Tipos de osciloscopios

Esta es una subdivisión del artículo sobre osciloscopios , que analiza con mayor detalle los distintos tipos y modelos de osciloscopios.

Mientras que los dispositivos analógicos utilizan voltajes que varían continuamente, los dispositivos digitales emplean números binarios que corresponden a muestras de dicho voltaje. En el caso de los osciloscopios digitales, se utiliza un convertidor analógico-digital (ADC) para transformar los voltajes medidos en información digital. Las formas de onda se capturan como una serie de muestras, las cuales se almacenan y acumulan hasta obtener suficientes para describir la forma de onda. Posteriormente, estas muestras se recombinan para su visualización. La tecnología digital permite mostrar la información con brillo, claridad y estabilidad. Sin embargo, como en cualquier osciloscopio, existen limitaciones en su rendimiento. La frecuencia máxima de operación está determinada por el ancho de banda analógico de los componentes de entrada del instrumento y la frecuencia de muestreo.

Los osciloscopios digitales se pueden clasificar en dos categorías principales: osciloscopios de almacenamiento digital y osciloscopios de muestreo digital. ^{[ 1 ] [ 2 ]} Las variantes más recientes incluyen osciloscopios basados ​​en PC (que se conectan a una PC para el procesamiento y la visualización de datos) y osciloscopios de señal mixta (que emplean otras funciones además de la medición de voltaje).

osciloscopio de almacenamiento digital

El osciloscopio digital de almacenamiento , o DSO por sus siglas en inglés, es actualmente el tipo preferido para la mayoría de las aplicaciones industriales. En lugar de tubos de rayos catódicos de almacenamiento , los DSO utilizan memoria digital, que puede almacenar datos durante el tiempo que sea necesario sin degradación. Un osciloscopio digital de almacenamiento también permite el procesamiento complejo de la señal mediante circuitos de procesamiento digital de señales de alta velocidad .

La señal de entrada vertical se digitaliza mediante un convertidor analógico-digital para crear un conjunto de datos que se almacena en la memoria de un microprocesador . Este conjunto de datos se procesa y se envía a la pantalla, que en los primeros osciloscopios digitales era un tubo de rayos catódicos, pero hoy en día es una pantalla plana LCD . Los osciloscopios digitales con pantallas LCD a color son comunes. El conjunto de datos de muestreo se puede almacenar en memoria interna o extraíble, o enviarse a través de una LAN o USB para su procesamiento o archivo. También se puede guardar una imagen de la pantalla en memoria interna o extraíble, o enviarla a una impresora integrada o externa, sin necesidad de una cámara para osciloscopio. El software de análisis de señales del propio osciloscopio puede extraer muchas características útiles en el dominio del tiempo (por ejemplo, tiempo de subida , ancho de pulso, amplitud), espectros de frecuencia, histogramas y estadísticas, mapas de persistencia y una gran cantidad de parámetros relevantes para ingenieros en campos especializados como las telecomunicaciones, el análisis de unidades de disco y la electrónica de potencia.

Los osciloscopios digitales están limitados principalmente por el rendimiento de los circuitos de entrada analógica, la duración de la ventana de muestreo y la resolución de la frecuencia de muestreo. Cuando no se utiliza el muestreo de tiempo equivalente, la frecuencia de muestreo debe ser superior a la frecuencia de Nyquist , que es el doble de la frecuencia del componente de mayor frecuencia de la señal observada; de lo contrario, se produce aliasing .

Las ventajas sobre el osciloscopio analógico son:

• Pantalla más brillante y grande con color para distinguir múltiples trazos.
• Adquisiciones sencillas de una sola vez en memoria sin los problemas que presentan los monitores CRT de tipo almacenamiento.
• Disparadores mucho más versátiles
• No hay ocultamiento de ruido en la penumbra del fósforo como ocurre en los osciloscopios analógicos.
• La señal de entrada no solo se convierte en una línea en la pantalla, sino que también está disponible como datos de muestra que se pueden almacenar o procesar posteriormente (por ejemplo, mediante las herramientas de medición y análisis que incluye el osciloscopio).
• El promedio de muestras o escaneos consecutivos, así como los modos HiRes específicos que funcionan mediante sobremuestreo, pueden dar lugar a una mayor resolución vertical.
• Las versátiles funciones de medición y análisis facilitan la recopilación de todas las propiedades relevantes de la señal.
• Detección de picos para encontrar eventos específicos con configuraciones de base de tiempo largas en osciloscopios digitales con poca memoria (menos relevante ya que los osciloscopios más nuevos ahora vienen con memorias grandes que mantienen la frecuencia de muestreo suficientemente alta incluso con configuraciones de base de tiempo muy largas).
• Fácil desplazamiento y zoom
• Control remoto mediante USB , Ethernet o GPIB.

Una desventaja de los osciloscopios digitales antiguos es su limitada velocidad de actualización de la forma de onda (velocidad de disparo) en comparación con sus predecesores analógicos, lo que puede dificultar la detección de fallos o fenómenos poco comunes, especialmente en los modelos más antiguos que carecen de modo de persistencia. Sin embargo, gracias a las mejoras en el procesamiento de la forma de onda, los osciloscopios digitales más recientes alcanzan velocidades de disparo superiores a 1 millón de actualizaciones por segundo, superando los aproximadamente 600 000 disparos por segundo que ofrecían los mejores osciloscopios analógicos. Los osciloscopios digitales más modernos también incluyen modos de persistencia analógicos, que replican el brillo residual del tubo de rayos catódicos de fósforo de un osciloscopio analógico.

El tipo de osciloscopio más antiguo y sencillo constaba de un tubo de rayos catódicos , un amplificador vertical , una base de tiempo, un amplificador horizontal y una fuente de alimentación . Actualmente se les denomina osciloscopios "analógicos" para distinguirlos de los osciloscopios "digitales" que se popularizaron en las décadas de 1990 y 2000.

Antes de la introducción del osciloscopio en su forma actual, el tubo de rayos catódicos ya se utilizaba como dispositivo de medición. El tubo de rayos catódicos es una envoltura de vidrio al vacío, similar a la de un televisor en blanco y negro , con su superficie plana cubierta de un material fluorescente (el fósforo ). La pantalla suele tener menos de 20  cm de diámetro, mucho menor que la de un televisor. Los osciloscopios antiguos tenían pantallas o placas frontales redondas, mientras que los tubos de rayos catódicos más modernos y avanzados tienen placas frontales rectangulares.

En el cuello del tubo se encuentra un cañón de electrones, que consiste en un pequeño cilindro metálico calentado con un extremo plano recubierto de óxidos emisores de electrones. Cerca de este se halla un cilindro de mayor diámetro que lleva en su extremo catódico un disco con un orificio redondo; se denomina rejilla (G1), por analogía histórica con las rejillas de los tubos de vacío de los amplificadores. Se utiliza un pequeño potencial negativo en la rejilla (referido al cátodo) para impedir que los electrones atraviesen el orificio cuando es necesario apagar el haz de electrones, como durante el barrido de retorno o cuando no se producen eventos de disparo.

Sin embargo, cuando G1 se vuelve menos negativo con respecto al cátodo, otro electrodo cilíndrico, denominado G2, que es cientos de voltios positivo con respecto al cátodo, atrae electrones a través del orificio. Sus trayectorias convergen al pasar por el orificio, creando un estrechamiento de diámetro muy pequeño llamado cruce. Los electrodos siguientes ("rejillas"), lentes electrostáticas, enfocan este cruce sobre la pantalla; el punto es una imagen del cruce.

Normalmente, el tubo de rayos catódicos (CRT) funciona a unos -2 kV, y se utilizan diversos métodos para compensar la tensión G1. El haz, que avanza por el cañón de electrones, pasa a través de las lentes de imagen y el primer ánodo, emergiendo con una energía en electronvoltios igual a la del cátodo. El haz atraviesa primero un conjunto de placas deflectoras y luego el otro, donde se desvía según sea necesario hacia la pantalla de fósforo.

La tensión media de las placas de deflexión es relativamente cercana a tierra, ya que deben conectarse directamente a la etapa de salida vertical.

Por sí solo, una vez que el haz abandona la región de deflexión, puede producir una traza brillante y útil. Sin embargo, para osciloscopios de mayor ancho de banda, donde la traza puede moverse más rápidamente sobre la pantalla de fósforo, se suele utilizar un voltaje de aceleración posterior a la deflexión (PDA) positivo de más de 10 000 voltios, lo que aumenta la energía (velocidad) de los electrones que inciden sobre el fósforo. La energía cinética de los electrones se convierte en luz visible en el punto de impacto.

Cuando se enciende, un tubo de rayos catódicos (CRT) normalmente muestra un único punto brillante en el centro de la pantalla, pero este punto puede desplazarse electrostáticamente o magnéticamente. El CRT de un osciloscopio siempre utiliza deflexión electrostática. Las placas de deflexión electrostáticas convencionales suelen desplazar el haz aproximadamente 15 grados fuera del eje, lo que significa que los CRT de los osciloscopios tienen tubos de resonancia largos y estrechos, y, para el tamaño de su pantalla, suelen ser bastante largos. Es la longitud del CRT lo que hace que los osciloscopios sean "profundos" de adelante hacia atrás. Los osciloscopios modernos de panel plano no necesitan dimensiones tan extremas; sus formas tienden a parecerse más a una especie de fiambrera rectangular.

Entre el cañón de electrones y la pantalla se encuentran dos pares opuestos de placas metálicas llamadas placas deflectoras. El amplificador vertical genera una diferencia de potencial entre un par de placas, creando un campo eléctrico vertical a través del cual pasa el haz de electrones. Cuando los potenciales de las placas son iguales, el haz no se desvía. Cuando la placa superior es positiva con respecto a la inferior, el haz se desvía hacia arriba; cuando el campo se invierte, el haz se desvía hacia abajo. El amplificador horizontal realiza una función similar con el otro par de placas deflectoras, provocando que el haz se mueva hacia la izquierda o hacia la derecha. Este sistema de deflexión se denomina deflexión electrostática y es diferente del sistema de deflexión electromagnética utilizado en los tubos de televisión. En comparación con la deflexión magnética, la deflexión electrostática puede seguir con mayor facilidad cambios de potencial aleatorios y rápidos, pero está limitada a ángulos de deflexión pequeños.

Las representaciones comunes de las placas de deflexión son engañosas. Para empezar, las placas de un eje de deflexión están más cerca de la pantalla que las del otro. Las placas más cercanas entre sí proporcionan mayor sensibilidad, pero también deben extenderse lo suficiente a lo largo del eje del tubo de rayos catódicos (TRC) para obtener una sensibilidad adecuada. (Cuanto más tiempo permanece un electrón en el campo, mayor es su desviación). Sin embargo, unas placas largas muy juntas provocarían que el haz las alcanzara antes de que se produjera la deflexión de amplitud completa, por lo que la forma de compromiso consiste en colocarlas relativamente cerca unas de otras hacia el cátodo y separarlas en una ligera forma de V hacia la pantalla. ¡No son planas en ningún TRC, salvo en los más antiguos!

La base de tiempo es un circuito electrónico que genera una tensión de rampa. Esta tensión varía de forma continua y lineal con el tiempo. Al alcanzar un valor predefinido, la rampa se reinicia y vuelve a su valor inicial. Cuando se detecta un evento de disparo, siempre que el proceso de reinicio (retención) se haya completado, la rampa vuelve a empezar. La tensión de la base de tiempo suele controlar el amplificador horizontal. Su función es barrer el extremo de la pantalla del haz de electrones a una velocidad constante de izquierda a derecha, para luego bloquear el haz y devolver sus tensiones de deflexión a la izquierda, por así decirlo, a tiempo para iniciar el siguiente barrido. Los circuitos de barrido típicos pueden tardar bastante en reiniciarse; en algunos osciloscopios, los barridos rápidos requerían más tiempo para retroceder que para barrer.

Mientras tanto, el amplificador vertical es alimentado por una tensión externa (la entrada vertical) que se toma del circuito o experimento que se está midiendo. El amplificador tiene una impedancia de entrada muy alta , típicamente un megaohmio, por lo que consume una corriente mínima de la fuente de señal. Las sondas atenuadoras reducen aún más la corriente consumida. El amplificador alimenta las placas de deflexión vertical con una tensión proporcional a la entrada vertical. Dado que los electrones ya han sido acelerados aproximadamente a 2 kV, este amplificador también debe suministrar casi cien voltios, y esto con un ancho de banda muy amplio. La ganancia del amplificador vertical se puede ajustar para adaptarse a la amplitud de la tensión de entrada. Una tensión de entrada positiva desvía el haz de electrones hacia arriba, y una tensión negativa lo desvía hacia abajo, de modo que la deflexión vertical en cualquier punto de la traza muestra el valor de la entrada en ese momento. ^{[ 6 ]}

La respuesta de cualquier osciloscopio es mucho más rápida que la de los dispositivos de medición mecánicos, como el multímetro , donde la inercia de la aguja (y quizás la amortiguación) ralentiza su respuesta a la entrada.

Observar señales de alta velocidad, especialmente señales no repetitivas, con un osciloscopio convencional resulta difícil debido a un umbral de disparo inestable o variable, lo que dificulta "congelar" la forma de onda en la pantalla. Esto suele requerir oscurecer la sala o colocar una cubierta especial sobre la pantalla. Para facilitar la visualización de dichas señales, se han desarrollado osciloscopios especiales que incorporan tecnología de visión nocturna , utilizando un multiplicador de electrones de placa de microcanales situado detrás de la pantalla para amplificar las débiles corrientes del haz.

Aunque un osciloscopio permite visualizar una señal, en su forma básica no dispone de medios para registrarla en papel con fines de documentación. Por ello, se desarrollaron cámaras de osciloscopio especiales para fotografiar la pantalla directamente. Las primeras cámaras utilizaban película en rollo o placa, mientras que en la década de 1970 se popularizaron las cámaras instantáneas Polaroid . El fósforo P11 de los tubos de rayos catódicos (de color azul) resultó especialmente eficaz para la exposición de la película. Se utilizaban cámaras (a veces con barridos simples) para capturar señales débiles.

La fuente de alimentación es un componente importante del osciloscopio. Proporciona voltajes bajos para alimentar el calentador del cátodo del tubo (¡aislado para alto voltaje!), así como los amplificadores vertical y horizontal y los circuitos de disparo y barrido. Se necesitan voltajes más altos para accionar las placas de deflexión electrostáticas, lo que implica que la etapa de salida del amplificador de deflexión vertical debe generar grandes oscilaciones de señal. Estos voltajes deben ser muy estables, y la ganancia del amplificador debe serlo también. Cualquier variación significativa provocará errores en el tamaño de la traza, lo que hará que el osciloscopio sea impreciso.

Los osciloscopios analógicos posteriores incorporaron procesamiento digital al diseño estándar. Se mantuvo la misma arquitectura básica  (tubo de rayos catódicos, amplificadores verticales y horizontales ), pero el haz de electrones se controlaba mediante circuitos digitales que podían mostrar gráficos y texto mezclados con las formas de onda analógicas. El tiempo de visualización de estos se intercalaba (multiplexaba ) con la visualización de las formas de onda, de forma muy similar a como un osciloscopio de doble/múltiple traza muestra sus canales. Las características adicionales que ofrece este sistema incluyen:   

• Visualización en pantalla de los ajustes del amplificador y la base de tiempo;
• Cursores de voltaje  : líneas horizontales ajustables con visualización de voltaje;
• cursores de tiempo  : líneas verticales ajustables con visualización de la hora;
• Menús en pantalla para la configuración de los disparadores y otras funciones.
• Medición automática de voltaje y frecuencia de una traza mostrada.

El almacenamiento de trazas es una función adicional disponible en algunos osciloscopios analógicos; estos utilizan tubos de rayos catódicos (CRT) de almacenamiento de visión directa . El almacenamiento permite que el patrón de traza, que normalmente desaparece en una fracción de segundo, permanezca en la pantalla durante varios minutos o más. Posteriormente, se puede activar un circuito eléctrico para almacenar y borrar la traza en la pantalla.

El almacenamiento se logra mediante el principio de emisión secundaria . Cuando el haz de electrones de escritura ordinario pasa por un punto de la superficie del fósforo, no solo lo ilumina momentáneamente, sino que la energía cinética del haz expulsa otros electrones de la superficie. Esto puede dejar una carga positiva neta. Los osciloscopios de almacenamiento proporcionan entonces uno o más cañones de electrones secundarios (denominados "cañones de inundación") que generan un flujo constante de electrones de baja energía que se dirigen hacia la pantalla de fósforo. Los cañones de inundación cubren toda la pantalla, idealmente de forma uniforme. Los electrones de los cañones de inundación son atraídos con mayor fuerza hacia las áreas de la pantalla de fósforo donde el haz de escritura ha dejado una carga positiva neta; de esta manera, los electrones de los cañones de inundación re-iluminan el fósforo en estas áreas cargadas positivamente de la pantalla. ^{[ 7 ]}

Si la energía de los electrones del cañón de inundación está correctamente equilibrada, cada electrón incidente expulsa un electrón secundario de la pantalla de fósforo, preservando así la carga positiva neta en las áreas iluminadas de la pantalla. De esta forma, la imagen originalmente grabada por el cañón de escritura puede mantenerse durante un tiempo prolongado  : desde varios segundos hasta unos pocos minutos. Finalmente, pequeños desequilibrios en la proporción de emisión secundaria provocan que toda la pantalla se "desvanezca positivamente" (se ilumine) o que el trazo originalmente grabado se "desvanezca negativamente" (se extinga). Son estos desequilibrios los que limitan el tiempo máximo de almacenamiento posible. ^{[ 7 ]}

Tektronix fabricaba osciloscopios de almacenamiento (y pantallas CRT de gran formato con almacenamiento integrado en el fósforo) de este tipo. Otras compañías, en particular Hughes, habían fabricado anteriormente osciloscopios de almacenamiento con una estructura de almacenamiento interno más compleja y costosa.

Algunos osciloscopios utilizaban un sistema de almacenamiento estrictamente binario (encendido/apagado) conocido como "almacenamiento biestable". Otros permitían una serie constante de ciclos de borrado cortos e incompletos que creaban la impresión de un fósforo con "persistencia variable". Ciertos osciloscopios también permitían el apagado parcial o completo de los cañones de inundación, lo que permitía la preservación (aunque invisible) de la imagen almacenada latente para su posterior visualización. (El desvanecimiento positivo o negativo solo ocurre cuando los cañones de inundación están "encendidos"; con los cañones de inundación apagados, solo la fuga de cargas en la pantalla de fósforo degrada la imagen almacenada).

El principio de muestreo fue desarrollado durante la década de 1930 en los Laboratorios Bell por Nyquist, de quien toma su nombre el teorema de muestreo . Sin embargo, el primer osciloscopio de muestreo fue desarrollado a finales de la década de 1950 en el Centro de Investigación de Energía Atómica de Harwell, Inglaterra, por GBB Chaplin, AR Owens y AJ Cole. ["A Sensitive Transistor Oscillograph With DC to 300 Mc/s Response", Proc IEE (London) Vol.106, Part B. Suppl., No. 16, 1959].

El primer osciloscopio de muestreo fue un instrumento analógico, desarrollado originalmente como unidad de entrada para un osciloscopio convencional. La necesidad de este instrumento surgió del requerimiento de los científicos nucleares de Harwell para capturar la forma de onda de pulsos repetitivos muy rápidos. Los osciloscopios más avanzados de la época  , con anchos de banda típicos de 20  MHz, no podían realizar esta tarea, y el  ancho de banda efectivo de 300 MHz de su osciloscopio de muestreo analógico representó un avance considerable.

En Harwell se fabricó una pequeña serie de estos "interfaces" que tuvieron gran acogida, y Chaplin et al. patentaron el invento. La explotación comercial de esta patente fue realizada finalmente por la empresa Hewlett-Packard (más tarde Agilent Technologies).

Los osciloscopios de muestreo logran su gran ancho de banda al no capturar la señal completa de una sola vez. En cambio, solo se toma una muestra de la señal. Estas muestras se ensamblan para crear la forma de onda. Este método solo funciona con señales repetitivas, no con eventos transitorios. La idea del muestreo puede entenderse como una técnica estroboscópica. Al usar una luz estroboscópica, solo se ven fragmentos del movimiento, pero al tomar suficientes imágenes, se puede capturar el movimiento completo ^{[ 8 ].}

Un gran número de instrumentos utilizados en diversos campos técnicos son, en realidad, osciloscopios con entradas, calibración, controles, calibración de pantalla, etc., especializados y optimizados para una aplicación específica. En algunos casos, incorporan funciones adicionales, como un generador de señales, para facilitar mediciones que, de otro modo, requerirían uno o más instrumentos adicionales.

El monitor de forma de onda en la ingeniería de transmisión televisiva es muy similar a un osciloscopio estándar, pero incluye circuitos de disparo y controles que permiten una visualización estable de un fotograma de vídeo compuesto, un campo o incluso una línea seleccionada de un campo. Robert Hartwig explica el monitor de forma de onda como "una representación gráfica de la parte en blanco y negro de la imagen". ^{[ 9 ]} La parte en blanco y negro de la señal de vídeo se denomina "luminancia" debido a su coloración fluorescente. La visualización de los niveles de blanco y negro del monitor de forma de onda permite al ingeniero solucionar problemas de calidad de la imagen y asegurarse de que cumple con los estándares requeridos. Para mayor comodidad, la escala vertical del monitor de forma de onda está calibrada en unidades IRE .

• osciloscopios mecánicos