Osciloscopio

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Osciloscopio ( latín  oscillo  - columpio + griego γραφω  - escribo) - un dispositivo diseñado para estudiar (observar, registrar, medir) los parámetros de amplitud y tiempo de una señal eléctrica suministrada a su entrada, y mostrada visualmente (visualización) directamente en el pantalla o grabado en cinta fotográfica .

Historia

El proceso oscilatorio eléctrico se registró inicialmente de forma manual en papel. Los primeros intentos de automatizar la grabación fueron realizados por Jules François Joubert en 1880, quien propuso un método semiautomático paso a paso para grabar una señal [1] . El desarrollo del método de Joubert fue el ondógrafo Hospitalier [2] completamente automático . En 1885, el físico ruso Robert Colli creó un oscilómetro, y en 1893, el físico francés André Blondel inventó un osciloscopio magnetoeléctrico con suspensión bifilar [3] .

Las partes móviles de registro de los primeros osciloscopios tenían una gran inercia y no permitían registrar procesos rápidos. Esta deficiencia fue eliminada en 1897 [4] por William Duddell , quien creó un osciloscopio de haz de luz utilizando un pequeño espejo de luz como elemento de medición. La grabación se realizó en una placa fotosensible [5] . El pináculo del desarrollo de este método fue a mediados del siglo XX con los osciloscopios de cinta multicanal.

Casi simultáneamente con Duddell , Karl Ferdinand Brown utilizó el cinescopio inventado por él para mostrar la señal [6] . En 1899, el dispositivo fue modificado por Jonathan Zenneck, quien agregó un barrido horizontal, que lo hizo similar a los osciloscopios modernos. El cinescopio de Brown en la década de 1930 reemplazó al cinescopio de Zworykin , lo que hizo que los dispositivos basados ​​en él fueran más confiables [7] .

A finales del siglo XX, los dispositivos analógicos fueron reemplazados por digitales. Gracias al desarrollo de la electrónica y la llegada de los rápidos convertidores de analógico a digital , en la década de 1990 tomaron una posición dominante entre los osciloscopios.

Dispositivo

Un osciloscopio con una pantalla basada en CRT consta de las siguientes partes principales:

También contiene unidades auxiliares: unidad de control de brillo, calibrador de duración, calibrador de amplitud.

Los osciloscopios digitales suelen utilizar pantallas LCD .

Pantalla

El osciloscopio tiene una pantalla A que muestra gráficos de las señales de entrada. Para los osciloscopios digitales, la imagen se muestra en la pantalla (monocromática o en color) en forma de una imagen terminada, para los osciloscopios analógicos, se utiliza como pantalla un tubo de rayos catódicos de osciloscopio con una desviación electrostática . Por lo general, se aplica una cuadrícula de coordenadas a la pantalla desde el interior del matraz.

Entradas de señal

Los osciloscopios se dividen en monocanal y multicanal (2, 4, 6 y más canales de desviación vertical). Los osciloscopios multicanal le permiten observar simultáneamente varias señales en la pantalla, medir sus parámetros y compararlos entre sí.

La señal de entrada de cada canal es alimentada a su entrada "Y" y amplificada por su amplificador de deflexión vertical hasta el nivel necesario para el funcionamiento del sistema de deflexión CRT (decenas de voltios) o convertidor de analógico a digital . El amplificador de deflexión vertical casi siempre se construye de acuerdo con el circuito del amplificador de CC (DCA ) , es decir, tiene una frecuencia de operación más baja de 0 Hz. Esto le permite medir el componente constante de la señal, mostrar correctamente las señales asimétricas en relación con la línea cero y medir el voltaje de CC. Este modo de operación se llama modo de entrada abierta .

Sin embargo, si es necesario cortar el componente de CC (por ejemplo, es demasiado grande y desvía el haz más allá de los límites de la pantalla y es necesario estudiar pequeños cambios de señal), el amplificador se puede cambiar al modo de entrada cerrado . (la señal de entrada se alimenta al UPT a través de un condensador de acoplamiento ).

Control de barrido

La mayoría de los osciloscopios utilizan dos modos de barrido básicos:

Algunos modelos tienen otro modo:

Barrido automático

Con el barrido automático, el generador de barrido funciona en modo auto-oscilante, por lo tanto, incluso en ausencia de una señal, al final del ciclo de barrido, el ciclo del generador de voltaje de diente de sierra del barrido, comienza de nuevo, esto le permite para observar la imagen en la pantalla incluso en ausencia de señal o cuando se aplica una desviación vertical constante al voltaje de entrada. En este modo, para muchos modelos de osciloscopios, la frecuencia del generador de barrido es capturada por la señal en estudio, mientras que la frecuencia del generador de barrido es un número entero de veces menor que la frecuencia de la señal en estudio.

Modo de barrido en espera

En el modo de barrido en espera, por el contrario, si no hay señal o su nivel es insuficiente (o si el modo de sincronización está mal configurado), no hay barrido y la pantalla se queda en blanco. El barrido comienza cuando la señal alcanza un cierto nivel establecido por el operador, y puede configurar el inicio del barrido tanto en el flanco ascendente de la señal como en el flanco descendente. En el estudio de los procesos de impulso, incluso si no son periódicos (por ejemplo, la excitación de impacto no periódica y bastante rara de un circuito oscilatorio), el modo de espera garantiza la inmovilidad visual de la imagen en la pantalla.

En el modo de espera, el barrido a menudo no lo activa la señal en estudio, sino alguna señal síncrona, generalmente antes del proceso en sí, por ejemplo, una señal de un generador de impulsos que excita el proceso en el circuito en estudio. En este caso, la señal de disparo se aplica a la entrada auxiliar del osciloscopio - entrada de disparo de barrido  - entrada de sincronización .

Ejecución única

En el modo simple, el generador de barrido es "armado" por una acción externa, por ejemplo, presionando un botón y luego espera el inicio de la misma manera que en el modo de espera. Después del arranque, el barrido se realiza una sola vez; para reiniciar el generador de barrido, es necesario "amartillarlo" nuevamente. Este modo es conveniente para estudiar procesos no periódicos, como señales lógicas en circuitos digitales, para que los barridos posteriores a lo largo de los bordes de la señal no “ensucien” la pantalla.

La desventaja de este modo de barrido es que el punto luminoso atraviesa la pantalla una vez. Esto dificulta la observación durante los barridos rápidos, ya que el brillo de la imagen en este caso es pequeño. Habitualmente en estos casos se recurre a fotografiar la pantalla. La necesidad de fotografiar en película se eliminó anteriormente mediante el uso de tubos de osciloscopio con almacenamiento de imágenes; en los osciloscopios digitales modernos, el proceso se almacena digitalmente en la memoria digital ( RAM ) del osciloscopio.

Sincronización del barrido con la señal en estudio

Para obtener una imagen fija en la pantalla, cada trayectoria subsiguiente del haz en la pantalla en ciclos de barrido debe seguir la misma curva. Esto lo proporciona el circuito de sincronización de barrido, que activa el barrido en el mismo nivel y borde de la señal en estudio.

Ejemplo. Digamos que está examinando una onda sinusoidal y el circuito de temporización está configurado para activar un barrido cuando la onda sinusoidal aumenta cuando su valor es cero. Después de comenzar, el haz dibuja una o más, dependiendo de la velocidad de barrido configurada, ondas sinusoidales . Después del final del barrido, el circuito de sincronización no reinicia el barrido, como en el modo automático, sino que espera el próximo paso del valor cero por parte de la onda sinusoidal en el flanco ascendente. Obviamente, el posterior paso del haz por la pantalla repetirá la trayectoria del anterior. A velocidades de repetición de barrido superiores a 20 Hz , debido a la inercia de la visión y al resplandor del fósforo de la pantalla, se verá una imagen estacionaria.

Si la activación del barrido no está sincronizada con la señal observada, la imagen en la pantalla se verá "en movimiento" o incluso completamente borrosa. Esto se debe a que, en este caso, se muestran diferentes secciones de la señal observada en la misma pantalla.

Para obtener una imagen estable, todos los osciloscopios contienen un sistema llamado circuito de sincronización , que en la literatura extranjera a menudo no se llama correctamente disparador .

El propósito del esquema de temporización es retrasar el inicio del barrido hasta que ocurra algún evento. En el ejemplo, el evento fue el paso de una sinusoide por cero en un flanco ascendente.

Por lo tanto, el esquema de sincronización tiene al menos dos configuraciones disponibles para el operador:

La configuración adecuada de estos controles garantiza que el barrido se active siempre en el mismo lugar de la forma de onda, de modo que la imagen de la forma de onda parezca estable e inmóvil en la forma de onda.

En muchos modelos de osciloscopios, hay otro órgano para controlar el circuito de sincronización: la perilla de ajuste suave "ESTABILIDAD", al cambiar su posición, el tiempo de insensibilidad del generador de barrido al evento de activación ("tiempo muerto" del generador de barrido) está cambiado. En una posición extrema, el generador de barrido se cambia al modo de auto-oscilación, en la otra posición extrema, al modo de espera, en posiciones intermedias cambia la frecuencia de inicio del barrido. Por lo general, los osciloscopios equipados con este ajuste no tienen un interruptor de modo de barrido "ESPERA/AUTO".

Como se mencionó, casi siempre se proporciona una entrada de sincronización de barrido adicional, mientras que hay un interruptor de activación de barrido "EXTERNO / INTERNO", cuando se aplica la posición "EXTERNA" a la entrada del circuito de sincronización de barrido, no la señal en sí, pero la tensión de la entrada de sincronización.

A menudo, hay un interruptor para sincronizar desde la red (en países europeos y Rusia - 50 Hz, en algunos otros países - 60 Hz), cuando se sincroniza desde la red, se aplica voltaje con la frecuencia de la red a la entrada del circuito de sincronización. Tal sincronización es conveniente para observar señales con la frecuencia de la red o señales que son múltiplos de esta frecuencia, por ejemplo, interferencia de la red al medir los parámetros de los filtros de la red, rectificadores, etc.

Los osciloscopios especializados también tienen modos de sincronización especiales, por ejemplo, el modo de inicio de barrido al comienzo de la línea especificada por el operador en el marco de la señal de televisión, lo cual es conveniente cuando se miden los parámetros de la ruta de televisión y sus etapas individuales en los sistemas de televisión .

En otros osciloscopios especializados utilizados en el estudio de dispositivos digitales (por ejemplo, microprocesador ), el circuito de sincronización se complementa con un comparador de código y el barrido se inicia cuando el código binario (palabra) especificado por el operador coincide con el código en el bus . por ejemplo, en el bus de direcciones . Esto es conveniente para encontrar la causa de las fallas al escribir/leer una determinada celda de memoria y otros diagnósticos.

Clasificación

Según la lógica de funcionamiento y propósito, los osciloscopios se pueden dividir en tres grupos [8] :

Osciloscopios de barrido continuo para registrar una curva en una cinta fotográfica (osciloscopio stub).

Por el número de haces: haz simple, doble haz, etc. El número de haces puede llegar a 16 o más (un osciloscopio de n haces tiene n entradas de señal y puede mostrar simultáneamente n gráficos de señales de entrada en la pantalla).

Los osciloscopios con barrido periódico se dividen en: universales (convencionales), de alta velocidad, estroboscópicos, de memoria y especiales; Los osciloscopios digitales pueden combinar la capacidad de utilizar diferentes funciones.

Hay osciloscopios (en su mayoría portátiles) combinados con otros instrumentos de medición ( por ejemplo , multímetro ). Estos instrumentos se denominan escopómetros . En la segunda mitad de la década de 2010, aparecieron en el mercado los osciloscopios de tableta, es decir, dispositivos con control táctil completo en una pantalla a color.

Un osciloscopio también puede existir no solo como un dispositivo separado, sino también como un decodificador para una computadora, en forma de tarjeta de expansión o conectado a través de algún puerto de computadora externo; el más utilizado es USB , anteriormente también se utilizaba LPT .

Personalización

La mayoría de los osciloscopios tienen un dispositivo de calibración incorporado (calibrador), cuyo propósito es generar una señal de control con parámetros conocidos y estables. Por lo general, dicha señal tiene la forma de una onda cuadrada con una amplitud de 1 V con una frecuencia de 1 kHz y un ciclo de trabajo de 2 ( ciclo de trabajo del 50%), los parámetros de la señal del calibrador generalmente se firman junto al salida de la señal del calibrador. Si es necesario, el usuario puede conectar la sonda de medición del canal de desviación vertical u horizontal del instrumento a la salida del calibrador y ver la señal del calibrador en la pantalla del osciloscopio. Si la señal observada difiere de la indicada en el calibrador, lo cual es típico de los osciloscopios analógicos, ajustando la sensibilidad de los canales, el usuario puede corregir las características de entrada de la sonda y/o los amplificadores del osciloscopio para que la señal coincida. los datos del calibrador.

Los osciloscopios digitales no suelen tener trimmers, ya que la señal se procesa digitalmente, pero suelen tener sintonización automática de canales según el calibrador, mientras que a través del menú del osciloscopio se llama a una utilidad especial, cuyo lanzamiento calibra automáticamente el osciloscopio según la sensibilidad. de los canales

Comparación de osciloscopios analógicos y digitales

Tanto los osciloscopios digitales como los analógicos tienen sus propias ventajas y desventajas:

Ventajas de los osciloscopios analógicos

Desventajas de los osciloscopios analógicos

Ventajas de los osciloscopios digitales

Desventajas de los osciloscopios digitales

Aplicación

Uno de los dispositivos más importantes en la electrónica de radio. Se utilizan con fines aplicados, de laboratorio y de investigación , para monitorear/estudiar y medir los parámetros de las señales eléctricas, tanto directamente como obtenidos por la acción de varios dispositivos/medios en sensores que convierten estos efectos en una señal eléctrica u ondas de radio.

Observación de las figuras de Lissajous

En los osciloscopios, hay un modo en el que no se aplica un voltaje de barrido de diente de sierra a las placas de desviación horizontales, sino que se aplica una señal arbitraria a una entrada especial (entrada "X"). Si aplica señales de frecuencias cercanas a las entradas "X" e "Y" del osciloscopio, puede ver figuras de Lissajous en la pantalla . Este método se usa ampliamente para comparar las frecuencias de dos fuentes de señal y para sintonizar una fuente con la frecuencia de otra.

Medidas del cursor

Los osciloscopios analógicos y digitales modernos a menudo tienen un sistema de servicio auxiliar que le permite medir convenientemente algunos parámetros de la señal que examina el osciloscopio. En tales osciloscopios, las imágenes de los cursores en forma de líneas rectas horizontales o verticales, o en forma de líneas rectas perpendiculares entre sí, se muestran adicionalmente en la pantalla de observación de la señal en estudio.

Las coordenadas de las líneas del cursor en términos de amplitud y tiempo se muestran en forma digital decimal, generalmente en la pantalla del osciloscopio o en indicadores digitales adicionales.

El operador, utilizando los controles de posición del cursor, tiene la capacidad de apuntar el cursor al punto de interés de la imagen de la señal, mientras que el sistema del cursor muestra digitalmente de forma continua las coordenadas de este punto: el nivel de voltaje o el punto de tiempo a lo largo del eje de tiempo y el eje de amplitud.

Muchos osciloscopios tienen varios tipos de cursores, mientras que los indicadores digitales pueden mostrar la diferencia en los valores de las marcas del cursor entre un par de marcas verticales y el intervalo de tiempo entre un par de marcas de cursor horizontales. En casi todos los tipos de osciloscopios de este tipo, los indicadores muestran automáticamente de forma digital el recíproco del intervalo de tiempo entre las muescas del cursor, lo que proporciona inmediatamente la frecuencia de la señal periódica estudiada cuando los cursores se desplazan a lo largo del eje de tiempo en los frentes de señal adyacentes.

Algunos osciloscopios proporcionan un posicionamiento automático de los cursores en los picos de la señal, que en la mayoría de los casos es el propósito de las mediciones de amplitud. Por lo tanto, las mediciones del cursor permiten simplificar la medición de los parámetros de la señal por parte de una persona, eliminando la necesidad de leer visualmente el número de celdas que marcan la escala de la pantalla del osciloscopio y multiplicar los datos obtenidos de esta manera por los valores de división vertical y horizontal. .

Funciones matemáticas

En algunos osciloscopios multicanal, es posible realizar funciones matemáticas en las señales medidas por diferentes canales y generar la señal resultante en lugar de las señales originales medidas o además de ellas. Las funciones más comunes son la suma, la resta, la multiplicación y la división. Esto permite, por ejemplo, sustraer de la señal estudiada del canal n° 1 la señal de sincronización que llega al canal n° 2, liberando así la señal en estudio de las señales de sincronización. O, por ejemplo, es posible verificar el factor de calidad de la unidad de amplificación de señal analógica restando la señal de entrada de la señal de salida.

Captura de una cadena de señal de TV

En los osciloscopios digitales modernos, así como en algunos osciloscopios de tubo de rayos catódicos especializados, existe un modo de sincronización especial: la televisión. Este modo le permite mostrar una o más líneas de TV específicas de una señal de video compleja. A diferencia de un osciloscopio convencional, cuya unidad de sincronización puede mostrar de manera estable solo la primera línea después del pulso de sincronización, es posible observar cualquier parte de la imagen de televisión en osciloscopios especializados. Dichos osciloscopios generalmente se usan en estudios de televisión y cable y le permiten controlar los parámetros técnicos del equipo de transmisión y grabación.

Videojuegos

La pantalla del osciloscopio se utilizó como pantalla para uno de los primeros videojuegos , Tennis For Two , que es una versión virtual del tenis. El juego se ejecutó en una computadora analógica y fue controlado por un controlador de juego de paleta especial [9] .

Véase también

Notas

  1. ↑ Woodward, Gordon. Joubert, Jules François  //  Diccionario biográfico de la historia de la tecnología / Editores generales Lance Day e Ian McNeil. - Routledge, 2002. - Pág. 670 . — ISBN 9781134650200 .
  2. ↑ Hawkins, 1917 , págs. 1849-1851.
  3. ↑ Los primeros osciloscopios . Consultado el 30 de mayo de 2015. Archivado desde el original el 31 de mayo de 2015.
  4. ↑ Crónica ilustrada de descubrimientos e inventos, p. 145
  5. ↑ Hawkins, 1917 , págs. 1857-1862.
  6. ↑ Hawkins, 1917 , págs. 1852-1854.
  7. ↑ Kularatna, Nihal. Capítulo 5: Fundamentos de osciloscopios // Instrumentación digital y analógica: pruebas y medidas  (inglés) . - Institución de Ingeniería y Tecnología, 2003. - Pág. 165-208. — ISBN 978-0-85296-999-1 .
  8. ↑ Green, 2007 , 15.3 El osciloscopio.
  9. ↑ Evgeny Zolotov. El juego que cambió el mundo  // Computerra  : revista. - 2004. - 13 de abril. Archivado desde el original el 31 de enero de 2012.

Literatura

Enlaces

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 Instrumentos de medida eléctricos