Osciloscopios, primera parte

Una introducción a la compleja herramienta educativa que tiene usos variados.

En esta primera de una serie de dos partes, consideraremos el osciloscopio como una herramienta educativa. Es una puerta de entrada maravillosa al mundo de la electrónica, y parece que las múltiples capas de interacción de partículas elementales que puede revelar no tienen fin.

Cuando uno saca un nuevo osciloscopio de la caja, la primera reacción puede ser: “¿Qué estaba pensando? ¿Cómo me metí en esto? ¡Tantos mandos y botones, e interminables menús crípticos! " Pero no se preocupe. El manual de operación, impreso o en línea, aclara mucho, y los vacíos de información restantes desaparecen uno a uno a medida que primero se realizan ejercicios elementales y luego sucesivamente más complejos.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Después de leer este artículo, debería haber aprendido sobre:
♦ La historia del osciloscopio
♦ Los componentes principales de una pantalla de osciloscopio
♦ El propósito de los ejes X e Y
♦ Importantes innovaciones en el desarrollo de osciloscopios
♦ Desventajas de la conversión de TV y el osciloscopio basado en computadora

El osciloscopio digital moderno consta de sondas; canales analógicos (generalmente dos o cuatro); conversión de analógico a digital; procesamiento y memoria; y, finalmente, una pantalla (ahora predominantemente en una pantalla plana). Normalmente, hay dos ejes, X e Y, que se cruzan en el centro de la pantalla. Un punto de luz se mueve vertical y horizontalmente a través de la pantalla para formar la traza, que es una representación gráfica del voltaje aplicado en la entrada del instrumento.

En su aplicación más común, el osciloscopio está configurado para que la ubicación relativa al eje Y represente el voltaje y la ubicación relativa al eje X represente el tiempo. Cruzando los ejes en ángulo recto con ellos hay líneas (conocidas como "divisiones") que permiten medir el nivel de voltaje de la señal en intervalos de tiempo específicos. La traza así constituida puede ser móvil o estática, pero, de cualquier manera, transmite una inmensa cantidad de información sobre la señal que se investiga.

Nuestra historia

Para comprender cómo funciona el osciloscopio, es instructivo echar un vistazo a su historia, particularmente en lo que respecta a dos hitos: la activación y el alcance del almacenamiento digital. Los primeros osciloscopios consistieron en capturar formas de onda mediante la medición de voltajes en varios puntos a lo largo de la circunferencia de un rotor giratorio. Se realizó un registro permanente en forma de imagen gráfica dibujando a mano la imagen en papel. No hace falta decir que la respuesta de frecuencia estaba limitada por la velocidad y la resistencia del artista (s).

Las innovaciones posteriores del osciloscopio fueron incrementales. El primer gran avance involucró el uso de un galvanómetro, que movía un bolígrafo a través de una tira de papel envuelta alrededor de un tambor. Giraba a una velocidad constante impulsada por un reloj, lo que proporcionaba la base de tiempo. Métodos posteriores similares también involucraron partes móviles, y debido a que estas máquinas eran mecánicas (a diferencia de las electrónicas), la inercia del reposo colocó un límite severo en la respuesta de frecuencia.

Avances

El equipo híbrido, donde la luz reflejada de un espejo tembloroso creaba imágenes de forma de onda en papel fotográfico, aumentó la respuesta de frecuencia del osciloscopio hasta 10 kHz en la década de 1920. Más adelante en ese siglo, ocurrieron dos innovaciones sustanciales que hicieron posible los osciloscopios utilizados universalmente en la actualidad.

El primero de ellos fue desencadenante, presentado por Howard Vollum y Jack Murdock, fundadores de Tektronix. En 1946, sacaron el osciloscopio de barrido activado Tektronix Modelo 511, que facilitó una visualización estable y coherente de una forma de onda recurrente. Este recurso permitió que múltiples imágenes de formas de onda coincidieran en la pantalla del osciloscopio, reemplazando la falta de significado de la luz que resultaba de la falta de sincronización. No se requirió una entrada de barrido de frecuencia invariable para la estabilidad de la imagen.

El otro desarrollo significativo ocurrió antes de la década de 1980, cuando Walter LeCroy, fundador de LeCroy Corp., presentó el osciloscopio de almacenamiento digital. Un convertidor de analógico a digital junto con chips de memoria permiten que los osciloscopios contemporáneos registren y almacenen una representación digital de cualquier tipo de forma de onda eléctrica. Este desarrollo facilitó la visualización de pantalla plana. Junto con la activación efectiva, la digitalización ha creado una plataforma de trabajo de inmensa utilidad para ingenieros, técnicos y estudiantes para visualizar diversos fenómenos electrónicos y resolver muchos problemas que surgen en la investigación, desarrollo y mantenimiento.

Tipos

El término “técnico electrónico” es muy amplio y puede incluir al ingeniero eléctrico que concibe, diseña y puede ser llamado a depurar nuevas innovaciones. Luego está el “profesional de reparaciones”, cuya descripción del trabajo incluye el diagnóstico y la reparación de sistemas y equipos eléctricos disfuncionales. Esta tarea puede ser desde muy simple (como restablecer un disyuntor que se disparó o reemplazar un cable de alimentación desgastado) hasta muy difícil (como solucionar problemas con un controlador de movimiento de ascensor que se apaga a intervalos irregulares sin razón aparente). Otra categoría es la del inventor independiente serio o aficionado casero. Estas personas van desde innovadores brillantes que ocasionalmente están a la vanguardia de algunas tecnologías completamente nuevas hasta locos delirantes que rompen más de lo que arreglan.

Cualquiera de estas personas puede beneficiarse enormemente con el uso de un osciloscopio avanzado. La triste realidad, sin embargo, es que un instrumento de primera línea cuesta mucho más de lo que muchos de nosotros podemos permitirnos. (El Agilent más caro tiene un precio de aproximadamente 500,000 dólares estadounidenses). Pero la buena noticia es que los osciloscopios de gama media son mucho menos costosos. Muchos proveedores ofrecen financiamiento diseñado para atraer compradores. No es difícil imaginar que el aumento del poder adquisitivo acompañará y justificará el gasto. Si no es así, existen otras opciones de bajo costo, y las consideraremos una a la vez, comenzando por la más barata.

TV

Un viejo televisor portátil en blanco y negro se puede convertir en un osciloscopio viable. El precio de los materiales es de aproximadamente US $ 1, suponiendo que se pueda tener un televisor adecuado sin costo alguno y que la soldadura y el fundente, los cables, las arandelas y las sondas de voltímetro ya estén disponibles.

Antes de comenzar, recuerde que los televisores albergan altos voltajes peligrosos retenidos en los capacitores electrolíticos asociados con sus fuentes de alimentación. (Se necesitan altos niveles de voltaje para el circuito de deflexión capaz de alejar el haz de electrones del centro de la pantalla). Además, el tubo de rayos catódicos (CRT) en sí mismo puede almacenar energía eléctrica. Entonces, también existe la capacitancia distribuida en todo el conjunto. El chasis debe retirarse del gabinete y estos voltajes peligrosos deben descargarse al potencial de tierra antes de comenzar a trabajar en el equipo. Si no está seguro del procedimiento, llame a un profesional para que le ayude con esta fase del proyecto. Y recuerde que si se vuelve a energizar el equipo, habrá que repetir el proceso de descarga.

Dos grandes bobinas de cobre rodean el yugo del tubo de rayos catódicos. Permiten la deflexión vertical y horizontal del haz de electrones. (En un osciloscopio, son placas de deflexión, pero el principio es el mismo). Trace los cables de una de estas bobinas hasta donde terminan en una placa de circuito y desconéctelos. Regrese el televisor a su caja y enciéndalo. Si hay una línea horizontal, los cables de la bobina de deflexión vertical se han desconectado, y si hay una línea vertical, los cables de la bobina horizontal se han desconectado. Si es necesario, desolde la bobina vertical de la placa de circuito y haga que los cables sean lo suficientemente largos para pasar a través de un orificio con ojales en el gabinete del televisor. Estos cables se conectarán a la fuente de alimentación exterior que se va a medir. Luego, desconecte los cables de la bobina horizontal de la placa de circuito y muévalos a las terminaciones de la bobina de deflexión vertical.

No se necesita nada más para un osciloscopio casero. Lamentablemente, es muy limitado en comparación con los instrumentos que ofrecen los proveedores. Como solo puede mostrar una forma de onda de CC o de CA de baja frecuencia, su valor se limita a un proyecto educativo.

Basado en PC

Otro tipo de osciloscopio es un instrumento que se conecta a una computadora personal (PC), haciendo uso de su capacidad de procesamiento de datos e imágenes para mostrar el voltaje de una fuente de alimentación externa o circuito bajo prueba. El osciloscopio basado en PC (PCO) consta de una placa de adquisición de señales especializada. Toma diferentes formas, normalmente un dispositivo USB externo o de puerto paralelo. Otro tipo de PCO consiste en una tarjeta instalada en la computadora. Para el hardware, hay una interfaz eléctrica que proporciona aislamiento y controles de ganancia automáticos, algunos convertidores de analógico a digital y memoria intermedia, o un procesador interno de señales digitales. Las interfaces de visualización y control las proporciona la computadora, y es por esa razón que el costo de un PCO es mucho menor que el de un osciloscopio a gran escala.

Como era de esperar, existen algunas desventajas significativas al seguir la ruta de la PCO, a pesar de la sorprendente funcionalidad de algunos de los mejores instrumentos. El principal inconveniente es que la computadora es una fuente de alimentación y ruido electromagnético. Si el PCO se esfuerza por examinar señales de bajo nivel, obtener una buena resolución puede ser problemático y requiere un blindaje extenso. Una dificultad adicional es que las tasas de transferencia a la computadora seguramente estarán limitadas por el eslabón más débil de la cadena, un cuello de botella inherente a los medios de cableado. Además, la computadora requerirá un software que habilite el osciloscopio, que puede o no ser compatible con el sistema operativo. Por supuesto, las computadoras compatibles no suelen tener la gran esperanza de vida de los osciloscopios dedicados de alta calidad. En general, el PCO es valioso como herramienta educativa para aficionados y estudiantes. Es útil para algunas mediciones de baja frecuencia, pero faltan velocidad y precisión. Para la investigación seria y el mantenimiento de las instalaciones, el PCO es una idea que aún no ha llegado (y probablemente nunca llegará).

Usado

Otra opción de bajo costo es comprar un osciloscopio usado. El problema aquí es que, incluso si el osciloscopio parece funcionar, se puede observar más adelante que algunas de las características no son completamente funcionales. Si puede encontrar piezas y tiene la experiencia para repararlas, está bien, pero cuando se necesita una recalibración de fábrica, es posible que no estén disponibles. No se recomienda esta opción.

New

Finalmente, si el costo no es un obstáculo, considere comprar uno nuevo. Existen numerosos fabricantes, algunos de los cuales se dirigen al mercado de gama baja, mientras que otros han estado y están invirtiendo en I + D, buscando proporcionar calidad y funcionalidad de primer nivel. Los grandes jugadores son Tektronix, LeCroy y Agilent (que recientemente se convirtió en Keysight Technologies pero mantiene esencialmente la misma línea de productos). Estos proveedores ofrecen osciloscopios de alta calidad, muy avanzados y duraderos que deberían ser valiosos en los próximos años.

 Características y Funcionalidad

Un osciloscopio de dominio mixto (MDO) es capaz de mostrar señales eléctricas en más de un dominio. El dominio asociado con una función, como bien saben los estudiantes de cálculo, es el conjunto de entradas permitidas para esa función. La pantalla del osciloscopio consta de una línea horizontal, el eje X, a lo largo de la cual se sitúan las entradas. En el centro de la pantalla, el eje Y, a lo largo del cual están situadas las salidas, se cruza con el eje X.

El escenario más común es ver unidades de tiempo referenciadas al eje X, donde se representan las variables independientes. La amplitud (voltaje) se refiere al eje Y. Varias amplitudes comprenden las variables dependientes. Las relaciones entre los puntos del eje X y los puntos del eje Y están determinadas por la función.

A veces, el dominio (eje X) no representa el tiempo. En cambio, se puede definir en términos de frecuencia (con los valores de Y aún siendo amplitud). Esto crea una representación gráfica diferente de la misma señal eléctrica. Es posible traducir de un lado a otro entre los dos dominios, y el procedimiento para lograrlo se conoce como la Transformada de Fourier, descrita en 1822 por Joseph Fourier. El protocolo en ese momento era aplicable a fenómenos no eléctricos, como la acción de las olas en un cuerpo de agua y la mecánica acústica. En nuestro tiempo, el foco principal es eléctrico.

Las matemáticas para lograr la Transformada de Fourier son inmensamente complejas, pero a mediados de la década de 1960, surgió un algoritmo conocido como Transformada Rápida de Fourier (FFT) que acelera enormemente el proceso. Este procedimiento nos permite realizar las mismas traslaciones de ida y vuelta entre los dos dominios con cálculos menos engorrosos. Afortunadamente, FFT se puede invocar en un instante presionando una secuencia simple de botones en un MDO, y se puede ver una señal eléctrica inmediatamente en cualquiera de los dominios. Esta funcionalidad es muy útil para obtener información sobre el funcionamiento interno de muchos tipos de equipos electrónicos con fines de mantenimiento, así como de I + D.

Toma de tierra

Antes de encender o conectar un osciloscopio de banco a una señal, necesitamos entrar en algunos detalles sobre el concepto de conexión a tierra tanto del instrumento como del circuito bajo investigación. Si esto no se comprende completamente, existe una gran probabilidad de que el usuario eventualmente realice una conexión incorrecta y dañe o destruya el osciloscopio y / o el trabajo que se está midiendo.

Primero y más fundamentalmente, el osciloscopio (a menos que sea del tipo portátil, operado por batería y aislado de tierra) debe estar correctamente conectado a tierra siempre que se encienda. Esta conexión a tierra se logra enchufándola a un receptáculo estándar de tres clavijas que tiene una conexión a tierra para el equipo. Esto presupone, por supuesto, que el conductor de puesta a tierra del equipo está intacto y correctamente conectado al servicio eléctrico y que todo el sistema tiene una conexión a tierra de baja impedancia. Una buena herramienta para verificar que el cableado esté polarizado correctamente (y, de hecho, conectado a tierra) es el analizador de circuitos (Figura 2).

El propósito de la conexión a tierra del equipo es asegurar que el chasis del osciloscopio, como el de cualquier herramienta o aparato, no permanezca energizado debido a una falla a tierra, lo que resultará en un riesgo de descarga eléctrica. En segundo lugar, el equipo eléctrico que se está probando debe estar totalmente aislado de tierra o, si está alimentado por energía de CA derivada de la red pública, (como el osciloscopio) debe estar alimentado por dos conductores, uno de los cuales está a potencial de tierra. Si uno de estos no es el caso, no es seguro conectar el osciloscopio al trabajo.

Además, el cable de referencia de tierra que forma parte de la sonda debe conectarse a un punto del circuito bajo prueba que esté a potencial de tierra, dejando la punta de la sonda disponible para los puntos de contacto dentro del circuito. Es esencial que la tierra de la señal del circuito bajo prueba y la tierra del equipo del osciloscopio derivada de la red de CA estén muy cerca del mismo potencial. Si no se cumplen estas condiciones (es decir, la equivalencia de ambas conexiones a tierra y la conexión correcta del cable de referencia de tierra de la sonda del osciloscopio), habrá una fuerte corriente de falla que, como mínimo, quemará el cable de referencia de tierra de la sonda y, quizás, , dañar el osciloscopio y / o el equipo bajo prueba. Esto sucederá instantáneamente cuando el cable de referencia de tierra entre en contacto con un punto del circuito que no esté en potencial de tierra. De hecho, ocurrirá incluso antes de que la punta de la sonda entre en contacto con el equipo.

Hay algunas excepciones al protocolo de puesta a tierra anterior. El osciloscopio puede aislarse de la tierra cortando el enchufe de tierra del cable de alimentación. Si bien este expediente puede funcionar para prevenir los problemas mencionados anteriormente, es contrario al Código Eléctrico Nacional y constituye una indiferencia depravada hacia la vida humana, porque desactiva las funciones protectoras de la conexión a tierra de los equipos. Prepara el escenario para el desastre en el futuro.

Como se mencionó anteriormente, el peligro en discusión no es un problema cuando el trabajo está totalmente aislado del suelo. Un ejemplo obvio sería la forma de onda (una línea horizontal recta) de una batería de 9 V. Dado que ninguno de los lados tiene potencial de tierra, es seguro conectar el cable de referencia de tierra de la sonda al polo positivo o negativo.

Se puede conectar un osciloscopio portátil a batería (Figura 3) al cableado punto a punto dentro de un equipo eléctrico con conexión a tierra. Dado que ambos lados del instrumento están aislados de tierra, no habrá una falla a tierra peligrosa, independientemente de la forma en que se conecten las sondas.

Con un osciloscopio conectado a tierra de tipo banco y la necesidad de realizar una medición punto a punto en un equipo conectado a tierra (como medir el voltaje del bus de CC de un variador de frecuencia), está permitido utilizar una sonda diferencial (Figura 4) . Las sondas diferenciales combinan las funciones de dos sondas en una. Las sondas de un solo extremo miden un voltaje con referencia a un punto de tierra. Por el contrario, las sondas diferenciales miden la diferencia de voltaje entre dos puntos de prueba. No existe el problema de un arco eléctrico peligroso causado por la conexión del cable de tierra de la sonda a un voltaje de señal que está flotando con respecto al plano de tierra. Las características importantes que se deben buscar son un gran ancho de banda, un gran rango dinámico y de compensación y poco ruido.

Conclusión

Este artículo ha examinado algunos antecedentes sobre los osciloscopios, particularmente tal como se han desarrollado durante el siglo pasado. En el siguiente y último artículo de esta serie, se realizarán algunos ejercicios que ilustran el uso de un osciloscopio, con referencia al Tektronix MDO3104. Unas pocas conexiones sencillas demostrarán cómo se puede usar el osciloscopio para representar formas de onda e ilustrar varios fenómenos electrónicos que son invisibles para el multímetro.

Preguntas de refuerzo del aprendizaje

Utilice las siguientes preguntas de refuerzo del aprendizaje para estudiar para el Examen de evaluación de educación continua disponible en línea en www.elevatorbooks.com o en la p. 139 de este número.
♦ ¿Cuál es el principal peligro al sacar un televisor de su gabinete?
♦ ¿Cuál fue la gran contribución de Tektronix en el desarrollo del osciloscopio?
♦ ¿Cuál fue la gran contribución de LeCroy en el desarrollo del osciloscopio?
♦ ¿Qué es un PCO y cuáles son algunos de sus inconvenientes?
♦ ¿Qué es un MDO?