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¿Qué es un osciloscopio?
Un osciloscopio es un instrumento de prueba electrónico que muestra señales eléctricas de forma gráfica, habitualmente como una relación entre una tensión (eje Y o vertical) y un tiempo (eje X u horizontal). La intensidad o brillo de la forma de onda se considera en ocasiones el eje Z. Existen algunas aplicaciones en las que se utilizan otros ejes verticales (como la corriente), otros ejes horizontales (como la frecuencia) u otra tensión.
Los osciloscopios también pueden medir las señales eléctricas que se generan en respuesta a determinados estímulos físicos, como por ejemplo el sonido, la tensión mecánica, la presión, la luz o el calor. Por ejemplo, un técnico puede utilizar un osciloscopio para comprobar las señales de la placa de circuito de un aparato, o incluso un investigador médico puede utilizarlo para la medición de las ondas cerebrales.
Los osciloscopios se suelen utilizar para realizar mediciones con distintos propósitos, como por ejemplo:
Los osciloscopios tienen varios tipos de controles muy útiles a la hora de analizar las formas de las ondas que se muestran en una cuadrícula gráfica en la pantalla. La cuadrícula gráfica se dividen en secciones a lo largo del eje horizontal y vertical. En estas secciones, es más fácil comprobar que cuales son los parámetros principales de la forma de onda.
Existen dos tipos de osciloscopios: analógicos y digitales. Ambos tipos de osciloscopios tienen ventajas e inconvenientes. A continuación le facilitamos más información acerca de los tipos de osciloscopios.
Si para usted es prioritario visualizar las variaciones rápidas de las señales de entrada en tiempo real, entonces es preferible que utilice un osciloscopio analógico. Los osciloscopios analogicos trabajan con unas variables continuas y directamente con una señal aplicada y, está una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. Los osciloscopios analógicos utilizan previamente un conversor analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla.
Con un osciloscopio analogico, la tensión que quiere medir, se aplica a las placas de desviación vertical oscilante de un tubo de rayos catódicos (utilizando un amplificador con alta impedancia de entrada y ganancia ajustable) mientras, que a las placas de desviación horizontal se aplica una tensión en diente de sierra (denominada así porque, de forma repetida, crece suavemente y luego cae de forma brusca). Esta tensión se produce en un circuito oscilador apropiado y su frecuencia, se puede ajustar dentro de un amplio rango de valores, lo que permite adaptarse a la frecuencia de la señal a medir. Esto es lo que se denomina base de tiempos.
Un osciloscopio analógico tiene algunas limitaciones como:
Los osciloscopios digitales en la actualidad son más utilizados que los osciloscopios analógicos. Los osciloscopios digitales se usan cuando quiere visualizar y estudiar eventos no repetitivos, es decir, picos de tensión que se producen de manera aleatoria. Los osciloscopios digitales tienen registro de datos y visualización de las señales. Cuando se conecta la sonda de uno de un osciloscopio digital a un circuito, la sección vertical ajusta la amplitud de la señal igual que un osciloscopio analógico. El sistema de registro de datos hace un muestreo de la señal a unos intervalos de tiempo determinados y, la señal se convierte en un voltaje continuo en una serie de valores digitales, denominados muestras. En la sección horizontal, una indicación determina cuando se toma una muestra. La velocidad de esta indicación se denomina velocidad de muestreo y, se mide en muestras por segundo. Estos valores se almacenan en la memoria como puntos de señal. El número de estos puntos de señal, que se utilizan para reconstruir la señal en la pantalla, se denomina registro. La sección de disparo determina el comienzo y el final de los puntos de señal en el registro, y almacenan en la memoria, para ver la señal en la pantalla. Dependiendo de la capacidad del osciloscopio, se pueden tener procesos opcionales sobre los puntos muestreados, y además, se puede disponer de un predisparo, para comprobar los procesos que tengan origen antes del disparo.
Una onda se describe como un patrón que se repite en el tiempo. Existen diferentes tipos de ondas, como las ondas de sonido, las ondas oceánicas, las ondas cerebrales, las ondas de tensión... Con un osciloscopio podrá medir las ondas de tensión. Una onda se compone de ciclos, que son la mínima parte de una onda. La forma de una onda nos facilita una información valiosa sobre la señal. Por ejemplo, podemos comprobar la altura que alcanza, y así sabremos si la tensión ha cambiado en algún momento o, si vemos una línea horizontal, nos indica que ese período de tiempo la señal es constante.
Las ondas se pueden clasificar en cuatro tipos diferentes, que a continuación le indicamos.
Una onda senoidal, es la curva que representa gráficamente el valor de la tensión de la corriente alterna a través de un tiempo continuamente variable, marcado en un eje de amplitud y otro de tiempo. Estas poseen algunas características. Las ondas senoidales como varían continuamente, es decir no existen dos puntos adyacentes en el gráfico con el mismo valor, y ejemplo de esto son las ondas analógicas.
Las ondas cuadradas es la onda de corriente alterna que cambia su valor entre dos valores externos sin pasar por los valores intermedios, totalmente lo contrario que ocurre en una onda senoidal. Este tipo de ondas cuadradas se utilizan principalmente para la generación de pulsos eléctricos que se usan como señales (1 y 0) que pueden manipularse fácilmente. Por ejemplo, un circuito electrónico que genera este tipo de ondas se denomina como generador de pulsos.
Las ondas rectangulares también son periódicas al igual que las ondas senoidales. Aunque, los gráficos de estas ondas rectangulares no varía continuamente en el tiempo, sino que la onda mantiene un valor durante un tiempo y, posteriormente cambia de forma repentina a otro valor. Este valor se mantiene durante un tiempo corto, y vuelve a cambiar a su valor original. Las ondas rectangulares representa una señal digital o pulsos, y al igual que ocurre con todas las ondas, se pueden describir en función de su amplitud, período y frecuencia.
Las ondas triangulares es un tipo señal periódica que presenta unas velocidades de subidas y de bajadas constantes. Lo habitual es que sean simétricas, es decir que, los tiempos de subidas y bajadas son iguales. Las ondas triangulares tienen un bajo contenido de armónicos, por lo que tiene un parecido con las ondas senoidales.
Las señales, como los pulsos y los flancos, que solo se presentan una sola vez, se llaman señales transitorias. Un pulso o flanco, nos indica un cambio rápido en la tensión, como por ejemplo cuando conectamos un interruptor de alimentación. Un pulso indica, en este mismo ejemplo, que se ha conectado un interruptor y que en un determinado tiempo se ha desconectado. Habitualmente, el pulso representa un bit de información, que atraviesa un circuito o también un defecto pequeño en un circuito, como por ejemplo un falso contacto. Estas señales suelen ser comunes encontrarlas en ordenadores, en comunicaciones y equipos de rayos X.
El osciloscopio hace visible las tensiones invisibles. Un osciloscopio es un medidor electrónico que presenta de forma óptica la tensión eléctrica y su desarrollo en una pantalla. Puede observar dos coordenadas: una horizontal y otra vertical. El osciloscopio es uno de los medidores de diagnóstico más importante en ingeniería eléctrica. Podemos ofrecerle modelos para el uso móvil, pero también para el uso en talleres, o para los técnicos del desarrollo en laboratorios. Disponemos de osciloscopios USB, de mano o de mesa, con anchos de banda de 8, 20, 25, 40, 60, 80, 100, 150 y 200 MHz. El ancho de banda indica con qué frecuencia la amplitud de una curva sinusoidal decae con una salida de tensión de 3 dB.
El osciloscopio está disponible en versión analógica y digital, aunque hoy en día sólo se encuentran modelos digitales en el mercado, ya que la pantalla suele ser más grande y a color. También dispone de una mejor resolución en los rangos µV, y de un dispositivo antiparásito. Los modelos USB, digitales, osciloscopio en tiempo real y/o con registro de datos están equipados con 1, 2 o 4 canales, y una pantalla monocromático o a color. El osciloscopio digital suele disponer de un software opcional para imprimir los datos de pantalla o para transferir los valores de medición a un PC. Cualquier persona que desee hacer visible las formas de señal lo puede hacer con un osciloscopio de la tienda de PCE Instruments, lo que le permitirá analizar el desarrollo temporal de una tensión eléctrica.
Haga visible la corriente eléctrica: El moderador Wolfgang Rudolph explica el tema
¿Qué color tiene la corriente? En el vídeo "Conocimiento sobre el osciloscopio" el periodista y técnico Wolfgang Rudolph le explica cómo se hace visible la electricidad. Como el ser humano no dispone de ningún sentido para captar la corriente eléctrica, y la corriente eléctrica puede ser incluso mortal, en este vídeo se presentan medidores que hacen visible la corriente eléctrica. Para el ello, el moderador Wolfgang Rudolph trabajará con un osciloscopio de la casa PCE. La corriente no tiene ningún color. Para detectar la corriente necesitamos una ampliación de nuestros sentidos, es decir, instrumentos de medición. ¿Sabe cómo se mide la corriente? Los primeros instrumentos que medían la corriente fueron instrumentos que integraban una bobina. En cuanto corría la corriente, la aguja se movía.
Las características:
El parámetro más importante del osciloscopio es el ancho de banda. El ancho de banda indica con qué frecuencia la amplitud de una curva sinusoidal decae con una salida de tensión de 3 dB. Esto significa que en una medición de amplitud el error será mínimo del 30 %. Para estar seguro si la señal del osciloscopio se puede mostrar aún, se suele usar la siguiente fórmula:
El error de los osciloscopio seleccionados según esta fórmula es inferior al 2 %. Existen modelos analógicos (osciloscopio de tubo de rayos catódico) y digitales. Sin embargo, sólo ofrecemos modelos digitales. Un osciloscopio digital procesa la tensión de entrada con un transductor analógico-digital. Un parámetro importante del osciloscopio es la velocidad de muestreo. Esta indica con qué velocidad se procesa la señal de entrada del transductor analógico-digital. Para determinar si una señal con una frecuencia determinada se puede mostrar con un osciloscopio digital, se suele usar la siguiente fórmula:
En relación a la velocidad de muestreo encontramos otro parámetro importante: la profundidad de la memoria que se debe observar en una señal. La profundidad de la memoria indica cuantos puntos de señal puede detectar un osciloscopio para un registro de señal. Con la fórmula que indicamos a continuación se puede calcular el intervalo entre dos muestreos de un osciloscopio. Los cambios que sean más veloces no se podrán mostrar con el osciloscopio.
Para obtener una imagen estable y clara (oscilograma) en una señal periódica (esto puede ser una señal sinusoidal sencilla, pero también una señal muy compleja), es necesario parar en cada paso el haz de electrones hasta que la señal a medir haya alcanzado un determinado momento. Para ello se establece un valor de tensión determinado que normalmente se puede fijar libremente si se debe estar en un flanco de subida o bajada. Así se trazará con precisión una señal periódica sobre otra. Según el equipamiento del osciloscopio existen otras funciones de dispara o la posibilidad de usar un disparo (trigger) externo. Con frecuencia, un osciloscopio digital un osciloscopio registrador (DSO = digital storage oscilloscope), es decir, que ofrece la posibilidad de registrar las señales. Esto lo puede hacer con una conexión directa al PCE (USB o RS-232) o registrando los datos en una tarjeta de memoria o lápiz de memoria.
Algunos parámetros importantes del osciloscopio
A continuación hacemos una relación de algunas características técnicas más importantes de nuestros modelos de osciloscopio: