El osciloscopio analógico
Una punta 10:1 mal compensada hace que la cuadrada del calibrador arranque en 3,7 V en lugar de 5 V. El trimmer de la punta no es un detalle: decide si la amplitud medida es correcta.
01Ver la forma de una señal
El osciloscopio dibuja la tensión en función del tiempo. Ningún otro instrumento muestra de un vistazo la forma, los picos, las oscilaciones, los tiempos de subida y los transitorios. Hoy casi todos los osciloscopios son digitales, pero su canal vertical, su disparo y sus puntas heredan la arquitectura del analógico, y entenderla explica por qué se configuran como se configuran. El uso práctico se presenta en la tecnicatura, en el osciloscopio.
02El tubo de rayos catódicos
En el osciloscopio analógico, un cañón de electrones emite un haz que se acelera con varios kilovolts y se enfoca sobre una pantalla recubierta de fósforo, que brilla donde el haz la golpea. Dos pares de placas desvían el haz: las verticales, con la señal amplificada; las horizontales, con una rampa que lo barre de izquierda a derecha. La desviación es proporcional a la tensión entre placas, con una sensibilidad de unos pocos milímetros por volt, por eso las placas necesitan amplificadores de decenas o cientos de volts. El brillo del trazo depende de cuánto tiempo pasa el haz por cada lugar: un analógico muestra naturalmente con más intensidad lo que ocurre más seguido.
03El canal vertical
La señal pasa por un atenuador compensado que fija los volts por división, un preamplificador, una línea de retardo que la demora unos cien nanosegundos para que el barrido alcance a arrancar y se vea el flanco que lo disparó, y el amplificador final que excita las placas. La entrada presenta 1 MΩ en paralelo con unos 20 pF, y el acoplamiento puede ser de continua, de alterna (con un capacitor que bloquea la continua) o a tierra, para ubicar el cero.
El canal vertical es un amplificador con ancho de banda limitado, y eso limita el tiempo de subida que puede mostrar:
04Base de tiempo y disparo
La base de tiempo genera una rampa lineal que barre el haz en un tiempo fijado por el control de segundos por división. Para que la imagen quede quieta, cada barrido tiene que empezar en el mismo punto de la señal: eso lo decide el disparo, que arranca la rampa cuando la señal cruza un nivel con una pendiente elegida. En modo normal solo barre si hay disparo; en automático, barre igual después de un tiempo, para mostrar la traza aunque no haya señal; en único, barre una sola vez. El holdoff impide redisparar durante un tiempo, para estabilizar señales complejas.
En modo X-Y la rampa se reemplaza por una segunda señal: dos senoidales forman figuras de Lissajous, de las que se leen la relación de frecuencias y el desfase.
05La punta atenuadora compensada
La punta 10:1 tiene en su extremo una resistencia de 9 MΩ que, con el megaohm de entrada, divide por diez y multiplica por diez la resistencia que ve el circuito. Pero la entrada también tiene capacidad, y la del cable suma más: sin corrección, el divisor resistivo se convertiría en un filtro pasabajos. La solución es un capacitor en paralelo con los 9 MΩ, ajustable, que forma un divisor capacitivo con la misma relación:
Una punta de 9 MΩ con capacitor ajustable \( C_p \), sobre una entrada de 1 MΩ con 100 pF entre el osciloscopio y el cable. La señal es la cuadrada de 0 a 5 V y 1 kHz del calibrador; la pantalla está en 1 V/div y 0,2 ms/div, con el factor de la punta ya aplicado.
Aun compensada, la punta carga al circuito: presenta 10 MΩ en paralelo con unos 10 pF. A 100 MHz esa capacidad es una reactancia de solo 160 Ω. Para señales rápidas en circuitos de impedancia alta se usan puntas activas, con un amplificador en la punta y menos de 1 pF.
06En el laboratorio
Conectar cada punta al calibrador, ajustar el trimmer hasta ver la cuadrada plana y registrar cómo se ve sobrecompensada y subcompensada.
Medir el tiempo de subida de un generador de pulsos rápidos con osciloscopios de distinto ancho de banda y verificar la suma en cuadratura.
En modo X-Y, medir el desfase de una red RC a varias frecuencias con la elipse de Lissajous y comparar con el cálculo.
07Errores frecuentes
- No compensar la punta al cambiarla de canal o de osciloscopio. Cada entrada tiene su capacidad.
- Usar la punta en 1:1 para señales rápidas. En esa posición el ancho de banda baja a unos pocos megahertz.
- Medir tiempos de subida cercanos a los del osciloscopio sin corregir.
- Conectar la masa de la punta a un punto que no es tierra. La masa del osciloscopio está unida a la tierra de la instalación: se produce un cortocircuito.
08Autoevaluación
¿Qué tiempo de subida tiene un osciloscopio de 200 MHz?
\( 0{,}35 / 200 \) MHz = 1,75 ns.
Un flanco de 5 ns se mide con un osciloscopio de 3,5 ns. ¿Qué se lee?
\( \sqrt{25 + 12{,}25} \approx 6{,}1 \) ns: un 22 % más.
¿Qué capacidad compensa una punta de 9 MΩ sobre 1 MΩ con 20 pF?
\( C_p = 1 \cdot 20 / 9 \approx 2{,}2 \) pF.
¿Cómo se ve la cuadrada del calibrador con la punta sobrecompensada?
Con picos en los flancos que decaen hacia la meseta: el divisor capacitivo deja pasar más de la décima parte en los cambios rápidos.
09Para ampliar
- Ian Hickman. Oscilloscopes: How to Use Them, How They Work. 5.ª ed., Newnes, 2001. El osciloscopio desde adentro, del tubo a los digitales, con las puntas y el disparo.
- Tektronix. XYZs of Oscilloscopes. Tektronix, primer técnico. La introducción del fabricante: sistemas vertical y horizontal, disparo y especificaciones.
- Albert D. Helfrick y William D. Cooper. Instrumentación electrónica moderna y técnicas de medición. Prentice Hall Hispanoamericana, 1991. El osciloscopio de rayos catódicos y sus circuitos.