Osciloscopio Analgico

Osciloscopio Analgico2014

UNIVERSIDAD PRIVADA SAN PEDRO

FACULTAD: Ingeniera

ESCUELA: Mecnica Elctrica

CURSO: Laboratorio de Medidas Elctricas

TEMA: Osciloscopio de Rayos Catdicos.

INTEGRANTES: Alwin Aldave Ramirez Anthony Dias Bazn

I. INTRODUCCIN

Los circuitos electrnicos se caracterizan por la presencia de seales en diversos puntos de los mismos, es decir, tensiones o corrientes que evolucionan en el tiempo. En la mayora de los casos la velocidad de esta evolucin torna imposible su seguimiento con los instrumentos de deflexin o digitales de uso corriente (multmetros o testeras). Dada la importancia de la informacin que la evolucin temporal de estas tensiones y corrientes brinda acerca del funcionamiento del circuito bajo ensayo, se desarroll un instrumento especial para facilitar su observacin y efectuar mediciones de tensin y tiempo: el osciloscopio. El Osciloscopio de Rayos Catdicos (ORC) es el instrumento capaz de registrar los cambios de tensin producidos en circuitos elctricos/electrnicos y mostrarlos en forma grfica en la pantalla de un tubo de rayos catdicos. Este instrumento genera en su interior un haz de electrones que se aceleran e impactan sobre la pantalla del mismo produciendo un punto luminoso que puede ser desplazado en forma vertical y horizontal proporcionalmente a la diferencia de potencial aplicada sobre unos electrodos. Si la tensin que produce la desviacin vertical es la que se desea observar y provocamos mediante un generador interno un desplazamiento horizontal del punto a velocidad constante, obtendremos sobre la pantalla una representacin de la evolucin temporal de la seal observada. Cuando las seales a observar son peridicas es posible representarlas en forma esttica en una pantalla mediante el recurso de sobreimprimir los ciclos sucesivos, obtenindose una imagen de la evolucin temporal de la magnitud a lo largo de uno o ms ciclos, o sea de la forma de onda. El circuito de sincronizacin (conocido como circuito de disparo o gatillado) es el encargado de hacer coincidir entre s los sucesivos ciclos de la onda sobre la pantalla para obtener una imagen estable.

II. EL OSCILOSCOPIO2.1 DEFINICIONEl osciloscopio es un dispositivo electrnico de medicin que representa grficamente seales elctricas variables en el tiempo. A travs de una pantalla, dividida en 8 divisiones verticales y 10horizontales, vemos la seal que se introduce. El eje horizontal, X, representa el tiempo en el que queremos visualizar la seal, y el eje vertical, Y, nos indica la amplitud con la que la queremos ver. En el caso de analizar una seal, esto nos ayudara a saber su amplitud en tensin y su frecuencia.

2.2 QUE MUESTRA UN OSCILOSCOPIO?

Ondas senoidales:Es la onda fundamental de cualquier seal. Con esto, se quiere decir que, operando con esta seal, es decir, sumndole otras senoidales de diferente amplitud y frecuencia, se obtiene otra seal de cualquier tipo, por ejemplo, una cuadrada. La mayora de fuentes de corriente alterna, ofrecen a su salida una seal con una forma de onda de este tipo.

Figura 01. Onda senoidal Onda cuadrada o rectangular:Este tipo de onda es, bsicamente, una seal que pasa de un estado a otro de tensin en un tiempo muy pequeo. Estos cambios de estado se dan en un intervalo de tiempo que determina la frecuencia de esta seal. Este tipo de seal se da habitualmente en el mbito digital, como por ejemplo, en ordenadores, o incluso actualmente, en la televisin con la inclusin de la Televisin Digital Terrestre.

Figura 02. Onda cuadrada

Ondas triangulares:Se trata de una seal que aumenta y disminuye a tiempo constante. A esto se le conoce como rampa, y forma este tipo de seal, la cual habitualmente se usa para el control lineal de voltaje. Cuando el tiempo en el que disminuye la seal es muy pequeo, se da un caso muy conocido en esta forma de onda, llamada diente de sierra.

Figura 03. Onda triangular2.3 QUE PODEMOS HACER CON UN OSCILOSCOPIO?Con un osciloscopio podemos, entre otras cosas: Determinar la frecuencia y la amplitud de una seal de voltaje. Diferenciar en una seal que parte es en corriente continua y que parte es en corriente alterna. Localizar errores en un circuito. Medir el ruido que hay en una seal. Etc.

Figura 04. Osciloscopio HAMEG

III. OSCILOSCOPIO ANALOGICO3.1. DEFINICIONEl osciloscopio de rayos catdicos (otra denominacin para el osciloscopio anlogo) proporciona una representacin visual de cualquier forma de onda variable en el tiempo aplicada a los terminales de entrada. En el eje vertical (Y) se grfica el Voltaje y en el eje horizontal (X) se representa el tiempo. As mientras el multmetro proporciona informacin numrica acerca de una seal aplicada, el osciloscopio permite visualizar en forma precisa la forma de onda de la seal

Entre ellos encontramos dos tipos: osciloscopios analgicos de tiempo real y osciloscopios analgicos de muestreo.

Osciloscopios analgicos de tiempo real (ART)Este tipo de osciloscopios realiza una captura constante en tiempo real de la seal completa y lo muestra en una pantalla de fosforo con cierta permanencia, empleando un tubo de rayos catdicos. Este tubo proyecta un haz de electrones sobre la pantalla de fsforo provocando una reaccin en su superficie y volviendo luminiscente el trazado de la seal. Esta seal se muestra, debidamente escalada, mediante una cuadricula de 10 de ancho por 8 de alto.Su ancho de banda se encuentra alrededor de los 20MHz de frecuencia. Esto muestra un gran retraso frente a los avances tecnolgicos de hoy da que emplean frecuencias del orden de GHz

Figura 06. Muestreo en tiempo real de un osciloscopio

Osciloscopios analgicos de muestreo(ASO)El teorema de muestreo desarrollado por Nyquist da origen al principio de muestreo en los osciloscopios. Este consiste en muestrear pequeas porciones de la seal de entrada, llamado periodo de muestreo, en lugar de su totalidad como se hace en los osciloscopios analgicos. Posteriormente estas muestras se montan, superponindolas, para formar la seal completa.Estos osciloscopios son capaces de alcanzar anchos de banda de 300MHz, aumentando as su campo de aplicacin

Figura 07. Muestreo aleatorio en un osciloscopio.

3.2. FUNCION Y TIPOSa) Se pueden clasificar segn varios criterios

Segn la frecuencia admisible: Baja frecuencia (hasta 10 MHz) Alta frecuencia (hasta 500 MHz) De muestreo (f > 1 GHz)

Segn el nmero de canales verticales: Un Canal Dos canales (Dos caones de electrones o un can con dos haces de electrones.

b) Tipos de Pantalla Pasivas ActivasOtros instrumentos basados en TRC Analizadores lgicos. Trazadores de Curvas. Analizadores de espectros.

Figura N08. Osciloscopio de dos canales.

III. ESQUEMA DE BLOQUESUn ORC est constituido esencialmente por un TRC y los sistemas de deflexin vertical y horizontal.El TRC genera electrones y los dirige a la pantalla, que est recubierta interiormente de material fosforescente, convierte la seal en imagen.El sistema de deflexin vertical consiste en placas metlicas entre las que pasa el haz dichas placas se encuentran en el interior del tubo y modifican la direccin del haz verticalmente.El sistema de deflexin horizontal constituido por dos placas en el interior del tubo, a estas se aplica la seal X o bien una tensin en rampa, este sistema consta de: Circuito de disparo (Trigger), que inicia el barrido en el mismo punto. Generador de barrido que produce una seal en diente de sierra. Amplificador horizontal que a partir de la anterior obtiene dos seales diente sierra, una hacia arriba y otra hacia abajo. Amplificador de puerta (o del eje Z) que suministra una tensin mientras se hace el barrido horizontal, suprimiendo el haz cuando vuelve hacia la izquierda una vez acabado el barrido.

Figura N09. Diagrama de bloques de un osciloscopio analogico

3.1. TUBO DE RAYOS CATODICOSLa unidad bsica de representacin visual de un osciloscopio es el tubo de rayos catdicos (TRC). Este tubo puede considerarse como una botella cuyo extremo plano est recubierto interiormente de una capa luminoscente. Cuando esta capa es sometida al choque de electrones, la energa cintica de los mismos se transforma en energa luminosa, dando lugar a un punto luminoso en la pantalla.Adems, contiene: un juego de placas verticales que deflectan (desvan) el haz en el eje vertical. un juego de placas horizontales que deflectan el haz de izquierda a derecha. una pantalla recubierta de fsforo que brilla al impactar el haz de electrones.

Figura N10. Tubo de rayos catdicos3.1.1. Generacin del hazLa generacin del haz es anloga a la de un trodo: Ctodo termoinico: Emite electrones al ser calentado por un filamento. Regilla: Controla el ritmo de emisin de electrones. Anodo: Acelera los electrones y recoge los que surgen de la regillaLa intensidad de corriente del haz se puede regular ajustando el potencial de la rejilla.

3.1.2. Enfoque:Crea un punto lo ms pequeo posible en la pantalla. En los ORC se emplean electrodos para realizar lo que se denomina un enfoque electroesttico.El tamao del punto sobre la pantalla se determina con el control FOCO.

3.1.3. Deflexin:Basados en placas metlicas dispuestas en el interior del tubo. Hay dos placas para la deflexin horizontal y otras dos para la deflexin vertical. (Deflexin electroesttica).Para comparar los diversos TRC se emplea el factor de deflexin.Las placas suelen estar inclinadas y en alta frecuencia se usan placas segmentadas.Las placas verticales suelen estar ms lejos de la pantalla que las del horizontal para trabajar a menor tensin.

3.1.4. Postaceleracin:El haz debe tener alta energa para tener un brillo adecuado, se acelera el haz entre las placas de deflexin y la pantalla, a base de aplicar una tensin positiva (hasta 20 Kv) a la pantalla respecto al nodo.En los tubos mono aceleradores, utilizados en bajas frecuencias, no hay campo de aceleracin, el tubo en esta zona posee un recubrimiento conductor conectado al potencial del ltimo nodo (puesto a masa). Adems sirve como apantallamiento electroesttico frente a campos externos y permite obtener un campo elctrico uniforme dentro del tubo.

3.1.5. Pantalla y retculas:Recubierta de fsforo P-31 (interior) que convierte la energa en luz.En el interior se deposita una fina capa de aluminio para anular la carga del fsforo.

5.- Sistema de deflexin verticalReproduce fielmente la seal de entrada, sin alterar ni la amplitud ni la frecuencia. Debe tener buena respuesta a pulsos rpidos.3.2. SISTEMA DE DEFLEXIN VERTICALReproduce fielmente la seal de entrada, sin alterar ni la amplitud ni la frecuencia. Debe tener buena respuesta a pulsos rpidos.

3.2.1. Estructura

1. SelectorAC: Se bloquea el paso de la corriente continua, para medir seales c.a.GND: Entrada desconectada.DC: Conexin al atenuador.

1. AtenuadorDetermina la magnitud de la seal de entrada al Amplificador. Debe tener impedancia constante a todas las frecuencias, debe ser un atenuador compensado. Para compensar la atenuacin debida a la inevitable capacidad de entrada del amplificador se aade una impedancia externa Za.1. Amplificador de DeflexinEsta etapa tiene salida diferencial, aumentando as la linealidad de la deflexin y rechazndose las seales de interferencias en modo comn. La adicin de una tensin continua a la seal permite variar la posicin vertical del trazo en la pantalla (control vertical). Compuesto por varias etapas con ganancia fija.

3.2.2. Canales mltiplesSi en la pantalla se presentan dos o ms canales se pueden hacer comparaciones entre ellos, medidas de tiempos relativos, etc. Debido a esto la mayora de los ORC tienen varios canales.

Situacin ideal:Dos canales de electrones o dos haces con placas de deflexin separadas, para poder presentar simultneamente dos seales.

Situacin habitual:Un solo haz con dos sistemas de preamplificacin y atenuacin en la deflexin vertical. Un conmutador permite que ambos canales usen el amplificador final de deflexin.Puede hacerse de varias maneras:

Modo alternate (ALT):Frecuencias Altas se presenta un canal en cada barrido. Para medir desfases EXT. TRIG.

Modo Chopper:Frecuencias Bajas, trazado sucesivo de un fragmento de cada seal a lo largo del barrido.

3.3. SISTEMAS DE DEFLEXIN HORIZONTAL

Su funcin es desplazar a velocidad constante (es decir, linealmente) el trazo, de izquierda a derecha.

3.3.1 Estructura:1. Generador de BarridoProduce seal en diente de sierra, desplaza el haz de izquierda a derecha y retorno, (int. Miller), se carga un condensador convirtiendo un escaln de entrada en una seal diente de sierra.

1. Circuito de disparoA partir de la seal de disparo (int. ext) obtiene un impulso que inicia finalmente al integrador Miller sincronizando as barrido y seal a observar, controla el amplificador de puerta.Si este circuito no existiera solo habra una representacin estable cuando la duracin de la rampa ms el tiempo de retencin fuera un submltiplo de la seal a representar.

La fuente de disparo puede ser exterior o interior: EXT: Disparo independiente de controles verticales. INT: Afectada por selector de entrada y atenuador. RED: Interferencias.

El selector de disparo determina el modo de acoplamiento de la seal de disparo (continua o alterna) y la pendiente elegida (ascendente o descendente).El control de nivel de disparo permite seleccionar el punto de inicio del barrido. Modo de disparo

Normal: Punto de disparo determinado por nivel, no hay disparo hasta que se alcanza este.Autotrigger: Barridos sucesivos automticamente.Single: despus de un barrido no se produce otro hasta pulsar RESET.1. Amplificadores de Deflexin Horizontales:Se encarga de proporcionar seal diferencial a las placas de deflexin, amplitud adecuada y forma determinada por la base de tiempos. Una variacin en la ganancia de este amplificador permite tener una expansin de la seal en la direccin horizontal.En el modo X-Y el canal X tiene las mismas caractersticas que el canal Y.

1. Base de tiempos Dobles:Para facilitar el anlisis de la seal hay dos bases de tiempos, una es principal y la otra retardada.La principal es normal, la retardada empieza el barrido cierto tiempo despus (delay).La velocidad de disparo de la retardada es mayor que la de la principal amplificndose la seal visualizada.

Se puede ver en pantalla: La ofrecida por el barrido retardado (Delay Sweep) La obtenida por el barrido doble; barrido principal y retardado. La obtenida por el barrido mixto (Mixed).

IV. DESCRIPCION DE LOS CONTROLES DE UN OSCILOSCOPIO ANALOGICO

A continuacin se da un descripcin de los controles que comnmente ms se usan en el manejo del osciloscopio, primero se muestra una visin general del panel de controles frontales y luego de detalla cada set de controles especficos para realizar una accin determinada.

El panel frontal est compuesto por seis secciones: La pantalla, Controles de deflexin vertical, Controles de deflexin horizontal, Control de las medidas y de las lecturas en pantalla, Control de Disparo, Conectores de los canales de entrada, de los cuales los ms importantes para el correcto manejo del osciloscopio son le controles verticales, horizontales, el control de disparo y las seccin de seales de entrada.SECCIN DE CONTROL VERTICAL: En esta seccin se eligen las seales que se van a visualizar en la pantalla y adems se controlan sus amplitudes.

1.- El control Volts/Div se utiliza para ajustar la sensibilidad del eje vertical desde1mV/Div hasta 5 V/Div con 12 rangos posibles.

2.-El botn de control Variable se utiliza para obtener un ajuste ms fino a partir del valor determinado con el control Volts/Div.

3.- Los botones de acoplamiento permiten seleccionar el modo de acoplamiento entre los canales de entrada y sus respectivos amplificadores verticales, se usa el modo DC (se visualizan las dos componentes, alterna y continua de la seal de entrada). El modo GND slo se utiliza para determinar el nivel de referencia de tierra (0 Volt) en la pantalla.

4.- El botn CHOP se debe utilizar cuando sea necesario evitar el parpadeo de la seal con barridos lentos de la base de tiempos, por lo general no es necesario presionar ste botn.

5.- El control de posicin permite el ajuste de la posicin vertical de la figura en laPantalla6.- El control de presentacin MODE permite seleccionar el o los canales que de quieren visualizar en la pantalla. Cada seal ingresada por un canal puede visualizarse independientemente eligiendo CH1 o CH2, o bien ambos al mismo tiempo eligiendo BOTH, o bien la suma de las seales de entrada eligiendo ADD.

7.- El botn INVERT permite invertir la fase del canal de entrada en 180, o sea invierte la seal con lo cual se puede hacer la diferencias de dos seales usando el modo ADD.

SECCIN DE CONTROL HORIZONTAL: Esta seccin controla la visualizacin en pantalla de los perodos de la seal.

1.- El control Sec/Div determina el intervalo de tiempo que representa una nica divisin horizontal en la pantalla del osciloscopio o dicho de otra forma selecciona el perodo del barrido de la seal.

2.- El control Sweep Variable es para determinar un barrido fino y se utiliza para ajustar la duracin del barrido.

3.- El botn Swp Uncal permite que se active el control Sweep Variable, en la prctica no es necesario en la mayor parte de los casos que se varen el control del punto 2 ni el botn Swp Uncal.

4.-El botn de X 10 Mag se utiliza para amplificar la velocidad del barrido en un factor de diez, en la mayor parte de los casos tampoco se usa.5.-El control Position ajusta la posicin horizontal de la seal que muestra el osciloscopio.

6.-El botn X-Y permite visualizar una seal en que tanto la seal que vara en el eje X como la que vara en el eje Y son voltajes de entradas en el CH1 y CH2. ste tipo de operacin del osciloscopio es til en el experimento del Ciclo de Histresis.

Seccin de Control Disparo: La seccin de disparo (Trigger en ingls, su traduccin al castellano no es muy explicativa) se utiliza para controlar el momento de comienzo del barrido de la seal, o dicho de otra manera controla el momento el que el osciloscopio lee o ve la seal de entrada, para posteriormente mostrarla en pantalla, tanto cuando se trabaja con una sola seal de entrada o se trabaja utilizando ambos canales de entrada.

1.- El selector de fuente Source selecciona la seal de entrada a partir de la cual se elige la seal de disparo. Las fuentes de disparo CH1 y CH2 utilizan la propia seal para realizar el disparo, en general para los experimentos del laboratorio el selector debe estar en CH1 o CH2.

2.- El Botn Trig. Both estabiliza el disparo de seales asncronas, se utiliza ste botn cuando se usan los modos ADD o BOTH en la seccin vertical.

3.- El botn Ext/10 atena la entrada de disparo exterior en un factor de 10. ste botn no se utiliza en las mediciones del laboratorio.

4.- El Botn Slope determina que el disparo, o sea el comienzo del muestreo de la seal es a partir de un punto de ella en que la seal sube (flanco positivo) o la seal ve en bajada (flanco negativo). Por defecto se utiliza el flanco de subida por lo que este botn no debe estar presionado.

5.- El selector Coupling elige el modo de acoplamiento. Por defecto se utiliza el modo DC que acopla la seal de disparo directamente al circuito de este modo se reconocen componentes de frecuencia de la seal de entrada que van desde los 0Hz. hasta los 1MHz. ste comentario se entrega slo como dato tcnico.

6.- En la seccin Mode se elige el modo de disparo, usualmente se utiliza el modo Auto por defecto.

7.-El control Holdoff se utiliza para estabilizar las seales en la pantalla cuando son demasiado complejas de visualizar y no se visualizan lo suficientemente bien con el control de nivel de disparo Level.

8.- Este indicador se enciende cuando la seal est siendo disparada.

9.- El control Trigger Level se utiliza para establecer el umbral de disparo, cuando el circuito de disparo comienza a visualizar un nuevo barrido.

Cuando la seal supera el umbral de disparo, se dispara el barrido y aparece la seal en la pantalla, o sea ste control sirve para visualizar mejor la seal mostrada en pantalla.

10.- Con el botn Set to 50% se determina en forma automtica el nivel de disparo como la mitad del valor peak yo peak de la seal no importando su amplitud.

Seccin de Control Entrada: La seccin de entrada es el lugar donde las seales de entrada se conectan al osciloscopio ya sea a travs de una punta de prueba (tambin conocida como sonda) o a travs de una cable BNC.

1.- Entrada al CH1. En el modo de funcionamiento X-Y, es la conexin de entrada para el eje X.

2.-Entrada al CH2. En el modo de funcionamiento X-Y, es la conexin de entrada para el eje Y.

3.- Con esta entrada se puede poner a tierra el chasis del osc., aunque por defecto el chasis internamente est conectado a tierra.

4.- Esta entrada se utiliza para introducir seales de disparo y seales de entrada al eje horizontal en forma externa, para utilizar sta entrada el selector Source de la seccin de disparo debe estar en el modo Ext. Para las mediciones del laboratorio FI35A no se utiliza sta entrada.

Laboratorio de MedidasPgina 23