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Clase 10 – parte 1
Introducción a los Osciloscopios
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Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata
– Un osciloscopio es un instrumento que permite visualizar, analizar y medir señales variables en el tiempo.
– Existen dos categorías principales de osciloscopios:
• Osciloscopios analógicos (basados en el principio del Tubo de Rayos Catódicos)
• Osciloscopios digitales (basados en el muestreo de la señal analógica a valores digitales y su posterior procesamiento)
Osciloscopio analógico
tradicional
Osciloscopio digital
Osciloscopios analógicos y digitales
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– Principales aplicaciones:
Los osciloscopios analógicos, entre otras funciones, pueden utilizarse para:
• Determinar el periodo y la amplitud de una señal
• Determinar la componente AC y la componente DC de una señal
• Medir la diferencia de fase entre dos señales de igual frecuencia
• Determinar la secuencia de fases en un sistema trifásico
• Identificar transitorios
• Analizar formas de onda (por ejemplo, si un componente defectuoso en un circuito está distorsionando la señal evaluada)
Osciloscopios analógicos y digitales
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– Principales aplicaciones:
Los osciloscopios digitales, además de poseer las funciones de los osciloscopios analógicos, incorporan más funciones que los convierten en herramientas superiores para muchas aplicaciones, entre ellas:
• Brindar múltiples posibilidades para la visualización y análisis de eventos
• Realización de mediciones en forma automática
• Almacenar los eventos y formas de onda en memoria para su posterior análisis
• Exportar / importar datos hacia / desde PC
• Decodificar una trama de bits en un canal de un sistema de comunicaciones
• Realizar operaciones matemáticas complejas con las señales a su entrada
Osciloscopios analógicos y digitales
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Funcionamiento del
osciloscopio analógico
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– Efecto termoiónico: principio del CRT
El osciloscopio analógico se basa
principalmente en el efecto termoiónico
para crear un haz de electrones que puede
ser usado para reproducir visualmente una
señal eléctrica en función del tiempo en una
pantalla. En esencia, dicho efecto se logra
provocando una diferencia de potencial
entre un conductor calentado denominado
cátodo y otro conductor denominado
ánodo, tal que circule corriente a través de
un circuito. Dicho sistema cátodo - ánodo
es referido como “tubo de rayos catódicos”
(en siglas, CRT: Cathode Ray Tube)
Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos
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– Efecto termoiónico: principio del CRT
Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos
Los electrones emitidos por el cátodo caliente se aceleran y alinean
formando un haz en lo que se denomina haz de electrones. Este haz
finaliza su trayectoria colisionando contra una pantalla de vidrio de plomo,
la cual es recubierta con fósforo tal que la colisión del haz de electrones
se haga visible.
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– Efecto termoiónico: principio del CRT
Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos
Se observará una deflexión del haz de
electrones, si éste se hace pasar entre dos
placas sometidas a una diferencia de potencial.
Este efecto es aprovechado para la generación
de una base de tiempo (deflexión horizontal
del haz) y para la deflexión vertical del haz en
forma proporcional a la señal de entrada.
VX
VY
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– Generación de la base de tiempo
Se logra aplicando una señal con forma de onda de diente de sierra con frecuencia conocida al par de placas de deflexión verticales.
Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos
VX
VY
VX
La persistencia de la retina
y del propio fósforo que
recubre la pantalla hace
que se perciba una línea
continua en vez de un
punto en movimiento
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– Acción conjunta deflexión horizontal – deflexión vertical
Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos
VX
VY
VX
VY
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Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos
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Sincronización de la señal:
Es necesario conseguir que comience cada barrido siempre en el mismo punto
VY
El disparo ( ó TRIGGER)Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos
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• Debe lograrse que cada barrido comience en un mismo punto de la señal en relación a su periodo, con el fin de que la imagen visualizada en la pantalla sea estable y estática. Esta es la función del sistema de disparo (trigger).
• Uno de los métodos más comunes consiste en comparar una señal con un nivel de disparo prefijado. Cuando el valor de la señal iguala al valor del nivel con la pendiente previamente configurada (positiva o negativa), se crea un pulso de disparo el cual, en caso de que el barrido anterior ya haya finalizado, disparará un nuevo barrido. De esta forma, se asegura la sincronización entre la señal y el barrido de la pantalla para una correcta visualización.
Pulsos de disparo
Nivel de disparo
Señal de entrada (VY)
(Inicio de barridos horizontales)
Sincronización de la señal:
El disparo ( ó TRIGGER)
Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos
VY
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Nivel de
disparo
Pendiente de disparo
La selección de un nivel
de disparo correcto es
fundamental para
obtener una imagen
estable de la señal
VY
Sincronización de la señal:
El disparo ( ó TRIGGER)
Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos
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– HOLD-OFF• Deben dispararse los barridos solamente en el primero de los
pulsos de cada tren. En caso contrario, en la pantalla se visualizaría una superposición no coherente de pulsos.
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Puntos de disparo
Nivel de disparo
Configuración de disparo (trigger)
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No se dispara No se dispara No se dispara
Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos
Puntos de
disparo que no
se deben tener
en cuenta
VY
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– HOLD-OFF
• Visualización incorrecta (sin hold-off)
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• Visualización correcta (con hold-off)
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Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos
Puntos de disparo
Nivel de disparo
No se dispara No se dispara No se dispara
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– HOLD-OFF
Tiempo de Hold-Off
La función Hold-Off
básicamente permite
ajustar un tiempo de
espera al final de un
barrido, en el que se
inhibe el comienzo de
un nuevo barrido para
evitar visualizaciones
incorrectas de ciertos
tipos de señales.
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Bornes de conexión
y puntas de prueba
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Pinza a
masa
Punta retráctil
conectada al
circuito a medir.
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Puntas de prueba
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– Sonda pasiva de tensión (1X-10X)
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Cable coaxil
Conector BNC - macho
Punta de referencia
(ground lead)
Switch conmutador entre modo 1X (sonda no atenuadora) y 10X
(sonda atenuadora en 10 veces)
Clip retráctil
(entrada señal)
Consideraciones sobre puntas de prueba de osciloscopios
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– CANALES DE ENTRADA
• Canal 1• Canal 2(Conectores BNC de entrada de ambos canales)La impedancia de entrada en ambos canales consta de una resistencia de 1MΩ en paralelo con una capacitancia de pequeño valor que suele depender del ancho de banda del osciloscopio (en este caso, 25 pF, en un osciloscopio con un ancho de banda de 20MHz)
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1MΩ25 pF
Conectores de entrada / salida
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Efecto de carga sobre el circuito de medida. Error de inserción.
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Circuito a medir + sonda 1x + Osciloscopio :
• La impedancia del osciloscopio +sonda 1X disminuye notablementecon la frecuencia de la señal amedir (1MΩ en cc pero baja si fsube)
• Si la impedancia del osciloscopio +sonda baja aumenta el error deinserción (se carga el circuito amedir)
• Se usa la sonda 1X si Z0 >> Rs o si lamedida se toma a baja frecuencia.
OC
OCs
S
o XRXRR
VZIV //
//0
0
0
I
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Efecto de carga sobre el circuito de medida. Error de inserción.
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• La sonda 10x tiene unaresistencia en paralelo a un capacitor variable
Sonda 10x + Osciloscopio
𝑉𝑖 𝑉0
ZP
Z0I
𝑉0
𝑉𝑖=
𝑍0
𝑍𝑃 + 𝑍0=
𝑅0
𝑗𝐵𝑅𝑃𝑗𝐴 +
𝑅0𝑗𝐵
23
0
0
0
0 ZZZ
VZZIV PPi
Pero:
𝑍𝑃 =𝑅𝑃
1𝑗 𝜔𝐶𝑃
𝑅𝑃 +1
𝑗 𝜔𝐶𝑃
=𝑅𝑃
𝑗 𝑅𝑝𝐶𝑝 𝜔 + 1=
𝑅𝑃
𝐴 𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝐴 = 𝑗𝑅𝑝𝐶𝑝 𝜔 + 1
𝑍0 =𝑅𝑂
1𝑗 𝜔(𝐶𝑂 + 𝐶𝐶)
𝑅0 +1
𝑗 𝜔(𝐶𝑂 + 𝐶𝐶)
=𝑅𝑂
𝑗 𝑅𝑂(𝐶𝑂 + 𝐶𝐶) 𝜔 + 1=
𝑅𝑂
𝐵 𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝐵 = 𝑗𝑅𝑂(𝐶𝑂 + 𝐶𝐶) 𝜔 + 1
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Efecto de carga sobre el circuito de medida. Error de inserción.
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Osciloscopio + sonda 10x.
𝑉𝑖 𝑉0
ZP
Z0I
Si se cumple que entonces A = B en las ecuaciones anteriores, por ende:𝑅𝑃𝐶𝑃 = 𝑅𝑜 𝐶𝐶 + 𝐶𝑜
𝑉0
𝑉𝑖=
𝑅0
𝑅𝑃 + 𝑅0
Si se elige que Rp = 9 R0 el conjunto sonda + osciloscopio actuará como un divisor resistivo
atenuando todas las señales a la entrada del osciloscopio por igual independientemente de la
frecuencia, incluyendo señales con forma de onda complejas (cuadrada, triangular, etc.) sin modificar
su fase, y al mismo tiempo, presentará una impedancia 10 veces mayor que R0, minimizando el error de
inserción.
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• Se usa la sonda 10x si la medida se toma a alta frecuencia.
Reemplazando:
(la tensión en bornes del osciloscopio es una
fracción de la tensión en la punta de la sonda
para cualquier frecuencia)
𝑉0
𝑉𝑖=
𝑍0
𝑍𝑃 + 𝑍0=
𝑅0
𝐵𝑅𝑃
𝐴+
𝑅0
𝐵
𝑍𝑃 =𝑅𝑃
1𝑗 𝜔𝐶𝑃
𝑅𝑃 +1
𝑗 𝜔𝐶𝑃
=𝑅𝑃
𝑗 𝑅𝑝𝐶𝑝 𝜔 + 1=
𝑅𝑃
𝐴 𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝐴 = 𝑗𝑅𝑝𝐶𝑝 𝜔 + 1 𝑍0 =
𝑅𝑂1
𝑗 𝜔(𝐶𝑂 + 𝐶𝐶)
𝑅0 +1
𝑗 𝜔(𝐶𝑂 + 𝐶𝐶)
=𝑅𝑂
𝑗 𝑅𝑂(𝐶𝑂 + 𝐶𝐶) 𝜔 + 1=
𝑅𝑂
𝐵 𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝐵 = 𝑗𝑅𝑂(𝐶𝑂 + 𝐶𝐶) 𝜔 + 1
𝑉0
𝑉𝑖=
𝑍0
𝑍𝑃 + 𝑍0=
𝑅0
𝐵𝑅𝑃
𝐴+
𝑅0
𝐵
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– CAL (terminal de calibración de la sonda pasiva atenuadora de tensión)
Proporciona una señal cuadrada generada internamente en el osciloscopio (típicamente de frecuencia 1 kHz y amplitud 2 Volts pico a pico) con el fin de calibrar la sonda de tensión en su configuración 10X. Es decir, se usa para ajustar Cp hasta lograr que:
25 Conectores de entrada / salida
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𝑅𝑃𝐶𝑃 = 𝑅𝑜 𝐶𝐶 + 𝐶𝑜
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– GND (Ground)Conector que provee una conexión adicional al potencial de tierra (referencia de ambos canales y tierra de alimentación del osciloscopio)
26 Conectores de entrada / salida
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– CAL (terminal de calibración de la sonda pasiva
de tensión atenuadora)Al conectar la sonda pasiva de tensión (en configuración atenuadora) en la pantalla debe observarse una señal cuadrada perfecta. Si éste no es el caso, debe ajustarse el tornillo de regulación en el conector BNC o en el cuerpo de la sonda hasta lograr que la señal tenga dicha forma de onda.
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• Sonda subcompensada
• Sonda sobrecompensada
• Sonda correctamente compensada
Conectores de entrada / salida
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– Canales de entrada
• CH1
• CH2
– CAL
– EXT TRIG
– GND
– COMP TEST
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Bornes de conexión de un Osciloscopio:Ejemplo sobre un analógico
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Controles básicos de
un osciloscopio analógico
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– LEVEL & SLOPE
• (+) (pendiente positiva)
• (-) (pendiente negativa)
Configuración del nivel y pendiente de disparo.
30 Configuración de disparo (TRIGGER)
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– LEVEL & SLOPE (Nivel y pendiente)
31
Pulsos de
disparo
Nivel de disparo
Señal de
entrada
• Nivel: 0%
• Pendiente: (+)
Punto inicial
del barrido
Configuración de disparo (trigger)
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32
Pulsos de
disparo
Nivel de disparo
Señal de
entrada
• Nivel: 0%
• Pendiente: (-)
(actualización de
pantalla / inicio de
barrido horizontal)
Punto inicial
del barrido
Configuración de disparo (trigger)
– LEVEL & SLOPE (Nivel y pendiente)
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33
Pulsos de
disparo
Nivel de disparo
Señal de
entrada
• Nivel: +50%
• Pendiente: (+)
Punto inicial
del barrido
Configuración de disparo (trigger)
– LEVEL & SLOPE (Nivel y pendiente)
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34
Nivel de disparo
Señal de
entrada
• Nivel: +125%
• Pendiente: (+)
No se generan
pulsos de
disparo…
Si modo de disparo: N0RMAL Pantalla en negro
Si modo de disparo: AUTO Disparo automático de barridos
por temporizador interno y visualización de señal no sincronizada con los barridos.
NORMAL AUTO
Configuración de disparo (trigger)
– LEVEL & SLOPE (Nivel y pendiente)
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– SOURCE
• CH 1 (canal 1)
• CH 2 (canal 2)
Selecciona la señal de disparo como la señal de entrada del canal 1 o del canal 2.
• LINE
• EXT
35 Configuración de disparo (trigger)
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36
– LINE (disparo por frecuencia de línea)• Se obtienen pulsos de disparo a la frecuencia de la tensión de alimentación
del osciloscopio (50Hz). Este modo de disparo resulta útil con señales con alto nivel de ruido (múltiples puntos de disparo posibles en cada período de la señal, para un nivel de disparo determinado), y cuya frecuencia es múltiplo de la frecuencia de línea.
Configuración de disparo (trigger)
Ejemplo de una señal con alto nivel de
ruido y cuya frecuencia está impuesta por
la frecuencia de línea
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37
– EXTERNAL (Disparo controlado externamente)
Utiliza la señal conectada a la entrada EXT TRIG (External Triggering) para obtener los pulsos de disparo. Es utilizada por ejemplo, cuando se quiere visualizar señales con complejas formas de onda. Si la fuente que genera dichas señales a evaluar posee una salida de pulsos sincronizada con la frecuencia de la señal de salida, dicha salida de pulsos (la cual suele denominarse “SYNC”) puede conectarse a la entrada EXT TRIG a efectos de sincronización con los barridos del osciloscopio.
Configuración de disparo (trigger)
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– HOLD OFFAjuste de tiempo de espera forzado entre barridos, evitando el disparo en cada uno de los pulsos de la señal, para su correcta visualización.
(Ajuste continuo)
38 Configuración de disparo (trigger)
Ejemplo de una señal en la que debe
ser utilizado el ajuste Hold-Off:
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Controles básicos: Configuración vertical
– VOLTS / DIV
– POSITION
– COUPLING
• AC
• DC
• GND
– INV
– ALT/CHOP
– ADD
39
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39
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– VOLTS / DIV
Controla la amplitud o cantidad de Volts que representa cada división vertical de la escala.
• VAR (ajuste continuo)Este ajuste (denominado descalibrado) permite variar la escala vertical en forma continua.
40Controles básicos: Configuración vertical
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– POSITION
Controla la posición vertical de la señal de cada canal en la pantalla.
(Ajuste continuo)
41Controles básicos: Configuración vertical
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– COUPLING
(Modo de Acoplamiento)
• AC
• DC
• GND
42Controles básicos: Configuración vertical
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– COUPLING
• DC
La señal es visualizada con sus componentes AC + DC
43Controles básicos: Configuración vertical
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– COUPLING• AC
Sólo es visualizada la componente AC de la señal. La componente DC es filtrada intercalando un capacitor en serie con la entrada del canal. Este modo de acoplamiento resulta útil por ejemplo cuando la amplitud de la señal original (con sus componentes AC+DC) supera el rango de visualización que brinda el osciloscopio, y ya no es posible ajustar la posición vertical de la señal para visualizarla con un ajuste vertical determinado en la pantalla.
44Controles básicos: Configuración vertical
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Influencia del acoplamiento: Como el capacitor en serie, en la entrada del osciloscopio trabaja como un filtro pasa altos, entonces, elimina la componente continua y atenúa las de bajas frecuencias.
45
Controles básicos: Configuración vertical
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Vista usual en AC
Vista usual en DC
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– COUPLING
• GNDSe visualiza el nivel de la referencia de tensión o tierra (referida como GND , Ground), lo cual es útil para realizar mediciones de tensión en comparación a dicho nivel de referencia.
46Controles básicos: Configuración vertical
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– VERTICAL MODE (modo de visualización vertical)
• CH1 (Muestra la señal del canal 1)
• CH2 (Muestra la señal del canal 2)
• DUAL (Muestra las señales de los
canales 1 y 2 al mismo tiempo)
• XY (Modo XY)
• ADD (Suma)
47
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Controles básicos: Configuración vertical
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48
– ADD (suma)
Señal del canal 1
Señal del canal 2
Señal resultante de la suma
de ambas señales
Permite sumar las señales de entrada. Combinado con la función INVERT (la
cual muestra a la señal de uno de los canales multiplicada por (-1)) se puede
mostrar una tercera señal, resultante de la resta entre las señales de ambos
canales)
Controles básicos: Configuración vertical
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– Modo de visualización de dos señales (osciloscopios de único trazo)
• ALT (alternado)
• CHOP (troceado)
49
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Controles básicos: Configuración vertical
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• ALT (alternado)Se barre un canal por barrido, en forma alternativa.
50
• CHOP (troceado)Se dibujan ambos canales en el mismo barrido, conmutando entre ambos canales a alta velocidad.
– Modo de visualización de dos señales (osciloscopios de único trazo)
Barrido i
(canal 1)
Barrido i+1
(canal 2)
Canal 1
Canal 2
Controles básicos: Configuración vertical
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– SEC / DIV
– POSITION
– MAG X10
– MODE XY
– TIME BASE
• MAIN
• DELAYED
• MIXED
51 Controles básicos: Configuración horizontal
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– SEC / DIV
Control del tiempo en segundos que representa cada división de la escala horizontal.
Es posible un ajuste en forma continua utilizando el control VAR (DLY. TIME POS)
52 Configuración horizontal
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– POSITION ↔
Controla la posición horizontal de la/s señal/es visualizadas en la pantalla. (Ajuste continuo)
53 Controles básicos: Configuración horizontal
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– MAG X10 (Magnificación horizontal)Algunos osciloscopios analógicos incorporan la opción de ampliación horizontal. Normalmente se expande en X5 o X10 a la base de tiempo, sin embargo, debe tenerse en cuenta que la exactitud de la base de tiempos con esta función suele ser inferior con respecto al modo normal.
54(tirar hacia afuera)
Controles básicos: Configuración horizontal
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– MAG X10 (Magnificación horizontal)
55
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Controles básicos: Configuración horizontal
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– Modo XY
Muestra un gráfico de la señal del canal 1 en la escala vertical versus la señal del canal 2 en la escala horizontal.
56Controles básicos: Configuración horizontal
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– Modo XY
Si ambas señales son senoidales puras, con el Modo XY se formarán patrones gráficos claramente reconocibles en la pantalla en el caso en que la relación entre las frecuencias de las señales sea un número entero, o su diferencia de fases corresponda a un ángulo notable.
57
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Controles básicos: Configuración horizontal
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– TIME BASE
• MAIN
Selección y ajuste
de la base de tiempo principal
(Con el ajuste VAR es posible efectuar un ajuste continuo de la base de tiempo)
58 Configuración horizontal
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– TIME BASE
• DELAYED
Selección y ajuste horizontal de la base de tiempo retardada.
59 Configuración horizontal
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– TIME BASE
• MIXED
Selección y ajuste de la base de tiempo principal y retardada para ser visualizadas en un mismo barrido en la pantalla.
60 Configuración horizontal
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– TIME BASE
• MIXED
61
Punto de inicio de base de tiempo principal
Punto de inicio de base de tiempo retardada
Configuración horizontal
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– LEVEL & SLOPE
• (+) (RISING)
• (-) (FALLING)
– MODE
• NORMAL
• AUTO
– SOURCE
• CH 1
• CH 2
• LINE
• EXT
– HOLD OFF
62Configuración de disparo (trigger)
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63
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Mediciones básicas con
un osciloscopio analógico
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64
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– Pantalla del osciloscopio• Se encuentra
conformada por una retícula, generalmente de 8 divisiones verticales por 10 divisiones horizontales.
• Cada división se subdivide típicamente en 5 sub-divisiones.
División
Sub-División
Mediciones básicas con osciloscopios analógicos
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– Medición del valor de amplitud de una señal
Ejemplo)
65 Mediciones básicas con osciloscopios analógicos
Configuración:
• Horizontal: 0,5 ms / div
• Vertical: 1.0 V / div
Se observa que el valor pico a pico
abarca 5.8 divisiones. Como el
ajuste vertical es 1.0V/div ,
entonces
la mejor estimación será:
MEDICIONES ELÉCTRICAS IDepartamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica
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65
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– Medición de periodo - frecuencia de una señal
Ejemplo)
66 Mediciones básicas con osciloscopios analógicos
Configuración:
• Horizontal: 0,5 ms / div
• Vertical: 1.0 V / div
Se observa que la distancia entre picos
positivos abarca 7.6 divisiones
horizontales, por lo que la mejor
estimación del período T de la señal
visualizada vendrá dada por:
Nota: Para una mejor medición, es recomendable medir el
tiempo entre pasos por cero, utilizando el menor valor de
ajuste vertical y el mayor valor de ajuste horizontal
posibles.
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– Medición de diferencia de fase entre dos señales
• Por medición de tiempo
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Señal canal 1
Señal canal 2
La mejor estimación para la diferencia de fases entre la señales vendrá
dada por:
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– Medición de diferencia de fase entre dos señales
• Por Modo XY
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Escala horizontal (x): Señal canal 1
Escala vertical (y): Señal canal 2
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tsenYy MAX
tsenXx MAX
En 1:
1
0 tsenXx MAX 0tsen
2,4,6,.... 0,n siendo
nt
En 1: tsenYBy MAX
senYBy MAX
A
B senoarco
Y
B senoarco
MAX
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– Medición de diferencia de fase entre dos señales
• Por Modo XY
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Mediciones básicas con osciloscopios analógicos
– Posicionar la línea de GND de cada canal en la línea horizontal central para luego pasar al modo de acoplamiento AC.
– Configurar el modo de visualización vertical en Modo XY.
– Escalar apropiadamente cada canal, tal que la elipse visualizada abarque la mayor parte de la pantalla.
– Medir las amplitudes A y B indicadas.
Escala horizontal (x): Señal canal 1
Escala vertical (y): Señal canal 2
La mejor estimación para la diferencia de fases entre
la señales vendrá dada por:
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La diferencia de fase entre señales ϕ podrá entonces calcularse con las siguientes expresiones:
• Si el tope superior de la elipse se encuentra en el 1° cuadrante:
• Si el tope superior de la elipse se encuentra en el 2° cuadrante
• El signo del ángulo de desfase es determinado observando qué señal adelanta, en la visualización de ambas señales en función del tiempo.
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Controles básicos: Configuración horizontal
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|𝜙| = arco seno 𝐵
𝐴
|𝜙| = 180° − arco seno 𝐵
𝐴
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– Medición de diferencia de fase entre dos señales:
• Por ajuste continuo de la base de tiempo
71 Mediciones básicas con osciloscopios analógicos
– Ajustar la base de tiempo en forma continua hasta conseguir que la mitad del período de una de las señales abarque las 10 divisiones de la escala de tiempo.
– Contar las N divisiones entre las señales, por ejemplo, entre pasos por cero análogos.
La mejor estimación para la diferencia de fases
entre la señales vendrá dada por:
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