Osciloscopio

                  ¿Qué es un osciloscopio?
El osciloscopio es basicamente un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales electricas variables en
el tiempo. El eje vertical, a partir de ahora denominado Y, representa el voltaje; mientras que el eje horizontal, denominado X, representa el tiempo.

¿Qué podemos hacer con un osciloscopio?.

Basicamente esto:

• Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal.
• Determinar indirectamente la frecuencia de una señal.
• Determinar que parte de la señal es DC y cual AC.
• Localizar averias en un circuito.
• Medir la fase entre dos señales.
• Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo.

Los osciloscopios son de los instrumentos más versatiles que existen y lo utilizan desde técnicos de reparación de televisores a médicos. Un osciloscopio puede medir un gran número de fenomenos, provisto del transductor adecuado (un elemento que convierte una magnitud física en señal eléctrica) será capaz de darnos el valor de una presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un coche, etc.


¿Qué tipos de osciloscopios existen?

Los equipos electrónicos se dividen en dos tipos: Analógicos y Digitales. Los primeros trabajan con variables continuas mientras quie los segundos lo hacen con variables discretas. Por ejemplo un tocadiscos es un equipo analógico y un Compact Disc es un equipo digital.
Los Osciloscopios también pueden ser analógicos ó digitales. Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada, está una vez amplificada desvia un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan previamente un conversor analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla. Ambos tipos tienen sus ventajas e inconvenientes. Los analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos (picos de tensión que se producen aleatoriamente).
¿Qué controles posee un osciloscopio típico?
A primera vista un osciloscopio se parece a una pequeña televisión portatil, salvo una rejilla que ocupa la pantalla
y el mayor número de controles que posee.
En la siguiente figura se representan estos controles distribuidos en cinco secciones:

¿Como funciona un osciloscopio?

Para entender el funcionamiento de los controles que posee un osciloscopio es necesario deternerse un poco en

los procesos internos llevados a cabo por este aparato. Empezaremos por el tipo analógico ya que es el más sencillo.

Osciloscopios analógicos

Cuando se conecta la sonda a un circuito, la señal atraviesa esta última y se dirige a la sección vertical.

Dependiendo de donde situemos el mando del amplificador vertical atenuaremos la señal ó la amplificaremos. En la salida de este bloque ya se dispone de la suficiente señal para atacar las placas de deflexión verticales (que naturalmente estan en posición horizontal) y que son las encargadas de desviar el haz de electrones, que surge del catodo e impacta en la capa fluorescente del interior de la pantalla, en sentido vertical. Hacia arriba si la tensión es positiva con respecto al punto de referencia (GND) ó hacia abajo si es negativa. La señal también atraviesa la sección de disparo para de esta forma iniciar el barrido horizontal (este es el encargado de mover el haz de electrones desde la parte izquierda de la pantalla a la parte derecha en un determinado tiempo). El trazado (recorrido de izquierda a derecha) se consigue aplicando la parte ascendente de un diente de sierra a las placas de deflexión horizontal (las que estan en posición vertical), y puede ser regulable en tiempo actuando sobre el mando TIME-BASE. El retrazado (recorrido de derecha a izquierda) se realiza de forma mucho más rápida con la parte descendente del mismo diente de sierra. De esta forma la acción combinada del trazado horizontal y de la deflexión vertical traza la gráfica de la señal en la pantalla. La sección de disparo es necesaria para estabilizar las señales repetitivas (se asegura que el trazado comienze en el mismo punto de la señal repetitiva).

        En la siguiente figura puede observarse la misma señal en tres ajustes de disparo diferentes: en el primero disparada en flanco ascendente, en el segundo sin disparo y en el tercero disparada en flanco descendente.

Como conclusión para utilizar de forma correcta un osciloscopio analógico necesitamos realizar tres ajuste básicos:

•  La atenuación ó amplificación que necesita la señal. Utilizar el mando AMPL. para ajustar la amplitud de

la señal antes de que sea aplicada a las placas de deflexión vertical. Conviene que la señal ocupe una parte

importante de la pantalla sin llegar a sobrepasar los límites.

• La base de tiempos. Utilizar el mando TIMEBASE para ajustar lo que representa en tiempo una división en

horizontal de la pantalla. Para señales repetitivas es conveniente que en la pantalla se puedan observar

aproximadamente un par de ciclos.

•   Disparo de la señal. Utilizar los mandos TRIGGER LEVEL (nivel de disparo) y TRIGGER SELECTOR

(tipo de disparo) para estabilizar lo mejor posible señales repetitivas. Por supuesto, también deben ajustarse los controles que afectan a la visualización: FOCUS (enfoque), INTENS. (intensidad) nunca excesiva, Y-POS (posición vertical del haz) y X-POS (posición horizontal del haz).

Osciloscopios digitales

Los osciloscopios digitales poseen además de las secciones explicadas anteriormente un sistema adicional de proceso de datos que permite almacenar y visualizar la señal.
Cuando se conecta la sonda de un osciloscopio digital a un circuito, la sección vertical ajusta la amplitud de la señal de la misma forma que lo hacia el osciloscopio analógico.
El conversor analógico-digital del sistema de adquisición de datos muestrea la señal a intervalos de tiempo determinados y convierte la señal de voltaje continua en una serie de valores digitales llamados muestras. En la sección horizontal una señal de reloj determina cuando el conversor A/D toma una muestra. La velocidad de este reloj se denomina velocidad de muestreo y se mide en muestras por segundo.Los valores digitales muestrea dos se almacenan en una memoria como puntos de señal. El número de los puntos de señal utilizados para reconstruir la señal en pantalla se denomina registro. La sección de disparo determina el comienzo y el final de los puntos de señal en el registro. La sección de visualización recibe estos puntos del registro, una vez almacenados en la memoria, para presentar en pantalla la señal. Dependiendo de las capacidades del osciloscopio se pueden tener procesos adicionales sobre los puntos muestreados, incluso se puede disponer de un predisparo, para observar procesos que tengan lugar antes del disparo.
          Fundamentalmente, un osciloscopio digital se maneja de una forma similar a uno analógico, para poder tomar las medidas se necesita ajustar el mando AMPL.,el mando TIMEBASE asi como los mandos que intervienen en el disparo.

Métodos de muestreo

Se trata de explicar como se las arreglan los osciloscopios digitales para reunir los puntos de muestreo. Para señales de lenta variación, los osciloscopios digitales pueden perfectamente reunir más puntos de los necesarios para reconstruir posteriormente la señal en la pantalla. No obstante, para señales rápidas (como de rápidas dependerá de la máxima velocidad de muestreo de nuestro aparato) el osciloscopio no puede recoger muestras suficientes y debe recurrir a una de estas dos técnicas:

•   Interpolación, es decir, estimar un punto intermedio de la señal basandose en el punto anterior y posterior.
•   Muestreo en tiempo equivalente. Si la señal es repetitiva es posible muestrear durante unos cuantos ciclos en diferentes partes de la señal para después reconstruir la señal completa.

Muestreo en tiempo real con Interpolación

El método standard de muestreo en los osciloscopios digitales es el muestreo en tiempo real: el osciloscopio reune los suficientes puntos como para recontruir la señal. Para señales no repetitivas ó la parte transitoria de una señal es el único método válido de muestreo.
Los osciloscopios utilizan la interpolación para poder visualizar señales que son más rápidas que su velocidad de muestreo. Existen basicamente dos tipos de interpolación:
Lineal: Simplemente conecta los puntos muestreados con lineas.
Senoidal: Conecta los puntos muestreados con curvas según un proceso matemático, de esta forma los puntos intermedios se calculan para rellenar los espacios entre puntos reales de muestreo. Usando este proceso es posible visualizar señales con gran precisión disponiendo de relativamente pocos puntos de muestreo.
  Muestreo en tiempo equivalente

Algunos osciloscopios digitales utilizan este tipo de muestreo. Se trata de reconstruir una señal repetitiva capturando una pequeña parte de la señal en cada ciclo.Existen dos tipos básicos: Muestreo secuencial- Los puntos aparecen de izquierda a derecha en secuencia para conformar la señal. Muestreo aleatorio- Los puntos aparecen aleatoriamente para formar la señal

EL OSCILOSCOPIO

Terminologia

Estudiar sobre un tema implica conocer nuevos términos técnicos. Este capitulo se dedica a
explicar los términos más utilizados en relación al estudio de los osciloscopios.

Términos utilizados al medir 

Existe un término general para describir un patrón que se repite en el tiempo: onda. Existen
ondas de sonido, ondas oceanicas, ondas cerebrales y por supuesto, ondas de tensión. Un
osciloscopio mide estas últimas. Un ciclo es la mínima parte de la onda que se repite en el
tiempo. Una forma de onda es la representación gráfica de una onda. Una forma de onda de
tensión siempre se presentará con el tiempo en el eje horizontal (X) y la amplitud en el eje
vertical (Y).
La forma de onda nos proporciona una valiosa información sobre la señal. En cualquier momento
podemos visualizar la altura que alcanza y, por lo tanto, saber si el voltaje ha cambiado en el
tiempo (si observamos, por ejemplo, una linea horizontal podremos concluir que en ese intervalo
de tiempo la señal es constante). Con la pendiente de las lineas diagonales, tanto en flanco de
subida como en flanco de bajada, podremos conocer la velocidad en el paso de un nivel a otro,
pueden observarse también cambios repentinos de la señal (angulos muy agudos) generalmente
debidos a procesos transitorios.

Tipos de ondas

Se pueden clasificar las ondas en los cuatro tipos siguientes:

•  Ondas senoidales
•  Ondas cuadradas y rectangulares
•  Ondas triangulares y en diente de sierra.
•  Pulsos y flancos ó escalones.

Ondas senoidales

Son las ondas fundamentales y eso por varias razones: Poseen unas propiedades matemáticas
muy interesantes (por ejemplo con combinaciones de señales senoidales de diferente amplitud y
frecuencia se puede reconstruir cualquier forma de onda), la señal que se obtiene de las tomas de
corriente de cualquier casa tienen esta forma, las señales de test producidas por los circuitos
osciladores de un generador de señal son también senoidales, la mayoria de las fuentes de
potencia en AC (corriente alterna) producen señales senoidales.
La señal senoidal amortiguada es un caso especial de este tipo de ondas y se producen en
fenomenos de oscilación, pero que no se mantienen en el tiempo.

Ondas cuadradas y rectangulares

Las ondas cuadradas son básicamente ondas que pasan de un estado a otro de tensión, a intervalos
regulares, en un tiempo muy reducido. Son utilizadas usualmente para probar amplificadores
(esto es debido a que este tipo de señales contienen en si mismas todas las frecuencias). La
televisión, la radio y los ordenadores utilizan mucho este tipo de señales, fundamentalmente
como relojes y temporizadores.
Las ondas rectangulares se diferencian de las cuadradas en no tener iguales los intervalos en los
que la tensión permanece a nivel alto y bajo. Son particularmente importantes para analizar
circuitos digitales.

Ondas triangulares y en diente de sierra

Se producen en circuitos diseñados para controlar voltajes linealmente, como pueden ser, por
ejemplo, el barrido horizontal de un osciloscopio analógico ó el barrido tanto horizontal como
vertical de una televisión. Las transiciones entre el nivel mínimo y máximo de la señal cambian a
un ritmo constante. Estas transiciones se denominan rampas.
La onda en diente de sierra es un caso especial de señal triangular con una rampa descendente de
mucha más pendiente que la rampa ascendente.

Pulsos y flancos ó escalones

Señales, como los flancos y los pulsos, que solo se presentan una sola vez, se denominan señales
transitorias. Un flanco ó escalón indica un cambio repentino en el voltaje, por ejemplo cuando se
conecta un interruptor de alimentación. El pulso indicaria, en este mismo ejemplo, que se ha
conectado el interruptor y en un determinado tiempo se ha desconectado. Generalmente el pulso
representa un bit de información atravesando un circuito de un ordenador digital ó también un
pequeño defecto en un circuito (por ejemplo un falso contacto momentáneo). Es común encontrar
señales de este tipo en ordenadores, equipos de rayos X y de comunicaciones.
Medidas en las formas de onda
En esta sección describimos las medidas más corrientes para describir una forma de onda.

Periodo y Frecuencia

Si una señal se repite en el tiempo, posee una frecuencia (f). La frecuencia se mide en Hertz (Hz)
y es igual al numero de veces que la señal se repite en un segundo, es decir, 1Hz equivale a 1
ciclo por segundo.
Una señal repetitiva también posee otro paramentro: el periodo, definiendose como el tiempo que
tarda la señal en completar un ciclo.
Peridodo y frecuencia son reciprocos el uno del otro:

Voltaje

Voltaje es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito. Normalmente uno
de esos puntos suele ser masa (GND, 0v), pero no siempre, por ejemplo se puede medir el voltaje
pico a pico de una señal (Vpp) como la diferencia entre el valor máximo y mínimo de esta. La
palabra amplitud significa generalmente la diferencia entre el valor máximo de una señal y masa.

Fase

La fase se puede explicar mucho mejor si consideramos la forma de onda senoidal. La onda
senoidal se puede extraer de la circulación de un punto sobre un circulo de 360o. Un ciclo de la
señal senoidal abarca los 360o.
Cuando se comparan dos señales senoidales de la misma frecuencia puede ocurrir que ambas no
esten en fase,o sea, que no coincidan en el tiempo los pasos por puntos equivalentes de ambas
señales. En este caso se dice que ambas señales estan desfasadas, pudiendose medir el desfase
con una simple regla de tres:
Siendo t el tiempo de retraso entre una señal y otra.

¿Qué parámetros influyen en la calidad de un osciloscopio ?

Ancho de Banda

Especifica el rango de frecuencias en las que el osciloscopio puede medir con precisión. Por
convenio el ancho de banda se calcula desde 0Hz (continua) hasta la frecuencia a la cual una
señal de tipo senoidal se visualiza a un 70.7% del valor aplicado a la entrada (lo que corresponde
a una atenuación de 3dB).

Tiempo de subida

Es otro de los parámetros que nos dará, junto con el anterior, la máxima frecuencia de utilización
del osciloscopio. Es un parámetro muy importante si se desea medir con fiabilidad pulsos y
flancos (recordar que este tipo de señales poseen transiciones entre niveles de tensión muy
rápidas). Un osciloscopio no puede visualizar pulsos con tiempos de subida más rápidos que el
suyo propio.

Sensibilidad vertical

Indica la facilidad del osciloscopio para amplificar señales débiles. Se suele proporcionar en mV
por división vertical, normalmente es del orden de 5 mV/div (llegando hasta 2 mV/div).

Velocidad

Para osciloscopios analógicos esta especificación indica la velocidad maxima del barrido
horizontal, lo que nos permitirá observar sucesos más rápidos. Suele ser del orden de
nanosegundos por división horizontal.

Exactitud en la ganancia

Indica la precisión con la cual el sistema vertical del osciloscopio amplifica ó atenua la señal. Se
proporciona normalmente en porcentaje máximo de error.

Exactitud de la base de tiempos

Indica la precisión en la base de tiempos del sistema horizontal del osciloscopio para visualizar el
tiempo. También se suele dar en porcentaje de error máximo.

Velocidad de muestreo

En los osciloscopios digitales indica cuantas muestras por segundo es capaz de tomar el sistema
de adquisición de datos (especificamente el conversor A/D). En los osciloscopios de calidad se
llega a velocidades de muestreo de Megamuestras/sg. Una velocidad de muestreo grande es
importante para poder visualizar pequeños periodos de tiempo. En el otro extremo de la escala,
también se necesita velocidades de muestreo bajas para poder observar señales de variación lenta.
Generalmente la velocidad de muestreo cambia al actuar sobre el mando TIMEBASE para
mantener constante el número de puntos que se almacenaran para representar la forma de onda.
Resolución vertical
Se mide en bits y es un parámetro que nos da la resolución del conversor A/D del osciloscopio
digital. Nos indica con que precisión se convierten las señales de entrada en valores digitales
almacenados en la memoria. Técnicas de cálculo pueden aumentar la resolución efectiva del
osciloscopio.

Longitud del registro

Indica cuantos puntos se memorizan en un registro para la reconstrucción de la forma de onda.
Algunos osciloscopios permiten variar, dentro de ciertos límites, este parámetro. La máxima
longitud del registro depende del tamaño de la memoria de que disponga el osciloscopio. Una
longitud del registro grande permite realizar zooms sobre detalles en la forma de onda de forma
muy rápida (los datos ya han sido almacenados), sin embargo esta ventaja es a costa de consumir
más tiempo en muestrear la señal completa.
Envia tus mensajes, problemas y sugerencias a mi dirección de E-MAIL: agusbo@iponet.es
(C) Copyright Agustin Borrego Colomer - Junio 1997
EL OSCILOSCOPIO

Puesta en funcionamiento

Este capítulo describe los primeros pasos para el correcto manejo del osciloscopio.
Poner a tierra
Una buena conexión a tierra es muy importante para realizar medidas con un osciloscopio.

Colocar a tierra el Osciloscopio

Por seguridad es obligatorio colocar a tierra el osciloscopio. Si se produce un contacto entre un
alto voltaje y la carcasa de un osciloscopio no puesto a tierra, cualquier parte de la carcasa,
incluidos los mandos, puede producirle un peligroso shock. Mientras que un osciloscopio bien
colocado a tierra, la corriente, que en el anterior caso te atravesaria, se desvia a la conexión de
tierra.
Para conectar a tierra un osciloscopio se necesita unir el chasis del osciloscopio con el punto de
referencia neutro de tensión (comunmente llamado tierra). Esto se consigue empleando cables de
alimentación con tres conductores (dos para la alimentación y uno para la toma de tierra).
El osciloscopio necesita, por otra parte, compartir la misma masa con todos los circuitos bajo
prueba a los que se conecta.
Algunos osciloscopios pueden funcionar a difentes tensiones de red y es muy importante
asegurarse que esta ajustado a la misma de la que disponemos en las tomas de tensión.

Ponerse a tierra uno mismo

Si se trabaja en circuitos integrados (ICs), especialmente del tipo CMOS, es necesario colocarse a
tierra uno mismo. Esto es debido a que ciertas partes de estos circuitos integrados son suceptibles
de estropearse con la tensíón estática que almacena nuestro propio cuerpo. Para resolver este
problema se puede emplear una correa conductora que se conectará debidamente a tierra,
descargando la electricidad estática que posea su cuerpo

Ajuste inicial de los controles

Después de conectar el osciloscopio a la toma de red y de alimentarlo pulsando en el interruptor
de encendido:
Es necesario familiarizarse con el panel frontal del osciloscopio. Todos los osciloscopios
disponen de tres secciones básicas que llamaremos: Vertical, Horizontal, y Disparo.
Dependiendo del tipo de osciloscopio empleado en particular, podemos disponer de otras
secciones.
Existen unos conectores BNC, donde se colocan las sondas de medida.
La mayoria de los osciloscopios actuales disponen de dos canales etiquetados normalmente como
I y II (ó A y B). El disponer de dos canales nos permite comparar señales de forma muy cómoda.
Algunos osciloscopios avanzados poseen un interruptor etiquetado como AUTOSET ó PRESET
que ajustan los controles en un solo paso para ajustar perfectamente la señal a la pantalla. Si tu
osciloscopio no posee esta caracteristica, es importante ajustar los diferentes controles del aparato
a su posición standar antes de proceder a medir.
Estos son los pasos más recomendables:

•  Ajustar el osciloscopio para visualizar el canal I. (al mismo tiempo se colocará como canalde disparo el I).

•  Ajustar a una posición intermedia la escala voltios/división del canal I (por ejemplo1v/cm).
• Colocar en posición calibrada el mando variable de voltios/división (potenciómetro central).

•  Desactivar cualquier tipo de multiplicadores verticales.
•  Colocar el conmutador de entrada para el canal I en acoplamiento DC.
•  Colocar el modo de disparo en automático.
• Desactivar el disparo retardado al mínimo ó desactivado.
• Situar el control de intensidad al mínimo que permita apreciar el trazo en la pantalla, y eltrazo de focus ajustado para una visualización lo más nítida posible (generalmente losmandos quedaran con la señalización cercana a la posición vertical).

Sondas de medida

Con los pasos detallados anteriormente, ya estas en condiciones de conectar la sonda de medida
al conector de entrada del canal I. Es muy importante utilizar las sondas diseñadas para trabajar
especificamente con el osciloscopio. Una sonda no es ,ni muco menos, un cable con una pinza,
sino que es un conector especificamente diseñado para evitar ruidos que puedan perturbar la
medida.
Además, las sondas se construyen para que tengan un efecto mínimo sobre el circuito de medida.
Esta facultad de la sondas recibe el nombre de efecto de carga, para minimizarla se utiliza un
atenuador pasivo, generalmente de x10.
Este tipo de sonda se proprociona generalmente con el osciloscopio y es una excelente sonda de
utilización general. Para otros tipos de medidas se utilizan sondas especiales, como pueden ser las
sondas de corriente ó las activas.

Sondas pasivas

La mayoria de las sondas pasivas estan marcadas con un factor de atenuación, normalmente 10X
ó 100X. Por convenio los factores de atenuación aparecen con el signo X detrás del factor de
división. En contraste los factores de amplificación aparecen con el signo X delante (X10 ó
X100).
La sonda más utilizada posiblemente sea la 10X, reduciendo la amplitud de la señal en un factor
de 10. Su utilización se extiende a partir de frecuencias superiores a 5 kHz y con niveles de señal
superiores a 10 mV. La sonda 1X es similar a la anterior pero introduce más carga en el circuito
de prueba, pero puede medir señales con menor nivel. Por comodidad de uso se han introducido
sondas especiales con un conmutador que permite una utilización 1X ó 10X. Cuando se utilicen
este tipo de sondas hay que asegurarse de la posición de este conmutador antes de realizar una
medida.

Compensación de la sonda

Antes de utilizar una sonda atenuadora 10X es necesario realizar un ajuste en frecuencia para el
osciloscopio en particular sobre el que se vaya a trabajar. Este ajuste se denomina compensación
de la sonda y consta de los siguientes pasos.

• q Conectar la sonda a la entrada del canal I.
• q Conectar la punta de la sonda al punto de señal de compensación (La mayoria de lososciloscopios disponen de una toma para ajustar las sondas, en caso contrario será necesario utilizar un generador de onda cuadrada).
• Conectar la pinza de cocodrilo de la sonda a masa.
• Observar la señal cuadrada de referencia en la pantalla.
• Con el destornillador de ajuste, actuar sobre el condensador de ajuste hasta observar unaseñal cuadrada perfecta.

Sondas activas
Proprocionan una amplificación antes de aplicar la señal a la entrada del osciloscopio. Pueden ser
necesarias en circuitos con una cargabilidad de salida muy baja. Este tipo de sondas necesitan
para operar una fuente de alimentación.

Sondas de corriente 

Posibilitan la medida directa de las corrientes en un circuito. Las hay para medida de corriente
alterna y continua. Poseen una pinza que abarca el cable a traves del cual se desea medir la
corriente. Al no situarse en serie con el circuito causan muy poca interferencia en él.

Sistema de visualización:

Intensidad

Se trata de un potenciómetro que ajusta el brillo de la señal en la pantalla.Este mando actua
sobre la rejilla más cercana al cátodo del CRT (G1), controlando el número de electrones
emitidos por este.
En un osciloscopio analógico si se aumenta la velocidad de barrido es necesario aumentar el
nivel de intensidad. Por otra parte, si se desconecta el barrido horizontal es necesario reducir la
intensidad del haz al mínimo (para evitar que el bombardeo concentrado de electrones sobre la
parte interior de la pantalla deteriore la capa fluorescente que la recubre).
Sistema de visualización:

Enfoque

Se trata de un potenciómetro que ajusta la nitidez del haz sobre la pantalla. Este mando actua
sobre las rejillas intermedias del CRT (G2 y G4) controlando la finura del haz de electrones. Se
retocará dicho mando para una visualización lo más precisa posible. Los osciloscopios digitales
no necesitan este control.
Sistema de visualización:
del haz