Osciloscopio

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El Osciloscopio, también conocido con el nombre Oscilógrafo, es un instrumento de medición de gran complejidad, utilizado en el campo de la electrónica y es una de las herramientas más importantes para analizar las señales eléctricas en diferentes campos de trabajo. Este instrumento muestra la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo.

El osciloscopio representa una gráfica de amplitud en el eje vertical (Y) y tiempo en el eje horizontal (X). Con frecuencia se complementa con un multímetro, una fuente de alimentación y un generador de funciones o arbitrario. En electrónica de señal y debido al uso de equipos con tecnologías como WiFi o Bluetooth, también se trabaja junto a un analizador de espectro.

Con este instrumento se pueden visualizar formas de ondas en circuitos eléctricos y electrónicos, así como fenómenos transitorios. El profesional que lo utiliza realiza el análisis de las ondas encontradas en los distintos puntos de los circuitos y puede diagnosticar el problema de funcionamiento.

La Evolución Histórica del Osciloscopio

La historia del osciloscopio empezó en el año 1893 gracias al ingeniero y físico francés André Blondel. Este inventor hizo con sus propias manos lo que según la ciencia, es el primer osciloscopio electromagnético con suspensión bifilar. Este aparato permitía registrar en una cinta de papel los valores eléctricos con ayuda de un péndulo con tinta, conectado a la bobina.

El problema era que los primeros osciloscopios no generaban resultados muy exactos, esto se debía a que en el procedimiento se utilizaban varios elementos mecánicos al mismo tiempo, además el ancho de banda era entre 10 y 19 kHz en el diapasón.

Pero todo evolucionó hasta los osciloscopios de hoy día, cuando en 1897 el físico alemán Karl Ferdinand Braun experimentó con un tubo de rayos catódicos, modificándolo de tal manera que el campo magnético creado por una corriente variable, hacía que el punto de fluorescencia verde formado por las partículas se desplazara.

El nombre de osciloscopio surgió porque Braun utilizó una pantalla con un revestimiento de fósforo cargada eléctricamente, que al aplicarle una señal en movimiento, el punto verde mostraba las oscilaciones del campo. Este experimento del alemán marcó el inicio de una nueva era, pues fue el antecedente de la pantalla de televisión.

Al culminar la II Guerra mundial el desarrollo llegó a muchas áreas, entre ellas a la mejora significativa de los instrumentos de medición. Los osciloscopios empezaron a mejorarse principalmente en Europa y América. Fue así como los ingenieros Howard Vollum y Melvin Murdock fundaron Tektronix en 1946, esta compañía se convirtió en líder mundial en oscilografía.

Tras algunos avances alcanzados por Vollum y Murdock, aproximadamente a partir de 1950 se empezaron a fabricar osciloscopios en todos los países desarrollados, convirtiéndolos en un instrumento de medición universal. El crecimiento rápido de la precisión y la banda pasante formó parte del proceso de fabricación de los primeros modelos industriales.

A partir de los ochentas la fabricación de osciloscopios avanzó rápidamente. El año clave para el desarrollo de la oscilografía fue 1985, cuando se crearon los primeros equipos digitales. Justo entonces, un equipo encabezado por el ingeniero Walter LeCroy, dio inicio al proceso de desarrollo de un osciloscopio de almacenamiento digital.

Desde entonces y hasta ahora la investigación, tecnificación, especialización y producción de osciloscopios se ha desarrollado a pasos agigantados, convirtiendo este instrumento de medición en un equipo indispensable en muchos campos laborales que van desde la mecánica hasta la medicina moderna.

Cómo Funciona un Osciloscopio

El osciloscopio muestra el valor de las señales eléctricas en una pantalla. Se puede comparar con el plano cartesiano al momento de hacer la medición. La imagen obtenida tras el procedimiento de medición se denomina oscilograma.

Tiene un control horizontal, denominado eje X, que regula el tiempo medido en segundos, milisegundos o microsegundos, según las especificaciones del equipo. Por su parte el eje vertical, denominado eje Y, controla la tensión de entrada medida en voltios, milivoltios, microvoltios, o dependiendo de la resolución del equipo.

Cada una de estas regulaciones (X y Y) calcula el valor de la escala que divide la pantalla, lo que permite conocer cuánto representa cada cuadrado de ésta. Finalmente todo el procedimiento posibilita saber cuál es el periodo de una onda de una señal que es lo que en realidad se mide, luego se calcula la frecuencia.

Los osciloscopios análogos o de fósforo digital también es común incluir un control llamado Cilindro de Wehnelt, que dispone de pequeños orificios por donde salen electrones, controlando  la luminosidad del haz, lo que permite resaltar o apagar algunos segmentos de la traza.

Tipos de Osciloscopio

El osciloscopio es un instrumento de medición electrónica y aunque para muchos existen sólo los osciloscopios analógicos y los digitales, se debe sumar una nueva propuesta a éstos, se trata del osciloscopio de fósforo digital que combina lo mejor de los dos primeros. Obviamente cada uno tiene sus propias características que les dan ventajas y desventajas en su uso.

Osciloscopio analógico

La tensión que se va a medir se suministra a las placas de desviación vertical oscilante de un tubo de rayos catódicos, mientras que a las de desviación horizontal se superpone una tensión en diente de sierra.

Esto se hace utilizando un amplificador con alta impedancia, que es la medida de oposición que presenta un circuito a una corriente cuando se aplica una tensión, de entrada y ganancia ajustable.

La tensión en diente de sierra es generada mediante un circuito oscilador apropiado y su frecuencia puede adaptarse dentro de un rango de valores muy amplio. Todo esto es lo que posibilita la adaptación a la frecuencia de la señal a medir. El resultado de esa medición es conocida como base de tiempos.

Por su versatilidad el osciloscopio analógico es muy útil para el estudio de una gran variedad de señales debido a que el margen de escalas varía de microvoltios a pocos voltios y de microsegundos a varios segundos.

Osciloscopio digital

Como era de esperarse en materia de medición, lo digital se está imponiendo a lo analógico en casi todos los instrumentos. Aunque buena parte de las características de los osciloscopios analógicos también los tiene le digital, una de las grandes ventajas que tiene el digital es la posibilidad de transferir las medidas desde el instrumento a una computadora o pantalla LCD.

Otros beneficios están asociados al pre-triggering o disparo anticipado que permite la visualización de actividades de corta duración. Además se puede memorizar automáticamente el oscilograma y transferir los datos obtenidos a una PC, lo que a su vez posibilita el comparar medidas tomadas de un circuito en el mismo punto.

El osciloscopio digital ofrece una mejor velocidad de muestreo y la mayoría son controlados  por FPGA (Field Programmable Gate Array), un controlador del conversor analógico a digital de alta velocidad del instrumento y de otros circuitos internos.

Osciloscopio de Fósforo Digital

Una nueva propuesta que fusiona lo mejor del osciloscopio analógico y del digital es el osciloscopio de fósforo digital (DPO, Digital Phosphor Oscilloscope). Del primero tiene el amplificador vertical y del segundo un conversor ADC.

El DPO tiene características especiales que recrean el nivel de intensidad de un tubo de rayos catódicos. Además tiene fósforo digital lo que permite ofrecer una base de datos que es constantemente actualizada que a su vez permite que cada píxel que tiene la pantalla, esté asociada a una celda separada de información.

Esto significa que cada vez que el instrumento es disparado, los datos obtenidos son almacenados en la base de datos. Luego a la información de la forma de la onda registrada se le insertan los datos de la intensidad, el resultado de todo este proceso puede ser visualizado en la pantalla o almacenado en el aparato.

Puede decirse que dada su importancia actualmente no hay un taller o centro de electrónica que no cuente con un osciloscopio, pues con ellos se pueden obtener registros de los cambios de amplitud de señal y además, según sea la herramienta, grabarlos para el análisis. Este instrumento permite determinar fallas en los componentes electrónicos aislados y en módulos completos.

Partes del osciloscopio

Una onda es un patrón que se repite en el tiempo y un osciloscopio mide las ondas de tensión. La información sobre la señal la podemos conocer gracias a la forma de la onda y al poder visualizar la altura que alcanza sabremos si el voltaje cambia en tiempos específicos. El osciloscopio es un instrumento bastante preciso y sus componentes son los siguientes:

Tubo de rayos catódico

El tubo de rayos catódicos o pantalla permite ver la señal que se emite según la medición que realice el instrumento. La visualización se hace a través de sustancias fluorescentes generalmente de color verde, que se excita ante la presencia de electrones. Tiene una serie de líneas reticuladas que se ubican sobre la parte inferior del cristal, que son referenciales para las medidas.

Base de tiempos

La principal función de la base de tiempos es lograr que se vea en la pantalla la tensión aplicada en relación con el tiempo. Se trata de un sistema de coordenadas que se crea en el eje horizontal y el vertical. Gracias al circuito de base de tiempos, la marca luminosa se desplaza de izquierda a derecha de forma periódica y manteniendo una velocidad.

Amplificador para la señal vertical

Es la parte encargada de amplificar la señal que accede por la entrada vertical del instrumento. Está conformado por el amplificador, el atenuador y el seguidor catódico.

Amplificador para la señal horizontal

Tiene como función principal amplificar las señales que son traspasadas desde el circuito hasta la base de tiempos. Dichas señales tienen una amplitud suficiente para provocar en todo lo ancho de la pantalla, el desvío de haz de electrones.

Sistema de sincronismo

La imagen que se puede observar a través del tubo de rayos catódicos es estabilizada por el sistema de sincronismo, que emplea una señal de barrido para que la imagen que se visualiza sea estable y dé una lectura adecuada.

Estos componentes varían de acuerdo al tipo de osciloscopio, pero en líneas generales son los que conforman la estructura básica de esta herramienta. Para el mundo de la electrónica el osciloscopio es un instrumento relativamente fácil de utilizar y sus registros ayudan a detectar problemas y en consecuencia hallar una solución al funcionamiento de cualquier equipo.

Limitaciones y ventajas según el tipo de osciloscopio

Sin duda el avance tecnológico influye positivamente sobre el desarrollo del osciloscopio y si bien el analógico fue utilizado y sigue siendo utilizado con éxito, hay una serie de desventajas que se deben conocer para ser solucionadas a la hora de realizar las mediciones y así hacerlas más precisas.

Por ejemplo la señal debe ser periódica para que ésta refresque la traza en la pantalla y sea estable. Utilizar un equipo con base de tiempo disparada, o usar señales de sincronismo con la señal de entrada, dispara el barrido horizontal y facilita la lectura.

Otra desventaja es que cuando la señal es muy rápida el brillo se reduce porque en la pantalla hay  baja persistencia fosfórica. Para solucionarlo se debe colocar el tubo de rayos catódicos, un potencial post-acelerador.

Se deben colocar tubos de alta persistencia para solucionar el hecho de que la retina no puede integrar la traza cuando se producen señales de barrido muy lento por las frecuencias bajas. Anteriormente existían cámaras Polaroid adaptadas para que se mantuviera la exposición por un período y así fotografiar las pantallas del osciloscopio  y obtener una foto de la traza.

Ante esta desventaja también se puede dar pendientes diferentes al diente de sierra de barrido horizontal, lo que permite que el tiempo de barrido de la pantalla sea más lento.

Mientras tanto el osciloscopio digital tiene características que le dan ventaja sobre el analógico, como la posibilidad de almacenar el registro o transmitirlo a una computadora, este instrumento también presenta una serie de desventajas o limitaciones a la hora de su funcionamiento.

Algunas de las facilidades son que apunta una medida automática de valores de señal máximos y mínimos, facilita la medida de flancos de la señal y otros intervalos, genera captura de transitorios y genera cálculos avanzados, como la FFT para calcular el espectro de la señal.

Usos del Osciloscopio

Por su versatilidad el osciloscopio es utilizado en diversas áreas de trabajo debido al gran número de fenómenos que puede medir con precisión. Este instrumento es utilizado para la reparación de televisores, la industria automotriz, medicina y otros, puede registrar presión, potencia de sonidos, ritmo cardíaco de una persona, vibración de un coche, pero debes conocer otros aspectos para lo que es altamente funcional.

  • El voltaje y el periodo de una señal.
  • La frecuencia de una señal de manera indirecta.
  • Qué parte de la señal es AC y qué parte es DC.
  • Localiza fallas en un circuito.
  • Mide la fase entre dos señales.
  • Qué parte de la señal es ruido y como varia en el tiempo.

El osciloscopio también es utilizado por estudiantes, diseñadores, ingenieros en electrónica. Las televisoras y emisoras de radio miden las señales de ondas de sus señales y así determinan su calidad o si está afectada para entonces poder corregir el problema que se esté presentando según el análisis de los datos que arroje el instrumento de medición.

El osciloscopio ha evolucionado desde su creación hace más de 125 años para llegar hoy día a ser un instrumento útil y preciso en sus mediciones. Su utilidad resulta incluso vital para el ser humano, pues registra incluso el ritmo cardíaco para conocer si el funcionamiento del corazón es correcto. Una gran creación para la electrónica que forma parte del desarrollo de la humanidad.

Hay cientos de instrumentos de medición que el hombre utiliza cada día, si quieres conocer sus orígenes, funcionamiento, utilidad y hasta curiosidades, sigue leyendo nuestro blog.

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