Aspectos básicos sobre los osciloscopios portátiles - Parte 4: Captura y análisis de las formas de onda

07-10-2013 | Osciloscopios

La cuarta de las cinco partes que conforman este conjunto de artículos describe la captura y el análisis de las formas de onda. Además, responderemos a esa pregunta clave: “¿Cómo saber si una forma de onda es buena o mala?”.

Puede ver la tercera parte de este conjunto de artículos: Disparo y aislamiento.

Captura de una forma de onda con un dispositivo ScopeMeter

Con el osciloscopio adecuado, puede eliminar la necesidad de pulsar botones y girar mandos, así como capturar una forma de onda desconocida en unos pocos pasos.

Con un Fluke ScopeMeter, siga estos sencillos pasos para llegar a un buen punto de partida:

  1. Respete y cumpla todas las normativas de seguridad. Aprenda el funcionamiento y las especificaciones del instrumento de comprobación.
  2. Reinicie el osciloscopio y comience con una configuración ya probada y que funcione correctamente.
  3. Conecte el cable de retorno a un punto de referencia apropiado y, luego, la punta de la sonda al punto de comprobación de interés
  4. Utilice la función de disparo Connect-and-View™, para obtener al instante una visualización estable.

Cuando tenga una visualización estable, dispondrá de un buen punto de partida desde el que poder ajustar con precisión la configuración para capturar o analizar partes específicas de la forma de onda.

Para ajustar con precisión la visualización del osciloscopio, haga lo siguiente:

Para realizar medidas automáticas precisas, ajuste el eje horizontal para capturar al menos tres oscilaciones de la señal.
  1. Comience ajustando con precisión la sensibilidad vertical ("eje Y") y la posición. Ajuste la amplitud de la señal de modo que la forma de onda tenga una altura superior a 4 divisiones verticales.
  2. Ajuste la configuración horizontal de tiempo ("eje X" o "base de tiempo") para conseguir una resolución horizontal o un periodo de tiempo visualizado de la forma de onda inmejorables. Las medidas automáticas requieren al menos tres periodos visibles en pantalla.
  3. Para las señales complejas, es posible que deba ajustar el nivel o el modo de disparo. Para ello, aumente el nivel de disparo justo por encima del pico de la forma de onda (un paso más allá del punto en el que pierde el disparo). A continuación, disminuya el nivel de disparo hasta obtener una visualización estable de la forma de onda. También puede cambiar el nivel de disparo a una posición única en la forma de onda para obtener una visualización estable.

Análisis de las formas de onda

Antes de estudiar el análisis de las formas de onda, es necesario dejar claro que el diagnóstico de la causa principal de las formas de onda no es uno de los objetivos de este curso, dado que cada sistema eléctrico o electrónico es único y cada uno presentará problemas muy distintos que deberá diagnosticar. Una vez dicho esto, con los instrumentos de comprobación adecuados y con las técnicas y habilidades de resolución de problemas apropiadas, se reduce la dificultad de la tarea.

Para ser más competentes en el análisis de las líneas de las formas de onda, debemos acostumbrarnos a examinar siempre estas cuatro características de la forma de onda:

  1. Amplitud (en el eje vertical)
  2. Tiempo (en el eje horizontal)
  3. Patrón de la forma de onda y distorsión del patrón de la forma de onda
  4. Perturbaciones de la forma de onda, de fuentes externas particularmente

Acostúmbrese a examinar el eje vertical, el periodo de tiempo de la forma de onda de atrás hacia delante en sentido horizontal, los patrones de la forma y los problemas, sin perder de vista las perturbaciones externas.

El mejor método es aplicar un riguroso proceso para capturar y documentar las formas de onda cuando el sistema está en buenas condiciones. Archive las pruebas, las condiciones, las capturas de pantalla de las formas de onda y las medidas como referencia para futuras comparaciones.

Capture y documente las formas de onda antes y después de realizar una instalación, una reparación o incluso una actualización. La documentación de las formas de onda buenas y malas puede ofrecer pistas para los problemas que surjan en el futuro. Si no dispone de ese historial, puede ir a un sistema similar que esté funcionando correctamente, compare las formas de onda del sistema bueno y del malo y busque las diferencias.

El siguiente paso es analizar los circuitos y comprender el impacto o el comportamiento de los componentes clave del sistema.

  • Empiece verificando las condiciones de los circuitos de alimentación de CA y CC.
  • A continuación, examine las entradas y salidas del nivel básico del sistema y los bucles de retroalimentación para descubrir la manera de restringir la búsqueda de un dispositivo local en un sistema, área de circuito o componente.
  • Examine los dispositivos o circuitos que vengan antes y después de la ruta del sistema o del circuito (es decir, un circuito del área de interés que sea de corriente "ascendente" y "descendente") para intentar aislar el problema en un área o dispositivo específico.

Consejos, trucos y técnicas

Utilice las siguientes técnicas, consejos y trucos en el análisis de las formas de onda para detectar posibles problemas.

Eje vertical

Medida de la amplitud de la señal
Las fluctuaciones verticales pueden indicar una puesta a tierra inadecuada o señales en modo común.

El examen del eje vertical de las formas de onda puede desglosarse en los siguientes aspectos:

  1. Mida las características críticas de la amplitud de la señal utilizando medidas automáticas incorporadas o cursores para medir las características en puntos específicos de la forma de onda.
  2. Reduzca la vista aumentando la configuración de la base de tiempo (eje horizontal) del osciloscopio; busque consistencia en la amplitud de un periodo hasta el siguiente o en varios periodos.
  3. Amplíe la vista disminuyendo la configuración de la base de tiempo, examine las transiciones de los flancos de subida y bajada y busque específicamente cualquier anomalía. Si se aumenta la configuración de la base de tiempo, aumenta la velocidad de muestreo y, por lo tanto, la resolución, lo cual podría poner al descubierto problemas ocultos.
  4. Observe la línea de la forma de onda global, ya que cualquier fluctuación vertical puede indicar una puesta a tierra inadecuada o señales en modo común que estén afectando a la forma de onda global.

Eje horizontal

El examen del eje horizontal de una forma de onda puede desglosarse en los siguientes aspectos:

Las medidas en el eje horizontal (tiempo) incluyen periodo, frecuencia, ciclo de trabajo, ancho de pulso, tiempos de elevación y caída.
Busque fluctuaciones o cambios relacionados con el tiempo.
Formas de onda sinusoidales.
Formas de onda complejas.
Formas de onda dinámicas.

Comprobación de la simetría de la forma de onda: ¿tienen los cuadrantes el mismo aspecto?

"Recorte" del pico de una onda sinusoidal.

Compruebe que las formas de onda repetitivas son idénticas.

Onda cuadrada con transiciones no ideales.
Con formas de onda de diente de sierra y similares, asegúrese de que el cambio en la tensión sea proporcional al cambio en el tiempo.
Ruido en una onda cuadrada.
Transitorios en una onda sinusoidal.
Descarga estática en una onda cuadrada.
Inestabilidad de señal en el eje vertical (amplitud) y el horizontal (tiempo).
  1. Mida las características críticas de tiempo utilizando las medidas automáticas incorporadas o los cursores horizontales.
  2. Aumente la configuración de la base de tiempo, reduzca la vista de la forma de onda y busque inconsistencias en los periodos de la forma de onda de un periodo al siguiente. Una diferencia en los impulsos lógicos podría indicar problemas de tiempo en el circuito lógico.
  3. Vuelva a ampliar la vista de la forma de onda aumentando la configuración de la base de tiempo y busque cambios horizontales o relacionados con el tiempo. Cualquier indicio de fluctuación o ajuste de fase de una señal podría indicar inestabilidad en el reloj de referencia o en los componentes lógicos de los circuitos digitales.

Forma de onda

Las formas de onda se dividen en tres categorías distintas:

  1. Formas de onda simétricas, como sinusoidal, cuadrado, triangular, etc.
  2. Formas de onda complejas: suelen pertenecer a circuitos en los que las señales se unen y forman señales de control complejas en bucles de retroalimentación, o a circuitos lógicos digitales que añaden o controlan las condiciones lógicas.

    Se suelen encontrar formas de onda complejas al comprobar lo siguiente:

    • Vídeo analógico
    • Control de tiempo de integración/desintegración
    • Control de ganancia progresiva
    • Control de bucle de respuesta analógica
    • Pulsos de datos lógicos o configuraciones binarias
  3. Las señales dinámicas son aquellas que cambian de forma dinámica las características clave de las formas de onda para poder controlar alguna condición. Por ejemplo, una señal modula la amplitud o la frecuencia de otra señal que contiene información. Los motores eléctricos actuales utilizan la modulación del ancho de pulso variable para ejercer un control preciso y mejorar su rendimiento energético.

    Se suelen encontrar formas de onda dinámicas al comprobar lo siguiente:

    • Portadoras moduladas como AM, FM, PSK, Phase, etc.
    • Aparatos de resonancia magnética
    • Unidades de frecuencia variable (modulación del ancho de pulso)
    • Pulsos de radar y sonar (sensores de posición)

Problemas de las formas de onda

A continuación, echaremos un vistazo a las características de las formas de onda para ayudar a diagnosticar problemas potenciales.

Podemos utilizar características clave relacionadas con la forma para buscar áreas problemáticas. Por ejemplo:

  1. Simetría de la forma de onda: si “doblara” y cortara la forma de onda simétrica por la línea central en sentido vertical y horizontal, ¿tendrían los cuadrantes yuxtapuestos exactamente el mismo aspecto?
  2. Picos y valles: en las ondas con forma sinusoidal o triangular, examine los picos positivos y negativos para asegurarse de que no haya evidencias de aplanado de los picos ni otras aberraciones de transición. En las formas de onda cuadradas o pulsadas, compruebe que los niveles altos y bajos estén planos y “rectos”.
  3. Repetición de la forma de onda: aumente el periodo de la base de tiempo (eje horizontal) para comprobar que haya varios periodos de tiempo idénticos.
  4. Transición de las formas de onda: inspeccione los puntos de transición de la forma de onda y asegúrese, en el caso de las ondas triangulares o sinusoidales, de que la transición sea limpia; en el caso de las formas de onda cuadradas y de pulso, asegúrese de que la transición tenga un flanco de 90 grados “afilado”. En las formas de onda cuadradas o de pulso, un "timbre" (oscilaciones) en los puntos de transición altos o bajos podría indicar reflejos en la ruta de transmisión de la señal como resultado de cambios en la impedancia.
  5. Cambios lineales o logarítmicos: disminuya el periodo de la base de tiempo para inspeccionar la transición lineal o logarítmica. Utilice los retículos de la pantalla para evaluar si el cambio en el nivel de tensión es proporcional al cambio en el tiempo.

Perturbaciones de las formas de onda

Las perturbaciones de las formas de onda suelen ser fenómenos eléctricos externos que han conseguido entrar en el circuito para influir en la señal de una de las siguientes maneras:

El ruido es una interferencia electromagnética inducida que suele proceder de máquinas eléctricas de gran potencia o interferencias procedentes de dispositivos de transmisión de radiofrecuencia. Cualquier longitud de un conductor eléctrico puede ser una antena que capte campos electromagnéticos de radiación de dispositivos como teléfonos móviles, unidades de motor de frecuencia variable o sistemas de iluminación.

Los transitorios o "fallos" pueden ser inducidos por cambios repentinos en las cargas eléctricas de gran potencia, como un conmutador. Estos pueden producirse al encenderse un interruptor, un ventilador o una bomba. Otro escenario peor se da cuando un transitorio baja por el sistema de distribución como consecuencia de la caída de un rayo.

La electricidad estática puede producirse en cintas transportadoras, poleas y máquinas giratorias. Los conductores eléctricos que se encuentran próximos a estos dispositivos giratorios pueden convertirse en los caminos de menor resistencia para la puesta a tierra, lo que provocaría la descarga de la energía acumulada.

Estabilidad de la señal: busque cambios en los ejes vertical y horizontal. Cualquier inestabilidad en los cambios de las referencias de puesta a tierra o del desplazamiento de CC podría indicar problemas en el bucle de la puesta a tierra. Cualquier fluctuación de la señal relacionada con el tiempo horizontal o cualquier cambio de fase errático podría ser consecuencia de problemas en los relojes del circuito digital y en las vías de transmisión de la señal.

Osciloscopios de Fluke

Las técnicas y los conceptos presentados aquí pueden encontrarse en toda la gama de osciloscopios portátiles de Fluke. Disponibles con anchos de banda que oscilan entre 20 MHz y 200 MHz, los dispositivos Fluke ScopeMeter ofrecen el rendimiento y las funciones necesarias para llevar a cabo una gran variedad de medidas, desde localizaciones rutinarias de averías a tareas difíciles como buscar eventos aleatorios. Los osciloscopios de Fluke han sido específicamente diseñados para funcionar en entornos adversos, lejos de las mesas de un laboratorio.