Osciloscopios Digitales: Fundamentos y Funcionamiento

Los osciloscopios digitales poseen un sistema adicional de procesamiento de datos que permite almacenar y visualizar la señal.

Cuando se conecta la sonda de un osciloscopio digital a un circuito, la sección vertical ajusta la amplitud de la señal de la misma forma que lo hacía el osciloscopio analógico. El conversor analógico-digital (A/D) del sistema de adquisición de datos muestrea la señal a intervalos de tiempo determinados y convierte la señal de voltaje continua en una serie de valores digitales llamados muestras. En la sección horizontal, una señal de reloj determina cuándo el conversor A/D toma una muestra. La velocidad de este reloj se denomina velocidad de muestreo y se mide en muestras por segundo.

Los valores digitales muestreados se almacenan en una memoria como puntos de señal. El número de puntos de señal utilizados para reconstruir la señal en pantalla se denomina registro. La sección de disparo determina el comienzo y el final de los puntos de señal en el registro. La sección de visualización recibe estos puntos del registro, una vez almacenados en la memoria, para presentar la señal en pantalla. Dependiendo de las capacidades del osciloscopio, se pueden realizar procesos adicionales sobre los puntos muestreados, incluso se puede disponer de un predisparo para observar procesos que tengan lugar antes del disparo. Fundamentalmente, un osciloscopio digital se maneja de una forma similar a uno analógico; para poder tomar las medidas, se necesita ajustar el mando AMPL., el mando TIMEBASE, así como los mandos que intervienen en el disparo.

Métodos de Muestreo en Osciloscopios Digitales

Para señales de lenta variación, los osciloscopios digitales pueden perfectamente recopilar más puntos de los necesarios para reconstruir posteriormente la señal en la pantalla. No obstante, para señales rápidas (la rapidez dependerá de la máxima velocidad de muestreo del aparato), el osciloscopio no puede adquirir muestras suficientes y debe recurrir a una de estas técnicas:

• Muestreo en Tiempo Real con Interpolación: Es el método estándar de muestreo en los osciloscopios digitales. El osciloscopio reúne los suficientes puntos como para reconstruir la señal. Para señales no repetitivas o la parte transitoria de una señal, es el único método válido de muestreo. Los osciloscopios utilizan la interpolación para poder visualizar señales que son más rápidas que su velocidad de muestreo. Existen básicamente dos tipos de interpolación:
  • Lineal: Simplemente conecta los puntos muestreados con líneas rectas.
  • Senoidal: Conecta los puntos muestreados con curvas según un proceso matemático. De esta forma, los puntos intermedios se calculan para rellenar los espacios entre puntos reales de muestreo. Usando este proceso, es posible visualizar señales con gran precisión disponiendo de relativamente pocos puntos de muestreo.
• Muestreo en Tiempo Equivalente: Si la señal es repetitiva, es posible muestrear durante unos cuantos ciclos en diferentes partes de la señal para después reconstruir la señal completa. Algunos osciloscopios digitales utilizan este tipo de muestreo. Se trata de reconstruir una señal repetitiva capturando una pequeña parte de la señal en cada ciclo. Existen dos tipos básicos:
  • Muestreo Secuencial: Los puntos aparecen de izquierda a derecha en secuencia para conformar la señal.
  • Muestreo Aleatorio: Los puntos aparecen aleatoriamente para formar la señal.

Términos Utilizados en la Medición de Ondas

Existe un término general para describir un patrón que se repite en el tiempo: onda. Existen ondas de sonido, ondas oceánicas, ondas cerebrales y, por supuesto, ondas de tensión. Un osciloscopio mide estas últimas. Un ciclo es la mínima parte de la onda que se repite en el tiempo. Una forma de onda es la representación gráfica de una onda. Una forma de onda de tensión siempre se presentará con el tiempo en el eje horizontal (X) y la amplitud en el eje vertical (Y). La forma de onda nos proporciona una valiosa información sobre la señal. En cualquier momento podemos visualizar la altura que alcanza y, por lo tanto, saber si el voltaje ha cambiado en el tiempo (si observamos, por ejemplo, una línea horizontal, podremos concluir que en ese intervalo de tiempo la señal es constante). Con la pendiente de las líneas diagonales, tanto en flanco de subida como en flanco de bajada, podremos conocer la velocidad en el paso de un nivel a otro; pueden observarse también cambios repentinos de la señal (ángulos muy agudos), generalmente debidos a procesos transitorios.

Tipos de Ondas

Se pueden clasificar las ondas en los cuatro tipos siguientes:

• Ondas Senoidales: Son las ondas fundamentales por varias razones: poseen propiedades matemáticas muy interesantes (por ejemplo, con combinaciones de señales senoidales de diferente amplitud y frecuencia se puede reconstruir cualquier forma de onda); la señal que se obtiene de las tomas de corriente de cualquier casa tiene esta forma; las señales de prueba producidas por los circuitos osciladores de un generador de señal son también senoidales; la mayoría de las fuentes de potencia en AC (corriente alterna) producen señales senoidales. La señal senoidal amortiguada es un caso especial de este tipo de ondas y se produce en fenómenos de oscilación que no se mantienen en el tiempo.
• Ondas Cuadradas y Rectangulares: Las ondas cuadradas son básicamente ondas que pasan de un estado a otro de tensión, a intervalos regulares, en un tiempo muy reducido. Son utilizadas usualmente para probar amplificadores (esto es debido a que este tipo de señales contienen en sí mismas todas las frecuencias). La televisión, la radio y los ordenadores utilizan mucho este tipo de señales, fundamentalmente como relojes y temporizadores. Las ondas rectangulares se diferencian de las cuadradas en no tener iguales los intervalos en los que la tensión permanece a nivel alto y bajo. Son particularmente importantes para analizar circuitos digitales.
• Ondas Triangulares y en Diente de Sierra: Se producen en circuitos diseñados para controlar voltajes linealmente, como pueden ser, por ejemplo, el barrido horizontal de un osciloscopio analógico o el barrido tanto horizontal como vertical de una televisión. Las transiciones entre el nivel mínimo y máximo de la señal cambian a un ritmo constante. Estas transiciones se denominan rampas. La onda en diente de sierra es un caso especial de señal triangular con una rampa descendente de mucha más pendiente que la rampa ascendente.
• Pulsos y Flancos o Escalones: Señales, como los flancos y los pulsos, que solo se presentan una sola vez, se denominan señales transitorias. Un flanco o escalón indica un cambio repentino en el voltaje, por ejemplo, cuando se conecta un interruptor de alimentación. El pulso indicaría, en este mismo ejemplo, que se ha conectado el interruptor y en un determinado tiempo se ha desconectado. Generalmente, el pulso representa un bit de información atravesando un circuito de un ordenador digital o también un pequeño defecto en un circuito (por ejemplo, un falso contacto momentáneo).

Mediciones Clave en Formas de Onda

• Periodo y Frecuencia: Si una señal se repite en el tiempo, posee una frecuencia (f). La frecuencia se mide en Hertz (Hz) y es igual al número de veces que la señal se repite en un segundo, es decir, 1 Hz equivale a 1 ciclo por segundo. Una señal repetitiva también posee otro parámetro: el periodo, definiéndose como el tiempo que tarda la señal en completar un ciclo. Periodo y frecuencia son recíprocos entre sí.
• Voltaje: Es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un circuito. Normalmente, uno de esos puntos suele ser masa (GND, 0 V), pero no siempre; por ejemplo, se puede medir el voltaje pico a pico de una señal (Vpp) como la diferencia entre el valor máximo y mínimo de esta. La palabra amplitud significa generalmente la diferencia entre el valor máximo de una señal y masa.
• Fase: La fase se puede explicar mucho mejor si consideramos la forma de onda senoidal. La onda senoidal se puede extraer de la circulación de un punto sobre un círculo de 360º. Un ciclo de la señal senoidal abarca los 360º. Cuando se comparan dos señales senoidales de la misma frecuencia, puede ocurrir que ambas no estén en fase, o sea, que no coincidan en el tiempo los pasos por puntos equivalentes de ambas señales. En este caso, se dice que ambas señales están desfasadas, pudiéndose medir el desfase con una simple regla de tres, siendo t el tiempo de retraso entre una señal y otra.

Comprobación de Componentes con Osciloscopio

Se pueden mostrar formas de onda para una gran variedad de componentes. A continuación, se describen algunos de los más comunes. La mayoría de los osciloscopios modernos solo llevan dos cables de prueba, que se pueden utilizar con una gran variedad de sondas intercambiables. El cable rojo es el positivo y normalmente es el que se conecta al terminal del módulo de control del motor. El cable negro es el negativo y normalmente está conectado a una buena masa. Si los cables se conectan por error con la polaridad errónea, normalmente la única consecuencia es que la forma de onda aparecerá invertida.

Inyectores

Todos los sistemas de inyección intermitente de control electrónico funcionan adaptando el tiempo de apertura de los inyectores a la cantidad de combustible suministrada en las distintas condiciones de funcionamiento del motor. La duración de los impulsos eléctricos del módulo de control del motor se mide en milisegundos (ms) y normalmente oscila entre 1 y 14. El osciloscopio de la mayoría de los comprobadores del motor se puede utilizar para mostrar el impulso del inyector, lo que permite medir su duración.

Pueden aparecer una serie de impulsos menores, que mantienen el inyector abierto tras el impulso negativo inicial, y un pico transitorio de tensión positiva al cerrarse el inyector. Por lo tanto, es posible comprobar si la unidad de control funciona correctamente mediante la observación de los cambios producidos en los tiempos de apertura del inyector durante distintas condiciones de funcionamiento del motor. La duración del impulso durante el arranque y el ralentí frío será mayor que al ralentí caliente del motor, pero irá aumentando a medida que se incremente la carga del motor. Este efecto será especialmente evidente si pisa y suelta el acelerador rápidamente varias veces seguidas.

Comprobaciones Prácticas del Impulso del Inyector

1. Con una sonda fina, conecte la sonda de pruebas del osciloscopio al terminal del inyector del módulo de control del motor y una segunda sonda de pruebas a masa.
2. Arranque el motor y compruebe la forma de onda.
3. Ponga el motor en marcha y observe la forma de onda al ralentí.
4. Abra la mariposa rápidamente para aumentar el régimen del motor a unas 3000 rpm. La duración del impulso deberá aumentar durante la aceleración y después estabilizarse a un valor igual o ligeramente inferior al de ralentí.
5. Cierre la mariposa rápidamente; el oscilograma deberá transformarse en una línea recta sin impulso, lo que indica que se ha cortado la inyección (para sistemas con corte de inyección al sobrepasar una velocidad límite).
6. Al arrancar el motor en frío, aumenta la cantidad requerida de combustible, por lo que la duración del impulso o tiempo de parada será mayor.
7. Durante el calentamiento, el periodo de inyección debe disminuir progresivamente hasta que el motor alcance la temperatura normal de funcionamiento.
8. Los sistemas que no incorporan un inyector de arranque en frío, normalmente producen impulsos de inyector adicionales durante el arranque en frío, quedando reflejados en el oscilograma en forma de impulsos largos y cortos.

Sistema Peak and Hold

En los sistemas de inyección electrónica modernos, los responsables de la inyección del combustible en el motor son las válvulas electroinyectoras, más conocidas como inyectores. El inyector es un solenoide que funciona como una válvula que libera o bloquea el flujo del combustible de la línea de combustible para la admisión del motor. La diferencia entre la presión del combustible y la presión en el colector (donde el inyector se encuentra) hace que el combustible sea atomizado a través de los orificios del inyector. Un inyector puede estar totalmente abierto o totalmente cerrado; por lo tanto, la cantidad de combustible inyectado es determinada por el tiempo que el inyector permanecerá abierto o cerrado en cada ciclo de rotación. Cuando el pulso de inyección es iniciado, existe un pequeño periodo de tiempo en el que la aguja del inyector todavía no se abrió mecánicamente para el paso del combustible. Este es el “tiempo muerto” o “deadtime” del inyector. Los inyectores más antiguos y los modernos de gran flujo poseen un sistema móvil interno de mayor peso; consecuentemente, necesitan de un esfuerzo eléctrico mayor para mover la aguja. Por ello, tienen menor impedancia (resistencia de la bobina interna) y necesitan de una corriente eléctrica mayor para su accionamiento. Esos son los inyectores de baja impedancia, y generalmente tienen menos de 10 Ω. Los inyectores más modernos y de menor flujo poseen una construcción más simple, lo que posibilita su accionamiento con menos energía; por ello, tienen una impedancia considerada alta, sin necesidad de control de corriente para accionarlos. Un inyector de alta impedancia (saturado) normalmente tiene entre 10 Ω y 20 Ω. Los inyectores de baja impedancia deben ser accionados por medio de un control de corriente activo, en el cual se aplica una corriente mayor, con potencia máxima, hasta que la aguja abra mecánicamente (corriente de inyector, “Peak”). Enseguida, la corriente es limitada al 25% de la corriente inicial para mantener el inyector abierto por el tiempo determinado de inyección (corriente de mantener el inyector abierto, “Hold”).

El control mencionado anteriormente es necesario por diversos motivos:

• Aplicándose la potencia máxima durante la apertura del inyector, es posible disminuir su tiempo muerto, con ello, mejorar la velocidad de respuesta y asegurar la linealidad de todo el conjunto de inyectores.
• La limitación de la corriente nominal a un valor de 1/4 de la corriente de apertura es necesaria para evitar que la bobina del inyector se queme por exceso de potencia, lo que disminuye el calentamiento del inyector y prolonga su vida útil.
• La limitación de corriente nominal también es muy importante en el momento de cerrar el inyector. Cuanto menor sea la energía almacenada en la bobina del inyector, menor será el tiempo necesario para que el solenoide cierre mecánicamente. Con ello se consigue una linealidad de la inyección de combustible, aunque el inyector ya esté funcionando con un 70% u 80% de su capacidad, cuando tiene muy poco tiempo para abrir y cerrar.
• Cuando la bobina está cargada en exceso debido a un control equivocado de corriente “Hold” o cuando simplemente no hay control, el inyector, mucho antes de alcanzar el 100% de su apertura, se bloquea en la posición abierta, perdiendo toda la capacidad de operar en una escala superior al 70% de apertura. Este equipo posee un control preciso de corriente que no sufre alteraciones por variaciones de voltaje de la batería, lo que garantiza un control preciso en cualquier situación o anomalía del sistema eléctrico del vehículo.

Control de Inyector por Corriente Controlada (Peak and Hold)

En estos sistemas, la ECU controla dos circuitos en paralelo (control 1 y 2). Un circuito tiene una resistencia en serie y el otro circuito es sencillo. Los dos circuitos responden a la orden del procesador; el inyector se abre rápidamente debido a la gran corriente. Al ser la corriente eléctrica alta al abrir el inyector, hace que la bobina del inyector sufra calentamiento. Para evitar esto, una vez abierto, la ECU cierra el circuito del primer control, haciendo únicamente activo el del segundo control, que tiene en su circuito una resistencia en serie para reducir la corriente en el inyector. Para cerrar el inyector, la ECU desconecta el control 2 y el proceso se repite en todo el ciclo de funcionamiento del motor. Como hay dos controles seguidos, con un multímetro no se puede determinar con precisión este rápido cambio en el tiempo.

Control de Inyector por Corriente Modulada (Pulso Modulado)

En los sistemas por pulsos modulados, el circuito responde a la orden del microprocesador aplicando una fuerte corriente inicial para lograr la apertura rápida del inyector. Como la corriente eléctrica al abrir el inyector es alta, hace que la bobina del inyector sufra calentamiento. Para evitar esto, después de que ha sido abierto, la ECU desconecta el circuito para modificar la duración de la temporización de la inyección, mientras se controla la corriente del inyector mediante una secuencia de impulsos generada eléctricamente. Como existe una secuencia de impulsos, una tras otra en un breve periodo de tiempo (menor de 1 milisegundo), con el multímetro no se puede determinar con precisión este rápido cambio en el tiempo, por ello utilizamos el osciloscopio.