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El osciloscopio, que es y para que sirve.

Algunos de los que leáis esto quizás no tengáis muy clara la utilidad de un osciloscopio, o conozcáis solamente alguna de sus aplicaciones. ¿Qué es un osciloscopio, ¿qué se puede hacer con él y cómo funciona? Este articulo responde a estas cuestiones fundamentales.

El osciloscopio es básicamente un dispositivo gráfico de visualización que dibuja un gráfico de una señal eléctrica. En la mayoría de aplicaciones el gráfico muestra cómo las señales cambian con el tiempo : el eje vertical ( Y) representa la tensión y el eje horizontal ( X ) representa el tiempo. Este sencillo gráfico puede decir muchas cosas acerca de una señal. Éstos son algunos de los datos que se pueden obtener observándolo :

  • Determinar los valores de tiempo y voltaje de una señal.
  • Calcular la frecuencia de una señal oscilante .
  • Saber si un componente tiene un mal funcionamiento o está distorsionando la señal.
  • Averiguar que parte de una señal es de corriente continua ( DC ) o corriente alterna ( AC ).
  • La proporción de la señal de ruido y si el ruido está cambiando con el tiempo.

 

 

Componentes forma de onda

X, Y, las componentes de la forma de onda.

 

Un osciloscopio clásico se parece mucho a un pequeño aparato de televisión, excepto que tiene una cuadrícula dibujada en su pantalla y más controles. El panel frontal de un osciloscopio normalmente tiene varias secciones de control divididas principalmente en vertical, horizontal y disparo.

 

En las imágenes a continuación se pueden comparar los controles de los osciloscopios clásicos y su equivalente en el software de un osciloscopio USB.

Osciloscopio analogico

Frontal de osciloscopio analogico Hameg HM203

 

Osciloscopio digital

Frontal de osciloscopio digital Hantek DS05102B

Actualmente existen ademas los llamados osciloscopios virtuales, también conocidos como osciloscopios USB, que en si mismos no disponen de pantalla por que están pensados para ser conectados a un ordenador para visualizar las formas de onda a través de la pantalla del mismo. El principio de funcionamiento de estos osciloscopios es similar a los clásicos de banco y disponen en su software de controles equivalentes.

 

Aplicaciones de los osciloscopios

Los osciloscopios son utilizados en multitud de campos, son por supuesto herramientas indispensables para cualquier diseño o la reparación de equipos electrónicos, pero su utilidad no se limita al mundo de la electrónica. Con el transductor adecuado, puede medir todo tipo de fenómenos.

 

Un transductor es un dispositivo que crea una señal eléctrica en respuesta a estímulos físicos, tales como el sonido, la tensión mecánica, presión, luz, o calor. Por ejemplo, un micrófono es un transductor.

Un ingeniero automotriz lo puede utilizar para medir las vibraciones del motor, visualizar formas de onda generadas durante el arranque o durante la ignición, analizar el intercambio de datos del bus CAN o LIN muy empleado en este campo, verificar señales en sensores, y infinidad de medidas mas.

 

Un investigador médico utiliza un osciloscopio para medir las ondas cerebrales, constantes vitales etc. Las posibilidades son infinitas.

 

Analogicos y digitales

Los osciloscopios clásicos pueden dividirse en dos tipos: analógicos y digitales. Si bien los modelos analógicos son ya poco comunes comentamos brevemente las diferencias respecto a un equipo digital.

 

El equipo analógico funciona con voltajes de variación continua, mientras que el equipo digital trabaja con números binarios discretos que pueden representar las muestras de tensión. Por ejemplo, un tocadiscos convencional es un dispositivo analógico, un reproductor de discos compactos es un dispositivo digital.

Un osciloscopio analógico funciona aplicando directamente una tensión que se mide a un haz de electrones moviéndose a través de la pantalla. La tensión desvía el haz hacia arriba y abajo proporcionalmente, trazando la forma de onda en la pantalla. Esto da una idea inmediata de la forma de onda.

En contraste, un osciloscopio digital muestrea la forma de onda y utiliza un convertidor (o ADC) de analógico a digital para convertir el voltaje que se mide en información digital. A continuación, utiliza esta información digital para reconstruir la forma de onda en la pantalla.

Dentro de los osciloscopios digitales se pueden englobar los osciloscopios virtuales o USB, cuya característica principal es que no disponen pantalla propia y funcionan conectados a un PC a través del puerto USB. El funcionamiento de los osciloscopios USB se puede asimilar al de los osciloscopios digitales, la unica diferencia reside en la forma de visualizar las señales, que en vez un una pantalla propia del dispositivo se hace en la del ordenador al que esta conectado.

Como funciona un osciloscopio?

Algunos de los sistemas que componen osciloscopios digitales son los mismos que los de los osciloscopios analógicos , sin embargo , los osciloscopios digitales contienen sistemas de procesamiento de datos adicionales. (Ver Imagen ) Con los sistemas añadidos , el osciloscopio digital, recopila datos para toda la forma de onda y luego lo muestra.

Cuando se conecta una sonda de osciloscopio digital a un circuito, el sistema vertical ajusta la amplitud de la señal , al igual que en el osciloscopio analógico.

A continuación, el convertidor analógico a digital ( ADC ) en las muestras del sistema de adquisición de la señal en puntos discretos en el tiempo y convierte el voltaje de la señal en estos puntos en valores digitales llamados puntos de muestra . El reloj de muestra del sistema horizontal determina la frecuencia con el ADC toma una muestra . La velocidad a la que el reloj hace " tic " se llama la frecuencia de muestreo y se mide en muestras por segundo.

Los puntos de muestra desde el ADC se almacenan en la memoria como puntos de forma de onda . Más de un punto de muestreo puede constituir un punto de forma de onda .
En conjunto, los puntos de forma de onda constituyen un registro de forma de onda . El número de puntos de forma de onda que se utilizan para hacer un registro de forma de onda se llama la longitud del registro . El sistema de disparo determina los puntos de inicio y del registro. La pantalla recibe estos puntos de registro después de ser almacenados en la memoria.

Dependiendo de las capacidades del osciloscopio , un procesamiento adicional de los puntos de muestreo puede tener lugar. También puede haber predisparo puede estar disponible, lo que permite ver los eventos antes del punto de disparo.

 

 


Diagrama de bloques de funcionamiento de un osciloscopio digital

Fundamentalmente, es necesario ajustar los parámetros verticales, horizontales y de disparo para tomar una medición.

Metodos de muestreo

El método de muestreo indica al osciloscopio digital la manera de recoger los puntos de muestreo. Para señales lentas, un osciloscopio digital acumula fácilmente más de suficientes puntos de muestreo para construir una imagen precisa. Sin embargo, para las señales más rápidas, (la rapidez depende de la frecuencia de muestreo máxima) llega un momento que no se pueden recoger suficientes muestras. Para solventar esto pueden hacerse dos cosas:
Se puede recoger un par de puntos de muestreo de la señal en una sola pasada (en el modo de muestreo en tiempo real) y luego utilizar la interpolación. La interpolación es una técnica de procesamiento para estimar lo que la forma de onda se parece basado en unos pocos puntos.
Se puede construir una imagen de la forma de onda en el tiempo, siempre y cuando la señal se repite (modo de muestreo en tiempo equivalente).

 

Muestreo en tiempo real con interpolación

Los osciloscopios digitales utilizan muestreo en tiempo real como el método de muestreo estándar. En el muestreo en tiempo real, se recogen tantas muestras como se puede, como se produce la señal. (Ver Imagen) Para señales de disparo único o transitorios debe utilizar de muestreo en tiempo real.

 

Muestreo tiempo real

Muestreo en tiempo real

Se emplea la interpolación para visualizar señales que son tan rápidos que el osciloscopio sólo puede recoger un par de puntos de muestreo. La interpolación "conecta los puntos".
La interpolación lineal simplemente conecta los puntos de muestreo con líneas rectas. Interpolación sinusoidal (o sin x largo x interpolación) conecta los puntos de muestreo con curvas. (Véase la Imagen.) Sen x sobre x interpolación es un proceso matemático similar a la "sobremuestreo" se usan en reproductores de discos compactos. En la interpolación seno, se calculan los puntos para llenar el tiempo entre las muestras reales. Utilizando este proceso, una señal de que se toman muestras sólo un par de veces en cada ciclo se puede mostrar con precisión.


Muestreo tiempo real vs interpolación

 

Interpolación lineal vs senoidal

Muestreo en tiempo equivalente

Algunos osciloscopios pueden utilizar el muestreo en tiempo equivalente a captar muy rápido repetir señales. En el muestreo en tiempo equivalente se construye una imagen de una señal repetitiva, capturando un poco de información de cada repetición. (Ver Imagen). La forma de onda poco a poco van formando como una cadena de luces pasando uno por uno. Con el muestreo secuencial de los puntos aparecen de izquierda a derecha en la secuencia; con al azar el muestreo de los puntos aparecen al azar a lo largo de la forma de onda.

 

 

Muestreo tiempo equivalente


Muestreo en tiempo equivalente