Osciloscopio / Cómo utilizarlo

Esta información no debe ser tomada en cuenta como un curso completo, sino como una introducción al uso de estos dispositivos de medición.

El osciloscopio no es mas que un instrumento para la visualización de señales eléctricas en el dominio del tiempo. En otras palabras, se pueden ver formas de onda en él. La mayoría de los usos pueden no ser obvios, pero si posee uno, probablemente piense que es uno de los elementos mas usados.

CONTROLES

Aquí presentamos un básico (y ficticio) osciloscopio:

Este es un osciloscopio de dos trazos (o haces). Igualmente la mayoría de la información explicada aquí puede ser aplicada a uno de un trazo. Los controles básicos son:

• BRIGHT: Girando su cursos se ajusta la intensidad de la pantalla.
• FOCUS: Girándolo se ajusta el foco del trazo sobre la pantalla.
• GRAT: Ilumina una cuadrícula o grilla que facilita la visualización de la señal.
• TRACE: Selecciona la señal a trazar en la pantalla.
• TRIGGER: Selecciona la fuente de disparo.
• TRIGGER LEVEL: Selecciona el punto de la onda utilizado para disparar.
• TIMEBASE: Selecciona la velocidad con la que el trazo se desplaza en la pantalla.
• INPUT LEVEL: Ajusta el nivel de la entrada.
• POS (Position): Establece la posición del trazo en la pantalla.

El instrumento dispone de un conector de entrada para cada canal, situado en el frente del mismo. Seguramente su osciloscopio tenga muchos otros mandos que éste, en esta introducción trateremos de cubrirlos a todos ellos.

BRIGHT

Controla la intensidad lumínica (o brillo) de la pantalla. Esto es muy útil ya que los osciloscopios (a diferencia de las computadoras) no disponen de salvapantallas. Entonces, si deja un trazo brillante en la pantalla durante tiempos muy largos, puede suceder que esa imagen quede "quemada" sobre la superficie fluorescente del tubo quedando permanentemente visible, incluso con el instrumento apagado. Si desea (o necesita) dejar el instrumento conectado mucho tiempo con una señal estática será necesario bajar el brillo del trazo al mínimo para evitar este inconveniente. Cabe aclarar que la superficie quemada está en el interior del tubo, no pudiendo ser reparado de ninguna forma.

FOCUS

Este mando permite ajustar la definición del trazo. Un trazo fuera de foco se ve difuso y poco definido, mientras que un trazo enfocado correctamente permite una clara y rápida visualización.

GRATICULE

Este control permite iluminar una escala (o grilla) que facilita la medisión de la señal visualizada. Usualmente es una película plástica colocada sobre la superficie del tubo la cual está dibujada con una matríz de cubos de 1cm cuadrado, generalmente con líneas punteadas. Comparando la matríz con la forma de onda, es posible efectuar la medida tanto de tensión como de frecuencia. Si el control es apagado la grilla no será visible.

TRACE

También llamado "CHANNEL" este mando permite seleccionar el trazo a mostrar en la pantalla. Estas son las opciones mas usuales junto con su explicación:

• A: Sólo se muestra el trazo de la señal A.
• B: Sólo se muestra el trazo de la señal B.
• A+B: Se muestran tanto la señal A como la señal B (en dos trazos).
• ADD: Las dos entradas de señal son sumadas y mostradas en un único trazo.

TRIGGER LEVEL

Un trazo que exhibe una forma de onda sin el uso del TRIGGER (o disparador) se desplaza de forma similar que lo hace un sistema de TV cuando su sistema de traba horizontal está desajustado. El trigger detiene el trazo de una señal, hasta que una determinada parte de la forma de onda aparezca. Esto produce que el tubo se borre exactamente en el punto adecuado de la forma de onda para que ésta parezca estacionaria o quieta en un mismo lugar, facilitando su comprensión. Este control, por consiguiente, permite establecer el punto de la forma de onda donde debe actuar.

TRIGGER SELECTOR

Selecciona el origen de la señal de disparo. La mayoría de los instrumentos de dos trazos pueden ser disparados tanto desde el canal A como el B. Algunos mas complejos, disponen de la facilidad de disparar desde una señal externa, en cuyo caso un conector (usualmente rotulado TRIGGER) permite ingresar dicho impulso.

TIMEBASE

La velocidad con la que se dibuja un trazo en la pantalla del tubo puede ser ajustada con el control TIMEBASE. Este está calibrado en segundos (S), milisegundos (mS = 0.001 segundos) o microsegundos (uS = 0.000001 segundos).

INPUT LEVEL

Ajusta el nivel de entrada de cada canal permitiendo que el trazo complete la totalidad de la pantalla. Este es un selector calibrado en Voltios por centímetro (V/cm). Dado que este mando se ajusta de acuerdo a la magnitud de la señal de entrada, un ajuste sobre el rango hará que la señal mostrada sea imperceptible, pero ajustarlo bajo la escala puede dañar los circuitos de entrada del instrumento. De todas formas los equipos actuales disponen de protección contra este tipo de inconvenientes.

POSITION

Establece la posición vertical del trazo en la pantalla permitiendo facilitar la lectura de la señal. Por ejemplo, puede establecer de cero voltios a la posición central de la grilla para medir AC, o al pié de la pantalla para medir DC.

OPERACION BASICA

Para una simple experiencia, conecte una punta en la entrada CHAN-A luego, sostenga con su mano la punta metálica de prueba. Verá basura en la pantalla que corresponde a los 50 Hz (60 Hz en algunos países) del suministro eléctrico, que es recibido por su cuerpo. Coloque el mando timebase en 10mS / Div y el nivel de entrada de CHAN-A de manera que no se salga de la pantalla. Verá una forma de onda así:

En el selector de entrada trigger coloque CHAN-A. Ajuste el control TRIGGER lentamente y verá como en algunos puntos del recorrido de ese mando la señal se vuelve estática. Si el control TRIGGER de su instrumento dispone de una posición AUTO selecciónela, de esa forma no necesitará ajustar el mando manualmente.

La forma de onda que vió en su instrumento no es exactamente como la mostrada, ya que se ha cargado de distorsión. Esto se debe a varios factores, principalmente a que su cuerpo capta señales espúreas emitidas por los equipos electrónicos y eléctricos que tenga instalados tales como el TV, las lámparas fluorescentes, etc. Todos esos factores distorsionan una señal y forman otra distinta.

Si mira la forma de onda verá que hay dos divisiones horizontales rojas en la grilla de escala a travéz de dos picos consecutivos. Como el mando timebase está en 10mS/Div, le toma 20mS al trazo viajar entre dos divisiones. El PERIODO de la forma de onda es por consiguiente 20mS, (o 0.02 seg.). La FRECUENCIA de la forma de onda es 1 dividido por 0.02 = 50 Hz.

Ahora, vea la escala vertical. La línea central es cero voltios, y la forma de onda se mueve en 1.8 divisiones tanto arriba como abajo de la línea central, y si el nivel de entrada está a 1Volt/cm el nivel de la señal analizada es de 1.8v + 1.8v = 3.6 voltios Pico-A-Pico. Esto es igual a 3.6v por 0.35 =  1.2 volts RMS, que es lo que vería en un voltímetro.

De esta forma se puede tomar la frecuencia y la amplitud de cualquier forma de onda.

ENTRADAS

La impedancia de las entradas de un osciloscopio es muy alta para evitar cargar el circuito bajo prueba. La mayoría de los osciloscopios disponen de un interruptor AC/DC en la entrada de cada canal. Cuando lo coloca en DC el trazo del canal se mueve arriba o abajo en una distancia proporcional al voltaje DC en la entrada. Si lo coloca en AC, los componentes DC son quitados de la señal permitiendole ver unicamente la componente AC de la misma. Esta función es muy útil cuando se desea medir el nivel de ripple (rizado) de una fuente de alimentación. Haga el experimento de abajo para entender mejor lo explicado:

Aquí, el osciloscopio tiene conectadas sus dos entradas a la salida de una fuente común de 12VCC. El trazo B está a 5v/cm DC y solo se ve una línea. La línea horizontal puede ser movida hacia arriba sólo 2cm, pero siempre está quieta y sin desviaciones.

El trazo A está en AC (DC bloqueada), y la sensibilidad de entrada está en 1mV/cm. La componente DC de la señal puede dar una deflexión de 1200cm pero justamente esa componente está bloqueda. Así, el rizado de bajo nivel puede ser observado claramente. En la práctica, con el circuito mostrado, es muy probable que estremadamente poco o nada de rizado sea visible, pero cuando la fuente de alimentación es cargada el rizado comienza a verse claramente, dependiendo de la calidad de la fuente y de los valores de sus componentes. Esto es muy interesante para ver que la frecuencia del rizado ronda los 100Hz o 10mS relativo a los picos. Esto es causado por el rectificador de onda completa.

El selector TIMEBASE es muy posible que tenga una posición 'XY',  incluso los equipos mas económicos. Esto puede ser usado para una variedad de nuevas funciones como:

• Figuras de Lisajous: Mediciones de frecuencia muy precisas.
• Otros equipos: Tales como wobuladores y analizadores.
• Modulación en transmisores HF: Rápido y Conveniente.

La posición 'XY' del selector timebase desconecta el generador interno que desplaza el punto o barrido a través de la pantalla. Es ahora la entrada de señal B la encargada de hacer eso, mientras que la entrada A se encarga del desplazamiento vertical.

FIGURAS DE LISAJOUS

Para otra experiencia, conecte dos puntas de prueba a CHAN-A y CHAN-B. Luego, sostenga con sus manos por la parte metálica ambas puntas. Verá la misma basura que vió en la experiencia anterior, pero esta vez hay diferencia entre ambas señales. Esto resulta mucho mejor si dos personas sostienen uno cada punta de medición.

Si ambas señales son EXACTAMENTE idénticas, entonces el punto se moverá hacia arriba y hacia la derecha y luego hacia abajo y hacia la izquierda. Esto causará una línea diagonal a través de la pantalla. El círculo se produce cuando ambas señales tienen exactamente la misma frecuencia, pero diferente forma de onda o fase. Si ambas señales son perfectas ondas seno y diferenciadas exactamente por 90 grados de fase se producirá la siguiente visualización:

Si tiene acceso a un generador de onda seno de AF, conecte un circuito RC a una de las entradas y un circuito CR a la otra. Verá lo siguiente:

Verá que la forma de la figura cambia en función de la frecuencia de la señal.

Si la fase cambiara constantemente (ligeramente en diferentes frecuencias) vería un bloque cuadrado formado por una inagen en movimiento cambiando de izquierda - una línea inclinándose a la izquierda - un círculo - una línea inclinándose a la derecha - otro círculo - y volvería a la línea inclinándose a la izquierda nuevamente.

Si ambas ondas seno difieren en frecuencia en una relación 2:1 vería una figura como la siguiente:

Note que en plano vertical (eje Y = CHAN 2) hay sólo un pico, pero en el plano horizontal (eje X = CHAN 1) hay dos. CHAN 1 tiene, por consiguiente, el doble de la freciencia de CHAN 2. Con otras combinaciones de frecuencias la forma de onda obtenida se vuelve mas compleja, puede experimentar con relaciones de 3:2, 8:3, 2:5, etc.

WOBULADOR

Hay muchos circuitos publicados para hacer wobuladores. Un wobulador genera una señal de RF variable que se mueve acompañando a una forma de onda triangular o de diente de sierra. Si el diente de sierra es aplicado a la entrada Y (horizontal) la señal de RF puede ser aplicada a la entrada X (vertical) a través de la frecuencia intermedia del receptor (circuito sintonizado, filtro, etc). El eje vertical mostrará la respuesta en frecuencia del amplificador. Algo como lo que se aprecia:

Aquí podemos ver que el pico de la izquierda no es igual que el de la derecha dado que la respuesta de la etapa de frecuencia intermedia no es perfecta.

La mayoría de los osciloscopios de un trazo tienen un conector de salida TIMEBASE que puede ser usado para hacer un oscilador controlado por tensión barriendo solo las frecuencias de interes.

ANALIZADOR DE ESPECTRO

Es posible hacer fácilmente un analizador de espectro para ser usado en un osciloscopio, de la misma forma que se construyen los wobuladores. Un analizador de espectro es un dispositivo capáz de mostrar un rango de frecuancias 'simultáneamente' (o un rango de frecuencias tan rápidamente que parezca continuo). Si el oscilador local de un receptor superheterodino está implementado para barrer un rango de frecuencias, indicadas por la salida TIMEBASE de su osciloscopio, y el eje X (vertical) del instrumento monitoriza un detector de AM en la IF, entonces tendrá un analizador de espectro. Un analizador típico se ve como esto:

Aquí vemos muchas señales de RF mostradas simultáneamente. Esto normalmente muestra señales de 0 to 9MHz con una escala de 1MHz por división. La espiga larga a la izquierda de la pantalla es el marcador de 0MHz. Esta pantalla muestra un conjunto de señales con frecuencias en el orden de los 1.5 and 1.9 MHz, 6.0MHz, 7.1MHz y 7.9MHz. Las señales altas que se muestran rondan los 2.5MHz, 3.2MHz, 4.3MHz, and 5.5MHz. La línea base está obstruída con ruido, lo que se suele llamar 'GRASS' (del inglés PASTO).

Harmónicos y emisiones espúreas pueden ser vistas en un transmisor experimental. Algunos receptores HF disponen de un analizador de espectro de banda estrecha incluído en el equipo. Es operado desde el amplificador de frecuencia intermedia, antes del filtro. En ese caso es llamado Pantalla panorámica, Adaptador panorámico ó visor panorámmico. Señales QRP/DX presentan un muy bajo nivel de señal en el 'grass' por lo que este tipo de equipos no es conveniente.

Arriba se muestra el diagrama en bloques simplificado de un adaptador para analizador de espectro que cubre las bandas de HF completas desde 0 hasta 30 MHz.

MODULACION

En los viejos tiempos, era común el uso del osciloscopio para verificar la pureza de un transmisor experimantal de AM o CW. Todo lo que se necesita es conectar la entrata Y al micrófono, luego conectar LIBREMENTE la entrada X a la antena (simplemente coloque la punta cerca del coaxil de la antena o conectela al chassis del transmisor).

Con la configuración de arriba obtendrá una forma de onda trapezoidal como la siguiente:

CD menos AB dividido por CD es igual a la profundidad de modulación. en este ejemplo la profundidad de modulación es (6-2)/6 o 4/6 = 66%. Las líneas inclinadas (superior e inferior) son rectas lo que indica que la característica de modulación del transmisor es lineal.

Equipos para CW pueden ser controlados acoplando libremente uno de los canales del osciloscopio a la antena del transmisor y estableciendo el timebase en 100mS/Div. Obtendrá una forma de onda como la siguiente.

Los ángulos redondeados son ideales. Cuando son cuadrados es una clara señal de un transmisor mal calibrado. Señales puntiagudas pueden volver ilegal al transmisor en varios países (exceptuando Arabia Saudita!).

Si una señal de audio de dos tonos es conectada en la entrada de micrófono de un transmisor SSB y el osciloscopio es acoplado libremente en la salida de la antena del mismo, usando el generador interno de base de tiempo obtendrá la siguiente forma de onda:

El aplanamiento de los picos indica que algunas etapas del sistema estan sobre excitadas, y la falta de caída entre las figuras muestra un excesivo nivel de portadora.

PUNTAS DE PRUEBA

Pueden comprarse ya armadas o adquirir los materiales separadamente y ensamblarlas. Lo recomendable en estos casos es invertir un poco mas y comprar puntas armadas y de una calidad aceptable, ya que son las encargadas se conducir las señales desde el circuito bajo prueba hacia el osciloscopio. Una de las alternativas mas comunes en puntas comerciales son los divisores resistivos de tensión que permiten incrementar el rango de trabajo del instrumento. Desafortunadamente son hechas con cable coaxil, lo cual las vuelve poco accesibles (a decir verdad no hay puntas de osciloscopio baratas!). El cable coaxil posee capacitancia, por consiguiente esa capacitancia es colocada a través de cualquier señal dentro de su costoso instrumento y hace efecto en la señal mostrada. Considere un simple divisor de tensión resistivo utilizando cable coaxial (caso A); como el que se muestra abajo.

Aquí vemos que el resistor de 1M ohm es colocado en serie con un capacitor (el propio cable coaxil) que forma un filtro pasa-bajos de 6dB/octave. Una forma de onda cuadrada típicamente es como se muestra en el gráfico de abajo (trazo A), pero con la punta mensionada puede verse como el trazo C. Si en paralelo con el resistor de 1M ohm resistor se coloca un pequeño capacitor , como en el circuito B, esto lograría corregir la sutuación, pero el valor de ese capacitor es extremadamente crítico. Si es demasiado pequeño la forma de onda lograda se vería como el trazo C. si fuese demasiado grande se vería como el trazo B.

Si el capacitor de corrección es adecuadamente seleccionado la forma de onda se vería tal como la traza A. Algunos osciloscopios tienen una salida de señal de onda cuadrada cuya frecuencia es de 1KHz para calibración y pruebas. Usualmente es de 1v pico-a-pico. Si su instrumento no dispone de esa salida puede hacerla utilizando un circuito integrado CD4060 como oscilador/divisor partiendo de un cristal de cuarzo de 8192KHz (8.192MHz).

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