRC y los sistemas de deflexión vertical y horizontal necesarios para posicionar el haz en el punto adecuado (figura 2.1). Algunas partes del tubo requieren una alimentación de alta tensión continua estabilizada, mientras que otras y el resto de circuitos emplean tensiones bajas.En el tubo se generan electrones que mediante un sistema de enfoque forman un haz fino y, tras

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dotarles de alta velocidad con un sistema de aceleración, son dirigidos hacia la pantalla que está recubierta interiormente de material fosforescente. Es, pues, el núcleo central del instrumento ya que convierte la señal en imagen. Algunos osciloscopios digitales recientes no emplean ya un TRC, sino que se basan en paneles de plasma o de cristal líquido, pero dichos instrumentos no permiten observar las señales conforme se producen (en «tiempo real»).En el sistema de deflexión vertical el haz pasa entre dos placas metálicas, dispuestas en el interior del tubo, a las que se aplica la señal Y una vez procesada (atenuación/amplificación, retardo, etc.) desviando su trayectoria. El amplificador de deflexión conectado a las placas produce una señal diferencial a partir de la de entrada que, en general, está referida a masa. Se obtiene así mayor inmunidad respecto a las fluctuaciones del potencial de referencia.El sistema de deflexión horizontal está constituido por otras dos placas en el interior del tubo, a las que se aplica o bien la señal X o bien una tensión en rampa (tensión de barrido), obtenida internamente y relacionada con la señal Y. Consta de (ver la figura 2.12):1) Un circuito de disparo («trigger») que hace que el barrido se inicie siempre en el mismo punto de modo que, si la señal de entrada es repetitiva, se obtiene una representación persistente. Mientras dura un barrido no se produce otro disparo.2) Un generador de barrido que produce una señal con forma de diente de sierra y pendiente positiva, muy lineal y controlable desde el exterior.3) Un amplificador horizontal que obtiene dos señales en diente de sierra a partir de la anterior, una hacia «arriba» y la otra hacia «abajo». La primera se aplica a la placa de deflexión horizontal de la derecha y la segunda a la de la izquierda. De esta forma el haz se mueve de izquierda a derecha en la pantalla.4) Un amplificador de puerta (o del eje Z) que suministra una tensión mientras se hace el barrido horizontal, y da una tensión nula en los demás casos. De este modo, se suprime el haz cuando vuelve hacia la izquierda una vez acabado el barrido, y mientras se espera el disparo.

Figura 2,2 Osciloscopio de aplicación general (Cortesía de Instrumentación Electrónica Promax S.A.). Los controles correspondientes a cada uno de los tres bloques principales del osciloscopio están agrupados para facilitar su utilización.

En los tres apartados siguientes se exponen con detalle las características de cada uno de estos tres bloques principales, con mención expresa de los puntos donde inciden los controles accesibles al usuario. En la figura 2.2 se presenta un osciloscopio de aplicación general, en el que puede apreciarse la agrupación de los controles correspondientes a cada uno de los bloques principales.

TUBOS DE RAYOS CATODICOSEl TRC de un osciloscopio es un tubo de vidrio donde se ha hecho el vacío y, según puede verse en la figura 2.3, consta de: un sistema de generación de electrones; unas lentes electrostáticas para el enfoque; unas placas de deflexión

Figura 2.3 Elementos y controles de un tubo de rayos catódicos. (F: filamento, C: cátodo, R: rejilla, A, y A3: ánodos de aceleración, A2: ánodo de enfoque, PV: placas de deflexión verticales, PH: placas de deflexión horizontales.)

del haz obtenido en la etapa anterior; un sistema de postaceleración (en algunos casos); y de una pantalla con retículas. Las conexiones se realizan en la base, si no hay postaceleración; pero cuando la hay, las conexiones de las placas de deflexión están en el cuello del tubo. Así se evita tener capacidades parásitas grandes.

Generación del hazLa generación de electrones en un TRC es análoga a la de un triodo: hay un cátodo, una rejilla y un ánodo. El cátodo es termoiònico, emitiendo electrones al ser calentado indirectamente por un filamento (de ahí el nombre de tubo de «rayos catódicos», ya que cuando se inventó se ignoraba la existencia del electrón). El emisor puede consistir, por ejemplo, en un revestimiento de óxidos de bario y estroncio en la punta de un cilindro de níquel.La rejilla es, en realidad, un cilindro de níquel (cilindro Wehnelt) que rodea totalmente al cátodo, con una pequeña abertura en la zona del eje del tubo. Es más negativa que el cátodo, y su tensión controla el ritmo de emisión de electrones: cuanto más negativa sea menos electrones emergen por la abertura, y determina así la intensidad del haz. Si llegase a hacerse positiva se emitirían tantos electrones que podría destruirse el cátodo.El ánodo está a una tensión de varios miles de voltios sobre la del cátodo, de modo que acelera los electrones y recoge los que emergen de la rejilla. Pero, además, posee una pequeña abertura alineada con la de la rejilla, de forma que de él emerge un haz estrecho.La intensidad (corriente) del haz puede controlarse ajustando el potencial de la rejilla. Se habla entonces de borrado por rejilla. El amplificador del «eje Z» es el que controla el valor de dicha

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tensión respecto a la del ánodo. La amplitud de su salida se regula con el mando INTENSIDAD situado en el panel frontal. Cuando no hay barrido horizontal, la intensidad del haz debe reducirse al mínimo pues de lo contrario su incidencia continuada sobre una misma zona de la pantalla produciría en ella un deterioro.Otra posibilidad es usar un ánodo con doble abertura y placas de deflexión entre ambas: si se desvía el haz para que no alcance la segunda abertura, se produce una «supresión» del haz. Los TRC de este tipo tienen una vida más breve ya que no se detiene la emisión del cátodo, pero la estabilidad de su tensión de rejilla es menos crítica.

EnfoqueCon el sistema de enfoque se pretende que el haz cree un punto lo más pequeño posible en la pantalla. Es necesario porque el haz emitido por el cátodo es divergente ya que, por una parte, los electrones que lo constituyen se repelen entre sí, y, por otra, no hay un solo punto de emisión sino toda una superficie, aunque las aberturas de la rejilla y el ánodo reducen su sección efectiva.

Figura 2.4 Lente electrónica.

En los osciloscopios se emplean electrodos para realizar lo que se denomina un enfoque electrostático. En otros equipos que emplean TRC se emplean a veces bobinas externas al tubo. Para comprender el enfoque electrostático, considérese un electrón que se desplaza con velocidad V1 e incide sobre una superficie equipotencial con un ángulo θi (figura 2.4). Si el campo eléctrico presente es E, en la superficie, el electrón sufre una fuerza F=-e E en la dirección normal, de forma que se modifica la componente normal de su velocidad, pero no la tangencial. Es decir, se cumple

V t=V 1 sinθ i=V 2 sinθ r

sin θ i

sin θr=V 2

V 1

Resulta, pues, que el ángulo incidente y el refractado siguen la misma ley que para un haz de rayos de luz: al salir de la superficie el electrón se acerca a la normal. El sistema se comporta como una lente cóncava, y de ahí que se hable de lentes electrónicas.En los TRC, las superficies equipotenciales se crean con varios cilindros huecos o anillos sucesivos, dispuestos a las tensiones convenientes (de hasta 2000 V respecto al cátodo), y por cuyo interior circula axialmente el haz emergente del primer ánodo.El punto de enfoque y la forma del punto sobre la pantalla se pueden variar ajustando las tensiones relativas de unos electrodos respecto a otros. El tamaño del punto sobre la pantalla se determina con el control FOCO, dispuesto en el panel frontal, mientras que para que el punto sea redondo tanto en el centro como en los bordes de la pantalla, hay que actuar sobre el control astigmatismo, que no siempre es accesible desde el exterior. Estos dos mandos suelen ser interdependientes, pero no afectan al control de intensidad del haz.Para el ajuste de los ejes X e Y suelen emplearse siempre bobinas externas, cuya acción se regula variando la corriente a su través. Para situar el eje X horizontalmente, hay que ajustar el control ALINEACION, mientras que la perpendicularidad X-Y se regula con el control ortogonalidad. Estos dos controles suelen ser internos y su uso es infrecuente. Pueden hacer falta, por ejemplo, si se está trabajando cerca de un campo magnético grande.

DeflexiónPara que el haz de electrones incida sobre el punto de la pantalla adecuado, de acuerdo con la señal a representar, en los osciloscopios se emplea un sistema de deflexión electrostática basado en unas placas metálicas dispuestas en el interior del propio tubo. Hay dos placas para la deflexión horizontal y otras dos para la deflexión vertical.El funcionamiento del sistema puede comprenderse si se examina la trayectoria de un electrón que atraviese el campo eléctrico uniforme creado por dos placas paralelas —sin efectos de bordes— (figura 2.5). Dicha trayectoria resulta ser parabólica y viene dada por la expresión

y=V d

4dV a

Z2

Dónde: Va es la tensión de aceleración (ánodo-cátodo) que ha comunicado al electrón su velocidad al entrar en la región entre placas. Al salir de dicha región, no hay campo eléctrico en la dirección y; en consecuencia, no actúa ninguna fuerza sobre el electrón, y éste sigue una trayectoria rectilínea tangente a la curva. Su pendiente será:

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Figura 2.5 Deflexión electrostática.

tanθ=d y

d z|Z=ld

=V d . ld2d .V a

El origen aparente de esta recta resulta estar en el centro de la zona de deflexión. La deflexión, D, en la pantalla será, pues,

D=L . tan θ=LV d . ld2d .V a

Obsérvese que es directamente proporcional a la tensión de deflexión Vd y, por tanto, el TRC puede usarse como dispositivo lineal de representación de tensiones.Para poder comparar los diversos TRC se emplea el «Factor de Deflexión», definido como la tensión diferencial necesaria para mover el haz una división de la pantalla:

FD=V d

D=2d .

V a

L .ld

FD se reduce al aumentar la longitud del tubo y al reducir la tensión de aceleración. Pero ésta debe ser suficientemente alta para que, incluso a alta frecuencia, se tenga un brillo adecuado. Suele ser de entre 10 y 100 V/cm, y en un tubo bien diseñado debe ser constante de uno a otro extremo de la pantalla.En los TRC donde la deflexión del haz se realiza mediante bobinas externas, FD depende de la raíz cuadrada de Va. Por ello permiten obtener más brillo y resolución, trabajando con haces de mayor energía. A la vez son más cortos a igualdad de área barrida, ya que no hay placas internas que determinen un ángulo máximo. Sin embargo, para tener campos magnéticos grandes hacen falta corrientes muy elevadas (pues las bobinas deben mantenerse pequeñas) y ello encarece los amplificadores necesarios cuando la frecuencia de la señal supera los 20 kHz. Por esta razón no se emplean en los osciloscopios.Para tener un área de barrido grande se utilizan placas inclinadas en vez de placas paralelas, ya que éstas interceptan el haz incluso cuando son de longitud pequeña. Para evitar distorsiones por efectos de bordes se disponen apantallamientos interplacas y una pintura conductora dentro del cilindro del cañón. Además, hay otras placas que apantallan a las de deflexión, de modo que se

reduce la posible distorsión del haz.A alta frecuencia se usan placas segmentadas, e incluso distribuidas, porque tienen menor capacidad parásita. Esto es necesario ya que si bien FD se reduce al aumentar ld, en cambio la capacidad entre placas aumenta y, al reducirse la reactancia, el amplificador de deflexión debe dar más energía para tener la misma tensión de deflexión.Las placas de deflexión vertical suelen estar más lejos de la pantalla que las de deflexión horizontal para que así puedan trabajar con tensiones menores, ya que se desconoce a priori la magnitud de la señal que van a manejar. En cambio, el canal X maneja señales conocidas de antemano, como son las de barrido, aunque su deflexión debe ser mayor (unos 10 cm frente a unos 8 cm el canal Y es lo normal).

PostaceleraciónPara tener un brillo adecuado a frecuencias de deflexión altas el haz debe tener alta energía. Pero en el sistema de deflexión habría dificultades para desviar un haz duro. Para solucionarlo, se acelera el haz entre las placas de deflexión y la pantalla, a base de aplicar una tensión positiva (hasta 20 kV) a la pantalla, respecto al ánodo. Este proceso se denomina postaceleración, o aceleración de postdeflexión.En los tubos monoaceleradores, que son los utilizados para bajas frecuencias (hasta unos 10 MHz y velocidades de barrido de 0,1 us/div), no hay campo de aceleración en la zona entre las placas de deflexión y la pantalla. El interior del tubo en esta zona (y hacia la zona de deflexión) posee un recubrimiento conductor conectado al potencial del último ánodo (que está puesto a masa). Este recubrimiento, que no está conectado a la pantalla, absorbe los posibles electrones secundarios que se desprenden del fósforo de ésta al incidir el haz. Además, hace de apantallamiento electrostático frente a campos externos y permite obtener un campo eléctrico uniforme dentro del tubo.

Pantalla y retículasLa pantalla está recubierta internamente de «fósforo», que es una sustancia que convierte la energía de los electrones en luz. Así se emite luz, en todas direcciones, en el punto donde incide el haz, incluso después de cesar la incidencia.La elección del tipo de fósforo se hace teniendo en cuenta la persistencia, color, resistencia al quemado (solo un 10 % de la energía del haz se convierte en luz), luminancia y velocidad de escritura permitida. En los osciloscopios normales, el más favorable es el denominado P 31, que emite luz verde. En algunos modelos recientes se dispone simultáneamente de varios colores.En el lado interno del fósforo se deposita una capa de aluminio suficientemente fina como para que sea transparente a los electrones. Con ella se logra: evitar la acumulación de carga en el fósforo que limitaría el brillo por frenar los electrones siguientes; reducir la dispersión de la luz, pues se refleja hacia el observador la posible luz hacia atrás; y disipar el calor reduciendo el peligro de quemado.

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Figura 2.6 Ejemplo de retícula en la pantalla de un osciloscopio. (Cortesía de Tektronix Española S.A.). Las líneas rotuladas 10( %) y 90( %) sirven para medir tiempos de subida.

La retícula es el conjunto de marcas horizontales y verticales que facilitan el análisis de la señal mediante la calibración de la deflexión del haz. Normalmente hay 10 divisiones horizontales y 8 verticales, con iguales dimensiones, tal como se muestra en la figura 2.6. Las más frecuentes son 8 y 10 mm. La retícula puede ser externa al tubo (adosada a la parte frontal), o interna, en cuyo caso el fósforo y la retícula se depositan en el mismo plano. Para evitar el deslumbramiento, y como medida de seguridad, delante de la pared anterior del tubo se dispone una placa frontal.

SISTEMA DE DEFLEXION VERTICALLa función del sistema de deflexión vertical de un osciloscopio es la de reproducir la señal de entrada fielmente, es decir, sin alterar su amplitud ni su frecuencia. Normalmente no se diseña para tener la respuesta frecuencial más plana posible, sino para reproducir sin distorsión los pulsos rápidos (respuesta temporal óptima).La relación entre las respuestas temporal y frecuencial se formula a partir de la relación entre el tiempo de subida (del 10 al 90 %), ts, y la frecuencia de corte (o ancho de banda)(a — 3 dB),/0. Para un sistema de paso bajo de primer orden la respuesta a una entrada en escalón es del tipo

v (t )=1−e−t /τ

Donde τ=2π f 0 de ahí se deduce

f 0. t s=0.35

Así, por ejemplo, en un osciloscopio de 10 MHz, ts=35 ns, y en uno de 1 GHz, ts = 350 ps.Si se mide el tiempo de subida de un pulso rápido hay que tener en cuenta este tiempo de subida propio del osciloscopio. Cuando ambos tiempos son similares (como máximo uno triple del otro) se puede aceptar que el tiempo de subida final es la suma cuadrática del de la señal y el del osciloscopio.

La estructura del sistema de deflexión vertical es la que se muestra en la figura 2.7. El esquema eléctrico del selector de entrada es el de la figura 2.8. En la posición AC se bloquea el paso a la corriente continua, y así se pueden medir señales alternas superpuestas a niveles de tensión continua altos. Por ejemplo, transitorios en señales TTL, rizado en fuentes de alimentación, etc. En esta posición se tiene, pues, un aumento de resolución, pero se puede provocar una atenuación indeseada de las señales de baja frecuencia.La posición GND es la de referencia: la señal de entrada queda desconectada (no se cortocircuita) y se conecta la entrada del osciloscopio a 0 V.

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En la posición DC se conecta directamente la señal de entrada al atenuador. En osciloscopios de alta frecuencia a veces se dispone, además, de una posición en la que la impedancia de entrada es de 50Ώ.El atenuador determina la magnitud de la señal presente a la entrada del amplificador. Debe presentar impedancia constante a todas las frecuencias, es decir, debe ser un atenuador compensado (figura 2.9). Para compensar la atenuación debida a la inevitable capacidad de entrada del amplificador Ce, hay que añadir una impedancia externa Za

Za=Ra

1+ jωRaCa

Dado que la impedancia de entrada del amplificador es

ze=Re

1+ jωReC e

la tensión presente a la entrada del amplificador será 

V s

V e

=Ze

Za+Ze

y si Ra y Ca se eligen de forma que RaCa= ReCe, entonces se cumple

V s

V e

=Ze

Za+Ze

que es una relación constante, independiente de la frecuencia.Si se dispone de un conjunto de valores para Ra, con los correspondientes condensadores Cfl, se puede lograr que la tensión Vs tenga siempre el mismo margen de valores, acomodando así al osciloscopio tensiones de entrada Ve muy dispares. Esto facilita el diseño del amplificador posterior que de este modo puede ser de ganancia constante.La atenuación máxima suele ser del orden de 500:1, en una secuencia 1-2-5- 10. Con esta secuencia, los cambios de sensibilidad correspondientes (expresados en decibelios) son prácticamente iguales. El cambio de una a otra atenuación se realiza mediante el conmutador V/DIV situado en el panel frontal.La inexactitud en la relación de atenuación es del orden de 3 % en un osciloscopio simple, y de 1,5% en los de mayor calidad. En la medida de tensiones sobre la pantalla hay que tener en cuenta, además, la resolución, que es del orden de ± 1/20 de la amplitud de una división principal.El amplificador de deflexión consta de varias etapas con ganancia fija, minimizándose así los problemas de estabilidad y ancho de banda. No obstante, en el panel frontal (junto con el control V/DIV) hay un ajuste fino de ganancia, GAIN vernier, que permite tener una ganancia intermedia, con ajuste continuo, entre los pasos calibrados establecidos por el atenuador.Si, por ejemplo, la atenuación máxima, A, es de 500:1, la ganancia, G, es de 2000, y la tensión de deflexión necesaria, Vd, es de 20 V, la tensión máxima de entrada al canal deberá cumplir

V e=A V d

G

Con los valores de este ejemplo, este máximo es de 5 V, mientras que la tensión mínima (atenuación 1) sería de 10 mV.La etapa de amplificación final tiene salida diferencial. Así se aumenta la linealidad de la deflexión y se rechazan las señales de interferencia en modo común.La adición de una tensión continua a la señal, en este amplificador, permite variar la posición vertical del trazo en la pantalla. Este control, denominado de POSICION vertical, es accesible en el panel frontal. Si está situado antes que el GAIN vernier, el ajuste de ganancia afecta al nivel de

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continua no sólo de la señal, sino también al de posicionamiento. En caso contrario, no. Cada situación tiene sus ventajas, pero lo usual es que el control de posición sea el último.Cuando el tiempo de subida de la señal es rápido (inferior a unos 50 ns) entre el preamplifícador y el amplificador de deflexión vertical y después de la toma de señal de disparo, se dispone una línea de retardo, impresa o coaxial.La línea de retardo retrasa la llegada de la señal vertical a las placas para dar tiempo a que los circuitos de disparo y la base de tiempos den su señal a las placas horizontales. Se puede observar así la parte inicial del flanco de subida de la señal que dispara al osciloscopio, e incluso parte de la señal previa al instante de disparo. Si la salida del preamplifícador es ya diferencial (como suele ser habitual), debe haber una línea igual para cada rama. Los amplificadores del eje Z deben tener el mismo retardo que los del sistema de deflexión horizontal.

Canales múltiplesSi se presentan en una pantalla dos o más canales, se pueden hacer comparaciones entre ellos, medidas de tiempos relativos, etc. Dado su interés, la mayoría de osciloscopios actuales tienen al menos dos canales.Lo ideal sería tener uno de dos cañones de electrones, o al menos de dos haces, cada uno con su sistema de placas de deflexión verticales, tal como se describe en la figura 2.10. De este modo se pueden presentar separada y simultáneamente dos señales. Por ejemplo, dos señales no recurrentes de breve duración, como las que surgen en estudios de estímulo-reacción (en medicina, biología, ingeniería mecánica, etc.). Su coste, sin embargo, es alto.Lo habitual es tener un único haz y dos sistemas de preamplificación y atenuación en la deflexión vertical, tal como se indica en la figura 2.11. Un conmutador permite que ambos canales usen el amplificador final de deflexión vertical, que es único. Puede hacerse bien de forma alternativa presentando un canal en cada barrido (modo ALTERNATE), bien trazando sucesivamente un fragmento de cada canal a lo largo de un barrido (modo chopper). En este caso debe suprimirse el haz al pasar de un canal a otro. Es obvio que en estos

Figura 2.10 Esquema de bloques de un osciloscopio de doble haz (canales verticales).  

Figura 2.11 Esquema de bloques de un osciloscopio de doble trazo (canales verticales).

Osciloscopios puede que se pierda un transitorio rápido en un canal mientras se está ocupado en el trazado del otro.El modo ALTERNATE (ALT) se usa a velocidad de barrido alta (normalmente para frecuencias altas). A baja frecuencia, las fluctuaciones serían muy molestas o bien se requeriría mucha persistencia para poder visualizar los dos canales enteros. Para poder medir desfases entre los dos canales debe emplearse uno de los dos como fuente de disparo externo (EXT. TRIG.), ya que hay un cierto tiempo muerto desde que se acaba el trazado de un canal hasta que se inicia el del otro.El modo CHOPPER se usa cuando las velocidades de barrido son lentas (frecuencias bajas). Para poderlo utilizar con frecuencias altas, la velocidad de conmutación, que debe ser superior a la frecuencia de la señal, debería ser excesivamente alta. En algunos osciloscopios se pasa automáticamente de CHOP a ALT cuando el tiempo de barrido supera un cierto valor prefijado, por ejemplo 0,1 ms/div.Cuando se dispone de varios canales, suele haber varias opciones en la elección de las señales presentadas. Si hay dos canales Ay B, por ejemplo, puede que se permita la visualización de: Canal A, Canal B, A y B (ALT/CHOP), A + B, A-B, A + (— B).En la opción A — B, en el amplificador A de entrada, que es diferencial, se toma B como entrada negativa y A como positiva. Permite realizar medidas diferenciales si se igualan las características de los dos canales antes de la medida. La señal de modo común no debe saturar al amplificador vertical. Si al mover los controles POS. VERT. o V/DIV (cambio de escala) hay saltos bruscos en la pantalla, es síntoma de que se produce alguna saturación. La opción A — Bsq puede aplicar, por ejemplo, a la medida de la tensión entre dos puntos que no están conectados a tierra, sin cargar el circuito (tensión base-emisor en un transistor). También permite quitar el nivel de continua de señales de baja frecuencia sin distorsionarlas como haría el selector de entrada AC/DC.En la opción A + (— B), en el amplificador de deflexión vertical, que es diferencial, se suma A con B

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invertida. Permite también la realización de medidas diferenciales, aunque con resultados inferiores a los de la opción A — B.

SISTEMA DE DEFLEXION HORIZONTALLa función del sistema de deflexión horizontal es desplazar a velocidad constante (es decir, linealmente) el trazo, de izquierda a derecha de la pantalla, representando el eje de tiempos, o bien representar fielmente una señal de entrada (modo X-Y, figuras de Lissajous). Durante el retorno de la señal de barrido, mientras no hay barrido (esperando el disparo) y durante la conmutación de uno a otro canal en modo CHOPPER, se suprime el trazo. Su estructura es la representada en la figura 2.12. El conjunto del generador de barrido y el circuito de disparo constituye la denominada base de tiempos del osciloscopio.

Generador de barridoEl generador de barrido produce una señal en forma de diente de sierra, con una rampa de tensión que provoca el desplazamiento del haz de izquierda a derecha y una caída brusca que provoca el retorno rápido del haz de derecha a izquierda (flyback), durante el cual se suprime la intensidad del haz.Suele estar basado en el integrador Miller, donde se carga un condensador con corriente constante, convirtiendo un escalón de entrada (procedente del circuito de disparo)

en una señal en diente de sierra. La constante de tiempo del circuito viene determinada por una resistencia y un condensador. Este se conmuta para establecer las distintas velocidades de barrido calibradas [control Tl.ME/Div (T/DIV) en el panel frontal], mientras que la resistencia se usa para ajustar el tiempo de barrido entre pasos calibrados. Normalmente hace que el barrido sea más lento.Las velocidades de barrido ofrecidas van desde 200 ps/div hasta 5 s/div, en una secuencia 1-2-5-10. Suele haber, además, un multiplicador con variación continua, o en dos saltos de 5 y 10, que permite tener una velocidad de barrido mayor con ajuste continuo (o 5 y 10 veces mayor,

respectivamente).Una vez acabado un barrido, no conviene que se produzca otro antes de que el condensador del integrado* se haya descargado completamente. Para ello, al terminar el barrido se genera un pulso que dura hasta que haya finalizado dicha descarga. Este pulso se usa para inhibir al circuito de disparo de posibles activaciones durante este tiempo —que varía en función de T/DIV— (figura 2.13).En algunos osciloscopios, este periodo de retención (hold off) puede hacerse variable de modo que se pueda obtener una imagen estable en situaciones complejas. En estos casos, el margen de variación queda establecido internamente, de forma directa, en consonancia con la duración de barrido elegida (T/DIV). De hecho, estas situaciones pueden resolverse también con el ajuste fino de T/DIV, pero éste hace perder la calibración. Con el HOLD OFF se

ajusta la duración total del ciclo de presentación, manteniendo calibrado el tiempo de presentación (barrido).La existencia del tiempo de retención implica que el osciloscopio no puede compararse a una ventana por donde se mira continuamente la evolución de la señal, sino más bien a un proyector de diapositivas de fragmentos de dicha señal superpuestas.

Circuito de disparoEste circuito obtiene a partir de la señal de disparo elegida (interna o externa) un impulso que

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inicia finalmente al integrador Miller, sincronizando así el barrido con la señal a observar y, además, controla el amplificador de puerta.Si no hubiese circuito de disparo, sólo habría una representación estable cuando la duración de la rampa más el tiempo de retención fuera un submúltiplo del periodo de la señal a presentar. Esto es poco deseable porque puede suceder que una señal no sea periódica o bien que, aun siéndolo, la parte a observar sea muy pequeña en comparación con el periodo. Interesa, pues, que el barrido se produzca a partir de un punto elegido y sólo durante un cierto tiempo.La fuente de disparo puede ser una señal externa (EXT), la señal de red o una señal interna (INT). En el primer caso, el disparo se hace independiente¬mente de todos los controles verticales. Su umbral se indica directamente en niveles de tensión, por ejemplo 100 mV. Suele disponer de un atenuador para evitar saturaciones internas y a la vez atenuar el ruido (junto con la señal). Si el disparo se realiza a partir de una señal tomada de la red (internamente), se pueden descubrir interferencias debidas a ésta o sintonizar un generador a dichas frecuencias y sus múltiplos.Si como fuente de disparo se toma una señal interna (derivada de uno de los canales verticales), viene afectado por el selector de entrada y por el atenuador. Los otros controles verticales afectan o no dependiendo de su posición respecto al punto donde se deriva la señal. Su umbral se indica por el número de divisiones (verticales) que debe ocupar la señal en la pantalla para poder dar un disparo. Si hay varios canales con frecuencias múltiplos unas de otras, para el disparo hay que elegir la de frecuencia más baja.El selector de disparo determina el modo de acoplamiento de la señal de disparo (continua, alterna) y la pendiente elegida (ascendente, descendente). Si la señal no es simétrica, puede interesar el disparo con uno u otro flanco, ya que conviene poner siempre el nivel de disparo en el punto de máxima pendiente (para evitar los efectos del ruido).El control de nivel de disparo permite seleccionar el punto de inicio del barrido. Con este control se determina el nivel de tensión continua en la entrada de un comparador. En la otra entrada se pone la señal elegida para iniciar el disparo, acoplada según se haya elegido.El «modo» de disparo se refiere a la repetición de los barridos. En modo NORMAL el punto de disparo viene determinado por el NIVEL dispuesto, y no hay barrido hasta que se alcanza dicho nivel. En el denominado modo automático (AUTO TRIGGER), si al cabo de un tiempo fijo (de 0,2 a 0,5 s) o de un tiempo que depende de la duración de barrido elegida, después del último disparo no se ha producido otro, se inician libremente barridos sucesivos. En cuanto hay una nueva señal de disparo, se acaba el barrido en curso y se vuelve a esperar el tiempo correspondiente.Este modo automático permite obtener un trazo visible en la pantalla, tanto a hay señal vertical como si no la hay. En este caso, con disparo normal no se sabría si no hay una señal o bien si ésta no alcanza el nivel de disparo. No obstante, hay que tener en cuenta que si se basa en un tiempo de espera constante no se puede usar con señales con frecuencia de repetición demasiado lenta.En el modo de disparo single, después de un barrido, no se aceptan nuevos impulsos de disparo hasta que se haya pulsado un control de iniciación < RESET). Después de esto, acepta un único nuevo disparo. Se utiliza, por ejemplo, en osciloscopios de memoria y para tomar fotografías de señales no repetitivas.

Amplificador de deflexión horizontalEs el encargado de suministrar a las placas de deflexión horizontal una señal diferencial de amplitud adecuada al factor de deflexión de dichas placas, y con la forma determinada por la base de tiempos.

Dado que sólo debe procesar señales en forma de diente de sierra, con amplitud alta constante y frecuencia relativamente baja, las exigencias de ganancia y ancho de banda son menores que para el amplificador de deflexión vertical. Sin embargo, si se desea hacer medidas en modo X-Y, todo el canal X debe tener las mismas características que el canal Y.Una variación en la ganancia de este amplificador permite tener una expansión de la señal en dirección horizontal (MAGNIFIER, MULTIPLIER, etc.). Este aumento de resolución en el eje de tiempos, sin necesidad de cambiar nada más. Se obtiene sin cambiar el punto de disparo, como sucedería si se accionara el conmutador de la base de tiempos (T/DIV). Permite, además, estudiar fragmentos de toda una señal visualizada.Otro control que incide en esta etapa de amplificación es el de POSICION horizontal. Su acción se basa en sumar un nivel de tensión continua a la señal de la base de tiempos, de forma que su ajuste permite variar la posición del punto sobre la pantalla, en dirección horizontal. Este control está situado antes de la etapa donde se varía la ganancia citada anteriormente.

Bases de tiempos doblesPara facilitar el análisis de las señales, algunos osciloscopios poseen dos bases de tiempos, denominadas base principal y base retardada.La base principal es una base de tiempos normal. La base retardada empieza su barrido un cierto tiempo después (delay time) de iniciado el barrido principal y acaba, como siempre, al alcanzar el borde derecho de la pantalla. Su disparo suele tener las mismas opciones de selección que la base principal, excepto RED, y funciona siempre haciendo un barrido único (SINGLE SWEEP).El nivel de disparo de la base retardada, que determina el punto de disparo y, en definitiva, el retardo, se establece con un potenciómetro multivuelta (10 vueltas) desde 00,0 a 10,0 (delay multiplier). El tiempo de retardo depende de la posición del conmutador T/DIV de la base principal. Si el potenciómetro está bien calibrado, se pueden hacer de esta forma medidas de tiempo muy precisas.La velocidad de barrido de la base retardada debe elegirse siempre más rápida que la de la base principal. De este modo se «amplifica» la señal visualizada. En algunos modelos, el barrido de la base retardada puede iniciarse (según se elija) en cuanto se alcanza el retardo señalado o, bien, cuando se reciba la primera señal de disparo a partir del instante en que se ha superado dicho retardo.Según el modelo, en la pantalla pueden presentarse otras señales, aparte de la ofrecida por el barrido principal, intensificado en el punto correspondiente al retardo elegido. Algunas de éstas son:

La ofrecida por el barrido retardado (Delayed sweep). Se ve la señal amplificada (y con la intensidad adecuada a pesar de ser un barrido más rápido, porque se suma una tensión a la señal que va al eje Z).

Las obtenidas con un doble barrido: el barrido principal intensificado y el barrido retardado alternativamente. Al final de cada barrido de la base principal (intensificada en la zona a ampliar) se conmuta electrónicamente el amplificador de deflexión horizontal a la base retardada, a la vez que se suma una señal continua al amplificador de deflexión vertical en la zona donde opera el control POSICION. De este modo, se ven dos canales en la pantalla.

La obtenida con un barrido mixto (mixed). En cuanto se alcanza el retardo prefijado y, por tanto, empieza a funcionar la base retardada, es ésta la que controla la velocidad de barrido.

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OSCILOSCOPIOS ESPECIALESLos controles y características de los osciloscopios vistos en los apartados precedentes son, excepto las bases de tiempo dobles, comunes a la mayor parte de modelos. Existen numerosas posibilidades adicionales, y continuamente van apareciendo otras nuevas. Pero para algunos problemas de medida específicos, hay que utilizar osciloscopios que difieren de lo expuesto hasta aquí en algún aspecto muy fundamental.

Osciloscopios de memoria analógicaEn un osciloscopio de memoria se presenta una señal aun después de haber ocurrido, quedando retenida durante un tiempo, independientemente de la persistencia del fósforo. Los osciloscopios de memoria «analógica» emplean TRC especiales, ya que es una superficie de memorización la que retiene la imagen. Admiten, además, un borrado y funcionamiento en modo normal (sin memorización).Sus aplicaciones habituales son: la presentación de señales lentas, la captura y presentación de señales rápidas no repetitivas, y la comparación de dos señales que no se produzcan simultáneamente.Hay diversos tipos de osciloscopios de esta clase, según la forma de realizar la memorización: de memoria biestable, de persistencia variable, de transferencia de carga y de expansión de memoria. Los tiempos de memorización van desde los 15 s hasta las decenas de horas.En los osciloscopios de memoria biestable se utilizan dos tipos de cañones de electrones en el tubo: un cañón de escritura (normal) y dos cañones de «iluminación» que funcionan en paralelo. Hay un único blanco para ambos sistemas de cañones: un fósforo dopado para tener una buena reemisión de electrones al incidir en él un haz (emisión secundaria).El blanco está constituido por partículas de fósforo dispersas y con una deposición muy superficial, de modo que no hay continuidad eléctrica y pueden considerarse como múltiples blancos independientes. No obstante, la imagen es homogénea porque hay más de una partícula en el grosor de la capa. Este blanco está sobre una placa conductora metálica transparente depositada en la cara frontal anterior del tubo, y actúa como electrodo de control.Estos osciloscopios sólo pueden funcionar memorizando o no, pero sin admitir tonos intermedios. Durante el proceso de escritura el haz principal deja cargadas las zonas del blanco por donde pasa, al desprenderse de éste electrones secundarios por la incidencia de dicho haz. Los haces de iluminación funcionan continuamente, y el electrodo de control se fija a un potencial alto. De este modo, una vez finalizado el barrido, las zonas «escritas» atraen electrones de los haces de iluminación, reproduciendo nuevamente la imagen.El proceso de «borrado» se realiza reduciendo el potencial del electrodo de control, y manteniendo suprimido el haz de escritura.Algunos modelos llevan electrodos de control en dos mitades independientes, que se corresponden con la parte superior y la parte inferior de la pantalla. De esta forma puede tenerse, si se desea, una zona con memoria y otra sin ella. Se aplica, por ejemplo, para hacer comparaciones respecto a una señal de referencia memorizada.En los osciloscopios de persistencia variable se retiene la imagen durante el tiempo que se desee y con un brillo seleccionable. Tienen también dos sistemas de cañones, de escritura y de iluminación, pero ahora hay dos blancos: la pantalla de fósforo normal, con un recubrimiento interno de aluminio, y una malla recubierta con un dieléctrico, que actúa de superficie de memorización. Entre dicha malla y los cañones de iluminación hay una malla colectora.

Cuando la superficie de memorización ha quedado «escrita» (cargada positivamente), por el desprendimiento de electrones secundarios al incidir el haz principal, permite el paso hacia la pantalla de los electrones de iluminación, acelerados por el alto potencial a que está conectado el recubrimiento de aluminio de la pantalla. En cambio, cuando dicha superficie no está cargada positivamente, repele los electrones de iluminación, que son recogidos por la malla colectora.El brillo de la imagen memorizada puede variarse aplicando trenes de pulsos a la rejilla de aceleración del cañón de iluminación, pero a mayor brillo menor es el tiempo de memorización. Esto se debe a que con el bombardeo son cada vez más los puntos de la superficie de memorización que quedan cargados a +0 V. Es decir, se tiene un «apagado positivo».La persistencia variable se logra aplicando trenes de pulsos, de anchura o frecuencia ajustables, a la malla de memoria donde está depositada la superficie de memorización. Por acoplamiento capacitivo, ésta alcanza a cada pulso un potencial positivo, y atrae más a los electrones de iluminación.El borrado se realiza pulsando un control que pone a la malla de memoria al potencial del colector. Por acoplamiento capacitivo, la superficie de memorización también se hace muy positiva. Entonces atrae a todos los electrones de iluminación, y se produce luz en toda la pantalla, perdiéndose todo lo escrito anteriormente.En funcionamiento normal la malla de memoria se pone a 0 V de forma que todos los electrones de iluminación se quedan en el colector, que está a +100 V.En los osciloscopios de transferencia de carga (o transferencia rápida) hay dos mallas de memoria y dos superficies de memoria en vez de una como en el caso anterior. Una tiene una alta emisión secundaria, por lo que permite una velocidad de escritura rápida. La otra, en cambio, tiene el recubrimiento optimizado para tener buen aislamiento y, por tanto, una buena memoria. Normalmente, la optimización de uno de estos dos parámetros en un material implica un empeoramiento del otro: si emite muchos electrones secundarios, se experimenta antes un borrado positivo.En dichos osciloscopios, una vez se ha hecho un barrido con el haz de escritura, se aplica un breve pulso de alta tensión a la segunda malla de memoria, pasando así electrones de iluminación a través de las zonas de la primera malla donde se había «escrito», y que son capaces de escribir en la segunda. A partir de este punto, el sistema funciona como uno de persistencia variable. Con una pantalla adecuada puede hacerse también biestable.En los osciloscopios con expansión de memoria (Expansión storage) el blanco de memoria (malla de memoria y superficie de memorización dieléctrica) es de sólo 1 cm2, de modo que queda escrita rápidamente. Pero entre este blanco y la pantalla de fósforo frontal de presentación hay un sistema de lentes electrostáticas que proyectan la imagen memorizada sobre la pantalla, ampliándola.

Osciloscopios digitalesHay dos tipos de osciloscopios en los que se realiza algún proceso de conversión A/D de las señales a estudiar. A uno pertenecen aquellos que presentan digitalmente el resultado de alguna medida realizada sobre dichas señales. El otro lo constituyen aquellos que memorizan digitalmente la forma de onda completa. Hay modelos que incorporan ambas cualidades. Los osciloscopios con presentación digital facilitan el análisis de señales pues aumentan la exactitud y velocidad de la medida. Las magnitudes medidas normalmente son: intervalos de tiempo, frecuencia y tensión.

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Tienen una base de tiempos con doble retardo (figura 2.14). En éstas, en vez ce comparar la rampa del barrido principal con una tensión continua que marca la entrada en funcionamiento de la base retardada, se hace una vez esto y a la segunda, es decir, al siguiente barrido, la comparación se hace con una tensión mayor, lo que supone un desplazamiento a la derecha del punto de inicio del nuevo barrido retardado. El barrido es tan rápido que en pantalla aparecen simultáneamente el punto inicial (START) y el final (STOP). Para establecer bien los puntos de medida, el ajuste fino debe realizarse visualizando la base retardada.

Figura 2.14 Base de tiempos con doble retardo.

Los puntos inicial y final entre los que se realiza la medida pueden fijarse con un potenciómetro multivuelta, o puede ser la tensión de salida de un convertidor D/A controlado por un microprocesador, en cuyo caso se posiciona pulsando sucesivamente un botón que provoca incrementos/decrementos. De ser así, además del tiempo entre los puntos remarcados en la pantalla, se puede medir la diferencia de tensión entre ellos, calcular la frecuencia (1/7), rebasamientos, etc. En la figura 2.15 puede verse el resultado de una medida de diferencias de tiempo entre dos zonas intensificadas en la pantalla en el barrido, y representadas con mayor detalle en el barrido inferior.Las medidas de tiempo realizadas con este método son más exactas porque, al hacer la diferencia, se cancelan los errores que son constantes a lo largo del eje horizontal del osciloscopio.En los osciloscopios con memoria digital se digitalizan las señales que se desea visualizar en la pantalla. El tiempo de memorización viene limitado sólo por la vida del medio de memorización, que no es el tubo sino componentes de estado sólido. En la figura 2.16 se presenta el esquema de bloques de un canal

Figura 2.1 5 Medida de diferencias de tiempo con el osciloscopio Tektronix 2236. El resultado corresponde al intervalo de tiempo entre las dos zonas con mayor brillo en el barrido superior, ampliadas en el barrido inferior. (Cortesía de

Tektronix Española S.A.)

Figura 2.16 Canal vertical de un osciloscopio con memoria digital.

vertical de un osciloscopio de este tipo, que puede funcionar además en modo normal (sin memoria), y tiene señales de salida digitales.La señal de entrada es acoplada y atenuada según se desee (en algunos modelos mediante control digital) y después de derivar la señal de disparo se digitaliza mediante un convertidor A/D de alta velocidad (tipo flash, por ejemplo), que va precedido de un circuito de muestreo y retención —sample and hold— y vuelca su contenido en una memoria rápida. Esta memoria se puede leer a distintas velocidades, para obtener, mediante un convertidor D/A y un filtro de paso bajo, una réplica de la forma de onda de entrada con una escala de tiempos seleccionable. Esta señal es la que se presenta en la pantalla. Una unidad de control, que incluye un oscilador —reloj— de varias decenas de megahercios, se encarga de temporizar la adquisición, la lectura de la memoria y ‘refresco» de la pantalla, de disponer los elementos programables de acuerdo con las órdenes recibidas, de la transmisión de la información a través de las interfaces de comunicación, etc.Sus ventajas respecto a los osciloscopios con memoria analógica son múltiples, tanto en lo relativo

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a la presentación como al análisis de las señales. En cuanto a la presentación, permiten ver no sólo la señal posterior al disparo, sino también la precedente. Permiten también ampliar una zona dada (zoom), así como la realización de un barrido a velocidad lenta, imitando un registrador de papel continuo (roll mode).Respecto al análisis, tienen mayor resolución, ya que con memoria analógica se logran sólo 0,3 mm sobre 8 cm, y bastan 9 bits para superarlos. Otras ventajas son la transmisión de la información digitalizada y el procesado digital inmediato de las señales que ofrecen algunos modelos.Su principal inconveniente es que tienen un ancho de banda menor que los analógicos. Ello se debe a que la señal de entrada hay que muestrearla a una frecuencia superior al doble de la máxima frecuencia de interés. Además, dado que el número de muestras es fijo (determinado por el tamaño de la memoria), la frecuencia de muestreo debe cambiarse al variar la posición de la base de tiempos (T/DIV), Es decir, si el periodo de muestreo es Tm, el periodo de la señal Tf y el tamaño de la memoria es N, debe cumplirse

N=T s /T m

En consecuencia, el ancho de banda no es constante como en un osciloscopio analógico, sino que lo determina la duración del barrido, y no depende de la amplitud de la señal (como en los analógicos, debido a la velocidad máxima de escritura).

Ejemplos:

Si N=10 000 y fm máx. = 100 MHz (Tm= 10 ns)

1) Para una señal de 1 MHz, Ts= 1 us, se dispondría la base de tiempos en 0,1 us/div y así visualizar un ciclo entero. Para tener 104 puntos, Tm debería ser

Tm=1μs104

=0.1ns❑

es decir, la frecuencia de muestreo debería ser de 10 GHz. Con Tm=10 ns se obtienen

N= 1μs10ns

=100 puntos

lo que, ciertamente, supone una resolución muy pobre.

2) Para una señal de 1 kHz, Ts= 1 ms, se dispondría la base de tiempos en 0,1 ms/div. Con Tm=10 ns se obtienen

N= 10−3 s10−8ns

=105 puntos

que no cabrían en la memoria. Para tener 104 puntos hay que hacer

T m=10−3 s10−8 s

=10−7 s

es decir, fm= 10 MHz.

3) BPara una señal de 10 kHz, Ts= 100 us, se dispondría la base de tiempos en 10 us/div. El periodo de muestreo vendría dado por

T m=10−4

104=10−8 s

y, por tanto, la frecuencia de muestreo podría ser de hasta 100 MHz. Pero si la señal de entrada es, por ejemplo, una cuadrada de 10 kHz, hay armónicos hasta frecuencias muy altas y, si se trata de un pulso, todavía más. Y, sin embargo, sólo se muestrean las componentes de frecuencia menor.Estas limitaciones de ancho de banda van siendo superadas con frecuencias de muestreo cada vez mayores, y con memorias de mayor capacidad, por lo que estos osciloscopios van desplazando paulatinamente a los de memoria analógica en muchas aplicaciones. En la figura 2.17 se presenta un osciloscopio de memoria digital con ancho de banda de 150 MHz, 2 canales, 8 bits de resolución, velocidad de digitalización de 100 millones de muestras cada segundo, y 8 kbytes de memoria.

Osciloscopios de muestreoSu funcionamiento es similar al de un estroboscopio: se muestrea la amplitud de la señal a representar y se «sintetiza» la señal que se presenta, a base de trazar muchos puntos de la misma. La señal debe ser repetitiva, es decir, debe estar presente cada vez que se toma una muestra, de bajo nivel (1 a 2 V), debido a las características de las puertas de muestreo, y de fuentes de baja impedancia.Su necesidad surge a alta frecuencia ya que las capacidades parásitas absorben mucha energía, pues al tener baja impedancia hay que dar mucha corriente para tener en bornes una tensión constante (la de deflexión). Con FD

Figura 2.17 Osciloscopio de memoria digital que tiene también capacidad de medidas de tempo, frecuencias y

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tensiones, con presentación numérica en pantalla. (Cortesía de Tektronix Española S.A.)entre 10 y 100 Y/cm, por ejemplo 50 V/cm, para 4 cm de deflexión con una señal de 1 ns de tiempo de subida, y C= 1 pF

E=12C .V 2; P=dE

dt=12C

(∆V )2

∆ t=1210−12 (200 )2

10−9 =20w

Con el muestreo (subarmónico) sólo los circuitos de entrada, puertas de muestreo y circuitos de disparo, deben ser capaces de manejar señales de frecuencia muy alta. Los otros basta que puedan manejar la frecuencia de muestreo, que puede ser hasta 100 veces inferior a la de la señal.Los osciloscopios de muestreo no tienen, pues, diferencias en el tubo, sino sólo en la base de tiempos y el amplificador vertical. 

SONDAS PARA OSCILOSCOPIOLa impedancia de entrada del atenuador compensado en el canal vertical de un osciloscopio es del orden de 1 MQ en paralelo con una capacidad de decenas de picofaradios. Esta impedancia varía, pues, con la frecuencia, aparte de resultar demasiado pequeña tanto a altas como a bajas frecuencias. Por ello, en la mayoría de las medidas hay que recurrir al uso de una sonda externa. Lamentablemente, no hay una sonda «universal», sino que debe elegirse según el tipo de medida a realizar y según el osciloscopio.

Sondas de tensión pasivasConsidérese la situación de medida descrita en la figura 2.18: se conecta una señal Vs, con impedancia de salida resistiva Rs, a un osciloscopio con impedancia de entrada Re//Ce, mediante un cable coaxial de capacidad Cc. La tensión a la entrada del osciloscopio será, en continua

V 0=V s

Re

R s+Re

y en alterna

V 0=V s

Re

R s+Re

donde Ze=Re//(Ce + Cc).Resulta, pues, que mientras en continua la atenuación es constante (y de ahí que se haga Re alta, para tener poco efecto de carga), en cambio en alterna la atenuación depende de la frecuencia, por variar Ze con ésta. Además, si, por ejemplo, Ce es de 20 pF y Cc es 100 pF (1 m de cable), a 1 MHz la impedancia Ze pasa a valer sólo 1,3 kΏ. Esto implica que hay que medir en un punto del circuito donde la impedancia de «salida» (Rs) sea muy baja, pues, de lo contrario, se carga al circuito y puede cometerse un error de medida e incluso

Figura 2.18 circuito de entrada en la medida de tensiones.

hacer que deje de funcionar (caso de los osciladores, por ejemplo). Además, se introduce un desfase adicional en la señal.La alternativa de usar un par de hilos separados (con menor capacidad que el cable coaxial), implicaría tener que soportar mayores interferencias, al no estar apantallados. Con una sonda divisora de tensión se obtiene mayor resistencia de entrada y menor capacidad paralelo que con el osciloscopio solo, sin aumento de las interferencias, a costa de una atenuación adicional en la señal (figura 2.19).

Figura 2.19 Fundamento de una sonda divisora compensada.

Ahora, la tensión en la entrada del osciloscopio, supuesta Rs mucho menor de 10 MΏ, es

V 0=V s

Ze

Z+Ze

=V s

Re

1+ jω ReC e

1+ jωRCR+Re

Si se cumple ReCe=RC, entonces

V 0=V s

Re

R+R e

=V s

10

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con independencia de la frecuencia, tal como se había visto para el atenuador compensado. Como Ce varia de un osciloscopio a otro, e incluso de uno a otro canal en el mismo osciloscopio, se hace C ajustable. Para el ajuste se emplea la señal de CALIBRACION o AJUSTE DE SONDA del osciloscopio, que es una onda cuadrada de 1 kHz. De esta forma se compensa también la capacidad del cable coaxial. En la figura 2.20 puede verse el proceso de ajuste completo. En la figura 2.20a la sonda está sobrecompensada, pero si se ajusta de la forma indicada puede obtenerse el resultado de la figura 2.20b, que es la situación correcta. Si se excede del punto adecuado, se obtiene una subcompensación como se indica en ‘.a figura 2.20c.Si la sonda se emplea para atenuar una señal que se va a utilizar para

Figura 2.20 Ajuste de una sonda de tensión para osciloscopio. (Cortesía de Instrumentación Electrónica Promax S.A.). En el caso a), está sobrecompensada; en el caso c) está subcompensada. La situación correcta

es la del caso b).

Figura 2.20 (Continuación.)

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sincronismo externo, hay que considerar que la capacidad de entrada de EXT TRIG es distinta (en general, mayor) que la del amplificador vertical y que interesa que el flanco de la señal sea muy rápido, no que se reproduzca bien la forma de onda. Por ello, en este caso, interesa ajustar la capacidad de la sonda a su valor máximo.La impedancia de entrada equivalente, excluyendo la capacidad de la punta de la sonda al entorno, es

Z= R1+ jωRC

+Re

1+ jωReCe'

donde C’e=Ce+Cc.

Si la sonda está compensada, la admitancia es

Y= 1Z=1+ jωReC e

'

R+Re

= 1R+Re

+ jωC e' Re

R+Re

Así pues, la resistencia de entrada aumenta a R + Re, mientras que la capacidad de entrada se reduce a

C e' Rc

R+Re

≅Ce

'

10

Considerando la presencia de la capacidad de la punta al entorno (Cp), la capacidad total de entrada será

C t=C p+Ce

'

10<Ce

que es del orden de 15 pF (<120 pF) y, por tanto, a igual resistencia Rs se puede medir hasta frecuencias mayores. La impedancia de entrada total es del orden de 10 MΏ//15 pF, de forma que la atenuación por 10 sólo se cumple para frecuencias más o menos altas, según sea el valor de Rs.La capacidad de entrada se puede reducir más aún y, por tanto, medir a frecuencias más altas sin distorsión de amplitud, usando una sonda divisora por 100. Se obtienen así impedancias del orden de 10 MΏ//2 pF, que ofrecen una atenuación fija hasta frecuencias mayores, pero se requiere mayor sensibilidad. Sirven también para medidas de alta tensión.Si lo que interesa medir no son amplitudes sino tiempos de subida y, en general, a alta frecuencia, se usan osciloscopios con 50 Ώ de resistencia de entrada, no importando la posible carga que experimente el generador de señal. Para que el tiempo de subida de la sonda sea bajo, y así influya poco en la medida, debe ser pequeño el conductor de entrada. Para ello se dispone de sondas pasivas miniatura que logran impedancias de 500 Ώ//1 pF y 5000 Ώ// 1 pF, con atenuaciones de 10 y 100, respectivamente. La tensión máxima de entrada que aceptan estos osciloscopios (sin sonda) es de unos ± 10V.Al hacer medidas diferenciales, no basta con ajustar cada sonda independientemente, ya que

podría haber un desequilibrio en las resistencias de entrada de cada canal, debido a su tolerancia. La situación se puede estudiar examinando la figura 2.21, donde Rx y R2 representan las resistencias de las sondas y RA y RB las resistencias de entrada respectivas de cada canal. No se consideran las capacidades, pues estas medidas suelen realizarse a baja

Figura 2.21 Análisis de una sonda de tensión diferencial. Frecuencia. La tensión diferencial de entrada, debida a la señal en modo común, Vmc debería ser nula. Sin embargo, su valor es

V A−V B=V mc ( RA

R1+R A

−RB

R2+RB)

¿V mc ( 1K1+1

−1

K2+2 )¿V mc

K 2−K1

(K1+1 ) (K2+1 )

Se observa que es necesario poder igualar las dos relaciones de atenuación Kl y K2, o de lo contrario la tensión en modo común producirá una señal en modo diferencial, es decir, una interferencia.

Sondas de tensión activasLas sondas pasivas sólo logran reducir su capacidad de entrada a base de una pérdida de

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sensibilidad. Las sondas activas, en cambio, presentan i simultáneamente) alta impedancia a frecuencias altas, y alta sensibilidad. Se emplean para medir a frecuencias superiores a 250 MHz, en osciloscopios de 1 MΏ o de 50 Ώ. La configuración de la sonda es distinta en cada caso.Tienen un amplificador FET interno, en la punta de la sonda (antes del cable), alimentado desde el osciloscopio, y con ganancia 1. Su margen dinámico es, pues, limitado debido a que el amplificador miniatura de entrada se satura pronto, pero pueden incorporar atenuadores para ampliarlo.Su capacidad de entrada es algo mayor que para las sondas pasivas miniatura. Las impedancias que se obtienen son del orden de 100 kΏ//3 pF cuando no hay atenuación, y del orden de 1 MQ//1,5 pF con atenuaciones de 10 y 100.

Sondas de corrienteLa medida de corrientes con un osciloscopio puede realizarse haciéndolas pasar por una resistencia, y midiendo entonces la caída de tensión en ésta. Pero hace falta insertar la resistencia en el circuito. Por ello se dispone de sondas que no requieren conexión directa al circuito donde se mide, sino que una pinza abraza al conductor por donde circula la corriente a medir. Si con la pinza de la sonda se abrazan dos circuitos con corrientes opuestas, se hacen medidas diferenciales. Además de no abrir el circuito, estas sondas suponen muy poca carga (< 1 pF).Hay dos clases de sondas de corriente: las de tipo transformador y las basadas en el efecto Hall. En las primeras, el conductor por donde circula la corriente a medir actúa como primario de un transformador cuyo núcleo (de ferrita) es la cabeza de la sonda, donde va devanado el secundario. Obviamente sólo se pueden aplicar a la medida de corrientes alternas.En las sondas basadas en el efecto Hall, hay un elemento Hall que detecta el campo magnético creado por la corriente a medir. De esta forma se pueden aplicar para corrientes tanto continuas como alternas.

Cualquiera que sea el tipo de sonda, el osciloscopio debe incorporar un amplificador o unidad especial para hacer la medida. Los márgenes de corrientes medidas van desde 1 mA hasta 500 A, con frecuencias de hasta 50 MHz. Las sondas de la figura 2.22 cubren este margen, y son ambas compatibles con el amplificador modular mostrado.

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TEMA : EL OSCILOSCOPIO

CURSO : INSTRUMENTACION Y MEDICION

DOCENTE : ING. Boris D’ ANGLES WOOLCOTT

INTEGRANTES :

o Hector F. AVILA AVILA

o Jhon GUERREROS CABALLEROS

o Elias W. SOLANO HUAROC

o Miguel A. MONTOYA CORDOVA

HYO - 2013