Cómo funciona el osciloscopio: partes y evolución

En su núcleo, un osciloscopio permite observar cómo varía el voltaje entre dos puntos de un circuito a lo largo del tiempo.

Observando estas formas de onda, es posible tener una idea de cómo funciona un circuito. Esto puede ayudarte a identificar problemas potenciales en un circuito, caracterizar su funcionamiento o ver la integridad de la señal en una línea de transmisión.

Osciloscopio analógico

A finales de 1800, científicos descubrieron que las partículas subatómicas (ahora conocidas como electrones) viajan en líneas rectas desde el extremo del cátodo de un tubo de Crookes. Como resultado, los científicos apodaron a estas partículas «rayos catódicos».

En los años siguientes, otros científicos descubrieron que estos rayos podían ser «doblados» aplicando un campo eléctrico o un campo magnético.

En 1897, Karl Ferdinand Braun, físico e inventor alemán, construyó el primer tubo de rayos catódicos de un osciloscopio (CRT) aplicando un voltaje a las placas verticales por encima y por debajo del haz de electrones.

El haz de electrones golpearía una placa de fósforo en el extremo opuesto y pintaría un punto brillante. A medida que el voltaje variaba a través de las placas, el punto bailaba hacia arriba y hacia abajo.

El sistema de medición del osciloscopio es el tubo de Braun (CRT).

Este, es un tubo de rayos catódicos con un haz de electrones. El tubo de Braun se utiliza en un osciloscopio para mostrar la curva de voltaje a medir.

Aunque los electrones son las partículas elementales más ligeras, todavía tienen una masa (9.1 × 10^-31 kg). Por lo tanto, los electrones en su camino no sólo son desviados por los campos electromagnéticos, sino también por las fuerzas gravitacionales. Por ello, la mayoría de los osciloscopios tienen la posibilidad de calibrar la posición del haz, que viene determinada por el campo gravitatorio de la Tierra dependiendo de la ubicación y posición de la instalación.

Partes

A continuación, se muestran la estructura interna del osciloscopio analógico (en forma de diagrama de bloques) junto con las descripciones de cada uno de sus componentes.

• Sondas o puntas: Es la parte que se conecta al circuito que se desea analizar. La mayoría de las sondas tienen dos puntas, ya que los osciloscopios miden la diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre dos puntos.
  
  
• Amplificador/Atenuador: A menudo, la señal eléctrica necesita ser amplificada (aumento de la amplitud) o atenuada (disminución de la amplitud) para que se muestre de forma efectiva al usuario o para no dañar el circuito interno del osciloscopio.
  
  
• Trigger: Un trigger o disparador es una condición definida por el usuario (como un umbral de voltaje) que determina cuándo el osciloscopio debe empezar a dibujar una forma de onda. Esto puede ser extremadamente útil para encontrar pulsos esporádicos en un circuito o para sincronizar la pantalla a un patrón de repetición, como una onda sinusoidal, de modo que aparezca estable en la pantalla.
  
  
• Generador de barrido: Para controlar las placas horizontales en la TRC, el generador de barrido crea un patrón de tensión en forma de dientes de sierra que se repite. Esto hace que el rayo barra de un lado a otro en la CRT. La frecuencia y el disparo del generador de barrido son establecidos por el usuario.
  
  
• Amplificador horizontal: Al igual que el amplificador que se encuentra después de la sonda, el amplificador horizontal aumenta la amplitud de la onda en diente de sierra del generador de barrido para poder controlar las placas horizontales en la TRC.
  
  
• CRT: Un cañón de electrones dispara un flujo constante de electrones sobre una pantalla recubierta de fósforo, que produce un punto brillante. Dos conjuntos de placas controlan la desviación del rayo. Las placas verticales están directamente controladas por el voltaje visto en la sonda, y las horizontales están controladas por el generador de barrido. A medida que la desviación del rayo cambia rápidamente, aparece una línea sólida en la pantalla. Esta línea en la pantalla representa el voltaje (como se ve en la sonda) ya que varía con el tiempo.

Osciloscopio digital

En la década de 1980, la empresa Nicolet Test Instrument creó el primer osciloscopio de almacenamiento digital (DSO) utilizando un convertidor analógico-digital (ADC) relativamente lento (1 MHz).

A medida que la tecnología digital se hacía más avanzada, los osciloscopios digitales se hicieron más rápidos, más pequeños y más populares.

Los DSO actuales son esencialmente computadoras con un convertidor analógico-digital (ADC) de alta gama usados para muestrear voltajes. Sin embargo, muchas de las funciones y la interfaz son las mismas que las de los antiguos osciloscopios analógicos.

Partes

A continuación, se muestran la estructura interna del osciloscopio digital (en forma de diagrama de bloques) junto con las descripciones de cada uno de sus componentes.

• Sondas o puntas: El osciloscopio necesita una forma de medir el voltaje entre dos puntos del circuito que se está analizando. La mayoría de las sondas tienen dos puntas que se conectan a diferentes nodos del circuito.
  
  
• Amplificador/Atenuador: La mayoría de los osciloscopios tienen circuitos que amplifican o atenúan las señales eléctricas capturadas para que puedan ser visualizadas de forma efectiva por el usuario y para evitar dañar los componentes dentro del osciloscopio.
  
  
• Trigger: Muchos osciloscopios modernos permiten elegir entre una señal interna o externa (de una fuente independiente) para disparar la visualización de la forma de onda.
  
  
• Lógica de control: Lógica o software que permite al usuario configurar cómo se capturan y visualizan las señales. La lógica de control es similar a los controles horizontales que se encuentran en el osciloscopio analógico, pero a menudo ofrece más opciones.
  
  
• ADC: El convertidor analógico-digital muestrea la señal eléctrica del circuito de prueba a intervalos regulares según lo establecido por la lógica de control. Estas muestras se convierten en números binarios que se almacenan en la memoria.
  
  
• Memoria: La información digital que representa la señal muestreada se almacena en la memoria. Esta información se utiliza para reconstruir una aproximación cercana a la señal eléctrica original en la pantalla en formato de gráfico.
  
  
• Base de tiempo: Según lo establecido por la lógica de control, la base de tiempo controla el eje horizontal de la pantalla. El usuario puede establecer uno o más puntos de activación para ajustar la base de tiempo para capturar señales esporádicas o mantener las señales periódicas, como las ondas sinusoidales, estables en la pantalla.
  
  
• Pantalla: El osciloscopio toma los datos de la memoria, los combina con la información de la base de tiempos y muestra una forma de onda en la pantalla. A menudo, esta forma de onda será una representación cercana de la señal originalmente muestreada con el voltaje como eje Y y el tiempo como eje X. Algunos osciloscopios digitales antiguos usan CRT como pantallas, mientras que la mayoría de los DSO modernos se basan en LCD.