osciloscopio 1 usm

8/16/2019 Osciloscopio 1 Usm

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Departamento de ElectronicaLaboratorio de Electronica Analoga y Digital

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Parte IEl Osciloscopio. [1]

1. El Tubo de Rayos Catodicos.

La unidad basica de representacion visual de un osciloscopio es el tubo de rayoscatodicos (TRC). Este tubo puede considerarse como una botella cuyo extremo planoesta recubierto interiormente de una capa luminoscente . Cuando esta capa es sometidaal choque de electrones, la energıa cinetica de los mismos se transforma en energıaluminosa, dando lugar a un punto luminoso en la pantalla.

El cuello de esta botella contiene al canon emisor de electrones los cuales son emitidosmediante el calentamiento de un catodo recubierto con sulfato de bario.

Figura 1: Tubo de Rayos Catodicos y placas de Deflexion.

Con lo anterior se ha logrado obtener un punto luminoso en la pantalla.Correspondeanalizar ahora los mecanismos de deflexion vertical y horizontal que permitan desplazarel punto por la pantalla.

Para lograr lo anterior, se disponen dos pares de placas de deflexi on: las placas dedeflexion horizontal, y las placas de deflexion vertical como se muestra en la parte de la

derecha de la Figura 1.En ausencia de voltaje aplicado a las placas de deflexion, el haz de electrones incide

sobre el punto central de la pantalla. Si se aplica un voltaje positivo a las placas dedeflexion vertical, el haz se deflecta hacia arriba. En consecuencia, tambien el punto lu-minoso se desplaza en este sentido en la pantalla. De modo similar tambien se manifiestala aplicacion de un potencial sobre las placas de deflexion horizontal.

Si bien este apunte esta ideado de forma que explique cualquier osciloscopio, laFigura 2 muestra un osciloscopio Tektronix 2261, el cual se tomara como ejemplopara desarrollar el presente documento.

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Figura 2: Osciloscopio Tektronix 2261.

En la Figura 3 se muestra el panel frontal del osciloscopio con todos los controlescorrespondientes.

Figura 3: Panel frontal del osciloscopio Tektronix 2261.

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2. Formas de RepresentacionA continuacion se entregaran algunas representaciones posibles de establecer con el

sistema desarrollado hasta este momento. Para la representacion de un punto i en lapantalla se han considerado los valores instantaneos correspondientes al tiempo ti queasumen ambas variables x(ti) e y(ti), donde x(ti) e y(ti) son la posicion instantanea delpunto luminoso en la coordenada x e y respectivamente.

2.1. Modo XY

Al seleccionar el Modo XY en el osciloscopio, la posicion del punto luminosos en lacoordenada x e y sera comandada por el voltaje instantaneo de la senal ingresada por

el canal A y por el canal B respectivamente. La figura 4 muestra las entrada para losrespectivos canales.

Figura 4: Entradas para los canales A (X) y B (Y).

En la Figura 5 se presentan las denominadas Figuras de Lissajous para distintascombinaciones de senales de entrada, que corresponden a las figuras que se puedenobtener utilizando el osciloscopio en modo XY.

Figura 5: Modo XY para distintas combinaciones de frecuencias (ωi) y desfase (ϕ).

Tambien en este modo de visualizacion es posible observar la denominada Carac-

terıstica de punto motriz de un elemento, que corresponde a la representacion de lacorriente en funcion del voltaje de entrada para un determinado elemento1.

1En la Figura 6 se muestra la CPM para un diodo

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Figura 6: Caracterıstica de punto motriz para un diodo.

Por ultimo, se destaca que tambien es posible graficar la Caracterıstica de Trans-

ferencia de una red de dos puertas , en que ambas puertas tienen un terminal comun.La caracterıstica de transferencia es, en esencia, la relacion voltaje de excitacion versusvoltaje de respuesta.

2.2. Modo Y (t)

La aplicacion principal de un osciloscopio no consiste en representar la relacion

existente entre dos variables, sino mas bien el de representar estas variables en funciondel tiempo. Cuando se aplica una rampa de voltaje a la entrada X y una senal sinusoidala la entrada Y de un osciloscopio, en pantalla aparecera la forma de onda de la senal Y . Sise repite continuamente en el tiempo esta rampa entre los valores que producen m aximadeflexion horizontal (aplicacion de un diente de sierra), la senal que aparecera en pantallasera la imagen exacta de la senal Y , siempre y cuando la rampa generada comience parainstantes en que la senal Y tenga igual nivel y pendiente.

Figura 7: Representacion Temporal de una sinusoide.

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Figura 8: Representacion Temporal de una sinusoide con rampa mas rapida.

Se denomina base de tiempo al control que se ejerce sobre la velocidad de repeticiondel diente de sierra de voltaje aplicado la entrada X .

En principio esta representacion deberıa denominarse Y (t), sin embargo, suele em-plearse a menudo el termino de representacion X (t).

2.3. Eje Z

Se conoce bajo este concepto la posibilidad de controlar la intensidad del haz deelectrones mediante un voltaje externo. Tiene aplicaciones especıfica pero a la vez im-portantes. La Figura 9 muestra la entrada para este eje ubicado en la parte posteriordel equipo.

Figura 9: Eje Z para el osciloscopio Tektronix 2261.

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3. Modos de despliegue en pantalla.Hay aplicaciones para las cuales serıa conveniente tener en la pantalla de un oscilo-

scopio la representacion de dos o mas senales. Por ejemplo, la medicion de retardos detiempo entre dos senales de pulsos como tambien poder representar con mayor facilidadla relacion existente entre los voltajes de excitacion y respuesta de un sistema.

El metodo mas directo para lograr la representacion de dos senales consiste en haceruso de dos haces electronicos con canones electronicos y placas de deflexion verticaly horizontal diferentes. Esta configuracion presenta problemas de deformacion de lassenales representadas ya que es fısicamente imposible ubicar ambos canones electronicossobre la lınea de los ejes vertical y horizontal de la pantalla.

Una solucion que se encontro frente a la dificultad antes mencionada consistio en eldiseno de un TRC con un canon electronico cuyo haz electronico se divide para deflec-tado independientemente en sentido vertical y conjuntamente en sentido horizontal.

Debido a que es necesario igualar cuidadosamente los sistemas de amplificacion yloss sistemas de deflexion verticales con respecto a sus caracterısticas de fase y fre-cuencia sobre todo el ancho de banda del osciloscopio, no se suelen encontrar muchososciloscopios que operen en base a este principio a frecuencias superiores de 10[MHz].

Dada la dificultad de construir tubos de doble haz/doble sistema de deflexion, elmetodo mas utilizado es el de disponer un conmutador electronico que nos presente, deforma secuencial, ambas senales. Segun la frecuencia de estas senales existen dos modosde trabajo: modo alternado y modo troceado.

3.1. Modo Alternado

En el modo alternado el generador de barrido horizontal produce, despues de cadadiente de sierra, una senal de mando que conecta - alternativamente - la entrada delconmutador a cada una de las senales. Si la velocidad de barrido es suficientementeelevada, la persistencia del fosforo de la pantalla nos garantizara una imagen continua,sin desvanecimiento de su intensidad entre cada dos barridos. Si la velocidad de barridoes lento este metodo ya no es valido, dado que ambas traza apareceran y desaparecerande la pantalla alternativamente.

3.2. Modo Troceado (Chop Mode)

Para evitar el inconveniente anteriormente mencionado, se utiliza el modo troceado,que consiste en tomar muestras de una y otra senal a una frecuencia superior a lafrecuencia de la senal bajo medida. Teoricamente esta frecuencia de muestreo debera seral menos 10 veces superior a la frecuencia de la senal.

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3.3. Modo Diferencial.Los osciloscopios de dos canales tienen generalmente la posibilidad adicional de rep-

resentar la suma de las senales aplicadas a las entradas de deflexion vertical correspon-dientes. Esto puede ser util a veces, pero el funcionamiento que resulta especialmenteinteresante es el de modo diferencial. Usualmente se consigue esto colocando el selectorde modo en posicion suma y operando simultaneamente sobre un selector que inviertauno de los dos canales.

La principal utilidad de este tipo de medicion corresponde a poder medir un voltajede un elemento sin necesidad de referirlo a tierra. Cuando se trata de un elementodinamico(inductor o condensador) puede ser difıcil establecer imaginariamente la formade onda de la diferencia entre sus terminales, siendo en este caso muy conveniente una

medicion en modo diferencial.

La Figura 10 muestra los controles en el osciloscopio que permiten seleccionar elmodo de funcionamiento. CH1 y CH2 producen el despliegue en pantalla unicamentedel Canal 1 o el Canal 2 respectivamente. Tambien se encuentran los botones para elModo Alternado (ALT) y para el modo Troceado (CHOP). Por ultimo, el controlADD produce la suma de las senales de cada canal, y el ultimo control de la derechapermite invertir la senal del canal 2 y de esta forma lograr el Modo Diferencial.

Figura 10: Controles para el modo de funcionamiento.

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4. El sincronismo.4.1. Sincronizacion

En las Figuras 7 y 8 se ha supuesto que la frecuencia de repeticion del diente de sierraera un multiplo entero de la frecuencia de la senal. Sin embargo, esto no siempre ocurre,por lo cual facilmente puede suceder que la senal a observar se vea “desplazandose” enla pantalla.

Si se desea representar una senal reconocible en la pantalla, pudiendo al mismotiempo variar la base de tiempo, es necesario que el generados de diente de sierraque realiza la deflexion horizontal espere a que la senal aplicada a la entrada Y pasepor una misma condicion. Esta condicion puede definirse por un nivel de voltaje y la

condicion de que sea sobrepasado(nivel y pendiente positiva), o bien, por un nivel devoltaje determinado y pendiente negativa. En otras palabras, la rampa de voltaje debecomenzar siempre cuando la senal que se desee visualizar este en la misma condicion(se asume una senal periodica).

Ası se tiene que el “Level” corresponde al nivel de voltaje(Positivo o negativo)que dispara la rampa de voltaje y “Slope” corresponde a la pendiente para el dis-paro(Positiva o negativa).

La Figura 11 muestra los controles de pendiente, de nivel, el control de la base detiempo, la fuente de trigger y el acoplamiento.

Figura 11: Control horizontal del osciloscopio.

La necesidad de poder seleccionar una fuente de sincronismo externa se impone, aveces, debido a que las senales que se desean visualizar son complejas y no siempre se

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puede seleccionar la base de tiempo adecuada. Si se dispone de una senal de sincronismoadicional es posible hacer uso de esta a objeto de representar la senal deseada con labase de tiempo conveniente.

4.2. Seleccion de la Fuente de Sincronismo.

En este caso no basta con seleccionar si la fuente de sincronismo ha de ser externa-es decir, a traves de una entrada de sincronismo adicional- o interna. En el ultimo modose requiere especificar adicionalmente si la fuente de sincronismo se deriva de uno o delotro canal. En la Figura 12 se muestran los controles respectivos.

Figura 12: Controles para la seleccion de la fuente de sincronismo.

4.3. Seleccion del tipo de acoplamiento a la senal de sincronismo (Cou-pling)

Mediante el selector mostrado en la Figura 13 es posible escoger la forma de llevarla senal que sirve de fuente de sincronismo al circuito de sincronismo (llamado, a veces,circuito de disparo del barrido horizontal). Los modos son:

a) AC: En este modo se quita el nivel continuo de la se nal.

b) DC: En este modo, la senal ingresa sin cambios para el sincronismo.

c) NORM: es el modo de acoplamiento normal

d) TV: es un modo que se utiliza para poder sincronizar las se nales de Television.

Figura 13: Controles para la seleccion del acoplamiento de la fuente de sincronismo.

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4.4. Seleccion del nivel de sincronismo y pendiente (Level y Slope):La Figura 14 muestra los controles para seleccionar el nivel y la pendiente del sin-

cronismo en el osciloscopio Tektronix 2261.

Figura 14: Controles para la seleccion del nivel y pendiente.

4.5. Seleccion del modo de sincronismo

Se conocen los siguientes modos:

a) Modo de sincronismo automatico(AUTO).

La base de tiempos interna genera la senal de barrido horizontal automaticamente enausencia de senal de sincronismo. En presencia de senal de sincronismo, en cambio,el barrido sera sincronico de acuerdo a la fuente, el nivel y pendiente de sincronismoescogidos.

La falta de senal de sincronismo puede deberse a que:

no se escogio adecuadamente la fuente de sincronismo,

el nivel de sincronismo seleccionado no esta dentro del rango de la variacion dela amplitud de la senal que es fuente de sincronismo.

b) Modo de sincronismo normal(NORM).

En ausencia de senal de sincronismo no hay barrido horizontal. En otras palabras, eneste modo la rampa de voltaje que produce la deflexion horizontal del punto luminosoen pantalla solo se dispara cuando recibe la senal de disparo desde el circuito desincronismo.

c) Modo de sincronismo que produce un barrido unico(SGL).

Este modo es similar al anterior, con la diferencia que solo se dispara la rampa dedeflexion horizontal con el primer pulso de sincronismo que proporciona el circuitode disparo. Solo mediante la accion de un interruptor RESET el sistema queda encondiciones de dispararse nuevamente.

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Los controles se muestran en la Figura 15

Figura 15: Controles para la seleccion del modo de sincronismo.

5. Bibliografıa

Referencias

[1] Walter Grote, “OSCILOSCOPIOS”, Departamento de Electr´ onica, UTFSM

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