Instrumentos de medida y prueba

Publicado por Jhonnattan Rivera Rivera en

La localización de averías es el proceso de aislar, identificar y corregir de forma sistemática un fallo en un circuito o sistema. Existe una gran variedad de instrumentos que se pueden utilizar en la localización de averías y la realización de pruebas. En esta sección, se presentan y exponen algunos equipos típicos.

Al finalizar esta sección, el lector deberá ser capaz de:
■ Diferenciar entre un osciloscopio analógico y uno digital.
■ Reconocer los controles más comunes del osciloscopio.
■ Determinar la amplitud, el período, la frecuencia y el ciclo de trabajo de una señal de impulsos con un osciloscopio.
■ Explicar el analizador lógico y algunos de sus formatos más comunes.
■ Describir el propósito de una fuente de alimentación de continua, de un generador de funciones y de un multímetro digital.

El osciloscopio

El osciloscopio es uno de los instrumentos más ampliamente utilizado para la realización de pruebas y la localización de averías. Básicamente, el osciloscopio es un dispositivo con pantalla gráfica que traza una gráfica de una señal eléctrica en su pantalla. En la mayor parte de las aplicaciones, las gráficas se muestran como señales en función del tiempo. El eje vertical de la pantalla representa la tensión y el eje horizontal representa el tiempo. La amplitud, el período y la frecuencia de una señal se pueden medir con el osciloscopio. Además, pueden determinarse el ancho del impulso, el ciclo de trabajo, el tiempo de subida y el tiempo de bajada de una señal de impulsos. La mayoría de los osciloscopios pueden mostrar a la vez al menos dos señales en la pantalla, lo que permite observar su relación en el tiempo. En la Figura 1.40 se muestra un osciloscopio típico.

FIGURA 1.40 Osciloscopio típico de doble canal. Reproducida con permiso de Tektronix, Inc.

Para visualizar formas de onda digitales se pueden emplear dos tipos de osciloscopios: análogico y digital. Como se muestra en la Figura 1.41(a), el osciloscopio analógico funciona aplicando directamente la señal que se va a medir para controlar el movimiento de arriba a abajo del haz de electrones del tubo de rayos catódicos (TRC) a medida que oscila a lo largo de la pantalla. De este modo, el haz traza la forma de onda en la pantalla. Como se ilustra en la Figura 1.41(b), el osciloscopio digital convierte la forma de onda que se va a medir en información digital mediante un proceso de muestreo que se realiza en un convertir analógico-digital (ADC, Analog-to-Digital Converter). A continuación, la información digital se utiliza para reconstruir la forma de onda en la pantalla.
El osciloscopio digital se utiliza mucho más que el analógico. Sin embargo, en muchas aplicaciones puede utilizarse cualquiera de ellos, ya que cada uno tiene características que le hacen más adecuado para cada situación concreta. Un osciloscopio analógico muestra las formas de onda tal y como se producen en “tiempo real”. Los osciloscopios digitales resultan útiles para medir impulsos transitorios que pueden producirse de forma aleatoria o sólo una vez. También, puesto que la información sobre la forma de onda medida se puede almacenar en un osciloscopio digital, puede visualizarse en cualquier instante posterior, imprimirse o analizarse en profundidad utilizando una computadora o cualquier otro medio.

Operación básica de los osciloscopios analógicos. Para medir una tensión, debe conectarse una sonda al punto del circuito en el que está presente la tensión. Generalmente, se utiliza una sonda ×10 que reduce (atenúa) la amplitud de la señal en un factor de diez. La señal atraviesa la sonda por sus circuitos verticales donde bien es atenuada o amplificada, dependiendo de la amplitud real y de dónde se haya colocado el control vertical del osciloscopio. Los circuitos verticales excitan entonces las placas de deflexión verticales del TRC. La señal pasa a los circuitos de disparo (trigger) que activan los circuitos horizontales para iniciar el barrido horizontal repetitivo del haz de electrones a lo largo de la pantalla usando una señal en forma de diente de sierra.

FIGURA 1.41 Comparación de los osciloscopios analógico y digital.

Hay disponibles muchos valores para el número de barridos por segundo, con el fin de que el haz parezca formar una línea sólida a lo largo de la pantalla sobre la forma de la señal. En la Figura 1.42 se muestra esta operación básica.

FIGURA 1.42 Diagrama de bloques de un osciloscopio analógico.

Operación básica de los osciloscopios digitales. Algunas partes del osciloscopio digital son similares a las del osciloscopio analógico. Sin embargo, el osciloscopio digital es más complejo que el analógico y, normalmente, dispone de una pantalla LCD en lugar del TRC. En lugar de mostrar una forma de onda tal y como se genera, primero adquiere la forma de onda analógica que se va a medir y la convierte a formato digital utilizando un convertidor analógico-digital (ADC, Analog-to-Digital Converter). Los datos analógicos se almacenan y se procesan. Los datos pasan a continuación a los circuitos de reconstrucción y presentación para poder ser mostrados en la pantalla en su forma original. La Figura 1.43 muestra un diagrama de bloques básico de un osciloscopio digital.

FIGURA 1.43 Diagrama de bloques de un osciloscopio digital.

Controles del osciloscopio. En la Figura 1.44 se muestra el panel frontal de un osciloscopio de doble canal típico. Los instrumentos variarán dependiendo del modelo y del fabricante, aunque la mayoría de ellos tienen determinadas funciones comunes. Por ejemplo, las dos secciones verticales contienen un control de posición (Position), un botón menú de canal y un control V/div (voltios/división). La sección horizontal dispone de un control sec/div (segundos/división). A continuación vamos a explicar algunos de los principales controles del osciloscopio. Para conocer los detalles concretos de un determinado osciloscopio consulte el manual de usuario.

Controles verticales. En la sección vertical del osciloscopio de la Figura 1.44, hay disponibles controles idénticos para cada uno de los dos canales (CH1 y CH2). El control Position permite desplazar la forma de onda mostrada en pantalla en sentido vertical hacia arriba y hacia abajo. El botón Menu permite seleccionar los distintos elementos que aparecerán en pantalla, como por ejemplo los modos de acoplamiento (ac, dc o tierra), el ajuste grueso o fino para el control V/div, la atenuación de la sonda y otros parámetros. El control V/div ajusta el número de voltios representados por cada división vertical de la pantalla. La configuración de V/div para cada canal aparece en la parte inferior de la pantalla. El botón Math Menu proporciona una selección de operaciones que pueden realizarse sobre las formas de onda de entrada, como por ejemplo sustracción, suma o inversión.

Controles horizontales. En la sección horizontal, los controles se aplican a ambos canales. El control Position permite desplazar la forma de onda en sentido horizontal por la pantalla hacia la izquierda o la derecha. El botón Menu permite seleccionar distintos elementos que aparecen en pantalla, como la base de tiempos principal, una vista ampliada de una parte de la señal y otros parámetros. El control sec/div ajusta el tiempo representado por cada división horizontal o base de tiempos principal. La configuración del control sec/div aparecerá en la parte inferior de la pantalla.

FIGURA 1.44 Osciloscopio típico de doble canal. Los números de la parte inferior de la pantalla indican los valores de cada división de la escala vertical (tensión) y de la escala horizontal (tiempo) y se pueden variar utilizando los controles vertical y horizontal del osciloscopio.

Controles de disparo (trigger). En la sección de controles Trigger, el control Level (nivel) determina el punto de la forma de onda en el se produce el disparo con el fin de iniciar el barrido para visualizar las formas de onda de entrada. El botón Menu permite seleccionar varios elementos que aparecen en pantalla, entre los que se incluyen el flanco o pendiente de disparo, el origen de disparo, el modo de disparo y otros parámetros. Existe también una entrada para la señal externa de disparo. Los controles Trigger estabilizan la forma de onda en la pantalla o generan apropiadamente disparos sobre un impulso que se produce sólo una vez o de forma aleatoria. También permiten observar los retardos de tiempo entre dos señales. La Figura 1.45 compara una señal a la que se la ha aplicado un punto de disparo y otra a la que no. La señal sin punto de disparo tiende a derivar a lo largo de la pantalla, generando lo que parecen múltiples formas de onda.

FIGURA 1.45 Comparación en un osciloscopio de una señal a la que se la ha aplicado un punto de disparo y otra a la que no.

Acoplamiento de una señal al osciloscopio. El método que se emplea para conectar la señal de tensión que se va a medir al osciloscopio es el acoplamiento. Se suele seleccionar el acoplamiento DC y AC en el menú Vertical del osciloscopio. El acoplamiento DC permite visualizar una señal incluyendo su componente continua. El acoplamiento AC bloquea la componente continua de la señal, por lo que la forma de onda se visualiza centrada en 0 V. El modo Ground (tierra) nos permite conectar la entrada del canal a tierra para ver en la pantalla dónde se encuentra la referencia de 0 V. La Figura 1.46 ilustra el resultado de un acoplamiento DC y AC utilizando un tren de impulsos que tiene una componente continua.

FIGURA 1.46 Visualizaciones de una misma forma de onda con una componente continua.

La sonda de tensión mostrada en la Figura 1.47 es esencial para conectar una señal al osciloscopio. Puesto que todos los instrumentos tienden a afectar al circuito que se está midiendo debido a los efectos de carga, la mayoría de las sondas de prueba proporcionan una resistencia serie grande con el fin de minimizar dichos efectos de carga. Las sondas que tienen una resistencia serie diez veces mayor que la resistencia de entrada del osciloscopio se denominan sondas ×10. Las sondas que no presentan resistencia serie se llaman sondas ×1. El osciloscopio ajusta su calibración de acuerdo con la atenuación del tipo de sonda que se vaya a utilizar.
Para la mayor parte de medidas, es aconsejable utilizar la sonda ×10. Sin embargo, si se van a medir señales muy pequeñas, una sonda ×1 puede resultar ser una buena elección.

FIGURA 1.47 Sonda de tensión de un osciloscopio. Fotografía utilizada con permiso de Tektronix, Inc.

La sonda dispone de un ajuste que permite compensar la capacitancia de entrada del osciloscopio. La mayoría de los osciloscopios tienen una salida de compensación de sonda que proporciona una onda cuadrada calibrada para llevar a cabo la compensación de la sonda. Antes de realizar la medida, es necesario asegurarse de que la sonda está compensada correctamente para eliminar cualquier distorsión que se haya introducido. Normalmente, hay disponible un tornillo u otro elemento para ajustar la compensación de la sonda. La Figura 1.48 muestra las formas de onda visualizadas en el osciloscopio para las tres condiciones de la sonda correctamente compensada, subcompensada y sobrecompensada. Si la forma de onda se muestra subcompensada o sobrecompensada, debe ajustarse la sonda hasta conseguir una onda cuadrada compensada correctamente.

FIGURA 1.48 Condiciones de compensación de una sonda.

EJEMPLO 1.3

Basándose en las lecturas mostradas, determinar la amplitud y el período del tren de pulsos mostrado en la pantalla del osciloscopio de la Figura 1.49. Calcular también la frecuencia.

FIGURA 1.49

Solución

El control V/div está en 1 V. Los pulsos tienen una altura de tres divisiones. Dado que cada división representa 1 V, la amplitud del pulso es

Amplitud = (3 div)(1 V/div) = 3 V

El control sec/div se encuentra en 10 μs. Un ciclo completo de la forma de onda (desde el principio de un pulso hasta el principio del siguiente) ocupa cuatro divisiones; por tanto, el período es:

Período (T) = (4 div)(10 μs/div) = 40μs

La frecuencia se calcula como sigue


El analizador lógico

Los analizadores lógicos se emplean para realizar medidas de múltiples señales digitales y en situaciones en las que los requisitos de disparo sean complejos. Básicamente, el analizador lógico se utiliza para el análisis de circuitos con microprocesadores en los que la localización de averías y los procesos de depuración requieren muchas más entradas que las que ofrece un osciloscopio. Muchos osciloscopios disponen de dos canales de entrada y algunos tienen cuatro. Existen analizadores lógicos que tienen desde 34 hasta 136 canales de entrada. Generalmente, el osciloscopio se utiliza para medir la amplitud, frecuencia y otros parámetros de temporización de unas pocas señales simultáneas o cuando se desean medir parámetros como los tiempos de subida y de bajada, los picos de señal y los retardos. El analizador lógico se emplea cuando es necesario determinar los niveles lógicos de una gran cantidad de señales y para conocer la correlación de señales simultáneas basándose en sus relaciones temporales. En la Figura 1.50 se muestra un analizador lógico típico y en la Figura 1.51 se presenta un diagrama de bloques simplificado.

FIGURA 1.50 Analizador lógico típico. Fotografía utilizada con permiso de Tektronix, Inc.

Adquisición de datos. La gran cantidad de señales que un analizador lógico puede adquirir a un mismo tiempo es uno de los principales factores que le diferencia del osciloscopio. Generalmente, los dos tipos de adquisición de datos de los que dispone un analizador lógico son la adquisición de tiempo y la adquisición de estados. La adquisición de tiempos se emplea fundamentalmente cuando se necesitan determinar las relaciones temporales entre varias señales. La adquisición de estados se utiliza cuando se necesita ver la secuencia de estados que va apareciendo en un sistema bajo prueba.
A menudo resulta útil tener los datos de estado y de temporización correlados, y la mayoría de los analizadores lógicos pueden adquirir simultáneamente dichos datos. Por ejemplo, puede detectarse inicialmente un problema como por ejemplo un estado no válido. Si embargo, la condición de invalidez puede deberse a que se produce una violación de temporización en el sistema bajo prueba. Si no se dispusiera de ambos tipos de información al mismo tiempo, aislar el problema resultaría muy complicado.

Número de canales y profundidad de memoria. Los analizadores lógicos contienen una memoria de adquisición de tiempo real en la que se almacenan los datos muestreados de todos los canales a medida que se producen.

FIGURA 1.51 Diagrama de bloques simplificado de un analizador lógico.

Dos características enormemente importantes son el número de canales y la profundidad de memoria. Puede pensarse en la memoria de adquisición como en una memoria que tiene un ancho igual al número de canales y una profundidad que es el número de bits que cada canal puede capturar durante un determinado intervalo de tiempo.
El número de canales determina el número de señales que se puede adquirir simultáneamente. En ciertos tipos de sistemas hay presentes una gran cantidad de señales, como por ejemplo en el bus de datos de un sistema basado en microprocesador. La profundidad de la memoria de adquisición determina la cantidad de datos procedentes de un determinado canal que se pueden visualizar en cualquier instante de tiempo dado.

Análisis y presentación. Una vez que los datos se han muestreado y almacenado en la memoria de adquisición, suelen utilizarse en varios modos de análisis y presentación diferentes. La forma de onda mostrada es muy similar a la que se puede ver en un osciloscopio en el que se muestren las relaciones temporales de múltiples señales. La pantalla que contiene el listado indica el estado del sistema bajo prueba, especificando los valores de las formas de onda de entrada (1s y 0s) en distintos instantes de tiempo (puntos de muestreo). Normalmente, estos datos pueden presentarse en formato hexadecimal o en otros formatos. La Figura 1.52 ilustra las versiones simplificadas de estos modos de presentación. La presentación en forma de listado especifica los puntos correspondientes a las muestras numeradas en el modo de presentación mediante señales.

FIGURA 1.52 Los dos modos de presentación del analizador lógico.

Otros dos modos que resultan útiles en la realización de pruebas de computadoras y sistemas basados en microprocesador son el modo de trazado de instrucciones y el de depuración del código fuente. El trazado de instrucciones determina y presenta las instrucciones que se van ejecutando. En este modo, generalmente se muestran los códigos de operación y los mnemónicos de la instrucciones, además de su correspondiente dirección de memoria. Muchos analizadores lógicos también incluyen un modo de depuración del código fuente, que esencialmente permite ver qué es lo que hace realmente el sistema bajo prueba cuando se ejecuta una instrucción de programa.

Sondas. Con los analizadores lógicos se emplean tres tipos básicos de sondas. Una de ellas es una sonda de compresión multicanal que puede conectarse a puntos de una tarjeta de circuito impreso, como se muestra en la Figura 1.53. Otro tipo es la sonda multicanal, similar a la anterior, que se conecta a zócalos montados sobre el circuito impreso. Y la última es la sonda monocanal de mordaza.

FIGURA 1.53 Una sonda típica de analizador lógico multicanal. Fotografía utilizada con permiso de Tektronix, Inc.

Generadores de señales

Fuente de señal lógica. Estos instrumentos se conocen también como generadores de impulsos y generadores de patrones. Están diseñados específicamente para generar señales digitales con amplitudes y flancos precisos y para generar los flujos de 1s y 0s necesarios para probar los buses de las computadoras, microprocesadores y otros sistemas digitales.

Generadores de señales arbitrarias y generadores de funciones. El generador de señales arbitrarias puede utilizarse para generar señales estándar como ondas sinusoidales, ondas triangulares e impulsos, así como señales con distintas formas y características. Las formas de onda pueden definirse mediante entradas en formato matemático o en formato gráfico. En la Figura 1.54(a) se muestra un generador de señales arbitrarias.
El generador de funciones proporciona trenes de impulsos, así como ondas sinusoidales y triangulares. La mayoría de los generadores de funciones disponen de salidas compatibles lógicas para proporcionar los niveles apropiados de excitación de las entradas de los circuitos digitales. En la Figura 1.54(b) se muestran varios generadores de funciones típicos.

FIGURA 1.54 Generadores de señales típicos. Fotografías utilizadas con permiso de Tektronix, Inc.

La sonda lógica y el pulsador lógico. La sonda lógica es una herramienta muy útil y barata que proporciona un medio para la localización de averías en un circuito digital, detectando las condiciones en un punto del circuito, como se ilustra en la Figura 1.55. La sonda puede detectar niveles de tensión altos, niveles de tensión bajos, impulsos aislados, impulsos repetitivos y circuitos abiertos en una tarjeta de circuito impreso. La luz de la sonda indica la condición que existe en un determinado punto del circuito, tal y como se indica en la figura. El pulsador lógico genera un tren de pulsos repetitivos que se pueden aplicar a cualquier punto del circuito. Se pueden aplicar impulsos en un punto de un circuito con el pulsador y comprobar en algún otro punto los impulsos resultantes con una sonda lógica.

FIGURA 1.55 Ilustración de cómo se pueden utilizar un pulsador lógico y una sonda lógica para aplicar un impulso en un determinado punto y comprobar la actividad resultante del impulso en otra parte del circuito.

Otros instrumentos

Fuente de alimentación continua. Este instrumento es indispensable en cualquier banco de pruebas. La fuente de alimentación convierte la alimentación alterna que se obtiene de la red eléctrica en una tensión continua regulada. Todos los circuitos digitales necesitan tensión continua. Muchos circuitos lógicos requieren +5 V o 3,3 V para funcionar. La fuente de alimentación se utiliza para alimentar a los circuitos durante las fases de
diseño, de desarrollo y para la localización de averías cuando la alimentación del sistema no está disponible.
En la Figura 1.56 se muestran fuentes de alimentación continua típicas para bancos de pruebas.

FIGURA 1.56 Fuentes de alimentación continua típicas. Cortesía de B +K Precision.®

Multímetro digital. El multímetro digital se usa para medir tensiones continuas, tensiones alternas, resistencias, etc. La Figura 1.57 muestra dos típicos multímetros de sobremesa y portátil.

FIGURA 1.57 Multímetros digitales típicos. Cortesía de B + K Precision.®

(Thomas L. Floyd (2006))

Bibliografía

Thomas L. Floyd (2006). Capitulo 1.6 Instrumentos de medida y prueba, Fundamentos de sistemas digitales, 9a Edición, Madrid, PEARSON EDUCACIÓN S.A.

Continua con:

Magnitudes analógicas y digitales
Dígitos binarios, niveles lógicos y formas de onda digitales
Operaciones lógicas básicas
Introducción a las funciones lógicas básicas
Introducción a la lógica programable
Instrumentos de medida y prueba

Categorías: Datos

Jhonnattan Rivera Rivera

administrador de la pagina, dueño del canal Tu Electrotecnico

1 comentario

  • hector · agosto 25, 2018 a las 5:35 am

    Excelente libros aportan mucho al estudiante o interesado

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