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enero 12, 2011

Osciloscopio

El osciloscopio de rayos catódicos fue inventado en 1897 por Ferdinand Braun, tenía entonces la finalidad de analizar las variaciones con el tiempo de intensidades de corriente. Recordemos que 1897 fue el mismo año en que J.J. Thomson midió la carga del electrón a partir de la reflexión por medio de campos magnéticos. Exactamente como en los tubos de rayos X, los tubos de Braun, como se les llamaba, se basaban en la descarga eléctrica en los gases para producir la emisión de los electrones en forma de filamentos, que tenían como resultado la imagen sobre la pantalla.
Fue solamente con la utilización de tubos de rayos catódicos hechos por Wehnelt en 1905, que fue posible la industrialización de este tipo de equipos que hasta hoy encontramos, con muchos perfeccionamientos, en los laboratorios de electrónica.
La finalidad de un osciloscopio es producir en una pantalla una imagen que sea una representación gráfica de un fenómeno no dinámico, como por ejemplo: latidos del corazón, un pulso de corriente, una tensión que varíe de valor con el tiempo, la descarga de un condensador por mencionar algunos.

Con el osciloscopio se pueden visualizar formas de ondas de señales alternantes, midiendo su voltaje pico a pico, medio y rms. Los circuitos fundamentales de un osciloscopio son los siguientes: atenuador de entrada vertical, amplificador vertical, etapa de deflexión vertical, amplificador de la muestra de disparo (trigger), selector del modo de disparo (interior o exterior), amplificador del impulso de disparo, base de tiempos, amplificador del impulso de borrado, etapa de deflexión horizontal, tubo de rayos catódicos, circuito de alimentación.
Una corriente alterna es aquella que cambia constantemente de valor e invierte su dirección a intervalos regulares. En el caso de un alternador, esos cambios son resultado de la rotación de la armadura o inducido, ya que cada vuelta del alambre del embobinado corta las líneas de fuerza del campo magnético en una dirección y luego en la dirección opuesta, ocasionando así que los electrones se muevan alternativamente en una dirección y luego en la dirección contraria.


Vídeo explicativo del uso de un osciloscopio. Fuente: Universidad de Granada. Vía YouTube

Los Osciloscopios pueden ser analógicos o digitales. Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada, está una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. El osciloscopio analógico tiene una serie de limitaciones propias de su funcionamiento:

  1. Las señales deben ser periódicas. Para ver una traza estable, la señal debe ser periódica ya que es la periodicidad de dicha señal la que refresca la traza en la pantalla. Para solucionar este problema se utilizan señales de sincronismo con la señal de entrada para disparar el barrido horizontal (trigger level) o se utilizan osciloscopios con base de tiempo disparada.
  2. Las señales muy rápidas reducen el brillo. Cuando se observa parte del período de la señal, el brillo se reduce debido a la baja persistencia fosfórica de la pantalla. Esto se soluciona colocando un potencial post-acelerador en el tubo de rayos catódicos.
  3. Las señales lentas no forman una traza. Las señales de frecuencias bajas producen un barrido muy lento que no permite a la retina integrar la traza. Esto se solventa con tubos de alta persistencia. También existían cámaras Polaroid especialmente adaptadas para fotografiar las pantallas de osciloscopios. Manteniendo la exposición durante un periodo se obtiene una foto de la traza. Otra forma de solucionar el problema es dando distintas pendientes al diente de sierra del barrido horizontal. Esto permite que tarde más tiempo en barrer toda la pantalla, y por ende pueden visualizarse señales de baja frecuencia pero se verá un punto desplazándose a través de la pantalla debido a que la persistencia fosfórica no es elevada.
  4. Sólo se pueden ver transitorios si éstos son repetitivos; pero puede utilizarse un osciloscopio con base de tiempo disparada. Este tipo de osciloscopio tiene un modo de funcionamiento denominado "disparo único". Cuando viene un transitorio el osciloscopio mostrará este y sólo este, dejando de barrer una vez que la señal ya fue impresa en la pantalla.
Tipos de Osciloscopio

En contraste, el osciloscopio digital la señal es previamente digitalizada por un conversor analógico digital. Al depender la fiabilidad de la visualización de la calidad de este componente, esta debe ser cuidada al máximo.
Las características y procedimientos señalados para los osciloscopios analógicos son aplicables a los digitales. Sin embargo, en estos se tienen posibilidades adicionales, tales como el disparo anticipado (pre-triggering) para la visualización de eventos de corta duración, o la memorización del oscilograma transfiriendo los datos a un PC. Esto permite comparar medidas realizadas en el mismo punto de un circuito o elemento. Existen, así mismo, equipos que combinan etapas analógicas y digitales.
La principal característica de un osciloscopio digital es la frecuencia de muestreo, la misma determinara el ancho de banda máximo que puede medir el instrumento, viene expresada generalmente en MS/s (millones de muestra por segundo).

La mayoría de los osciloscopios digitales en la actualidad están basados en control por FPGA (del inglés Field Programmable Gate Array), el cual es el elemento controlador del conversor analógico a digital de alta velocidad del aparato y demás circuitería interna, como memoria, buffers, entre otros.
Estos osciloscopios añaden prestaciones y facilidades al usuario imposibles de obtener con circuitería analógica, como los siguientes:
  1. Medida automática de valores de pico, máximos y mínimos de señal. Verdadero valor eficaz.
  2. Medida de flancos de la señal y otros intervalos.
  3. Captura de transitorios.
  4. Cálculos avanzados, como la FFT para calcular el espectro de la señal. También sirve para medir señales de tensión.

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