Osciloscopios, segunda parte

En la primera entrega de esta serie (ELEVATOR WORLD, mayo de 2016) se analizaron las raíces históricas del osciloscopio, incluidas algunas innovaciones tempranas y fundamentos teóricos, como la transformada de Fourier. Este artículo final avanza rápidamente hasta el presente y guía al lector a través de ejercicios con osciloscopio, comenzando con los más simples y avanzando hacia los más complejos.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Después de leer este artículo, debería haber aprendido sobre:
♦ Acceder a señales eléctricas usando un osciloscopio
♦ Evitar la corriente de falla
♦ Cómo compensar las sondas del osciloscopio y por qué es necesario el proceso
♦ Visualización de formas de onda de CC y CA en un osciloscopio
♦ Usando la función de voltímetro digital

El osciloscopio es esencialmente un voltímetro, aunque como cualquier otro instrumento, se puede configurar y calibrar para leer la corriente y la resistencia. El osciloscopio que sirve como nuestro instrumento de muestra, el Tektronix MDO3104, incorpora un voltímetro digital integrado. El voltaje se muestra en una lectura en la parte superior de la pantalla, con una precisión de milésimas de voltio. Esto evita la necesidad de estimar el voltaje contando las divisiones en la retícula, aunque aún se puede hacer si se desea.

Antes de continuar, si el osciloscopio es nuevo o si se desea verificación, es necesario compensar las sondas del dispositivo. Debido a ligeras variaciones en el proceso de fabricación, la impedancia de cualquier sonda dada no coincide exactamente con la impedancia del canal analógico. Si estos valores no son los mismos, una señal de onda cuadrada (con sus tiempos de subida y bajada muy rápidos) exhibirá una distorsión considerable en la pantalla. Una sonda mal compensada puede introducir errores de medición.

Cuando se conecta una sonda a uno de los canales de entrada analógica, la sonda se vuelve the source, y el circuito frontal de ese canal de entrada analógica se convierte en la carga. Es necesario hacer coincidir la impedancia de cada sonda con la impedancia de cualquier canal analógico al que se vaya a conectar. Si estas impedancias no coinciden, es necesario ajustar la impedancia de la sonda para lograr una buena coincidencia. En un momento, esto se hizo girando un tornillo en el cuerpo de la sonda con un destornillador no metálico. El MDO3104 realiza esta operación automáticamente cuando se siguen las indicaciones en pantalla.

Conecte la sonda al canal de entrada analógica deseado y conecte la punta de la sonda y el cable de referencia de tierra a los terminales correctos en el lado derecho del panel frontal del osciloscopio. Estos terminales están etiquetados como "Comp de sonda" y uno de ellos está marcado con un símbolo de tierra. Presione el botón del panel frontal para el canal de entrada analógica deseado. El menú inferior mostrará el valor de terminación de la sonda. Presione "Más" repetidamente para seleccionar "Configuración de sonda", luego presione "Compensación de sonda".

Cada uno de los cuatro canales de entrada analógica puede almacenar los valores de compensación para hasta 10 sondas separadas. Más allá de eso, el valor almacenado más antiguo se eliminará a favor de compensaciones de sonda adicionales, y el osciloscopio agregará los valores de las nuevas sondas a medida que se compensen. Este proceso debe repetirse para cada combinación de sonda / canal. Alternativamente, se puede compensar una única sonda dedicada para cada canal, en cuyo caso las sondas deben etiquetarse.

Ejercicio basico

Nuestra primera conexión será una batería de 9 V. Dado que está totalmente aislado de tierra, no hay peligro de una corriente de falla fuerte, como cuando el equipo eléctrico bajo investigación está conectado a la energía derivada de la red pública de las instalaciones. Por esta razón, está permitido conectar la punta de la sonda y el cable de referencia a tierra al lado positivo o negativo. No es necesario utilizar la sonda diferencial ni el osciloscopio de mano sin conexión a tierra.

Observe que la pantalla consta de una sola línea horizontal. Su color coincide con el color dedicado del canal en uso. El canal uno, por ejemplo, es amarillo. El nivel de voltaje se puede estimar contando las divisiones principales a lo largo del eje Y y las marcas a lo largo de cada lado de la pantalla. Se puede realizar una medición más precisa utilizando el voltímetro digital incorporado. Para hacer esto, presione "Medir" en la sección "Inspector de ondas" del panel frontal. Aparecerá una barra de menú en la parte inferior de la pantalla. Presione la tecla programable que corresponde a “DVM” para que aparezca la barra de menú de DVM a la derecha de la pantalla. El elemento superior es "Modo". “Desactivado” se puede cambiar a “Activado” presionando la tecla programable. La "a" minúscula indica que la perilla multipropósito "a" se utilizará para desplazarse por los modos, que son "Apagado", "CA + CC RMS", "CC", "CA RMS" y "Frecuencia". (Dado que el instrumento está conectado a una señal de CC, la "Frecuencia" no es aplicable).

Además de "Modo", los elementos del menú en la barra de menú del lado derecho se pueden elegir usando teclas programables. Debajo de "Fuente", una "b" minúscula indica que las opciones se pueden seleccionar usando la perilla multipropósito "b". The sources son las cuatro entradas de canales analógicos disponibles, cada una de las cuales se muestra con su color específico. La tecla programable junto a "Estilo de visualización" alterna entre "Completo" y "Minimizado", el último de los cuales elimina algunos de los elementos de la pantalla.

Ahora estamos listos para observar la forma de onda. En este caso, dado que la señal es CC, se muestra una línea horizontal recta. Si el cable de referencia de tierra está conectado al lado negativo, la línea aparecerá sobre el eje X y el voltaje se puede estimar contando las divisiones y marcas que se muestran en el retículo. O bien, es posible obtener una medición más precisa (hasta milésimas de voltio) utilizando la función DVM del osciloscopio. Si la punta de la sonda y el cable de referencia de tierra están invertidos en la batería de 9 V, la línea de voltaje horizontal aparecerá debajo del eje X.

Se puede acceder a un contador de frecuencia interno presionando "Medir" en la sección "Inspector de ondas". En el menú en la parte inferior de la pantalla, presione la tecla suave debajo de "DVM". En la vista derecha de la pantalla hay un menú con el elemento DVM. Observe la "a" minúscula. Esto significa que se puede acceder a los elementos del submenú girando el mando multiuso "a". Hágalo hasta que se resalte "Frecuencia" en la parte inferior del submenú. En la parte superior de la pantalla, aparece una barra de menú que incluye "Frecuencia". Como se mencionó anteriormente, se muestra que la frecuencia no es aplicable, porque la señal es CC.

La mayoría de los osciloscopios digitales modernos están disponibles en modelos de dos o cuatro canales. El modelo de cuatro canales generalmente agrega un 50% al precio, por lo que se recomienda anticipar el uso antes de tomar una decisión de compra. El MDO3104 tiene cuatro canales y todo está codificado por colores, desde las sondas individuales hasta las entradas de canal, las formas de onda mostradas y las etiquetas que aparecen en la pantalla.

Ejercicio avanzado uno

Otro ejercicio consiste en adquirir una pantalla de la energía eléctrica de CA disponible en las instalaciones. Se considera más avanzado, porque un lado del circuito que se va a medir está sólidamente conectado a tierra, mientras que el otro lado está fijo a un voltaje específico por encima del suelo.

Un instrumento de tipo banco con conexión a tierra, como el MDO3104, así como el circuito bajo investigación pueden dañarse si el cable de referencia de tierra de la sonda está conectado a un cable o terminal que está referenciado a tierra pero que flota a un voltaje significativo que no sea el potencial de tierra. . El procedimiento seguro, después de enchufar el instrumento en un receptáculo con conexión a tierra con continuidad verificada de la conexión a tierra del equipo de regreso al equipo de servicio, es conectar el cable de referencia a tierra a una parte del circuito bajo investigación que no esté referenciada a tierra (totalmente aislada de). o está sólidamente conectado a tierra y al mismo potencial que la tierra de la fuente de alimentación del osciloscopio. Primero, verifique el receptáculo del osciloscopio y el receptáculo que alimenta el equipo bajo investigación. Utilice un analizador de circuitos para realizar esta medición.

Para comenzar, haga un cable de alimentación corto con un enchufe de tres clavijas en un extremo. En el otro extremo, corte y retire un tramo corto de la chaqueta y pele el aislamiento en los extremos de los tres conductores. Deje una pequeña cantidad de cobre a la vista para reducir el riesgo de contacto o cortocircuito. Asegúrese de terminar los extremos en el enchufe correctamente para que los conductores con conexión a tierra (blanco) y sin conexión a tierra (negro) no se crucen. Guarde este cable en un lugar seguro, porque en las manos equivocadas puede resultar traicionero.

Conecte la sonda a uno de los canales de entrada analógica del osciloscopio. Asegúrese de que el canal correcto esté encendido presionando el botón numerado codificado por colores para que se encienda. Si no aparece una pantalla significativa, presione "Configuración predeterminada", "Menú desactivado" y "Autoajuste". Si se desea un canal analógico que no sea "Uno", tendrá que estar encendido, porque la "Configuración predeterminada" siempre lleva el osciloscopio al canal uno.

Ahora debería ser visible una onda sinusoidal generada por la utilidad. Hay varios aspectos de esta exhibición que vale la pena señalar. Primero, una onda sinusoidal se caracteriza por el hecho de que hay una mayor tasa de cambio a un nivel de voltaje más bajo (más cercano a cero) y una menor tasa de cambio a un nivel de voltaje más alto. Es por eso que la curva se nivela y se vuelve más plana en los picos. Es una consecuencia de la naturaleza rotativa de la máquina que genera la energía.

Otro aspecto digno de mención de la pantalla es que, dado que se presionaron los botones “Configuración predeterminada” y “Autoajuste”, la forma de onda está centrada en el eje X. Esta posición se puede ajustar girando la perilla pequeña sobre el botón de selección de canal. Al presionar esta perilla, se vuelve a centrar la pantalla en el eje X. La perilla grande debajo del botón de selección de canal cambia la escala vertical. Observe que, a medida que se hace esto, el número de voltios por división (que se muestra en la esquina inferior izquierda de la pantalla) cambia en consecuencia. Pulse "Autoset" para volver a la vista predeterminada.

Las perillas de posición horizontal y escala realizan alteraciones similares y, de nuevo, “Autoset” restaura la configuración predeterminada. En la sección "Disparo", el nivel de disparo se puede subir o bajar desde el nivel cero (con referencia al eje Y). Tenga en cuenta que si este nivel se mueve por encima del pico positivo o por debajo del pico negativo, la activación ya no se produce y la forma de onda se vuelve inestable. Al presionar “Autoset”, el nivel de activación vuelve a 0 V y la forma de onda se vuelve a estabilizar. Otro experimento interesante es insertar un diodo en la línea negra (caliente). Esto se puede hacer usando una tuerca para alambre y crea un rectificador de media onda.

Si se invierte el diodo, la mitad de la forma de onda que está bloqueada será de polaridad opuesta. La mitad restante de la onda sinusoidal aparecerá en el lado opuesto del eje X. Se podría construir un rectificador de onda completa con dos diodos con un transformador con toma central o cuatro diodos con un transformador que no tiene toma central. La forma de onda completa aparecería en un lado del eje X. Otro experimento sería construir un filtro usando un condensador y / o un inductor para ver cuánta ondulación se puede eliminar.

A lo largo de todo esto, recuerde abstenerse de conectar el cable de referencia de tierra a cualquier cable o terminal que flote a un voltaje diferente con respecto a tierra. Un transformador con toma central puede llevar la conexión a tierra hasta la toma central debido a una conexión interna intencional o un cortocircuito no intencional. El aislamiento del suelo se puede verificar mediante una luz de prueba de neón. Si alguna parte de la salida del transformador está referenciada a tierra y flota a un potencial diferente, es necesario utilizar instrumentación alternativa. Una forma de realizar tales mediciones es utilizar una sonda diferencial de alto voltaje como la Tektronix TMDPO200. Otra alternativa es utilizar un osciloscopio portátil que funcione con baterías, como el Tektronix THS3024.

Ejercicio avanzado dos

Otro experimento interesante (con el diodo del experimento anterior eliminado) es conectar la sonda, aún enganchada a la CA de la red pública, a la entrada de radiofrecuencia (RF). La pantalla, que ahora representa gráficamente la onda sinusoidal en el dominio de la frecuencia, muestra la distribución de potencia representada en función de la frecuencia (en lugar del tiempo) en el eje X. El trazo irregular a lo largo de la parte inferior es el piso de ruido, causado por el movimiento aleatorio de los electrones. Dado que la entrada es una onda sinusoidal pura sin armónicos, la distribución de potencia como se muestra en la pantalla del dominio de frecuencia (abajo) y el espectrograma (arriba) es un solo pico. Toda la potencia de la señal está en una sola frecuencia. El osciloscopio es capaz de realizar esta traducción porque utiliza electrónicamente la Transformada Rápida de Fourier, un conjunto de cálculos bastante intrincado (EW, mayo de 2016).

Para el próximo experimento, retire la fuente de CA y vuelva a conectar la sonda a un canal analógico. Configuraremos el instrumento para que pueda mostrar cualquier sonido, incluido el que emite la voz humana a través de un micrófono. Lo primero que hay que tener en cuenta es que existen dos tipos de micrófonos: los que requieren alimentación externa y los que no. Un micrófono de carbono funciona bien en esta aplicación, pero su problema es que requiere alimentación externa. El dispositivo consta de un pequeño recipiente de partículas de carbono. Los cambios en la presión del aire comprimen y descomprimen sucesivamente el carbón, haciendo que el dispositivo general sea cada vez menos conductor. Dado que el osciloscopio es esencialmente un voltímetro (en lugar de un ohmímetro), se necesita una fuente de alimentación de CC externa. Una batería de 9 V funciona bien, excepto por el hecho de que (como lo ve el osciloscopio, que es de rango automático), el voltaje de CC superará las fluctuaciones eléctricas que corresponden al sonido. Para corregir este efecto, se puede colocar un condensador en serie con el micrófono para eliminar la corriente CC.

Una solución más sencilla es utilizar un micrófono que no requiera alimentación externa. Un micrófono así genera energía eléctrica desde dentro. Un altavoz es, en realidad, un motor de corriente continua conmutado externamente, lineal o no giratorio. Como otros motores de CC, también es un generador de CC. Se puede producir ruido (como el habla) cerca del cono, y el micrófono transformará las variaciones en la presión del aire en un voltaje fluctuante. En consecuencia, el altavoz se puede conectar directamente a la sonda del osciloscopio.

Otros usos

Las formas de onda de muchos instrumentos musicales virtuales se pueden ver conectando un osciloscopio a un teclado electrónico. Estas señales se consideran ricas en armónicos y se pueden ver en el dominio de la frecuencia y el espectrograma. Sin embargo, no conecte el osciloscopio directamente a la toma de auriculares. Esto podría hacer explotar los transistores de salida (etapas finales de amplificación). Al ver la impedancia de entrada muy alta de la sonda del osciloscopio, se ejecutarían en un circuito esencialmente abierto y sobrecargarían el circuito. Otro problema que podría ser problemático es que un lado de la salida podría estar referenciado al suelo pero flotar por encima o por debajo de él. En su lugar, use la conexión de altavoz que se mencionó anteriormente. Colóquelo cerca del altavoz del teclado y no se pondrá en peligro ni el osciloscopio ni el teclado.

Un osciloscopio es muy útil para solucionar problemas de equipos de audio y video. El procedimiento habitual es inyectar una señal en la entrada y, utilizando un osciloscopio, ver la señal en etapas sucesivas. Algunos esquemas de TV incluyen gráficos que representan formas de onda saludables en diferentes puntos de los circuitos. La traza de un osciloscopio revela más información que una simple lectura de voltímetro y, a menudo, es posible reducir el defecto primero a la etapa, luego al circuito y, finalmente, a un componente defectuoso. Tradicionalmente, se utilizaba un generador de señales, también conocido como "generador de funciones", para este propósito. Es preferible una señal invariable específica de este tipo a usar la transmisión que llega a través de una antena, porque no varía y proporciona una forma de onda uniforme que puede verse y compararse en varios puntos.

Los osciloscopios digitales avanzados como el MDO3104 incorporan un generador de funciones interno opcional capaz de sintetizar una variedad de señales. Se pueden modificar la frecuencia, la amplitud, el ciclo de trabajo y la desviación del eje X. Este modelo tiene dos puertos en el panel posterior donde se puede acceder a la señal del generador de funciones arbitrarias (AFG). Puede inyectarse en un circuito bajo investigación o puede retroalimentarse al osciloscopio a través de cualquiera de las entradas de canal analógico con el fin de visualizarlo. Para hacer esto, se utiliza un tramo corto de cable Bayonet Neill-Concelman (BNC). Este es un cable coaxial estándar con extremos especiales que tienen una excelente respuesta de frecuencia pero no son compatibles con conectores coaxiales. Hay adaptadores disponibles.

Se pueden ver y modificar varias formas de onda. Sinusoidal, cuadrada, pulso, rampa, CC, ruido y otros están disponibles. Además, las formas de onda de las señales introducidas en los cuatro canales analógicos y el canal de RF se pueden almacenar en la memoria del osciloscopio, editarlas como se desee y acceder a ellas en cualquier momento en el futuro. Se puede agregar ruido a una señal de interés para ver cómo se ve afectado. Se puede realizar una modificación adicional de la señal utilizando el software Tektronix, disponible para descarga gratuita en www.tektronix.com.

El osciloscopio es un gran instrumento para solucionar problemas y diagnosticar equipos electrónicos defectuosos. Además, ver formas de onda en varios puntos de los circuitos es enormemente instructivo y proporciona información sobre algunas propiedades físicas básicas de nuestro misterioso universo.

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. 137 de este número.
♦ ¿Cómo se puede proteger el osciloscopio contra la corriente de falla?
♦ ¿Cómo se accede a la AFG?
♦ ¿Cómo se utilizan los mandos multiusos “a” y “b”?
♦ ¿Qué utilidad tiene un analizador de circuitos para evitar la corriente de falla?
♦ ¿Por qué las ondas sinusoidales son más planas en los picos?