Osciloscopio Como Instrumento de Medida

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA-FI UNIVERSIDAD INGENIERÍA-FIA A FÍSICA III

EL OSCILOSCOPIO COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA OBJETIVOS 1. Ente ntende nder el prin rincip cipio de func funciona ionami mie ento nto del del oscilo cilosscop copio, io, así como como adiestrarse en el manejo del osciloscopio en conjunto con el generador de señales (senoidales y cuadradas), la fuente de poder y el voltímetro DC/AC. 2. Iden Identitififica carr cont contro role less y inte interr rrup upto tore ress en el el osci oscilo losc scop opio io..

EQUIPO UTILIZADO       

Un osciloscopio. Dos pilas 1.5 voltios. Una fuente de voltaje. Un transformador de voltaje alterna. Un generador de función. Cables de conexión. Un multimetro digital.

PROCEDIMIENTO SEGUIDO DURANTE EL DESARROLLO DEL EXPERIMENTO A continuación explicaremos explicaremos el de sarroso del experimento detalladamente: detalladamente: a) Al reci recibi birr los los equ equip ipos os q vamo vamoss a util utiliz izar ar en en el el labo labora rato torio rio,, nos nos pus pusimo imoss a identifica identificarlos rlos ;comenzamo ;comenzamoss con el oscilosco osciloscopio, pio, la cual cual nosotros nosotros debíamos debíamos ajustar a las condiciones que nos indicaban, el osciloscopio consta de una pantalla la cual esta representada de un sistema con coordenadas XY, al encender este aparato sale una luz de color celeste (es un punto) lo que nosotros debíamos hacer es centrara ese punto en el origen de coordenadas, para que los datos que nos diera el osciloscopio sean lo mas m as exactos posibles. b) A continuación procedemos con la medición del voltaje con el osci oscilo losc scop opio io,, colo coloca camo moss los los inte interr rrup upto tore ress en la posi posici ción ón DC y lueg luego o conectamos una fuente de voltaje, que es una pila de 1.5 voltios, luego mantuvimos los controles en CHA y CHB, observamos que el punto luminosos que a inicios estaba el origen de coordenadas se había movido, la distancia que separa el punto luminosos con el origen de coordenadas, depende de la escala que tomaremos, tomaremos, los datos y la escala escala que tomaremos se ajustan ajustan con el cuadro de datos, lo medimos también con el multitester. c) Ahora pasaremos al siguiente paso que es: medidas de voltaje, je, ampl amplitu itud, d, volt voltaj aje e pico pico,, pico pico-- pico pico,, peri period odo o y frecu frecuen enci cia. a. Para Para este este caso caso transformador de (6v) lo conectamos al osciloscopio y el interruptor lo ponemos en CHA, encontramos una escala adecuada de voltios por divisional igual que con el tiempo por división, notamos que en la pantalla del osciloscopio sale una grafica senoidal, que tuvimos que estabilizar para contar las divisiones, para calcular el voltaje pico-pico, multiplicamos el # de cuadritos verticales con

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el valor indicado en el interruptor. El voltaje alterno del transformador nos dio multiplicando el # de cuadritos horizontales con el indicado en el interruptor. Luego repetimos este paso tomando como datos los voltajes y frecuencias que nos dan en la hoja de laboratorio, los cuales se ilustran en el cuadro, en este caso trabajamos junto con el generador de funciones. d) Por ultimo trabajaremos con el osciloscopio para poder obtener gráficos e indicaremos el comportamiento de la corriente a utilizar, para esto conectamos el transformador de 6v simultáneamente a CHA y CHB, notamos que sale una imagen senoidal, colocamos un interruptor en posición dual, luego conectamos el transformador al canal 1 y el generador de función al canal 2 y generamos una función de onda de 60 Hz y notamos que sale una grafica en el osciloscopio, en este caso un circulo y para cada caso sale una grafica distinta.

FUNDAMENTO TEORICO EL OSCILOSCOPIO El osciloscopio es básicamente un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical, a partir de ahora denominado Y, representa el voltaje; mientras que el eje horizontal, denominado X, representa el tiempo. Básicamente esto: • • • • • •

Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal. Determinar indirectamente la frecuencia de una señal. Determinar que parte de la señal es DC y cual AC. Localizar averías en un circuito. Medir la fase entre dos señales. Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo.

Los osciloscopios son de los instrumentos más versátiles que existen y lo utilizan desde técnicos de reparación de televisores a médicos. Un osciloscopio puede medir un gran número de fenómenos, provisto del transductor adecuado (un elemento que convierte una magnitud física en señal eléctrica) será capaz de darnos el valor de una presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un coche, etc.


TIPOS DE OSCILOSCOPIOS Los equipos electrónicos se dividen en dos tipos: Analógicos y Digitales. Los primeros trabajan con variables continuas mientras que los segundos lo hacen con variables discretas. Por ejemplo un tocadiscos es un equipo analógico y un Compact Disk es un equipo digital. Los Osciloscopios también pueden ser analógicos ó digitales. Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada, está una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan previamente un conversor analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla. Ambos tipos tienen sus ventajas e inconvenientes. Los analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos (picos de tensión que se producen aleatoriamente).


Osciloscopios analógicos


Osciloscopios digitales

Parámetros que influyen en la calidad del osciloscopio Ancho de Banda Especifica el rango de frecuencias en las que el osciloscopio puede medir con precisión. Por convenio el ancho de banda se calcula desde 0Hz (continua) hasta la frecuencia a la cual una señal de tipo senoidal se


visualiza a un 70.7% del valor aplicado a la entrada (lo que corresponde a una atenuación de 3dB).

Tiempo de subida Es otro de los parámetros que nos dará, junto con el anterior, la máxima frecuencia de utilización del osciloscopio. Es un parámetro muy importante si se desea medir con fiabilidad pulsos y flancos (recordar que este tipo de señales poseen transiciones entre niveles de tensión muy rápidas). Un osciloscopio no puede visualizar pulsos con tiempos de subida más rápidos que el suyo propio.

Sensibilidad vertical Indica la facilidad del osciloscopio para amplificar señales débiles. Se suele proporcionar en mV por división vertical, normalmente es del orden de 5 mV/div (llegando hasta 2 mV/div).

Velocidad Para osciloscopios analógicos esta especificación indica la velocidad máxima del barrido horizontal, lo que nos permitirá observar sucesos más rápidos. Suele ser del orden de nanosegundos por división horizontal.

Exactitud en la ganancia Indica la precisión con la cual el sistema vertical del osciloscopio amplifica ó atenúa la señal. Se proporciona normalmente en porcentaje máximo de error.

Exactitud de la base de tiempos Indica la precisión en la base de tiempos del sistema horizontal del osciloscopio para visualizar el tiempo. También se suele dar en porcentaje de error máximo.

Velocidad de muestreo En los osciloscopios digitales indica cuantas muestras por segundo es capaz de tomar el sistema de adquisición de datos (específicamente el conversor A/D). En los osciloscopios de calidad se llega a velocidades de muestreo de Mega muestras/sg. Una velocidad de muestreo grande es importante para poder visualizar pequeños periodos de tiempo. En el otro extremo de la escala, también se necesita velocidades de muestreo bajas para poder observar señales de variación lenta. Generalmente la velocidad de muestreo cambia al actuar sobre el mando TIMEBASE para mantener constante el número de puntos que se almacenaran para representar la forma de onda.


Resolución vertical Se mide en bits y es un parámetro que nos da la resolución del conversor A/D del osciloscopio digital. Nos indica con que precisión se convierten las señales de entrada en valores digitales almacenados en la memoria. Técnicas de cálculo pueden aumentar la resolución efectiva del osciloscopio.

Longitud del registro Indica cuantos puntos se memorizan en un registro para la reconstrucción de la forma de onda. Algunos osciloscopios permiten variar, dentro de ciertos límites, este parámetro. La máxima longitud del registro depende del tamaño de la memoria de que disponga el osciloscopio. Una longitud del registro grande permite realizar zooms sobre detalles en la forma de onda de forma muy rápida (los datos ya han sido almacenados), sin embargo esta ventaja es a costa de consumir más tiempo en muestrear la señal completa.

PILA ELECTRICA Se llama ordinariamente pila eléctrica a un dispositivo que genera energía eléctrica por un proceso químico transitorio, tras de lo cual cesa su actividad y han de renovarse sus elementos constituyentes, puesto que sus características resultan alteradas durante el mismo. Se trata de un generador primario. Esta energía resulta accesible mediante dos terminales que tiene la pila, llamados polos, electrodos o bornes. Uno de ellos es el polo positivo o ánodo y el otro es el polo negativo o cátodo. También se usa como sinónimo de pila el termino batería, aunque es incorrecto;: la diferencia es que la pila no ha sido diseñada para ser recargada y por el contrario, la batería si es un dispositivo recargable este caso se trata de un generador eléctrico secundario. La estructura fundamental de una pila consiste en piezas de dos metales diferentes introducidas en un líquido conductor de la electricidad o electrolito.


FUENTE DE VOLTAJE Una fuente de voltaje o “fuente de tensión” es un dispositivo que provee electricidad con una cierta tensión eléctrica (que se puede medir en unidades llamadas voltios), hay fuentes de tensión continua (la tensión es siempre la misma) o alternas (la tensión sube y baja). La fuente de tensión de un transformador, que convierte los 220 voltios en voltajes menores un rectificador, que convierte la tensión alterna de la línea en una tensión continua. Hoy en día las fuentes de tensión además tienen una serie de circuitos para su control(por ejemplo, para que puedas apagar tu maquina desde un programa, sin tener que apretar ningún botón).Hay fuentes de tensión variables, que pueden dar distintos voltajes de salida.Tambien hay que observar que la fuente de tensión tenga la potencia (que se mide en WAtvoltios) adecuada para el dispositivo que esta alimentado.

TRANSFORMADOR Se denomina transformador aun dispositivo electromagnético que permite aumentar o disminuir el voltaje y la intensidad de una corriente alterna de forma tal que su producto parezca constante ( ya que la potencia que se entrega ala entrada de un transformador ideal, esto es sin perdidas , tiene que ser igual a la que se obtiene a la salida) manteniendo la frecuencia. Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción electromagnética y están constituidos en su forma más simple, por dos bobinas devanadas sobre un núcleo cerrado de hierro dulce. Estas bobinas o devanados se denominan primarios y secundarios.

GENERADOR DE FUNCIONES Un aparato de funciones es un aparato electrónico que produce ondas senoidales, cuadradas y triangulares además de cear señales TTL .sus aplicaciones incluyen pruebas y calibraciones de sistemas de audio, ultrasónicos y servo, este generador de funciones, específicamente trabaja en un rango de frecuencias de entre 0.2 Hz a 2Hz.también se cuenta con una función de barrido la cual puede ser controlada tanto internamente como externamente con un nivel de DC. El ciclo de maquina, nivel de offset en DC, rango de barrido, la amplitud y el ancho de barrido puede ser controlado por el usuario.


MULTIMETRO Es también conocido como VOM (voltios, ohmios, miliamperímetro), aunque en la actualidad hay multimetros con capacidad de medir muchas otras magnitudes 8capacitancia, frecuencia, temperatura, etc.). Este instrumento por su precio y exactitud sigue siendo el preferido del aficionado o profesional en electrónica. Hay dos tipos de multimetros: los analógicos y los digitales.


RESULTADOS MINÍMOS 1. Haga una tabla de tres columnas indicándole voltaje medido con el osciloscopio, el voltaje medido con el multímetro y el voltaje nominal de cada salida de la fuente.

Voltaje nominal de la fuente (V) 3 4 6 8 10 12

Voltaje medido por el osciloscopio (V) 2.8 3,95 6,2 8,5 9,8 12,3

Voltaje medido por el multimetro (V) 2,54 4,06 6,32 8,97 10,2 12,2

2. ¿Es realmente constante el voltaje de cada salida dado por estas fuentes? Para la pila si es constante ya que se aprecia en la grafica XY una recta horizontal paralela al eje X la cuál es una función constante del voltaje vs tiempo. Mientras es el caso del transformador no, ya que la grafica XY es senoidal lo cuál revela que el voltaje es alterno, debido a al función periódica.

3. ¿Cuál es el periodo del voltaje alterno dado por el transformador de 6 v? Diga el número de divisiones cuando el control 28 esta en posición 1ms/división, 2ms/ división, 5ms/ división ¿Cuál es la frecuencia de voltaje alterno dado por el transformador ¿Cuál es la amplitud del voltaje ¿ Cuál es el voltaje pico- pico? o

o

El voltaje alterno con respecto a 6V en el multímetro es de 6.05V. El periódico de voltaje alterno de voltaje alterno dado por el transformador es : 17.6ms; pero si f=1/t entonces f=54.16Hz.

o

El numero de divisiones cuando:

o

1ms/div= 18.7 divisiones 2ms/div= 9.7 divisiones 5ms/div= 3.95.7 divisiones La amplitudde votaje pico-pico es de 16 voltios.


o

La amplitud del voltaje es de 8 voltios.

o

El voltaje efectivo Vef = V/(21/2) entonces :Vef = 5.85 voltios

4. Dibuje la pantalla cuadriculada del osciloscopio e indique los pasos observados en los pasos 17 y 18 del procedimiento.

5. Si el osciloscopio está en modo XY y coloca un voltaje constante de 1.41 (una pila) en el canal 1 y de 3V (fuente de voltaje constante con diferentes salidas) en el canal 2, dibuje la pantalla cuadriculada del osciloscopio indicando la señal observada. CHANEL A

CHANEL B


6. Repita 5 pero con el control 16 en la posición”afuera”.

CHANEL A CHANEL B

OBSERVACIONES:

Medidas de Voltaje de: ( posición adentro) •

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•

Se coloco C15y C20 en DC luego el carácter, una fuente de voltaje (pila) trabajando en CHA se observa un desplazamiento vertical; colocando se tendrá una escala C13 en 1V/ div. Se obtuvo 1.6 V. Trabajando en CHB con una fuente de voltaje (pila) se usa como escala el C18 colocando 2V/ div. Se observa que el punto avanza 7.4 divisiones, la cuál el voltaje medido será V= 7.4*2= 1.48V. Tanto para que las escalas de C18 y C18 sean directamente en voltios es necesario C14 y C19 se encuentra rotando en sentido horario hacia adentro.

C) Medida del voltaje AC amplitud, voltaje pico-pico, periodo y frecuencia (C30 posición afuera) Se conecta el transformador de 6V en la conexión 12 para trabajar en el CHA como también en 13 conexión 17 para CHB y una escala de tiempo C28 para cada canal, se observa una función senoidal para ambos canales.


•

Se conecta un generador de función a C17 y se genera 7V de amplitud 100 Hz (Frecuency Rawse(Hz )/ Gate Time 100/1s).

D) Otras funciones del voltaje V (f) •

Se produjo con el generador función voltaje que depende del tiempo en forma cuadrada, diente de sierra.

E) Osciloscopio con graficador X,Y. •

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Se coloca C30 en posición adentro, C24 en CHA y C21 en CHB. Se conecta el transformador 6V a CHA y CHB con (C30 afuera) y se observa el voltaje senoidal en cada canal. Luego de color C21 en posición dual cuando se observa los voltajes senoidales en el osciloscopio.


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Se coloca C30 en posición adentro y C21 en CHB, y C24, se observo el grafico XY la formación de una redo con pendiente positiva CHA y negativa CHB. Al jalar hacia fuera el C16 se observa un cambio repentinamente tanto para el canal D y se gira sobre un eje común. Luego se coloca el transformador CHA y el generador función CHB y los sensores de frecuencia en el generador función de 60, 120, 180 y 240 Hz y se observa un cambio brusco con respecto a al velocidad o movimiento que tenían al completar la frecuencia.

Ç

CONCLUSIONES:

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Es importante que el osciloscopio utilizado permita la visualización de señales de por lo menos 4.5 ciclos por segundo, lo que permite la verificación de etapas de video, barrido vertical y horizontal y hasta las fuentes de alimentación.

El funcionamiento del osciloscopio está basado en la posibilidad de desviar un haz de electrones por medio de la creación de campos eléctricos y magnéticos

Si en lugar de colocar un potencial constante entre las placas H se conecta un potencial que varía lineal y periódicamente con el tiempo, entonces se tendrá en la pantalla fluorescente un punto luminoso cuya posición varia también linealmente con el tiempo a lo largo del eje X . Puesto que X es proporcional al tiempos puede establecer una correspondencia entre la longitud de un cuadrito en la pantalla del osciloscopio y el tiempo que demora el punto luminoso en recorrer, es decir, la longitud a lo largo del eje X puede representar una escala del tiempo (X proporcional a V y V proporcional a t, entonces X es proporcional a t).


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•

Podemos concluir de los resultados que el multímetro indicador de voltaje tiene mayor presición que el osciloscopio.

como

Las figuras en XY que se generan al conectar el generador de función con el transformador varían de acuerdo a las frecuencias. Las frecuencias dadas por el osciloscopio y el generador de función concuerdan.

Al conectar el transformador de 6V a cualquiera de las salidas del osciloscopio, la imagen proyectada en la pantalla es una función senoidal, debido a que hay un movimiento rectilíneo uniforme en el eje X y un movimiento armónico simple en el eje Y entonces podemos afirmar que la función en la pantalla es un grafico Potencial vs. Tiempo y gracias a este grafico se pueden medir amplitudes, periodos, frecuencias, etc.

Osciloscopio Como Instrumento de Medida

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