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OSCILOSCOPIO DIGITAL
INTRODUCCION AL OSCILOSCOPIO DIGITALEL POR QUE DE LOS OSCILOSCOPIOS DE “ MEMORIA DIGITAL ”: Los osciloscopiosdigitales son el resultado de la evolución de los osciloscopios de memoria analógicos ode persistencia variable. El avance de la tecnología podría mejorar algunas de lascaracterísticas de los osciloscopios de memoria analógica, pero debido a suarquitectura no podían ofrecer las características que estaba pidiendo el público; comola posibilidad de captar datos y transferirlos a una computadora o la posibilidad dealmacenar formas de onda indefinidamente. Estas propiedades las cumplenperfectamente los osciloscopios de memoria digital.El manejo básico del osciloscopio digital no difiere demasiado del ya expuesto para elanalógico si bien su funcionamiento interno es radicalmente diferente.
En este tipo de aparatos podemos encontrar una gran variabilidad de prestacionesentre distintos modelos y marcas en particular.Conversor A/D : Antes de referirnos al osciloscopio en particular parece convenientedar una somera idea sobre el corazón de cualquier instrumento digital, el Conversor.Como su nombre lo indica el conversor A/D es un dispositivo que convierte una señalcontinua de voltaje en una señal discreta digital. Este proceso se realiza en tres pasosbásicos: Muestreo: Las señales digitales son discretas en el tiempo mientras que lasanalógicas son continuas, por lo tanto es necesario para la conversión A/Dmuestrear la señal original. Esto significa que el conversor no está “mirando”continuamente la información que le llega sino que toma nota de los valores aintervalos regulares de tiempo. Se puede demostrar rigurosamente que, si lafrecuencia de muestreo es mayor al doble del ancho de banda (BW) de la señaloriginal el proceso de muestreo es reversible y, por lo tanto, se puede recuperar laseñal original sin pérdida a partir de la señal muestreada.
Este teorema recibe el nombre de “ Teorema de Nyquist ”.Desarrollado por H. Nyquist, quien afirmaba que una señal analógica puede serreconstruida, sin error, de muestras tomadas en iguales intervalos de tiempo. La razónde muestreo debe ser igual, o mayor, al doble de su ancho de banda de la señalanalógica".A/DD/ALa teoría del muestreo define que para una señal de ancho de banda limitado, lafrecuencia de muestreo, fm, debe ser mayor que dos veces su ancho de banda [B]medida en Hertz [Hz].
Muestreo de la señal analógicaRepresentación gráfica de medio ciclo positivo ( ) , correspondiente a una señaleléctrica analógica. Como se podrá observar, los valores de variación de la tensión ovoltaje en esta pueden variar en una escala que va de “0” a “7” volt.Para convertir una señal analógica en digital, el primer paso consiste en realizar unmuestreo (sampling) de ésta, o lo que es igual, tomar diferentes muestras detensiones o voltajes en diferentes puntos de la onda senoidal.
La frecuencia a la que se realiza el muestreo se denomina razón, tasa o tambiénfrecuencia de muestreo y se mide en kilohertz (kHz). En el caso de una grabación digitalde audio, a mayor cantidad de muestras tomadas, mayor calidad y fidelidad tendrá laseñal digital resultante.El ser humano es capaz de oír frecuencias sonoras en el intervalo 20 Hz – 20 kHz lo querepresenta un ancho de banda de 20 kHz aproximadamente. Por esta razón el muestreode audio digital es de 44100Hz .Durante el proceso de muestreo se asignan valores numéricos equivalentes a la tensióno voltaje existente en diferentes puntos de la sinusoide, con la finalidad de realizar acontinuación el proceso de cuantización.
Para realizar el muestreo (sampling) de una señal eléctrica analógica y convertirladespués en digital, el primer paso consiste en tomar valores discretos de tensión o voltajea intervalos regulares en diferentes puntos de la onda senoidal.Es decir, que la tasa de muestreo se debe realizar, al menos, al doble de la frecuencia delos sonidos más agudos que puede captar el oído humano que son 20000 Hertz porsegundo (20 kHz). Por ese motivo se escogió la frecuencia de 44,1 kHz como tasa demuestreo para obtener “calidad de CD”, pues al ser un poco más del doble de 20 kHz,incluye las frecuencias más altas que el sentido del oído puede captar.Esta condición se llama Criterio de Nyquist y su demostración formal constituye el Teoremade Nyquist-Shannon. Una forma más intuitiva de ver esto es analizando el fenómeno deAliasing.El aliasing se produce cuando la frecuencia de muestreo es inferior a la frecuencia Nyquisty por lo tanto insuficiente para hacer el muestreo correctamente con lo cual inventafrecuencias fantasmas que no tiene nada que ver con la original. Afecta más a lasfrecuencias altas, que se pierden antes, por lo tanto los tonos agudos se verán másafectados por el aliasing.
Supongamos una señal sinusoidal de frecuencia f como la de la imagen ( señal graficadaen rojo ). Si la muestreamos a una frecuencia s 2 f no se podría reproducir esta señalen forma exacta ( señal graficada en azul ) Dicho fenómeno se denomina ALIASING.Esto se puede observar en cualquier fenómeno periódico. Por ejemplo, el sol tiene unmovimiento aparente en el cielo de este a oeste con una amanecer cada 24hs(supongamos en el Ecuador). Si se muestreara la posición del sol cada 23hsobservaríamos un movimiento de oeste a este con un amanecer cada 23 . 24 552 hs.
12 hs13 hs14 hs15 hs5416 hs317 hs218 hs1OESTE7611 hs810 5 º613105º136071290º99 hs10SACO UNA FOTOCADA 23 HORASUna nave extraterrestre llega a la tierra y obtiene una fotodel cielo cada un determinado tiempo8 hs117 hs126 hs13ESTE9CONCLUSIÓN: La tierra gira hacia el OESTE a 1 revolución cada 24 DÍAS
12 hs13 hs14 hs15 hs16 hs1117 hs1218 hs13OESTE10978611 hs10 hsNºHoraAnguloNºHoraAngulo160813105º2715 7175º61175º1318180º71290º59 hs48 hs37 hs26 hsSACO UNA FOTOCADA 1 HORAUna nave extraterrestre llega a la tierra y obtiene una fotodel cielo cada un determinado tiempo1ESTE10CONCLUSIÓN: La tierra gira hacia el ESTE a 1 revolución cada 24 HORAS
12 hs13 hs14 hs15 hs16 hs1117 hs1218 hs10978611 hs10 hsNºHoraAnguloNºHoraAngulo160813105º2715 7175º61175º1318180º71290º59 hs4SACO UNA FOTOCADA 25 HORAS13OESTEUna nave extraterrestre llega a la tierra y obtiene una fotodel cielo cada un determinado tiempo8 hs337 hs26 hs1ESTE11CONCLUSIÓN: La tierra gira hacia el ESTE a 1 revolución cada 24 DÍAS
12 �61290º131290º71290ºSACO UNA FOTOCADA 24 HORASOESTEUna nave extraterrestre llega a la tierra y obtiene una fotodel cielo cada un determinado tiempoCONCLUSIÓN: La tierra NO GIRAESTE12
fo 2 f MAXSE PUEDE RECONSTRUIR LA SEÑAL ORIGINAL10-1010203040fo 2 f MAX5060708090t[seg.] 100708090100ESTÁ EN EL LÍMITE10-101020fo 2 f MAX30405060t[seg.]NO SE PUEDE RECONSTRUIR LA SEÑAL ORIGINAL10-101020304050607080APARECE UNA SEÑAL DE UNA FRECUENCIA DISTINTA (ALIAS)9013t[seg.]100
Cuantificación: Una vez tomadas las muestras se analiza su amplitud. Como semencionó anteriormente una señal digital es cuantizada lo que significa que, adiferencia de la señal analógica no puede tomar cualquier valor en amplitud.El proceso de conversión se podría representar sobre la gráfica de la señal en un planotiempo-amplitud. El muestreo consistiría entonces en dividir el eje de tiempo enintervalos regulares y tomar de la señal solo los puntos que coinciden con el extremo delos segmentos. De la misma manera podemos dividir el eje de amplitud en intervalos,tomar los puntos anteriores y evaluar su amplitud. Ahora, a los puntos cuyas amplitudescaigan en el interior de un segmento les asignamos valor del extremo más cercano Deesta manera la señal queda cuantizada ya que las muestras tendrán valores de amplitudpertenecientes a un conjunto predeterminado. Es claro que con este proceso se pierdeparte de la información y que la cantidad de información perdida será inversamenteproporcional a la cantidad de segmentos en los que dividamos el eje de amplitudes. Lacantidad de divisiones está dada por la Resolución del conversor. Esta magnitud se mideen bits si se codifica en código binario.
Codificación: Consiste en el pasaje de los datos cuantizados al que se utilicepara transmitirlos y almacenarlos. En la mayoría de los casos se utiliza el códigobinario donde la información se almacena en bits. Un bit es la unidad elementalde información digital y consiste en un 0 o 1 binario, de esta manera la cantidadde bits que procese el conversor informa sobre la cantidad de dígitos binariosque este maneja. Por ejemplo, un conversor de 1 bit sería aquel que sóloclasifica amplitudes en dos (21 ) categorías: (Apagado, No, Falso) y 1 (Encendido,Si, Verdadero), un conversor de 2 bits tendría cuatro (22 ) categorías, etc. Así, unconversor de n bits tendría 2n divisiones en la escala de amplitud. Como ejemploel audio digital tiene una resolución de 16 bits por loque su escala deamplitudes admite 65536 valores posibles y la TV digital procesa en 8 bits por loque distingue entre 256 colores.
¿ Por qué han tardado tanto en aparecer los osciloscopios digitales para uso corriente ?Hasta hace relativamente poco, no habían aparecido conversores A/D suficientementerápidos y suficientemente precisos para construir osciloscopios de uso general. Ademáslos osciloscopios digitales necesitan memoria de escritura rápida para almacenar losdatos tan rápido como se muestrean. De nuevo hasta hace poco no han aparecido talesmemorias.Estructura de un osciloscopio de memoria digital.Los osciloscopios digitales tienen partes comunes con los osciloscopios analógicos, perosu forma de trabajo se basa en una filosofía diferente. El esquema simplificado, porbloques, de un Osciloscopio digital es el representado en la próxima figura. Podemosobservar que la estructura cambia, pues, en lugar del amplificador vertical que ataca lasplacas, un osciloscopio digital toma muestras discretas de la señal y luego la reconstruyesobre la pantalla.
ATENUADORPREAMP.INTERFAZ A/DCONVERSOR A/DMEMORIA A/DVERTICALENTRADA CANAL 1MICROPROSESADORATENUADORPREAMP.INTERFAZ A/DCONVERSOR A/DVERTICALPANTALLAMEMORIA A/DENTRADA CANAL 2ATENUADORENTRADADISPAROINTERNOGATILLORETRASO DELDETENCION DE LACRISTAL QUECOMPARADORCONTADORADQUISICIONCONTROLA LA BASE DETIEMPO
En el sistema digital cada canal tiene un recorrido distinto, como puede verse en lafigura. Por tanto la adquisición se hace simultáneamente en ambos canales. Elatenuador y el preamplificador, por el contrario, son comunes a los osciloscopiosanalógicos y digitales y realizan las mismas funciones.Lo que cambia es el bloque siguiente, que es el conversor A/D. En lugar de amplificar laseñal y usarla para producir la deflexión de las placas verticales, el osciloscopio digitalcambia la señal de entrada en una palabra digital mediante el conversor A/D. Hay variasmaneras de hacer una conversión A/D. Los osciloscopios utilizan el sistema de sucesivasaproximaciones o el sistema Flash converter, que es una conversión en paralelo. Elprimero es más sencillo pues solo requiere un comparador de voltaje.TUBO RAYOS CATÓDICOS La última diferencia entre un osciloscopio digital y otroanalógico es el tubo de rayos catódicos. En el Osciloscopio digital los datos sonalmacenados a la velocidad de muestreo, pero para sacarlos en la pantalla se hace auna velocidad menor. Por tanto se puede utilizar un tubo de más bajo costo, menorfiabilidad y más larga vida que uno de más alta frecuencia. Otra prestación más, es lafacilidad de implementar color.
Ventajas y desventajas del osciloscopio digitalVentajas: Los datos se captan simultáneamente por los dos canales; no es necesario el modochopeado o alternado del analógico. La imagen se puede guardar indefinidamente sin degradación. Debido a la arquitectura con microprocesador se pueden hacer medidasautomáticamente. Se puede pasar el contenido a una impresora o ploter. Conectado a una computadora se pueden automatizar las medidas. Las formas de ondas se pueden almacenar para posteriores comparaciones.Desventajas: Mayor costo, mayor mantenimiento. Menor velocidad. Menor sensación de realidad. Menor resolución. En el analógico tienes todos los puntos.
Conceptos básicos para usar el osciloscopio de una manera eficaz.El osciloscopio digital que tenemos en el laboratorio es el que se presenta en la siguientefigura:
Antes de utilizarlo es conveniente comprender los siguientes conceptos básicos.DisparoEl disparo determina el momento en el que el osciloscopio empieza a adquirir datos ymuestra una forma de onda. Cuando el disparo se configura adecuadamente, puedeconvertir representaciones inestables o pantallas vacías en formas de onda consignificado.En el momento en que un osciloscopio empieza a adquirir una forma de onda, recoge lossuficientes datos como para dibujar la forma de onda a la izquierda del punto de disparo.El osciloscopio sigue adquiriendo datos mientras espera a que se produzca la condiciónde disparo. Una vez que detecta un disparo, el osciloscopio sigue adquiriendo lossuficientes datos como para dibujar la forma de onda a la derecha del punto de disparo.
ModosEl modo de disparo determina cómo se comporta el osciloscopio en ausencia de unevento de disparo. El osciloscopio proporciona dos modos de disparo. Auto y Normal.Auto. Este modo de disparo permite que el osciloscopio adquiera una forma de ondaincluso si no detecta una condición de disparo. Si no se produce una condición dedisparo mientras el osciloscopio espera durante un intervalo concreto (determinado porel ajuste de base de tiempo), forzará él solo un disparo. Al forzar disparos no válidos, elosciloscopio no puede sincronizar la forma de onda, y ésta parece desplazarse por lapantalla. Si se produce un disparo válido, la representación se estabiliza en la pantalla.Normal. El modo normal permite que el osciloscopio adquiera una forma de onda sólo siésta es disparada. Si no se produce un disparo, el osciloscopio no adquirirá la nuevaforma de onda, y la forma de onda anterior, si la hubiera, permanecerá en la pantalla.
AcoplamientoEl acoplamiento de disparo determina qué parte de la señal pasa al circuito de disparo.Los tipos de acoplamiento incluyen CC, CA, rechazo de ruido y rechazo de bajafrecuencia.Escala horizontal y posición, información de predisparo : Puede ajustar el controlPosición Horizontal para ver los datos de la forma de onda antes del disparo, despuésdel disparo, o un poco de cada.Medición y formas de ondas. Como realizar las medidasEl osciloscopio muestra gráficas de voltaje respecto al tiempo, y puede ayudarle amedir la forma de onda mostrada. Hay varias maneras de realizar medidas. Puedeutilizar la gratícula, los cursores o una medición automática.Gratícula :Este método permite realizar una estimación visual rápida. Por ejemplo, esposible que examine la amplitud de una forma de onda y compruebe que es un pocomenor de 100 mV. Puede realizar medidas sencillas contando las divisiones de gratículaprincipales y secundarias implicadas, y multiplicando por el factor de escala.
Por ejemplo, si contó cinco divisiones principales verticales de gratícula entre losvalores mínimo y máximo de una forma de onda y sabía que estaba usando un factorde escala de 100 mV/división, entonces podría calcular fácilmente el voltaje de pico apico de la siguiente manera: 5 divisiones x 100 mV/división 500 mV.CursoresEste método permite realizar medidas moviendo los cursores, que aparecen siempreen pares, y leer sus valores numéricos en las lecturas de la pantalla. Hay dos tipos decursor: Voltaje y Tiempo. Cuando utilice cursores, asegúrese de establecer la Fuenteen la forma de onda que desea medir.
Cursores de voltaje. Los cursores de voltaje aparecen como líneas horizontales enla pantalla, y miden los parámetros verticales. Cursores de tiempo. Los cursores de tiempo aparecen como líneas verticales en lapantalla, y miden los parámetros horizontales. Automatizadas. Cuando se realizan medidas automatizadas, el osciloscopio realizatodos los cálculos por usted. Debido a que estas medidas usan los puntos de registrode la forma de onda, son más precisas que las medidas realizadas con la gratícula olos cursoresLas medidas automáticas usan las lecturas para indicar los resultados de medidas.Estas lecturas se actualizan periódicamente a medida que el osciloscopio adquierenuevos datos.Configuración del osciloscopioDebe familiarizarse con las tres funciones que usará más a menudo al trabajar con ión,yrecuperarunaconfiguración. Se incluye una descripción de los ajustes predeterminados para unuso normal del osciloscopio.
La función Autoconfigurar obtiene por usted una representación estable de una forma deonda. Ajusta automáticamente la escala vertical y horizontal, así como los ajustes deacoplamiento de disparo, tipo, posición, pendiente, nivel y modo.Guardar una configuración El osciloscopio guarda la configuración de manerapredeterminada cada vez que se apaga. Asimismo, recupera esta configuración lasiguiente vez que se enciende.NOTA. Después de cambiar la configuración por última vez, debe esperarpor lo menos cinco segundos antes de apagar el osciloscopio.También puede guardar permanentemente en la memoria del osciloscopio hasta cincoconfiguraciones y sobrescribirlas según necesite.Recuperar una configuración El osciloscopio puede recuperar cualquiera de lasconfiguraciones guardadas o la que venía de fábrica.Valores originales (configuración de fábrica) Cuando se entrega de fábrica, el osciloscopioestá configurado para un uso normal. Puede recuperar esta configuración original encualquier momento para usarlo con, o partiendo de, los ajustes originales de fábrica.
La pantalla del osciloscopio digital. Indicaciones
Algunas cosas que deben conocerse antes de ocupar el osciloscopio.Conectar las puntas de prueba al osciloscopio si tener conectado el generador. Loprimero que se aconseja es oprimir el botón configurar que tiene de fábrica unaconfiguración fija y aparece en la pantalla una señal.AutoSet. Ajusta automáticamentelos controles del osciloscopio parareproducir las señales de entrada.Está programada de fábrica
Al introducir en el canal una señal conviene oprimir el botón autorrango que adopta losvalores internos del osciloscopio y muestra la señal a medir de la mejor manera posible.Posteriormente se entra a la parte deAuto Rango. Muestra el menú de rango automático y activa odesactiva la función “ Escala automática ”. Cuando el rangoautomático está activado enciende la luz del LED que está asu izquierda.
Se configura el canal vertical elegido con los botonesó A la izquierda de la pantalla se observa el cursor de dicho canal. En la parte inferior izquierda el valor de la amplitud de cada cuadro seleccionado. En la derecha (botones 1 a 5) el menú de opciones que se detallan a continuación.Cambia la posición en forma vertical12345Cambia la escala vertical, el valor de la escala adoptada se observa en la parteinferior izquierda de la pantalla
1Según sea el canal elegido se adopta el acoplamiento de la señal en modo DC ,AC o GND.2Limita el ancho de banda de la señal a 20 MHz o no lo habilita y trabaja conseñales hasta 40 MHz. Cuando está habilitado 40 MHz hay que recordar elTeorema de Nyquist.3Da al ajuste de la escala vertical una ganancia variable fina o gruesa. Su valor seobserva en la parte inferior izquierda de la pantalla.4Cuando se oprime da la posibilidad de medir voltaje o corriente si se trabaja con 1o 2. El tercer botón de la atenuación de la punta de prueba.5Permite invertir la señal de entrada o no si está en el modo de selección decanales. Cuando esta oprimido el botón 4 permite regresar al menú anterior.
Para efectuar una medición debe oprimirse el botón (medidas) : measure y se ingresa almenú de medidas que se observa a la derecha de la pantalla.Selecciona el canal que se deseaobservarSelecciona que se desea medirCon este botón se vuelve atrás almenú anterior Valor pico a picoValor medio cuadrático RMSValor máximoValor mínimoEtcAquí se muestra el valor seleccionado
Control de la base de tiempo del osciloscopioPosición (Position). Ajusta la posición horizontalde todas las formas de onda del canalseleccionado. La resolución de este control varíacon la con figuración de base de Tiempo.La posición del cursor se muestra aquí.La ubicación con respectoal centro de la pantalla esobservada en este lugar.La lectura muestra laconfiguración de la basede tiempo principal.Muestra el menú Horizontal.Selecciona el tiempo horizontalpor div (factor de escala) para labase de tiempo.Posiciona el Cero. Define la posiciónhorizontal a cero en el centro de la pantalla.
Control de disparo del osciloscopioNivel. Cuando se utiliza este botónde Nivel determina qué nivel deamplitud debe tener la señal deentrada para adquirir una formade onda en forma estable.Menú de disparo. Muestra elmenú de disparo en la partederecha de la pantalla 1.2.3. 1.2.3. 1.2. 1.2. 1.2.3.4.5.Tipo: indica que tipo de disparo es:FlancoVideoPulsoFuente: El disparo �ticoNormal.AcoplamientoCACCFiltro de ruidoFiltro rechazo de alta frecuenciaFiltro rechazo de baja frecuencia
Conectores de entradaExt Trig. Toma de entrada una fuentede disparo externo. Utilice el menúDisparo para seleccionar la fuenteExt disparador o Ext / 5.1, 2. Conectores de entrada para lavisualización de forma de onda
SONDA COMP Sonda salida de compensación y referenciachasis. Se utiliza verificar que el osciloscopio midacorrectamente. En la salida hay una señal interna aldispositivo de onda cuadrada de 5 V , 1 KHz.Puerto USB. Inserte una unidad USB para el almacenamiento o recuperación de datos.El osciloscopio muestra un símbolo de reloj para indicar cuando la unidad de flash estáactiva. Después de un archivo se guarda o se recupera, el osciloscopio quita el reloj, ymuestra una línea de pista para notificar la finalización de la operación de escritura o derecuperación. Para las unidades de USB con un LED, el LED parpadea al escribir datosen la unidad o recuperar los datos del disco. Espere hasta que el LED deje de parpadearpara eliminar la unidad.
AHORA A PRACTICAR CONEL OSCILOSCOPIO DIGITALHERRAMIENTA UTIL PARATODO PROFESIONAL.Gracias por la atención dispensada en clase
Los osciloscopios digitales tienen partes comunes con los osciloscopios analógicos, pero su forma de trabajo se basa en una filosofía diferente. El esquema simplificado, por bloques, de un Osciloscopio digital es el representado en la próxima figura. Podemos observar que la estructura cambia, pues, en lugar del amplificador vertical que .
