Una imagen vale más que mil palabras. Seguro has escuchado esta frase alguna vez y es probable que en la mayoría de las ocasiones lo que dice sea cierto. En el caso de la tecnología electrónica también tiene validez. Si eres un aficionado o un profesional en esta disciplina, sin duda utilizas el multímetro, sin embargo, en ocasiones habrás pensado: «ojalá pudiera ver qué es lo que está pasando en este circuito«. En ese momento necesitamos un osciloscopio.
El osciloscopio es un instrumento de medición muy utilizado por los profesionales de la electrónica. Hace algún tiempo su costo elevado lo hacía inviable para la mayoría de nosotros, pero su precio ahora es más asequible y es posible conseguir en el mercado algunos con muy buenas características.
En este artículo vas a conocer lo esencial del osciloscopio digital y cómo puedes sacarle provecho, ya seas principiante, entusiasta, o experto en la materia.
Vamos a empezar.
Indice de contenidos
¿Qué es un osciloscopio?
Un osciloscopio es un instrumento de medida, prueba y comparación que nos muestra en forma gráfica en dos dimensiones (2D) la magnitud de una tensión eléctrica y la forma en que varía a lo largo del tiempo en un plano cartesiano. El eje horizontal (X) nos representa el tiempo y el eje vertical (Y) la tensión. La gráfica mostrada se llama oscilograma. De esta forma, realmente estamos viendo la forma de una señal eléctrica.
El multímetro o polímetro es el instrumento de medición más usado por todas las personas que trabajan en electricidad y electrónica, pero una de sus limitaciones es medir solo una magnitud eléctrica a la vez.
Por ejemplo, si deseas medir el voltaje de una toma de corriente, el monitor (display) del multímetro solo nos mostrará el valor eficaz de la tensión o raíz media cuadrática, RMS (del inglés, Root Mean Square).
En la mayoría de los casos el uso de un buen multímetro será suficiente para realizar tareas de implementación de circuitos eléctricos o electrónicos, o trabajos de mantenimiento y reparación. Pero en algunas ocasiones será necesario el uso del osciloscopio, por ejemplo, cuando necesitemos verificar la forma de las señales eléctricas en un circuito que no funciona correctamente por motivos desconocidos.
La gran ventaja de un osciloscopio consiste en medir dos magnitudes simultáneamente. La amplitud y su variación en función del tiempo transcurrido. De esta forma podemos ver si las señales eléctricas corresponden o no con las que deben estar presentes en ciertas partes de un circuito electrónico. Es decir, el osciloscopio se convierte en los ojos del aficionado, técnico o ingeniero, facilitando así su trabajo.
El osciloscopio no es un instrumento reciente, se puede decir que tuvo su origen con el oscilógrafo electromagnético, inventado por André Eugène Blondel.
El oscilógrafo de rayos catódicos u osciloscopio existe desde 1897, cuando el físico alemán Karl Ferdinand Braun inventó los tubos de rayos catódicos, TRC. Seguro te acuerdas de los televisores antiguos que eran muy voluminosos.
En la imagen inferior puedes observar un oscilógrafo de rayo catódico, CRO (del inglés, Cathode Ray Oscilloscope).
El primer osciloscopio TRC lo fabricó la compañía británica AC Cossor en 1932. Los modelos analógicos fueron muy populares hasta que se impuso la tecnología digital.
Actualmente, se utiliza el osciloscopio digital con pantallas de tecnología LED, LCD o TFT.
¿Cómo funciona un osciloscopio?
Un osciloscopio digital comprueba y nos permite ver en una pantalla las señales eléctricas como formas de ondas en función del tiempo.
La pantalla muestra una cuadrícula donde se superpone la forma de onda. El eje X corresponde al tiempo en segundos y el eje Y es la magnitud de la tensión en voltios. También se puede usar submúltiplos de estas unidades tales como mili (m) o micro (µ). La imagen inferior nos muestra una señal triangular que ocupa cuatro cuadros en el eje de la tensión y dos cuadros en el eje del tiempo (medida de la distancia entre los dos puntos verdes en la imagen, que corresponden a un ciclo completo).
El osciloscopio es un instrumento ideal para visualizar y analizar las señales repetitivas, como la onda triangular.
En ocasiones se deben analizar ondas de señales complejas, tal como una señal de video compuesto de televisión.
Una señal compleja quizá no puede ser representada correctamente en un osciloscopio de uso general, se puede requerir uno especializado o un analizador de espectro.
Con el oscilograma que genera un osciloscopio podemos enterarnos de muchos detalles de una señal, veamos algunos de ellos.
- Valores de tensión
- El tiempo en que se repite una señal
- La frecuencia
- Distorsión de la señal
- Componente defectuoso que produce distorsión en una señal
- Comprobar en qué sitio se generan ruidos eléctricos
- Separar componentes de corriente continua (CC) de señales de corriente alterna (CA)
¿Dónde se usa un osciloscopio?
El campo de aplicación del osciloscopio no se limita únicamente a la tecnología electrónica. Otras áreas del conocimiento, tales como la medicina, la industria automovilística o la ciencia en trabajos de investigación, hacen uso del mismo.
En la imagen inferior se muestra un monitor de atención médica que se utiliza para monitorizar ininterrumpidamente los signos vitales de un paciente en tiempo real y un osciloscopio utilizado en el diagnóstico de automóviles, conocido como osciloscopio de automoción.
Con el uso de un transductor apropiado, el alcance del uso de un osciloscopio se amplía a muchos campos de la investigación científica.
Tipos de osciloscopios
Podemos clasificar los osciloscopios en dos grandes grupos, los análogos, que son aquellos que trabajan con señales de voltaje que varían continuamente, y los digitales que muestrean las tensiones rápidamente y con un convertidor analógico digital, ADC (del inglés, Analog to Digital Converter) las convierten en números binarios discretos.
Nos centraremos en los osciloscopios digitales, ya que los modelos análogos ya casi no son utilizados.
Tipos de osciloscopios digitales
- Osciloscopio de almacenamiento digital (DSO)
Un osciloscopio de almacenamiento digital, DSO (del inglés, Digital Storage Oscilloscope) es el mismo osciloscopio digital. Su principio de funcionamiento es parecido al de un osciloscopio análogo, es decir utiliza la arquitectura del procesado en serie.
Inicialmente se amplifica la señal en amplitud o componente vertical, luego en el sistema horizontal un ADC muestrea la señal en ciertos puntos aislados en el tiempo y la digitaliza. Un reloj maestro determina la frecuencia del muestreo por segundo, S/s (del inglés, Samples per second). Las muestras del ADC son almacenadas en la memoria de adquisición como puntos de la forma de onda original.
Todo el proceso desde la entrada al amplificador vertical hasta la presentación en pantalla es controlado por un microprocesador. Un DSO captura eventos y los almacena para su análisis, también puede descargarlos para ser almacenado en otros medios como un ordenador.
La gran desventaja de un DSO es que no muestra el evento en tiempo real, como sí lo hace un osciloscopio analógico.
- Osciloscopio de fósforo digital (DPO)
El Osciloscopio de Fósforo Digital, DPO (del inglés, Digital Phosphor Oscilloscope) no presenta el inconveniente de un DSO ya que sí puede mostrar las señales en tiempo real porque utiliza una arquitectura de hardware diferente conocida como procesado en paralelo. Un DPO permite una captura y análisis de la señal mucho más rápida que en un DSO debido a una velocidad de muestreo superior.
El DPO trabaja en tres dimensiones X (tiempo), Y (amplitud) y Z (distribución de la amplitud en el tiempo o intensidad). Esa tercera dimensión la logra con el fósforo digital, que es una base de datos digital constantemente actualizada. El fósforo digital actúa directamente en una celda individual de información por cada pixel en la pantalla, reforzando la información de intensidad en la misma.
Un DPO es apropiado para visualizar altas y bajas frecuencias y las variaciones en ellas en tiempo real. Es un excelente equipo de medición en la mayoría de aplicaciones técnicas y científicas, ya que reúne las ventajas del osciloscopio analógico y el DSO.
- Osciloscopio de muestreo digital
Cuando las señales a medir son de una frecuencia muy elevada, es probable que un osciloscopio DSO o DPO no sea capaz de recoger suficientes muestras en un solo barrido de muestreo. Aparece entonces el osciloscopio de muestreo digital.
En este tipo de osciloscopio la señal se muestrea antes de que se realice una atenuación o amplificación. Posteriormente se amplifica la señal. El resultado de la inversión de estos circuitos, respecto a los otros tipos de osciloscopios, es un mayor ancho de banda, sin embargo, se limita el rango dinámico de muestreo; es decir la amplitud pico a pico de la señal de entrada queda limitada a 1 Voltio, muy poco comparado con los otros tipos de osciloscopios que pueden manejar tensiones superiores a 100 V.
Un osciloscopio de muestreo digital captura con precisión señales cuyas frecuencias superan su frecuencia de muestreo, logrando un mayor ancho de banda que los otros tipos de osciloscopios digitales.
- Osciloscopio portátil o escopómetro
Un osciloscopio portátil o de mano es muy práctico, ya que en un tamaño pequeño tiene las funciones básicas de un osciloscopio, aunque con frecuencias de muestreo y ancho de banda bajos, y puede incorporar también las funciones de multímetro y generador de funciones.
Es una gran herramienta para el trabajo de campo ya que es portátil y tiene muchas prestaciones, se alimenta con batería, es pequeño y de bajo peso. Su costo es menor que el de un osciloscopio tradicional y esto lo hace una gran opción si no puedes adquirir uno de sobremesa.
Existen pequeños equipos externos que conectados a un ordenador vía USB permiten monitorear señales en la pantalla del PC. Se conoce como osciloscopio basado en PC u osciloscopio virtual, para su funcionamiento aprovechan la capacidad de procesamiento de la computadora.
¿Qué puedes medir con un osciloscopio?
Ya sabemos que un osciloscopio nos permite visualizar señales eléctricas, vamos a especificar las magnitudes más importantes que podemos medir en ellas. Si es un osciloscopio digital las medidas se mostrarán en la pantalla directamente, si es un osciloscopio analógico debemos realizar algunas operaciones aritméticas.
- Frecuencia y periodo
Frecuencia (F), es el número de veces que una señal se repite en un segundo, medida en Hertz (Hz) o ciclos por segundo.
Periodo (T), es la cantidad de tiempo que demora una onda en completar un ciclo completo.
La frecuencia y el periodo guardan relación inversa entre ellas.
De esta forma si conocemos el periodo de una señal (que se muestra en el osciloscopio) podemos calcular su frecuencia.
Veamos un ejemplo.
En la imagen inferior la cuadrícula nos muestra una señal de onda cuadrada que ocupa 4 cuadros completos para un ciclo (resaltado en color rojo).
Su posición ha sido ajustada con los controles de posición vertical y horizontal para que coincida con la cuadrícula y poder medirla con facilidad.
Luego observamos en qué posición está ubicada la configuración de ajuste horizontal/división por tiempo (DIV/TIME) o de segundos por división (sec/div), que nos permite «escalar la señal en el tiempo» o «comprimir» o «expandir» la señal, en este caso 1 ms (0.001 s).
El ajuste horizontal controla la escala de tiempo en la pantalla.
En este ejemplo cada división horizontal representa 1 ms (0.001 s) y como son cuatro, el periodo (T) es de 4 ms (0.004s).
Y como la frecuencia es la inversa del periodo.
- Ciclo de trabajo
El ciclo de trabajo (Duty cycle), que se representa con la letra D, es la relación de tiempo en el que una carga eléctrica o un circuito eléctrico o electrónico está encendido (T-ON) en relación con el periodo de la señal.
El periodo de la señal (T) es igual a la suma del tiempo de encendido más el tiempo de apagado.
El ciclo de trabajo generalmente se expresa en porcentaje.
La imagen inferior nos muestra tres ejemplos de señales eléctricas con diferentes ciclos de trabajo.
Inicialmente la señal tiene un ciclo de trabajo del 25%.
La segunda señal tiene tiempos de encendido y apagados iguales, D = 50%.
La tercera ofrece un ciclo de trabajo del 75%.
A mayor ciclo de trabajo, mayor potencia se entregará a la carga eléctrica.
El concepto de ciclo de trabajo es muy importante en la modulación por ancho de pulso, PWM (del inglés, Pulse Width Modulation).
- Tiempo de subida y bajada
La representación de una señal digital generalmente se muestra en una forma ideal, pero hay que tener en cuenta los tiempos de transición o tiempos de subida y bajada, como se indica en la imagen inferior.
La señal eléctrica necesita un tiempo para que su flanco de subida alcance el máximo del nivel de tensión y el flanco de bajada también necesita un tiempo para volver a caer a la tensión mínima.
Estos tiempos se consideran entre el 10 y el 90% de la tensión máxima de la señal.
- Amplitud
La amplitud de una señal eléctrica es la distancia entre el punto más alejado de una onda y el punto de equilibrio o medio.
La amplitud pico o amplitud, puede ser positiva o negativa y la amplitud pico a pico se mide desde el punto más alto o cresta de la onda y el más bajo o valle.
Miremos un ejemplo.
En la imagen inferior la cuadrícula nos muestra una señal de onda senoidal que ocupa 3 cuadros completos de amplitud (1. Color rojo) y seis cuadros de amplitud pico a pico (2. Color verde).
Su posición ha sido ajustada con los controles de posición vertical y horizontal para que coincida con la cuadrícula y poder medirla con facilidad.
Luego observamos en qué posición está ubicada la configuración del control de ajuste vertical que nos permite «escalar la señal».
La escala se llama voltios por división (V/DIV), si en este caso es de 5 V/DIV, tendríamos que multiplicar por 5 el número de cuadros correspondiente.
Voltaje pico:
Voltaje pico a pico:
En este ejemplo la punta del osciloscopio tiene un factor de atenuación x1, es decir la señal que se mide no está sufriendo un proceso de atenuación.
- Voltaje efectivo
Se llama voltaje efectivo o voltaje RMS (del inglés, Root Mean Square) al valor de la tensión que es capaz de generar la misma disipación de calor de una corriente continua del mismo valor.
Por ejemplo, una tensión de 12 Voltios efectivos de corriente alterna genera el mismo efecto térmico que una tensión de 12 Voltios de corriente continua.
Para obtener el valor eficaz de una señal alterna utilizamos la siguiente fórmula.
Si tenemos una tensión eficaz de 110 V ac y deseamos obtener la tensión pico de la señal.
Obtenemos una tensión pico de 155.5 Voltios.
- Voltajes medios o promedio
Se denomina valor medio o promedio de una onda senoidal a la suma de todos los valores instantáneos de tensión, medidos en un cierto periodo de tiempo.
Para una onda senoidal el voltaje promedio es nulo o cero (0), ya que el valor de tensión positiva se compensa con el valor de tensión negativa.
Pero se puede calcular para un solo semiciclo en una fuente de alimentación de media onda o para dos semiciclos positivos en la rectificación de onda completa como se muestra en la figura inferior.
Teniendo una tensión de 110 V AC y rectificación de onda completa, hallemos el voltaje promedio.
Obtenemos una componente continua con valor medio de 98.99 Voltios.
- Voltajes máximos y mínimos
Si analizamos una onda senoidal pura, podemos realizar varias mediciones en la misma.
Podemos calcular el voltaje máximo de una onda, ya sabemos que se puede llamar también amplitud o voltaje pico y cómo hallarlo.
Para calcular el voltaje mínimo de la onda senoidal, solo cambiamos el signo al voltaje pico.
Continuando con el ejemplo que estamos usando.
- Fase
Al hablar de fase estamos considerando la diferencia de tiempo entre dos ondas senoidales y de esta forma las podemos comparar.
Sin embargo, la diferencia entre las ondas no se mide en segundos sino en radianes o grados.
Un desplazamiento de fase entre dos ondas puede estar comprendido de 0 a 360 grados.
Como ejemplo, un desplazamiento de 90° equivale a 1/4 del periodo de la onda, como se muestra en la figura inferior con las ondas A y B. Podemos decir que A está atrasada 90° respecto a la onda B o también que B está adelantada 90° respecto a la onda A.
Otro ejemplo con un desfase de 180° entre las ondas A y B.
Especificaciones clave de un osciloscopio
Vamos a analizar qué características debes tener en cuenta al momento de buscar un osciloscopio para tus prácticas en electrónica.
- Ancho de banda
Este parámetro se refiere a las frecuencias senoidales que puede admitir el osciloscopio hasta tener una atenuación de un 70% o -3 dB (decibelios) sobre su amplitud. El decibelio o decibel es una unidad que se utiliza para expresar la relación entre dos magnitudes, la magnitud que se analiza y la magnitud de referencia.
En la gráfica inferior, las frecuencias mayores a los 100 MHz estarán por fuera del ancho de banda del osciloscopio ya que serán atenuadas considerablemente.
El ancho de banda es un factor muy importante cuando analizamos señales no senoidales, tales como las señales cuadradas, diente de sierra o triangulares, como la que se muestra en la imagen inferior, ya que este tipo de ondas se componen de sumas infinitas de señales senoidales de diferentes frecuencias o armónicos de amplitud decreciente (serie de Fourier).
Por ejemplo, en el caso de una onda no senoidal, como una onda cuadrada se necesita tener un osciloscopio con un ancho de banda de 5 veces la frecuencia máxima que deseemos monitorear. Por eso debemos tener en cuenta que el ancho de banda de nuestro osciloscopio debe ser alto para captar la mayor cantidad de armónicos posibles y la señal representada en pantalla sea lo más parecida posible a la señal medida.
Un buen ancho de banda para nuestro osciloscopio puede ser 100 MHz, pero todo depende del uso que vamos a darle y por supuesto del costo que podamos asumir.
- Digital vs Analógico
Un osciloscopio analógico es una buena opción si podemos encontrar uno de segunda mano, en buen estado y económico; pero el osciloscopio digital ha rebajado mucho su precio y sus características son superiores al modelo analógico.
- Cantidad de canales
La cantidad de canales de un osciloscopio determina la cantidad de señales que podemos monitorear simultáneamente.
La mayoría de osciloscopios poseen dos o cuatro canales de entrada.
Aunque tener más canales es mejor, hay que tener en cuenta que se deben compartir o dividir otras características como la velocidad o tasa de muestreo o la profundidad de memoria.
- Tasa de muestreo
La tasa o velocidad de muestreo es la frecuencia que utiliza el osciloscopio digital para medir y visualizar los resultados. A mayor tasa de muestreo mayor posibilidad de capturar transitorios o interferencias.
Anteriormente vimos que un DSO convierte la señal analógica en digital, la tasa de muestreo es la frecuencia a la cual trabaja ese conversor A/D.
Cuanto más rápido el osciloscopio realice el muestreo, con más resolución se podrán visualizar las formas de onda en la pantalla.
Supongamos que se quiere muestrear una señal senoidal como la que aparece en la figura A.
En la figura 1 se han tomado dos muestras por un ciclo completo de la señal. Vemos que la señal mostrada es muy diferente a la señal original, es más parecida a una onda triangular.
En la figura 2 se han tomado cuatro muestras por ciclo de la señal y observamos que la señal mostrada se parece un poco más a la original.
En la figura 3, al tomar seis muestras por cada ciclo de la señal ya se puede ver una mayor semejanza de la señal representada y la señal original.
La señal análoga se convierte en una serie de valores eléctricos discontinuos que pueden ser almacenados, procesados y visualizados posteriormente.
La tasa de muestreo se mide en giga muestras por segundo, GSa/s (Giga Samples per second). Valores típicos de velocidad de muestreo son 1, 2, 5 GSa/s.
Los datos muestreados son almacenados en la memoria del osciloscopio digital cuya capacidad se sincroniza con la base de tiempo, la tasa de muestreo y la longitud del registro.
La longitud del registro depende del tamaño de la memoria y nos indica cuántos puntos se memorizan en un registro para la reconstrucción de la forma de onda. Algunos osciloscopios digitales permiten variar este parámetro para tener una mejor resolución de la señal, sin embargo, se necesita más tiempo para muestrear la señal completa.
- Tiempo de subida
El tiempo de subida de la señal que se quiere visualizar con el osciloscopio guarda relación con el ancho de banda del mismo y nos determina la frecuencia máxima que podemos medir.
Ya vimos que el tiempo de elevación o de subida hace referencia al tiempo que necesita una señal para desplazarse del 10 al 90% de una forma de onda ascendente.
Se utiliza la siguiente fórmula para calcular el tiempo de elevación.
Aunque el Teorema de Muestreo de Nyquist-Shannon demuestra que para reconstruir una señal continuamente variable en una señal discontinua (conversión analógica-digital), se requiere que la señal analógica sea muestreada al menos dos veces su frecuencia máxima, no toma en cuenta la memoria del osciloscopio y que no existen filtros ideales, por tanto se utiliza un muestreo tres, cuatro o cinco veces la frecuencia máxima de la señal.
Un muestreo menor al mínimo exigido por el Teorema de Nyquist-Shannon producirá una distorsión conocida como aliasing, que impide recuperar correctamente la señal.
Es suficiente considerar al ancho de banda del osciloscopio como un quinto armónico de la frecuencia a medir; en otras palabras si tenemos un osciloscopio con un ancho de banda de 500 MHz podemos esperar una imagen muy exacta y fiel de una señal de entrada a medir de 100 MHz sin preocuparnos por el tiempo de subida.
- Voltaje máximo de entrada
Es muy importante conocer cuál es el voltaje o tensión máxima de entrada que podemos medir con nuestro osciloscopio. Generalmente este dato en Voltaje pico se serigrafía cerca de los conectores de entrada de las sondas del osciloscopio.
Si tratamos de medir una tensión superior a la que puede soportar el osciloscopio, seguramente lo vamos a estropear.
Recordemos que la señal medida se representa en la pantalla con un plano cartesiano donde el eje horizontal (X) representa al tiempo y el eje vertical (Y) a la amplitud o voltaje de la señal. Analicemos la amplitud máxima de la señal que podemos medir en el eje Y. Debemos tener en cuenta tres características.
- Atenuación de la sonda.
Podemos ingresar al osciloscopio la señal de entrada directamente o reducir la misma en un factor de diez (x 10) con un interruptor colocado en la sonda o punta de medida. También hay atenuadores que nos ofrecen otros factores de atenuación, por ejemplo 20:1, 100:1 o 1000:1 entre otros.
2. Sensibilidad vertical o escala máxima de tensión
Nos permite medir señales eléctricas pequeñas (mV) o grandes (V) dependiendo en dónde coloquemos la perilla. Podemos mover la escala de manera independiente por cada canal.
3. Cuadrícula, grilla o rejilla
Para una correcta medición, la señal a medir no debe superar el número máximo de cuadrículas mostradas en la pantalla. Generalmente hay 8 cuadrículas verticales y 10 o 12 cuadrículas horizontales.
Por ejemplo, asignando una sensibilidad vertical de 1 voltio por división, podemos medir señales hasta de 8 voltios pico a pico. Para señales de más amplitud aumentamos la escala o la atenuación, hasta donde sea posible.
- Resolución vertical
La resolución de una imagen nos indica la cantidad de detalles que podemos observar de ella, es decir nos indica qué tan nítida es la señal que el osciloscopio nos está mostrando en la pantalla.
La resolución vertical se refiere a la relación entre la señal de entrada más alta que el osciloscopio digital puede manejar y la amplitud de señal más pequeña que puede detectar, se cuantifica en el convertidor analógico/digital (ADC) y se mide en bits (binary digits).
A mayor número de bits en un ADC, mayor resolución tendrá el osciloscopio digital. Por ejemplo, una resolución de 8 bits puede codificar una señal analógica en 256 niveles diferentes, ya que 2 elevado a la 8 es 256 y un ADC con una resolución de 10 bits tendrá una codificación de 1024 niveles distintos, ya que 2 elevado a la 10 es 1024. En otras palabras, un ADC de 10 bits tiene una resolución cuatro veces superior a uno de 8 bits.
Valores característicos de resolución vertical son 8, 10 o 12 bits.
- Base de tiempo
Ya analizamos la dimensión de la amplitud de la señal y su relación con el eje Y; analicemos ahora la segunda dimensión el tiempo y su relación con el eje X.
La base de tiempo es el ajuste de la escala horizontal X o dimensión del tiempo, y es necesario ajustarla si medimos señales eléctricas de diferente frecuencia ya que sus periodos son distintos. Al variar la perilla de base de tiempo (DIV/TIME) lograremos la mejor visualización de la señal.
Podemos visualizar frecuencia bajas o altas moviendo la perilla de la base de tiempo de segundos a nanosegundos.
Aumentar la base de tiempo nos permite ver detalles de la señal tales como el tiempo de subida o bajada de un pulso.
- Impedancia de entrada
La impedancia de entrada de un osciloscopio es la resistencia que ofrece el instrumento de medición a la señal que se desea medir.
Realmente no es una resistencia pura sino una impedancia, resumiendo un poco es la combinación de una resistencia y una inductancia (RL) o de una resistencia y una capacitancia (RC).
Hay que considerar la impedancia de entrada en el osciloscopio digital ya que debido al efecto de carga, cualquier intento de medir una tensión eléctrica con un instrumento de medida alterará dicha tensión.
Generalmente, para un osciloscopio la impedancia de entrada es alta, del orden de 1 MΩ y una capacidad de 30 pF.
El valor de impedancia de entrada del osciloscopio no toma en cuenta el efecto de la punta o sonda de entrada que debe ser considerado también.
Partes principales de un osciloscopio
Aunque un osciloscopio es un equipo electrónico sofisticado, podemos resumir su composición en seis bloques fundamentales.
1. Pantalla
- Inicialmente los primeros osciloscopios digitales usaron pantallas de tubo de rayos catódicos, CRT (por sus siglas en inglés, Cathode Ray Tube). El peso, el tamaño y la alta tensión necesaria para su funcionamiento fueron sus grandes inconvenientes.
- Posteriormente los CRT fueron reemplazados por pantallas de cristal líquido, LCD (por sus siglas en inglés, Liquid Crystal Display). Este tipo se pantalla son más livianas y delgadas, además consumen menos energía eléctrica y no emiten radiación electromagnética como sí lo hacían las pantallas CRT.
- Algunos osciloscopios digitales usan también pantallas de diodos emisores de luz, LED (por sus siglas en inglés Light Emitting Diode), tienen menor consumo, gran duración y un mayor brillo y contraste.
- También se utilizan las pantallas de plasma; su superioridad radica en su alta resolución, mayor ángulo de visión y un mayor contraste comparado a los otros tipos de pantalla, aunque son de mayor consumo eléctrico.
También hay osciloscopios digitales con pantalla de tecnología de transistor de película delgada, TFT (del inglés, Thin Film Transistor) y de tecnología de diodo orgánico emisor de luz, OLED(del inglés, Organic Light Emitting Diode), entre otras.
2. Sistema vertical
El sistema vertical del osciloscopio nos visualiza la tensión como una función del tiempo.
Se utiliza para escalar y posicionar la forma de onda a medir en el plano vertical con ayuda de las perillas de control «Voltios/División» y Posición, respectivamente.
3. Sistema horizontal
El sistema horizontal realiza dos funciones importantes, la primera es determinar cómo visualizamos la forma de onda ajustando la escala de tiempo para una mejor visualización y la segunda función es el muestreo de la señal.
Para escalar y posicionar la forma de onda en el plano horizontal usamos la perilla de control «División/Tiempo» y con la perilla POSICIÓN podemos desplazar la señal a la derecha o izquierda.
4. Frecuencia de muestreo
Es la segunda función del sistema horizontal. Consiste en digitalizar la señal de entrada a una frecuencia determinada en muestras por segundo y guardarlas en una memoria, como ya lo hemos analizado cuando vimos la tasa de muestreo.
5. Sistema de disparo
Este sistema de disparo (Trigger) está diseñado para estabilizar las señales en la pantalla del osciloscopio determinando el tiempo en que el instrumento dibuja la forma de onda en la misma.
Cuando la señal es repetitiva en el tiempo podemos ver la señal detenida en la pantalla activando la función AUTO del sistema de disparo o usando ajustes de disparo manuales con el borde ascendente o descendente de la señal hasta lograr que la señal permanezca fija en la pantalla.
La perilla denominada NIVEL (LEVEL) determina el nivel de voltaje de disparo para sincronizar la señal, girando esta perilla podemos tratar de estabilizar la señal que estamos midiendo. El nivel de disparo debe estar al interior de la señal que se mide para poder visualizarla correctamente, si se sale de la misma la señal se desplazará horizontalmente en la pantalla.
Generalmente utilizamos el trigger interno del osciloscopio, pero también se puede utilizar un disparador externo al mismo.
Cuando la señal de entrada no es periódica o repetitiva se deben controlar los ajustes del nivel de disparo para capturar estas señales. Es un tema importante para un artículo posterior de manejo del osciloscopio digital a nivel intermedio.
6. Las sondas
Son los componentes o dispositivos de entrada que conectan el circuito del cual se requiere analizar la señal eléctrica para ser visualizada en el osciloscopio. Poseen una punta o gancho para el contacto con la señal de entrada y un caimán o cocodrilo para asegurarse de tomar tierra del circuito bajo prueba.
La sonda se conecta al osciloscopio con un conector BNC (Ballonet Neill-Concelman) que evita reflexión y pérdida de calidad en las señales de alta frecuencia.
La sonda es muy importante ya que afecta directamente la señal y al circuito que está bajo prueba ya que se convierte en parte de él, así mismo impacta al osciloscopio en cuanto al resultado de la medición.
La sonda afecta al circuito bajo prueba ya que presenta efectos resistivos, capacitivos e inductivos.
El efecto resistivo afecta la amplitud de la señal a medir, por eso la resistencia eléctrica de la sonda debe ser alta, mayor a 1MΩ.
El efecto capacitivo afecta los tiempos de subida y de bajada de las señales y al ancho de banda ya que ejerce el efecto de filtro sobre la misma afectando a las altas frecuencias. La carga capacitiva debe ser la menor posible, no mayor de algunos pF. Para compensar esta capacidad, la sonda tiene un condensador de ajuste que minimiza la distorsión de la señal medida.
En la imagen inferior podemos apreciar el efecto que produce una sonda descompensada en la señal a medir, se ajusta el condensador variable hasta lograr ver la onda cuadrada de la mejor manera posible.
El efecto inductivo, del orden de 1 nH/mm, es producido por el cable de tierra que al entrar en resonancia con el efecto resistivo-capacitivo genera ruidos en la señal, por eso el cable del caimán de tierra debe ser lo más corto posible.
Las sondas generalmente tienen un interruptor que nos permite atenuar la señal 10 veces (10X) o no realizar ninguna atenuación (1X).
Pero debes tener presente que la mayoría de osciloscopios digitales tienen también un selector con diversos factores de atenuación, los más comunes son 1X, 10X, 100X y 1000X.
Existen varios tipos de sondas para osciloscopio. Las más comunes y básicas son las sondas pasivas.
Para mejorar la repuesta en frecuencia y elevar la impedancia de entrada se usan sondas activas. Este tipo de sondas son más costosas y requieren fuente de alimentación externa.
En algunos casos es necesario tener una sonda diferencial. Esta usa un amplificador diferencial para medir la diferencia de voltaje entre dos puntos en un circuito eléctrico; realiza medidas de alta precisión en entornos de alta interferencia o ruido eléctrico como en un sistema de control de motores o en redes de comunicación.
Existen también sondas diferenciales para alta tensión que permiten efectuar medidas con seguridad en canales con masas diferentes entre sí, ya que las masas de los canales del osciloscopio están unidas y conectadas a tierra del mismo.
La sonda diferencial, como la mostrada en la imagen inferior, nos permite también realizar medidas con el osciloscopio en la etapa caliente de las fuentes de alimentación conmutadas, ya que las mediciones en la etapa fría de la fuente se realizan con una sonda pasiva.
Finalmente, si necesitamos medir corriente eléctrica, debemos utilizar una sonda de corriente que transforma la señal de corriente en una salida proporcional de tensión para poder ver su forma en el osciloscopio. Existen diferentes tipos de sondas de corriente, por ejemplo las de transformadores de corriente o con transductores de corriente de efecto Hall.
¿Qué osciloscopio debo elegir para empezar?
Existen muchas marcas de fabricantes de osciloscopios, tales como Unit-T, Tektronix, Fluke, Rigol Technologies, Hantek, entre otros, cada uno con funcionalidades comunes y diferentes precios. A esta altura del artículo ya tendrás una idea del funcionamiento básico de un osciloscopio y las principales características que debes tener en cuenta
Veamos algunos atributos que debes verificar si deseas adquirir tu primer osciloscopio.
- Tipo de osciloscopio
En lo posible y si te alcanza el presupuesto debes adquirir un osciloscopio digital, si quieres empezar con un osciloscopio analógico económico, también es una buena opción.
- Conocer qué tipo de señales puedes encontrar en tu campo de trabajo
Debes saber si trabajarás con señales de baja, media o alta frecuencia.
¿Son señales repetitivas o no?
Si son señales pulsantes debes considerar el ancho de estos pulsos.
- Ancho de banda
Debe ser 5 veces mayor que la frecuencia máxima de la señal a medir.
- Número de canales
¿Necesitas ver dos o más señales al mismo tiempo? Generalmente con dos canales de entrada es suficiente para la mayoría de los casos. Pero debes considerar tu trabajo en particular.
- Profundidad de memoria
Con este término se relaciona la cantidad de memoria de un osciloscopio digital y la velocidad de muestreo. A mayor profundidad de memoria, mayor cantidad de información puede almacenar y mostrar en pantalla, lo cual es útil para analizar eventos de corta duración o señales complejas.
- Sonda
Sonda pasiva, económica y fácil de usar.
Sonda activa, ideales para alta frecuencia.
Sonda diferencial, amplio rango de frecuencia, manejo seguro y preciso de voltaje elevado o flotante.
- Funciones de análisis
Los osciloscopios digitales ofrecen una gran cantidad de ayudas como pruebas automáticas y funciones de análisis integradas que nos facilitan el trabajo y nos ahorran tiempo al realizar nuestras mediciones. Con un osciloscopio analógico los cálculos de tensión y frecuencia debían realizarse manualmente.
Funcionalidades como valores máximos, mínimos, promedios, suma, resta, multiplicación, integración o diferenciación, entre otras son de gran ayuda dependiendo de las necesidades del usuario.
- Comunicación
Un osciloscopio digital tiene la capacidad de enviar y recibir señales y datos a través de diferentes interfaces y protocolos de comunicación, los más utilizados son USB, Bluetooth, Wi-Fi y Ethernet.
La capacidad de comunicación del osciloscopio facilita el trabajo del aficionado o profesional en electrónica ya que se puede compartir y analizar datos fácilmente.
El osciloscopio digital tiene un software que le permite comunicarse con el ordenador para visualizar las imágenes en la pantalla del mismo y desde allí analizar las señales eléctricas.
La imagen inferior muestra la comunicación por software de un osciloscopio con un ordenador.
¿Cómo usar un osciloscopio?
Vamos a realizar una medición con un osciloscopio digital para que puedas entender los conceptos teóricos explicados a lo largo del artículo, lo expresado aquí corresponde al osciloscopio donde realicé las pruebas, en el tuyo seguramente cambien los nombres, pero los procesos a realizar serán muy parecidos.
Conocer nuestro osciloscopio
Vamos a utilizar un osciloscopio con las siguientes características.
- Tipo de osciloscopio: DSO
- Ancho de banda: 100 MHz
- Tasa de muestreo: 1 GS/s
- Pantalla : LCD a color 5,7 pulgadas
- Canales: 2
- Funciones: matemáticas, medidas automáticas, diferentes formas de disparo, entre otras.
- Comunicación: USB
- Sondas: 2 pasivas 1:1/10:1
Seguridad
Debemos tener en cuenta un aspecto importante cuando usamos un osciloscopio. La tierra (Ground) es el punto de referencia cuando realizamos mediciones de tensión y debemos asegurarnos de conectarla correctamente a la tierra del circuito que se esté midiendo, asegurando resultados precisos y confiables y evitando daños al osciloscopio o en los componentes del circuito bajo prueba.
Como muestra la imagen, la tierra del osciloscopio está en contacto directo con los conectores BNC de las sondas y con la clavija de alimentación del osciloscopio y también debe ir conectada a la tierra del equipo a ser analizado. El uso de una sonda diferencial es ideal cuando necesitamos trabajar en zonas de tierra caliente de fuentes de alimentación conmutadas.
Calibración automática del osciloscopio
Vamos a verificar el correcto funcionamiento del osciloscopio. Utilizaremos la calibración automática (self calibration) para volver a las condiciones de fábrica; debes leer en el manual de tu equipo cómo realizar esta calibración.
Para empezar dejamos calentar el osciloscopio unos 20 o 30 minutos, desconectamos cualquier sonda que tengamos conectada y presionamos el botón UTILITY, luego F1 y seleccionamos AUTO CAL Y EJECUTAR.
Se mostrará una barra de progreso mientras se realiza la auto calibración. Dependiendo del osciloscopio el proceso puede demorar varios minutos. En mi caso solo fueron tres minutos.
Algunos osciloscopios necesitan ser reiniciados (apagados y encendidos de nuevo). El proceso de calibración automática se puede realizar esporádicamente. Algunos técnicos lo hacen cada 8 o 15 días, también cuando las condiciones de temperatura ambiente hayan cambiado bastante o cuando las medidas del osciloscopio no sean lógicas de acuerdo a lo esperado.
Configuración de las sondas
Para ello utilizaremos una señal eléctrica de prueba que el instrumento trae y que nos sirve para verificar el correcto funcionamiento y precisión de nuestro equipo, también nos permite realizar el ajuste de compensación para nuestras sondas de prueba si es necesario. Para nuestro caso es una onda de 3 voltios con una frecuencia de 1000 Hz.
Para realizar la medida debemos atenuar nuestra sonda pasiva a 10:1.
Luego ajustamos la escala del osciloscopio también a 10:1. En mi caso presiono CH1 y luego F4, allí está la opción para cambiar la atenuación, selecciono 10X.
Colocamos la sonda en la terminal de prueba para la compensación de la sonda y verificación de la onda cuadrada de 3V y 1 KHz.
Afortunadamente el osciloscopio digital tiene un botón denominado AUTO que genera una escala vertical y horizontal que nos proporciona una imagen de la señal a medir que requiere pocos ajustes y además nos muestra en pantalla los ajustes generados.
Si la señal tiene deformaciones ajustamos el condensador de compensación hasta obtener una señal adecuada, repetimos el proceso con la segunda sonda y el segundo canal de nuestro osciloscopio.
La imagen superior nos muestra la señal de calibración generada internamente por el osciloscopio. La escala vertical del canal 1 está a 500mV por división y como ocupa seis divisiones, tiene una amplitud de 3 Voltios.
La base de tiempo horizontal está a 500µs y como ocupa 2 divisiones, tiene un periodo de 1000µs o 1ms.
Como sabemos la frecuencia es la inversa del periodo, por tanto es de 1000Hz.
Verificamos el canal 2 para comprobar la calibración de las sondas y el funcionamiento correcto del osciloscopio.
¿Cómo medir un circuito real con un osciloscopio?
Para nuestro ejemplo usaremos los siguientes materiales:
- Osciloscopio digital
- Tarjeta Arduino UNO
- Protoboard
- 1 LED de cualquier color
- 1 resistencia de 470 Ω
- Cables para realizar las conexiones
Vamos a visualizar con un osciloscopio digital la señal PWM de Arduino UNO. Usaremos para tal fin una de sus salidas habilitadas con esa funcionalidad. Disponemos de los pines 3, 5, 6, 9 10 y 11. En los pines 5 y 6 la salida es de 980 Hz en las demás 490 Hz.
Usaremos el pin 3 (490 Hz) para visualizar la señal con el osciloscopio.
Desde GND y con ayuda de un cable conectamos en la protoboard una resistencia de 470 Ω en serie al cátodo de LED y su ánodo con un cable al pin 3 de Arduino.
Usaremos un código sencillo para generar la onda PWM en el pin 3 de Arduino y controlar el brillo del LED.
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// Programa para visualizar la forma de onda PWM con la ayuda de un osciloscopio int LED = 3; // Salida PWM a utilizar con el LED. void setup() { pinMode(LED, OUTPUT); // Declaramos el LED (pin 3) como salida. } void loop() { analogWrite(LED, 128); // Encendemos el LED } |
Poco que decir del sketch, utilizamos el pin 3 como salida PWM y con la función analogWrite() encendemos el LED a la mitad del brillo máximo.
Repasemos un poco lo que hace la función analogWrite().
Esta función le indica al Arduino UNO cuál es el ancho del pulso que queremos enviarle por un pin determinado. Para esto contamos con 8 bits de resolución que nos ofrece un abanico de posibilidad de 0 a 255.
analogWrite(pin, valor)
Como parámetros tenemos a pin, que en nuestro caso será el pin 3 y valor donde podemos colocar valores desde 0, donde lograremos un ciclo de trabajo de 0% y un LED apagado, hasta 255 para un ciclo de trabajo del 100% y un brillo máximo en el LED. De esta forma podemos analizar con el osciloscopio la forma de la onda en el pin 3 para los diferentes ciclos de trabajo que programemos en el sketch.
Vamos a calcular algunos parámetros y a modificar el ciclo de trabajo (D).
- Calculemos la frecuencia en el pin 3 de Arduino Uno. Colocamos la escala vertical del osciloscopio en 200mV y la base de tiempo en 500µs. En el sketch la función analogWrite(3, 128) y así obtenemos un ciclo de trabajo de un 50%.
Ciclo de trabajo: 50%. La tensión en la carga aparece durante 1 ms.
Amplitud:
200mV x 2.5 = 500mV.
Recordemos que la sonda está atenuada 10X, por tanto tensión es de 5V.
Periodo:
500µs x 4 = 2000µs o 2ms.
Frecuencia:
1 / T = 500Hz.
- Coloquemos el ciclo de trabajo en un 25%, por tanto, la función analogWrite(3, 64). La configuración del osciloscopio será la misma, ya que la frecuencia no varía, variamos el porcentaje del ciclo de trabajo.
Ciclo de trabajo: 25%. La tensión en la carga aparece durante 0.5 ms.
- Vamos ahora con un ciclo de trabajo de 75%, la función analogWrite(3,192).
Ciclo de trabajo: 75%. La tensión en la carga aparece durante 1.5 ms.
Finalmente, creo que no te sorprenderás con la imagen inferior que representa un ciclo de trabajo de 0% (analogWrite(3, 0)), LED apagado y un ciclo de trabajo de 100% (analogWrite(3, 255)) LED a brillo máximo.
Conclusión sobre los osciloscopios
Como habrás podido ver el osciloscopio digital como instrumento de medición, es un excelente complemento en el taller o laboratorio de electrónica cuando un multímetro no es suficiente para determinar la causa de una avería en un circuito o deseamos conocer qué tipo de señales se están procesando en determinadas partes de un equipo electrónico, ya que nos permite ver las formas de onda de las señales eléctricas.
Con la debida práctica en el uso de este útil instrumento puedes obtener todos los beneficios y ayudas que nos brinda en el análisis para la solución de problemas relacionados con el funcionamiento de todo tipo de equipos electrónicos.
Espero que hayas aprendido algo interesante en torno al funcionamiento básico del osciloscopio digital con la lectura de este artículo y que esto te impulse a seguir adelante con el uso de los instrumentos de medida en electrónica.
Te agradezco por leer y hasta una próxima ocasión.
Gracias a Depositphotos por la cesión de las imágenes.
