OSCILOSCOPIO

 

El osciloscopio de Rayos catódicos es un dispositivo que permite desplegar la amplitud de señales eléctricas ya sea del voltaje, corriente, potencia, etc, principalmente como una función de tiempo. El osciloscopio depende del movimiento de un haz de electrones, el cual se hace visible cuando choca contra una superficie de fósforo, lo que produce un punto visible. Si el haz de electrones se debía por cualquiera de los dos ejes ortogonales, conocidos como ejes X y Y para la construcción de gráficas convencionales, el punto luminoso se puede utilizar para formar una presentación en dos dimensiones. El eje X se desvía en un valor constante, con respecto al tiempo, y el eje vertical o Y se desvía en respuesta a una excitación de entrada como el voltaje, lo que es muy importante para el desarrollo de circuitos electrónicos.

Desde hace tiempo se cuenta con dispositivos de registro con base de tiempo, como los registradores de pluma o los de rollo de cartas; sin embargo, el osciloscopio tiene una velocidad de operación mucho más rápida. Más que registrar eventos en un periodo de pocos segundos, lo cual es tarea básica de un registrador de tipo mecánico, el osciloscopio exhibe eventos que acontecen durante períodos de microsegundos o nanosegundos.

 

TUBO DE RAYOS CATÓDICOS: TEORÍA Y CONSTRUCCIÓN

El tubo de rayos catódicos (CRT) es el corazón del CRO (Osciloscopio de rayos catódicos) y suministra una presentación visual de la forma de onda de una señal de entrada. Un CRT contiene cuatro partes básicas:

  • Un cañón de electrones para producir un flujo de electrones.
  • Elementos de enfoque y aceleración para producir un haz de electrones bien definido.
  • Placas deflectoras horizontales y verticales para controlar la trayectoria del rayo de electrones.
  • Una ampolla de vidrio al vacío con una pantalla fosforescente que brilla en forma visible cuando incide sobre el haz de electrones.

 

OPERACIÓN DEL OSCILOSCOPIO DE RAYOS CATÓDICOS

Para que opere como un osciloscopio, el haz de electrones es deflectado horizontalmente por un voltaje de barrido y verticalmente por el voltaje a ser medido. Mientras la señal de barrido deflexiona al haz de electrones a través del frente del CRT por horizontal, la señal de entradadeflecta el haz verticalmente, lo que da como resultado la imagen de la forma de onda de la señal de entrada. Un barrido del haz a través de la cara del tubo es seguido por un periodo en "blanco", durante el cual el haz se apaga mientras regresa al punto inicial a través del frente del tubo.

Una visualización más estable se obtiene cuando el haz barre repedidamente del tubo con la misma imagen exacta en cada barrido. Esto requiere una sincronización, comenzando el barrido en el mismo punto de un ciclo de la forma de onda repetitiva. Si la señal está sincronizada de forma adecuada, la imagen visualizada se mantendrá fija; si no hay sincronización parecerá que la imagen se mueve horizontalmente a través de la pantalla.

PARTES BASICAS DE UN CRO

En la figura 1.0 se muestran las partes básicas de un CRO. Consideraremos primero la operación del CRO a partir de este diagrama de bloques simplificado. Para obtener una deflexión observable el haz, desde uno o varios centímetros, el voltaje usual que se aplica a las placas deflectoras debe estar en el orden de decenas a cientos de volts. Debido a que las señales medidas con la ayuda de un CRO son típicamente de unos cuantos o de hasta unos cuantos milivolts, se necesitan circuitos amplificadores para incrementar la señal de entrada a los niveles del voltaje requeridos para operar el tubo. Hay secciones de amplificación para la deflexión vertical y horizontal del haz. Para ajustar el nivel de una señal, cada entrada pasa a través de un circuito atenuador que puede ajustar la amplitud de la imagen.

Figura 1.0 Osciloscopio de rayos catódicos.

Diagrama de bloques general

 

OPERACIÓN DEL BARRIDO DEL VOLTAJE

 

 

Cuando la entrada vertical es 0 V, el haz de electrones puede estar posicionado en el centro vertical de la pantalla. Si también se aplica 0 V a la entrada horizontal, el haz está entonces al centro de la parte frontal del CRT y permanece como un punto estacionario. Los controles de posición vertical y horizontal permiten el movimiento del punto a cualquier lugar de la parte frontal del tubo. Cualquier voltaje de dc aplicado a una entrada dará como resultado el desplazamiento del punto. La figura 1.1 muestra una parte frontal de un CRT con un punto centrado y con un punto desplazado por un voltaje horizontal positivo ( a la derecha) y por un voltaje de entrada vertical negativo (hacia abajo respecto al centro).

 

 

a) punto centrado debido al haz de electrones estacionario

 

b) punto estacionario fuera del centro.

 

Figura 1.1 Imagen en la pantalla del CRT debido al haz de electrones estacionario

Señal de barrido horizontal

 

Para ver una señal en la parte frontal del CRT es necesario deflectar el haz a través del CRT con una señal de barrido horizontal, para que cualquier variación de la señal vertical pueda observarse. La figura 1.2 muestra la línea recta que se visualiza para un voltaje positivo aplicado a la entrada vertical, usando una señal de barrido lineal (diente de sierra) que se aplica al canal horizontal. Con el haz de electrones mantenido a una distancia vertical constante, el voltaje horizontal, yendo de voltaje negativo a cero y a positivo, causa que el haz se mueva de la izquierda al centro y a la derecha. La imagen resultante es una línea recta por arriba del centro vertical, con el voltaje de dc representado adecuadamente como línea recta.

 

Figura 1.2 Imagen del osciloscopio para la señal vertical dc y la señal de barrido horizontal lineal.

 

   

figura 3.

 

El voltaje de barrido se muestra como una forma de onda continua y no como un solo barrido. Esto sólo es necesario si se observa la imagen un tiempo largo. Un solo barrido a través de la parte frontal del tubo rápidamente se desvanece. Mediante la repetición del barrido se genera la imagen una y otra vez, y si se genera suficientes barridos por segundo la imagen aparece en forma continua. Si la velocidad del barrido se hace más lenta (mediante los controles de la base de tiempo del osciloscopio), se puede observar el desplazamiento real del haz a través de la parte frontal del tubo.

La aplicación de sólo una señal senoidal a las entradas verticales (sin barrido horizontal) da como resultado Una línea recta vertical, como se muestra en la figura 1.3. Si la velocidad del barrido (frecuencia) de la señal senoidal se reduce, es posible observar al haz de electrones moviéndose hacia arriba y abajo a lo largo de una trayectoria recta. 

Uso de barrido de diente de sierra lineal para visualizar entrada vertical

Para apreciar una señal senoidal es necesario usar una señal de barrido en el canal horizontal para que la señal aplicada al canal vertical pueda verse en la parte frontal del tubo. La figura 1.4 muestra la imagen resultante en el CRO de un barrido lineal al horizontal y de una entrada senoidal al canal vertical al canal vertical. Para que un ciclo de la señal de entrada aparezca como se muestra en la figura 1.4, es necesario que las frecuencias de la señal y del barrido lineal estén sincronizadas. Si hay cualquier diferencia, la imagen parecerá moverse (por no estar sincronizada), a menos que la frecuencia de barrido sea algún múltiplo de la frecuencia senoidal. Al bajar la frecuencia de barrido permite que se observen más ciclos de la señal senoidal y, a la vez, el incremento de la frecuencia de barrido da como resultado menos ciclos de la señal senoidal de la entrada vertical, apareciendo, por tanto, como una magnificación de una parte de la señal de entrada.

Figura 1.4

 

MEDICION UTILIZANDO LAS ESCALAS CALIBRADAS

 

La parte frontal del osciloscopio tiene una escala calibrada que se usa para hacer mediciones de amplitud o tiempo. La figura 1.5 muestra una típica escala calibrada. Los cuadros están divididos en centímetros (cm) con 4 cm a cada lado del centro. Cada centímetro (cuadro) está dividido adicionalmente en intervalos de 0.2 centímetros.

Mediciones de amplitud

La escala vertical está calibrada en volts por centímetro (V/cm) o milivolts por centímetro (mV/cm). Usando el ajuste de escala del osciloscopio y la señal exhibida en la parte frontal del osciloscopio, se pueden medir voltajes pico a pico de una señal ac.

Mediciones de tiempo.

PERIODO

La escala horizontal del osciloscopio puede usarse para medir el tiempo en segundo (s) milisegundos (ms), microsegundos (Ás) o nanosegundos (ns). El intervalo de un pulso desde su inicio hasta su final es el periodo del pulso. Cuando la señal es repetitiva, el periodo es un ciclo de la forma de onda.

FRECUENCIA:

La medición de frecuencia del periodo de una forma de onda repetitiva puede usarse para calcular la frecuencia de la Señal. Debido a que la frecuencia es el recíproco del periodo.

 

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