Aunque el osciloscopio es por naturaleza un voltímetro gráfico de alta velocidad que representa la tensión en función del tiempo sobre una entrada de alta impedancia (1 MΩ), combinando sus canales y su menú matemático permite medir con total precisión las tres magnitudes fundamentales de cualquier circuito electrónico: voltaje (Vpp, Vrms, Vavg), corriente eléctrica (I) y potencia instantánea (P).
En esta guía práctica veremos cómo configurar el acoplamiento DC y AC para medir tensiones continuas y rizado, cómo obtener la forma de onda de la corriente mediante una resistencia shunt calibrada (ley de Ohm I = V / R) o una pinza amperimétrica BNC, y cómo multiplicar en tiempo real ambos canales (Math = CH1 × CH2) para trazar la curva de potencia en vatios.
Información general sobre osciloscopios
Un osciloscopio es un instrumento de laboratorio típico. El propósito de este instrumento es mostrar y analizar la forma de onda de señales electrónicas con frecuencias de 1 hertz (Hz) a varios megahertz (MHz). Normalmente, utiliza el osciloscopio para medir el voltaje en función del tiempo. El osciloscopio muestra el voltaje no como un simple número como un multímetro, sino más bien a lo largo del tiempo de izquierda a derecha. Al igual que un multímetro, un osciloscopio también es capaz de procesar y mostrar corriente alterna (CA) o corriente continua pulsada (CC). El barrido horizontal se mide en tiempos por segundo y la deflexión vertical se mide en voltios por división.
Yo personalmente uso un osciloscopio USB de Pico Technology, el Picoscope 2204 A. Como es un osciloscopio USB, no tiene pantalla. Puedo conectar directamente el osciloscopio a mi computadora y hay un software que me brinda la interfaz de un osciloscopio estándar. La principal ventaja de un osciloscopio USB es que existen dispositivos económicos en el mercado porque no hay necesidad de pantalla ni botones. Ahorra mucho costo en comparación con los osciloscopios sin USB.
La siguiente tabla le ofrece una descripción general de mi Picoscope 2204 A.
Especificación de criterios
| Banda ancha | 10 MHz |
| Número de canales | 2 |
| Rangos de entrada | + - 50 mV a + - 20 V |
| Sensibilidad de entrada | 10 mV / div a 4 V / div |
| Ancho de pulso mínimo detectable | 5 ns |
| Tasa de muestreo máxima | 100 MS. / S |
| Base de tiempo más corta | 10 ns / div |
| Formas de onda máximas por segundo | 2000 |
| Disparadores avanzados | Borde, ventana, ancho de pulso, ancho de pulso de ventana, abortar, abortar ventana, intervalo, lógica |
| Tipos de desencadenantes | Borde ascendente o descendente |
| Señales de salida estándar del generador de funciones | Sinusoidal, cuadrada, triangular, voltaje CC, rampa, sinc, gaussiana, semisinusoidal |
| Canales matemáticos y filtros de software | −x, x + y, x - y, x * y, x / y, x ^ y, sqrt, exp, ln, log, abs, norm, sign, sin, cos, tan, arcsin, arccos, arctan, sinh , cosh, tanh, freq, derivative, integral, min, max, average, peak, delay, duty Paso alto, paso bajo, paso de banda, parada de banda |
La siguiente tabla le brinda una descripción general de todos los componentes y partes que utilicé para este tutorial. Recibo comisiones por compras realizadas a través de los enlaces de esta tabla.
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Medición de voltaje del microcontrolador con un osciloscopio
Medir el voltaje con un osciloscopio es la parte más fácil de usar este dispositivo. Solo necesita conectar una sonda en ambos extremos antes y después del componente eléctrico cuyo voltaje desea medir. La imagen de la derecha muestra que, por tanto, el osciloscopio está en paralelo con el componente eléctrico.
En mi ejemplo, quiero medir el voltaje a través de una resistencia de 10 kΩ. Como fuente de alimentación, uso el NodeMCU V2 porque quiero encender y apagar el circuito durante un tiempo determinado. El siguiente boceto muestra el circuito y el boceto que utilicé.
void setup() {
pinMode(D3, OUTPUT); // LED pin as output
}
void loop() {
digitalWrite(D3, HIGH);
delay(5000);
digitalWrite(D3, LOW);
delay(5000);
}
Luego, las siguientes imágenes muestran la salida del osciloscopio. En los x-dolores ves que el circuito está encendido durante 5 segundos y luego apagado durante otros 5 segundos y así sucesivamente. Lo que es realmente interesante es que aunque configuré el pin de salida en bajo, todavía hay un pequeño voltaje de alrededor de 0.2V en la resistencia que tiene mucha ondulación. Si la salida se establece en ALTA, el voltaje de salida del GPIO es 3.3V, que se muestra en la imagen.
Medición de corriente del microcontrolador con un osciloscopio
Es posible medir la corriente en un circuito directamente con una sonda de corriente. Pero estos son muy caros y no tengo ninguno. Otra posibilidad para medir la corriente es usar una resistencia conocida y la ley de Ohm: U = R * I
Por lo tanto, si podemos medir el voltaje a través de una resistencia conocida, también conocemos la corriente en el circuito. Usamos la misma configuración y el mismo esquema de medición de voltaje con un osciloscopio. Lo único que agregamos es un canal matemático en el osciloscopio. Con un canal matemático, puedo agregar canales virtuales basados en operaciones matemáticas de los canales de entrada reales. La siguiente imagen muestra que agregué el canal matemático: U / 10000 porque usé una resistencia de 10kΩ.
El tiempo en el eje x no es el mismo para el canal matemático porque los valores para el canal matemático se calculan con los valores reales un período antes.
En el software del osciloscopio, puedo medir la corriente mínima y máxima. La corriente mínima es 22 μA y la corriente máxima es 323 μA. También probé el valor mínimo y máximo del osciloscopio en comparación con una medición realizada con un multímetro estándar.
Medición de potencia del microcontrolador con un osciloscopio
Ahora queremos medir el consumo de energía de un condensador. ¿Como podemos hacerlo? No hay problema, porque combinaremos lo aprendido de una manera que lo haga divertido. La potencia se calcula mediante: P = U * I
- Medimos el voltaje en el condensador directamente con el primer canal del osciloscopio.
- Podemos medir la corriente conectando una resistencia en serie con el condensador, midiendo el voltaje a través de la resistencia y calculando la corriente en el circuito.
La siguiente imagen muestra cómo se conectan los componentes eléctricos.
Ahora queremos medir la potencia. La potencia se calcula mediante P_C = U_C * I = U_C * U_R / R donde
- U_C es el voltaje en el condensador
- U_R es el voltaje en la resistencia
- R es la resistencia y 10 kΩ
Verá el consumo de energía en la siguiente imagen como una línea negra.
El consumo de energía mínimo del condensador es de 58,69 μW y el consumo de energía máximo es de 10,62 mW. Nuevamente, tenga en cuenta que el tiempo en el eje x no es el mismo para el canal matemático.
Conclusión
Ahora sabe cómo medir voltaje, corriente y potencia con un osciloscopio. ¿Tiene preguntas sobre las medidas? ¿Está utilizando un osciloscopio o está pensando en adquirir uno? Soy feliz cuando dejas un Comenta abajo.
Precaución al medir corriente con resistencia Shunt y masa común
En un osciloscopio de sobremesa los conectores BNC comparten la misma tierra física del enchufe de red. Si mides tensión en el Canal 1 y corriente mediante una resistencia shunt en el Canal 2, ambas pinzas de cocodrilo deben ir conectadas exactamente al mismo nodo de referencia (masa común). Para medir en el lado alto (high-side) o en red de 230 V AC, utiliza una pinza amperimétrica BNC aislada o una sonda diferencial activa.
Osciloscopios recomendados con canal matemático (CH1 × CH2) y medidas automáticas
Tanto el Rigol DS1054Z como el Hantek DSO5102P incorporan canal matemático con operación de producto en tiempo real y más de 20 mediciones automáticas de tensión y tiempo en pantalla:
Cálculo de potencia instantánea con el canal matemático (CH1 × CH2)
Activando la función matemática de multiplicación Math = CH1 * CH2 (donde CH1 mide tensión y CH2 mide corriente en amperios), el osciloscopio traza la curva de potencia instantánea p(t) en vatios. Compara equipos con funciones matemáticas avanzadas en nuestras guías de Osciloscopios Digitales y Osciloscopios Portátiles Aislados.
Preguntas frecuentes sobre medición de voltaje, corriente y potencia
¿Qué diferencia hay entre acoplamiento DC y acoplamiento AC al medir tensión en el osciloscopio?
En acoplamiento DC el osciloscopio muestra la señal completa (tanto su nivel continuo como sus variaciones alternas). En acoplamiento AC se intercala internamente un condensador de bloqueo que elimina la componente continua (bloqueando por ejemplo los 5 V o 12 V de una fuente de alimentación) para que puedas ampliar la escala vertical a 10 mV/div o 20 mV/div y medir con precisión el rizado (ripple) y el ruido de conmutación.
¿Qué valor de resistencia shunt debo elegir para medir el consumo de un circuito?
Elige el valor más bajo que genere una caída de tensión medible sin alterar la alimentación del circuito (evitando superar los 50 a 100 mV de caída o burden voltage): para corrientes de microcontroladores (10 mA a 300 mA) una resistencia de 1 Ω (1 %) ofrece una relación directa de 1 mV = 1 mA; para corrientes de motores o fuentes (1 A a 10 A) utiliza una resistencia shunt de 0,1 Ω o 0,01 Ω de al menos 2 a 5 W de potencia.
¿Por qué al medir tensión pico a pico (Vpp) en señales ruidosas el valor automático parece más alto que la onda?
Porque la medición automática de Vpp (Peak-to-Peak) toma la diferencia entre el punto máximo absoluto y el mínimo absoluto de todos los píxeles muestreados, incluyendo los picos de ruido térmico o conmutación de un solo nanosegundo. Para conocer la amplitud limpia entre el nivel alto y el nivel bajo de una onda cuadrada, utiliza la medición automática de Amplitud (Vamp = Vtop - Vbase) o Vrms.