Medidas Electrónicas II

1. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Medidas Electrónicas II Osciloscopio Analógico Bases de Tiempo y Puntas Rev.3 – 11/05/2010

2. Medidas Electrónicas II Osciloscopio de Base de tiempo disparada UTN FRBA Medidas Electrónicas II Rev.2 – 05/05/2009

3. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Introducción El 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

4. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Diagrama en bloques ORC

5. UTN FRBA Medidas 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.

6. UTN FRBA Medidas Electrónicas II El TRC 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.

7. UTN FRBA Medidas Electrónicas II El TRC 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.

8. UTN FRBA Medidas Electrónicas II El TRC 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.

9. UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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.

10. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Canal VerticalEspecificaciones del canal vertical Al canal vertical Ro = 1MΩ Co ≈ 20 pF Osciloscopio GOOD-WILL mod. 653G

11. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Canal VerticalEspecificaciones 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).

12. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Canal VerticalEspecificaciones del canal vertical Ro = 1MΩ Co ≈ 20 pF Generalmente Ro>>Rt

13. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Circuito de disparo Apunte histórico Ing. Suárez

14. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Circuito acoplamiento Apunte histórico Ing. Suárez

15. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Conformador de pulsos Apunte histórico Ing. Suárez

16. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Conformador de pulsos Apunte histórico Ing. Suárez

17. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Conformador de pulsos Apunte histórico Ing. Suárez

18. Requerimientos de la Base de Tiempo UTN FRBA Medidas Electrónicas II -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. Apunte histórico Ing. Suárez

19. Modos de operación de la base de tiempo UTN FRBA Medidas Electrónicas II Apunte histórico Ing. Suárez

20. Base de Tiempo elemental UTN FRBA Medidas Electrónicas II Apunte histórico Ing. Suárez

21. Base de Tiempo Realimentada UTN FRBA Medidas Electrónicas II Apunte histórico Ing. Suárez

22. Operación disparada UTN FRBA Medidas Electrónicas II Apunte histórico Ing. Suárez

23. Base de Tiempo Realimentada.Circuito de retención UTN FRBA Medidas Electrónicas II Apunte histórico Ing. Suárez

24. Circuito de retención.Formas de onda UTN FRBA Medidas Electrónicas II Apunte histórico Ing. Suárez

25. Base de tiempo realimentada.Operación Recurrente UTN FRBA Medidas Electrónicas II Apunte histórico Ing. Suárez

26. Base de tiempo realimentada.Operación Bloqueada UTN FRBA Medidas Electrónicas II Apunte histórico Ing. Suárez

27. Base de tiempo realimentada.Especificaciones canal Horizontal UTN FRBA Medidas Electrónicas II Osciloscopio GOOD-WILL mod. 653G

28. Mediciones con el OsciloscopioRise Time UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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

29. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Mediciones con el OsciloscopioRise Time Ro = 1MΩ Co ≈ 20 pF Thevenin

30. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Mediciones con el OsciloscopioRise Time

31. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Mediciones con el OsciloscopioRise Time 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

32. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Mediciones con el OsciloscopioRise 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. Con R1≈25Ω Tec2= Tiempo de establecimiento del cable (100ps para cable de 1m)

33. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Mediciones con el OsciloscopioRise Time

34. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Mediciones con el OsciloscopioRise Time ABCs of Probes-Tektronics

35. Mediciones con el OsciloscopioSeñales moduladas en amplitud UTN FRBA Medidas Electrónicas II Con 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 externamente con 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.

36. Medidas Electrónicas II Puntas de Prueba UTN FRBA Medidas Electrónicas II

37. 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. UTN FRBA Medidas Electrónicas II

38. Puntas de prueba Su diseño busca: Buena conexión entre el ORC y la fuente Fidelidad Que no cargue al generador Inmunidad al ruido UTN FRBA Medidas Electrónicas II

39. 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) UTN FRBA Medidas Electrónicas II

40. Puntas de prueba UTN FRBA Medidas 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 Chequear del manual! 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.

41. Puntas de prueba UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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 Chequear del manual!

42. Puntas de prueba UTN FRBA Medidas Electrónicas II Punta X10

43. Puntas de prueba UTN FRBA Medidas Electrónicas II Cual es la impedancia de la punta ?

44. Puntas de prueba UTN FRBA Medidas Electrónicas II Punta X10 Sobre compensado

45. Puntas de prueba UTN FRBA Medidas Electrónicas II Punta X10 Subcompensado

46. Puntas de prueba UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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

47. Puntas de prueba UTN FRBA Medidas Electrónicas II 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.

48. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Mediciones en DC • 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 • 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

49. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Mediciones en AC • 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 • 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

50. UTN FRBA Medidas Electrónicas II Mediciones en AC (Impedancia de la Punta) • 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