Osciloscopi
_and_digital_storage_oscilloscope_Tektronix_TPS_2014B_(c._2012).jpg)
Un osciloscopi és un instrument de visualisació electrònic per a la representació gràfica de senyals elèctriques que poden variar en el temps. És molt usat en electrònica de senyalés, freqüentment junt a un analisador d'espectre. Permet vore l'evolució temporal de diferents senyals presents en els circuits electrònics.[1] Estos aparats conten en uns commutadors que permeten l'ajust de l'escala de temps i de voltage. Les freqüències en les que es pot usar un osciloscopi poden ser des d'una senyal que no varie en funció del temps (com una corrent contínua) fins a l'orde de 10 MHz o més en funció del model amprat.[2]
Presenta els valors de les senyals elèctriques en forma de coordenades en una pantalla, en la que normalment l'eix x (horisontal) representa temps i l'eix i (vertical) representa tensions. L'image aixina obtinguda es denomina oscilograma. Solen incloure una atra entrada, cridada «eix THRASHER» o «Cilindre de Wehnelt» que controla la lluminositat del fes, permetent resaltar o apagar alguns segments de la traça.[2]
Els osciloscopis, classificats segons el seu funcionament intern; poden ser tant analògics com digitals, sent el resultat mostrat idèntic en qualsevol dels dos casos (en teoria).
Història
[editar | editar còdic]- Artícul principal → en:Oscilloscope history.
En 1897, el físic alemà Karl Ferdinand Braun va desenrollar el primer osciloscopi en adaptar un tubo de rajos catódicos —que havia segut creat per William Crookes en 1875—, de manera que la chorrada d'electrons del tubo es dirigira cap a una pantalla fluorescent per mig de camps magnètics generats per la corrent alterna. En 1897 i en 1899, Jonathan Zenneck ho va equipar en plaques formadores de fes i un camp magnètic per a agranar la traça.[3] Els primers tubos de rajos catódicos es varen aplicar experimentalment a medicions de laboratori des de la década de 1920, pero varen sofrir de la mala estabilitat del buit i dels emissors de càtodo. Vladimir K. Zworykin va descriure un tubo de rajos catódicos d'alt buit i sagellat permanentment en un emissor termoiònic en 1931. Este component estable i reproduible va permetre a General Ràdio fabricar un osciloscopi que fora utilisable anara d'un entorn de laboratori.
Despuix de la Segona Guerra Mundial, els excedents de components electrònics es varen convertir la base de la reactivació d'Heathkit Corporation i un kit de $50 per a construir un osciloscopi en eixes peces va ser un primer èxit en el mercat.
Utilisació
[editar | editar còdic]En un osciloscopi existixen, bàsicament, dos tipos de controls que són utilisats com a reguladors que ajusten la senyal d'entrada i permeten, conseqüentment, medir en la pantalla i d'esta manera es pot vore la forma de la senyal medida per l'osciloscopi, açò denominat en forma tècnica es pot dir que l'osciloscopi servix per a observar la senyal que vullga medir.
Per a medir li'l pot comparar en el pla cartesiano.
El primer control regula l'eix x i aprecia fraccions de temps (segons, milisegons, microsegons, etc., segons la resolució de l'aparat). El segon regula l'eix i controlant la tensió d'entrada (en volts, milivoltios, microvoltios, etc., depenent de la resolució de l'aparat).
Estes regulacions determinen el valor de l'escala cuadricular que dividix la pantalla, permetent saber quànt representa cada quadrat d'esta para, en conseqüència, conéixer el valor de la senyal a medir, tant en tensió com en freqüència (en realitat es medix el periodo d'una ona d'una senyal, i després es calcula la freqüència).
Atres funcions
[editar | editar còdic]
Alguns osciloscopis tenen cursors. Estes són llínees que es poden moure per la pantalla per a medir l'interval de temps entre dos punts, o la diferència entre dos voltages. Alguns osciloscopis més antics simplement allumenaven la traça en ubicacions mòvils. Estos cursors són més precisos que les estimacions visuals que es referixen a llínees de retícula.[4][5]
Els osciloscopis d'us general de millor calitat inclouen una senyal de calibración per a configurar la compensació de les sondes de prova; esta és (a sovint) una senyal d'ona quadrada d'1 kHz d'un voltage definit de pico a pico disponible en una terminal de prova en el panel frontal. Alguns osciloscopis alvançats també tenen un bucle quadrat per a verificar i ajustar les sondes de corrent.
A voltes, un usuari vol vore un event que succeïx solament ocasionalment. Per a capturar estos events, alguns osciloscopis, cridats "osciloscopis d'almagasenament", conserven l'agranada més recent en la pantalla. Açò es va conseguir originalment en un CRT especial, un tubo d'almagasenament, que va retindre l'image d'inclús un event molt breu durant molt temps.
Alguns osciloscopis digitals poden agranar a velocitats tan llentes com una volta per hora, emulant un registrador de gràfics en tires. És dir, la senyal es desplaça per la pantalla de dreta a esquerra. La majoria dels osciloscopis en esta funció canvien d'un modo d'agranada a un gràfic de tires aproximadament una agranada cada dèu segons. Açò es deu a que, de lo contrari, l'alcanç es veu trencat: està recopilant senyes, pero no es pot vore el punt.
Tots els models d'osciloscopis actuals, llevat els més simples, utilisen en major freqüència el mostreig de senyals digitals. Les mostres alimenten convertidors ràpits d'analògic a digital, despuix de la qual cosa tot el processament (i almagasenament) de la senyal és digital.
Molts osciloscopis admeten mòduls enchufables per a diferents propòsits, per eixemple, amplificadors d'alta sensibilitat d'ample de banda relativament estret, amplificadors diferencials, amplificadors en quatre o més canals, complements de mostreig per a senyals repetitives de molt alta freqüència i complements per a propòsits especials, incloent analisadors d'espectre d'àudio/ultrasònics i canals acoplats directes de voltage compensat i estable en guany relativament alt.
Osciloscopi analògic
[editar | editar còdic]La tensió a medir s'aplica a les plaques de desviació vertical oscilante d'un tubo de rajos catódicos (utilisant un amplificador en alta impedència d'entrada i guany ajustable) mentres que a les plaques de desviació horisontal s'aplica una tensió en dent de serra (denominada aixina perque, de forma repetida, creix suaument i després cau de forma brusca). Esta tensió és produïda per mig d'un circuit oscilador apropiat i el seu freqüència pot ajustar-se dins d'un ampli ranc de valors, lo que permet adaptar-se a la freqüència de la senyal a medir. Açò és lo que es denomina base de temps.
En la Figura 1 es pot vore una representació esquemàtica d'un osciloscopi en indicació de les etapes mínimes fonamentals. El funcionament és el següent:
En el tubo de rajos catódicos el raig d'electrons generat pel càtodo i accelerat pel ànodo aplega a la pantalla, recoberta interiorment d'una capa fluorescent que s'allumena per l'impacte dels electrons.
Si s'aplica una diferència de potencial a qualsevol de les dos parelles de plaques de desviació, té lloc una desviació del fes d'electrons pel camp elèctric creat per la tensió aplicada. D'esta manera, la tensió en dent de serra, que s'aplica a les plaques de desviació horisontal, fa que el fes es moga d'esquerra a dreta i durant este temps, en absència de senyal en les plaques de desviació vertical, dibuixe una llínea recta horisontal en la pantalla i després torne al punt de partida per a iniciar una nova agranada. Esta tornada no és percebut per l'ull humà per la velocitat a que es realisa i a que, de forma adicional, durant el mateix es produïx un apagat (borrat) parcial o una desviació del raig.
Si en estes condicions s'aplica a les plaques de desviació vertical la senyal a medir (a través de l'amplificador de guany ajustable) el fes, ademés de moure's d'esquerra a dreta, es mourà cap a dalt o cap a avall, depenent de la polaridad de la senyal, i en major o menor amplitut depenent de la tensió aplicada.
En estar els eixos de coordenades dividits per mig de marques, és possible establir una relació entre estes divisions i el periodo de la dent de serra pel que fa a l'eix x i al voltage en lo referit al x. En això a cada divisió horisontal correspondrà un temps concret, de la mateixa manera que a cada divisió vertical correspondrà una tensió concreta. D'esta forma en cas de senyals periòdiques es pot determinar tant el seu periodo com la seua amplitut.
El marge d'escales típic, que varia de microvoltios a uns pocs volts i de microsegons a varis segons, fa que este instrument siga molt versàtil per a l'estudi d'una gran varietat de senyals.
Llimitacions de l'osciloscopi analògic
[editar | editar còdic]L'osciloscopi analògic té una série de llimitacions pròpies del seu funcionament:
- Les senyals deuen ser periòdiques. Per a vore una traça estable, la senyal deu ser periòdica ya que és la periodicitat de dita senyal la que refresca la traça en la pantalla. Per a solucionar este problema s'utilisen senyals de sincronisme en la senyal d'entrada per a disparar l'agranada horisontal (trigger level) o s'utilisen osciloscopis en base de temps disparada.
- Les senyals molt ràpides reduïxen la lluentor. Quan s'observa part del periodo de la senyal, la lluentor es reduïx per la baixa persistència fosfórica de la pantalla. Açò se soluciona colocant un potencial post-accelerador en el tubo de rajos catódicos.
- Les senyals llentes no formen una traça. Les senyals de freqüències baixes produïxen una agranada molt llenta que no permet a la retina integrar la traça. Açò se soluciona en tubos d'alta persistència. També existien cambres Polaroid especialment adaptades per a fotografiar les pantalles d'osciloscopis. Mantenint l'exposició durant un periodo s'obté una foto de la traça. Una atra forma de solucionar el problema és donant distintes pendents a la dent de serra de l'agranada horisontal. Açò permet que tarde més temps en agranar tota la pantalla, i per això poden visualisar-se senyals de baixa freqüència pero es vorà un punt desplaçant-se a través de la pantalla degut a que la persistència fosfórica no és elevada.
- Solament es poden vore transitoris si estos són repetitius; pero pot utilisar-se un osciloscopi en base de temps disparada. Este tipo d'osciloscopi té un modo de funcionament denominat «dispar únic». Quan ve un transitori l'osciloscopi mostrarà este i sol est, deixant d'agranar una volta que la senyal ya va ser impresa en la pantalla.
Osciloscopi digital
[editar | editar còdic]En l'osciloscopi digital la senyal és prèviament digitalisada per un conversor analògic digital. En dependre la fiabilitat de la visualisació de la calitat d'este component, esta deu ser cuidada al màxim.
Les característiques i procediments senyalats per als osciloscopis analògics són aplicables als digitals. No obstant, en estos es tenen possibilitats adicionals, tals com el dispar anticipat (pre-triggering) per a la visualisació d'events de curta duració, o la memorisació del oscilograma transferint les senyes a un PC. Açò permet comparar mides realisades en el mateix punt d'un circuit o element. Existixen aixina mateix equips que combinen etapes analògiques i digitals.
La principal característica d'un osciloscopi digital és la velocitat de mostreig; la mateixa determinarà l'ample de banda màxim que pot medir l'instrument basant-se en el teorema de Nyquist. Ve expressada en MS/s (millons de samples ‘mostres’ per segon).
La majoria dels osciloscopis digitals en l'actualitat estan basats en control per FPGA (de l'anglés Field Programmable Gate Array), el qual és l'element controlador del conversor analògic a digital d'alta velocitat de l'aparat i demés circuitería interna, com a memòria, buffers, entre uns atres.
Estos osciloscopis afigen prestacions i facilitats a l'usuari impossibles d'obtindre en circuitería analògica, com els següents:
- Mida automàtica de valores de pico, màxims i mínims de senyal. Verdader valor eficaç.
- Mida de flancs de la senyal i atres intervals.
- Captura de transitoris.
- Càlculs alvançats, com la FFT per a calcular l'espectre de la senyal. També servix per a medir senyals de tensió.
Dins de l'osciloscopi digital existixen dos tipos que es diferencien clarament:
- De banc: més potents que els que ho precedixen, fets per a tindre en una sola localisació durant més temps.
- Portàtil: en menys potència pero més compactes per a dur d'un lloc a un atre.
Osciloscopi de Fòsfor Digital
[editar | editar còdic]L'osciloscopi de fòsfor digital (DPO, Digital Phosphor Oscilloscope) oferix una nova proposta a l'arquitectura de l'osciloscopi ya que combina les millors característiques d'un osciloscopi analògic en les d'un osciloscopi digital. De la mateixa manera que l'osciloscopi analògic, el primer pas és l'amplificador vertical, i de la mateixa manera que l'osciloscopi digital, la segona etapa és un conversor ADC. Pero després de la conversió d'analògic a digital, l'osciloscopi de fòsfor digital és una miqueta diferent al digital. Est té funcions especials dissenyades per a recrear el grau d'intensitat d'un tubo de rajos catódicos. En lloc d'utilisar fòsfor químic, de la mateixa manera que un osciloscopi analògic, el DPO té fòsfor digital que és una base de senyes actualisada constantment. Esta base de senyes té una cela separada d'informació per a cada u dels pixel que té la pantalla. Cada volta que una forma d'ona és capturada (en atres paraules, cada volta que l'osciloscopi és disparat) esta és almagasenada en les celes de la base de senyes. A cada cela que almagasena l'informació de la forma d'ona després se li inserta l'informació de l'intensitat. Per últim tota l'informació és mostrada en la pantalla LCD o almagasenada per l'osciloscopi.
Eixemples d'us
[editar | editar còdic]Un dels usos més freqüents dels osciloscopis és la resolució de problemes d'equips electrònics que funcionen mal. Per eixemple, quan un voltímetro pot mostrar un voltage totalment inesperat, un osciloscopi pot revelar que el circuit està oscilant. En atres casos, la forma o el moment precís del pols és important.
En un equip electrònic, per eixemple, les conexions entre etapes (per eixemple, mezcladores electrònics, osciladors electrònics, amplificadors) poden "sondejar-se" per a detectar la senyal esperada, utilisant l'osciloscopi com un simple rastrejador de senyal. Si la senyal esperada està absent o és incorrecta, alguna etapa anterior de l'electrònica no està funcionant correctament. Ya que la majoria de les falles ocorren per un sol component defectuós, cada medició pot mostrar que algunes de les etapes d'un equip complex funcionen o provablement no varen causar la falla.
Una volta que es troba l'etapa defectuosa, un anàlisis més detallat generalment pot indicar-li a un tècnic calificat exactament quin component ha fallat. Una volta que es reemplaça el component, l'unitat pot restablir-se al servici o a lo manco es pot aïllar la següent falla. Este tipo de solució de problemes és típic dels receptors de radi i televisió, aixina com dels amplificadors d'àudio, pero pot aplicar-se a dispositius molt diferents, com els motors electrònics.
Un atre us és comprovar circuits recent dissenyats. A sovint, un circuit recent dissenyat es comporta mal per errors de disseny, mals nivells de voltage, soroll elèctric, etc. L'electrònica digital generalment funciona des d'un rellonge, per lo que és útil un osciloscopi de doble traça que mostre tant la senyal del rellonge com una senyal de prova que depén del rellonge. Els #alcanç d'almagasenament són útils per a "capturar" events electrònics rars que causen un funcionament defectuós.
Els osciloscopis s'utilisen a sovint durant el desenroll de software en temps real per a comprovar, entre atres coses, els determinis incomplits i les latencias en el pijor dels casos.[6]
Vore també
[editar | editar còdic]Referències
[editar | editar còdic]- ↑ «Cathode-Ray Oscillograph 274A Equipment DuMont Labs, Allen B». Consultat el 2021-12-19.
- ↑ 2,0 2,1 Kularatna, Nihal (2003). Digital and analogue instrumentation : testing and measurement, Institution of Electrical Engineers. ISBN 0-85296-999-6.
- ↑ (1980) «Ferdinand Braun: Forgotten Forefather», Advances in electronics and electron physics (vol. 50), Academic Press, p. 252. ISBN 978-0-12-014650-5. «occurs first in a pair of later papers by Zenneck (1899a,b)»
- ↑ Hickman, Ian. Oscilloscopes, Newnes, pp. 4, 20. ISBN 0-7506-4757-4.
- ↑ Herres, David. Oscilloscopes: A Manual for Students, Engineers, and Scientists, Springer Science+Business Mija, pp. 120–121. doi:10.1007/978-3-030-53885-9. ISBN 978-3-030-53885-9.
- ↑ (2006) «A measurement-based analysis of the responsiveness of the Linux kernel», 13th Annual IEEE International Symposium and Workshop on Engineering of Computer-Based Systems (ECBS'06), pp. 10 pp.-408. doi:10.1109/ECBS.2006.9. ISBN 0-7695-2546-6.
Bibliografia
[editar | editar còdic]Enllaços externs
[editar | editar còdic]
Wikimedia Commons alberga contingut multimèdia sobre Osciloscopi.- Simulació d'osciloscopi (Java Applet).
- Animació 3D explicativa del funcionament bàsic de l'osciloscopi (video publicat en llicència Creative Commons)
- Mides en l'osciloscopi
Referències
[editar | editar còdic]- Este artícul conté una traducció derivada de «Osciloscopio» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.