Medidas Electrónicas II

Medidas Electrónicas II

Osciloscopio AnalógicoBases de Tiempo y Puntas

UTN FRBAMedidas Electrónicas II

Rev.3 – 11/05/2010

Medidas Electrónicas IIOsciloscopio de Base de tiempo disparada


Rev.2 – 05/05/2009

IntroducciónEl osciloscopio es un instrumento de medición que

permite visualizar una señal eléctrica sobre una pantalla en cuyo interior se ha depositado fósforo. En general se visualiza como una línea que indica en el eje vertical la amplitud de una tensión y en el horizontal el tiempo.

• Existen varios criterios de clasificación- Según la presentación y el procesamiento :

Digital o Analógico• Según la base de tiempo :

- Recurrente, Disparada, Demorada, Dual


Diagrama en bloques ORCUTN FRBAMedidas Electrónicas II

El TRC

Los electrones son emitidos por el cátodo, que tiene forma de un cilindro cerrado por un extremo mediante una plaquita, la cual está recubierta por óxidos de bario y estroncio que emiten un haz de electrones de alta densidad. El cátodo se calienta mediante un elemento calefactor en forma de hélice que está contenido en el cilindro. A continuación, y muy próximo al cátodo viene la rejilla de control que tiene un orificio más pequeño que la superficie emisora. Una segunda rejilla de control acelera los electrones que han pasado a través de la primera rejilla. El siguiente elemento dentro del tubo, es el denominado ánodo de enfoque. Que tiene forma cilíndrica con varios orificios. Finalmente, tenemos el ánodo acelerador.


El TRCUTN FRBAMedidas Electrónicas II

El ánodo acelerador A2 está fijado a un potencial de varios miles de voltios respecto al cátodo. El primer ánodo de enfoque A1 funciona a un potencial VC que es aproximadamente la cuarta parte de A2, VC+VB. La segunda rejilla R2 está conectada internamente a A2. Variando los potenciales VB y VC se puede cambiar la energía del haz de electrones. La rejilla de control R1 es siempre negativa respecto al potencial del cátodo C. La densidad del haz de electrones y por tanto, la intensidad de la imagen sobre la pantalla puede variarse cambiando esta diferencia de potencial, que recibe el nombre de tensión de polarización. Normalmente, la rejilla de control R1 funciona a un potencial de 20 voltios negativos respecto del cátodo.El tubo de rayos catódicos tiene dos pares de placas deflectoras que desvían el haz en dos direcciones mutuamente perpendiculares. Las placas no son completamente paralelas sino que se ensanchan para lograr grandes ángulos de desviación evitando que el haz de electrones choque contra los bordes de las placas. La diferencia de potencial entre las placas deflectoras suele ser de 0 a 45 voltios.


Después de que el haz de electrones abandone la región deflectora, sigue un movimiento rectilineo uniforme, una línea recta tangente a la trayectoria en el punto x=L en el que dicho haz abandonó la mencionada región. La desviación total del haz en la pantalla situada a una distancia D del condensador es

El ángulo de desviación aumenta con la longitud L de las placas, con la diferencia de potencial Vd ( o el campo E) entre las mismas. Aumenta también, si se disminuye el potencial acelerador V, o la velocidad v0 de los electrones, permitiéndoles estar más tiempo dentro del campo deflector.


Produce la emisión de luz propiamente dicha por efecto del choque de los electrones sobre la superficie fluorescente de la misma.

Fósforo

Según el uso que se le dará al osciloscopio el fósforo que utiliza el TRC puede clasificarse típicamente en:

Uso general

Contiene fósforo clasificado como P31 de color verde de gran luminosidad con una persistencia del orden de los 30 mseg y alta resistencia al quemado.

Uso médico o para medición en general de fenómenos lentos

Contiene fósforo clasificado como fósforo P7 o similar de color mezcla de amarillo, verde y blanco-azulado, con una elevada persistencia y resistencia al quemado media. Estos modelos caen en desuso frente a la versatilidad y precisión brindadas por los osciloscopios del tipo digital en donde se toman muestras de la señal a medir, se cuantifica digitalmente y se almacena en una memoria digital. Esto permite entre otras visualizar señales de variación muy lenta y la posibilidad de retener la señal almacenada para ser procesada internamente. Es posible, mediante la conexión adecuada imprimir directamente a un plotter o realizar el procesamiento en una computadora personal.


Canal Vertical

Puede ser inyectada a este mediante dos formas, a la entrada posee dos acoples:

Acoplé de Continua (DC): En donde la señal entra directamente al ORC.

Acoplé de Alterna (AC): En donde a la señal se le filtra mediante un capacitor la componente de continua (Valor Medio). Se comporta como un Filtro Pasa altos y por consecuencia las señales de baja frecuencia se ven atenuadas.

GND : mandar a masa o tierra la entrada, esto sirve para saber donde esta nuestro “cero de referencia” en amplitud al realizar las mediciones.

Luego de esta etapa, la señal pasa por una serie de resistencias (ATENUADOR) las cuales van a dar las distintas escalas. A continuación la señal es pre-amplificada, en este es posible sumarle a la señal un nivel de continua lo cual hace posible mover la forma de onda mostrada en la pantalla del ORC en forma vertical.

Las señal ingresada por el Canal B (Y) puede ser invertida.

UTN FRBAMedidas Electrónicas IICanal Vertical

Especificaciones del canal verticalAl canal vertical Ro = 1MΩ

Co ≈ 20 pF

Osciloscopio GOOD-WILL mod. 653G


Especificaciones del canal vertical

La siguiente ecuación entre el tiempo de subida ts (ns) y el ancho de banda B (MHz) es válida para amplificadores con un retardo de grupo casi constante (es decir, buen comportamiento con impulsos).


Especificaciones del canal vertical

Ro = 1MΩCo ≈ 20 pF

2222

..1

1

RtCoRoRtVv

ViT

Generalmente Ro>>Rt

222 ..1

1

RtCoVv

ViT


Circuito de disparo

Apunte histórico Ing. Suárez


Circuito acoplamiento



Conformador de pulsos








UTN FRBAMedidas Electrónicas IIRequerimientos de la Base de Tiempo

-Que quede retenida si se vuelve a producir un puso de disparo.-Que la pendiente de la rampa se mantenga constante a lo largo de todo el barrido.


UTN FRBAMedidas Electrónicas IIModos de operación de la base de tiempo


UTN FRBAMedidas Electrónicas IIBase de Tiempo elemental


UTN FRBAMedidas Electrónicas IIBase de Tiempo Realimentada


UTN FRBAMedidas Electrónicas IIOperación disparada


UTN FRBAMedidas Electrónicas IIBase de Tiempo Realimentada.

Circuito de retención


UTN FRBAMedidas Electrónicas IICircuito de retención.

Formas de onda


UTN FRBAMedidas Electrónicas IIBase de tiempo realimentada.

Operación Recurrente



Operación Bloqueada



Especificaciones canal Horizontal

Osciloscopio GOOD-WILL mod. 653G

UTN FRBAMedidas Electrónicas IIMediciones con el Osciloscopio

Rise Time

Medición• La pendiente del impulso correspondiente se ajusta con precisión a una altura de 5 div. (mediante el atenuador y su ajuste fino).• La pendiente se posiciona simétricamente entre las líneas centrales de X e Y (mediante el botón de ajuste X e Y-POS.)• Posicionar los cortes de la pendiente con las líneas de 10% y 90% sobre la línea central horizontal y evaluar su distancia en tiempo (T = L x Z).• En el siguiente dibujo se ha ilustrado la óptima posición vertical y el margen de medida para el tiempo de subida. Ajustando un coeficiente de deflexión de 10ns/div., el ejemplo del dibujo daría un tiempo de subida total de:

ttot = 1,6div. x 10ns/div.= 16ns


Ro = 1MΩCo ≈ 20 pF

2222

..1

1

RtCoRoRtVv

ViT

Thevenin

Mediciones con el OsciloscopioRise Time


.2.2

. 01

CoTe

CR



01..2.2 CRTeCo


222egeo TTTeTei

Co

El tiempo de establecimiento indicado será la suma geométrica del tiempo de establecimiento del canal vertical, el tiempo de establecimiento del generador y el tiempo de establecimiento debido a la capacidad de entrada Co


Rise Time

Un caso practico, midiendo el tiempo de establecimiento de un generador de Zo=50Ω, debe colocarse una terminación de 50Ω a la entrada del ORC.

01..2.2 CRTeCo Con R1≈25Ω

Tec2= Tiempo de establecimiento del cable (100ps para cable de 1m)


Rise Time


Rise Time

ABCs of Probes-Tektronics


Señales moduladas en amplitudCon el osciloscopio se puede visualizar y evaluar la imagen de una señal de AF modulada en amplitud, si su espectro de frecuencia está dentro de los límites del ancho de banda. La base de tiempos se ajusta a una posición en la que se pueden apreciar varias oscilaciones de la frecuencia de modulación. Para obtener más exactitud se deberá disparar externamentecon la frecuencia de modulación (del generador de BF o de un demodulador). Con disparo normal, sin embargo,a menudo se puede disparar internamente con ayuda del ajuste fino de tiempo.

Medidas Electrónicas IIPuntas de Prueba


Puntas de prueba

•La punta de prueba es el nexo entre la fuente de señal a visualizar y la entrada del osciloscopio, y sus características pueden afectar a la señal que se está midiendo.


Puntas de prueba

Su diseño busca:- Buena conexión entre el ORC y la fuente- Fidelidad - Que no cargue al generador- Inmunidad al ruido


Puntas de prueba

Problemas con el ancho de banda.- El ancho de banda de la punta de prueba debe ser 5 veces mayor

que el del Osciloscopio- Cada fabricante de Osciloscopio recomienda el uso de

determinadas puntas de prueba, ya que todo el conjunto forma el sistema de medición.

Problemas con el Rango dinámico.- Todas las puntas de prueba tienen un límite máximo de tensión.

Las puntas pasivas tienen limites que van de los cientos a los miles de volts

Las puntas activas como mucho llegan a la decena de volts.- Puntas X1- Puntas X10- Puntas X100 ( rigidez dieléctrica)


Puntas de pruebaUTN FRBAMedidas Electrónicas II

Punta X1 (Ej:Tektronik P2200, con TDS1000/2000)

Características del Sistema de Medición:-Capacidad de entrada: 80-110pF-Resistencia de entrada: 1MOhm (a DC)-Tiempo de establecimiento : < 50 ns

Se debe bajar el Q de la línea, amortiguando con una resistencia en serie de 300Ω. En general se una un resistor distribuido en forma de una línea con pérdidas, por ejemplo Bario-Niquel, que posee 350 ohm/metro.

Chequear del manual!


Chequear del manual!

Punta X10 (Ej:Tektronik P2200, con TDS1000/2000)

Características del Sistema de Medición:-Capacidad de entrada: 13-17pF-Resistencia de entrada: 10MOhm (a DC)-Tiempo de establecimiento : < 2,2 ns

Puntas de prueba


Punta X10

SRpRoCoCpRoRp

SCpRp

CpCo

CpVs

).(

1

.


Cual es la impedancia de la punta ?

Puntas de prueba

CpCo

CpVm

.


Punta X10

RpRo

RoVm

.

Sobre compensado

Puntas de prueba

CpCo

CpVm

.


Punta X10

RpRo

RoVm

.

Subcompensado


Punta X10

• Todos los osciloscopios viene con una conexión para compensar las puntas• La misma provee de una señal rectangular de 5V-1KHz (típico)• Las puntas vienen acompañadas por un accesorio (simil destornillador) que permite realizar el ajuste del capacitor de compensación hasta obtener la compensación óptima


Punta X10

Para compensar la punta se hace con una señal rectangular, que es una sucesión de escalones, y se varía Cp hasta lograr los flancos bien definidos en la señal. La frecuencia de esta señal no puede ser muy alta, ya que lo que desea observar es el transitorio, por lo que el semiperíodo de la señal deberá ser mayor que 4 constantes de tiempo, alrededor de 200µseg, por lo que se usa una señal de 1Khz cuyo T72=500µseg.


• Cuando se hacen mediciones, debe considerarse cómo afecta la punta al circuito que conecta, de manera tal de tener en cuenta el error de método• Para mediciones en DC puede tenerse un circuito como el siguiente

Mediciones en DC

• Cuando se conecta la punta de prueba se tiene

• En este caso el error de método es despreciable (0,1%), pero si Rp fuese menor o por el contrario Ri fuese mayor el efecto sería notorio


• En estas situaciones, el análisis es un poco más profundo• Aún en un circuito a medir compuesto sólo por resistencias, el efecto capacitivo de la impedancia de la punta puede empezar a pesar si la frecuencia aumenta

Mediciones en AC

• Para minimizar este efecto, debe disminuirse Cp y por lo tanto empezar a pensar en una punta pasiva X10 o Activa (entrada con FET) donde Cp baja notablemente


• Cuando se trabaja en AC, la punta deja de presentar una impedancia puramente resistiva, • El módulo deja de ser 10MOhm (típico) a medida que la frecuencia aumenta• Esta situación debe ser analizada para no cargar el circuito a medir, y de esta forma dañarlo o modificar su funcionamiento

Mediciones en AC (Impedancia de la Punta)


• El clip de conexión de tierra (Cocodrílo) es un factor de problemas a medida que los flancos de las señales son cada vez más abruptos, o aumenta la frecuencia y las componentes parásitas empiezan a tener peso• El agregado de cables de extensión ya sea en el Tip o en el cable de tierra pueden generar un efecto que ya no es despreciables• Incluso aquellas partes que son originales de la punta (como el Cocodrilo o el Capuchón) pueden empezar a molestar. La inductancia del cable de tierra, así como la capacidad adicional del capuchon deben estar bajo observación

Mediciones en AC

Medición con Punta x1 en un divisor resistivo

Modelo de una punta x10 conectado a una fuente ideal


• Es notorio el efecto de Ringing al extender el cable de tierral de la punta

Mediciones en AC

• Incluso la conexión del Tip mediante un cable puede empeorar el RiseTime (en el ejemplo de 4,74nS a 5,67nS)


• Cuando estos factores son críticos en puntas pasivas, se recurre a conectores de adaptación, que deben estár previstos en el circuito a medir para poder minimizar los componentes parásitos

Mediciones en AC

Medidas Electrónicas IIOsciloscopio de Base de tiempo Demorada


Fundamentos y Necesidad


• Se crea para visualizar detalles de la señal, sin necesidad de utilizar el magnificador que ocasiona un deterioro en las especificaciones del instrumento de aproximadamente un 5%, frente a un 1% típico de la B.T. demorada (aprox.).

• Cuando la señal tiene detalles, como puede ser una señal de video compuesta, puede hacerse imposible mantener una imagen estable al disparar en la zona de interés.

• Las mediciones sobre la pantalla del ORC en una pequeña porción de las 10 divisiones horizontales son una fuente de incerteza muy importante. Se busca expandir los detalles al total de la pantalla.

• Los detalles que tengan fluctuaciones aleatorias frente al resto de la señal, pueden ser medidos sin dificultad con la B.T. demorada

• Mediciones de Ancho de pulso, Frecuencia o Período, son un ejemplo de mediciones que se ven beneficiadas por el uso de la Base de Tiempo Demorada

Diagrama temporal elemental


Detalle a visualizar en toda la pantalla

Base de Tiempo Lenta

Tensión de Desbloqueo del Tubo (enciende)

Disparo de la Base de Tiempo Lenta

Disparo de la Base de Tiempo rápido

Base de Tiempo Rápida

Tensión de Desbloqueo del Tubo (enciende)

• El detalle de la señal no es posible mostrarlo maximizado en la pantalla con una Base de Tiempo disparada simple. Para poder lograrlo hace falta una segunda Base de Tiempo (rápida), que sea disparada en el detalle a visualizar.

Modos de Operación:


Modo ‘B’ Intensificado por ‘A’ La B.T Lenta se ve intensificada en una zona por el disparo de la

B.T rápida. Se utiliza para marcar la zona de interés que se procederá a expandir con la B.T rápida al pasar al modo siguiente

Modo ‘A’ Demorado por ‘B’ La B.T rápida se ve “demorada” hasta que la B.T. lenta le de la posibilidad de dispararse. Esta característica a su vez se divide en ‘Disparada por el pulso demorado’ y ‘Armada por el pulso demorado’


Modo ‘B’ Intensificado por ‘A’

B.T.‘A’

(rápida)

B.T.‘B’

(lenta)


• En este modo de operación están cerradas las llaves 1, 2 y 4 de la figura

• Se envía a las placas deflectoras horizontales la rampa correspondiente a la B.T. lenta

• Al cilindro de Wehnelt una tensión de desbloqueo que es la suma de las tensiones de desbloqueo correspondientes a las dos B.T.

•El resultado, es que se obtiene una imagen que corresponde al uso de la B.T. lenta, con una zona intensificada que corresponde al lapso durante el cual actúa la B.T. más rápida.

•Si se modifica el potenciómetro multiplicador de demora, se observa que la zona intensificada se desplaza a lo largo de la imagen. Dado que en principio hay un umbral de continua que es variado que está causando el disparo de la B.T. rápida. Esto último se verá en detalle posteriormente, dado que no siempre puede causar el disparo.

Modo ‘B’ Intensificado por ‘A’


• En este modo de operación están cerradas las llaves 3 y 4 de la figura

• Se envía a las placas deflectoras horizontales la rampa generada por la B.T. rápida

• Al cilindro de Wehnelt la tensión de desbloqueo asociada a la rampa anterior.

•La imagen que se observa es la parte de la señal que en el modo anterior estaba intensificada, ocupando todo el ancho de la pantalla.

• Ajustando el potenciómetro multiplicador de demora se puede, bajo ciertas circunstancias de disparo de la B.T. rápida, ver desfilar por la pantalla toda la señal

Modo ‘A’ Demorada por ‘B’


• El nivel de estabilidad de la B.T. rápida se ubica en una zona donde los pulsos de disparo de la propia B.T no tengan efecto nunca

•Se ajusta el potenciómetro Multiplicador de Demora (MD) para que al momento de cruzar este umbral con la B.T. lenta, actúe un comparador y genere un pulso de disparo

• Se actúa sobre el Biestable de Bloqueo de Disparo, utilizado para realizar el modo de ‘Disparo Único’, de forma tal que cuando sea necesario provoque el accionamiento de la B.T. rápida

• El pulso del comparador gatilla el Biestable de Bloqueo de Disparo, que finalmente baja rápidamente el nivel de estabilidad hasta cruzar el nivel de histéresis inferior del MBC causando el disparo de la B.T. rápida

• En ese momento el detalle es mostrado en la pantalla completa del ORC

•El movimiento del multiplicador de demora desplaza el detalle de forma continua, permitiendo realizar mediciones sobre el mismo

Alternativa ‘Disparada por el pulso demorado’


Oscilogramas ‘Disparada por el pulso demorado’

Cruce del umbral

Nivel de estabilidad

Accionamiento del Biestable de

Bloqueo

Disparo de la B.T. rápida

Disparo de la B.T. lenta

PulsoDemorado


• El nivel de estabilidad de la B.T. rápida se ubica en una zona donde los pulsos de disparo de la propia B.T no tengan efecto en principio

•Se ajusta el potenciómetro Multiplicador de Demora para que al momento de cruzar este umbral con la B.T. lenta, actúe un comparador y genere un pulso de disparo

• Se actúa sobre el Biestable de Bloqueo de Disparo, utilizado para realizar el modo de ‘Disparo Único’, de forma tal que cuando sea necesario baje el nivel de estabilidad hasta quedar cerca del nivel de histéresis inferior del MBC (armado de la B.T. rápida)

• El pulso del comparador gatilla el Biestable de Bloqueo de Disparo, que finalmente baja rápidamente el nivel de estabilidad causando el armado de la B.T. rápida

• En el momento que ocurra un pulso de disparo en la B.T. rápida, la misma se disparará mostrando el detalle es mostrado en la pantalla completa del ORC

•El movimiento del multiplicador de demora desplaza el detalle de a saltos, dado que arma la B.T. pero el disparo lo provoca el detalla (aún cuando varíe aleatoriamente)

Alternativa ‘Armado por el pulso demorado’


Oscilogramas ‘Armado por el pulso demorado’

Cruce del umbral

Nivel de estabilidad

Accionamiento del Biestable de

Bloqueo (Armado)

Disparo de la B.T. rápida

Disparo de la B.T. lenta

PulsoDemorado


Los controles asociados a la B.T. demorada son:

• Las etapas correspondientes a cada una de las B.T. del equipo, incluidos sus acoplamientos, niveles de disparo y de estabilidad

• Multiplicador de Demora: Tiene 10 vueltas ajustado a cada división de la pantalla, y a la vez cada vuelta dividida en 100 partes, dando una resolución de 1 centésimo de división.

Controles asociados a la B.T. Demorada


• Con la incorporación de una segunda B.T. se pueden visualizar detalles de la señal que de otra forma sería imposible, o sería posible pero se tendría una incerteza grande en la medición

•Con la B.T. demorada pueden lograrse comúnmente expansiones de 1000 veces

• Señales cuyos detalles no tengan variaciones aleatorias pueden verse perfectamente estable con la B.T. demorada

Conclusiones de la B.T. Demorada


Conclusiones de la B.T. Demorada


Medición de tiempo de crecimiento

tr1=495pS = 2,2 x 9pF x 25 Ohm

tr2=768pS = 2,2 x 14pF x 25 Ohm

Date post:	23-Jan-2016
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