El Analizador Lógico

La rápida evolución de los sistemas electrónicos digitales creo la necesidad de una nueva generación de instrumentos, ya que los sistemas tradicionales de medida no podrían analizar por completo estos sistemas.

En paralelo a la aparición del primer microprocesador, a finales de los años 60 se produjo también la de los primeros analizadores.

Con la introducción de sistemas con buses, especialmente aquellos basados en microprocesador, el numero de señales se ha incrementado de forma notable; además, estas señales no deben ser medidas individualmente porque solo tienen sentido en relación a las demás y formando un conjunto con ellas. En consecuencia, esta tarea ya no puede ser resuelta con un clásico instrumento de medida como puede ser el osciloscopio.

La importancia de ver todas las señales simultáneamente queda clara si nos referimos al ciclo de lectura de un microprocesador, por ejemplo, de 16 bits. Para verificar que estos bits de datos son leídos correctamente de la memoria es necesario valorar cerca de 48 canales a la vez.

De esta manera podemos observar que ciertas situaciones, en relación a operaciones con microprocesadores, pueden ser explicadas solo si todas las lineas de dirección y datos se muestran junto con las señales de control relacionas en esa operación.

Evolución histórica

Este tipo de equipos de medida se desarrollo con la idea de resolver varios problemas de medida en un solo aparato, de esta manera que se detectaran el mayor numero de anomalías y que pudiera analizar el mas alto porcentaje de circuitos digitales.

Los primeros analizadores lógicos consistían básicamente en analizadores en estados lógicos y exteriorizaban sus medidas simplemente a través de un visualizador o display en sistema hexadecimal. En el aparecían los distintos estados sucesivos de los buses de datos o de direcciones del sistema digital que estaba probándose.

Este equipo evoluciono rápidamente hasta los modelos actuales, en los que podemos observar que tienen como mínimo dos posibilidades:

1. Análisis de diagramas de estados
2. Análisis de diagramas de tiempo

El aspecto exterior de un analizador lógico es similar al de un osciloscopio, aunque el numero de mandos o controles externos que podemos visualizar es bastante superior en el del primero. La presentación de datos, tanto en el caso de diagramas de estado como de tiempos, se realiza a través de una pantalla de rayos catódicos. Interiormente, su componente principal es un microprocesador, el cual gobernará todas las funciones que nos permita en analizador lógico.

Composición de un analizador lógico

Un analizador puede dividirse en cuatro bloques:

1. Adquisición de datos
2. Almacenamiento de datos
3. Control de funciones
4. Presentación de datos

La toma de datos se realiza con sondas de elevada impedancia de entrada. Otro de los puntos importantes en la adquisición de datos es el disponer de un nivel lógico de entrada ajustable para, así  adaptarse a las diferentes familias de circuitos integrados que nos podemos encontrar en cualquier circuito, como pueden ser las TTL o CMOS. El número de canales de entrada que se precisan depende, en gran medida, de la aplicación que queramos dar al analizador lógico. Normalmente se utilizan de 16 canales, pero, con la incorporación de los nuevos microprocesadores de 32 y 64 bits, es necesario utilizar analizadores de más canales o ampliar, por medio de algunos periféricos, la capacidad de los de 16.

Para la adquisición de datos se emplean, fundamentalmente, dos tipos de proceso: uno el sincrónico y el otro el asincrónico, aunque para algunos casos determinados se utilizan otros medios conocidos bajo el nombre de almacenamiento, o "latch", y entrelazado.

El módulo de control tiene como misión principal la de disparo del sistema de adquisición de datos en el instante oportuno. El procesamiento que se emplea más habitualmente es el de identificación de una palabra determinada de información donde se comparan los datos recogidos por el analizador con una palabra de 16 bits escogida anteriormente por el usuario. En el instante en que se coinciden se produce el disparo.

El bloque encargado de la presentación en pantalla de los datos almacena estos, en primer lugar, en la memoria para, seguidamente, llevar a cabo la operación de visualización, existiendo dos posibilidades distintas:

1. Tabla de estados lógicos
2. Diagrama de tiempos

Controles de un analizador lógico

Cualquier analizador lógico que incorpora un microprocesador consta de cuatro funciones básicas que se controlan con las distintas teclas que incorporan dichos instrumentos. Estas son: la adquisición de datos, el almacenamiento de datos, la sección de control y la presentación en pantalla. Podemos destacar en la adquisición de datos que estos se reciben en paralelo.

Formato de visualización de datos

Cuando en nuestro analizador lógico pretendemos visualizar datos, comparando el estado de varias señales en un mismo instante, la representación de cada uno de ellos se puede realizar en diversos formatos tales como: binario, hexadecimal, decimal, octal, ASCII, etc. En el teclado de control de funciones del analizador lógico hay un numero determinado de pulsadores que nos permitirá seleccionar dicho formato.

Adquisición de datos

Este método se utiliza básicamente para la representación de las formas de onda o diagramas de tiempos. La frecuencia a la que el analizador lógico forma los datos esta determinada por el oscilador interno del reloj del instrumento de medida. El valor de frecuencia se hace importante cuando se desean capturar fenómenos transitorios o ruidos que causen alteraciones ne el equipo.

Adquisición de datos sincrónicos

Se utiliza normalmente para efectuar el análisis de estados lógicos, representándose en sistema binario, octal o hexadecimal. En este caso, la secuencia de la adquisición de datos del analizador depende de la frecuencia de reloj del equipo de vamos a probar. Dependiendo de las características del analizador, podremos tomar simultáneamente dos  o mas frecuencias diferentes. Se utiliza básicamente en sistemas con bus, donde es absolutamente necesario encontrar una señal que indique cuando son validos, en el bus, los datos, direcciones y lineas de control.

Adquisición de datos mediante almacenamiento

Uno de los principales motivos de error en el diseño de circuitos digitales es la aparición de rebotes o "glitches". Hay pulsos estrechos, creados frecuentemente por influencia entre lineas de señal, que son más rápidos que la velocidad de muestreo. Para asegurar que estos picos de corta duración  que causan bastantes problemas, son también almacenados en la memoria del analizador se utiliza el modo conocido con el nombre de "latch".

Adquisición de datos entrelazado

En los casos en que la velocidad máxima estándar asincrónica no es lo suficientemente "asincrónica", hay un método llamado entrelazado para duplicar la velocidad y ampliar la memoria de, normalmente, 16 canales del analizar. Podemos ver que las memorias A+B y C+D trabajan en paralelo para el dato de entrada y el reloj de registro de memoria se conmuta de un bloque a otro, una vez que una palabra de 16 bits ha sido grabada en una de las dos memorias.

El Osciloscopio

El Osciloscopio es uno de los instrumentos de medida más utilizados, y con mayor número de aplicaciones en el laboratorio de electrónica, puesto que permite visualizar la forma de onda de la señal.

La principal ventaja del osciloscopio, respecto a otros aparatos de medida, es que permite visualizar las formas de variación con el tiempo de las señales que se apliquen a sus entradas, además de sus niveles de tensión. Un multimetro como ya vimos anteriormente,  informa únicamente de los valores de tensión o corrientes medias o eficaces, ya que su forma de trabajo le impide seguir punto por punto la señal que  se le aplique; sin embargo, el osciloscopio si es capaz de seguirla constantemente aunque se trate de señales de muy corta duración.

Esto no nos debe de llevar a pensar que el osciloscopio sustituye totalmente al multimetro, ya que ambos instrumentos son muy útiles y se complementan, destinándose el multimetro a realizar medidas de tensiones y corrientes continuas o alternas cuya forma de onda es conocida y para determinar valores de resistencias. En esto aventaja al osciloscopio, por su mayor facilidad de utilización.

Composición de un osciloscopio

El elemento básico para la representación de las señales a medir es el tubo de rayos catódicos, en cuya pantalla se produce la representación. Este componente tiene una cierta similitud con los utilizados en televisión  aunque se diferencie de estos en la forma y tamaño de su pantalla, el tipo de fósforos que lo recubren y su sistema de desviación.

Actualmente, las pantallas que utilizan los tubos suelen ser cuadradas y de unos 10 cm de lado; los fósforo que recubren la pantalla permiten determinar la persistencia de la misma, siendo este factor de gran importancia en la observación de las formas de ondas.

El sistema de desviación está basado en un principio muy diferente al utilizado en TV, ya que el tubo de rayos catódicos incorpora internamente un juego de cuatro placas desviadoras que funcionan por el procedimiento electrostático  es decir, por la aplicación sobre ellas de una tensión que ejerce sobre los electrones del haz una acción de atracción o repulsión  según sea su polaridad. Estas placas se encuentran colocadas con sus planos paralelos dos a dos, unos en posición vertical y los otros en horizontal, a una distancia entre sí que depende de la geometría del tubo.

La placas verticales son las encargadas de realizar la desviación horizontal, mientras que las horizontales  mueve el haz electrónico verticalmente. El fenómeno de la desviación requiere la aplicación de grandes tensiones sobre los dos pares de placas. Las tensiones que se aplican sobre las placas en posición vertical que, a partir de ahora, las llamaremos horizontales por producir este movimiento, están generadas por la llamada base de tiempos. La tensiones aplicadas a las placas verticales (en posición horizontal) proviene de la señal que se desea visualizar, a través de un amplificador interno.

Es necesario que exista una cierta correlación entre la señal que deseamos estudiar y el circuito de base de tiempos para conseguir que los sucesivos barridos horizontales encuentren los mismos puntos de la forma de onda e el origen y en el resto de la pantalla y producir, así, una presentación totalmente estática  ya que, en caso contrario, se observaría una imagen movida y seria imposible realizar ningún análisis de la misma.

La mayoría de los osciloscopios actuales ofrece la posibilidad de representar simultáneamente dos señales diferentes en la pantalla, las cuales se aplican sobre entradas diferentes. Para ello, el instrumento de medición dispone de dos canales amplificadores internos independientes que entregan las señales a un tubo catódico de doble haz o a un sistema que las conmuta sobre un haz único y permite representar las dos formas de onda al mismo tiempo.

La desviación del haz catódico

El espacio que se desplaza el punto de la pantalla desde el centro, cuando se aplica una tensión desviadora, se puede calcular matemáticamente  La formula que determina este espacio depende de una constante y de la tensión de desviación aplicada entre las dos placas. La constante viene determinada por unos valores que dependen de la construcción del tubo de los rayos catódicos.

De aquí es posible deducir que el tubo de rayos catódicos puede ser un instrumento capaz de realizar mediciones por si solo, si se conocen las características geometrías del mismo, ya que bastará con medir el desplazamiento que se observa sobre la pantalla y multiplicarla por la constante de construcción y obtendremos la medida de la tensión aplicada sobre las placas desviadoras.

Sensibilidad

El mano sensibilidad permite ajustar la sensibilidad de entrada del osciloscopio al nivel de la señal aplicada a su entrada, normalmente se calibran en voltios por división vertical. El nivel de tensión se calcula multiplicando el numero de divisiones por el factor de escala indicado por el cursor del mando de sensibilidad.

Posición Horizontal y vertical

Para ajustar la onda, tanto horizontal como verticalmente, en la parte visible de la pantalla es necesario aplicar tensión continua sobre las placas desviadoras.Esta tensión se regula mediante potenciómetros que, normalmente, vienen indicados con la nomenclatura de X-POS.

Base de tiempos

Para poder representar en la pantalla la señal aplicada sobre la entrada vertical existen dos alternativas, las cuales consisten en aplicar una tensión a las placas horizontales que provenga de una entrada externa a través de un sistema atenuador o bien utilizar el circuito interno del osciloscopio, denominado base de tiempos, ya preparado, a fin de obtener los niveles de tensión necesarios para la desviación adecuada en cada momento a la frecuencia de la señal aplicada a la entrada vertical.

Brillo y enfoque

Los electrones del haz o rayo catódico se generan en un filamento o cátodo por efecto termoiónico. A partir de este cátodo existen tres electrodos destinados a funciones de control del haz. El primero de ellos que se encuentra el haz en su trayectoria es conocido bajo el nombre de Wehnelt que tiene una tensión negativa con respecto al cátodo. Regulando esta tensión por medio de un potenciometro controlaremos la luminosidad del haz, los dos electrodos siguientes realizan una función aceleradora y  de enfoque.

Disparo

El nivel de señal para que dispare el barrido de una señal puede ser fijado con el mando externo correspondiente y conocido como Trigger Level. También puede decidirse que sea el propio osciloscopio el que elija el nivel mas adecuado para el disparo mediante un sistema de sincronización automática  Existe otra posible forma de disparar el osciloscopio, la cual consiste en emplear una señal externa destinada exclusivamente para esta misión  Casi todos los osciloscopios disponen de esta posibilidad e incorporan un conector denominado External Trigger.

Sincronismo

Con el sistema de desviación horizontal mediante una señal de diente de sierra puede darse el caso de que, cuando el haz vuelva al punto de origen para comenzar un nuevo barrido, no se encuentre en el mismo punto que estaba al comienzo del barrido anterior.

Esto se manifiesta en la pantalla como un movimiento continuo de la forma de onda, dando la impresión que se desplaza a la izquierda o a la derecha a una velocidad que depende de la frecuencia de la señal. En los osciloscopios mas sencillos esto se corrige variando el periodo del diente de sierra hasta que coincida con un múltiplo del periodo de la forma de onda estudiada.

El Multimetro Análogo y Digital

El Multimetro o Tester es un instrumento al que se le puede dar distintos usos, tanto para el profesional como para el que le gusta la electrónica. Existe una gran variedad de modelos, y su elección no resulta tan sencilla a primera vista. Habrá que tener en cuenta una serie de factores.

El Multimetro o Tester es el dispositivo más utilizado para realizar todo el conjunto de medidas de comprobación y ajuste, necesarias para garantizar una correcta puesta en marcha de los equipos, así como para ayudar a la detección de cualquier tipo de anomalías durante la reparación de aparatos averiados.

Es recomendable, por lo tanto, que este aparato no falte nunca dentro del conjunto de equipos y herramientas de que dispone cualquier aficionado o profesional en su laboratorio electrónico.

El Multimetro, como su nombre lo indica, es un aparato multifunción, es decir, que nos permitirá realizar diversos tipos de medidas, de ahi que se le conozca también bajo el nombre de polímetro o multitester.

La primera distinción que debemos hacer, a la hora de elegir nuestro multimetro, consiste en diferenciar si es análogo o digital. Si tomamos un equipo de medida digital, el resultado lo obtendremos en forma de números o dígitos siendo su lectura e interpretación inmediatas. Si, por el contrario, el aparato es análogo  la medida se realizará mediante una aguja que se desplaza a lo largo de una escala graduada, la cual se tomara cuando la aguja esté en su posición de equilibrio.

El Multimetro Análogo

A la hora de adquirir un multimetro análogo hay que ser prácticos y comprar solo lo que vayamos a necesitar. Las escalas que, imprescindiblemente, debe de incorporar un multimetro que vaya a a utilizarse con aparatos y circuitos electrónicos son:

• Tensión continua
• Tensión alterna
• Intensidades en continua
• Resistencia

Con estas escalas podemos asegurar que se cubren más del 95% de las necesidades reales que van a encontrarse en la practica.

Otra escala que puede ser interesante es la medida de intensidades en alterna. También existen otras escalas que pueden presentar cierta utilidad, como las de medida de capacidad y frecuencias, aunque pueden suplirse con el multimetro que mida tensiones alternas y la circuitería adicional adecuada.

La mayoría de los multimetros suele ofrecer escala de decibeles. Tal escala es, realmente una medición de tensión alterna, para la que, además, se requieren unos condicionamientos muy precisos de la impedancia sobre la que van a medirse. Esta escala, por lo tanto, tiene una escasa utilidad para los principiantes.

Una característica útil es la que ofrecen algunos multimetros, que consiste en la posibilidad de medir el componente de corriente alterna de una tensión compuesta por la suma de una contínua y una alterna, como, por ejemplo, el rizado de una tensión continua de la alimentación o la señal alterna que se encuentra superpuesta a la continua sobre el ánodo de un Diodo. Tal característica puede también suplirse fácilmente si el multimetro no la incorpora.

El Multimetro Digital

Uno de los factores primordiales, a la hora de elegir un multimetro digital, es, sin duda alguna, el número de dígitos o cifras en que va a expresarse la medida realizada. Además, es uno de los parámetros que más condicionan el precio del mismo, a igualdad del resto de las características.

No cabe duda de que cuantas más cifras presente la lectura, mejor y más precisa será la medida. Sin embargo, debe mirarse siempre el aspecto practico de las cosas, lo cual, normalmente, redundara en un beneficio económico.

Pensemos en una medida cualquiera, por ejemplo, la tensión alterna de una red de distribución de energía  En un momento determinado, en una red de 220 voltios con un multimetro de cinco dígitos  la lectura podría ser 218,96 voltios.Con otro multimetro de tan solo 3 dígitos la misma lectura daría 219 Voltios, Por lo cual, debemos plantearnos qué medida necesitamos obtener. En la mayoría de los casos habrá suficiente con la lectura de tres dígitos, aportando la lectura de cinco dígitos una información suplementaria que, en la practica normal, pude eliminarse. Así, el exceso de dígitos en gran parte de las medidas no tiene utilidad practica.

Los multimetros digitales operan de una forma distinta a los análogos y, desde el punto de vista de su utilización  ofrecen mejores características, aunque su costo puede ser mas elevado.

Sus principales características externas consisten en que el resultado de la medida se presenta sobre la pantalla o display en forma numérica  el selector de funciones tiene habitualmente la forma de pulsadores o teclas y, en algunos casos, precisan de un cable para la alimentación a la red.

Estos multimetros, básicamente, realizan sus funciones por medio de circuitos de conversión análogo/digital, para poder mostrar las medidas a través del display. 

Ofrecen una resistencia de entrada muy elevada cuando trabajan como voltímetro y requieren que circule apenas corriente por el circuito  donde se toma la medida (excepto cuando se midan corrientes).

A la hora de adquirir cualquiera de los dos tipos de multimetros tendremos que tener en cuenta los accesorios que incorporan. Existen unos útiles para adaptarlos por presión a las puntas de medida en forma de pinza dentada, denominada pinza caminán, que permiten fijar de forma permanente las puntas a la zona que se desee medir sin necesidad de emplear las manos, quedando éstas libres para realizar todas las operaciones que se requieran durante la medida.

Uno de los parámetros más importantes, que condicionan la elección de un multimetro análogo clásico, acaso sea el de su sensibilidad, que lo hará más o menos apto para determinadas mediciones. La sensibilidad de cualquier medidor viene expresada en ohmios por voltio, y equivale a la resistencia efectiva que presenta el medidor entre bornes por cada voltio de fondo de escala que mida. Esta característica es primordial a la hora de acotar los errores de las lecturas efectuadas.
Cuanto más elevada es la sensibilidad, menor influencia sobre el circuito de medida proporciona el multimetro, y por lo tanto, menor error se tendrá en la medición.

Otra de las características en que debemos fijarnos, a la hora de seleccionar un multimetro, ya sea digital o análogo es la de los distintos valores de escala que presentan, debido a que estas pueden tomar valores que no tengan ninguna utilidad sobre as aplicaciones con que vamos a trabajar. Una de las precauciones que se deben tomar cuando utilizamos un multimetro, es la de elegir una escala de medida cuyo valor de fondo no pueda ser superado por la magnitud real del parámetro que estamos midiendo.

La selección de las distintas funciones y escalas que incorpora un multimetro se pueden realizar de distintas formas, dependiendo de si el multimetro es digital o análogo  En estos últimos suelen existir un conjunto de orificios de conexión donde cada uno de ellos corresponde a una función y a un rango de valores del parámetro que ha de medirse. En los aparatos de medida digitales, normalmente, la selección se realizará mediante un interruptor giratorio o bien a través de pulsadores, simplificándose el manejo.

La selección de un multimetro no termina en la elección de las escalas que más se adapten a nuestro trabajo, sino que también suele ser útil analizar la posibilidad que tenga de cambiar automáticamente la polaridad de la magnitud medida. Esto supone una gran comodidad, ya que, para realizar una serie de mediciones en las que se puedan alternar valores positivos y negativos, bastará con fijar una punta de prueba y con la otra ir analizando los distintos puntos del circuito sin preocuparnos de tocar el selector de funciones.

Los multimetros digitales modernos incluyen entre sus características más importantes la de selección automática, por el mismo aparato, del valor de tipo de escala de medida, de modo que solo hay que indicarle lo que queremos medir. Como puede comprenderse, tal característica es sumamente útil  pues deja las manos libres por completo y evita la incómoda tarea de ir cambiando el tipo de escala; por ejemplo, cuando tenemos que tomar valores en un circuito que van desde algunas décimas hasta decenas.

Existe un gran hueco entre los displays de dos dígitos y los de tres, así como entre los de tres y cuatro dígitos  Para cubrir este escalón se han diseñado indicadores que incorporan un primer dígito  que tan solo puede tomar los valores 0 y 1, de forma que si se pone delante de un display de dos dígitos pueden efectuarse lecturas desde 000 hasta 199. Estos multimetros reciben el nombre de 2 1/2 dígitos  Si partiéramos de un display de tres dígitos podremos obtener medidas de valores hasta 1999, tomando el nombre de 3 1/2 dígitos.