Un osciloscopio es un instrumento electrónico que se utiliza para representar en una pantalla LCD, las diferentes variables eléctricas que puede haber en un circuito. Estas señales, por lo general, suelen variar en el tiempo.
Un osciloscopio es un instrumento imprescindible en el campo de la electrónica para el análisis y la comprobación de los valores de se pueden dar en una señal variable.
La representación de las variables en el osciloscopio se realiza en pantalla en un eje de coordenadas. La coordenada del eje Y, es utilizada para representar la amplitud de la señal, es decir, el valor en voltios, por ejemplo, de una tensión. La coordenada X, se usa para representar en un eje temporal la evolución de la señal.
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Tipos de osciloscopios existentes
Existen dos tipos de osciloscopios, los analógicos y los digitales. En la actualidad, el osciloscopio digital ha ido sustituyendo poco a poco a los osciloscopios analógicos, gracias a las mejoras en las prestaciones de los digitales. La reducción de precio de estos últimos también ha sido un factor clave. Además, existen en el mercado modelos de osciloscopios portátiles. Estos osciloscopios ofrecen altas prestaciones y movilidad, lo que los hace muy útiles para los profesionales y personas apasionadas por la electrónica.
Características de los osciloscopios analógicos
Los osciloscopios analógicos presentan una serie de limitaciones a la hora de trabajar con ellos, tales como:
- Las señales que deseamos mostrar, han de ser siempre periódicas, es decir, que varíen en el tiempo siempre de la misma forma.
- Los fenómenos transitorios no aparecen en la pantalla, a no ser que, éstos se repitan de manera continua.
- Cuando queremos visualizar una señal de baja frecuencia en un osciloscopio analógico, ésta no forma un trazo continuo en la pantalla, tan solo muestra un punto en movimiento a través de ella.
- Si trabajamos con señales de alta frecuencia, debido a la alta velocidad de variación de la señal, la traza en la pantalla se mostrará perdiendo parte su brillo. Ésto se produce por que a la pantalla no le da tiempo a refrescar la visualización, debido a la frecuencia de la señal.
Como funciona un osciloscopio digital
La forma de medir de los osciloscopios digitales es básicamente la misma que en los analógicos. La diferencia está en que los osciloscopios digitales, adquiere la señal analógica con la sonda, para después, mediante un conversor analógico-digital (ADC), convertir la señal en digital. Gracias a esta conversión, el osciloscopio digital ofrece más posibilidades y facilidad en toma de medidas.
Entre las características que diferencian a un osciloscopio digital de uno analógico encontramos:
- Medida automática de diversos parámetros de la señal mostrada, tales como:
- Valor eficaz
- El Valor máximo
- Valor mínimo
- Valor de pico a pico
- Frecuencia
- Periodo
- Suma de dos valores de dos señales
- Medir los tiempos de subida y bajada de la señal
- Nos permite separar la señal del ruido que pueda llevar acoplado
- Calcular tiempos de propagación en circuitos microelectrónicos, tales como un microcontrolador.
- Ver los cambios de impedancia en una red
- Calcular la FFT de una señal
- Un osciloscopio digital permite la visualización de los transitorios de corta duración que ocurren en un circuito.
- Al tener los datos digitalizados, éstos se pueden almacenar en la memoria interna del osciloscopio digital. De esta forma, estos datos se pueden utilizar después para realizar análisis sobre ellos.
- Por medio de una conexión USB, es posible transferir datos desde el osciloscopio a un ordenador, para su posterior almacenamiento y estudio.
- La visualización de señales tanto de baja como alta frecuencia, se realiza de manera eficaz.
Partes de un osciloscopio
Los osciloscopios están formados por una serie de controles, agrupados según la funcionalidad que realizan. Estos controles, que son los más básicos, son comunes a todos los modelos.
A continuación vamos a describir cana uno de esos grupos de controles, vamos a ver para que sirven y como hay que hacer para conseguir una perfecta visualización de las señales de nuestro interés. Las principales partes de un osciloscopio son:
- La pantalla: el sistema de representación
- El amplificador vertical: el sistema vertical
- El sistema horizontal: base de tiempos y amplificador horizontal
- El Trigger: el sistema de disparo
- Las sondas
La pantalla del osciloscopio
El sistema de presentación en los osciloscopios analógicos esta formado por un tubo de rayos catódicos (CRT), el cual esta formado tres partes diferentes, encerradas al vacío en un tubo vidrio. Dichas partes son:
- El cañón de electrones: se encarga de acelerar y proyectar los electrones a lo largo del tubo
- El dispositivo de desviación de los electrones: formado por la placas verticales (PV) y las placas horizontales (PH), las cuales desvían el haz de electrones hacia cualquier parte de la pantalla.
- La pantalla: recubierta en su parte interior por un material fluorescente, el cual, gracias a sus propiedades, se ilumina cuando los electrones chocan contra ella.
En los osciloscopios digitales, la pantalla son de cristal líquido, pueden ser táctiles y con diversas calidades en cuanto a lo que refiere a la resolución (VGA, WXGA, etc). En algunos modelos de osciloscopios, se pueden conectar a un monitor de ordenador y visualizar en él las señales.
Entre los controles más comunes se encuentan:
- Beam finder: es el localizador del haz. Mediante el accionamiento del pulsador, se muestra en la pantalla el haz de electrones (en modelos con CRT).
- Intensidad: sirve para ajustar el brillo (en pantallas CRT)
- Enfoque: para enfocar la traza sobre el CRT
- Rotación de la traza: permite alinear la traza con las divisiones del eje X (en pantallas CRT)
El sistema vertical
El sistema vertical del osciloscopio se encarga de proporcionar al sistema de presentación toda la información de la señal, relativa al eje Y o eje vertical. Normalmente, suele venir indicado en el frontal del osciloscopio esta zona de controles con la etiqueta «VERTICAL», como se muestra en la imagen.
En el caso de esta imagen, se observa que el osciloscopio es de dos canales. El canal 1 identificado con el color amarillo, el canal con el color azul.
Opciones básicas del sistema vertical
- Escala o ganancia vertical: sirve para seleccionar la sensibilidad vertical o constante en voltios/división. Hay un control para cada uno de los canales. Con este control, se consigue cambiar el factor de escala, el valor que representa cada una de las divisiones verticales de la pantalla. Si elegimos 5 voltios/división y nuestra pantalla tiene ocho divisiones verticales, seremos capaces de mostrar en el osciloscopio, de manera correcta, una señal de hasta 40 voltios.
- Menú: abre un menú con las diferentes opciones de configuración para el canal escogido. Dependiendo del modelo, permite escoger entre otras cosas, la impedancia de entrada del canal, acoplamiento de la señal (GND, DC, AC), la ganancia de la sonda (1X,10X,etc.) o la limitación del ancho de banda. En cuanto al acoplamiento de la señal, si elegimos acoplamiento DC, podremos ver toda la señal. Si escogemos acoplamiento AC, se bloquean las componentes constantes de la señal y se permite que lleguen al canal solamente las componentes alternas de la señal. La opción de acoplamiento GND, se utiliza para desconectar la señal de entrada del canal vertical del osciloscopio y se mostrará en la pantalla la referencia del nivel de masa. Otra de las opciones de MENÚ, es la inversión de canal, que sirve para invertir la polaridad de uno de los canales y poder efectuar medidas diferenciales.
- Posición: con este mando, nos permite desplazar la traza de la señal en sentido vertical, para poder situarla donde deseemos.
- FFT: Transformada rápida de Fourier. Con esta opción, el osciloscopio nos permite utilizar esta función matemática para realizar un análisis espectral de las señales captadas por el osciloscopio. De esta manera, podremos visualizar en pantalla una señal descompuesta en su frecuencia fundamental y sus armónicos.
- MATH: los osciloscopios digitales suelen incluir esta opción. Con ella, se pueden realizar diversos operaciones matemáticas con las señales adquiridas por el osciloscopio digital.
El sistema horizontal: la base de tiempos del osciloscopio
Para mostrar una gráfica en la pantalla, el osciloscopio necesita datos horizontales y verticales. El sistema horizontal proporciona la segunda dimensión. Contiene un generador de barrido que se utiliza para controlar las velocidades de barrido del osciloscopio. Ese generador de barridos es lo que se conoce como base de tiempos, ya que está calibrado en tiempo. Con ello, se permite escoger las unidades de tiempo y observar las señales durante espacios de tiempo muy diversos, tales como nanosegundos, microsegundos, milisegundos, e incluso de algunos segundos.
Dependiendo del modelo con el que trabajemos, podremos encontrar unos controles u otros. En el panel de controles del osciloscopio, los controles de la base de tiempos suelen venir agrupados en una zona llamada «HORIZONTAL», como muestra la anterior imagen de un osciloscopio digital.
Controles del sistema horizontal del osciloscopio
En función del modelo con el que trabajemos, podemos encontrar habitualmente los siguientes controles del sistema horizontal o base de tiempos del osciloscopio:
- POSICIÓN: este mando permite desplazar las señales por el eje X de la pantalla del osciloscopio. De esta manera, es posible situar el inicio de un ciclo de la señal en un determinado punto de la pantalla, por ejemplo, para realizar una medida de la duración del ciclo.
- ESCALA o SEC/DIV: con este control seleccionamos la velocidad a la que el haz realiza el barrido de la pantalla. Girando el control, permite observar intervalos de tiempo mas cortos o mas largos del a señal de entrada. Cuando cambiamos el selector, estamos cambiando la escala de cada división en el eje horizontal del osciloscopio. Si, por ejemplo, escogemos 1 us, esto significa que cada división de la pantalla, en el eje X, representa 1 us. Es mu común también, disponer de una opción para ampliar de horizontalmente la forma de onda de la pantalla del osciloscopio. Esta ampliación tiene el efecto de multiplicar la velocidad de barrido por la magnitud de dicha ampliación. Normalmente esta ampliación suele ser de 10. Por ejemplo, si el selector de escala está en 1 ms y realizamos la ampliación, obtendremos un barrido de 10 ms/división. Esto resulta muy útil cuando deseamos observar en un osciloscopio detalles que se producen muy próximos en el tiempo, es una especie de zoom de una parte de la señal.
- ADQUISICIÓN: cuando el osciloscopio adquiere los datos, los convierte a formato digital. Dicha adquisición se puede realizar de tres modos distintos. Hay que tener en cuenta que, la elección de la base de tiempos, afecta a la rapidez con la que se adquieres los datos. Hay disponibles tres modos de selección en los osciloscopios: muestreo, promedio y detección de picos. En el modo de muestreo, el osciloscopio muestrea la señal de entrada a intervalos regulares de tiempo. Suele mostrar las señales con alta precisión en la mayoría de las ocasiones. No obstante, en este modo, se pueden perder ciertas variaciones rápidas de la señal. En el modo promedio, el osciloscopio adquiere una serie de formas de onda, realiza el promedio de ellas y presenta en la pantalla del osciloscopio el resultado. Este modo es muy recomendado para reducir el ruido que puede tener acoplado la señal que estamos muestreando. En el modo detección de picos, el osciloscopio busca los valores máximo y mínimo de la señal, consiguiendo así representar pulsos estrechos de la señal. El inconveniente de este modo es que el ruido acoplado, puede parecer mayor.
El sistema de disparo: el Trigger del osciloscopio
Al osciloscopio tenemos que decirle cuando queremos que comience a dibujar la señal en la pantalla. Y para ello disponemos del trigger. Si, por ejemplo, hemos seleccionado la base de tiempos en 1 us, y la pantalla del osciloscopio dispone de 10 divisiones horizontales, el osciloscopio traza 100.000 gráficas por minuto. Si cada uno de los barridos comienza en un punto diferente, el caos en la pantalla esta garantizado. Para que eso no ocurra, disponemos del trigger, el cual garantiza que el comienzo del barrido, se realiza siempre en un mismo punto de la señal. Primeramente hay que elegir la fuente del trigger (canal 1, canal 2, EXT). A continuación deberemos escoger si el barrido iniciara con un flanco de subida o con un flanco de bajada. Algunos modelos de osciloscopios también permiten elegir el trigger por nivel alto o bajo.
Como se puede observar en la imagen, bajo el nombre de «TRIGGER», tenemos los controles de esta sección.
Controles del Trigger del osciloscopio
Los controles mas habituales en esta sección del osciloscopio son:
- MENÚ: al accionar este pulsador podremos seleccionar las diferentes opciones del trigger, tales como la fuente de disparo, modo manual o automático, etc.
- LEVEL: con este potenciómetro, se permite seleccionar el nivel de disparo para la señal.
- FORCE TRIGGER: al pulsarlo, se fuerza el disparo en ese momento.
Las sondas del osciloscopio
Para efectuar la conexión del osciloscopio con los puntos de prueba de un circuito, la mejor opción es realizarla con una sonda.
La conexión se podría realizar con una cable, pero este cable, actuaria de antena y captaría señales parásitas que se representarían en la pantalla del osciloscopio. Señales de telefonía, Tv, radio o de la red de alimentación pueden acoplarse al cable y aparecer en la pantalla del osciloscopio junto con la señal que remos representar.
Al utilizar una sonda ,se producen cambios en la carga del circuito, pudiendo llegar a cambiar las señales del circuito. Dicha carga puede ser resistiva, capacitiva e inductiva. Dependiendo de la frecuencia de la señal muestreada por el osciloscopio, estos efectos serán de un tipo o de otro. A bajas frecuencias, la componente mas importante de la carga será la resistiva. Sin embargo, a frecuencias altas , las componentes inductiva y capacitiva pasaran a tener un relevancia mayor. Muchas sondas, viene previstas con un potenciómetro que permite compensarlas, con ayuda de una entrada de prueba del osciloscopio.
Existen sondas para osciloscopios que permiten atenuar el valor de la señal de entrada, para poder mostrarla correctamente en la pantalla del osciloscopio. Si por ejemplo, queremos visualizar una señal de amplitud de 60 voltios, y el valor máximo de voltios/división es de 5 voltios, al disponer de 8 divisiones, solo podremos mostrar señales de 40 volttios de amplitud, Con una sonda, podemos reducir esa señal por 10, pudiendo así, ver la señal correctamente en el osciloscopio.
¿Qué puedo medir con un osciloscopio?
Las mediciones mas comunes que se pueden realizar con un osciloscopio son:
- Mediciones de la amplitud de una señal.
- Medir la frecuencia de las señales.
- Medición de impulsos.
- Mediciones del ciclo de trabajo.
- Media el desfase de dos señales.
- Mediciones X-Y mediante las figuras de Lissajous.
Seguridad en los osciloscopios
Antes de empezar a manipular un osciloscopio, hay que recordar que cuando trabajamos con equipos electrónicos hay que ser precavidos y respetar todas las normas de seguridad indicadas en el manual del aparato que queremos manipular, así como las indicaciones del manual del fabricante del osciloscopio.
Algunas de esas normas de seguridad en el manejo de osciloscopios son:
- No trabajar con equipos electrónicos en ambientes explosivos.
- Cuando manipulemos equipos electrónicos, nuca hacerlo estando solos.
- Poner a tierra todas las masas a tierra, la de la sonda osciloscopio y la del equipo a probar.
- No tocar componentes de los circuitos cuando tengan carga, con ninguna parte del cuerpo.
- Conectar el osciloscopio a una red de alimentación que este prevista de toma de tierra.