El osciloscopio
El instrumento que muestra la forma de una señal, no sólo su valor. Un multímetro dice «5 V»; el osciloscopio dice si esos 5 V son continua limpia, una senoidal, una cuadrada con sobrepico o una continua con 200 mV de zumbido montados encima.
01Qué representa la pantalla
Un osciloscopio dibuja un gráfico tensión en función del tiempo. El eje vertical es la tensión y el horizontal es el tiempo; la pantalla está dividida en una cuadrícula de divisiones (típicamente 8 verticales × 10 horizontales), y dos perillas fijan cuánto vale cada división:
- VOLTS/DIV — cuántos volt representa cada división vertical.
- TIME/DIV (o SEC/DIV) — cuánto tiempo representa cada división horizontal.
Toda medición con osciloscopio se reduce a contar divisiones y multiplicar.
02El tubo de rayos catódicos
El osciloscopio analógico se basa en un tubo de rayos catódicos (TRC o CRT). Aunque hoy los equipos nuevos son digitales con pantalla LCD, entender el TRC explica el origen de todos los controles que siguen existiendo.
- Cañón electrónico. Un cátodo calentado por un filamento emite electrones. La rejilla de control (G) regula cuántos pasan: es el control de BRILLO. Los ánodos de enfoque concentran el haz en un punto: es el control de FOCO.
- Placas Y (verticales). Reciben la señal amplificada. Desvían el haz hacia arriba o hacia abajo en proporción a la tensión.
- Placas X (horizontales). Reciben la base de tiempos, que barre el haz de izquierda a derecha a velocidad constante.
- Pantalla. Recubierta de fósforo, brilla donde el haz impacta y mantiene esa luz un instante (persistencia), lo que permite ver una curva continua en vez de un punto.
03La base de tiempos
Si a las placas X se les aplica una rampa que sube linealmente y vuelve de golpe (diente de sierra), el haz recorre la pantalla de izquierda a derecha a velocidad constante y regresa al instante. Ese barrido convierte el eje horizontal en un eje de tiempo.
Si en vez de la base de tiempos se aplica otra señal a las placas X, la pantalla dibuja una señal contra la otra. Sirve para ver la curva característica de un diodo (tensión contra corriente) o para las figuras de Lissajous, con las que se comparan dos frecuencias: si la relación es exacta, la figura queda quieta.
04Sincronización: el disparo
Es el concepto más importante del osciloscopio y el que más problemas causa. Si cada barrido empezara en un momento cualquiera de la señal, cada trazo se dibujaría corrido respecto del anterior y la pantalla sería un borrón. El disparo (trigger) hace que todos los barridos arranquen en el mismo punto de la onda, y así el dibujo queda quieto.
| Control | Qué hace | Cómo se usa |
|---|---|---|
| LEVEL (nivel) | Tensión a la que se dispara el barrido. | Debe quedar dentro del rango de la señal. Si se pasa del pico, no dispara nunca. |
| SLOPE (pendiente) | Si dispara al cruzar subiendo (↑) o bajando (↓). | Cambia el punto donde arranca el dibujo. Útil para ver el flanco que interesa. |
| SOURCE (fuente) | De qué canal toma la referencia: CH1, CH2, EXT o LINE. | Al comparar dos señales, disparar siempre con la misma: si no, el desfasaje medido es falso. |
| MODE · AUTO | Si no hay disparo, barre igual. | Modo por defecto: siempre se ve algo, aunque sea una línea. Es con el que hay que empezar. |
| MODE · NORMAL | Sólo barre cuando hay disparo válido. | Pantalla en negro si no dispara. Mejor para señales lentas o esporádicas. |
| MODE · SINGLE | Dispara una sola vez y congela. | Para capturar un evento único: el arranque de un motor, un pico de conmutación. |
| HOLDOFF | Tiempo muerto tras cada disparo. | Estabiliza señales complejas que cruzan varias veces el nivel en un mismo ciclo. |
- Modo de disparo en AUTO, fuente en el canal que se está usando.
- Acoplamiento del canal en DC y posición vertical al centro.
- VOLTS/DIV en un valor grande (5 V/div) y TIME/DIV en algo medio (1 ms/div).
- Verificar que el canal esté encendido y la sonda bien conectada, con la pinza de masa al punto correcto.
- Recién ahí ajustar el nivel de disparo y afinar las escalas.
05Acoplamiento y sondas
Acoplamiento de entrada
Pasa todo: la continua y la alterna. Es el modo por defecto y el que muestra la señal tal cual es.
Intercala un capacitor: bloquea la continua y deja sólo la variación. Sirve para ver el rizado de una fuente de 12 V con sensibilidad de 50 mV/div.
Desconecta la entrada y la lleva a masa. Se usa para marcar dónde está el cero en la pantalla antes de medir.
Las sondas
| Sonda | Atenuación | Z de entrada | Cuándo usarla |
|---|---|---|---|
| ×1 | Ninguna | 1 MΩ · 100 pF | Señales chicas y de baja frecuencia. Carga más el circuito. |
| ×10 | Divide por 10 | 10 MΩ · 15 pF | La posición normal de trabajo. Carga mucho menos y llega a más ancho de banda. |
- Avisarle al osciloscopio. Si la sonda está en ×10 y el instrumento cree que es ×1, todas las lecturas de tensión dan 10 veces menos. En los digitales se configura por menú; en los analógicos hay que multiplicar mentalmente.
- Compensarla. Con la punta en el generador de onda cuadrada de calibración del propio osciloscopio, se ajusta el tornillo de la sonda hasta que la cuadrada tenga los ángulos rectos. Si se ven redondeados o con sobrepico, la sonda está descompensada y deforma toda señal rápida.
La masa de la sonda está conectada a la masa del osciloscopio y, a través del cable de alimentación, al tercer cable de la instalación. Consecuencias:
- Conectar la pinza de masa a un punto que no sea masa cortocircuita ese punto a tierra. En un circuito alimentado desde la red sin transformador de aislación, eso puede destruir el equipo, el osciloscopio, o ser peligroso para el operador.
- Con dos canales, las dos pinzas de masa están unidas entre sí. No se pueden medir dos puntos con masas distintas al mismo tiempo.
- Para medir señales flotantes se usa un transformador de aislación o una sonda diferencial. Nunca se corta la pata de tierra del enchufe del osciloscopio.
06Qué se mide y cómo
| Magnitud | Cómo se obtiene |
|---|---|
| Tensión pico a pico | Divisiones entre el máximo y el mínimo × VOLTS/DIV. |
| Tensión de pico | La mitad de la anterior, si la señal es simétrica. |
| Valor eficaz (senoidal) | Vef = Vp / √2 = 0,707 · Vp. Sólo para senoidal pura. |
| Componente continua | Se pone el canal en GND para marcar el cero, se pasa a DC y se mide cuánto se corrió el trazo. |
| Período y frecuencia | T = divisiones de un ciclo × TIME/DIV. Luego f = 1/T. |
| Tiempo de subida | Tiempo entre el 10 % y el 90 % de la amplitud del flanco. |
| Ciclo de trabajo | (tiempo en alto / período) × 100 %. |
| Desfasaje | Con dos canales: se mide Δt entre los pasos por cero y se aplica la fórmula de abajo. |
Con VOLTS/DIV = 2 V (sonda en ×10, correctamente configurada), TIME/DIV = 20 µs, la señal ocupa 3 divisiones de pico a pico y un ciclo mide 5 divisiones.
- Vpp = 3 × 2 V = 6 V → Vp = 3 V
- Vef = 3 / 1,414 = 2,12 V (si es senoidal)
- T = 5 × 20 µs = 100 µs → f = 1/100 µs = 10 kHz
Si la sonda estuviera en ×10 y el instrumento configurado en ×1, la lectura habría sido de 0,6 V: un error de un orden de magnitud, y es la equivocación más frecuente al empezar.
Ancho de banda del instrumento
07Analógico y digital
Un osciloscopio digital (DSO) no desvía un haz: muestrea la señal con un conversor A/D, guarda las muestras en memoria y las dibuja en una pantalla LCD. Eso cambia todo para bien, salvo un detalle que hay que conocer.
- Congela la imagen y permite guardarla o exportarla.
- Pretrigger: muestra lo que pasó antes del disparo. Imposible en analógico.
- Mediciones automáticas (Vpp, frecuencia, RMS, ciclo de trabajo).
- Cursores, matemática entre canales, FFT.
- Captura eventos únicos con SINGLE.
- Aliasing. Si la frecuencia de muestreo es insuficiente, la pantalla muestra una señal de frecuencia falsa, más baja, que parece perfectamente real.
- Con pocas muestras por ciclo, la forma se ve angulosa aunque la señal sea senoidal.
- Los eventos rapidísimos y aislados (glitches) pueden pasar entre dos muestras y no aparecer.
Para reconstruir una señal hay que muestrearla a más del doble de su frecuencia máxima (Nyquist). En la práctica los osciloscopios usan 5 a 10 muestras por ciclo. Si la pantalla muestra una señal sospechosamente lenta, hay que acelerar la base de tiempos: si la frecuencia indicada cambia, era aliasing. Este teorema reaparece en Telecomunicaciones II y en la conversión A/D de 5° año.
08Mediciones en circuitos amplificadores
Es la aplicación directa del instrumento en esta materia, sobre los circuitos del eje de amplificadores de señal débil.
| Qué se busca | Cómo | Qué indica |
|---|---|---|
| Ganancia | CH1 en la entrada, CH2 en la salida. Av = Vout(pp) / Vin(pp). | Se compara con la calculada. Si difiere mucho, revisar CE y la carga. |
| Inversión de fase | Los dos canales a la vez. | En emisor común la salida está a 180°. Si no lo está, la etapa no es la que se cree. |
| Recorte y punto Q | Subir la entrada hasta que la salida se aplane. | Si recorta primero arriba, el punto Q está corrido hacia saturación; si recorta abajo, hacia corte. |
| Rizado de la fuente | Canal en acoplamiento AC, 50 mV/div, sobre el capacitor de filtro. | Se ve el diente de sierra a 100 Hz y se mide su amplitud pico a pico. |
| Distorsión | Comparar la forma de la salida con una senoidal. | Asimetrías, achatamientos o el escalón de la distorsión de cruce en las etapas de potencia. |
| Respuesta en frecuencia | Amplitud de entrada fija, barrer la frecuencia. | Se encuentran las frecuencias de corte (donde la salida cae a 0,707 del máximo, es decir −3 dB). |
| Oscilaciones parásitas | Base de tiempos rápida (1 µs/div) sin señal de entrada. | Si aparece una señal de cientos de kHz, el amplificador está oscilando: falta desacople. |
09En el laboratorio
Conectar la sonda al terminal de calibración (1 kHz, 2 Vpp en la mayoría de los equipos). Ajustar brillo, foco, posición y escalas hasta ver dos o tres ciclos completos. Verificar que la lectura coincida con lo que dice el rótulo del terminal. Ajustar el tornillo de compensación de la sonda hasta obtener ángulos rectos; dibujar en la carpeta las tres formas posibles (subcompensada, correcta, sobrecompensada).
Generador de funciones a 1 kHz, 4 Vpp. Medir con el osciloscopio la amplitud, el período y la frecuencia. Calcular el valor eficaz y contrastarlo con un multímetro en escala de alterna. Repetir con onda cuadrada y triangular a la misma amplitud: el multímetro sin True RMS dará valores distintos del correcto, y ahí se ve por qué.
Sobre la fuente rectificada y filtrada del eje de semiconductores: en acoplamiento DC se ve una línea casi recta a la altura de la continua; pasando a AC y subiendo la sensibilidad aparece el rizado en diente de sierra a 100 Hz. Medir su amplitud pico a pico y compararla con la calculada por Vr = I/(f·C).
Circuito serie R = 1 kΩ, C = 100 nF, alimentado con 1 Vpp a 1 kHz. CH1 en la entrada, CH2 en el capacitor (con las dos masas en el mismo punto). Medir Δt entre los pasos por cero y calcular φ. El resultado teórico es φ = −arctan(2πfRC) = −32°. Repetir a 10 kHz y verificar que el desfasaje se acerca a 90°.
10Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| Todas las tensiones dan 10 veces menos (o 10 veces más) | La sonda está en ×10 y el instrumento configurado en ×1, o al revés. |
| La imagen «corre» o se ve borrosa | Disparo mal ajustado: el nivel está fuera del rango de la señal, o la fuente de disparo es el canal equivocado. |
| Pantalla en negro | Modo de disparo en NORMAL sin disparo válido. Pasar a AUTO. |
| La cuadrada se ve con los ángulos redondeados o con «orejas» | Sonda descompensada. Ajustar con el terminal de calibración. |
| Aparece una senoidal lenta que no debería estar | Aliasing en un osciloscopio digital. Cambiar la base de tiempos y ver si la frecuencia indicada cambia. |
| Al conectar la pinza de masa salta el disyuntor o se queman componentes | La pinza se conectó a un punto que no es masa. En equipos conectados a la red hace falta transformador de aislación. |
| La señal aparece llena de ruido de 50 Hz | Cable de masa muy largo, o pinza de masa lejos del punto de medición. |
| Se ve una línea horizontal aunque haya señal | Acoplamiento en GND, o el canal está apagado, o la base de tiempos es demasiado lenta para esa frecuencia. |
11Autoevaluación
Con VOLTS/DIV = 0,5 V y TIME/DIV = 2 ms, una señal ocupa 6 divisiones de alto y un ciclo mide 4 divisiones. ¿Vpp, T y f?
Vpp = 6 × 0,5 = 3 V. T = 4 × 2 ms = 8 ms. f = 1/0,008 = 125 Hz.
¿Para qué sirve el acoplamiento AC y cuándo NO conviene usarlo?
Sirve para ver una variación pequeña montada sobre una continua grande (el rizado de una fuente, por ejemplo), porque bloquea la continua y permite subir la sensibilidad. No conviene cuando interesa el nivel absoluto de la señal, ni con señales muy lentas o de bajo ciclo de trabajo, porque el capacitor de acoplamiento las deforma.
¿Qué hace exactamente el circuito de disparo?
Hace que cada barrido comience siempre en el mismo punto de la señal: cuando cruza un nivel de tensión determinado con una pendiente determinada. Así los trazos sucesivos se superponen exactamente y la imagen se ve quieta.
¿Por qué la sonda ×10 es preferible aunque atenúe la señal?
Porque presenta 10 MΩ y unos 15 pF en vez de 1 MΩ y 100 pF: carga mucho menos el circuito, sobre todo en alta frecuencia, donde la capacidad de la sonda ×1 puede alterar por completo el funcionamiento. La atenuación se compensa con la escala del instrumento.
Dos señales de 1 kHz están separadas 250 µs. ¿Cuál es el desfasaje?
T = 1 ms. φ = (250 µs / 1000 µs) × 360° = 90°.
¿Qué es el aliasing y cómo se detecta?
Es una señal falsa, de frecuencia menor a la real, que aparece en un osciloscopio digital cuando la frecuencia de muestreo es insuficiente. Se detecta cambiando la base de tiempos: si la frecuencia mostrada cambia, era aliasing; una señal real mantiene su frecuencia.
La salida de un amplificador se aplana sólo por arriba. ¿Qué indica?
Que el punto Q está corrido y la señal choca antes con un extremo de la recta de carga. Hay que recalcular la polarización para centrar el punto Q y recuperar la máxima excursión simétrica.
¿Por qué no se pueden conectar las pinzas de masa de los dos canales en puntos distintos?
Porque internamente están unidas entre sí y a la tierra del enchufe. Conectarlas en puntos con distinto potencial cortocircuita esos dos puntos a través del osciloscopio, con riesgo de daño al circuito, al instrumento y a la persona.
¿Qué ancho de banda necesita un osciloscopio para ver bien una cuadrada de 1 MHz?
Al menos 5 MHz, y preferentemente 10 MHz o más: una cuadrada contiene armónicos impares de la fundamental, y si el instrumento los recorta, los flancos se ven redondeados. Con la fórmula tr = 0,35/BW, un instrumento de 20 MHz muestra flancos de hasta 17,5 ns.