TEMA 3 “OSCILOSCOPIOS”

1.- FUNCION Y TIPOS:

Su función es capturar y dar representación visual de una señal (tensión), para permitir su análisis en el dominio del tiempo.

Basado en el TRC, es un tubo de vacío con elementos de enfoque para producir un haz estrecho de electrones, que se enfoca en un blanco fosforescente al que se dota de un sistema dinámico para la deflexión del haz en las direcciones horizontal y vertical.

Los movimientos del haz en las direcciones X e Y son independientes uno del otro, el origen de coordenadas se suele situar en el centro.

Se pueden clasificar según varios criterios:

Según la frecuencia admisible:

• Baja frecuencia (hasta 10 Mhz)

• Alta frecuencia (hasta 500 Mhz)

• De muestreo (f > 1 Ghz)

Según el número de canales verticales:

• Un Canal

• Dos canales (Dos cañones de electrones ó un cañón con dos haces de electrones.

Tipos de Pantalla:

• Pasivas

• Activas

Otros instrumentos basados en TRC:

• Analizadores lógicos.

• Trazadores de Curvas.

• Analizadores de espectros.

2.- ESQUEMA DE BLOQUES

Un ORC esta constituido esencialmente por un TRC y los sistemas de deflexión vertical y horizontal.

El TRC genera electrones y los dirige a la pantalla, que está recubierta interiormente de material fosforescente, convierte la señal en imagen.

El sistema de deflexión vertical consiste en placas metálicas entre las que pasa el haz dichas placas se encuentran en el interior del tubo y modifican la dirección del haz verticalmente.

El sistema de deflexión horizontal constituido por dos placas en el interior del tubo, a estas se aplica la señal X o bien una tensión en rampa, este sistema consta de:

• Circuito de disparo (Trigger), que inicia el barrido en el mismo punto.

• Generador de barrido que produce una señal en diente de sierra.

• Amplificador horizontal que a partir de la anterior obtiene dos señales diente sierra, una hacia arriba y otra hacia abajo.

• Amplificador de puerta (o del eje Z) que suministra una tensión mientras se hace el barrido horizontal, suprimiendo el haz cuando vuelve hacia la izquierda una vez acabado el barrido.

4.- TUBO DE RAYOS CATÓDICOS

4.1 .-GENERACIÓN DEL HAZ:

La generación del haz es análoga a la de un triodo:

• Cátodo termoiónico: Emite electrones al ser calentado por un filamento.

• Regilla: Controla el ritmo de emisión de electrones.

• Anodo: Acelera los electrones y recoge los que surgen de la regilla

La intensidad de corriente del haz se pueden regular ajustando el potencial de la rejilla.

4.2.- ENFOQUE:

Crea un punto lo más pequeño posible en la pantalla. En los ORC se emplean electrodos para realizar lo que se denomina un enfoque electroestático.

El tamaño del punto sobre la pantalla se determina con el control FOCO.

4.3.- DEFLEXIÓN:

Basados en placas metálicas dispuestas en el interior del tubo. Hay dos placas para la deflexión horizontal y otras dos para la deflexión vertical. (Deflexión electroestática)

Para comparar los diversos TRC se emplea el “factor de deflexión”.

Las placas suelen estar inclinadas y en alta frecuencia se usan placas segmentadas.

Las placas verticales suelem estar más lejos de la pantalla que las del horizontal para trabajar a menor tensión.

4.4.- POSTACELERACIÓN:

El haz debe tener alta energía para tener un brillo adecuado, se acelera el haz entre las placas de deflexión y la pantalla, a base de aplicar una tensión positiva (hasta 20 Kv) a la pantalla respecto al ánodo.

En los tubos mono aceleradores, utilizados en bajas frecuencias, no hay campo de aceleración, el tubo en esta zona posee un recubrimiento conductor conectado al potencial del último ánodo (puesto a masa). Además sirve como apantallamiento electroestático frente a campos externos y permite obtener un campo eléctrico uniforme dentro del tubo.

4.5.- PANTALLA Y RETÍCULAS:

Recubierta de fósforo P-31 (interior) que convierte la energía en luz.

En el interior se deposita una fina capa de aluminio para anular la carga del fósforo.

5.- SISTEMA DE DEFLEXIÓN VERTICAL

Reproduce fielmente la señal de entrada, sin alterar ni la amplitud ni la frecuencia. Debe tener buena respuesta a pulsos rápidos.

5.1.- ESTRUCTURA:

• Selector:

AC: Se bloquea el paso de la corriente continua, para medir señales c.a.

GND: Entrada desconectada.

DC: Conexión al atenuador.

• Atenuador:

Determina la magnitud de la señal de entrada al Amplificador. Debe tener impedancia constante a todas las frecuencias, debe ser un atenuador compensado. Para compensar la atenuación debida a la inevitable capacidad de entrada del amplificador Ce se añade una impedancia externa Za.

Debido a la impedancia de entrada del amplificador es

La tensión presente a la entrada será

si Ra y Ca se eligen de forma que RaCa=ReCe entonces se cumple

Esta es una relación constante que no depende de la frecuencia.

• Amplificador de Deflexión:

Esta etapa tiene salida diferencial, aumentando así la linealidad de la deflexión y rechazandose las señales de interferencias en modo común. La adición de una tensión continua a la señal permite variar la posición vertical del trazo en la pantalla (control vertical). Compuesto por varias etapas con ganancia fija

5.2.- CANALES MÚLTIPLES:

Si en la pantalla se presentan dos o más canales se pueden hacer comparaciones entre ellos, medidas de tiempos relativos, etc. Debido a esto la mayoría de los ORC tienen varios canales.

• Situación ideal:

Dos canales de electrones o dos haces con placas de deflexión separadas, para poder presentar simultáneamente dos señales.

• Situación habitual:

Un solo haz con dos sistemas de preamplificación y atenuación en la deflexión vertical. Un conmutador permite que ambos canales usen el amplificador final de deflexión.

Puede hacerse de varias maneras:

Esquema de bloques de un osciloscopio de doble haz

• Modo alternate (ALT):

Frecuencias Altas se presenta un canal en cada barrido. Para medir desfases EXT. TRIG.

• Modo Chopper:

Frecuencias Bajas, trazado sucesivo de un fragmento de cada señal a lo largo del barrido.

6.- SISTEMAS DE DEFLEXIÓN HORIZONTAL

Su función es despñazar a velocidad constante (es decir, linealmente) el trazo, de izquierda a derecha.

6.1.-ESTRUCTURA:

• Generador de Barrido:

Produce señal en diente de sierra, desplaza el haz de izquierda a derecha y retorno, (int. Miller), se carga un condensador convirtiendo un escalón de entrada en una señal diente de sierra.

Una vez acabado el barrido, no conviene que se produzca otro antes de que el condensador del integrador se haya descargado completamente. Para ello al terminar el barrido se genera un pulso que dura hasta que haya terminado la descarga, en muchos ORC este tiempo (hold-off) se puede hacer variable para obtener images estables en situaciones complejas.

• Circuito de disparo:

A partir de la señal de disparo (int. Ó ext) obtiene un impulso que inicia finalmente al integrador Miller sincronizando así barrido y señal a observar, controla el amplificador de puerta.

Si este circuito no existiera solo habría una representación estable cuando la duración de la rampa más el tiempo de retención fuera un submúltiplo de la señal a representar.

La fuente de disparo puede ser exterior o interior

EXT: Disparo independiente de controles verticales.

INT: Afectada por selector de entrada y atenuador.

RED: Interferencias.

El selector de disparo determina el modo de acoplamiento de la señal de disparo (continua o alterna) y la pendiente elegida (ascendente o descendente).

El control de nivel de disparo permite seleccionar el punto de inicio del barrido.

Modo de disparo:

Normal: Punto de disparo determinado por nivel, no hay disparo hasta que se alcanza este.

Autotrigger: Barridos sucesivos automaticamente.

Single: después de un barrido no se produce otro hasta pulsar RESET.

• Amplificadores de Deflexión Horizontales:

Se encarga de proporcionar señal diferencial a las placas de deflexión, amplitud adecuada y forma determinada por la base de tiempos.

Una variación en la ganancia de este amplificador permite tener una expansión de la señal en la dirección horizontal.

En el modo X-Y el canal X tiene las mismas características que el canal Y.

• Base de tiempos Dobles:

Para facilitar el análisis de la señal hay dos bases de tiempos, una es principal y la otra retardada.

La principal es normal, la retardada empieza el barrido cierto tiempo después (delay).

La velocidad de disparo de la retardada es mayor que la de la principal amplificandose la señal visualizada.

Se puede ver en pantalla:

• La ofrecida por el barrido retardado (Delay Sweep)

• La obtenida por el barrido doble; barrido principal y retardado.

• La obtenida por el barrido mixto (Mixed).

7.- OSCILOSCOPIOS ESPECIALES

7.1.- OSCILOSCOPIOS DE MEMORIA ANALÓGICA:

Presenta la señal aun después de haber ocurrido, quedando retenida un tiempo. Emplean TRC especiales, pueden funcionar como uno normal.

APLICACIONES:

- Presentación de señales lentas.

- Captura de señales rápidas no repetitivas.

- Comparación de dos señales no simultaneas.

• Tipos:

Memoria Biestable:

Un cañón de escritura, dos cañones de iluminación. Un único blanco para ambos sistemas de cañones de fósforo dopado, este esta compuesto por partículas de fósforo dispersas situado sobre una placa metálica conductora transparente que actúa como electrodo de control. Estos osciloscopios solo pueden funcionar memorizando o no, pero sin admitir tonos intermedios. Los haces de iluminación funcionan continuamente, y el electrodo de control se fija a potencial alto, así una vez finalizado el barrido, las zonas escritas atraen electrones de los haces de iluminación, reproduciendo nuevamente la imagen. El borrado se realiza reduciendo el potencial del electrodo de control y mantenimiento suprimido el haz de escritura. Algunos modelos llevan electrodos de control en dos mitades independientes, que corresponden con la parte superior y la parte inferior de la pantalla.

De Persistencia Variable:

Se retiene la imagen durante el tiempo que se desee y con un brillo seleccionable. Posee dos sistemas de cañones pero tiene dos blancos, la pantalla de Fósforo normal y una malla recubierta con un dieléctrico, que actúa como superficie de memorización entre ambas existe una malla colectora. El brillo puede variarse aplicando trenes de pulsos a la regilla de aceleración del cañón de memorización, pero a mayor brillo menor tiempo de memorización. La persistencia variable se logra aplicando trenes de pulsos, de anchura o frecuencia ajustable. El borrado se realiza pulsando un control que pone a la malla de memorización al potencial del colector.

De Transferencia de Carga (o transferencia rápida):

Tiene dos mallas de memoria y dos superficies de memoria. Una posee una alta velocidad de escritura, la otra tiene buen aislamiento y por tanto buena memoria. Normalmente la optimización de uno de estos supone el empeoramiento del otro. Posee una alta velocidad de escritura y buena memoria.

De Expansión de Memoria:

El blanco de memoria es solo de 1 cm2, de modo que da escritura rápidamente, posee un sistema de lentes que proyectan la imagen memorizando sobre la pantalla complicándolo.

7.2.- OSCILOSCOPIOS DIGITALES:

Existen dos tipos de osciloscopios que realizan alguna clase de conversión A/D de las señales a estudiar.

• Tipos:

- Presentación digital de alguna medida realizada sobre la señal.

- Memorización digital de la forma de onda completa.

Hay modelos que incorporan ambas cualidades.

Presentación Digital:

Facilitan el análisis de señales, aumentando la exactitud y velocidad de la medida. Suelen medir intervalos de tiempos, frecuencia y tensión. Tienen base de tiempos con doble retardo. El barrido están rápido que en pantalla aparecen a la vez el punto inicial (start) y el final (stop). El ajuste fino se hace con un potenciómetro multivuelta o con la tensión de salida de un convertidor D/A. Se puede medir la diferencia de tensión entre START y STOP, calcular la frecuencia (1/T). Las medidas de tiempo son más exactas.

Memoria Digital:

Se digitaliza la señal que se desea visualizar en la pantalla. EL medio de memorización son componentes de estado sólido, la vida de estos es lo único que limita el tiempo de memorización.

Ventajas:

Presentación:

Permiten ver la señal precedente al disparo.

Posee Zoon.

Barrido a velocidad lenta imitando un registrador de papel continuo (roll mode).

Análisis:

Mayor resolución.

Transmisión de información digitalizada.

Procesado digital inmediato.

Inconvenientes:

Menor ancho de banda. No es constante viene determinado por la derivación del barrido.

7.3.- OSCILOSCOPIOS DE MUESTREO:

Función similar a la de un esteboscopio, se muestra la amplitud de la señal a representar y se “sintetiza” la señal que se presenta a base de trazar muchos puntos de la misma. Su necesidad surge a alta frecuencia ya que las capacidades parásitas absorben mucha energía. Los osciloscopios de muestreo no tienen diferencias en el tubo, sino sólo en la base de tiempos y el amplificador vertical.

8.- SONDAS PARA ORC

Estas se elegirán según el tipo de medida a realizar.

8.1.- SONDAS DE TENSIÓN PASIVAS:

Conexión al ORC mediante un cable coaxial de capacidad Cc, la tensión de entrada para continua

y en alterna:

La atenuación en continua es constante, en alterna la atenuación depende de la frecuencia pues Ze varia con esta.

Hay que medir en un punto que Rs sea muy baja, pues si no se carga al circuito cometiéndose un error de medida.

La alternativa de usar un par de hilos separados (con menor capacidad que el cable coaxial) pero tiene o sufre mayores interferencias al no estar apantallado.

Con una sonda divisora de tensión se obtiene mayor resistencia de entrada y menor capacidad paralelo que el ORC solo, sin aumentar las interferencias a costa de una atenuación extra.

Sonda divisora compensada

Con esta sonda se consigue mayor resistencia de entrada y menor capacidad paralelo que con el osciloscopio solo, sin aumentar las interferencias a costa de una atenuación adicional en la señal. Esta sonda se ajusta mediante un condensador, para el ajuste se emplea la señal de calibración “ajuste de sonda” del osciloscopio la cual es una onda cuadrada de 1 Khz.

8.2.- SONDAS DE TENSIÓN ACTIVAS:

Las sondas pasivas sólo logran reducir su capacidad de entrada a base de pérdida de sensibilidad, en cambio las activas presentan alta impedancia a frecuencias altas y alta sensibilidad. Tienen un amplificador FET interno, en la punta de la sonda (antes del cable), alimentado desde el osciloscopio, y con ganancia 1.Se emplea para medir a frecuencias superiores a 250 Mhz.

8.3.- SONDAS DE CORRIENTE:

La medida de corrientes con un ORC se realiza haciendo pasar esta por una resistencia y midiendo la cdt, necesitándose insertar en el circuito una resistencia, se dispone entonces de unas sondas que abrazan (pinzas) al conductor por donde circula la corriente a medir, estas suponen muy poca carga (<1pf).

• Tipo Transformador:

El conductor actúa como primario de un transformador cuyo núcleo (de ferrita) es la cabeza de la sonda, donde va devanado el secundario, solo puede medir corrientes alternas.

• Basada en el Efecto Hall:

Un elemento Hall detecta el campo magnético creado por la corriente a medir, se puede aplicar a corrientes alternas y continuas.