3) El Osciloscopio - Jaqueline Avila Rico

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EL OSCILOSCOPIO - PAG. 2 DE 5 
El osciloscopio 
 
En este apunte se presentan las características de uno de los aparatos de medida mas importantes que 
existen en la actualidad y una serie de recomendaciones prácticas destinadas a lograr su mejor 
aprovechamiento. 
 
Principios de Funcionamiento: 
El osciloscopio es uno de los más completos aparatos de medida que existen actualmente, por lo que 
para lograr óptimos resultados se necesita conocer a fondo sus elementos básicos y su adecuada 
aplicación. El mismo es un instrumento que utiliza un tubo de rayos catódicos (conocido por la sigla 
CRT, o también cinescopio) para hacer visible los valores instantáneos y formas de onda de distintas 
magnitudes variables en función del tiempo o de otra magnitud. 
 
Hay muchos aparatos capaces de medir diferentes magnitudes eléctricas con errores muy reducidos. 
Por ejemplo, el voltímetro mide tensiones, el amperímetro intensidades, etcétera. La mayoría de estos 
aparatos de medida se han diseñado para medir una única magnitud, salvo los multímetros, que están 
preparados para medir magnitudes diferentes (pero no simultaneamente). 
Por el contrario, con el osciloscopio, no sólo se puede averiguar el valor de una magnitud, sino que, 
entre muchas otras cosas, se puede analizar la forma de variación que tiene dicha magnitud, pues sobre 
su pantalla fluorescente representa gráficamente las señales que le llegan, pudiendo así observarse en 
la pantalla muchas más características de la señal que las obtenidas con cualquier otro instrumento 
analógico. Por ejemplo, se pueden apreciar las características típicas de una señal, como la amplitud, el 
período, el ancho de pulso, etcétera; como así también fenómenos que no serían detectables con otros 
instrumentos, como si existe una componente de corriente continua superpuesta a la señal o si existe 
algún ruido de alta frecuencia presente. 
 
Por otra parte los osciloscopios digitales tienen un aspecto totalmente distinto a los analógicos 
convencionales, pero si se entiende el funcionamiento de los analógicos, será muy sencillo aprender a 
manejar los digitales. Los más modernos son en realidad una pequeña computadora destinada a captar 
señales y a representarlas en la pantalla de la forma más adecuada. 
Éstos tratan de imitar los controles de los osciloscopios analógicos, de modo que, en realidad, sólo es 
necesario aprender la forma en que el aparato se comunica con el usuario. En algunos casos esto se 
hace en forma de menues que pueden aparecer en pantalla con opciones que el usuario puede elegir 
con una serie de pulsadores. 
 
La forma de trabajo de un osciloscopio básicamente consiste en dibujar una gráfica. Como se sabe, una 
gráfica es una curva que tiene dos ejes de referencia, el denominado de abscisas u horizontal, y el eje 
de ordenadas o vertical. Para representar cada punto de la gráfica hay que determinar dos coordenadas, 
una va a corresponder a su posición respecto al eje horizontal y la otra va a ser su posición respecto al 
eje vertical. 
 
Esta gráficas se trazan en la pantalla que tienen todos los osciloscopios mediante un haz de electrones 
que inciden sobre una capa de fósforo depositada en la parte interna del tubo de rayos catódicos. Para 
representar dicha gráfica sobre el tubo se requieren dos entradas de tensión: la señal vertical y la señal 
horizontal. Dichas señales son tratadas por diferentes amplificadores y, después, son compuestas en el 
interior del tubo de rayos catódicos. 
 
Un osciloscopio básicamente trabaja con tensiones, pero facilmente puede adaptarse para trabajar con 
otras magnitudes eléctricas. Por ejemplo para medir corrientes bastará con intercalar una pequeña 
resistencia en serie con la carga y medir la caída de tensión en la misma, la que resultará diectamente 
proporcional a la corriente. 
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Pero además no sólo sirve para magnitudes eléctricas, ya que también puede ser utilizado para estudiar 
diferentes magnitudes físicas que no generan señales eléctricas, como por ejemplo sonidos, 
vibraciones, luz y muchas otras. Para poder representar en la pantalla del osciloscopio dichas 
propiedades, en necesario utilizar transductores que conviertan la señal que le llega en impulsos 
eléctricos proporcionales. 
 
En general, un osciloscopio es un aparato que se caracteriza por su alta sensibilidad, semejante a la de 
un voltímetro de alta impedancia de entrada. Es capaz de analizar con mucha precisión cualquier 
fenómeno, dentro de los límites de su respuesta en frecuencia, que se pueda transformar en una tensión 
eléctrica mediante un transductor adecuado. 
 
La limitación de frecuencia del osciloscopio está determinada por el tiempo de tránsito de los 
electrones en el CRT y fundamentalmente por el funcionamiento de los circuitos amplificadores. 
 
Aspectos constructivos 
 
Las partes principales de un osciloscopio son: 1) el tubo de rayos catódicos, 2) el amplificador para la 
señal vertical, 3) el amplificador para la señal horizontal, 4) la base de tiempos, 5) el sistema de 
sincronismo y 6) la fuente de alimentación. En su composición se pueden observar dos caminos bien 
diferenciados: el canal vertical y el canal horizontal. Ambos culminan en el CRT con sus controles 
asociados. 
 
El tubo de rayos catódicos de un osciloscopio posee: filamento calefactor, cátodo, grilla de control, 
ánodo de enfoque, ánodo acelerador, sistemas de deflexión vertical y horizontal, y pantalla con 
recubrimiento fluorescente; siendo conceptualmente similar al de un receptor de televisión, aunque de 
menores dimensiones, con un reticulado marcado que sirve de referencia para hacer las mediciones y 
generalmente con sistemas de deflexión electrostáticos (en vez de electromagnéticos). Su principal 
función es la de permitir visualizar la señal que se está estudiando, utilizando para ello sustancias 
fluorescentes que proporcionan una luz normalmente verde. 
 
Este tubo lleva una serie de circuitos asociados que mediante sendos controles permiten ajustar la 
intensidad y el enfoque del haz que incide sobre la pantalla, para lograr distintos niveles de brillo y 
nitidez de imagen. En algunos casos también hay un sistema que permite iluminar el retículado de la 
pantalla. 
 
El amplificador vertical es, como su nombre lo indica, el encargado de amplificar la señal que ingresa 
por la entrada vertical (Y) para aplicarla a las placas de deflexión vertical del CRT. En los 
osciloscopios mas elaborados pueden disponerse de dos entradas verticales independientes (Y1 e Y2). 
En todos los casos, el osciloscopio debe ser capaz de analizar señales cuyos valores estén 
comprendidos en un rango de tensiones y frecuencias lo mas extendido posible. 
 
Normalmente, los amplificadores verticales constan de varias etapas. A la entrada se encuentran los 
atenuadores verticales que se emplean para adaptar los niveles de la señal de entrada a valores 
compatibles con los circuitos de la cadena vertical del osciloscopio, y suelen ser controlados por la 
perilla que determina las escalas verticales (V/div ó mV/div). Además se encuentran los acopladores 
que permiten optar entre un acoplamiento de corriente continua que representa la señal tal como es, y 
entre un acoplamiento de corriente alterna que se afectúa a través de un capacitor para eliminar toda 
componente de continua que posea la entrada. 
Siguen los preamplificadores verticales, que procesan la señal para obtener de la misma una muestra 
que sirve para efectuar el disparo sincrónico de la base de tiempos. En los instrumentos con dos 
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entradas verticales, existe una llave electrónica que conmuta sobre ambas entradas para obtener la 
visualización "simultánea" de las dos señales de entrada en el tubo del osciloscopio. 
A continuación se encuentra el amplificador propiamente dicho, que es el encargado de aumentarel 
valor de la señal. Está formado por un preamplificador interno que suele ser un transistor y es el 
encargado de que el ancho de la banda de paso sea lo mayor posible, y pueden aumentar tanto la banda 
de bajas como de altas frecuencias. Luego está la línea de retardo destinada a compensar las 
diferencias de tiempo entre el procesamiento de las señales verticales y horizontales. Por último, se 
pasa por el amplificador final que puede estar formado por varios transistores y asegura el nivel 
adecuado para excitar a las placas verticales de tubo de rayos catódicos. Esta parte del amplificador 
suele estar controlada por la perilla que determina la posición vertical (centrado). 
 
El amplificador horizontal sirve para amplificar las señales que se aplican a las placas de deflexión 
horizontal del CRT, que pueden provenir de una fuente externa o interna. Normalmente se emplea para 
amplificar las señales que son enviadas desde el circuito de base de tiempos. A dichas señales se les 
proporciona una amplitud suficiente para que se pueda producir el desvío del haz de electrones a lo 
ancho de toda la pantalla. Algunas veces no es necesario amplificar las señales de la base de tiempos, 
ya que estas tienen la amplitud necesaria. 
 
Pero en general, no solo sirve para amplificar la señal de la base de tiempos, sino que se puede 
amplificar cualquier señal que entre por el canal horizontal (X), y luego componerla con la señal 
procedente del sistema vertical para obtener la gráfica final que va aparecer en la pantalla. 
 
Por ejemplo, si las señales aplicadas en el canal vertical y horizontal son sinusoidales, se obtienen unas 
figuras llamadas figuras de Lissajous, que antiguamente se empleaban para medir la relación entre las 
frecuencias y fases de las ondas de ambos canales. 
 
Habitualmente, los amplificadores horizontales también constan de varias etapas. A la entrada del 
canal se encuentran los circuitos de disparo que permiten seleccionar en que punto (tanto en nivel 
como en pendiente) de la señal se comenzará su representación, y eventualmente se procesa la señal 
procedente de la base de tiempos. Por último, se pasa por el amplificador final que asegura el nivel 
adecuado para excitar a las placas horizontales de tubo de rayos catódicos. Esta parte del amplificador 
suele estar controlada por la perilla que determina la posición horizontal (centrado). 
 
Otra de las partes del osciloscopio es la base de tiempos o generador de barrido horizontal. La función 
de este circuito es conseguir que la tensión aplicada en el canal vertical aparezca en la pantalla como 
una función del tiempo. Como se indicó anteriormente, el sistema de coordenadas está formado por el 
eje vertical y el horizontal, siendo en este último donde se suelen representar los tiempos. El circuito 
de base de tiempos debe conseguir que el punto luminoso se desplace periódicamente y con una 
velocidad constante en el eje horizontal sobre la pantalla de izquierda a derecha, volviendo luego 
rápidamente a la posición original y repitiendo todo el proceso. Para ello genera una onda periódica en 
forma de rampa que crece linealmente con el tiempo, para luego anularse repentinamente (onda diente 
de sierra). La base de tiempos se controla con la perilla que determina las escalas horizontales (seg/div 
ó mseg/div). También se puede emplear una señal externa para disparar la base de tiempos. 
 
El sistema de sincronismo es el encargado de que la imagen que se ve en el tubo de rayos catódicos sea 
estable. Para poder conseguir esto se utiliza una señal de barrido que tiene que ser igual o múltiplo de 
frecuencia de la señal de entrada (vertical). 
Para sincronizar la señal vertical con la base de tiempos (o señal horizontal) se puede utilizar la 
denominada sincronización interna. Consiste en inyectar en el circuito base de tiempos una tensión que 
se obtiene del amplificador vertical. Así se consigue que el principio de la oscilación de la base de 
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tiempos coincida con el inicio del ciclo de la señal de entrada. Este tipo de sincronización no siempre 
es el más adecuado. Existen otros tipos de sincronización como la sincronización externa y la de red. 
 
Asimismo todo osciloscopio necesita una fuente de alimentación que va a ser la encargada de 
proporcionar las tensiones necesarias para alimentar las diferentes etapas que conforman los circuitos 
de un osciloscopio. 
 
Los osciloscopios con doble entrada vertical brindan una característica sumamente útil para realizar 
comparaciones, pues permiten visualizar dos señales a la vez, mediante dos canales verticales. En 
algunos modelos se pueden sumar y/o restar las señales entrantes (modo diferencial). 
 
Para ver ambas señales simultáneamente, lo ideal sería disponer de dos cañones electrónicos 
independientes en el tubo de rayos catódicos, de manera de que cada uno trate una señal, dando lugar 
al osciloscopio de doble haz. 
 
Como esto resulta de costo elevado, como se indicó anteriormente se recurre a un artificio que consiste 
en una llave electrónica que conmuta a una frecuencia dada sobre ambos canales de entrada, dando 
lugar al osciloscopio de doble trazo. 
 
Este a su vez presenta dos modos de operación, en función de la frecuencia de la señal a representar. 
En el modo alternativo, en cada barrido del haz sobre la pantalla, este trazará la señal de uno de los 
canales, mientras que en el modo muestrado ("chopper"), a medida que el haz va progresando sobre la 
pantalla (durante el mismo barrido) dibujará partes de ambas señales en forma alternada. Cabe aclarar 
que en ambos modos, el observador normalmente verá correctamente las imágenes, por la persistencia 
de las mismas en el fósforo, debido a la gran cantidad de barridos por segundo. Sin embargo, en el 
modo muestrado puede aparecer algún inconveniente si hay una relación entre la frecuencia de la señal 
y la frecuencia de muestreo (Teorema del muestreo). 
 
Un modelo especial es el osciloscopio con doble base de tiempos retardada, que se utiliza para medir 
tiempos con cierta precisión, como anchos de pulsos, tiempos de crecimiento / decrecimiento de la 
señal o retardos entre las señales de ambos canales. Este instrumento posee una base de tiempos 
adicional, que se caracteriza por poder seleccionar el instante en el cuál se dispara la base de tiempos 
secundaria, referido al momento en que se disparó la principal. Además estos osciloscopios presentan 
varias modalidades de visualización de la señal, que permiten expandir la escala de tiempos. 
Con este instrumento se puede apreciar mejor el ruido o detalles de una onda particular. Además, el 
hecho de poseer una base de tiempos retardada permite analizar señales que no tengan un patrón de 
repetición dado. 
 
Otro modelo especial es el osciloscopio con memoria que se emplea en los casos en que se necesita 
mantener la imagen en pantalla sin tener la señal aplicada. Esto es útil en el casos de ondas únicas o no 
repetitivas (transitorias), como también en el caso de señales de muy baja frecuencia. En los modelos 
mas antiguos se utilizaban CRT cuyos fósforos mantenían una "memoria" visual que se borraba 
mediante la aplicación de un potencial adecuado. Actualmente se recurre a circuitos electrónicos. 
 
Una recomendación final a tener en cuenta es verificar siempre en que condición de acoplamiento se 
está trabajando, dado que el acoplamiento de alterna puede introducir distorsiones que conduzcan a 
resultados erroneos en los casos en que se ignora la forma de la señal que se está midiendo. Así al 
aplicar un acoplamiento de alterna a una onda cuadrada se obtendrá una representación con distorsión 
exponencial.