Vamos a conocer el principio de funcionamiento y la utilidad de una de las herramientas más potentes del laboratorio electrónico.
Introducción
En el artículo anterior pudimos ver en acción un osciloscopio representando la señal de video producida por Arduino en aquel montaje. En este artículo vamos a ocuparnos de conocer un poco esta herramienta.
El osciloscopio es un aparato, que debido seguramente a su aspecto de herramienta de laboratorio (realmente es lo que es) puede producir rechazo o respeto. Pero su fundamento es muy sencillo y cuando se le pierde el respeto, resulta una herramienta valiosísima en electrónica, incluso para el aficionado.
Además de esto, habitualmente ha sido siempre un aparato muy caro, sólo al alcance de las empresas dedicadas al desarrollo o mantenimiento de hardware. Con la llegada y abaratamiento de la electrónica digital, esto recientemente ha cambiado, y a pesar de que los buenos osciloscopios profesionales continúan siendo caros, han aparecido una gran variedad de opciones para el mercado aficionado que empiezan en precios tan sorprendentes como los 15€.
Fundamentos
Podríamos empezar por decir que el osciloscopio es un polímetro o multímetro con gráficos. Más o menos todos conocemos la funcionalidad básica del polímetro y cómo sirve para medir tensiones (aunque también resistencias e intensidades). Pues bien, si el polímetro fuera una pistola, el osciloscopio sería una metralleta. Internamente un osciloscopio es un medidor de tensión que realiza la medición millones de veces por segundo. La calidad de un osciloscopio se mide precisamente con este dato, es decir cuántas veces por segundo es capaz de muestrear (medir) la tensión en las sondas, así como por el número de canales, es decir de sondas con las que es capaz de trabajar simultáneamente. Por ejemplo, un osciloscopio de gama media puede muestrear mil millones de veces la tensión de las sondas. En los osciloscopios digitales que desde hace unos cuantos años se han impuesto en el mercado, no sólo se toman todas esas muestras por segundo, sino que se almacenan en la memoria del aparato para luego poder dedicar todo el tiempo necesario a su análisis. Esto se hace representándolas en pantalla habitualmente en un gráfico con el tiempo en el eje horizontal y la tensión en el vertical. Cuando la tensión en un punto de un circuito varía en el tiempo, y sobre todo cuando lo hace de forma regular, decimos que estamos ante una señal. Es más habitual utilizar ese término para las entradas o salidas a los circuitos, pero en realidad cualquier punto del circuito podrá contener una señal y precisamente los osciloscopios se utilizan para testear o comprobar que éstas evolucionan dentro del circuito adecuadamente. Es decir los osciloscopios sirven para "depurar" circuitos.
En electrónica, la mayoría de las cosas divertidas ocurren con tensiones que varían con el tiempo, es decir con señales. Cosas como la señal de vídeo que vimos en el artículo anterior, las señales de audio, las transmisiones de datos digitales, las emisiones de radio, etc. En todas estas situaciones, un polímetro no nos va a poder ayudar. Como mucho nos dará el valor medio de la tensión cambiante con el tiempo, pero no sus valores mínimo, máximo ni mucho menos la forma concreta de esa evolución. Para eso se creó el Osciloscopio, que es lo más parecido a poner el oído (o más bien el ojo) en cualquier punto de un circuito para escuchar (o ver) lo que allí pasa.
Por ejemplo la siguiente imagen corresponde al artículo anterior.
Aquí estamos viendo la evolución en el tiempo de la señal de video que generamos con Arduino en un par de pines cuyas salidas se "suman" con un par de resistencias. La dificultad principal consiste en establecer correctamente las escalas de tiempo (eje horizontal) y tensión (eje vertical) para que los detalles de la señal sean apreciados correctamente. También es importante sincronizar o estabilizar la señal en pantalla dado que ésta no para de evolucionar y suele hacerlo muy rápidamente. Por ejemplo en la foto anterior estamos viendo un fragmento de un instante muy pequeño de tiempo (150 microsegundos para ser exactos es lo que mide todo el ancho de la pantalla en ese caso). Antes y después de lo que vemos, la señal continúa evolucionando y de hecho podría tener un aspecto muy distinto. Si no fuéramos capaces de "congelar" de alguna manera esa evolución, la señal cambia tan rápidamente que no podríamos ver nada. De este aspecto de la sincronización (o "congelación") de la señal nos ocuparemos en el apartado siguiente. Aquí vamos a centrarnos en los aspectos de la escala.
En realidad si se cuenta con un osciloscopio "decente", el problema de la escala (y también el de la sincronización) se resuelve la mayoría de las veces pulsando un simple botón que suele hacer referencia a la palabra Auto (en el que vemos en este artículo dice Auto set):
Pulsar ese botón hace que por ejemplo podamos pasar de ver esto:
A ver esto otro:
Como vemos, tanto la escala horizontal como la vertical han variado bastante, sobre todo la horizontal (los tiempos). Los valores que vemos marcados en las imágenes anteriores con flechas, son la dimensión de la celda de la rejilla que se observa en el fondo de la gráfica en gris con un ligero punteado (acércate bien a la imagen ya que la rejilla es muy sutil). Gracias a ella podemos realizar mediciones rápidas. Por ejemplo, en vertical vemos que la señal cubre aproximadamente 2 celdas y media. Por tanto como cada celda mide 2V en vertical, podemos estimar que la señal oscila entre los 0 y los 5V (2,5 x 2V). En horizontal vemos que el ciclo de la señal se repite cada 5 celdas. Por tanto como cada celda mide 200µs en horizontal, podemos estimar que el periodo de la señal (el tiempo que tarda en repetirse el patrón) es de 1ms (5 x 200µs = 1000µs = 1ms). La frecuencia de una señal es el inverso del periodo en segundos, por lo que la frecuencia será de 1000Hz (1 / 1ms = 1 / 0,001s = 1000Hz = 1KHz). De hecho el osciloscopio ya se ha dado cuenta de que está manejando una señal periódica y ha determinado su frecuencia. Es el valor que se ve abajo a la derecha. En la banda con fondo amarillo se nos indican otros valores interesantes como la distancia pico a pico de la señal (5,06V), el valor medio (2,56V; lo único que mediría un polímetro), además de la frecuencia y el periodo que ya habíamos determinado nosotros. Con algunos menús especiales el osciloscopio es capaz de obtener muchas más magnitudes especiales en análisis de señal, pero estos cuatro valores son los considerados más básicos.
Por cierto, la señal de la última imagen es lo que se denomina una onda cuadrada y la hemos obtenido del propio osciloscopio. Casi todos los osciloscopios suelen tener un generador de señal de este tipo que se utiliza para calibración y testeo de funciones. La frecuencia de 1000Hz es perfectamente audible. Si tienes curiosidad por saber cómo suena, entra en esta dirección, escribe 1000 en el campo de texto, selecciona la onda de tipo Square y pulsa Play.
Trigger
El último aspecto clave para poder aprovechar el osciloscopio es el de la sincronización de la señal en pantalla. Incluso las señales de baja frecuencia como las de sonido, oscilan cientos o miles de veces por segundo, haciendo prácticamente imposible observarlas a simple vista. Aprovechando que la mayoría de las señales son periódicas, es decir que repiten su forma cada poco tiempo, se puede configurar el osciloscopio para que centre en pantalla la señal cuando atraviesa un determinado valor de tensión en una determinada dirección (bajando o subiendo). Aunque existen muchas más condiciones posibles para esta función, los dos parámetros anteriores son la forma más básica de lo que se denomina Trigger (disparador en inglés, ya que en los antiguos osciloscopios analógicos era el circuito que disparaba el dibujado de la señal). De esta forma al empezar a dibujar la señal siempre en el mismo punto, aunque el osciloscopio siga mostrando la evolución temporal de la misma, nos dará la impresión de que la señal se ha "congelado" en pantalla, permitiéndonos observar su forma y realizar mediciones como si estuviéramos antes una foto como hemos hecho antes.
Vamos a ver un ejemplo. En el siguiente vídeo, vemos la señal cuadrada de 1KHz de testeo del osciloscopio. Fuera de cámara manipulamos el control rotatorio que modifica el valor de tensión del trigger. El valor ajustado puede verse en pantalla en la parte inferior central (junto al indicativo CH1 y un gráfico que hace referencia al flanco de subida de la señal). El valor también se representa en pantalla como una línea discontinua verde mientras lo estamos modificando. Pues bien, en el vídeo vemos cómo sólo cuando el trigger se encuentra dentro del rango de tensión en que se mueve la señal (entre 0V y 5V), ésta se sincroniza y estabiliza en pantalla:
Opciones para aficionados
Por último comentar como decíamos al principio del artículo, que el acceso a estos aparatos se ha simplificado muchísimo. Desde luego no estamos hablando de osciloscopios de precisión ni muy rápidos (recordamos que la frecuencia de muestreo es el valor que más directamente indica la calidad del osciloscopio), pero para trabajar con señales de baja frecuencia como la del sonido, existen osciloscopios de mano, normalmente en formato kit, desde 15€. Un par de ejemplos:
El segundo ya pudimos verlo en el artículo sobre Atari Punk siguiendo la evolución de la señal de sonido que producía:
Realmente para el aficionado a la electrónica que empieza, uno de estos sencillos aparatos aporta un gran valor.
