mediciones eléctricas 1 (3d1) Introducción a la operación de osciloscopios Carrera: Ingeniería Eléctrica / Electromecánica Mayo de 2018 Departamento de Ingeniería Eléctrica Universidad Nacional de Mar del Plata

Osciloscopio analógico Osciloscopios analógicos y digitales Un osciloscopio es un instrumento que permite visualizar, analizar y medir señales variables en el tiempo. Existen dos categorías principales de osciloscopios: Osciloscopios analógicos (basados en el principio del Tubo de Rayos Catódicos) Osciloscopios digitales (basados en el muestreo de la señal analógica a valores digitales y su posterior procesamiento) Osciloscopio analógico tradicional Osciloscopio digital moderno

Osciloscopios analógicos y digitales Principales aplicaciones: Los osciloscopios analógicos, entre otras funciones, pueden utilizarse para: Determinar el periodo y la amplitud de una señal Determinar la componente AC y la componente DC de una señal Medir la diferencia de fase entre dos señales de igual frecuencia Determinar la secuencia de fases en un sistema trifásico Identificar transitorios Analizar formas de onda (por ejemplo, si un componente defectuoso en un circuito está distorsionando la señal evaluada) Medir el nivel de ruido presente en una señal

Osciloscopios analógicos y digitales Principales aplicaciones: Los osciloscopios digitales, además de poseer las funciones de los osciloscopios analógicos, incorporan más funciones que los convierten en herramientas superiores para muchas aplicaciones, entre ellas: Brindar múltiples posibilidades para la visualización y análisis de eventos Realización de mediciones en forma automática Almacenar los eventos y formas de onda en memoria para su posterior análisis Exportar / importar datos hacia / desde PC Decodificar una trama de bits en un canal de un sistema de comunicaciones Realizar operaciones matemáticas complejas con las señales a su entrada

Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos Efecto termoiónico: principio del CRT El osciloscopio analógico se basa principalmente en el efecto termoiónico para crear un haz de electrones que puede ser usado para reproducir visualmente una señal eléctrica en función del tiempo en una pantalla. En esencia, dicho efecto se logra provocando una diferencia de potencial entre un conductor calentado denominado cátodo y otro conductor denominado ánodo, tal que circule corriente a través de un circuito. Dicho sistema cátodo - ánodo es referido como “tubo de rayos catódicos” (en siglas, CRT: Cathode Ray Tube)

Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos Efecto termoiónico: principio del CRT Los electrones emitidos por el cátodo caliente se aceleran y alinean formando un haz en lo que se denomina haz de electrones. Este haz finaliza su trayectoria colisionando contra una pantalla de vidrio de plomo, la cual es recubierta con fósforo tal que la colisión del haz de electrones se haga visible.

Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos Efecto termoiónico: principio del CRT Se observará una deflexión del haz de electrones, si éste se hace pasar entre dos placas sometidas a una diferencia de potencial. Este efecto es aprovechado para la generación de una base de tiempo (deflexión horizontal del haz) y para la deflexión vertical del haz en forma proporcional a la señal de entrada.

Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos Generación de la base de tiempo Se logra aplicando una señal con forma de onda de diente de sierra con frecuencia conocida al par de placas de deflexión verticales.

Señal de barrido aplicada a placas verticales (Base de tiempo) Visualización del barrido de la pantalla, con frecuencia impuesta por la señal de barrido A , D C

Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos Acción conjunta deflexión horizontal – deflexión vertical Base de tiempo Visualización de la señal de entrada en función del tiempo en la pantalla. Señal de entrada

Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos Pantalla del osciloscopio Se encuentra conformada por una retícula, generalmente de 8 divisiones verticales por 10 divisiones horizontales. Cada división se subdivide típicamente en 5 sub- divisiones. División Sub-División

Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos Sistema de disparo (trigger) Debe lograrse que cada barrido comience en un mismo punto de la señal en relación a su periodo, con el fin de que la imagen visualizada en la pantalla sea estable y estática. Esta es la función del sistema de disparo (trigger). Uno de los métodos más comunes consiste en comparar una señal con un nivel de disparo prefijado. Cuando el valor de la señal iguala al valor del nivel con la pendiente previamente configurada (positiva o negativa), se crea un pulso de disparo el cual, en caso de que el barrido anterior ya haya finalizado, disparará un nuevo barrido. De esta forma, se asegura la sincronización entre la señal y el barrido de la pantalla para una correcta visualización. Pulsos de disparo Nivel de disparo Señal de entrada (Inicio de barridos horizontales)

CONTROLES BÁSICOS DE CONFIGURACIÓN VERTICAL

Configuración vertical VOLTS / DIV ↨ POSITION COUPLING AC DC GND INV ALT/CHOP ADD BW-LIMIT

Configuración vertical VOLTS / DIV Controla la amplitud o cantidad de Volts que representa cada división vertical de la escala. VAR (ajuste continuo) Este ajuste (denominado descalibrado) permite variar la escala vertical en forma continua.

Configuración vertical ↨ POSITION Controla la posición vertical de la señal de cada canal en la pantalla. (Ajuste continuo)

Configuración vertical COUPLING (Modo de Acoplamiento) AC DC GND

Configuración vertical COUPLING DC La señal es visualizada con sus componentes AC + DC

Configuración vertical COUPLING AC Sólo es visualizada la componente AC de la señal. La componente DC es filtrada intercalando un capacitor en serie con la entrada del canal. Este modo de acoplamiento resulta útil por ejemplo cuando la amplitud de la señal original (con sus componentes AC+DC) supera el rango de visualización que brinda el osciloscopio, y ya no es posible ajustar la posición vertical de la señal para visualizarla con un ajuste vertical determinado en la pantalla.

Configuración vertical COUPLING GND Se visualiza el nivel de la referencia de tensión o tierra (referida como GND , Ground), lo cual es útil para realizar mediciones de tensión en comparación a dicho nivel de referencia.

Configuración vertical (tirar hacia afuera) VERTICAL MODE (modo de visualización vertical) CH1 (Muestra la señal del canal 1) CH2 (Muestra la señal del canal 2) DUAL (Muestra las señales de los canales 1 y 2 al mismo tiempo) XY (Modo XY) ADD (Suma)

Configuración vertical ADD (suma) Permite sumar las señales de entrada. Combinado con la función INVERT (la cual muestra a la señal de uno de los canales multiplicada por (-1)) se puede mostrar una tercera señal, resultante de la resta entre las señales de ambos canales) Señal del canal 1 Señal resultante de la suma de ambas señales Señal del canal 2

Configuración vertical Modo de visualización de dos señales (osciloscopios de único trazo) ALT (alternado) CHOP (troceado) (tirar hacia afuera)

Configuración vertical Modo de visualización de dos señales (osciloscopios de único trazo) CHOP (troceado) Se dibujan ambos canales en el mismo barrido, conmutando entre ambos canales a alta velocidad. ALT (alternado) Se barre un canal por barrido, en forma alternativa. Canal 1 Barrido i (canal 1) Barrido i+1 (canal 2) Canal 2

Configuración vertical Esta función suele encontrarse en osciloscopios con mayores valores de ancho de banda y permite “filtrar” ruido de alta frecuencia presente en la señal para mejorar su visualización. BW-LIMIT (Bandwidth Limit / Limitación de Ancho de Banda) Visualización de la misma señal con la opción BW Limit activada (AB reducido a 20 MHz) para reducir la respuesta en alta frecuencia y con ello la magnitud de ruido visualizada en la señal. Visualización de una señal con ruido de alta frecuencia en un osciloscopio de ancho de banda 350 MHz y la función BW Limit desactivada.

CONTROLES BÁSICOS DE CONFIGURACIÓN HORIZONTAL

Configuración horizontal SEC / DIV POSITION MAG X10 MODE XY TIME BASE MAIN DELAYED MIXED

Configuración horizontal SEC / DIV Control del tiempo en segundos que representa cada división de la escala horizontal. Es posible un ajuste en forma continua utilizando el control VAR (DLY. TIME POS)

Configuración horizontal POSITION ↔ Controla la posición horizontal de la/s señal/es visualizadas en la pantalla. (Ajuste continuo)

Configuración horizontal (tirar hacia afuera) MAG X10 (Magnificación horizontal) Algunos osciloscopios analógicos incorporan la opción de ampliación horizontal. Normalmente se expande en X5 o X10 a la base de tiempo, sin embargo, debe tenerse en cuenta que la exactitud de la base de tiempos con esta función suele ser inferior con respecto al modo normal.

Configuración horizontal MAG X10 (Magnificación horizontal)

Configuración horizontal Modo XY Muestra un gráfico de la señal del canal 1 en la escala vertical versus la señal del canal 2 en la escala horizontal.

Configuración horizontal Modo XY Si ambas señales son senoidales puras, con el Modo XY se formarán patrones gráficos claramente reconocibles en la pantalla en el caso en que la relación entre las frecuencias de las señales sea un número entero, o su diferencia de fases corresponda a un ángulo notable.

Configuración horizontal TIME BASE MAIN Selección y ajuste de la base de tiempo principal (Con el ajuste VAR es posible efectuar un ajuste continuo de la base de tiempo)

Configuración horizontal TIME BASE DELAYED Selección y ajuste horizontal de la base de tiempo retardada.

Configuración horizontal TIME BASE MIXED Selección y ajuste de la base de tiempo principal y retardada para ser visualizadas en un mismo barrido en la pantalla.

Configuración horizontal TIME BASE MIXED Configuración horizontal Punto de inicio de base de tiempo principal Punto de inicio de base de tiempo retardada

CONTROLES BÁSICOS DE CONFIGURACIÓN DE DISPARO (TRIGGER)

Configuración de disparo (trigger) LEVEL & SLOPE (+) (RISING) (-) (FALLING) MODE NORMAL AUTO SOURCE CH 1 CH 2 LINE EXT HOLD OFF

Configuración de disparo (trigger) LEVEL & SLOPE (+) (pendiente positiva) (-) (pendiente negativa) Configuración del nivel y pendiente de disparo.

Configuración de disparo (trigger) LEVEL & SLOPE (Nivel y pendiente) Señal de entrada Nivel: 0% Pendiente: (+) Nivel de disparo Punto inicial del barrido Pulsos de disparo

Configuración de disparo (trigger) LEVEL & SLOPE (Nivel y pendiente) Señal de entrada Nivel: 0% Pendiente: (-) Nivel de disparo Pulsos de disparo Punto inicial del barrido (actualización de pantalla / inicio de barrido horizontal)

Configuración de disparo (trigger) LEVEL & SLOPE (Nivel y pendiente) Señal de entrada Nivel: +50% Pendiente: (+) Nivel de disparo Punto inicial del barrido Pulsos de disparo

Configuración de disparo (trigger) LEVEL & SLOPE (Nivel y pendiente) Nivel de disparo Nivel: +125% Pendiente: (+) Señal de entrada NORMAL AUTO No se generan pulsos de disparo… Si modo de disparo: N0RMAL Pantalla en negro Si modo de disparo: AUTO Disparo automático de barridos por temporizador interno y visualización de señal no sincronizada con los barridos.

Configuración de disparo (trigger) SOURCE CH 1 (canal 1) CH 2 (canal 2) Selecciona la señal de disparo como la señal de entrada del canal 1 o del canal 2. LINE EXT

Configuración de disparo (trigger) LINE (disparo por frecuencia de línea) Se obtienen pulsos de disparo a la frecuencia de la tensión de alimentación del osciloscopio (50Hz). Este modo de disparo resulta útil con señales con alto nivel de ruido (múltiples puntos de disparo posibles en cada período de la señal, para un nivel de disparo determinado), y cuya frecuencia es múltiplo de la frecuencia de línea. Ejemplo de una señal con alto nivel de ruido y cuya frecuencia está impuesta por la frecuencia de línea

Configuración de disparo (trigger) EXTERNAL (Disparo controlado externamente) Utiliza la señal conectada a la entrada EXT TRIG (External Triggering) para obtener los pulsos de disparo. Es utilizada por ejemplo, cuando se quiere visualizar señales con complejas formas de onda. Si la fuente que genera dichas señales a evaluar posee una salida de pulsos sincronizada con la frecuencia de la señal de salida, dicha salida de pulsos (la cual suele denominarse “SYNC”) puede conectarse a la entrada EXT TRIG a efectos de sincronización con los barridos del osciloscopio.

Configuración de disparo (trigger) HOLD OFF Ajuste de tiempo de espera forzado entre barridos, evitando el disparo en cada uno de los pulsos de la señal, para su correcta visualización. (Ajuste continuo) Ejemplo de una señal en la que debe ser utilizado el ajuste Hold-Off: 𝑣(𝑡) 𝑡

Configuración de disparo (trigger) HOLD-OFF Deben dispararse los barridos solamente en el primero de los pulsos de cada tren. En caso contrario, en la pantalla se visualizaría una superposición no coherente de pulsos. Puntos de disparo Nivel de disparo

Configuración de disparo (trigger) HOLD-OFF Visualización incorrecta (sin hold-off) Visualización correcta (con hold-off)

HOLD-OFF La función Hold-Off básicamente permite ajustar un tiempo de espera al final de un barrido, en el que se inhibe el comienzo de un nuevo barrido para evitar visualizaciones incorrectas de ciertos tipos de señales. Tiempo de Hold-Off

CONECTORES DE ENTRADA / SALIDA

Conectores de entrada / salida Canales de entrada CH1 CH2 CAL EXT TRIG GND COMP TEST

Conectores de entrada / salida CANALES DE ENTRADA Canal 1 Canal 2 (Conectores BNC de entrada de ambos canales) La impedancia de entrada en ambos canales consta de una resistencia de 1MΩ en paralelo con una capacitancia de pequeño valor que suele depender del ancho de banda del osciloscopio (en este caso, 25 pF, en un osciloscopio con un ancho de banda de 20MHz) 1MΩ 25 pF

Conectores de entrada / salida CAL (terminal de calibración de la sonda pasiva atenuadora de tensión) Proporciona una señal cuadrada generada internamente en el osciloscopio (típicamente de frecuencia 1 kHz y amplitud 2 Volts pico a pico) con el fin de calibrar la sonda de tensión en su configuración 10X.

Conectores de entrada / salida CAL (terminal de calibración de la sonda pasiva de tensión atenuadora) Al conectar la sonda pasiva de tensión (en configuración atenuadora) en la pantalla debe observarse una señal cuadrada perfecta. Si éste no es el caso, debe ajustarse el tornillo de regulación en el conector BNC o en el cuerpo de la sonda hasta lograr que la señal tenga dicha forma de onda. Sonda subcompensada Sonda sobrecompensada Sonda correctamente compensada

Conectores de entrada / salida GND (Ground) Conector que provee una conexión adicional al potencial de tierra (referencia de ambos canales y tierra de alimentación del osciloscopio)

Conectores de entrada / salida COMP. TEST Muestra la curva “corriente vs. tensión” de un componente (capacitor, transistor, etc.) al conectarse éste al terminal COMP. TEST y GND.

CONSIDERACIONES SOBRE CONEXIONES

Consideraciones sobre conexiones Sonda pasiva de tensión (1-10X) Conector BNC - macho Cable coaxil Punta de referencia (ground lead) Clip retráctil (entrada señal) Switch conmutador entre modo 1X (sonda no atenuadora) y 10X (sonda atenuadora en 10 veces)

Consideraciones sobre conexiones Las cubiertas / referencias de los conectores BNC de los canales de entrada se encuentran generalmente puenteadas entre sí y conectadas a la tierra de la alimentación del osciloscopio. Por lo tanto, debe tenerse la precaución de no conectar las puntas de referencia de ambas sondas pasivas de tensión a potenciales diferentes entre sí. Además, en mediciones de circuitos con alimentación referenciada a tierra, debe procurarse no conectar la punta de referencia de la sonda pasiva de tensión a un punto con potencial respecto a tierra.

Consideraciones sobre conexiones Medición de una señal en un circuito con alimentación flotante (no referenciada a tierra) Ejemplo: Placa adquisidora alimentada por una batería de 9V

Consideraciones sobre conexiones Medición de una señal en un circuito con alimentación flotante (no referenciada a tierra) Fuente de alimentación flotante

Consideraciones sobre conexiones Medición de una señal en un circuito con alimentación referenciada a tierra

Consideraciones sobre conexiones Medición de una señal en un circuito con alimentación flotante (no referenciada a tierra) Lazo de baja impedancia formado en el conjunto osciloscopio – sonda - circuito bajo prueba – fuente de alimentación, al conectar la punta de referencia de la sonda pasiva de tensión a un punto con potencial respecto a tierra.

MEDICIONES BÁSICAS CON OSCILOSCOPIOS ANALÓGICOS

Mediciones básicas con osciloscopios analógicos Medición del valor de amplitud de una señal Ejemplo) Se observa que el valor pico a pico abarca 5.8 divisiones. Como el ajuste vertical es 1.0V/div , entonces la mejor estimación será: 𝑉 𝑃𝑃 =5.8 𝑑𝑖𝑣∗ 1.0 𝑉 𝑑𝑖𝑣 =5,8 [𝑉] Configuración: Horizontal: 0,5 ms / div Vertical: 1.0 V / div

Mediciones básicas con osciloscopios analógicos Medición de periodo - frecuencia de una señal Ejemplo) Se observa que la distancia entre picos positivos abarca 7.6 divisiones horizontales, por lo que la mejor estimación del período T de la señal visualizada vendrá dada por: 𝑇=7.6 𝑑𝑖𝑣∗ 0.5𝑚𝑠 𝑑𝑖𝑣 =3.8 [𝑚𝑠] Configuración: Horizontal: 0,5 ms / div Vertical: 1.0 V / div Nota: Para una mejor medición, es recomendable medir el tiempo entre pasos por cero, utilizando el menor valor de ajuste vertical y el mayor valor de ajuste horizontal posibles.

Mediciones básicas con osciloscopios analógicos Medición de diferencia de fase entre dos señales Ajustar la posición vertical de las señales de ambos canales hasta que sus niveles de referencia coincidan (para esta tarea es útil emplear el acoplamiento GND). Ajustar la configuración vertical tal que ambas señales se visualicen con la mayor amplitud posible. Ajustar la configuración horizontal para que la diferencia de tiempo entre pasos por cero análogos abarque la mayor parte de la pantalla. Medir el tiempo de diferencia 𝑡 𝑑 entre pasos por cero análogos. Señal canal 1 𝑡 𝑑 Señal canal 2 𝑇 La mejor estimación para la diferencia de fases entre la señales vendrá dada por: 𝜙= 𝜙 2 − 𝜙 1 =360° 𝑡 𝑑 𝑇

Mediciones básicas con osciloscopios analógicos Medición de diferencia de fase entre dos señal Modo XY Posicionar la línea de GND de cada canal en la línea horizontal central para luego pasar al modo de acoplamiento AC. Configurar el modo de visualización vertical en Modo XY. Escalar apropiadamente cada canal, tal que la elipse visualizada abarque la mayor parte de la pantalla. Medir las amplitudes A y B indicadas. La mejor estimación para la diferencia de fases entre la señales vendrá dada por: Escala vertical (y): Señal canal 1 Escala horizontal (x): Señal canal 2 |𝜙|= arcsin 𝐵 𝐴

Mediciones básicas con osciloscopios analógicos Medición de diferencia de fase entre dos señal Ajuste continuo de la base de tiempo Ajustar la base de tiempo en forma continua hasta conseguir que la mitad del período de una de las señales abarque las 10 divisiones de la escala de tiempo. Contar las N divisiones entre las señales, por ejemplo, entre pasos por cero análogos. La mejor estimación para la diferencia de fases entre la señales vendrá dada por: 𝜙=𝑁∗ 1 20 ∗360°=18°∗𝑁 𝑁