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Introducción a los Osciloscopios

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MEDICIONES ELÉCTRICAS IDepartamento de Ingeniería Eléctrica y Electromecánica

Facultad de Ingeniería – Universidad Nacional de Mar del Plata

– Un osciloscopio es un instrumento que permite visualizar, analizar y medir señales variables en el tiempo.

– Existen dos categorías principales de osciloscopios:

• Osciloscopios analógicos (basados en el principio del Tubo de Rayos Catódicos)

• Osciloscopios digitales (basados en el muestreo de la señal analógica a valores digitales y su posterior procesamiento)

Osciloscopio analógico

tradicional

Osciloscopio digital

Osciloscopios analógicos y digitales

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– Principales aplicaciones:

Los osciloscopios analógicos, entre otras funciones, pueden utilizarse para:

• Determinar el periodo y la amplitud de una señal

• Determinar la componente AC y la componente DC de una señal

• Medir la diferencia de fase entre dos señales de igual frecuencia

• Determinar la secuencia de fases en un sistema trifásico

• Identificar transitorios

• Analizar formas de onda (por ejemplo, si un componente defectuoso en un circuito está distorsionando la señal evaluada)


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– Principales aplicaciones:

Los osciloscopios digitales, además de poseer las funciones de los osciloscopios analógicos, incorporan más funciones que los convierten en herramientas superiores para muchas aplicaciones, entre ellas:

• Brindar múltiples posibilidades para la visualización y análisis de eventos

• Realización de mediciones en forma automática

• Almacenar los eventos y formas de onda en memoria para su posterior análisis

• Exportar / importar datos hacia / desde PC

• Decodificar una trama de bits en un canal de un sistema de comunicaciones

• Realizar operaciones matemáticas complejas con las señales a su entrada


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– Efecto termoiónico: principio del CRT

El osciloscopio analógico se basa

principalmente en el efecto termoiónico

para crear un haz de electrones que puede

ser usado para reproducir visualmente una

señal eléctrica en función del tiempo en una

pantalla. En esencia, dicho efecto se logra

provocando una diferencia de potencial

entre un conductor calentado denominado

cátodo y otro conductor denominado

ánodo, tal que circule corriente a través de

un circuito. Dicho sistema cátodo - ánodo

es referido como “tubo de rayos catódicos”

(en siglas, CRT: Cathode Ray Tube)

Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicos

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Los electrones emitidos por el cátodo caliente se aceleran y alinean

formando un haz en lo que se denomina haz de electrones. Este haz

finaliza su trayectoria colisionando contra una pantalla de vidrio de plomo,

la cual es recubierta con fósforo tal que la colisión del haz de electrones

se haga visible.





Se observará una deflexión del haz de

electrones, si éste se hace pasar entre dos

placas sometidas a una diferencia de potencial.

Este efecto es aprovechado para la generación

de una base de tiempo (deflexión horizontal

del haz) y para la deflexión vertical del haz en

forma proporcional a la señal de entrada.

VX

VY

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– Generación de la base de tiempo

Se logra aplicando una señal con forma de onda de diente de sierra con frecuencia conocida al par de placas de deflexión verticales.


VX

VY

VX

La persistencia de la retina

y del propio fósforo que

recubre la pantalla hace

que se perciba una línea

continua en vez de un

punto en movimiento

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– Acción conjunta deflexión horizontal – deflexión vertical


VX

VY

VX

VY

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Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicosSincronización de la señal: el disparo (TRIGGER)

Es necesario conseguir que comience cada barrido siempre en el mismo punto

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• Debe lograrse que cada barrido comience en un mismo punto de la señal en relación a su periodo, con el fin de que la imagen visualizada en la pantalla sea estable y estática. Esta es la función del sistema de disparo (trigger).

• Uno de los métodos más comunes consiste en comparar una señal con un nivel de disparo prefijado. Cuando el valor de la señal iguala al valor del nivel con la pendiente previamente configurada (positiva o negativa), se crea un pulso de disparo el cual, en caso de que el barrido anterior ya haya finalizado, disparará un nuevo barrido. De esta forma, se asegura la sincronización entre la señal y el barrido de la pantalla para una correcta visualización.

Pulsos de disparo

Nivel de disparo

Señal de entrada

(Inicio de barridos horizontales)

Sincronización de la señal: el disparo (TRIGGER)

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Principio de funcionamiento de osciloscopios analógicosSincronización de la señal: el disparo (TRIGGER)

Nivel de

disparo

Pendiente de disparo

La selección de un nivel

de disparo correcto es

fundamental para

obtener una imagen

estable de la señal

Circuito

de

muestreo

Señal

Memoria

MicroprocesadorConversor

A/Dsdjfhkjsdhf

Pantalla

Teclado



Principio de funcionamiento de osciloscopios digitales

fs = Frecuencia de muestreo

(en muestras/segundo o

samples/segundo).

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– Métodos de muestreo

Muestreo en tiempo real: El osciloscopio es capaz de adquirir la cantidad necesaria de

puntos durante un barrido de la forma de onda

Muestreo en tiempo real interpolado:En este método se recolectan unas pocas

muestras o puntos de la señal en un solo

barrido (en modo de tiempo real) y se

utiliza interpolación para llenar los “gaps”

o espacios entre muestras.

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– Métodos de muestreo

Muestreo en tiempo equivalente: Con esta técnica se reconstruye la señal

adquiriendo un punto diferente en cada ciclo de muestreo. Esta técnica no-

secuencial asume que la señal es completamente periódica y su utilización es

conveniente en casos en que la frecuencia de la señal es superior a la mitad de la

tasa de muestreo fs máxima del osciloscopio

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– Canales de entrada

• CH1

• CH2

– CAL

– EXT TRIG

– GND

– COMP TEST

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Bornes de conexión de un Osciloscopio:Ejemplo sobre un analógico

– CANALES DE ENTRADA

• Canal 1• Canal 2(Conectores BNC de entrada de ambos canales)La impedancia de entrada en ambos canales consta de una resistencia de 1MΩ en paralelo con una capacitancia de pequeño valor que suele depender del ancho de banda del osciloscopio (en este caso, 25 pF, en un osciloscopio con un ancho de banda de 20MHz)

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1MΩ25 pF

Conectores de entrada / salida



Pinza a

masa

Punta retráctil

conectada al

circuito a medir.

Medir una señal con exactitud es dificil por la

carga del circuito. Existe una inexactitud por la

interacción entre la punta de prueba y el

osciloscopio. Para prevenir esta interaccion, la

punta tiene un atenuador, que puede ser

conmutada x10 ó por x1.

Cuando usamos x10, la amplitud es reducida

por una factor =10, pero la lectura será más

exacta



Puntas de prueba

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Controles básicos: Configuración vertical

– VOLTS / DIV

– POSITION

– COUPLING

• AC

• DC

• GND

– INV

– ALT/CHOP

– ADD

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19

– VOLTS / DIV

Controla la amplitud o cantidad de Volts que representa cada división vertical de la escala.

• VAR (ajuste continuo)Este ajuste (denominado descalibrado) permite variar la escala vertical en forma continua.

20Controles básicos: Configuración vertical



– POSITION

Controla la posición vertical de la señal de cada canal en la pantalla.

(Ajuste continuo)




– COUPLING

(Modo de Acoplamiento)

• AC

• DC

• GND




– COUPLING

• DC

La señal es visualizada con sus componentes AC + DC




– COUPLING• AC

Sólo es visualizada la componente AC de la señal. La componente DC es filtrada intercalando un capacitor en serie con la entrada del canal. Este modo de acoplamiento resulta útil por ejemplo cuando la amplitud de la señal original (con sus componentes AC+DC) supera el rango de visualización que brinda el osciloscopio, y ya no es posible ajustar la posición vertical de la señal para visualizarla con un ajuste vertical determinado en la pantalla.




– COUPLING

• GNDSe visualiza el nivel de la referencia de tensión o tierra (referida como GND , Ground), lo cual es útil para realizar mediciones de tensión en comparación a dicho nivel de referencia.




– VERTICAL MODE (modo de visualización vertical)

• CH1 (Muestra la señal del canal 1)

• CH2 (Muestra la señal del canal 2)

• DUAL (Muestra las señales de los

canales 1 y 2 al mismo tiempo)

• XY (Modo XY)

• ADD (Suma)

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27

– ADD (suma)

Señal del canal 1

Señal del canal 2

Señal resultante de la suma

de ambas señales

Permite sumar las señales de entrada. Combinado con la función INVERT (la

cual muestra a la señal de uno de los canales multiplicada por (-1)) se puede

mostrar una tercera señal, resultante de la resta entre las señales de ambos

canales)




– Modo de visualización de dos señales (osciloscopios de único trazo)

• ALT (alternado)

• CHOP (troceado)

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• ALT (alternado)Se barre un canal por barrido, en forma alternativa.

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• CHOP (troceado)Se dibujan ambos canales en el mismo barrido, conmutando entre ambos canales a alta velocidad.

– Modo de visualización de dos señales (osciloscopios de único trazo)

Barrido i

(canal 1)

Barrido i+1

(canal 2)

Canal 1

Canal 2




– SEC / DIV

– POSITION

– MAG X10

– MODE XY

– TIME BASE

• MAIN

• DELAYED

• MIXED

30 Controles básicos: Configuración horizontal



– SEC / DIV

Control del tiempo en segundos que representa cada división de la escala horizontal.

Es posible un ajuste en forma continua utilizando el control VAR (DLY. TIME POS)

31 Configuración horizontal



– POSITION ↔

Controla la posición horizontal de la/s señal/es visualizadas en la pantalla. (Ajuste continuo)

32 Controles básicos: Configuración horizontal



– MAG X10 (Magnificación horizontal)Algunos osciloscopios analógicos incorporan la opción de ampliación horizontal. Normalmente se expande en X5 o X10 a la base de tiempo, sin embargo, debe tenerse en cuenta que la exactitud de la base de tiempos con esta función suele ser inferior con respecto al modo normal.

33(tirar hacia afuera)

Controles básicos: Configuración horizontal



– MAG X10 (Magnificación horizontal)

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– Modo XY

Muestra un gráfico de la señal del canal 1 en la escala vertical versus la señal del canal 2 en la escala horizontal.

35Controles básicos: Configuración horizontal



– Modo XY

Si ambas señales son senoidales puras, con el Modo XY se formarán patrones gráficos claramente reconocibles en la pantalla en el caso en que la relación entre las frecuencias de las señales sea un número entero, o su diferencia de fases corresponda a un ángulo notable.

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– TIME BASE

• MAIN

Selección y ajuste

de la base de tiempo principal

(Con el ajuste VAR es posible efectuar un ajuste continuo de la base de tiempo)




– TIME BASE

• DELAYED

Selección y ajuste horizontal de la base de tiempo retardada.




– TIME BASE

• MIXED

Selección y ajuste de la base de tiempo principal y retardada para ser visualizadas en un mismo barrido en la pantalla.




– TIME BASE

• MIXED

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Punto de inicio de base de tiempo principal

Punto de inicio de base de tiempo retardada

Configuración horizontal



– LEVEL & SLOPE

• (+) (RISING)

• (-) (FALLING)

– MODE

• NORMAL

• AUTO

– SOURCE

• CH 1

• CH 2

• LINE

• EXT

– HOLD OFF

41Configuración de disparo (trigger)



– LEVEL & SLOPE

• (+) (pendiente positiva)

• (-) (pendiente negativa)

Configuración del nivel y pendiente de disparo.

42 Configuración de disparo (trigger)



– LEVEL & SLOPE (Nivel y pendiente)

43

Pulsos de

disparo

Nivel de disparo

Señal de

entrada

• Nivel: 0%

• Pendiente: (+)

Punto inicial

del barrido

Configuración de disparo (trigger)



44

Pulsos de

disparo

Nivel de disparo

Señal de

entrada

• Nivel: 0%

• Pendiente: (-)

(actualización de

pantalla / inicio de

barrido horizontal)

Punto inicial

del barrido





45

Pulsos de

disparo

Nivel de disparo

Señal de

entrada

• Nivel: +50%

• Pendiente: (+)

Punto inicial

del barrido





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Nivel de disparo

Señal de

entrada

• Nivel: +125%

• Pendiente: (+)

No se generan pulsos de

disparo…

Si modo de disparo: N0RMAL Pantalla en

negro

Si modo de disparo: AUTO Disparo automático de

barridos por temporizador interno y visualización de señal no sincronizada con

los barridos.

NORMAL AUTO





– SOURCE

• CH 1 (canal 1)

• CH 2 (canal 2)

Selecciona la señal de disparo como la señal de entrada del canal 1 o del canal 2.

• LINE

• EXT




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– LINE (disparo por frecuencia de línea)• Se obtienen pulsos de disparo a la frecuencia de la tensión de alimentación

del osciloscopio (50Hz). Este modo de disparo resulta útil con señales con alto nivel de ruido (múltiples puntos de disparo posibles en cada período de la señal, para un nivel de disparo determinado), y cuya frecuencia es múltiplo de la frecuencia de línea.


Ejemplo de una señal con alto nivel de

ruido y cuya frecuencia está impuesta por

la frecuencia de línea



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– EXTERNAL (Disparo controlado externamente)

Utiliza la señal conectada a la entrada EXT TRIG (External Triggering) para obtener los pulsos de disparo. Es utilizada por ejemplo, cuando se quiere visualizar señales con complejas formas de onda. Si la fuente que genera dichas señales a evaluar posee una salida de pulsos sincronizada con la frecuencia de la señal de salida, dicha salida de pulsos (la cual suele denominarse “SYNC”) puede conectarse a la entrada EXT TRIG a efectos de sincronización con los barridos del osciloscopio.




– HOLD OFFAjuste de tiempo de espera forzado entre barridos, evitando el disparo en cada uno de los pulsos de la señal, para su correcta visualización.

(Ajuste continuo)


Ejemplo de una señal en la que debe

ser utilizado el ajuste Hold-Off:



– HOLD-OFF• Deben dispararse los barridos solamente en el primero de los

pulsos de cada tren. En caso contrario, en la pantalla se visualizaría una superposición no coherente de pulsos.

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Puntos de disparo

Nivel de disparo




– HOLD-OFF

• Visualización incorrecta (sin hold-off)

52

• Visualización correcta (con hold-off)




53

– HOLD-OFF

Tiempo de Hold-Off

La función Hold-Off

básicamente permite

ajustar un tiempo de

espera al final de un

barrido, en el que se

inhibe el comienzo de

un nuevo barrido para

evitar visualizaciones

incorrectas de ciertos

tipos de señales.

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– Pantalla del osciloscopio• Se encuentra

conformada por una retícula, generalmente de 8 divisiones verticales por 10 divisiones horizontales.

• Cada división se subdivide típicamente en 5 sub-divisiones.

División

Sub-División

Mediciones básicas con osciloscopios analógicos

– Medición del valor de amplitud de una señal

Ejemplo)

55 Mediciones básicas con osciloscopios analógicos

Configuración:

• Horizontal: 0,5 ms / div

• Vertical: 1.0 V / div

Se observa que el valor pico a pico

abarca 5.8 divisiones. Como el

ajuste vertical es 1.0V/div ,

entonces

la mejor estimación será:



– Medición de periodo - frecuencia de una señal

Ejemplo)


Configuración:

• Horizontal: 0,5 ms / div

• Vertical: 1.0 V / div

Se observa que la distancia entre picos

positivos abarca 7.6 divisiones

horizontales, por lo que la mejor

estimación del período T de la señal

visualizada vendrá dada por:

Nota: Para una mejor medición, es recomendable medir el

tiempo entre pasos por cero, utilizando el menor valor de

ajuste vertical y el mayor valor de ajuste horizontal

posibles.



– Medición de diferencia de fase entre dos señales


Señal canal 1

Señal canal 2

La mejor estimación para la diferencia de fases entre la señales vendrá

dada por:



– Medición de diferencia de fase entre dos señal• Modo XY


– Posicionar la línea de GND de cada canal en la línea horizontal central para luego pasar al modo de acoplamiento AC.

– Configurar el modo de visualización vertical en Modo XY.

– Escalar apropiadamente cada canal, tal que la elipse visualizada abarque la mayor parte de la pantalla.

– Medir las amplitudes A y B indicadas.

Escala vertical (y): Señal canal 1

Escala horizontal (x): Señal canal 2

La mejor estimación para la diferencia de fases entre

la señales vendrá dada por:



– Medición de diferencia de fase entre dos señal• Ajuste continuo de la base de tiempo


– Ajustar la base de tiempo en forma continua hasta conseguir que la mitad del período de una de las señales abarque las 10 divisiones de la escala de tiempo.

– Contar las N divisiones entre las señales, por ejemplo, entre pasos por cero análogos.

La mejor estimación para la diferencia de fases

entre la señales vendrá dada por:



– Sonda pasiva de tensión (1-10X)

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Cable coaxil

Conector BNC - macho

Punta de referencia

(ground lead)

Switch conmutador entre modo 1X (sonda no atenuadora) y 10X

(sonda atenuadora en 10 veces)

Clip retráctil

(entrada señal)

Consideraciones sobre puntas de prueba de osciloscopios



60

Efecto de carga sobre el circuito de medida. Error de inserción.



• La impedancia del osciloscopio + sonda 1x disminuye con la frecuencia de la señal a medir(1MΩ en cc pero baja si f sube)

• Se usa la sonda 1x si Z0 >> Rs o si la medida se toma a baja frecuencia.

Circuito a medir + sonda 1x + Osciloscopio :

61




• La sonda 10x tiene unaresistencia en paralelo a un capacitor variable

Sonda 10x + Osciloscopio

𝑉𝑖 𝑉0

ZP

Z0I

𝑍0 =𝑅𝑂

1𝑗 𝜔(𝐶𝑂 + 𝐶𝐶)

𝑅0 +1

𝑗 𝜔(𝐶𝑂 + 𝐶𝐶)

=𝑅𝑂

𝑗 𝑅𝑂(𝐶𝑂 + 𝐶𝐶) 𝜔 + 1=

𝑅𝑂

𝑗𝐵 𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝐵 = 𝑅𝑂(𝐶𝑂 + 𝐶𝐶) 𝜔 + 1

𝑍𝑃 =𝑅𝑃

1𝑗 𝜔𝐶𝑃

𝑅𝑃 +1

𝑗 𝜔𝐶𝑃

=𝑅𝑃

𝑗 𝑅𝑝𝐶𝑝 𝜔 + 1=

𝑅𝑃

𝑗𝐴 𝑠𝑖𝑒𝑛𝑑𝑜 𝐴 = 𝑅𝑝𝐶𝑝 𝜔 + 1

𝑉0

𝑉𝑖=

𝑍0

𝑍𝑃 + 𝑍0=

𝑅0

𝑗𝐵𝑅𝑃

𝑗𝐴 +𝑅0

𝑗𝐵

62




Osciloscopio + sonda 10x.

𝑉𝑖 𝑉0

ZP

Z0I

𝐼 =𝑉𝑖

𝑍𝑃 + 𝑍0=

𝑉0

𝑍0

Si se cumple que entonces A = B en las ecuaciones anteriores, por ende:𝑅𝑃𝐶𝑃 = 𝑅𝑜 𝐶𝐶 + 𝐶𝑜

𝑉0

𝑉𝑖=

𝑍𝑆

𝑍𝑃 + 𝑍0=

𝑅0

𝑗𝐵𝑅𝑃𝑗𝐵 +

𝑅0𝑗𝐵

𝑉0

𝑉𝑖=

𝑅0

𝑅𝑃 + 𝑅0

Si se elige que Rp =10 R0 el conjunto sonda + osciloscopio actuará como un divisor resistivo

atenuando todas las señales a la entrada del osciloscopio por igual independientemente de la

frecuencia, incluyendo señales con forma de onda complejas (cuadrada, triangular, etc.) sin modificar

su fase, y al mismo tiempo, presentará una impedancia 10 veces mayor que R0, minimizando el error de

inserción.

𝑉0

𝑉𝑖=

𝑍0

𝑍𝑃 + 𝑍0=

𝑅0

𝑗𝐵𝑅𝑃𝑗𝐴 +

𝑅0𝑗𝐵

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• Se usa la sonda 10x si la medida se toma a alta frecuencia.

– CAL (terminal de calibración de la sonda pasiva atenuadora de tensión)

Proporciona una señal cuadrada generada internamente en el osciloscopio (típicamente de frecuencia 1 kHz y amplitud 2 Volts pico a pico) con el fin de calibrar la sonda de tensión en su configuración 10X. Es decir, se usa para ajustar Cp hasta lograr que:

64 Conectores de entrada / salida



𝑅𝑃𝐶𝑃 = 𝑅𝑜 𝐶𝐶 + 𝐶𝑜

– GND (Ground)Conector que provee una conexión adicional al potencial de tierra (referencia de ambos canales y tierra de alimentación del osciloscopio)

65 Conectores de entrada / salida



– CAL (terminal de calibración de la sonda pasiva de tensión atenuadora)Al conectar la sonda pasiva de tensión (en configuración atenuadora) en la pantalla debe observarse una señal cuadrada perfecta. Si éste no es el caso, debe ajustarse el tornillo de regulación en el conector BNC o en el cuerpo de la sonda hasta lograr que la señal tenga dicha forma de onda.

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• Sonda subcompensada

• Sonda sobrecompensada

• Sonda correctamente compensada

Conectores de entrada / salida



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– Las cubiertas / referencias de los conectores BNC de los canales de entrada se encuentran generalmente puenteadas entre sí y conectadas a la tierra de la alimentación del osciloscopio.

– Por lo tanto, debe tenerse la precaución de no conectar las puntas de referencia de ambas sondas pasivas de tensión a potenciales diferentes entre sí.

– Además, en mediciones de circuitos con alimentación referenciada a tierra, debe procurarse no conectar la punta de referencia de la sonda pasiva de tensión a un punto con potencial respecto a tierra.

Consideraciones sobre conexiones



– Medición de una señal en un circuito con alimentación flotante (no referenciada a tierra)

68 Consideraciones sobre conexiones

Ejemplo:

Placa adquisidora

alimentada por una

batería de 9V




69

Fuente de alimentación

flotante




– Medición de una señal en un circuito con alimentación referenciada a tierra

70 Consideraciones sobre conexiones




71

Lazo de baja impedancia formado en

el conjunto osciloscopio – sonda -

circuito bajo prueba – fuente de

alimentación, al conectar la punta de

referencia de la sonda pasiva de

tensión a un punto con potencial

respecto a tierra.




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