introducción a los osciloscopios · tradicional osciloscopio digital ... electrones, si éste se...
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Introducción a los Osciloscopios
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MEDICIONES ELÉCTRICAS IDepartamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica
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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– 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 analógicosSincronización de la señal: el disparo (TRIGGER)
Es necesario conseguir que comience cada barrido siempre en el mismo punto
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Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos
• 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
(Inicio de barridos horizontales)
Sincronización de la señal: el disparo (TRIGGER)
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Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicosSincronización de la señal: el disparo (TRIGGER)
Nivel de
disparo
Pendiente de disparo
La selección de un nivel
de disparo correcto es
fundamental para
obtener una imagen
estable de la señal
Circuito
de
muestreo
Señal
Memoria
MicroprocesadorConversor
A/Dsdjfhkjsdhf
Pantalla
Teclado
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Principio de funcionamiento de osciloscopios digitales
fs = Frecuencia de muestreo
(en muestras/segundo o
samples/segundo).
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Principio de funcionamiento de osciloscopios digitales
– Métodos de muestreo
Muestreo en tiempo real: El osciloscopio es capaz de adquirir la cantidad necesaria de
puntos durante un barrido de la forma de onda
Muestreo en tiempo real interpolado:En este método se recolectan unas pocas
muestras o puntos de la señal en un solo
barrido (en modo de tiempo real) y se
utiliza interpolación para llenar los “gaps”
o espacios entre muestras.
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Principio de funcionamiento de osciloscopios digitales
– Métodos de muestreo
Muestreo en tiempo equivalente: Con esta técnica se reconstruye la señal
adquiriendo un punto diferente en cada ciclo de muestreo. Esta técnica no-
secuencial asume que la señal es completamente periódica y su utilización es
conveniente en casos en que la frecuencia de la señal es superior a la mitad de la
tasa de muestreo fs máxima del osciloscopio
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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
– 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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Pinza a
masa
Punta retráctil
conectada al
circuito a medir.
Medir una señal con exactitud es dificil por la
carga del circuito. Existe una inexactitud por la
interacción entre la punta de prueba y el
osciloscopio. Para prevenir esta interaccion, la
punta tiene un atenuador, que puede ser
conmutada x10 ó por x1.
Cuando usamos x10, la amplitud es reducida
por una factor =10, pero la lectura será más
exacta
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Puntas de prueba
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Controles básicos: Configuración vertical
– VOLTS / DIV
– POSITION
– COUPLING
• AC
• DC
• GND
– INV
– ALT/CHOP
– ADD
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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.
20Controles básicos: Configuración vertical
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– POSITION
Controla la posición vertical de la señal de cada canal en la pantalla.
(Ajuste continuo)
21Controles básicos: Configuración vertical
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– COUPLING
(Modo de Acoplamiento)
• AC
• DC
• GND
22Controles básicos: Configuración vertical
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– COUPLING
• DC
La señal es visualizada con sus componentes AC + DC
23Controles 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.
24Controles básicos: Configuración vertical
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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.
25Controles 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)
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Controles básicos: Configuración vertical
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– 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)
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Controles básicos: Configuración vertical
• ALT (alternado)Se barre un canal por barrido, en forma alternativa.
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• 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
30 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)
31 Configuración horizontal
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– POSITION ↔
Controla la posición horizontal de la/s señal/es visualizadas en la pantalla. (Ajuste continuo)
32 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.
33(tirar hacia afuera)
Controles básicos: Configuración horizontal
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– MAG X10 (Magnificación horizontal)
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Controles básicos: Configuración horizontal
– 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.
35Controles 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.
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Controles básicos: Configuración horizontal
– 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)
37 Configuración horizontal
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– TIME BASE
• DELAYED
Selección y ajuste horizontal de la base de tiempo retardada.
38 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.
39 Configuración horizontal
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– TIME BASE
• MIXED
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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
41Configuración de disparo (trigger)
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– LEVEL & SLOPE
• (+) (pendiente positiva)
• (-) (pendiente negativa)
Configuración del nivel y pendiente de disparo.
42 Configuración de disparo (trigger)
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– LEVEL & SLOPE (Nivel y pendiente)
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Pulsos de
disparo
Nivel de disparo
Señal de
entrada
• Nivel: 0%
• Pendiente: (+)
Punto inicial
del barrido
Configuración de disparo (trigger)
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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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45
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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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
47 Configuración de disparo (trigger)
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– 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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– 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)
50 Configuración de disparo (trigger)
Ejemplo de una señal en la que debe
ser utilizado el ajuste Hold-Off:
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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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– HOLD-OFF
• Visualización incorrecta (sin hold-off)
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• Visualización correcta (con hold-off)
Configuración de disparo (trigger)
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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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– 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
– Medición del valor de amplitud de una señal
Ejemplo)
55 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:
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– Medición de periodo - frecuencia de una señal
Ejemplo)
56 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
57 Mediciones básicas con osciloscopios analógicos
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 señal• Modo XY
58 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 vertical (y): Señal canal 1
Escala horizontal (x): 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 señal• Ajuste continuo de la base de tiempo
59 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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– Sonda pasiva de tensión (1-10X)
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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
MEDICIONES ELÉCTRICAS IDepartamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica
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Efecto de carga sobre el circuito de medida. Error de inserción.
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• La impedancia del osciloscopio + sonda 1x disminuye con la frecuencia de la señal a medir(1MΩ en cc pero baja si f sube)
• Se usa la sonda 1x si Z0 >> Rs o si la medida se toma a baja frecuencia.
Circuito a medir + sonda 1x + Osciloscopio :
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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
𝑍0 =𝑅𝑂
1𝑗 𝜔(𝐶𝑂 + 𝐶𝐶)
𝑅0 +1
𝑗 𝜔(𝐶𝑂 + 𝐶𝐶)
=𝑅𝑂
𝑗 𝑅𝑂(𝐶𝑂 + 𝐶𝐶) 𝜔 + 1=
𝑅𝑂
𝑗𝐵 𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝐵 = 𝑅𝑂(𝐶𝑂 + 𝐶𝐶) 𝜔 + 1
𝑍𝑃 =𝑅𝑃
1𝑗 𝜔𝐶𝑃
𝑅𝑃 +1
𝑗 𝜔𝐶𝑃
=𝑅𝑃
𝑗 𝑅𝑝𝐶𝑝 𝜔 + 1=
𝑅𝑃
𝑗𝐴 𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝐴 = 𝑅𝑝𝐶𝑝 𝜔 + 1
𝑉0
𝑉𝑖=
𝑍0
𝑍𝑃 + 𝑍0=
𝑅0
𝑗𝐵𝑅𝑃
𝑗𝐴 +𝑅0
𝑗𝐵
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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
𝐼 =𝑉𝑖
𝑍𝑃 + 𝑍0=
𝑉0
𝑍0
Si se cumple que entonces A = B en las ecuaciones anteriores, por ende:𝑅𝑃𝐶𝑃 = 𝑅𝑜 𝐶𝐶 + 𝐶𝑜
𝑉0
𝑉𝑖=
𝑍𝑆
𝑍𝑃 + 𝑍0=
𝑅0
𝑗𝐵𝑅𝑃𝑗𝐵 +
𝑅0𝑗𝐵
𝑉0
𝑉𝑖=
𝑅0
𝑅𝑃 + 𝑅0
Si se elige que Rp =10 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.
𝑉0
𝑉𝑖=
𝑍0
𝑍𝑃 + 𝑍0=
𝑅0
𝑗𝐵𝑅𝑃𝑗𝐴 +
𝑅0𝑗𝐵
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• Se usa la sonda 10x si la medida se toma a alta frecuencia.
– 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:
64 Conectores de entrada / salida
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𝑅𝑃𝐶𝑃 = 𝑅𝑜 𝐶𝐶 + 𝐶𝑜
– GND (Ground)Conector que provee una conexión adicional al potencial de tierra (referencia de ambos canales y tierra de alimentación del osciloscopio)
65 Conectores de entrada / salida
MEDICIONES ELÉCTRICAS IDepartamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica
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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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– Las cubiertas / referencias de los conectores BNC de los canales de entrada se encuentran generalmente puenteadas entre sí y conectadas a la tierra de la alimentación del osciloscopio.
– Por lo tanto, debe tenerse la precaución de no conectar las puntas de referencia de ambas sondas pasivas de tensión a potenciales diferentes entre sí.
– Además, en mediciones de circuitos con alimentación referenciada a tierra, debe procurarse no conectar la punta de referencia de la sonda pasiva de tensión a un punto con potencial respecto a tierra.
Consideraciones sobre conexiones
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– Medición de una señal en un circuito con alimentación flotante (no referenciada a tierra)
68 Consideraciones sobre conexiones
Ejemplo:
Placa adquisidora
alimentada por una
batería de 9V
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– Medición de una señal en un circuito con alimentación flotante (no referenciada a tierra)
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Fuente de alimentación
flotante
Consideraciones sobre conexiones
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– Medición de una señal en un circuito con alimentación referenciada a tierra
70 Consideraciones sobre conexiones
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– Medición de una señal en un circuito con alimentación flotante (no referenciada a tierra)
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Lazo de baja impedancia formado en
el conjunto osciloscopio – sonda -
circuito bajo prueba – fuente de
alimentación, al conectar la punta de
referencia de la sonda pasiva de
tensión a un punto con potencial
respecto a tierra.
Consideraciones sobre conexiones
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