Tema 2: Osciloscopio - OCW Usal

El Osciloscopio de Rayos Catódicos medida y visualización
Da una representación visual
de una señal (tensión)
Tema 2: Osciloscopio
Pantalla cubierta de material fosforescente
mjmm@usal.es
Análisis en el dominio del tiempo:
frecuencia, diferencias de fase,
anchura de pulsos, etc
Para medir otras magnitudes físicas es necesario usar transductores
Tubo de rayos
catódicos (TRC)
Representación X-Y
- Canal X/1: abscisa: tiempo o voltaje
- Canal Y/2: ordenada: voltaje
Tubo de vacío + elementos de
enfoque
Genera un haz de electrones
1

Tema 2: Osciloscopio: clasificación
La frecuencia máxima admisible en el canal vertical (canal Y)
Osciloscopios de baja frecuencia (hasta 10 MHz) MHz)
Osciloscopios de alta frecuencia (hasta 500 MHz) MHz
El número de canales verticales que posea el osciloscopio.
Osciloscopios de un canal
2 canales o más. más.
Si el osciloscopio tiene 2 canales puede haber dos
opciones:
Que tenga dos cañones de haz de electrones, cada uno con sus sistemas de
deflexión horizontal y vertical: DUAL GUN
Puede tener un único cañón con un sistema de deflexión horizontal y dos sistemas
de deflexión verticales: DUAL BEAM La persistencia de los trazos sobre la
pantalla es alta de modo que parece una representación simultánea (es la más usual)
El tipo de pantalla
Pantalla "pasivas"(con distintos grados de persistencia)
Pantalla de "memoria” que retienen la forma de onda de la señal durante
tiempos muy largos comparados con la duración de la señal
Osciloscopio de memoria digital: no necesita de una pantalla especial,
sino que previamente digitalizan la señal a representar
mjmm@usal.es
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Tema 2: Osciloscopio: clasificación
Panel frontal de un osciloscopio:
Area de pantalla
Area de controles:
mjmm@usal.es
Canales verticales Canal horizontal Controles
(canal X/1, canal Y/2) o base de tiempos de disparo
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Tektronics, TDS 220

Tema 2. Osciloscopio: esquema de bloques
El osciloscopio presenta una gran cantidad de conceptos: gran variedad de
osciloscopios existentes en el mercado
Todos los osciloscopios poseen unos circuitos básicos comunes
A. Nucleo central del osciloscopio: TRC (convierte la señal en imagen)
Tubo de vidrio al vacío: genera electrones dirigidos hacia la pantalla
fosforescente
Osciloscopios digitales recientes no emplean TRC sino que utilizan utilizan
paneles de
cristal líquido, pero no permiten observar las señales en tiempo real
B. Sistemas de deflexión vertical y horizontal: horizontal:
posicionan el haz en el punto
adecuado
Esquema de bloques
general de un
osciloscopio
mjmm@usal.es
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R. Pallás. 1987

Tema 2. Osciloscopio: esquema de bloques
Todos Todos los osciloscopios poseen unos circuitos básicos comunes
A. TRC (convierte la señal en imagen)
1. Generación y Enfoque
2. Placas de deflexión
3. Sistema de post-aceleración
post aceleración
4. Pantalla
B. Sistemas de deflexión vertical
1. Selector de entrada
2. Atenuador
3. Amplificador
C. Sistema de deflexión horizontal:
horizontal:
1. Generador de barrido
Señal de barrido horizontal
Impulso de borrador
2. Sincronismo Circuito de disparo
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Tubo de rayos catódicos (TRC)
1. Sistema de generación del haz de electrones: generación y enfoque
El cátodo es termoiónico : es el emisor de electrones: e -
La rejilla de control: es un cilindro que rodea al cátodo (más negativo que que
él)
Pequeña abertura en el eje del tubo
Su tensión controla la emisión de electrones: (botón de intensidad). ).
Los ánodos aceleradores: haz de e- A1 y A3: tensión elevada +
- aceleran los e - hacia la pantalla
- abertura alineada con la de la rejilla:
A2: ánodo de enfoque
concentrar el haz mediante
la aplicación de una tensión positiva
2. Placas de deflexión :
Placas de deflexión horizontal:
horizontal:
verticales (movimiento horizontal)
Placas de deflexión vertical
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Generación Enfoque
Intensidad Foco y
astigmatismo
Tubo de rayos catódicos
E. Mandado, et al. 1995
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DEFLEXION
Posición XY
alineación
Pantalla
fluorescente

Sistema de deflexión electrostática
VA : tensión de aceleración (ánodo-cátodo) (ánodo cátodo) en dirección z (trayectoria)
0< z < ld: : Placas de deflexión vertical: vertical:
aplican una tensión de deflexión VD (dirección y): ): E
perpendicular a la trayectoria del haz de electrones trayectoria parabólica
VD
y
4dV
2
z
Placas de deflexión vertical
A
z > ld : trayectoria es rectilinea, rectilinea,
pendiente:
dy VD
Ld
tan
dz 2 d V
zld
La deflexión D en la pantalla:
VD
Ld
D L tan L proporcional a la VD 2 d V
A
Factor de Deflexión : tensión para mover el haz una división de pantalla.
VD
2dVA
FD
D L Ld
Placas de deflexión vertical (voltaje en canal Y): se sitúan alejadas de la pantalla
para aplicar valores de VD menores (gran ángulo de deflexión)
Placas de deflexión horizontal (base de tiempos: canal X): señales de barrido
conocidas
mjmm@usal.es
A
d
y
+ V D /2
-V D /2
L d l d
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L
Pantalla
D
R. Pallás. 1987
z

Tubo de rayos catódicos (TRC)
3. Sistema de post-aceleración:
Para obtener un brillo en la pantalla adecuado a frecuencias de deflexión
altas el haz debe tener una energía elevada.
Sin embargo, en el sistema de deflexión habría dificultades para para
desviar
un haz que ha sido acelerado mediante los ánodos A1 y A3 y es demasiado demasiado
energético
Solución: se acelera mediante el
ánodo de post-aceleración
post aceleración el haz
entre las placas de deflexión y la
pantalla. Para lograrlo, se aplica una
tensión positiva (hasta de 20 kV) kV)
a la
pantalla con respecto al ánodo.
La desventaja de este sistema es
que el haz se desvía hacia el
centro de la pantalla, para evitarlo
se utiliza una malla polarizada a
una tensión que el ánodo post-
acelerador.
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Generación Enfoque
Intensidad Foco y
astigmatismo
Tubo de rayos catódicos
E. Mandado, et al. 1995
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DEFLEXION
Posición XY
alineación
Pantalla
fluorescente

Tubo de rayos catódicos (TRC)
4. Pantalla y retículas
La pantalla está recubierta interiormente de “fósforo”:
la energía de los electrones se convierte en emisión de luz en el el
punto donde
incide el haz incluso después de cesar la incidencia.
El tipo se fósforo (P 31), factores:
Persistencia
Color: verde
Resistencia al quemado
Luminancia
Velocidad de escritura permitida
En el lado interno del fósforo: Aluminio
( trasparente a los electrones)
Evita la acumulación de carga: menos brillo
Reducir la dispersión de la luz
Disipar el calor (quemado de la pantalla)
La retícula: divisiones horizontales y verticales que facilitan el análisis de la
señal mediante la calibración de la deflexión del haz.
La retícula puede ser externa al tubo o interna, en este último caso el fósforo y
la retícula se depositan en el mismo plano.
mjmm@usal.es
Tektronics, TDS 220
Divisiones menores
Divisiones principales
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Sistemas de deflexión horizontal y vertical
Sistema Sistema de deflexión vertical
Reproducir la señal de entrada sin alterar su amplitud ni su frecuencia: :
diseñado para reproducir sin distorsión los pulsos rápidos (óptima (óptima
respuesta
temporal).
La estructura del sistema de deflexión vertical consta de los siguientes siguientes
bloques:
Un selector de entrada
Un atenuador variable
Estudio más detallado
Un pre-amplificador
pre amplificador
Un amplificador de deflexión
Una etapa de amplificación final con salida diferencial.
Señal de entrada
Selector
Atenuador
variable
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Posicionamiento vertical
Preamplificador Amplificador
de deflexión
TRC
R. Pallás. 1987
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Queremos que
el
desplazamiento
vertical del haz
del TRC siga a
la señal de
entrada

Sistema de deflexión vertical (Voltaje)
Selector de entrada: entrada:
Su esquema eléctrico es el que se muestra :
Señal de entrada
En la posición AC se bloquea el paso a la corriente continua (tiene un condensador)
condensador)
y de este modo medir señales alternas superpuestas a niveles de tensión continua altos
(transitorios en señales TTL, rizado en fuentes de alimentación...).
alimentación. ..).
En la posición GND la señal de entrada queda desconectada y se conecta la
entrada del osciloscopio a 0V.
En la posición DC se conecta directamente la señal de entrada al atenuador
mjmm@usal.es
DC
AC
GND
Al atenuador
R. Pallás. 1987
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Sistema de deflexión vertical (Voltaje)
Atenuador Variable: Variable:
Idéntico al estudiado en los
multímetros adapta el rango de la señal de entrada
al tamaño de la pantalla
Siempre hay un error en la atenuación: : ± 3 % de la
medida
La atenuación máxima (A) ( ) suele ser del orden de 500 : 1
(con secuencia de 1-2-5-10 1 10-20 20-50 50-100 100-200 200-500) 500)
El cambio en la atenuación se realiza mediante el
conmutador VOLT/DIV situado en el panel frontal
El amplificador de deflexión: deflexión:
Consta de varias etapas con ganancia fija, con
lo que se minimizan los problemas de estabilidad
Ejemplo de ganancia del amplificador G=2000
¡¡Cuidado!! es posieble que haya un boton que permita: ganancia y atenuación
variables (no fijas como marca el conmutador en calibrado)
Normalmente, es posible invertir la señal del canal vertical 2 o canal Y
mjmm@usal.es
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Tektronics, TDS 220

Sistema de deflexión vertical: vertical:
canales múltiples
Canales múltiples:
Se pueden hacer comparaciones entre dos señales, medidas de tiempos tiempos
relativos, etc
Señal A (t), señal B (t), señal A (t) + B (t), señal A (t) -B(t) B(t) , A(t) y B(t), también X-Y X
Dos sistemas de preamplificación y atenuación, pero ambos canales comparten
el mismo sistema de deflexión vertical:
Modo alternate (ALT): los dos canales lo usan de forma alternativa alternativa
(frecuencias altas)
Modo chopper/troceado: chopper/troceado:
se traza sucesivamente un fragmento de cada canal a lo lo
largo
de un barrido (debe suprimirse el haz al pasar de un canal al otro) otro)
(frecuencias bajas).
Paso automático de un modo al otro cuando dependiendo del tiempo tiempo
de barrido
CANAL 1/X
CANAL 2/Y
Señal de entrada A
Selector
Señal de entrada B
Selector
mjmm@usal.es
Atenuador
variable
Atenuador
variable
PreamplificadorAmplificador
de deflexión
Preamplificador
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Amplificador
de deflexión
TRC
R. Pallás. 1987

Sistemas de deflexión horizontal
Para visualizar la forma de onda de la señal de entrada crear una
escala/base escala/ base de tiempos o barrido horizontal en el eje X:
El haz/trazo de la señal se desplaza de izquierda a derecha (con velocidad
constante ): sistema de deflexión horizontal
Las placas deflectoras horizontales aplican una tensión: diente de sierra
Diente
de
sierra
ideal
Señal de
barrido
horizontal
La amplitud del diente de sierra haz recorra horizontalmente la pantalla pantalla
Retorna rápidamente a su valor inicial para que el haz vuelva a su punto de
origen en la parte izquierda de la pantalla
Circuito generador de dicha señal: generador de barrido= barrido=
generador de la
base de tiempos
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Derecha de la pantalla
Izquierda de la pantalla
Tiempo de barrido
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Sistemas de deflexión horizontal
Sin embargo, en la práctica: la pendiente de bajada infinita (puesto que el
diente de sierra se genera con un circuito que carga y descarga un condensador)
Diente
de
sierra
real
Señal de
barrido
horizontal
Impulsos
de
borrado
Impulso de borrado: de una amplitud adecuada y duración igual al intervalo
descendente del diente de sierra (potencial negativo a la rejilla que anula el haz)
Tanto la señal de barrido como el impulso de borrado son generados por el
generador de barrido
Generador de barrido
o base de tiempos
del osciloscopio
mjmm@usal.es
Generador
de barrido
E. Mandado, et al. 1995
Impulsos de borrado
Señal de barrido
E. Mandado, et al. 1995
15
Durante el tiempo
de retorno se
debe anular el
haz para evitar su
visualización en
la pantalla

Sistemas de deflexión horizontal
De este modo, el sistema de deflexión horizontal = sistema de deflexión deflexión
vertical + generador de barrido
Diagrama de
bloques
completo del
osciloscopio
Canal
de
entrada
(Y)
E. Mandado, et al. 1995
mjmm@usal.es
Amplificador
vertical
Circuito
de
disparo
Entrada de
disparo
externo
Impulso de
borrado
Generador
de
barrido
TRC
Amplificador
horizontal
Señal
de
barrido
Canal de
entrada (X)
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Circuito
control
INT y FOCO

Visualización del osciloscopio
La aplicación simultánea:
De la salida del generador de barrido al amplificador horizontal horizontal
De la señal a visualizar del amplificador vertical
Problema:
Si la señal de barrido y la señal a
visualizar tienen frecuencias
las imágenes que aparecen en
pantalla en barridos sucesivos:
imagen de t 1 imagen de t 2
Debido a la persistencia de la
imagen : mezcla
de imágenes en pantalla
Solución: : sincronismo
Uso de un circuito de disparo
mjmm@usal.es
visualización en la pantalla de la señal durante el
tiempo de subida del diente de sierra
Señal a
visualizar
barrido
horizontal
Impulsos de
borrado
Imagen en
la pantalla
E. Mandado, et al. 1995
t 1
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t 2

Sincronismo: circuito de disparo
Circuito de diparo: diparo:
La señal a visualizar se convierte en una onda cuadrada circuito
comparador
En los flancos de subida o de bajada se genera un impulso de sincronismo que
actúa sobre el generador de barrido.
Los pulsos de sincronismo pueden generarse mediante un circuito diferenciador, de
modo que permite eliminar los impulsos producidos en los flancos de bajada o de salida.
Tanto Tanto la conversión a la onda cuadrada como la generación de los impulsos de
sincronismo forma parte de circuito de disparo: un único bloque. bloque
Generación de
impulsos de
sincronismo en
los flancos de
subida y de
bajada
Señal a
visualizar
Onda
cuadrada
Impulsos de
sincronismo
E. Mandado, et al. 1995
mjmm@usal.es
18
Generador
de barrido

Sistemas de deflexión horizontal
Deflexión horizontal: circuito de disparo + generador de barrido
Señal a
visualizar
Circuito
de
disparo
mjmm@usal.es
Impulsos de
sincronismo
Circuito de disparo + generador de barrido :
Un determinado impulso de sincronismo
produce el comienzo del diente de sierra
Sincronismo de flanco de subida o bajada se elije
en el mando: SLOPE
La parte descendente del diente de sierra:
comienza el impulso de borrado que se
mantiene hasta nuevo impulso de sincronismo
Finalizado el diente de sierra, la salida del
generador de barrido permanece a nivel
constante (espera) hasta que aparece un
nuevo impulso de sincronismo
Se logra de esta forma que en la pantalla
permanezca una imagen fija
Generador
de
barrido
Señal a
visualizar
Impulsos de
sincronismo
Señal de
barrido
Impulsos
de borrado
Imagen en
pantalla
Impulso de
borrado
Señal de barrido
E. Mandado, et al. 1995
No considera este
pulso de
sincronismo
19
Espera al
siguiente
sincronismo
E. Mandado, et al. 1995

mjmm@usal.es
Circuito de disparo
La onda cuadrada obtenida de la señal de entrada cambia de estado estado
cuando
ésta última pasa por el nivel cero se produce el impulso de sincronismo
Para variar el punto de la señal de entrada en el que se inicia su visualización:
controles del circuito de disparo: disparo
Control de NIVEL = TRIGGER LEVEL: permite variar el
valor mínimo que debe alcanzar la señal de entrada para
que se produzca el cambio de estado de la onda
cuadrada
Un conmutador de PENDIENTE: SLOPE selecciona si
los impulsos de sincronismo se producen en la pendiente
de bajada o de subida de la onda cuadrada
Visualización de señal senoidal: a) disparo con nivel 1 y pendiente
positiva b) disparo con nivel 2 y pendiente negativa
El "modo " modo de disparo se refiere a la repetición de los barridos:
Modo NORMAL: : no hay barrido hasta que se alcanza el NIVEL.
Modo automático (AUTOTRIGGER), (
), si en un tiempo fijo no se producide un
nuevo disparo se inician ligeramente barridos sucesivos : trazo visible en la
pantalla tanto si hay como si no señal vertical.
Modo de disparo SINGLE, , sólo acepta un único nuevo disparo hasta RESET
20
E. Mandado, et al. 1995

mjmm@usal.es
Circuito de disparo
Circuito de diparo: diparo:
conmutador C1
Interés de que el generador de barrido se sincronice con la señal señal
a visualizar:
Modo de DISPARO INTERNO
El selector de disparo: Si la señal no es simétrica, puede interesar el disparo con uno
u otro flanco. Conviene que el nivel de disparo en el punto de máxima máxima
pendiente
En En otras ocasiones: la entrada del conmutador C1 permite seleccionar seleccionar
el
disparo entre las siguientes señales
Por ejemplo, la señal procedente del amplificador vertical
Una señal externa que se aplica a un conector situado en la parte parte
frontal del
osciloscopio: DISPARO EXTERNO, , independientemente de la señal interna
Una tensión senoidal de la frecuencia de red (50 Hz) Hz)
En ausencia de señal de sincronismo en la pantalla no se observa observa
el haz. Pero resta
misma situación se produce en el caso de que el circuito de disparo disparo
no actúe
correctamente
Posibilidades Posibilidades de representación:
Evolución de la señal o dos señales en el tiempo
Representar la relación entre las amplitudes de dos señales:
Una de las señales se aplica al amplificador vertical
La otra se aplica directamente al amplificador horizontal en lugar lugar
del diente de sierra
procedente del generador de barrido: El osciloscopio en X-Y
X
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Osciloscopios Osciloscopios de memoria analógica se presenta una señal aún después
de haber ocurrido, independientemente del fósforo
Emplean TRC especiales
Presentación de señales lentas, captura y presentación de señales señales
rápidas no repetitivas, comparación de dos señales no simultáneas
simultánea
Osciloscopios Osciloscopios de tiempo real digital: digital:
conversión A/D de alguna señal:
memorizan digitalmente la forma de onda completa.
Ventajas:
Osciloscopios especiales
Presentación: permiten ver la señal anterior y posterior al disparo, disparo,
ampliar una zona
determinada o realizar un barrido a velocidad lenta
Tienen mayor resolución. Con memoria analógica se logran 0.3 mm sobre 8 cm y
únicamente bastan 9 bits para superar esta resolución
Transmisión de la información digitalizada
Inconvenientes: : Menor ancho de banda que los osciloscopios analógicos
El número de muestras es fijo al venir determinado por el tamaño tamaño
de la memoria
La frecuencia de muestreo (para evitar el aliasing) aliasing)
debe cambiarse al variar la posición
de la base de tiempos
El ancho de banda no es constante como en un osciloscopio analógico, analógico,
sino que viene
determinado por la amplitud de la señal
determinado por mjmm@usal.es la amplitud de la señal
22

Sondas para osciloscopio
Hasta ahora hemos supuesto que el osciloscopio no modifica la señal
conectada a medir.
El instrumento de medida real tiene unas prestaciones limitadas determinadas por
sus características
Resistencia Re en
paralelo con un
condensador Ce :
Impedancia Zi que
varía con la
frecuencia
Situaciones en las que las medidas son imposibles o incorrectas:
incorrectas
mjmm@usal.es
Z e = Impedancia de entrada
E. Mandado, et al. 1995
Si la f señal > f atenuación del ancho de banda: no se visualizan
correctamente
Zi = depende de la frecuencia de la señal a visualizar
Los cables de entrada del osciloscopio, captan señales
parásitas, espúreas o ruido: imagen borrosa
Ancho de banda del osciloscopio
E. Mandado, et al. 1995
23
SOLUCION:
Sondas de
osciloscopio

Sondas para osciloscopio
Sondas de tensión no atenuadoras: atenuadoras PUNTA DE PRUEBA
Un punzón fino de metal conectado al osciloscopio mediante un cable cable
aislado
El extremo de la sonda cubierto por un mango aislante o provisto provisto
de unas pinzas
Esta sonda se llama “sonda de prueba directa”
Si se añade un blindaje a la sonda de prueba directa (cable coaxial) coaxial)
se eliminan los
ruidos: sonda no atenuadora
E. Mandado, et al. 1995
Sonda de tensión no atenuadora
Medidas correctas: Si Zi >> Rs Vg=Vs Vg Vs y por tanto Vs=Ve Vs Ve
Señales de baja frecuencia, audiofrecuencia, (Zi ( Zi grande)
Circuitos de baja impedancia de salida (Rs ( Rs pequeña)
Medidas incorrectas:
Si Zi < Rs: Rs:
entonces Vg Vs
Frecuencias elevadas: Ve/Vg Ve/ Vg depende de la frecuencia con Zi
mjmm@usal.es
E. Mandado, et al. 1995
Medida con sonda no atenuadora: V s =V e
24
V
e
V
g
Zi
R Z
s
i

Sondas para osciloscopio
Sondas de tensión atenuadoras: atenuadoras Vs Ve
Esta Esta sonda resuelve el problema de “carga” que el osciloscopio real real
ejerce
sobre el cirucito en el que se efectúa la medida
Aumentar la impedancia de entrada (Z ( i) ) del oscoloscopio añadiendo
componentes pasivos externos: : atenuadores RC entre el punzón y el cable
de la sonda no atenuadora
Ve
VS
a
a atenuación
1
Suponemos Zi es puramente resistiva= Re. Se conecta en serie con ella una R=9
Re. La impedancia de entrada es 10 veces mayor y Ve/Vs no depende de la
frecuencia
Suponemos que Zi es puramente capacitiva Zi=Ce. Se conecta en serie con ella una
capacidad C que cumple que C=Ce/9. Entonces la capacidad total es diez veces menor
que la del osciloscopio y la relación Ve/Vs no depende de la frecuencia
Se puede realizar la conexión de las resistencia R y la capacidad C, y obtener un
mjmm@usal.es
divisor de tensión resistivo y capacitivo:
E. Mandado, et al. 1995
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Medida con sonda
atenuadora: divisor
de tensión
resistivo y
capacitivo

Circuito de disparo y Generador de barrido
El generador de barrido: conmutador C2
Lo normal es estar conectado a la salida del circuito de disparo: disparo:
Con respecto a un NIVEL constante (de dc) dc)
que es el que selecciona el punto de inicio
del barrido: comienza el diente de sierra de barrido
El control de NIVEL de disparo selecciona el punto de inicio del del
barrido.
El "modo " modo de disparo se refiere a la repetición de los barridos:
En modo NORMAL: no hay barrido hasta que se alcanza el NIVEL. En En
este
caso no se sabe en la pantalla si es que no hay una señal vertical vertical
o si es que
ésta no alcanza el nivel de disparo.
En modo automático (AUTOTRIGGER), si al cabo de un tiempo fijo no se ha
producido un nuevo disparo se inician ligeramente barridos sucesivos, sucesivos,
y
cuando aparece una nueva señal de disparo se acaba el barrido en curso y se
vuelve a esperar el tiempo que corresponda. Este modo permite obtener obtener
un
trazo visible en la pantalla tanto si hay como si no señal vertical. vertical.
En modo de disparo SINGLE, después de un barrido no son aceptados aceptados
nuevos impulsos de disparo hasta que se haya pulsado un control RESET,
después de esto acepta un único nuevo disparo.
mjmm@usal.es
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Figuras cortesía de
R. Pallás, Pallás,
Instrumentación Electrónica. Marcombo, Marcombo,
1987
E. Mandado, P. Mariño y A. Lago, Instrumentación Electrónica.
Marcombo. Marcombo.
1995.
Manual del osciloscopio digital Tecktronix TDS 220.
www.tektronix.com.
www.tektronix.com
mjmm@usal.es
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