Un osciloscopio es un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que permite visualizar fenómenos transitorios así como formas de ondas en circuitos eléctricos y electrónicos. Por ejemplo en el caso de los televisores, las formas de las ondas encontradas de los distintos puntos de los circuitos están bien definidas, y mediante su análisis podemos diagnosticar con facilidad cuáles son los problemas del funcionamiento.
Con el osciloscopio se pueden visualizar formas de ondas de señales alternantes, midiendo su voltaje pico a pico, medio y rms.

Los osciloscopios son de los instrumentos más versátiles que existen y los utilizan desde técnicos de reparación de televisores hasta médicos. Un osciloscopio puede medir un gran número de fenómenos, provisto del transductor adecuado (un elemento que convierte una magnitud física en señal eléctrica) será capaz de darnos el valor de una presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un coche, etc.

  Es importante que el osciloscopio utilizado permita la visualización de señales de por lo menos 4,5 ciclos por segundo, lo que permite la verificación de etapas de video, barrido vertical y horizontal y hasta de fuentes de alimentación.

 Si bien el más común es el osciloscopio de trazo simple, es mucho mejor uno de trazo doble en el que más de un fenómeno o forma de onda pueden visualizarse simultáneamente.

Aplicaciones del Osciloscopio

 
Ya sea como instrumento de propósito general, como aquí lo hemos descrito, o como instrumento de propósito específico, el osciloscopio encuentra una gran variedad de aplicaciones que van desde la medicina hasta el terreno de la industria, pasando por supuesto por una amplia gama de usos científicos que cubren desde la física hasta la biología. Enseguida presentamos una breve lista de usos típicos del osciloscopio.

Medicina: Electrocardiógrafo; electroencefalógrafo; medición de presión arterial y venosa; medición de ritmo respiratorio; electro miógrafo (actividad eléctrica del tejido nervioso).

Radiocomunicaciones: Analizador de espectros; medido

res de modulación; medidores de frecuencia; prue

bas de líneas de transmisión.

Instrumentación Electrónica: medición de amplitud, frecuencia, fase y distorsión de señales eléctricas. Trazador de curvas.

(caracterización de dispositivos).

Navegación: Sistemas de radar; sistemas de sonar; señalizadores; sistemas de orientación; sistemas de simulación.

Física: Duración de eventos cortos (pulsos de nanosegundos a milisegundos); caracterización de materiales; monitoreo de eventos nucleares; experimentos de espectroscopia.

Industria: Sistemas de medición y prueba; monitoreo y pruebas en control de calidad.

Servicios: Reparación de equipo electrónico; afinación electrónica automotriz.

Funciones de doble trazo

A veces es cómodo mostrar dos señales simultáneamente en una pantalla de osciloscopio. Poe ejemplo, puede ser necesario mostrar y comparar directamente las ondas de entrada y de salida de un amplificador. Otro ejemplo es cuando se siguen determinados procedimientos de localización de fallas con mayor rapidez examinando simultáneamente dos señales de interés.   

                                    

 Se pueden conseguir osciloscopios que producen dobles imágenes empleando ya sea la técnica de doble trazo o de doble haz. Los osciloscopios de doble haz están equipados con tubos de rayos catódicos especiales con dos cañones de electrones y dos conjuntos de placas de deflexión vertical. Los osciloscopios de doble trazo por otra parte, producen la doble imagen mediante conmutación electrónica de dos señales separadas de entrada, Asi, los tubos de rayos catódicos de los osciloscopios de doble trazo sólo necesitan un cañón de electrones y un conjunto de placas deflectoras.

 Para generar un doble trazo, las salidas Ay B del preamplificador se alimentan a un interruptor electrónico que conecta alternativamente la entrada del amplificador vertical principal a las dos señales de entrada

Tipos de osciloscopios

Los osciloscopios, clasificados según su funcionamiento interno, pueden ser tanto analógicos como digitales. Los primeros trabajan con variables continuas mientras que los segundos lo hacen con variables discretas. Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada, está una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan previamente un conversor analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla.
Ambos tipos tienen sus ventajas e inconvenientes. Los analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos (picos de tensión que se producen aleatoriamente).

El primer control regula el eje X (horizontal) y aprecia fracciones de tiempo (segundos, milisegundos, microsegundos, etc., según la resolución del aparato). El segundo regula el eje Y (vertical) controlando la tensión de entrada (en Voltios, milivoltios, microvoltios, etc., dependiendo de la resolución del aparato).

Estas regulaciones determinan el valor de la escala cuadricular que divide la pantalla, permitiendo saber cuánto representa cada cuadrado de esta para, en consecuencia, conocer el valor de la señal a medir, tanto en tensión como en frecuencia.

La tensión a medir se aplica a las placas de desviación vertical 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 es producida mediante un circuito oscilador apropiado y su frecuencia puede ajustarse 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.

Osciloscopios analógicos
                                                                         

  Cuando se conecta la sonda a un circuito, la señal atraviesa esta última y se dirige a la sección vertical. Dependiendo de donde situemos el mando del amplificador vertical atenuaremos la señal ó la amplificaremos. En la salida de este bloque ya se dispone de la suficiente señal para atacar las placas de deflexión verticales y que son las encargadas de desviar el haz de electrones, que surge del cátodo e impacta en la capa fluorescente del interior de la pantalla, en sentido vertical. Hacia arriba si la tensión es positiva con respecto al punto de referencia (GND) ó hacia abajo si es negativa.
 La señal también atraviesa la sección de disparo para de esta forma iniciar el barrido horizontal (este es el encargado de mover el haz de electrones desde la parte izquierda de la pantalla a la parte derecha en un determinado tiempo). El trazado (recorrido de izquierda a derecha) se consigue aplicando la parte ascendente de un diente de sierra a las placas de deflexión horizontal, y puede ser regulable en tiempo actuando sobre el mando TIME-BASE. El trazado (recorrido de derecha a izquierda) se realiza de forma mucho más rápida con la parte descendente del mismo diente de sierra.
 De esta forma la acción combinada del trazado horizontal y de la deflexión vertical traza la gráfica de la señal en la pantalla. La sección de disparo es necesaria para estabilizar las señales repetitivas (se asegura que el trazado comience en el mismo punto de la señal repetitiva).

 Como conclusión para utilizar de forma correcta un osciloscopio analógico necesitamos realizar tres ajustes básicos:
 La atenuación ó amplificación que necesita la señal. Utilizar el mando AMPL para ajustar la amplitud de la señal antes de que sea aplicada a las placas de deflexión vertical. Conviene que la señal ocupe una parte importante de la pantalla sin llegar a sobrepasar los límites.
 La base de tiempos. Utilizar el mando TIME-BASE para ajustar lo que representa en tiempo una división en horizontal de la pantalla. Para señales repetitivas es conveniente que en la pantalla se puedan observar aproximadamente un par de ciclos.
 Disparo de la señal. Utilizar los mandos TRIGGER LEVEL (nivel de disparo) y TRIGGER SELECTOR (tipo de disparo) para estabilizar lo mejor posible señales repetitivas.
 Por supuesto, también deben ajustarse los controles que afectan a la visualización: FOCUS (enfoque), INTENS (intensidad) nunca excesiva, Y-POS (posición vertical del haz) y X-POS (posición horizontal del haz).

Limitaciones del osciloscopio analógico

El osciloscopio analógico tiene una serie de limitaciones propias de su funcionamiento:

Las señales deben ser periódicas. Para ver una traza estable, la señal debe ser periódica ya que es la periodicidad de dicha señal la que refresca la traza en la pantalla.

Las señales muy rápidas reducen el brillo. Cuando se observa parte del período de la señal, el brillo se reduce debido a que la tasa de refresco disminuye.

Las señales lentas no forman una traza. Las señales de frecuencias bajas producen un barrido muy lento que no permite a la retina integrar la traza. Esto se solventa con tubos de alta persistencia. También existían cámaras Polaroid especialmente adaptadas para fotografiar las pantallas de osciloscopios. Manteniendo la exposición durante un periodo se obtiene una foto de la traza.

Sólo se pueden ver transitorios si éstos son repetitivos.

Osciloscopio digital

                                                              

 En la actualidad los osciloscopios analógicos están siendo desplazados en gran medida por los osciloscopios digitales, entre otras razones por la facilidad de poder transferir las medidas a una computadora personal o pantalla LCD.

 En el osciloscopio digital la señal es previamente digitalizada por un conversor analógico digital. Al depender la fiabilidad de la visualización de la calidad de este componente, esta debe ser cuidada al máximo.

Los osciloscopios digitales poseen además de las secciones explicadas anteriormente un sistema adicional de proceso de datos que permite almacenar y visualizar la señal.

 Cuando se conecta la sonda de un osciloscopio digital a un circuito, la sección vertical ajusta la amplitud de la señal de la misma forma que lo hacia el osciloscopio analógico.
El conversor analógico-digital del sistema de adquisición de datos hace un muestreo la señal a intervalos de tiempo determinados y convierte la señal de voltaje continua en una serie de valores digitales llamados muestras. En la sección horizontal una señal de reloj determina cuando el conversor A/D toma una muestra. La velocidad de este reloj se denomina velocidad de muestreo y se mide en muestras por segundo.

Los valores digitales muestreados se almacenan en una memoria como puntos de señal. El número de los puntos de señal utilizados para reconstruir la señal en pantalla se denomina registro. La sección de disparo determina el comienzo y el final de los puntos de señal en el registro. La sección de visualización recibe estos puntos del registro, una vez almacenados en la memoria, para presentar en pantalla la señal.
Dependiendo de las capacidades del osciloscopio se pueden tener procesos adicionales sobre los puntos muestreados, incluso se puede disponer de un predisparo, para observar procesos que tengan lugar antes del disparo.
Fundamentalmente, un osciloscopio digital se maneja de una forma similar a uno analógico, para poder tomar las medidas se necesita ajustar el mando AMPL, el mando TIME-BASE así como los mandos que intervienen en el disparo.

 Las características y procedimientos señalados para los osciloscopios analógicos son aplicables a los digitales. Sin embargo, en estos se tienen posibilidades adicionales, tales como el disparo anticipado (pre-triggering) para la visualización de eventos de corta duración, o la memorización del oscilograma transfiriendo los datos a un PC. Esto permite comparar medidas realizadas en el mismo punto de un circuito o elemento. Existen asimismo equipos que combinan etapas analógicas y digitales.

Estos osciloscopios añaden prestaciones y facilidades al usuario imposibles de obtener con circuitería analógica, como los siguientes:

Medida automática de valores de pico, máximos y mínimos de señal. Verdadero valor eficaz.

Medida de flancos de la señal y otros intervalos.

Captura de transitorios.

Cálculos avanzados, como la FFT para calcular el espectro de la señal.

El funcionamiento del osciloscopio está basado en la posibilidad de desviar un haz de electrones por medio de la creación de campos eléctricos y magnéticos.
 En la mayoría de osciloscopios, la desviación electrónica, llamada deflexión, se consigue mediante campos eléctricos. Ello constituye la deflexión electrostática.

Presenta los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que normalmente el eje X (horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical) representa tensiones. La imagen así obtenida se denomina oscilograma. Suelen incluir otra entrada, llamada "eje Z" que controla la luminosidad del haz, permitiendo resaltar o apagar algunos segmentos de la traza.

En un osciloscopio existen, básicamente, dos tipos de controles que son utilizados como reguladores que ajustan la señal de entrada y permiten, consecuentemente, medir en la pantalla y de esta manera se pueden ver la forma de la señal medida por el osciloscopio, esto denominado en forma técnica se puede decir que el osciloscopio sirve para observar la señal que quiera medir.

El funcionamiento es el siguiente:

 En el tubo de rayos catódicos el rayo de electrones generado por el cátodo y acelerado por el ánodo llega a la pantalla, recubierta interiormente de una capa fluorescente que se ilumina por el impacto de los electrones.

 Si se aplica una diferencia de potencial a cualquiera de las dos parejas de placas de desviación, tiene lugar una desviación del haz de electrones debido al campo eléctrico creado por la tensión aplicada. De este modo, la tensión en diente de sierra, que se aplica a las placas de desviación horizontal, hace que el haz se mueva de izquierda a derecha y durante este tiempo, en ausencia de señal en las placas de desviación vertical, dibuje una línea recta horizontal en la pantalla y luego vuelva al punto de partida para iniciar un nuevo barrido. Este retorno no es percibido por el ojo humano debido a la velocidad a que se realiza y a que, de forma adicional, durante el mismo se produce un apagado (borrado) parcial o una desviación del rayo.

 Si en estas condiciones se aplica a las placas de desviación vertical la señal a medir (a través del amplificador de ganancia ajustable) el haz, además de moverse de izquierda a derecha, se moverá hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de la polaridad de la señal, y con mayor o menor amplitud dependiendo de la tensión aplicada.

 Al estar los ejes de coordenadas divididos mediante marcas, es posible establecer una relación entre estas divisiones y el período del diente de sierra en lo que se refiere al eje X y al voltaje en lo referido al Y. Con ello a cada división horizontal corresponderá un tiempo concreto, del mismo modo que a cada división vertical corresponderá una tensión concreta. De esta forma en caso de señales periódicas se puede determinar tanto su período como su amplitud.

 El margen de escalas típico, que varía de microvoltios a unos pocos voltios y de microsegundos a varios segundos, hace que este instrumento sea muy versátil para el estudio de una gran variedad de señales.

¿Qué podemos hacer con un osciloscopio?.

Medir directamente la tensión (voltaje) de una señal.

Medir directamente el periodo de una señal.

Determinar indirectamente la frecuencia de una señal.

Medir la diferencia de fase entre dos señales.

Determinar que parte de la señal es DC y cual AC.

Localizar averías en un circuito.

Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo.

Medida de tensiones con el Osciloscopio

Las pantallas de los Osciloscopios vienen calibradas con un reticulado de modo que en función de las ganancias seleccionadas para los circuitos internos, podemos usarlas como referencias para medir tensiones. Así si la llave selectora de ganancia estuviera en la posición de 1V/div, lo que corresponde a 1 voltio por cada división, bastará centrar la señal para poder obtener diversas lecturas sobre su intensidad a partir de la forma de onda.
En la figura por ejemplo, tenemos un ejemplo de señal de 3 voltios de tensión máxima o 6 voltios de tensión pico a pico, si la llave selectora está en la posición 1V/div.
Este procedimiento no sólo se aplica a señales alternadas. También las tensiones continuas pueden medirse con el osciloscopio. Una vez centrado el trazo en la pantalla, aplicamos en la entrada vertical la tensión que queremos medir. El alejamiento del trazo en la vertical (para arriba o para abajo) va a depender de la tensión de entrada.
Si la señal analizada tiene forma de onda conocida —senoidal, triangular, rectangular—además de los valores de pico resulta fácil obtener otros valores como por ejemplo el valor medio, el valor rms. Del mismo modo si se trata de una señal de audio de forma conocida, también podemos calcular la potencia.
En cada una de las posiciones del atenuador vertical, se puede leer directamente la tensión necesaria para desviar el trazo un centímetro, en sentido vertical. Esto nos permite realizar mediciones de tensión sobre la pantalla, tanto de continua como de alterna. En ambos casos, se situará el conmutador de acoplamiento en la posición adecuada. La medida de una tensión alterna se realizará contando los centímetros o cuadros de la retícula que ocupa la señal sobre la pantalla, multiplicándolos por el factor de conversión seleccionado con el conmutador de vertical, teniendo en cuenta que cuanto mayor sea el espacio ocupado por la señal, sobre la pantalla, más fiable será la medida realizada.
Al realizar una medida de tensión continua, o bien su componente dentro de una forma de onda, lo que mediremos será el desplazamiento vertical que experimenta la deflexión a partir de una determinada referencia. Este desplazamiento nos indicará además, la polaridad de la tensión continua medida, según sea hacia la parte superior de la retícula (tensión positiva) o hacia la parte inferior (tensión negativa).

Medida de Tiempos con el Osciloscopio
 
La distancia respecto al tiempo, entre dos puntos determinados, se puede calcular a partir de la distancia física en centímetros existente entre dichos puntos y multiplicándola por el factor indicado en el conmutador de la base de tiempos. En el ejemplo anterior si la llave selectora de intervalo de tiempo estuviera en .01 segundo, el tiempo del ciclo dibujado sería de .1 segundo, es decir, esta sería una onda de periodo igual a .1 segundo.

Medida de frecuencia

La frecuencia propia de una señal determinada se puede medir sobre un osciloscopio con arreglo a dos métodos distintos:

A partir de la medida de un período de dicha señal según la aplicación del método anterior y empleando la fórmula:

Mediante la comparación entre una frecuencia de valor conocido y la que deseamos conocer.

En este caso el osciloscopio se hace trabajar en régimen X/Y (Deflexión exterior).
Aplicando cada una de las señales, a las entradas "X" e "Y" del osciloscopio y en el caso de que exista una relación armónica completa entre ambas, se introduce en la pantalla una de las llamadas "figuras de Lissajous", a la vista de la cual se puede averiguar el número de veces que una frecuencia contiene a la otra y por lo tanto deducir el valor de la frecuencia desconocida.

Medida de fase
El sistema anterior de medida de frecuencia mediante el empleo de las "curvas de Lissajous", se puede utilizar igualmente para averiguar el desfase en grados existente entre dos señales distintas de la misma frecuencia. Hacemos trabajar el osciloscopio con deflexión horizontal exterior, aplicando a sus entradas horizontal y vertical (X/Y) las dos señales que se desean comparar.

 Mediante esta conexión se formará en la pantalla una "curva de Lissajous" que debidamente interpretada nos dará la diferencia de fase existente entre las dos formas de onda que se comparan.
En los anteriores dibujos, se dan algunos ejemplos de este sistema de aplicación.
Aparte de los ejemplos de medida anteriores, en el caso de que se requiera una mayor precisión en la medida de un desfase y empleando igualmente las curvas de Lissajous.
Si se dispone de un osciloscopio con doble canal vertical, se puede también medir el desfase entre dos señales de igual frecuencia, mediante la aplicación a cada canal vertical de una de las señales que se desea comparar.
El osciloscopio trabaja en este caso con su propia deflexión horizontal, con lo que se podrán comparar las señales y apreciar su grado de desfase.