FUNCIONAMIENTO BASICO Y COMPONENTES INTERNOS DEL OSCILOSCOPIO OSCILOSCOPIA FUNCIONAMIENTO BASICO Y COMPONENTES INTERNOS DEL OSCILOSCOPIO

OSCILOSCOPIO digital y Analógico El osciloscopio es un elemento básico de casi cualquier laboratorio de electrónica. El mismo se utiliza para ver el desarrollo temporal de las señales analógicas, o para comparar las mismas entre si. Su principal función es la representación temporal de señales en pantalla, teniendo muchas otras funciones entre las cuales se incluyen, operaciones matemáticas (suma, multiplicación, FFT, etc.), representar una señal en función de otra, etc. Para entender el funcionamiento del Osciloscopio digital (el mas común hoy en día) comenzaremos por analizar su antecesor, el osciloscopio analógico, cuyo principio de funcionamiento es mas sencillo de entender y didáctico para los técnicos. Otra ventaja de comenzar estudiando el analógico es que nos permitirá entender la herencia que lleva el digital y así poder entender de donde provienen algunos términos y controles del mismo. AMESEA - 2016

Tubo de rayos catódicos La primer diferencia que notamos entre el osciloscopio (de ahora en adelante OSC) digital y el OSC analógico, es su pantalla. Mientras que en el digital es una pantalla de cristal liquido o LED, el OSC analógico utilizaba un TRC (tubo de rayos catódicos), elemento que se encontraba además en los viejos televisores. El mismo consta de un cañón de electrones que son disparados hacia una superficie cubierta de fosforo el cual se vuelve luminiscente cuando es impactada por los mismos. Los electrones son desviados (vertical y horizontalmente), acelerados, enfocados o bloqueados por un sistema de placas y anillos que veremos luego. A continuación se muestra un esquema básico de un TRC AMESEA - 2016

Tubo de rayos catódicos Los electrones son generados en el cátodo, atraviesan la rejilla de control pasan por el ánodo de enfoque (el cual sirve para “engrosar” o “afinar” el trazo), son acelerados en el ánodo acelerador, llegan a las placas de desviación horizontal donde se orientan horizontalmente, luego pasan por las placas deflectoras verticales para finalmente impactar contra la pantalla. AMESEA - 2016

Tubo de rayos catódicos A continuación se muestra un esquema de un TRC funcionando Como se puede ver entre el cátodo y el ánodo se coloca una tensión continua (dependiendo del TRC y el año algunos llegaban a los pocos kV) Luego se inserta la señal de entrada entre las placas verticales (el orden esta invertido respecto del dibujo anterior) y finalmente una diente de sierra para las placas horizontales AMESEA - 2016

Tubo de rayos catódicos AMESEA - 2016

Canales Verticales Ahora que entendemos como el OSC presenta en pantalla procedemos a entender como acondiciona las señales para su representación. Debemos tener en claro que existen 2 ramas para presentación en pantalla, la rama horizontal (que atenderemos mas adelante) y la rama vertical (que estudiaremos ahora) La rama vertical posee normalmente 2 canales CH1 y CH2, estos canales son independientes entre si en cuanto a niveles de tensión, frecuencias, etc. Lo único que tienen en común es la base de tiempo que se vera mas adelante. Cada canal tiene sus propios circuitos de acondicionamiento entre los que veremos el Acoplamiento, el Atenuador, el Inversor, la posición vertical y el pre Amplificador. Dichos circuitos “acomodan” la señal para poder verla en pantalla y muestras de las salidas de estos circuitos son tomadas por la rama horizontal para generar la base de tiempo. AMESEA - 2016

Canales Verticales A continuación se ve un diagrama en bloques de lo mencionado: Ahora veremos la función de cada una de las etapas mostradas. AMESEA - 2016

Canales Verticales El selector de acople nos permite intercalar un capacitor a la entrada de la señal para eliminar la continua sobre la que pudiese estar montada nuestra señal a analizar. Esta opción es la AC, de Altern Current, indicando que solo deja pasar la alterna. La opción DC nos deja pasar la señal directamente sin ningún tipo de filtrado. Y GND nos conecta la entrada con tierra. Esta opción se usa para calibrar el nivel 0V. AMESEA - 2016

Canales Verticales El atenuador de entrada se utiliza para garantizar un nivel de tensión que no dañe los circuitos que vienen a continuación. También es usado en paralelo con el preamplificador para fijar la escala vertical El inversor, nos intercala un amplificador de ganancia -1 (la salida es igual a la entrada pero invertida) esto significa que cuando la señal a la entrada del amplificado sube, la salida baja y viceversa. AMESEA - 2016

Canales Verticales La posición vertical es un amplificador sumador que nos agrega a la señal un nivel de continua fijado por un preset al cual tenemos acceso desde el frente del OSC y se utiliza para fijar la posición vertical de la señal. El preamplificador se usa para terminar de fijar la escala vertical y la salida del mismo va hacia las placas deflectoras verticales. AMESEA - 2016

Canal Horizontal Como vimos el canal horizontal es compartido entre ambos canales verticales. Esto es adrede ya que originalmente no podíamos tener 2 barridos horizontales diferenciados en el TRC con distintas diente de sierra. Además el tener dos bases de tiempo separadas no tiene mucho sentido ya que el osciloscopio además de medir nos permite comparar y ver que pasa con una señal cuando varia la otra al mismo tiempo, si pusiésemos 2 bases de tiempo diferenciadas, esto se perdería. El diagrama en bloques del canal horizontal seria: AMESEA - 2016

Canal Horizontal Vemos un extractor de muestra que proviene de los canales verticales, este se encarga de tomar una muestra de la señal y modificarla para ingresarla en la siguiente etapa. También podemos ver un selector que nos permite elegir, entre una señal proveniente de la línea (los 50Hz del enchufe) o una señal proveniente del exterior del OSC que puede ser generada por otro generador, debemos tomar en cuenta que esta señal debe tener cierto sincronismo con las señales de entrada en los CH1 y CH2. AMESEA - 2016

Canal Horizontal Luego vemos un amplificador de disparo con un preset que nos permite modificar el nivel al cual se efectúa el disparo de la señal con una salida común y la otra invertida 180° con lo cual podemos elegir la pendiente del disparo. Finalmente tenemos el conformador de pulsos que genera los pulsos para que luego se genere la Base de Tiempo. AMESEA - 2016

Conformador de Pulsos A modo de conocimiento general se muestra el conformador de pulsos internamente. AMESEA - 2016

Conformador de Pulsos AMESEA - 2016

Base de Tiempo Una vez generados los pulsos sincronizados con la señal de entrada, podemos proceder a generar la diente de sierra para las placas horizontales. AMESEA - 2016

Base de Tiempo Como vemos a la salida del bloque integrador ya tenemos nuestra diente de sierra para colocar en las placas horizontales. Nos queda un pequeño detalle que es la “cola” de la diente de sierra (parte descendiente de la misma) que de dejarla representar en pantalla generaría un “re-trazo” de la señal, generando una doble imagen en pantalla, indeseable y que confundiría al usuario. Esto se soluciona mediante el uso de una señal de bloqueo en los ánodos aceleradores, haciendo que durante este tiempo de “cola” no impacten electrones en pantalla y por lo tanto no generando el doble trazo. AMESEA - 2016

Osciloscopio como graficador Y-X Hasta ahora vimos el osciloscopio como graficador Y-t, que será el 99% del uso que le daremos. Pero también existe la función de decirle al mismo que puede graficarnos una señal en función de la otra, sin la utilización de la base de tiempo ni la diente de sierra interna ni ningún tipo de disparo, etc. Este modo se utiliza mayormente para comparar señales (tension, frecuencia y fase) o para graficar curvas características de los elementos de un circuito (curva tension corriente de un diodo). Cuando deseamos comparar 2 señales seno ideales y utilizamos el OSC en el modo Y-X visualizaremos las figuras de LISSAJOUS AMESEA - 2016

Figuras de Lissajous En las siguientes imágenes se puede ver que pasa cuando colocamos 2 seno ideales de igual amplitud, pero distinta fase y frecuencia en los canales 1 y 2 del OSC. Podemos ver como dependiendo de la frecuencia son la cantidad de “nudos” que tiene la figura, y dependiendo de la fase podemos ver la “rotación” de la figura en 3 dimensiones. AMESEA - 2016

Tipos de acoplamiento Para el canal de disparo existen acoplamientos que nos permiten “filtrar” las bajas o altas frecuencias de acuerdo a lo que queramos. Esto es si por ejemplo tenemos una señal de baja frecuencia con un ruido de alta frecuencia, el ruido de alta nos estaría generando disparos en momento no deseados. Esto lo eliminamos mediante el uso de un filtro para las altas o las bajas frecuencias, de acuerdo a lo que queramos. El OSC llama a esto “Rechazo a la baja frecuencia” y “Rechazo a la alta frecuencia” AMESEA - 2016

Base de tiempo demorada Hay momentos en donde por particularidades de la señal, no podemos observar bien, en detalle, zonas particulares de la señal, dado que sus características, dificultan el uso de una base de tiempo común. Para eso se incorporo la base de tiempo demorada, que es una base de tiempo que se genera luego de que comienza la base de tiempo original y nos permite “magnificar” las particularidades de la señal, viendo aun la posición de las mismas en el conjunto general. A continuación veremos una señal con una perturbación que deseamos ver en detalle y los pasos que realiza el osciloscopio para generar la base de tiempo demorada. AMESEA - 2016

Base de tiempo demorada Señal de entrada. Pulso de generación de BT Señal cuadrada de BT Base de tiempo diente de sierra (el nivel marcado indica donde se generara el siguiente pulso de la BT demorada) 5) Pulso de generación de BT demorada 6) Señal cuadrada que da origen a la diente de sierra demorada 7) Señal diente de sierra demorada, para analizar la anomalía en la señal original AMESEA - 2016

Tiempo de establecimiento EL tiempo de establecimiento es una definición, nos sirve para indicar que tan rápido pasa una señal de su estado bajo, a su estado alto. Mas precisamente desde su 10% hasta su 90%. Si vemos el OSC con TRC podemos ver 2 líneas punteadas que nos indican 100% y 0%, nosotros debemos colocar la señal a analizar en dichas marcas y las líneas “enteras” inmediatas nos arrojan los valores de 10% y 90%. En esta medición la escala vertical no es importante ya que nos interesa medir un tiempo, independientemente de cuantos “volts” mida la señal, únicamente nos es útil saber el tiempo que tarda entre dichos valores de tension. Para realizar esta medición tenemos la opción de utilizar el ajuste “fino” de la escala vertical, este nos permitirá colocar la señal entre dichos valores y asi medir el tiempo de establecimiento. AMESEA - 2016

Base de tiempo demorada Como podemos ver la señal se encuentra centrada entre el 0% y 100%. Luego las líneas llenas nos indican el 10% y el 90% de la señal, una vez allí solo debemos medir el tiempo de establecimiento en la escala horizontal. AMESEA - 2016

Tiempo de establecimiento Para medir el Tiempo de establecimiento (también conocido como Rise Time para la subida y Fall time para la bajada) utilizaremos las funciones de auto medición del OSC Para ello vamos al menú MEASURE y en la pagina de tiempo nos aseguramos que “RISE TIME” y “FALL TIME” estén habilitados. Esto nos arrojara en pantalla directamente el tiempo de establecimiento sin necesidad de hacer la medición nosotros AMESEA - 2016

Puntas de prueba La punta de prueba es el elemento de interfaz entre el OSC y el circuito. La misma debe garantizar la no modificación de la señal, junto con un minimo impacto en el circuito. Esto ultimo es prácticamente imposible ya que al momento de medir siempre estoy intercalando una impedancia a mi circuito. Por lo que la punta debe garantizar una alta impedancia, al igual que un voltimetro, cuando la conecto a cualquier circuito. Las condiciones deseables de la punta de prueba son: Fácil conexión y desconexión Mínimo impacto en el circuito de prueba Mantener la fidelidad de la señal Inmunidad al ruido AMESEA - 2016

Puntas de prueba Punta de corriente Punta activa Punta diferencial Existen gran cantidad de puntas de prueba. Algunas pasivas (no requieren alimentación) algunas activas (necesitan de una alimentación), de tensión, de corriente, para señales digitales, etc. Cada una de ellas tiene diferentes características, mayor impedancia de entrada, capacidad de medir tensiones o corrientes alternas o continuas, capacidad de medir sensores o transductores, entrada simple o diferencial, etc. Punta de corriente Punta activa Punta diferencial AMESEA - 2016

Puntas de prueba Las puntas de prueba tienen la capacidad de atenuar la señal que están midiendo (atenuarla 10, 100 o 1000 veces) esto significa que, si por ejemplo mido una seno ideal de 100V, y la punta de prueba esta seteada en x10 la señal que veo en el OSC seria de 10V. Esto NO significa que la señal en el circuito haya cambiado su valor, significa que el valor que llega al OSC esta reducido 10 veces. Al colocar la punta de prueba en x10 aparece un efecto de compensación, esto se debe a que el modelo circuital de la punta de prueba no es únicamente un cable que conecta el circuito con el OSC si no que además aparecen resistencias y capacitores. Obviamente cuando la punta esta en x1, x10 o x100 los valores de dichos componentes varian para permitir la atenuación de la señal. AMESEA - 2016

Puntas de prueba El modelo circuital de la punta de prueba x10 queda: AMESEA - 2016

Puntas de prueba Estos capacitores que aparecen son necesarios para que la punta de prueba trabaje bien en todo el rango de frecuencias. Si miramos detalladamente el modelo, vemos que existe un capacitor variable, que permite ajustar su valor de capacidad para permitirnos “compensar” la punta. Compensar la punta implica ajustar las impedancias de la punta y del osciloscopio para ver la señal de entrada sin deformaciones AMESEA - 2016

Puntas de prueba Compensación correcta Subcompensado Las frecuencias bajas están adaptadas y las altas no Sobrecompensado Las altas frecuencias están adaptadas y las bajas no AMESEA - 2016