Osciloscopio

Tema 2: Osciloscopio
 El Osciloscopio de Rayos Catódicos
Da una representación visual
de una señal (tensión)
medida y visualización
Análisis en el dominio del tiempo:
frecuencia, diferencias de fase,
anchura de pulsos, etc
Para medir otras magnitudes físicas es necesario usar transductores
Tubo de rayos
catódicos (TRC)
Tubo de vacío + elementos de
enfoque
Genera un haz de electrones
Pantalla cubierta de material fosforescente
Representación X-Y
- Canal X/1: abscisa: tiempo o voltaje
- Canal Y/2: ordenada: voltaje
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Tema 2: Osciloscopio: clasificación
 La frecuencia máxima admisible en el canal vertical (canal Y)
 Osciloscopios de baja frecuencia (hasta 10 MHz)
 Osciloscopios de alta frecuencia (hasta 500 MHz)
 El número de canales verticales que posea el osciloscopio.
 Osciloscopios de un canal
 2 canales o más. Si el osciloscopio tiene 2 canales puede haber dos
opciones:
 Que tenga dos cañones de haz de electrones, cada uno con sus sistemas de
deflexión horizontal y vertical: DUAL GUN
 Puede tener un único cañón con un sistema de deflexión horizontal y dos sistemas
de deflexión verticales: DUAL BEAM
La persistencia de los trazos sobre la
pantalla es alta de modo que parece una representación simultánea (es la más usual)
 El tipo de pantalla
 Pantalla "pasivas"(con distintos grados de persistencia)
 Pantalla de "memoria” que retienen la forma de onda de la señal durante
tiempos muy largos comparados con la duración de la señal
 Osciloscopio de memoria digital:
no necesita de una pantalla especial,
sino que previamente digitalizan la señal a representar
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Tema 2: Osciloscopio: clasificación
 Panel frontal de un osciloscopio:
 Area de pantalla
 Area de controles:
Canales verticales
Canal horizontal
(canal X/1, canal Y/2)
o base de tiempos
Controles
de disparo
Tektronics, TDS 220
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Tema 2. Osciloscopio: esquema de bloques
 El osciloscopio presenta una gran cantidad de conceptos: gran variedad de
osciloscopios existentes en el mercado
 Todos los osciloscopios poseen unos circuitos básicos comunes
 A. Nucleo central del osciloscopio: TRC (convierte la señal en imagen)
 Tubo de vidrio al vacío: genera electrones dirigidos hacia la pantalla
fosforescente
 Osciloscopios digitales recientes no emplean TRC sino que utilizan paneles de
cristal líquido, pero no permiten observar las señales en tiempo real
 B. Sistemas de deflexión vertical y horizontal: posicionan el haz en el punto
adecuado
Esquema de bloques
general de un
osciloscopio
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R. Pallás. 1987
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Tema 2. Osciloscopio: esquema de bloques
Todos los osciloscopios poseen unos circuitos básicos comunes
 A. TRC (convierte la señal en imagen)
 1. Generación y Enfoque
 2. Placas de deflexión
 3. Sistema de post-aceleración
 4. Pantalla
 B. Sistemas de deflexión vertical
 1. Selector de entrada
 2. Atenuador
 3. Amplificador
 C. Sistema de deflexión horizontal:
 1. Generador de barrido
 Señal de barrido horizontal
 Impulso de borrador
 2. Sincronismo  Circuito de disparo
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Tubo de rayos catódicos (TRC)
 1. Sistema de generación del haz de electrones: generación y enfoque
 El cátodo es termoiónico : es el emisor de electrones: e La rejilla de control: es un cilindro que rodea al cátodo (más negativo que él)
 Pequeña abertura en el eje del tubo
 Su tensión controla la emisión de electrones: (botón de intensidad).
 Los ánodos aceleradores: haz de e A1 y A3: tensión elevada +
Generación
Intensidad
- aceleran los e- hacia la pantalla
Enfoque
Foco y
astigmatismo
DEFLEXION
Posición XY
alineación
- abertura alineada con la de la rejilla:
 A2: ánodo de enfoque
concentrar el haz mediante
la aplicación de una tensión positiva
Pantalla
fluorescente
 2. Placas de deflexión :
 Placas de deflexión horizontal:
verticales (movimiento horizontal)
 Placas de deflexión vertical
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Tubo de rayos catódicos
E. Mandado, et al. 1995
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Sistema de deflexión electrostática
 VA: tensión de aceleración (ánodo-cátodo) en dirección z (trayectoria)
 0< z < ld: Placas de deflexión vertical: aplican una tensión de deflexión VD (dirección y): E
perpendicular a la trayectoria del haz de electrones
y
VD 2
z
4dVA
Placas de deflexión vertical
y
 z > ld : trayectoria es rectilinea, pendiente:
tan  
dy
dz

z ld
trayectoria parabólica
VD Ld
2 d VA
+ VD/2
D
d
VD Ld proporcional a la V
D
2 d VA
z
L
La deflexión D en la pantalla:
D  L tan   L
Pantalla
- VD/2
Ld
ld
R. Pallás. 1987
 Factor de Deflexión : tensión para mover el haz una división de pantalla.
FD 
VD 2dV A

D
L Ld
 Placas de deflexión vertical (voltaje en canal Y): se sitúan alejadas de la pantalla
para aplicar valores de VD menores (gran ángulo de deflexión)
 Placas de deflexión horizontal (base de tiempos: canal X): señales de barrido
conocidas
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Tubo de rayos catódicos (TRC)
 3. Sistema de post-aceleración:
 Para obtener un brillo en la pantalla adecuado a frecuencias de deflexión
altas el haz debe tener una energía elevada.
 Sin embargo, en el sistema de deflexión habría dificultades para desviar
un haz que ha sido acelerado mediante los ánodos A1 y A3 y es demasiado
energético
 Solución: se acelera mediante el
ánodo de post-aceleración el haz
entre las placas de deflexión y la
pantalla. Para lograrlo, se aplica una
tensión positiva (hasta de 20 kV) a la
pantalla con respecto al ánodo.
Generación
Intensidad
Enfoque
Foco y
astigmatismo
DEFLEXION
Posición XY
alineación
 La desventaja de este sistema es
que el haz se desvía hacia el
centro de la pantalla, para evitarlo
se utiliza una malla polarizada a
una tensión que el ánodo postacelerador.
Pantalla
fluorescente
Tubo de rayos catódicos
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E. Mandado, et al. 1995
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Tubo de rayos catódicos (TRC)
 4. Pantalla y retículas
 La pantalla está recubierta interiormente de “fósforo”:
la energía de los electrones se convierte en emisión de luz en el punto donde
incide el haz incluso después de cesar la incidencia.
 El tipo se fósforo (P 31), factores:
 Persistencia
 Color: verde
 Resistencia al quemado
 Luminancia
 Velocidad de escritura permitida
 En el lado interno del fósforo: Aluminio
( trasparente a los electrones)



Evita la acumulación de carga: menos brillo
Reducir la dispersión de la luz
Disipar el calor (quemado de la pantalla)
Divisiones menores
Tektronics, TDS 220
Divisiones principales
 La retícula: divisiones horizontales y verticales que facilitan el análisis de la
señal mediante la calibración de la deflexión del haz.
 La retícula puede ser externa al tubo o interna, en este último caso el fósforo y
la retícula se depositan en el mismo plano.
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Sistemas de deflexión horizontal y vertical
Sistema de deflexión vertical
 Reproducir la señal de entrada sin alterar su amplitud ni su frecuencia:
diseñado para reproducir sin distorsión los pulsos rápidos (óptima respuesta
temporal).
 La estructura del sistema de deflexión vertical consta de los siguientes bloques:
 Un selector de entrada
 Un atenuador variable
Estudio más detallado
 Un pre-amplificador
 Un amplificador de deflexión
 Una etapa de amplificación final con salida diferencial.
Posicionamiento vertical
Señal de entrada
TRC
Selector
Atenuador
variable
Preamplificador Amplificador
de deflexión
R. Pallás. 1987
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Queremos que
el
desplazamiento
vertical del haz
del TRC siga a
la señal de
entrada
Sistema de deflexión vertical (Voltaje)
 Selector de entrada: Su esquema eléctrico es el que se muestra :
Señal de entrada
AC
Al atenuador
GND
DC
R. Pallás. 1987
 En la posición AC se bloquea el paso a la corriente continua (tiene un condensador)
y de este modo medir señales alternas superpuestas a niveles de tensión continua altos
(transitorios en señales TTL, rizado en fuentes de alimentación...).
 En la posición GND la señal de entrada queda desconectada y se conecta la
entrada del osciloscopio a 0V.
 En la posición DC se conecta directamente la señal de entrada al atenuador
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Sistema de deflexión vertical (Voltaje)
 Atenuador Variable: Idéntico al estudiado en los
multímetros
adapta el rango de la señal de entrada
al tamaño de la pantalla
 Siempre hay un error en la atenuación: ± 3 % de la
medida
 La atenuación máxima (A
( ) suele ser del orden de 500 : 1
(con secuencia de 1-2-5-10-20-50-100-200-500)
 El cambio en la atenuación se realiza mediante el
conmutador VOLT/DIV situado en el panel frontal
Tektronics, TDS 220
 El amplificador de deflexión: Consta de varias etapas con ganancia fija, con
lo que se minimizan los problemas de estabilidad
 Ejemplo de ganancia del amplificador G=2000
 ¡¡Cuidado!! es posieble que haya un boton que permita: ganancia y atenuación
variables (no fijas como marca el conmutador en calibrado)
 Normalmente, es posible invertir la señal del canal vertical 2 o canal Y
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Sistema de deflexión vertical: canales múltiples
 Canales múltiples:
 Se pueden hacer comparaciones entre dos señales, medidas de tiempos relativos, etc
 Señal A (t), señal B (t), señal A (t) + B (t), señal A (t) -B(t) , A(t) y B(t), también X-Y
 Dos sistemas de preamplificación y atenuación, pero ambos canales comparten
el mismo sistema de deflexión vertical:
 Modo alternate (ALT): los dos canales lo usan de forma alternativa (frecuencias altas)
 Modo chopper/troceado: se traza sucesivamente un fragmento de cada canal a lo largo
de un barrido (debe suprimirse el haz al pasar de un canal al otro) (frecuencias bajas).
 Paso automático de un modo al otro cuando dependiendo del tiempo de barrido
Señal de entrada A
CANAL 1/X
Selector
TRC
Atenuador
Amplificador
variable Preamplificador
de deflexión
Señal de entrada B
CANAL 2/Y
Selector
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Atenuador
variable
Preamplificador
Amplificador
de deflexión
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R. Pallás. 1987
Sistemas de deflexión horizontal
 Para visualizar la forma de onda de la señal de entrada
escala/base de tiempos o barrido horizontal en el eje X:
crear una
El haz/trazo de la señal se desplaza de izquierda a derecha (con velocidad
constante ): sistema de deflexión horizontal
 Las placas deflectoras horizontales aplican una tensión: diente de sierra
Derecha de la pantalla
Diente
de
sierra
ideal
Señal de
barrido
horizontal
Izquierda de la pantalla
Tiempo de barrido
 La amplitud del diente de sierra
haz recorra horizontalmente la pantalla
 Retorna rápidamente a su valor inicial para que el haz vuelva a su punto de
origen en la parte izquierda de la pantalla
 Circuito generador de dicha señal: generador de barrido= generador de la
base de tiempos
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Sistemas de deflexión horizontal
 Sin embargo, en la práctica: la pendiente de bajada  infinita (puesto que el
diente de sierra se genera con un circuito que carga y descarga un condensador)
Diente
de
sierra
real
Señal de
barrido
horizontal
Impulsos
de
borrado
E. Mandado, et al. 1995
Durante el tiempo
de retorno se
debe anular el
haz para evitar su
visualización en
la pantalla
 Impulso de borrado: de una amplitud adecuada y duración igual al intervalo
descendente del diente de sierra (potencial negativo a la rejilla que anula el haz)
 Tanto la señal de barrido como el impulso de borrado son generados por el
generador de barrido
Generador de barrido
o base de tiempos
del osciloscopio
Generador
de barrido
Impulsos de borrado
Señal de barrido
E. Mandado, et al. 1995
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Sistemas de deflexión horizontal
 De este modo, el sistema de deflexión horizontal = sistema de deflexión
vertical + generador de barrido
TRC
Canal
de
entrada
(Y)
Amplificador
vertical
Diagrama de
bloques
Circuito
control
INT y FOCO
completo del
osciloscopio
Impulso de
borrado
Circuito
de
disparo
E. Mandado, et al. 1995
Entrada de
disparo
externo
Generador
de
barrido
Amplificador
horizontal
Señal
de
barrido
Canal de
entrada (X)
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Visualización del osciloscopio
 La aplicación simultánea:
 De la salida del generador de barrido al amplificador horizontal
 De la señal a visualizar del amplificador vertical
 Problema:
 Si la señal de barrido y la señal a
visualizar tienen  frecuencias
las imágenes que aparecen en
pantalla en barridos sucesivos:
imagen de t1  imagen de t2
Debido a la persistencia de la
imagen : mezcla
de imágenes en pantalla
 Solución:
sincronismo
visualización en la pantalla de la señal durante el
tiempo de subida del diente de sierra
Señal a
visualizar
barrido
horizontal
Impulsos de
borrado
Imagen en
la pantalla
E. Mandado, et al. 1995
t2
t1
Uso de un circuito de disparo
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Sincronismo: circuito de disparo
 Circuito de diparo:
 La señal a visualizar se convierte en una onda cuadrada
circuito
comparador
 En los flancos de subida o de bajada se genera un impulso de sincronismo que
actúa sobre el generador de barrido.
 Los pulsos de sincronismo pueden generarse mediante un circuito diferenciador, de
modo que permite eliminar los impulsos producidos en los flancos de bajada o de salida.
Tanto la conversión a la onda cuadrada como la generación de los impulsos de
sincronismo forma parte de circuito de disparo: un único bloque.
Generación de
impulsos de
sincronismo en
los flancos de
subida y de
bajada
Señal a
visualizar
Onda
cuadrada
Generador
de barrido
Impulsos de
sincronismo
E. Mandado, et al. 1995
mjmm@usal.es
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Sistemas de deflexión horizontal
 Deflexión horizontal: circuito de disparo + generador de barrido
Señal a
visualizar
Circuito
de
disparo
Impulsos de
sincronismo
Generador
de
barrido
Impulso de
borrado
Señal de barrido
E. Mandado, et al. 1995
 Circuito de disparo + generador de barrido :
 Un determinado impulso de sincronismo
produce el comienzo del diente de sierra
 Sincronismo de flanco de subida o bajada se elije
en el mando: SLOPE
 La parte descendente del diente de sierra:
comienza el impulso de borrado que se
mantiene hasta nuevo impulso de sincronismo
 Finalizado el diente de sierra, la salida del
generador de barrido permanece a nivel
constante (espera) hasta que aparece un
nuevo impulso de sincronismo
 Se logra de esta forma que en la pantalla
permanezca una imagen fija
mjmm@usal.es
Señal a
visualizar
Impulsos de
sincronismo
Señal de
barrido
No considera este
pulso de
sincronismo
Impulsos
de borrado
Espera al
siguiente
sincronismo
Imagen en
pantalla
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E. Mandado, et al. 1995
Circuito de disparo
 La onda cuadrada obtenida de la señal de entrada cambia de estado cuando
ésta última pasa por el nivel cero se produce el impulso de sincronismo
 Para variar el punto de la señal de entrada en el que se inicia su visualización:
controles del circuito de disparo:
 Control de NIVEL = TRIGGER LEVEL: permite variar el
valor mínimo que debe alcanzar la señal de entrada para
que se produzca el cambio de estado de la onda
cuadrada
 Un conmutador de PENDIENTE: SLOPE selecciona si
los impulsos de sincronismo se producen en la pendiente
de bajada o de subida de la onda cuadrada
E. Mandado, et al. 1995
Visualización de señal senoidal: a) disparo con nivel 1 y pendiente
positiva b) disparo con nivel 2 y pendiente negativa
 El "modo de disparo se refiere a la repetición de los barridos:
 Modo NORMAL: no hay barrido hasta que se alcanza el NIVEL.
 Modo automático (AUTOTRIGGER
), si en un tiempo fijo no se producide un
(
nuevo disparo se inician ligeramente barridos sucesivos : trazo visible en la
pantalla tanto si hay como si no señal vertical.
 Modo de disparo SINGLE, sólo acepta un único nuevo disparo hasta RESET
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Circuito de disparo
 Circuito de diparo: conmutador C1
 Interés de que el generador de barrido se sincronice con la señal a visualizar:
Modo de DISPARO INTERNO
 El selector de disparo: Si la señal no es simétrica, puede interesar el disparo con uno
u otro flanco. Conviene que el nivel de disparo en el punto de máxima pendiente
En otras ocasiones: la entrada del conmutador C1 permite seleccionar el
disparo entre las siguientes señales
 Por ejemplo, la señal procedente del amplificador vertical
 Una señal externa que se aplica a un conector situado en la parte frontal del
osciloscopio: DISPARO EXTERNO, independientemente de la señal interna
 Una tensión senoidal de la frecuencia de red (50 Hz)
 En ausencia de señal de sincronismo en la pantalla no se observa el haz. Pero resta
misma situación se produce en el caso de que el circuito de disparo no actúe
correctamente
Posibilidades de representación:
 Evolución de la señal o dos señales en el tiempo
 Representar la relación entre las amplitudes de dos señales:
 Una de las señales se aplica al amplificador vertical
 La otra se aplica directamente al amplificador horizontal en lugar del diente de sierra
procedente del generador de barrido:
El osciloscopio en X-Y
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Osciloscopios especiales
Osciloscopios de memoria analógica se presenta una señal aún después
de haber ocurrido, independientemente del fósforo
 Emplean TRC especiales
 Presentación de señales lentas, captura y presentación de señales
rápidas no repetitivas, comparación de dos señales no simultáneas
Osciloscopios de tiempo real digital: conversión A/D de alguna señal:
memorizan digitalmente la forma de onda completa.
Ventajas:
 Presentación: permiten ver la señal anterior y posterior al disparo, ampliar una zona
determinada o realizar un barrido a velocidad lenta
 Tienen mayor resolución. Con memoria analógica se logran 0.3 mm sobre 8 cm y
únicamente bastan 9 bits para superar esta resolución
 Transmisión de la información digitalizada
 Inconvenientes: Menor ancho de banda que los osciloscopios analógicos
 El número de muestras es fijo al venir determinado por el tamaño de la memoria
 La frecuencia de muestreo (para evitar el aliasing) debe cambiarse al variar la posición
de la base de tiempos
 El ancho de banda no es constante como en un osciloscopio analógico, sino que viene
determinado por mjmm@usal.es
la amplitud de la señal
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Sondas para osciloscopio
 Hasta ahora hemos supuesto que el osciloscopio no modifica la señal
conectada a medir.
El instrumento de medida real tiene unas prestaciones limitadas determinadas por
sus características
Resistencia Re en
paralelo con un
condensador Ce:
Impedancia Zi que
varía con la
frecuencia
Ze= Impedancia de entrada
E. Mandado, et al. 1995
Ancho de banda del osciloscopio
E. Mandado, et al. 1995
 Situaciones en las que las medidas son imposibles o incorrectas:
 Si la f señal > f atenuación del ancho de banda: no se visualizan
correctamente
 Zi = depende de la frecuencia de la señal a visualizar
 Los cables de entrada del osciloscopio, captan señales
parásitas, espúreas o ruido: imagen borrosa
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SOLUCION:
Sondas de
osciloscopio
Sondas para osciloscopio
 Sondas de tensión no atenuadoras:
atenuadoras PUNTA DE PRUEBA
 Un punzón fino de metal conectado al osciloscopio mediante un cable aislado
 El extremo de la sonda cubierto por un mango aislante o provisto de unas pinzas
 Esta sonda se llama “sonda de prueba directa”
 Si se añade un blindaje a la sonda de prueba directa (cable coaxial) se eliminan los
ruidos: sonda no atenuadora
E. Mandado, et al. 1995
E. Mandado, et al. 1995
Sonda de tensión no atenuadora
Medida con sonda no atenuadora: Vs=Ve
 Medidas correctas: Si Zi >> Rs
Vg=Vs y por tanto Vs=Ve
 Señales de baja frecuencia, audiofrecuencia, (Zi grande)
 Circuitos de baja impedancia de salida (Rs pequeña)
 Medidas incorrectas:
 Si Zi < Rs: entonces Vg  Vs
 Frecuencias elevadas: Ve/Vg depende de la frecuencia con Zi
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Ve  Vg
Zi
Rs  Zi
Sondas para osciloscopio
 Sondas de tensión atenuadoras:
atenuadoras Vs  Ve
Esta sonda resuelve el problema de “carga” que el osciloscopio real ejerce
sobre el cirucito en el que se efectúa la medida
 Aumentar la impedancia de entrada (Zi) del oscoloscopio añadiendo
componentes pasivos externos: atenuadores RC entre el punzón y el cable
de la sonda no atenuadora
E. Mandado, et al. 1995
Medida con sonda
atenuadora: divisor
de tensión
resistivo y
capacitivo
Ve 1

VS a
a  atenuación
 Suponemos Zi es puramente resistiva= Re. Se conecta en serie con ella una R=9
Re. La impedancia de entrada es 10 veces mayor y Ve/Vs no depende de la
frecuencia
 Suponemos que Zi es puramente capacitiva Zi=Ce. Se conecta en serie con ella una
capacidad C que cumple que C=Ce/9. Entonces la capacidad total es diez veces menor
que la del osciloscopio y la relación Ve/Vs no depende de la frecuencia
 Se puede realizar la conexión de las resistencia R y la capacidad C, y obtener un
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divisor de tensión resistivo
y capacitivo:
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Circuito de disparo y Generador de barrido
 El generador de barrido: conmutador C2
 Lo normal es estar conectado a la salida del circuito de disparo:
 Con respecto a un NIVEL constante (de dc) que es el que selecciona el punto de inicio
del barrido: comienza el diente de sierra de barrido
 El control de NIVEL de disparo selecciona el punto de inicio del barrido.
 El "modo de disparo se refiere a la repetición de los barridos:
 En modo NORMAL: no hay barrido hasta que se alcanza el NIVEL. En este
caso no se sabe en la pantalla si es que no hay una señal vertical o si es que
ésta no alcanza el nivel de disparo.
 En modo automático (AUTOTRIGGER), si al cabo de un tiempo fijo no se ha
producido un nuevo disparo se inician ligeramente barridos sucesivos, y
cuando aparece una nueva señal de disparo se acaba el barrido en curso y se
vuelve a esperar el tiempo que corresponda. Este modo permite obtener un
trazo visible en la pantalla tanto si hay como si no señal vertical.
 En modo de disparo SINGLE, después de un barrido no son aceptados
nuevos impulsos de disparo hasta que se haya pulsado un control RESET,
después de esto acepta un único nuevo disparo.
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 Figuras cortesía de
 R. Pallás, Instrumentación Electrónica. Marcombo, 1987
 E. Mandado, P. Mariño y A. Lago, Instrumentación Electrónica.
Marcombo. 1995.
 Manual del osciloscopio digital Tecktronix TDS 220.
www.tektronix.com.
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