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Medidas Eléctricas
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1. Objetivos.
Plantear nociones básicas sobre el funcionamiento de osciloscopios analógicos y
digitales
Identificar e interpretar las principales especificaciones de osciloscopios analógicos y
digitales y de sus diferentes tipos de sondas.
Plantear consideraciones acerca de conexiones en mediciones con osciloscopios.
Implementar buenas técnicas de medición e identificar fuentes de error.
2. Introducción.
Un osciloscopio es un dispositivo que permite visualizar, analizar y medir señales eléctricas
variables en el tiempo.
El osciloscopio es un instrumento complejo capaz de medir o desplegar en una pantalla una
amplia variedad de señales (es esencialmente un voltímetro). Posee esa versatilidad
principalmente porque en realidad consiste en un grupo de subsistemas, diseñado cada uno para
efectuar una parte de la medición o despliegue.
Los osciloscopios, entre otras funciones, pueden utilizarse para:
• Determinar el periodo y la amplitud de una señal de tensión
• Determinar la componente AC y la componente DC de una señal
• Medir la diferencia de fase entre dos señales
• Determinar la secuencia de fases en un sistema trifásico
• Identificar transitorios
• Analizar formas de onda (por ejemplo, si un componente defectuoso
en un circuito está distorsionando la señal evaluada)
• Medir el nivel de ruido presente en una señal
Los osciloscopios pueden ser analógicos o digitales. Los osciloscopios digitales, además de
poseer las funciones de los osciloscopios analógicos, incorporan más funciones que los
convierten en una herramienta superior para muchas aplicaciones, entre ellas:
• Brindar múltiples posibilidades para la visualización y análisis de eventos.
• Realización de mediciones en forma automática.
• Almacenar los eventos y formas de onda en memoria para su posterior
análisis.
• Exportar / importar datos hacia / desde PC.
• Decodificar una trama de bits en un canal serie de un sistema de
comunicaciones.
• Realizar operaciones matemáticas complejas con las señales a su entrada.
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3. Funcionamiento del Osciloscopio Analógico.
Un osciloscopio analógico (OA) puede analizarse por los siguientes subsistemas trabajando
en forma conjunta:
1. Subsistema de Representación de la imagen (Tubo de rayos catódicos).
2. Subsistema de deflexión horizontal.
3. Subsistema de deflexión vertical.
4. Subsistema de disparo o sincronización.
5. Sondas y circuitos de calibración.
3.1. Subsistema de representación de la imagen en base al Efecto Termoiónico: (Tubo de rayos
catódicos).
El osciloscopio analógico se basa principalmente en el efecto termoiónico para crear un haz
de electrones que puede ser usado para reproducir visualmente una señal eléctrica en una
pantalla. En esencia, dicho efecto se logra provocando una diferencia de potencial entre
un conductor calentado denominado cátodo y otro conductor denominado ánodo, tal que
circule corriente a través de un circuito, como se muestra en la Figura 3-1. Dicho sistema
cátodo - ánodo es referido como “tubo de rayos catódicos” (en siglas, CRT: Cathode Ray
Tube).
Figura 3-1: Representación esquemática simplificada del sistema CRT (efecto termoiónico).
Al verse afectados por el campo eléctrico producido, los electrones liberados por el cátodo
debido a la acción del calor llegan hasta el ánodo, formando así una corriente de electrones entre
cátodo y ánodo. A este sistema se debe agregar un encapsulamiento de vidrio sin aire (al vacío),
debido a que se podría generar combustión con el oxígeno del aire, provocando que el filamento
se queme. Los electrones emitidos por el cátodo caliente se aceleran y alinean formando un haz
en lo que se denomina haz de electrones. Este haz finaliza su trayectoria colisionando contra
una pantalla de vidrio de plomo, la cual es recubierta con fósforo tal que la colisión del haz de
electrones se haga visible (cuando más frecuentemente el haz impacte contra un punto
específico de la pantalla, mayor la intensidad o luminosidad de dicho punto en la pantalla). El
plomo tiene la función de aislar emisiones de rayos X hacia el exterior. Los sistemas CRT
suelen emplear altas tensiones (del orden de 1 a 5 kV), las cuales son generadas por un
transformador interno asociado al sistema.
Si el haz de electrones se hace pasar entre dos placas que tienen una cierta diferencia de
potencial entre sí, entonces puede modificarse la dirección de su trayectoria, ya que los
electrones experimentarán la fuerza originada por el campo eléctrico presente entre las placas. El
haz entonces será desviado, describiendo así una trayectoria parabólica entre las placas, y luego,
una trayectoria recta hasta colisionar contra la pantalla, como muestra la Figura 3-2.
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Figura 3-2: a) Esquema del CRT. b) Desviación de la trayectoria del haz de electrones.
El efecto anterior es aprovechado para desviar el haz de electrones en dos direcciones X e Y,
en forma independiente. Para ello, se construye un arreglo de dos pares de placas paralelas, cada
par perpendicular entre sí, como se indica en la Figura 3-3. Con el arreglo se busca que una
tensión Vx positiva aplicada a las dos placas verticales produzca al haz una deflexión horizontal
hacia la derecha, y una tensión Vx negativa producirá un movimiento horizontal hacia la
izquierda. Independientemente, y en forma perpendicular, una tensión Vy positiva aplicada a
dos placas horizontales producirá un movimiento vertical hacia arriba, y una tensión Vy
negativa producirá un movimiento vertical hacia abajo del haz. La deflexión horizontal es
entonces utilizada para crear la “base de tiempo” y la deflexión vertical reproduce la amplitud de
la señal evaluada.
Figura 3-3: Arreglo de placas para la deflexión horizontal y vertical del haz de electrones.
3.2. Subsistema de deflexión horizontal: Generación de la base de tiempo.
La generación de la base de tiempo, o escala horizontal de tiempo se logra aplicando a las
placas verticales una señal Vx(t) con forma de onda diente de sierra, como la mostrada en la
Figura 3-4.
Figura 3-4: Forma de onda de la base de tiempo.
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Para una tensión Vy constante, la forma de onda diente de sierra aplicada a las placas
verticales provoca que el haz de electrones se mueva en línea recta horizontal, de izquierda a
derecha en forma periódica (con la frecuencia de la señal diente de sierra). Este movimiento
periódico es denominado “barrido horizontal”.
Figura 3-5: Trazo creado por la deflexión horizontal del haz a partir de la base de tiempo.
La frecuencia de la señal diente de sierra es controlable, y los valores comúnmente utilizados
son de tal magnitud que la persistencia de la retina del propio fósforo que recubre la pantalla
hace que se perciba una línea continua sólida en vez de un punto en movimiento.
3.3. Subsistema de deflexión vertical: Reproducción de la señal evaluada.
Si ahora una señal Vy(t) es aplicada al par de placas horizontales (cuya frecuencia se
sincronice adecuadamente con la señal de la escala de tiempo Vx(t)) entonces se observará en la
pantalla la variación de amplitud de Vy(t) en una escala de tiempo impuesta por la señal Vx(t).
Un ejemplo es mostrado en la Figura 3-6, donde la señal de entrada Vy(t) tiene forma de onda
triangular.
Figura 3-6: Reproducción de la forma de onda de la señal de entrada a partir de la composición de la base de tiempo (Vx)
con el canal de deflexión vertical (Vy).
La acción conjunta de la deflexión vertical y la horizontal crea entonces en la pantalla un
gráfico en función del tiempo coincidente con de la señal de entrada al osciloscopio, Vy(t).
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En realidad, la señal de entrada no se conecta directamente a las placas horizontales, sino
que internamente se intercalan una serie de amplificadores, capaces de atenuar ó aumentar la
señal de entrada a fines de la correcta visualización, tal como se puede observar en el diagrama
de bloques en la Figura 3-7.
Figura 3-7: Representación en bloques de un osciloscopio analógico (con fuente de disparo por propio canal evaluado).
3.4. El disparo de sincronización (Trigger).
Para lograr que sobre el TRC aparezca una imagen estable se deben sincronizar
correctamente las señales Vx y Vy.
Una imagen en la pantalla del osciloscopio es denominada “sincronizada”, o correctamente
disparada cuando dos visualizaciones sucesivas de una señal periódica (Vy) comienzan en el
mismo momento en el tiempo, (relativa al periodo de la señal). Si esto ocurre, los dos barridos se
superpondrán perfectamente, y lo mismo ocurrirá con barridos subsecuentes. Si el proceso es
realizado a una frecuencia elevada, el ojo humano percibirá una imagen definida y estática,
aunque en realidad constantemente un nuevo barrido actualiza la pantalla. Sin embargo, cuando
la señal de entrada y el barrido horizontal se encuentran fuera de sincronismo, (esto es, si el
barrido de tiempo comenzara en un punto diferente de la señal en cada barrido), en la pantalla se
observaría una forma no definida e incomprensible, producto de varios ciclos de Vy
superpuestos.
Figura 3-8: Izquierda: Visualización de una señal senoidal en pantalla, con el disparo (trigger) fuera de sincronización.
Derecha: Visualización de la misma señal con el disparo en sincronización.
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La tarea de la sincronización “barrido horizontal - señal de entrada” es resuelta en general
con una comparación entre una señal de disparo (generalmente la propia señal evaluada), con
respecto a un nivel de disparo previamente configurado (esto es, un valor de tensión continua
generada internamente, cuya magnitud es controlable por el usuario). Cuando la señal de disparo
iguala al nivel de disparo (y además cumple una serie de condiciones adicionales, dependiendo
el tipo de disparo) se produce un pulso de disparo, el cual inicia un barrido horizontal en la
pantalla. Si bien existen varios tipos de disparo, uno de los más comunes es el disparo por
flanco.
3.4.1. Disparo por flanco (Edge Triggering).
En este modo de disparo, el circuito de disparo actúa como un elemento de comparación
entre la señal de disparo y el nivel de disparo. El usuario selecciona el nivel de disparo y la
pendiente. Cuando la señal de disparo iguala ambos valores, un pulso de disparo es
generado y comienza a barrerse la pantalla horizontalmente.
Cuando la pendiente es positiva, se dice que el disparo es por flanco positivo, y si la
pendiente es negativa, se dice que el disparo es por flanco negativo. El control de nivel de
disparo determina en qué punto de dicho flanco ocurrirá el disparo. Es evidente que
para que exista sincronización, el nivel de disparo debe estar contenido entre el valor
máximo y el valor mínimo de la señal de disparo.
En la Figura 3-9 se ejemplifica el disparo de una señal senoidal por flanco positivo. Si
bien para el inicio de un barrido la intersección entre la señal disparo, el nivel de disparo y el
flanco es condición necesaria no es suficiente, esto es, no se comenzará un barrido en todos
los pulsos de disparo. Para el inicio de un nuevo barrido, además debe haber finalizado el
barrido anterior (lo cual es controlado por los “pulsos de bloqueo”) y adicionalmente,
haber transcurrido un tiempo de demora configurable conocido como “tiempo de retención”
o “Hold-Off”.
Figura 3-9: Ejemplo de diagrama de tiempos del circuito de disparo configurado en pendiente positiva (flanco
ascendente) y nivel de disparo coincidente con la componente DC de la señal de disparo.
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Ejemplo: configuraciones de disparo diferentes con señal de disparo senoidal: Si por ejemplo
se tiene una señal senoidal en el canal de entrada y se dispara por dicha señal, (es decir, la
fuente de trigger de entrada es la propia señal de entrada) y el disparo es por flanco
positivo, la señal se visualizará en pantalla con el aspecto de la Figura 3-10-a. En este caso el
nivel de disparo coincide aproximadamente con la componente DC de la señal senoidal. Si se
cambia el disparo por flanco positivo a disparo por flanco negativo, ahora la señal mostrada se
verá de la forma mostrada en la Figura 3-10-b. Por otro lado, si en la configuración anterior se
incrementa el nivel de disparo (es decir, si se gira el control de disparo en sentido horario un
25%) la señal se verá como se observa en la Figura 3-10-d. Por último, si el nivel de disparo se
configura en un valor negativo, el barrido comenzará en dicho valor negativo (pero con
pendiente positiva) de la señal, tal como se visualiza en la Figura 3-10-e.
Figura 3-10: a) Disparo con flanco positivo de una señal senoidal como entrada y fuente de disparo, con un nivel de
disparo cercano a la componente DC de la señal. b) Disparo con flanco negativo. c) Disparo con flanco positivo – nivel
incrementado en un 25%. e) Disparo con flanco positivo – nivel menor que la componente DC de la señal.
3.4.2. Retención de disparo: Control Hold-off.
En ciertos tipos de señales es necesario disparar con la opción de “retención de disparo”,
es decir, un periodo de tiempo ajustable en el cual el osciloscopio no puede disparar
barridos en la pantalla. Este periodo de inhibición ocurre hasta que el tiempo de retención
denominado tiempo “Hold-off” finalice.
Si por ejemplo se tiene un tren de pulsos periódico como el observado en la
Figura 3-11, para una correcta visualización debe dispararse sólo en el primero de los
pulsos de cada tren, en vez de disparar en todos los pulsos:
Figura 3-11: Ejemplo de una señal de trenes de pulsos disparada con retención de disparo.
Así, en pantalla se visualizará correctamente el tren de pulsos, como se indica en la Figura
3-12-a. Sin el modo de retención, la señal visualizada será una superposición no coherente de
pulsos que implica una visualización incorrecta de la señal original. (Figura 3-12-b).
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Figura 3-12: a) Visualización del tren de pulsos con retención de disparo activada. b) Visualización del tren de
pulsos con la retención de disparo desactivada.
En la Figura 3-13 se representa en un diagrama de tiempos el tiempo de retardo hold-off
entre barridos. Obsérvese que el sistema de disparo estará inhibido de ejecutar un nuevo
barrido de la pantalla durante el tiempo de bloqueo (en la figura representado por los pulsos
de bloqueo) sumado al tiempo de bloqueo adicional denominado hold-off.
Figura 3-13: Ejemplo de disparo con retención de disparo Hold-off
Habiendo descripto el funcionamiento básico de un osciloscopio analógico en la sección
siguiente describiremos los controles básicos comunes a la mayoría de los modelos comerciales.
Figura 3-14: Panel frontal de un osciloscopio analógico de la marca PINTEK disponible en el Laboratorio de
Medidas Eléctricas FI-UNMDP.
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4. Principales Conectores y Controles del Osciloscopio Analógico.
En general el panel frontal de un osciloscopio analógico (OA) se divide en los siguientes
grupos de conectores y de controles:
Conectores de entrada/salida.
Controles de configuración vertical (uno por cada canal).
Controles de configuración horizontal .
Controles de configuración de disparo (trigger).
Controles de presentación de la imagen.
4.1 Conectores de entrada/salida.
En general se utilizan conectores BNC (Bayonet Neill-Concelman) para conectar el
cable coaxil de la sonda al osciloscopio. Las características de la sonda la analizaremos
posteriormente.
Figura 3-15: Conector BNC estándar con su símbolo esquemático.
Estos conectores tienen la característica de poseer una impedancia constante en un amplio
rango de frecuencias, y el valor de dicha impedancia iguala a la impedancia característica
del cable asociado, con lo cual se evitan inconvenientes asociados a ondas reflejadas. Por
dicha cualidad también son utilizados en generadores de señales y otras aplicaciones de
instrumentación. Son comúnmente utilizados en frecuencias hasta 4 GHz y tensiones de hasta
500 Volts.
La figura siguiente muestra un panel frontal de un osciloscopio analógico de dos canales
(CHA y CHB) y un conector adicional para introducir una señal de disparo externo. Además
existe un borne de calibración y otro para testeo de componentes cuya función describiremos
luego.
Borne de
Calibración de
sondas
Borne de
testeo de
componentes
Entrada de
disparo externo
Entrada Canal B
Entrada Canal A
Tierra
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4.2 Controles de configuración vertical.
Son una serie de controles destinados a cambiar la escala vertical, la posición del trazo, el
canal que se muestra, o qué aspecto de la señal se muestra. Hay un control para cada canal.
VOLT/DIV Selecciona la escala vertical para el canal seleccionado.
o Valores típicos: 1mV/div a 5V/div.
o Generalmente también se tiene la opción de control de escala fino, tal
que se pueda ajustar la señal visualizada a un cierto número entero de
divisiones (por ejemplo, para medir tiempos de crecimiento). Dicho
ajuste suele denominarse VAR o CAL (también conocido como
ajuste “descalibrado”).
Position Ajusta el “offset” o posición vertical de la señal en la pantalla.
AC/DC/GND Modo de Acoplamiento:
o AC: Esta configuración es útil cuando la señal completa (con sus
componentes DC y AC) es demasiado grande para la pantalla, con la
configuración volts/div seleccionada. Al seleccionar esta opción,
internamente se intercala en serie con la entrada un capacitor,
filtrando la componente DC (esencialmente desde 0Hz hasta 20 ó 30
Hz) de la señal, y permitiendo así observar la parte alterna de la
misma, centrada en 0V. Por ejemplo, se suele utilizar para analizar el
ripple de una señal de tensión rectificada a DC.
Figura 3 -16: Ajuste vertical configurado acoplamiento AC (el capacitor serie bloquea
las componentes de frecuencia DC de la señal).
o DC: Se visualiza señal completa (componente DC + componente
AC).
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Figura 3-17: Ajuste vertical configurado acoplamiento DC.
Figura 3-18: Visualización de una señal con componente DC de 2Vdc y 1Vpp con
acoplamiento DC (izquierda) y con acoplamiento AC (derecha).
o GND: Esta opción desconecta la señal de entrada del sistema vertical
y la conecta a GND (ground = tierra), lo cual permite visualizar
dónde se encuentra la línea de 0V en la pantalla. El modo de disparo
se configura en automático para ver una línea horizontal en la pantalla
marcando una tensión nula 0V. Esta opción es útil para medir los
niveles de tensión de una señal con respecto a la toma de tierra de la
instalación (GND=E=Earth).
Figura 3-19: Ajuste vertical configurado en acoplamiento GND: para visualizar en
pantalla 0V y así obtener una referencia.
INV Inversión de canal (en este modelo tirando hacia afuera la perilla “
Position”
o La opción INV ó “Inversión de canal” básicamente muestra la señal
del canal seleccionado multiplicada por (-1).
o Aplicaciones utilizando la función INV incluyen
Cancelación de ruido: Canal A – Canal B = Señal + ruido –
ruido = Señal
Mediciones de tensión diferencial entre dos puntos de
potencial flotante respecto a tierra.
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Vert Mode:
o CHA: Esta opción permite ver solo el canal A.
o CHB: Esta opción permite ver solo el canal B.
o DUAL: Esta opción permite ver el canal A y el B al mismo tiempo.
Esta visualización puede ser “Alterna” o “Troceada” (sólo
osciloscopios analógicos): Estas funciones son utilizadas en
osciloscopios analógicos de trazo único para graficar dos canales en
una pantalla.
ALT: El modo de operación alterna traza cada canal
alternativamente (completando un barrido en el canal A, luego un
barrido en el canal B, un segundo barrido en el canal A, y así
sucesivamente). Esta función es utilizada con señales de
mediana y alta velocidad, cuando la base de tiempo esté
configurada en 0.5 ms/div o mayor.
CHOP: La función de Chopping o troceado hace que el oscilo
dibuje pequeñas partes de cada señal cambiando constantemente
de una a otra (a una velocidad lo suficientemente alta para que el
usuario no lo note y la forma de onda parezca completa,
típicamente de 100 a 500kHz). Esta función es utilizada con
señales lentas que requieren barridos de 1ms/div o menor.
Nota: es recomendable probar los dos modos para asegurarse de
obtener la mejor imagen. Se cambia de modo tirando hacia afuera
la perilla Hol-off.
Figura 3-20: Modos de visualización alterno (izquierda) y troceado (derecha) en un
osciloscopio de dos canales y un único trazo.
o ADD: Permite sumar las señales de los canales A y B y mostrar la
señal resultante en pantalla. También pueden restarse dos señales,
invirtiendo una de las dos con la función INV y luego sumándolas
entre sí.
Figura 3-21: Ejemplo de suma de dos canales con la función ADD.
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4.3 Controles de configuración horizontal.
Son una serie de controles destinados a cambiar la escala horizontal o la posición del trazo
entre otras opciones. Son controles comunes a todos los canales:
MAIN: Base de tiempo principal. Selecciona la escala de tiempo.
o Valores típicos: 1 μs/div a 2s/div.
o Generalmente también se tiene la opción de control de base de tiempo
fina, tal que se pueda ajustar la señal visualizada a un cierto número
entero de divisiones (por ejemplo, para medir tiempos de crecimiento,
desfasajes, etc). Dicho ajuste suele denominarse VAR o CAL.
DELAY: Base de tiempo retardada. Permite seleccionar una segunda escala de
tiempo, útil en algunas circunstancias de medición. Esta opción permite apreciar
más claramente ciertos eventos, y también visualizar eventos que con la base de
tiempo principal no sería posible ver. Cuando se usa la base de tiempo retardada
se puede ver en la pantalla una señal con:
o La base de tiempo principal, la retardada, o ambas según se quiera.
o Si se usan ambas, se visualizará una escala de tiempo principal en una
primera parte y otra escala (la retardada) en la segunda parte.
o El punto en el que se produce la transición entre las dos bases de
tiempo se puede regular con la perilla “DLY TIME POS.”
MAG Y: Amplificación horizontal:
o Algunos osciloscopios analógicos incorporan la opción de ampliación
horizontal. Normalmente se expande en X5 o X10 la base de tiempo
principal, sin embargo, debe tenerse en cuenta que el ancho de banda
del osciloscopio con esta función puede ser inferior al especificado
por el fabricante con la base de tiempo principal.
Figura 3-22: Ejemplo de magnificación de base de la base de tiempo principal.
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XY: Modo XY:
o Con esta opción se grafica la señal del canal A en la escala vertical
versus la señal del canal B en la escala horizontal, logrando así
componer los denominados patrones de Lissajous. Este modo es
utilizado para estimar rápidamente la diferencia de frecuencias o de
fases entre dos señales senoidales, una conectada a cada canal, a partir
del patrón formado en la pantalla.
4.4 Controles de disparo (Trigger).
Son una serie de controles destinados a sincronizar la señal de disparo con la señal a mostrar
en la pantalla. Son controles comunes a todos los canales:
TRIGLEVEL:
o Controla el nivel de disparo y el tipo de disparo a fin de lograr una
correcta visualización (ver apartado 3.4.1).
HOLDOFF:
o Controla el tiempo de retardo entre barridos a fin de lograr una
correcta visualización (ver apartado 3.4.2).
SLOPE: Pendiente:
o Rising o “ + ”: Disparo por flanco positivo.
o Falling o “ - ” : Disparo por flanco negativo.
SOURCE: Fuente de disparo:
o CHA: Utiliza la señal del canal A como referencia de disparo.
o CHB: Utiliza la señal del canal B como referencia de disparo.
o LINE: Utiliza la señal de tensión de línea (50Hz) como referencia de
disparo, disparando entonces cada 20ms. Es utilizado cuando se
pretende visualizar una señal de la frecuencia de línea, con baja
amplitud, en la que el ruido se torna relevante frente al propio nivel
de la señal y así, para un dado nivel, se crearían múltiples puntos de
disparo posibles, haciendo difícil la sincronización de disparo. Por
ejemplo, es utilizado para la visualización y medición de ripple en
una fuente de alimentación.
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Figura 3-23: Una señal de frecuencia de línea, con alto nivel de ruido y múltiples puntos
de disparo posibles.
o EXT: Utiliza la señal conectada a la entrada EXT TRIG (External
Triggering) para referenciar el disparo. Es utilizada por ejemplo,
cuando se quiere visualizar una señal periódica con un alto nivel de
distorsión que hace difícil el disparo por nivel. Si la fuente que genera
a evaluar posee una salida de pulsos sincronizada con la frecuencia de
la señal de salida, dicha salida de pulsos (la cual suele denominarse
“SYNC”) puede conectarse a la entrada EXT TRIG a efectos de
sincronización con el osciloscopio.
Figura 3-24: Sincronización de disparo de una señal periódica distorsionada por
señal de sincronización externa.
COUPLING: Modo de disparo:
o AUTO: Modo de disparo automático. Ante la ausencia de señal de
disparo, igualmente dispara barridos con frecuencias de 20 o 30
Hz, automáticamente. Esta es la opción más recomendada. Si los
controles de disparo están mal ajustados (por ejemplo, el nivel de
disparo supera el máximo de la señal evaluada) entonces
igualmente se ejecutará barridos a la frecuencia automática de
barrido y en la pantalla se verán trazos de la señal (no
correlacionados, pero al menos la pantalla no queda en negro).
o NORMAL: Modo de disparo normal. Si los controles de disparo
están mal ajustados (por ejemplo, el nivel de disparo supera el
máximo de la señal evaluada) entonces no se ejecutará ningún
barrido y la pantalla quedará en negro (esto es, sin mostrar ningún
trazo).
Nota: A bajas frecuencias < ≈5 Hz, el modo de disparo
automático causará que la visualización se torne inestable, por lo
que el modo de disparo normal debe ser usado.
o Video Line: Utilizadas en reparación de TVs.
o Video Field: Utilizadas en reparación de TVs.
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4.5 Controles de presentación de imagen.
INTENSITY: Opción de control de intensidad. Al aumentar la velocidad
de barrido de un osciloscopio analógico, habrá que aumentar el nivel de
intensidad para poder percibir adecuadamente la señal en la pantalla.
FOCUS: La opción de control de enfoque ajusta la nitidez de la señal en
la pantalla.
TRACE ROTATION: Control de rotación de trazado, se utiliza para
alinear la forma de onda con el eje horizontal de la pantalla. La existencia
de algún campo magnético intenso en la cercanía al osciloscopio
provocaría un torcimiento del haz de electrones, y esta función sirve para
corregirlo. Generalmente este control se ajusta girando un tornillo en el
panel frontal, para evitar que sea accidentalmente movido por el usuario o
durante el transporte.
Figura 3-25: Ejemplo de haz desviado donde es necesario un ajuste del control trace rotation
BEAM FIND: Localización del haz. Regresa el despliegue a la zona de
visión del tubo de rayos catódicos sin importar los demás ajustes. Para
ello reduce los voltajes de deflexión vertical y horizontal. Observando el
cuadrante en el que aparece el haz cuando se activa el localizador, se
sabrá en qué direcciones se deben girar los controles de posición
horizontal y vertical para volver a colocar el trazo en la pantalla una vez
que vuelva a operarse normalmente el osciloscopio.
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5 Introducción al Osciloscopio Digital.
En contraste con uno analógico, un osciloscopio digital (OD) emplea un convertidor
analógico-digital (en siglas, ADC, Analog to Digital Converter) para convertir la tensión medida
en valores digitales. De esta forma, la señal adquirida es convertida en muestras discretas, las
cuales son almacenadas, procesadas y re-ensambladas utilizando diferentes técnicas para
mostrarlas finalmente en una pantalla, eliminando el sistema CRT.
Un diagrama de bloques simplificado se muestra en la Figura 3-26. El proceso básicamente
se puede resumir como sigue: La señal analógica ingresa al conector del panel frontal y en el
ADC es muestreada, obteniendo puntos o valores digitales (comúnmente denominados
muestras, del inglés, samples). En el sistema de procesamiento de muestras se decide qué
muestras serán almacenadas en la memoria de adquisición. Una vez los datos están
almacenados, se procesan en un microprocesador (μP) con el cual se implementan las
mediciones y se decide qué puntos de forma de onda se mostrarán en el display.
Figura 3-26: Diagrama de bloques simplificado de un osciloscopio digital típico.
Se define entonces la tasa o frecuencia de muestreo (𝑓𝑠, sampling frecuency) como la
inversa del intervalo de tiempo entre dos muestras consecutivas. 𝑓𝑠 = 1/∆𝑡. Dicha magnitud
suele estar expresada en unidades de muestras por segundo [Sa/s].
Figura 3-27: Muestras o valores digitales obtenidos a partir de una señal analógica.
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El proceso de discretización de señales analógicas en digitales para su posterior
almacenamiento en una memoria con fines de visualización / análisis puede dividirse en dos
etapas principales:
1. La obtención de los puntos de muestreo de la señal analógica, lo cual implica la
aplicación de “métodos de muestreo”.
2. La reconstrucción de la señal analógica en forma digital, lo cual conlleva a la
aplicación de “métodos de adquisición de la forma de onda”.
Si bien existen muchas y diversas técnicas relacionadas a estas dos etapas, se introducirán en
este apunte las más generales.
5.1 Métodos de muestreo (sampling modes).
Los ODs pueden utilizar tres métodos diferentes de muestreo:
Muestreo en tiempo real.
Muestreo en tiempo real interpolado.
Muestreo en tiempo equivalente.
A continuación se presenta cada uno:
Muestreo en tiempo real. El muestreo en tiempo real es ideal para señales cuya frecuencia es menor a la mitad del
máximo tasa de muestreo del OD. En este caso, el OD es capaz de adquirir la cantidad
necesaria de puntos durante un barrido de la forma de onda, para construir una señal lo
suficientemente fidedigna.
Figura 3-28: Muestreo en tiempo real.
Por otro lado, cuando se miden señales de alta frecuencia, el OD puede no ser capaz de
recolectar los suficientes puntos durante un barrido. En este caso, en el que la frecuencia de
la señal evaluada es mayor que la mitad de la TM (tasa de muestreo) máxima del OD:
Muestreo en tiempo real interpolado. En este método se recolectan unas pocas muestras o puntos de la señal en un solo barrido
(en modo de tiempo real) y se utiliza interpolación para llenar los “gaps” o espacios entre
muestras.
Para que la reproducción de las señales tenga fidelidad con esta técnica, la tasa de
muestreo TS debe ser mayor a 4 veces el ancho de banda AB de la señal.
Existen diferentes modos de interpolación configurables: por ejemplo, el modo de
interpolación lineal es utilizado cuando la señal evaluada es cuadrada. El modo de
interpolación senoidal (usualmente referido como 𝑠𝑖𝑛(𝑥) / 𝑥) es utilizado con señales con
formas de onda irregulares, lo cual lo convierte en el modo más apropiado par a la mayoría
de las aplicaciones.
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Figura 3-29: Técnicas de muestreo lineal y senoidal.
Muestreo en tiempo equivalente. Con esta técnica se reconstruye la señal adquiriendo un punto diferente en cada
ciclo de muestreo. Esta técnica no-secuencial (ver Figura 5-5) asume que la señal es
completamente periódica y su utilización es conveniente en casos en que la frecuencia de la
señal es superior a la mitad de la tasa de muestreo fs máxima del osciloscopio.
Figura 3-30: Muestreo en tiempo equivalente.
Nota: con los dos primeros técnicas, los puntos aparecerán de izquierda a derecha,
mientras que con la tercera técnica los puntos se actualizarán en orden “aleatorio”.
5.2 Métodos de adquisición de la forma de onda.
Además de los modos de muestreo, también deben interpretarse los modos de
adquisición en un osciloscopio digital. El modo de adquisición controla cómo son
producidos los puntos de la forma de onda visualizada a partir de los puntos muestreados.
Recordar de la sección Modos de muestreo, que los puntos de muestreo son los valores
digitales que directamente “salen” del ADC (conversor analógico digital).
El tiempo entre muestras es llamado “intervalo de muestreo”. Los puntos de la forma de
onda son los valores digitales que son almacenados en la memoria y mostrados en la pantalla
para constituir la forma de onda. La diferencia de tiempo entre puntos de forma de
onda es denominada “intervalo de forma de onda”. El intervalo de muestreo y el intervalo
de forma de onda no deben ser necesariamente iguales. Este hecho conduce a la
existencia de diferentes modos de adquisición, en los cuales un punto de forma de onda
está formado por varios puntos muestreados secuencialmente. Adicionalmente, los puntos
de forma de onda pueden ser creados desde una composición de puntos muestreados,
tomados en múltiples adquisiciones. A continuación se presentan los principales modos
de adquisición:
Medidas Eléctricas
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Sample Mode (muestreo): Esta es la forma de muestreo más simple. El
osciloscopio crea el punto de forma de onda a partir de un punto muestreado en
cada ciclo.
Peak Detect Mode (detección de pico): El OD guarda el mínimo y el máximo
de los puntos muestreados tomados durante dos intervalos de forma de onda, y
usa estos puntos como los dos puntos de forma de onda correspondientes.
Los osciloscopios con detección de pico emplean su ADC a alta velocidad,
incluso con bases de tiempo bajas (intervalos de forma de onda largos). Este
modo de adquisición es útil para visualizar pulsos angostos, espaciados
largamente en el tiempo.
Hi Res Mode (alta resolución): Como la detección de pico, este modo es una
forma de obtener más información cuando el ADC puede muestrear a mayor
velocidad de lo que requiere la base de tiempo. En este caso, son promediadas
entre sí múltiples puntos muestreados dentro de un intervalo de forma de onda,
para producir un punto de forma de onda. El resultado es una disminución en
ruido, y una mejora en resolución para señales de baja velocidad.
Envelope Mode (envolvente): El modo de adquisición envolvente es similar a la
detección de pico. Sin embargo, en este modo el mínimo y el máximo de los
puntos de forma de onda de múltiples adquisiciones son combinados para formar
una forma de onda que muestre cambios de mínimo/máximo en el tiempo.
Average Mode (promedio): En este modo, el OD almacena un punto
muestreado durante cada intervalo de forma de onda, tal cual como se efectúa en
Sample Mode (muestreo). Sin embargo, los puntos de forma de onda de
adquisiciones consecutivas son promediados entre sí para producir la forma de
onda que finalmente se presenta en pantalla. Este modo es útil para reducir el
ruido sin la disminución de ancho de banda, pero requiere que la señal sea
periódica/repetitiva. Por ejemplo, este modo es útil para realizar simples
mediciones de amplitud de una señal (medición de tensión pico – pico).
Debido a la capacidad de almacenar información que poseen los ODs, debe notarse una
diferencia con analógicos: en el display puede visualizarse con una pequeña flecha el punto de
disparo (Trigger Position), y puede visualizarse información pre-disparo y post-disparo. (En el
caso del OA sólo puede observarse información de la señal post-disparo, y la información pre-
disparo, es decir, del barrido anterior es perdida con el nuevo barrido). Puede ajustarse qué tanto
hacia atrás o hacia delante se muestra en el display.
Figura 3-31: Indicador de disparo (Trigger position) y del nivel de disparo (Trigger level) en la pantalla de un OA.
Trigger position
(indicador)
Trigger level
(indicador)
Información Pre-disparo Información Post-disparo
Medidas Eléctricas
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6 Sondas de un Osciloscopio.
Las sondas (conocidas también como puntas de prueba) tienen vital importancia en
mediciones con osciloscopios tanto analógicos como digitales, al ser el primer elemento de la
cadena de medición. Por lo tanto, se debe prestar especial atención a estos dispositivos.
En un mundo ideal, las sondas deberían cumplir con los siguientes requerimientos:
a. Completa inmunidad al ruido electromagnético (EMI).
b. Conexión mecánica fácil y resistente.
c. No cargar el circuito bajo medida (error de inserción nulo).
d. No distorsionar la señal a medir.
Inmunidad al ruido EMI.
Los cables que conectan la salida del circuito bajo prueba con la entrada del osciloscopio
captan señales parásitas o ruido EMI, debido a los campos electromagnéticos generados por la
frecuencia de la red, circuitos inductivos con corriente alterna u otras fuentes. Si existen señales
parásitas apreciables la imagen aparece borrosa y sus contornos resultan imprecisos, haciendo
imposible la medida. Estos inconvenientes se solucionan utilizando un blindaje adecuado para
los cables de las sondas. Se prefiere la tecnología de cables tipo coaxil y terminales de tipo
BNC.
Un cable coaxil (o coaxial) es un cable compuesto por un conductor trenzado cilíndrico
hueco, por fuera de un conductor interno. El conductor central suele ser de cobre, y se lo rodea
con una capa de aislamiento con cierta flexibilidad. Encima del aislante se encuentra un
conductor trenzado que trae la corriente de regreso (referencia), y a su vez, actúa como blindaje
del conductor interno. De esta forma, el cable se denomina “auto-blindado”, ya que fuera de éste
los campos magnéticos extraviados son reducidos1 y el conductor trenzado también evita que
ingresen los campos eléctricos externos. Esto los hace ideales para transportar señales en
ambientes de alto ruido y alta frecuencia.
Figura 0-32 : Partes de un cable coaxial estándar.
Cables coaxiales son ampliamente utilizados en osciloscopios de todo tipo, ya que permiten
vincular eléctricamente a la sonda con el osciloscopio, minimizando al mismo tiempo la
captación de ruidos externos, lo que resulta vital para el correcto análisis de las señales.
1 Cuando la suma de las dos corrientes desde fuera del cable es cero (Figura 0-32), aplicando Ley de Ampere sobre
la trayectoria C puede determinarse que no habrá campo magnético B en su exterior:( 𝑩 ∙ 𝑑𝒍 = 0𝐶
→ 𝑩 = 0)
Medidas Eléctricas
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Conexión mecánica.
En general las sondas utilizan conectores BNC (Bayonet Neill-Concelman) para conectar el
cable coaxil de la sonda al osciloscopio como ya se dijo.
Figura 0-33 : Conector BNC estándar con su símbolo esquemático
Una conexión fácil y conveniente se logra con diferentes tipos de accesorios para la sonda,
como el empleo de sondas miniatura y adaptadores para circuitos SMT (circuitos de alta
densidad de montaje superficial).
Figura 3-34 : Una sonda de tensión pasiva típica con sus accesorios
Efecto de carga sobre el circuito de medida. Error de inserción.
En la mayoría de los casos, la impedancia de entrada del osciloscopio está formada por una
gran resistencia RO en paralelo con una pequeña capacitancia CO . En analogía con la impedancia
de entrada de un voltímetro, el valor de la resistencia Ro de entrada suele ser grande por la
condición de no cargar al circuito bajo prueba, pero no puede ser infinito ya que el osciloscopio
requiere que una pequeña corriente sea absorbida para poder desarrollar una tensión
proporcional a la señal a evaluar.
Valores típicos: 𝑅𝑜 = 1 𝑀𝛺 𝐶𝑜 = (10 … 50)[𝑝𝐹]
Figura 3-35 : Modelo circuital general de la entrada de un osciloscopio.
Osciloscopio
Medidas Eléctricas
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Puesto que la impedancia interna del osciloscopio se puede representar como el paralelo de
R0 con C0, resulta que la impedancia interna neta de entrada del osciloscopio depende de la
frecuencia de la señal a visualizar, ya que a medida que la frecuencia de la señal a medir sube la
reactancia X0 = 1/ωC0 baja. Esto hace que para corriente continua la impedancia interna del
osciloscopio sea de aproximadamente 1 MΩ pero mucho menos de eso si la frecuencia aumenta.
Veremos a continuación como influye la sonda en la impedancia total del conjunto sonda-
osciloscopio.
6.1 Sonda de tensión pasiva no atenuadora (Sonda 1X).
En esencia la sonda no atenuadora o directa, no es otra cosa que un cable coaxial (que posee
una cierta impedancia serie distribuida) terminada en una punta fina metálica, que se conecta a
la entrada del osciloscopio en su otro extremo mediante un conector BNC.
La sonda se comporta como una línea de transmisión que puede ser modelada
mediante un circuito de constantes distribuidas, de manera que tendrá una inductancia,
capacitancia y resistencia por unidad de longitud. Todos estos elementos del circuito influirán
en la medición a realizar.
Figura 3-36 : Modelo circuital distribuido de la sonda y cable para señales AC.
En consecuencia se debe hablar del conjunto “sonda-osciloscopio”. En general este modelo
puede simplificarse a uno de parámetros concentrados, como se muestra en la Figura 3-37:
Figura 3-37 : Modelo simplificado del conjunto circuito – sonda no atenuadora (1X) - cable – osciloscopio.
Como la capacitancia Cc del cable está en paralelo con la capacitancia de entrada del
osciloscopio, se podrán sumar. (No se representaron Rc y Lc por ser despreciables frente a Ro).
Este tipo de sondas se denominan “no atenuadoras” ya que la relación entre la magnitud de
la señal en la punta de la sonda (𝑉𝑖) y al final del cable que conecta la entrada al osciloscopio
(𝑉𝑜) es unitaria, es decir, 𝑉𝑖/ 𝑉𝑜=1. A esta relación entrada - salida también se la suele llamar
transferencia del circuito (en este caso, del circuito equivalente de la sonda).
𝑉𝑖 𝑉0
Medidas Eléctricas
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Para que se cumpla que 𝑉s≈𝑉𝑖, es decir se tenga poco error de inserción, debe cumplirse
que 𝑍𝑜 >> 𝑅𝑠, es decir, que la impedancia de entrada del osciloscopio sea mucho mayor que
la resistencia de la fuente (o resistencia de Thevenin equivalente del circuito bajo prueba).
Debe notarse que la impedancia de entrada 𝑍𝑜 del osciloscopio es función de la frecuencia
𝑓 de la señal evaluada como ya se dijo, por lo tanto, la relación 𝑉s/𝑉𝑜 será función de la
frecuencia. A altas frecuencias, la impedancia del paralelo 𝑅𝑜//𝐶𝑜 será baja (por ejemplo, a una
frecuencia de 1 MHz la impedancia de entrada 𝑍𝑜 puede rondar las unidades de kΩ, muy lejos
del valor de 1MΩ que se tenía en DC). Por esta razón:
6.2 Sonda de tensión pasiva atenuadora compensada (Sonda 10X, 100X, etc.).
Para contrarrestar el efecto de carga (error de inserción) originado por la capacitancia del
cable coaxial de la sonda (y también del osciloscopio mismo) que cambia con la frecuencia, se
puede emplear la sonda pasiva atenuadora compensada. Estas puntas compensadas efectúan su
funcionamiento aumentando la impedancia efectiva de entrada del osciloscopio, pero como
contrapartida atenúan la señal de entrada en cierto factor (por ejemplo 10, 50 o 100,
dependiendo de la punta).
La sonda pasiva atenuadora incorpora un circuito atenuador RC entre el punzón de la sonda
y el cable de entrada al osciloscopio, o en otros casos, en la terminación lado osciloscopio del
cable. El objetivo es que la relación 𝑉s/𝑉𝑂 sea independiente de la frecuencia de la señal. Con
esto se logra una sonda atenuadora que resultará conveniente para medir señales de alta
frecuencia. Veamos en qué consisten.
En la Figura 3-38 representa el circuito equivalente de la sonda atenuadora basada en el
circuito RC enunciado en el párrafo anterior. (En este caso, la compensación se encuentra en el
extremo de la sonda):
Figura 3-38 : Modelo del conjunto sonda atenuadora – cable – osciloscopio.
El conjunto “sonda 1X – osciloscopio” no presenta una impedancia de 1MΩ, sino
valores de impedancia que dependen inversamente de la frecuencia de la señal de
entrada.
En osciloscopios cuya entrada es de 1MΩ en paralelo con una cierta capacitancia, la
punta pasiva de tensión no atenuadora (1X) es utilizada para:
Señales de baja frecuencia (como máximo 15 MHz), porque allí 𝑍𝑜 es relativamente alta y se comete bajo error de inserción.
Circuitos de baja impedancia, porque allí Rs << 𝑍𝑜 y también se comete bajo
error de inserción.
Medidas Eléctricas
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El circuito equivalente simplificado de la sonda – osciloscopio puede ser representado como
sigue:
Figura 3-39 : Modelo circuital sonda atenuadora – cable – osciloscopio.
Los valores de las tensiones e impedancias que quedan en paralelo y las que quedan en serie
se pueden calcular como:
𝐼 =𝑉𝑖
𝑍𝑃 + 𝑍0=
𝑉0
𝑍0
𝑍𝑃 =𝑅𝑃
1
𝑗 𝜔𝐶𝑃
𝑅𝑃 +1
𝑗 𝜔𝐶𝑃
=𝑅𝑃
𝑗 𝑅𝑝𝐶𝑝 𝜔 + 1=
𝑅𝑃
𝐴 𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝐴 = 𝑗𝑅𝑝𝐶𝑝 𝜔 + 1
𝑍0 =𝑅𝑂
1
𝑗 𝜔(𝐶𝑂 +𝐶𝐶)
𝑅0 +1
𝑗 𝜔(𝐶𝑂 +𝐶𝐶)
=𝑅𝑂
𝑗 𝑅𝑂(𝐶𝑂 + 𝐶𝐶) 𝜔 + 1=
𝑅𝑂
𝐵 𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝐵 = 𝑗𝑅𝑂(𝐶𝑂 + 𝐶𝐶) 𝜔 + 1
Entonces:
𝑉0
𝑉𝑖=
𝑍0
𝑍𝑃 + 𝑍0=
𝑅0
𝐵𝑅𝑃
𝐴+
𝑅0
𝐵
Si se cumple que 𝑅𝑃𝐶𝑃 = 𝑅𝑜 𝐶𝐶 + 𝐶𝑜 entonces A = B en las ecuaciones anteriores, por
ende:
𝑉0
𝑉𝑖=
𝑍0
𝑍𝑃 + 𝑍0=
𝑅0
𝐵𝑅𝑃
𝐵+
𝑅0
𝐵
𝑉0
𝑉𝑖=
𝑅0
𝑅𝑃 + 𝑅0
En otras palabras, si se cumple la condición 𝑹𝑷𝑪𝑷 = 𝑹𝒐 𝑪𝑪 + 𝑪𝒐 llamada
condición de compensación, la sonda y el osciloscopio actuarán como un simple divisor
de tensión resistivo, y ese divisor de tensión es independiente de la frecuencia de la
señal a medir
𝑉𝑖 𝑉0
𝑉𝑖 𝑉0
ZP
Z0 I
Medidas Eléctricas
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Por otra parte, si se elige que 𝑹𝑷 = 𝟗 𝑹𝟎 la sonda actuará como un divisor resistivo
atenuando todas las señales a su entrada por igual, incluyendo señales con forma de
onda complejas (cuadrada, triangular, etc.) sin modificar su fase, y al mismo tiempo,
presentará una impedancia 10 veces mayor que R0, minimizando el error de inserción.
En la práctica se presentan las siguientes circunstancias:
a) La capacidad Co de entrada varía de un modelo de osciloscopio a otro.
b) El cable coaxial que une el circuito RC de la sonda con la entrada del osciloscopio tiene
una capacidad Cc que se conecta en paralelo con Co y cuyo valor no es constante sino
que depende de la longitud del cable.
Para asegurar el cumplimiento de la condición 𝑅𝑃𝐶𝑃 = 𝑅𝑜 𝐶𝐶 + 𝐶𝑜 es necesario que el
capacitor Cp de la sonda sea variable. La sonda tiene un elemento de ajuste para regular dicho
capacitor variable que aparece sobre el cuerpo de la sonda o sobre el conector BNC que se
conecta al osciloscopio.
Verificación del correcto equilibrio / compensación de la sonda en la práctica.
El proceso de ajuste del capacitor CP se realiza observando la respuesta de la sonda a una
entrada de tensión escalón (o en forma periódica, implementado con una señal cuadrada).
La siguiente Figura muestra una simulación computacional de un circuito sonda pasiva
atenuadora – osciloscopio como el de la Figura 3-39 cuando se le aplica una señal cuadrada.
Nótese que la mejor respuesta corresponde en este ejemplo a Cp=13pF, y que cuando Cp es
mayor que ese valor aparecen sobrepicos en la tensión V0 aplicada al osciloscopio (hay
sobrecompensación). Por el contrario, si Cp es menor que el óptimo la señal V0 queda recortada
(hay subcompensación).
Figura 3-40: Gráfico de la tensión de compensación a la salida de la sonda, para distintos valores de capacitancia “Cp”.
Por lo anterior, si a un osciloscopio se le aplica una onda cuadrada a través de una sonda
correctamente compensada, en la pantalla se obtiene otra señal cuadrada de la misma
frecuencia y cuya amplitud es la de la señal original dividida por la atenuación de la sonda.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
x 10-3
-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
t[s]
Vo[V
]
Señal de compensación (a la salida de la sonda) vs. Tiempo
Cp = 10.3pF
Cp = 11.3pF
Cp = 12.3pF
Cp = 13.3pF
Cp = 14.3pF
Cp = 15.3pF
Cp = 16.3pF
Cp = 17.3pF
Medidas Eléctricas
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Los osciloscopios suelen llevar incorporado un circuito que genera una señal cuadrada para el
ajuste de la sonda (generalmente denominada PROBE ADJUST) para evitar la necesidad de
utilizar un generador de funciones externo. Para lograr la adecuada compensación, se conecta la
sonda a esa señal de calibración y se varía la capacitancia variable en la sonda, Cp, hasta
conseguir que la señal visualizada sea cuadrada. De allí en más se puede utilizar esa sonda para
realizar mediciones.
Figura 3-41 : Los ajustes de compensación de la sonda son realizados en la cabeza de la sonda (girando un tornillo) o bien
en la caja de compensación con la sonda conectada a la señal de calibración del osciloscopio.
En las siguientes figuras se muestran ejemplos de visualizaciones en la pantalla del
osciloscopio con la señal Probe Adjust, con la sonda sobrecompensada, subcompensada y
correctamente compensada.
Figura 3-42: Izquierda: Sonda sobrecompensada. Centro: Sonda subcompensada. Derecha: Sonda correctamente
compensada
Nota: Este tipo de sonda se denomina atenuadora ya que si bien en ella la relación Vi / V0 es
independiente de la frecuencia, atenúa a la señal en un factor que generalmente es 10 o 100. Esto
debe ser tenido en cuenta al medir la amplitud V de una señal: El valor de amplitud Vo que “ve”
el osciloscopio en su entrada (y que aparece en su pantalla) debe ser multiplicado por la
atenuación, es decir:
𝑉𝑖 = 𝑎 . 𝑉0
Valores típicos de parámetros de una sonda atenuadora:
𝑅𝑝 = 9 𝑀𝛺 𝐶𝑝 = (10 … 30) 𝑝𝐹 𝑎 = 10 , 100 , 1000
Los osciloscopios modernos generalmente incorporan una opción de ajuste automático tal
que la señal mostrada en el display se corresponde con la señal en la sonda, sin tener que
multiplicar mentalmente por la atenuación, ya que ese factor ya está considerado internamente.
Medidas Eléctricas
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6.3 Sondas activas.
Se utilizan para realizar mediciones introduciendo mínima capacitancia en el circuito. Al
mismo tiempo este tipo de sondas poseen una alta resistencia de entrada. Además resultan
ideales para la medición de amplitudes con alta sensibilidad, logrando reducir
considerablemente la carga en el circuito. La diferencia de diseño principal con respecto a una
sonda pasiva es que la energía es provista por un amplificador alimentado por una fuente
auxiliar, y no por la propia señal a medir.
Figura 3-43: Modelo esquemático de punta activa.
En resumen, en contraste con las sondas pasivas, las ventajas de las sondas activas son
las siguientes:
Presentan una capacidad de entrada baja.
Pueden medir en un margen de frecuencias más amplio.
Tienen una elevada resistencia de entrada.
Proporcionan una mejor fidelidad de la señal.
Por otro lado, respecto a sondas pasivas se presentan los siguientes inconvenientes:
Tienen un costo más elevado.
Son menos resistentes desde el punto de vista mecánico.
Como se ha visto, las sondas activas y pasivas son empleadas para aplicaciones con
diferentes exigencias. Esto puede ser resumido en aproximación con la siguiente figura:
Figura 3-44: Resumen de aplicaciones de sondas pasivas y activas de tensión.
6.4 Sondas diferenciales.
En principio, todas las mediciones de tensión son diferenciales, ya que por definición, una
tensión consiste en la diferencia de potencial entre dos puntos en un circuito. Sin embargo,
cuando se mide una tensión se suele tomar como referencia la tierra (masa) del circuito que
idealmente se considera a cero potencial.
Medidas Eléctricas
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En la práctica, se refiere a modo diferencial al hablar de la diferencia entre dos señales que
están ambas por encima de tierra (por ejemplo, medición de la tensión entre fases de un
sistema o tensión compuesta). Para hacer mediciones de este tipo, pueden usarse dos métodos:
1. Utilizar dos sondas pasivas de tensión, cada una midiendo un punto con potencial
diferente, con respecto a la referencia tierra, y hacer la resta entre los dos canales para
obtener la tensión diferencial entre estos dos puntos. Este método no es el más
adecuado, ya que las dos sondas deben tener atenuaciones, respuestas y retardos iguales
para asegurar la exactitud de la medición. Además se ocupan dos canales, en muchos
casos inhabilitando el osciloscopio para hacer más mediciones en simultáneo.
2. Utilizar sondas diferenciales, las cuales funcionan en forma activa, basándose en un
amplificador diferencial para obtener la diferencia de tensión entre los dos puntos. Un
amplificador diferencial es un dispositivo activo que presenta alta impedancia entre sus
entradas inversora y no inversora, amplificando a su salida la diferencia de
tensión entre dichas entradas. La señal de interés se define como señal en modo
diferencial (la diferencia de tensión entre los puntos A y B) y la señal que se busca
rechazar es la señal en modo común (la tensión que es común a los puntos A y B). La
eficiencia con la que la sonda diferencial rechaza a las señales en modo común es
especificada por el cociente entre la magnitud de la señal de salida de la sonda y la
magnitud de la señal diferencial a su entrada. Esta relación es especificada por los
fabricantes como CMRR (por sus inglés en inglés, Common Mode Rejection
Ratio)
Figura 3-45: Esquema de una sonda diferencial.
Figura 3-46: a) Ejemplos de medición de tensión diferenciales con ambos niveles flotantes. b) Medición de una tensión
diferencial con ambos niveles flotantes utilizando ambos canales de un osciloscopio. c) Medición de una tensión
diferencial con ambos niveles flotantes utilizando una sonda diferencial.
Medidas Eléctricas
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Figura 3-47: Una sonda diferencial activa típica.
6.5 Sondas de alta tensión (High Voltage Probes).
La máxima tensión aplicable a una sonda pasiva de tensión típica está en el orden de 400 a
500 V (DC + ACpico). Si se requiere medir una tensión mayor se debe recurrir a una sonda de
alta tensión.
Las sondas de alta tensión (conocidas en inglés como High Voltage Probes) típicamente
sirven para obtener señales de magnitudes de hasta 20 kV o más. Básicamente se basan
en poseer grandes valores de resistencia serie (típicamente centenas de MΩ) con capacitores
asociados en paralelo para mejorar la respuesta en alta frecuencia, actuando así como divisores
de tensión en combinación con la impedancia de entrada del osciloscopio o del multímetro al
que se conectan.
Su gran tamaño se debe principalmente a las distancias dieléctricas mínimas que deben
mantenerse entre puntos con alta tensión respecto del potencial de tierra. Deben procurarse
mantenerse lo más limpias posible, para evitar cualquier camino conductivo que pueda puentear
la aislación y así evitar la formación de arcos voltaicos.
Figura 3-48: Una sonda de tensión típica con conector BNC para conexión a osciloscopio.
Figura 3-49: Esquema de una sonda de alta tensión típica.
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6.6 Sondas de corriente (Current probes).
Las sondas de corriente generalmente usan una de dos tecnologías básicas. La más simple
consiste en el uso de un transformador, con uno de sus devanados conectado a la salida de la
sonda. Como los transformadores funcionan sólo con corrientes AC, estas sondas no miden
corriente continua DC.
El otro tipo de sonda funciona a partir del Efecto Hall. Este efecto físico produce un campo
eléctrico en respuesta a la corriente presente en un campo magnético aplicado. Esta técnica
requiere del uso de una fuente de energía externa, pero es utilizada para medir corrientes AC y
DC.
Como las sondas de corriente miden la corriente encerrada entre sus “pinzas”, pueden ser
utilizadas varias técnicas para mejorar la sensibilidad. Si la sensibilidad del conjunto sonda-
osciloscopio es muy baja para una medición particular, puede arrollarse varias vueltas del
conductor que transporta la corriente a medir alrededor de las pinzas. Esta sonda tendrá una
mayor corriente a medir (la corriente original multiplicada el número de vueltas).
Figura 3-50 : Un ejemplo de una sonda de corriente de núcleo partido: Arrollando “n” vueltas del conductor en
la sonda se incrementa la sensibilidad “n” veces.
Aunque la corriente se mide en forma indirecta, aún así consume energía del circuito
bajo prueba. Normalmente, esta energía es muy baja y no afectará al circuito, pero podría
llegar a ser un factor a tener en cuenta en algunos casos.
Algunas sondas utilizan una sonda de efecto hall dentro de un transformador,
complementándose uno con otro, con el fin de tener una respuesta neta en frecuencia
constante en todo el rango de frecuencias.
Figura 3-51: Representación esquemática de sonda de corriente para señales AC y DC.
Medidas Eléctricas
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7 Principales Errores Cometidos por un Osciloscopio.
Al medir con un osciloscopio se pueden cometer los siguientes errores:
Error de lectura.
Error de calibración del osciloscopio.
Error de carga (error de inserción).
Captación de zumbido y ruido.
Errores de ancho de banda y tiempo de subida.
Errores por efecto aliasing (válido para osciloscopios digitales).
7.1 Error de lectura.
Generalmente es difícil tomar la lectura de la posición de una línea en un osciloscopio con
mayor exactitud que ±1
10 de la división principal. Para reducir al mínimo este error se usa
siempre el ajuste de V/div que da la mayor deflexión y al mismo tiempo mantiene completa la
variación vertical de la señal en la pantalla.
7.2 Error de calibración del osciloscopio.
Cuando se ajusta la opción “descalibrado” (perilla VAR o CAL (ver punto 4.2)) a un valor
igual a la sensibilidad del paso seleccionado, aún queda todavía un error inherente a los circuitos
internos del osciloscopio. Este error de calibración varía en cada instrumento pero los valores
frecuentes son de 1 a 3%. El valor de este error se encuentra consultando el manual del equipo.
7.3 Error de carga (error de inserción).
El error de inserción depende de la sonda utilizada (ver la sección 6) y del circuito al que se
conecta el osciloscopio. Veamos un ejemplo numérico:
Se tiene un circuito compuesto por una fuente de tensión AC senoidal con frecuencia 100 kHz
con valor pico 10 V respecto a la referencia, un capacitor 𝐶1 de valor 1 nF y una resistencia
𝑅1 de 10kΩ.
Se requiere visualizar la tensión en los puntos a-b del circuito con un osciloscopio, el cual
incluye una sonda pasiva de tensión, con opción no atenuadora (1X) - atenuadora (10X). De
las correspondientes hojas de datos pueden leerse los siguientes valores:
- 𝑅𝑂 = 1 MΩ : resistencia de entrada del osciloscopio
- 𝐶𝑂 = 25 pF: capacitancia de entrada del osciloscopio
- 𝐶𝐶 = 75 pF : impedancia entre conductor central y malla del cable coaxil.
Estimar el error de inserción para cada configuración de la sonda pasiva de tensión
(atenuadora y no atenuadora). Suponer que la sonda en su configuración atenuadora ha sido
previamente compensada.
Medidas Eléctricas
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Solución:
Sonda configurada en 1X:
Se puede plantear el circuito equivalente del conjunto como se indica en la siguiente Figura:
El circuito equivalente del conjunto fuente – sonda – osciloscopio es el siguiente:
Donde:
𝑉𝑠 =𝑉1
𝑅1 +1
𝑗 𝜔𝐶1
𝑅1 = 9.75 ∠ − 9.04° [𝑉]
𝑍𝑠 =𝑅1
1
𝑗 𝜔𝐶1
𝑅1 +1
𝑗 𝜔𝐶1
= 1571.8 ∠ − 80.96° [𝛺]
𝑍𝑖 =𝑅𝑂
1
𝑗 𝜔(𝐶𝑂 +𝐶𝐶)
𝑅𝑜 +1
𝑗 𝜔(𝐶𝑂 +𝐶𝐶)
=𝑅𝑂
𝑗 𝑅𝑂(𝐶𝑂 + 𝐶𝐶) 𝜔 + 1= 15913.5 ∠ − 89.08° [𝛺]
El error de inserción será:
𝑒𝑖𝑛𝑠 = 𝑉𝑖 − 𝑉𝑠
𝑉𝑠 =
𝑉𝑠
𝑍𝑠+𝑍𝑖𝑍𝑖 − 𝑉𝑠
𝑉𝑠 =
𝑍𝑖
𝑍𝑠 + 𝑍𝑖 − 1 = −8.91%
Sonda configurada en 10X:
En el caso del uso de la sonda atenuadora, el circuito fuente-sonda-osciloscopio se puede
modelar como se indica en la Figura:
Medidas Eléctricas
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Como la sonda ha sido previamente compensada, entonces se tiene que cumplir la relación de
sonda compensada:
𝑅𝑝 𝐶𝑝 = 𝑅𝑜 𝐶𝑐 + 𝐶𝑜 → 𝑉𝑜
𝑉𝑖=
𝑅𝑜
𝑅𝑜 + 𝑅𝑝
Y además, como la sonda es atenuante 10X, entonces:
𝑉𝑜
𝑉𝑖=
𝑅𝑜
𝑅𝑜 + 𝑅𝑝=
1
10
Conocido el valor de Ro (resistencia de entrada al osciloscopio), y la relación de atenuación,
se calcula el valor de resistencia de la sonda Rp con la ecuación anterior:
𝑅𝑝 = 9 𝑅𝑜 = 9 𝑀𝛺
Por lo tanto, el valor de capacidad de sonda será:
𝐶𝑝 =𝑅𝑜 (𝐶𝑐 + 𝐶𝑜)
𝑅𝑝 = 11.11 𝑝𝐹
La impedancia de entrada que “ve” el circuito bajo prueba es ahora la suma de la impedancia
de la sonda más la de entrada del osciloscopio:
𝑍𝑖 = 𝑍𝑝 + 𝑍𝑜
𝑍𝑖 =𝑅𝑝
1
𝑗 𝜔 𝐶𝑝
𝑅𝑃 +1
𝑗 𝜔𝐶𝑝
+𝑅𝑜
1
𝑗 𝜔(𝐶𝑂 +𝐶𝐶)
𝑅0 +1
𝑗 𝜔(𝐶𝑂 +𝐶𝐶)
≅ 159149.2 ∠ − 89.08 [Ω]
Por lo tanto el error de inserción en este caso será:
𝑒𝑖𝑛𝑠 = 𝑉𝑖 − 𝑉𝑠
𝑉𝑠 =
𝑉𝑠
𝑍𝑠+𝑍𝑖𝑍𝑖 − 𝑉𝑠
𝑉𝑠 =
𝑍𝑖
𝑍𝑠 + 𝑍𝑖 − 1 = −0.968%
Conclusión:
En altas frecuencias, el error de inserción cometido con la sonda no-atenuadora
(1X) puede resultar apreciable, mientras que con la sonda atenuadora (10X) éste se
reduce considerablemente.
Medidas Eléctricas
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7.4 Captación de zumbido o ruido.
El osciloscopio se diseña para poder amplificar y mostrar señales pequeñas a su entrada.
Esta capacidad lo hace susceptible a capturar señales no deseadas como ruido. Para evitar que el
osciloscopio capte esas señales se emplean sondas con cables cortos con un blindaje que pueda
ser puesto a tierra como ya se dijo.
Además de utilizar cables blindados se deben apagar las fuentes obvias de ruido tales como
lámparas fluorescentes, osciladores, motores, etc, o deben mantenerse alejadas del osciloscopio
durante mediciones de bajos niveles. Otra alternativa es usar entradas diferenciales con sondas
diferenciales, ya que el ruido al afectar ambas entradas por igual al restarse se cancelaría.
7.5 Errores de ancho de banda y tiempo de subida.
Si la frecuencia de las señales que se aplican al osciloscopio es mayor que las capacidades de
respuesta a la frecuencia de los amplificadores del instrumento, las imágenes mostradas no serán
réplicas fieles de esas señales de entrada. Las especificaciones de respuesta a la frecuencia de los
amplificadores se especifican con los conceptos “ancho de banda” y “tiempo de subida”.
Para definir el ancho de banda de un osciloscopio es necesario introducir la definición de
“decibel”.
El decibel (dB).
El dB o decibel es una unidad adimensional que se utiliza para denotar amplitudes
(referenciadas a un valor de amplitud determinado) de tensión, potencia y otros. Se utiliza
para expresar magnitudes que pueden variar en muy amplios rangos de órdenes de
magnitud, facilitando su representación en una misma escala. Si bien existen casos
específicos, en general se define el dB como:
1 𝑑𝐵 = 20 log 𝑉1
𝑉2 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
Donde:
𝑉1: valor de tensión cuya magnitud se busca cuantificar en dB respecto de una referencia
de tensión 𝑉2 (por ejemplo, la tensión a la salida de un circuito). 𝑉2: valor de la tensión de referencia. (por ejemplo, la tensión a la entrada de un circuito).
En el caso de potencias se define:
1 𝑑𝐵 = 10 𝑙𝑜𝑔 𝑃1
𝑃2 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎
Adicionalmente, el uso de dB permite calcular rápidamente ganancias “netas” en
sistemas con varias ganancias en serie. Por ejemplo, en la Figura 3-52 se muestra un
sistema con 3 amplificadores, cada uno con su respectiva ganancia. La ganancia neta
𝐺 del sistema podrá calcularse como el producto de las 3 ganancias, entonces 𝐺 = 2 × 10 ×
31.6 = 632.
Figura 3-52: Sistema entrada-salida con múltiples ganancias en serie.
Medidas Eléctricas
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Lo mismo podrá realizarse sumando las tres ganancias individuales expresadas en
dB: 𝐺 = 6 𝑑𝐵 + 20 𝑑𝐵 + 30 𝑑𝐵 = 56 𝑑𝐵. (que es equivalente a la ganancia de 632, ésta
última expresada en “veces”).
Figura 3-53: Sistema entrada-salida con múltiples ganancias en serie: Suma de ganancias en dB.
Análogamente, se restarán las ganancias en dB en casos en que haya atenuación. Por
ejemplo, si la ganancia del segundo bloque fuera 0.1, entonces atenuaría la señal a su entrada
10 veces, por lo que su ganancia individual en dB sería -20 dB y la ganancia neta
sería 𝐺 = 6 𝑑𝐵 − 20 𝑑𝐵 + 30 𝑑𝐵 = 16 𝑑𝐵 .
Nota: En ciertos casos el nivel de la magnitud de referencia es especificada con el
empleo de sufijos establecidos por convención. Por ejemplo: dBm (1 mW), dBμ (1 μW),
dBmV (1 mV).
Acho de banda.
Se define el ancho de banda de un circuito como:
“El ancho de banda es el intervalo de frecuencias donde la ganancia de potencia ha caído a la
mitad de su valor de la frecuencia central”
En muchos casos se especifica la ganancia de voltaje de un amplificador en lugar de la
ganancia de potencia, en ese caso la definición de ancho de banda puede expresarse del siguiente
modo:
“El ancho de banda es el intervalo de frecuencias donde la ganancia de voltaje cae a 0,707 de
su valor de media banda, es decir, la ganancia de tensión ha caído en -3dB”
La siguiente Figura ilustra la respuesta en frecuencia de un sistema físico tomado de ejemplo.
Se observa que a medida que la frecuencia aumenta, la amplitud de la señal de salida o ganancia
de este sistema de ejemplo se reduce hasta llegar a la frecuencia de ancho de banda (AB), la
cual es definida por una caída de 3dB (decibeles) respecto del valor máximo. Dicha
caída equivale en forma lineal hasta llegar al 70.7% del valor máximo.
Figura 3-54: Ejemplo de respuesta en frecuencia y ancho de banda de un sistema físico
El ancho de banda de un osciloscopio es una especificación importante del mismo. Por
ejemplo un osciloscopio de ancho de banda 20 MHz significa que si por ejemplo se le aplica una
onda senoidal de 10 V pico y 20 MHz, se verá en la pantalla una onda senoidal pero de 7,07 V
pico, es decir, la visualización se ve afectada por una atenuación de -3 dB. Se entiende que el
Medidas Eléctricas
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ancho de banda es una especificación indicativa de hasta que frecuencias se puede medir con
dicho osciloscopio sin observar atenuación.
Tiempo de crecimiento
El tiempo de crecimiento es una medida de la capacidad de un amplificador para responder a
cambios instantáneos de la señal. Se utiliza para determinar cuanta distorsión causará un
amplificador cuando amplifica una señal arbitraria.
Por convención, se define al tiempo de crecimiento (tr) de una señal como el tiempo que
demora la señal en pasar del 10% al 90% de su amplitud final . Este parámetro permite
determinar el ancho de banda AB que deberá tener un sistema para lograr una velocidad de
transmisión o respuesta determinada.
Figura 3-55: Tiempo de crecimiento tr de una señal.
𝜏 = 𝑅𝐶 : constante de tiempo del sistema
𝐴𝐵 =1
2𝜋 𝑅𝐶 : ancho de banda del sistema
𝑡𝑟 = 𝑡90% − 𝑡10% ≈ 2.2 𝑅𝐶 : tiempo de crecimiento
𝑡𝑟 ≈ 0.35/𝐴𝐵 : relación entre el tiempo de crecimiento y el ancho de banda
Como se observa, el AB de un sistema depende inversamente de la constante RC del mismo.
Si bien el ancho de banda de un instrumento ideal tiene un valor infinito, y el tiempo
de crecimiento debería ser cero, en la práctica es físicamente imposible lograr esto, como así
también no necesario ya que la mayoría de las señales a evaluar típicamente se encuentran en
una banda de frecuencias que no supera los 500 MHz. Los osciloscopios analógicos tienen
valores de ancho de banda típicos entre 20 y 500 MHz. Las señales cuya frecuencia
supera el ancho de banda especificado no se visualizan correctamente en el osciloscopio debido
a la atenuación en amplitud que sufren. En osciloscopios digitales pueden encontrarse valores de
ancho de banda superiores, alcanzando el orden de los GHz.
Por todo lo anterior como regla general para mediciones precisas de amplitud con
osciloscopio se debe respetar que:
El AB de la sonda debe ser igual o mayor que al AB del osciloscopio, tal que se
aproveche todo el AB de éste último.
Usar preferentemente la sonda 10X en lugar de 1X, ya que esta última limita el
AB.
El AB del conjunto sonda - osciloscopio debe ser 4 o 5 veces mayor que la
frecuencia de la señal a medir para que no se observe en pantalla la atenuación
que el AB implica.
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7.6 Concepto de aliasing y Criterio de Nyquist (válido para osciloscopios digitales).
El fenómeno de “aliasing” ocurre cuando la frecuencia de muestreo es demasiado pequeña
en comparación a la frecuencia de la señal muestreada.
Si por ejemplo, en una señal senoidal se muestrea a una frecuencia ligeramente menor que
la frecuencia de la señal senoidal, se puede reconstruir una señal senoidal de una frecuencia
mucho menor, que nada tiene que ver con la señal original. Esta señal incorrecta recibe el
nombre de “alias”, “aparente” o “fantasma” y es ilustrada en un ejemplo en la Figura siguiente.
Figura 3-56: Ejemplo de efecto Aliasing: una señal de frecuencia f, muestreada a una frecuencia menor que 2f. La señal
aparente surge de la interpolación entre los puntos muestreados.
El criterio de Nyquist (basado en el Teorema de muestreo de Nyquist-Shannon) afirma que
para evitar el efecto aliasing al muestrear una señal que no posee componentes de frecuencia
mayores que 𝑓𝑀𝐴𝑋 , la frecuencia de muestreo 𝑓𝑆 debe ser igual o mayor la frecuencia de Nyquist,
definida como el doble de la frecuencia 𝑓𝑀𝐴𝑋 , es decir:
𝑓𝑆 ≥ 𝑓𝑁𝑦𝑞𝑢𝑖𝑠𝑡 = 2𝑓𝑀𝐴𝑋
Donde:
𝑓𝑆: frecuencia de muestreo.
𝑓𝑀𝐴𝑋 : frecuencia máxima de la señal analógica muestreada. 𝑓𝑁𝑦𝑞𝑢𝑖𝑠𝑡 : frecuencia de muestreo de Nyquist.
Cumpliendo con el criterio de Nyquist la señal resultante del muestreo tendrá al menos la
misma frecuencia que la señal muestreada como se ilustra en la siguiente Figura:
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Figura 3-57: a) y b) Otros ejemplos del efecto aliasing al no cumplirse el criterio de Nyquist c) La señal reconstruida con
su frecuencia original, satisfaciendo el criterio de Nyquist
En la práctica, para tener una reproducción adecuada y lo más fiel posible de la señal,
suele sugerirse como regla empírica optar por usar una frecuencia de muestreo igual o mayor a
10 veces la frecuencia 𝑓𝑀𝐴𝑋 de la señal. Es decir:
𝑓𝑆 ≥ 10𝑓𝑀𝐴𝑋
Nota: Para minimizar el muestreo de componentes de frecuencia por encima de la frecuencia
de Nyquist (𝑓𝑁𝑦𝑞𝑢𝑖𝑠𝑡 ) y así prevenir el efecto aliasing, la mayoría de los fabricantes de ODs
especifican por diseño el AB de sus equipos en 1/4 o 1/5 menos de la máxima frecuencia de
muestreo (𝑓𝑆), como se visualiza en la Figura siguiente. Esto es considerado suficiente para
realizar mediciones en alta frecuencia.
Figura 3-58: La limitación del AB del osciloscopio a 1/4 de la frecuencia de muestreo 𝒇𝑺 reduce la respuesta a
componentes de frecuencia por encima de la frecuencia de Nyquist (𝒇𝑵).
Medidas Eléctricas
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8 Métodos de Medición de Parámetros Básicos con Osciloscopio.
En este apartado se presentan métodos para realizar mediciones básicas con osciloscopios.
8.1 Medición de amplitud de una señal:
Considérese un ejemplo en el que el mesurando es el valor pico a pico de una señal de
tensión senoidal producida por un generador de señales. La visualización es la siguiente:
Figura 3-59: Ejemplo de medición tensión pico-pico.
Se observa que el valor pico a pico abarca 5.8 divisiones. Como el ajuste vertical es 1.0V/div,
entonces la mejor estimación será:
𝑉𝑃𝑃 = (5.8 𝑑𝑖𝑣) (1.0𝑉/𝑑𝑖𝑣) = 5.8 [𝑉]
La incerteza asociada a la medición se puede estimar a partir de las siguientes incertezas
individuales (aplicando GUM):
1) La incerteza asociada a la escala vertical que enuncia el fabricante del instrumento 𝑢1
2) La incerteza asociada a la lectura del pico superior de la señal 𝑢2
3) La incerteza asociada a la lectura del pico inferior de la señal 𝑢3
De la hoja de datos del osciloscopio se extrae el dato de incerteza de la escala vertical, por
ejemplo:
Exactitud en la escala vertical: ±3% de la medición para el rango (0.1mV…5V) / div
Entonces se tiene que:
𝑢1 = 5.8 𝑉 ∗ 0.03
3= 0.1 𝑉
Para evaluar la incerteza asociada a la lectura en la pantalla, puede considerarse que los
límites superior e inferior de cada lectura se encuentran apartados en un 1/10 de división
respecto a la mejor estimación, y que la distribución de esta incerteza puede ser modelada
como triangular. Entonces:
𝑢2 = 𝑢3 = 0.1 𝑑𝑖𝑣 ∗ 1 𝑉/𝑑𝑖𝑣
6= 0.041 𝑉
Se calcula la incerteza combinada como:
𝑢𝑐(𝑉𝑝𝑝 ) = 𝑢12 + 𝑢2
2 + 𝑢32 = 0.12 𝑉
Medidas Eléctricas
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La distribución de la incertidumbre combinada se podría asumir como normal ya que no hay
incertezas dominantes. Finalmente, se expresa el valor de la medición como:
𝑉𝑝𝑝 = (5.80 ± 0.12) 𝑉
Con cobertura del 68% asumiendo una distribución normal.
Nota: Las especificaciones de exactitud vertical pueden estar referidas a la escala completa en
osciloscopios de algunos fabricantes (es decir, en porciento de las 8 divisiones verticales
multiplicadas por la escala vertical seleccionada). Además, hay que tener en cuenta que esta
especificación de exactitud vertical es válida para DC y bajas frecuencias, pero pierde razón de
ser en frecuencias altas, a menos que el fabricante especifique la exactitud para cada rango de
frecuencias posible.
8.2 Medición de periodo-frecuencia.
Considérese una señal senoidal de tensión con un período T en la entrada del osciloscopio. La
forma de onda visualizada es la siguiente:
Figura 3-60: Ejemplo de medición de período.
Se observa que la distancia entre picos positivos abarca 7.6 divisiones, por lo que la
mejor estimación de la medición del período T vendrá dada por:
𝑇 = 7.6 𝑑𝑖𝑣 ∗ 0.5𝑚𝑠/𝑑𝑖𝑣 = 3.8 𝑚𝑠
A esta medición habrá asociadas tres fuentes de incerteza:
1) La incerteza asociada a la escala horizontal que expresa el fabricante 𝑢1
2) La incerteza asociada a la lectura del punto inicial del periodo 𝑢2
3) La incerteza asociada a la lectura del punto final del periodo 𝑢3
La incerteza u1 se calcula a partir de los datos enunciado por el fabricante en la hoja de
datos del instrumento, por ejemplo:
Precisión en la escala vertical: ± 3%
𝑢1 = 3.8𝑚𝑠 ∗0.03
3= 0.07 𝑚𝑠
Medidas Eléctricas
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Para evaluar las incertezas de lectura, se considera un límite inferior y superior de 1/10 de
división hacia ambos lados, y suponiendo una distribución triangular:
𝑢2 = 𝑢3 =1
6 0.1𝑑𝑖𝑣 ∗ 0.5
𝑚𝑠
𝑑𝑖𝑣 = 0.02 𝑚𝑠
La incerteza combinada quedaría:
𝑢𝑐(𝑇) = 𝑢12 + 𝑢2
2 + 𝑢32 = 0.08 𝑚𝑠
Finalmente el período será (con cobertura del 68% asumiendo una distribución normal):
𝑇 = (3.80 ± 0.08)𝑚𝑠
Por otra parte, la frecuencia será la inversa del periodo “T”, por lo tanto:
𝑓 =1
𝑇=
1
3.8 𝑚𝑠= 263.15 𝐻𝑧
Y aplicando el coeficiente de sensibilidad respectivo:
𝑢𝑐(𝑓) = −1
𝑇2
2
(𝑢12 + 𝑢2
2 + 𝑢32) = 5.22 𝐻𝑧
Luego la frecuencia será (con cobertura del 68% asumiendo una distribución normal):
𝑓 = 263 ± 5 𝐻𝑧
8.3 Medición de desfase entre dos señales.
Para medir la fase entre dos señales utilizando un osciloscopio existe más de un método que
se puede utilizar:
Medición de la diferencia de fase a partir de la diferencia de tiempo entre las señales:
Procedimiento:
- Medir 𝑡𝑑 , la diferencia de tiempo entre cruces por cero de las dos señales
aplicadas una a cada canal, luego de haber medido el período T de ellas.
Figura 3-61: Medición del tiempo de desfase td entre las señales.
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La diferencia de fases vendrá dada por:
𝜙 = 𝜙2 − 𝜙1 = 360°𝑡𝑑
𝑇
Medición de la diferencia de fase con el uso del ajuste continuo de la base de tiempo:
Este método es implementable cuando el osciloscopio posee un ajuste continuo
de la base de tiempo (perilla CAL o VAR en la base de tiempo).
Procedimiento:
- Ajustar la base de tiempo en forma continua hasta conseguir que la mitad del
período de una de las señales abarque las 10 divisiones de la escala de
tiempo.
- Ajustar la escala vertical de ambos canales tal que las amplitudes de las
señales sean similares.
- Contar las N divisiones entre las señales, por ejemplo, entre pasos por cero
análogos.
La diferencia de fase ϕ vendrá entonces dada por:
𝜙 =𝑁
20∗ 360°
Medición de la diferencia de fase con el modo XY:
Si se aplican dos ondas senoidales al mismo tiempo a un osciloscopio y éste se
configura en modo XY de manera que la amplitud de una de las señales se
grafique en el eje X y la otra en el eje Y, la figura resultante en la pantalla sigue
un patrón definido conocido “figura de Lissajous”.
Si las dos ondas senoidales son de la misma frecuencia y fase, la figura de
Lissajous es una línea diagonal. Si las ondas senoidales son de la misma
frecuencia pero desfasadas, la figura de Lissajous será una elipse. Si las ondas
senoidales tienen una relación de frecuencias que da un número entero y a su vez
están desfasadas se generan figuras de Lissajous características, que se muestran
en la Figura 3-62.
Válido para ondas senoidales y no senoidales.
Su exactitud depende de la exactitud de la base de tiempo.
Puede ser dificultoso determinar claramente los puntos de paso por cero.
Puede ser implementado solo si el osciloscopio posee ajuste continuo de la
base de tiempo.
Válido para ondas senoidales y no senoidales.
La exactitud no depende de la exactitud de la base de tiempo. Puesto que
no requiere de la medición de periodo de la señales se elimina dicha
contribución a la incerteza combinada. Además, al realizar una
comparación relativa al periodo, se elimina la incertidumbre de la escala
horizontal del osciloscopio.
Puede ser dificultoso determinar claramente los puntos de paso por cero.
Medidas Eléctricas
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Figura 3-62: Tabla con principales patrones de Lissajous para dos señales senoidales, en función de la
diferencia de fase y de frecuencia entre ellas.
Basándose en éstas figuras se puede medir desfasaje o frecuencias.
Procedimiento para medir desfasaje con las figuras de Lissajous:
- Aplicar las señales cuyo desfasaje se quiere medir una a cada canal.
- Posicionar la línea de GND de cada canal en la línea horizontal central
para luego pasar al modo de acoplamiento a AC.
- Configurar el osciloscopio en Modo XY
- Escalar apropiadamente cada canal, tal que la elipse visualizada abarque la
mayor parte de la pantalla
- Medir las amplitudes A y B indicadas en la Figura 3-63.
Figura 3-63: Composición de canal 1 y canal 2 en el modo XY con señales senoidales
- La diferencia de fase entre señales ϕ podrá entonces calcularse con las
siguientes expresiones:
|𝜙| = arco seno 𝐵
𝐴 si el tope superior de la elipse se encuentra en el 1° cuadrante
Medidas Eléctricas
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|𝜙| = 180° − arco seno 𝐵
𝐴 si el tope superior de la elipse se encuentra en el 2°
cuadrante
- El signo del ángulo de desfase ϕ es determinado observando qué señal
adelanta, en la visualización de ambas señales en función del tiempo.
Procedimiento para medir frecuencia con las figuras de Lissajous y un generador
externo:
Si se aplica una tensión senoidal a un canal del osciloscopio proveniente de una
fuente externa exacta y ajustable, se puede determinar una frecuencia
desconocida con mucha exactitud por comparación. Esto se hace variando la
frecuencia de la fuente exacta hasta que se logre una figura de Lissajous de
círculo, elipse o recta en la pantalla. Cuando eso suceda la frecuencia de la señal
desconocida será igual a la frecuencia de la señal de la fuente conocida.
8.4 Mediciones con osciloscopios digitales.
Mediciones con cursores.
Para realizar mediciones de tiempo y amplitud con osciloscopios digitales en
forma manual se pueden utilizar los cursores que estos incorporan para facilitar
la tarea. El valor de amplitud o tiempo aparecerá directamente en el display, con
lo cual se eliminan las incertezas asociadas a los errores de lectura, y solamente
se computarán las incertezas de calibración que enuncia el fabricante del
osciloscopio digital en su hoja de datos.
El control de los cursores usualmente se implementa con un ajuste grueso y un
ajuste fino. Sin embargo, la precisión de estas mediciones está limitada por la
resolución del display y la correcta alineación de los cursores.
Figura 3-64: Ejemplo de medición de periodo con cursores en un osciloscopio digital. (En el
ejemplo, el periodo es ∆=1.00ms).
Puede ser implementado solo para ondas senoidales.
La exactitud no depende de la exactitud de la base de tiempo. Puesto que
no requiere de la medición de periodo de la señales se elimina dicha
contribución a la incerteza combinada.
Precisión reducida en la vecindad de ϕ = 90° y ϕ = 270°
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Mediciones automáticas.
Al utilizar ODs modernos, es posible realizar mediciones de amplitud y tiempo
(entre otros) en forma automática y con mayor exactitud utilizando menús
proporcionados en el firmware del equipo. En la Figura se muestra un ejemplo de
medición de frecuencia, periodo, amplitud pico a pico y valores máximo y
mínimo de una señal senoidal utilizando un OD moderno.
Figura 3-65: a) Menú de selección de mediciones automáticas. b) Resultado de las mediciones en pantalla, con
actualización en tiempo real.
8.5 Testeo de componentes de dos terminales.
Otra aplicación común en los osciloscopios es visualizar la curva tensión – corriente de
virtualmente cualquier componente electrónico de dos terminales (un diodo, un diodo Zener, una
resistencia, un capacitor, etc.) para de esa manera verificar rápidamente su estado dañado/no
dañado.
Para ello se emplea el terminal para prueba de componentes discretos “COMPONENT
TEST” conjuntamente con el terminal GND. A continuación se muestran algunas de las
posibles curvas a visualizar. Nota: Deben desconectarse las sondas.
Figura 3-66: Curvas I vs. V características de distintos componentes.
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9 Consideraciones Respecto a la Conexión de un Osciloscopio.
Un aspecto de suma importancia al utilizar un osciloscopio es su correcto conexionado a los
circuitos que se desean medir. Una incorrecta conexión puede implicar una mala medición,
generación de cortocircuitos que dañen el equipo y/o situaciones peligrosas para el operador del
osciloscopio.
Los osciloscopios que existen en el mercado pueden ser de “canales aislados” o de “canales
no aislados”. Los primeros son más costosos por lo que es más frecuente encontrar modelos de
canales no aislados.
En un osciloscopio de canales no aislados la parte exterior del conector BNC de cada canal
está conectado directamente al chasis del osciloscopio, y este a su vez al conector de tierra del
tomacorriente de alimentación.
Figura 3-67: En un osciloscopio de canales no aislados las carcasas de los conectores BNC se encuentran puenteados
entre sí y unidos al chasis y a la tierra de alimentación.
Una buena conexión a tierra es muy importante para realizar medidas con un 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 al operador un peligroso shock eléctrico. Mientras que
en un osciloscopio bien colocado a tierra, la corriente, que en el anterior caso atravesaría al
usuario, se desvía a la conexión de tierra. Para conectar a tierra un osciloscopio se emplean
cables de alimentación con tres conductores (dos para la alimentación y uno para la toma de
tierra) y se prohíbe el uso de adaptadores de tres a dos conectores.
Por otra parte, hay que tener en cuenta que una sonda típica tiene una punta retráctil y un
terminal tipo “cocodrilo” (llamada punta de referencia) como se muestra en la Figura 3-67. Esa
punta de referencia está conectada al trenzado de cobre exterior del cable coaxial y éste a su vez
a la parte exterior del conector BNC.
Figura 3-68: La punta de referencia (ground lead) en una sonda pasiva de tensión típica.
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Lo anterior implica que en un osciloscopio de canales no aislados tenemos que la punta de
referencia, la parte exterior de los conectores BNC, el chasis, y la terminal de tierra del
tomacorriente de alimentación se encuentran al mismo potencial. Situación que no sucede
en los osciloscopios de “canales aislados”.
Por lo tanto, debe tenerse la precaución de no conectar las puntas de referencia de
ambas sondas pasivas de tensión en osciloscopios de canales no aislados a potenciales
diferentes entre sí, ya que si esto se realiza se estaría realizando un cortocircuito a
través de las puntas de referencia.
Por ejemplo: La forma correcta de realizar una medición de tensión entre dos puntos
con potencial respecto a tierra consiste en utilizar una sonda diferencial o emplear
el método de medición diferencial utilizando ambos canales, con ambas referencias a
tierra, utilizado la función de resta para mostrar la señal resultado de la resta (Canal A)
– (Canal B).
Figura 3-69: Conexión correcta para medir una tensión diferencial a partir de la resta de dos canales.
Además, en mediciones de circuitos CON referencias a tierra, debe procurarse no
conectar la punta de referencia de la sonda pasiva de tensión a un punto con potencial
respecto a tierra, ya que se generaría un cortocircuito como el mostrado en la siguiente
Figura.
Figura 3-70: Conexión incorrecta: Se genera un lazo de baja impedancia formado entre el osciloscopio y el circuito bajo
prueba referenciado a tierra, en el caso de conectar la punta de referencia de la sonda a un punto con potencial respecto
a tierra.
Nota: Una forma de verificar si el circuito a medir está referenciada a tierra (y que por lo
tanto, que dicha fuente no es flotante) es medir continuidad entre el terminal de tierra del
tomacorriente de entrada de alimentación y borne de salida negativo previo a conectar el
osciloscopio.
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Por el contrario, en mediciones de circuitos SIN referencias a tierra, es indiferente
donde conectar la punta de referencia de la sonda pasiva de tensión, ya que se no es
posible generar un cortocircuito como se muestra en la siguiente Figura.
tieFigura 3-71: Medición de una señal en un circuito conectado a una fuente de alimentación con salida flotante (no
referenciada a tirra). Resulta indiferente donde conectar la punta de referencia.
10 Referencias
Agilent Technologies. Evaluating Oscilloscope Sample Rates vs. Sampling Fidelity: How to
Make the Most Accurate Digital Measurements. En Application Note 1587.
Agilent Technologies. (2008). Oscilloscope Fundamentals. En Application Note 1606.
Ford, D. (2009). The Secret World of Oscilloscope Probes (Article). Sillicon Chip Magazine -.
Hickman, I. (2005). Oscilloscopes (fifth edition). En Oscilloscopes (fifth edition). Newnes.
National Instruments. (2016). Select the Right Oscilloscope Probe for your Application.
SAIT - Southern Alberta Institute of Technology. Oscilloscope Fundamentals Course.
Tektronix. ABC of probes.
Tektronix. XYZ of oscilloscopes. En Tektronix.
Town, U. o. Uncertainty associated with using an oscilloscope. En Guide to Reporting and
Measurement (págs. 30-33).