Practica "Uso del Osciloscopio"

Práctica 0. Introducción al manejo del osciloscopio digital con el generador de señales.

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA INSTRUCTIVOS PARA EL LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DIGITAL Enero 2013 PRÁCTICA No. 0

Introducción al manejo del osciloscopio digital con el generador de señales. GRUPO:_________ EQUIPO:_________

PERIODO ESCOLAR:________

INTEGRANTES: APELLIDOS PATERNO, MATERNO Y NOMBRE(S)

No. DE BOLETA

1) ______________ _______________ _________________ 2) ______________ _______________ _________________ 3) ______________ _______________ _________________

___________ ___________ ___________

PROFESOR TITULAR:____________________________________________ PROFESOR ADJUNTO:____________________________________________ FECHA DE ENTREGA DEL REPORTE:_________________ TIEMPO UTILIZADO PARA REALIZAR LA PRÁCTICA:____________Hrs. CALIF. DEL REPORTE

Ing. Juan Manuel Cobilt Catana

NOMBRE Y FIRMA DEL PROFESOR

5a Revisión: Enero 2013

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Práctica 0. Introducción al manejo del osciloscopio digital con el generador de señales.

0 Introducción al manejo del osciloscopio digital con el generador de señales. 0.1 Objetivo: Familiarizarse con los controles del osciloscopio digital TEKTRONIX TDS1002 para realizar mediciones básicas de circuitos y adquirir destrezas en el uso de cursores, medición del ángulo de fase de atraso y adelanto, medición del tiempo de elevación, del tiempo de descenso de flancos de pulsos cuadrados e interpretación del contenido armónico que entrega FFT. 0.2 Material. Descripción. Puntas atenuadas compensadas en frecuencia. Puntas BNC-caimán. Resistencias de diversos valores. Capacitor de poliéster o capacitor cerámico NP0 de diversos valores Inductor de 10mH, 22mH. ¡Se acepta cualquier valor en mH! Proto-board Carga de prueba de 50Ω. (Dos resistencias en paralelo de 100 Ω) Alambres para interconexión

Número de parte. S/N S/N S/N S/N S/N S/N S/N S/N

Cantidad. 2 2 S/D S/D 2 1 1 S/D

0.3 Equipo. Osciloscopio Digital Tektronix TDS1000. Generador de señales (cuadrada, senoidal y triangular) Multímetro.

0.4 Introducción. La sección 1.5 es un cuestionario que deberá responder, previo a la realización de la práctica; las respuestas de las preguntas se encuentran en el manual de usuario del osciloscopio TDS1000 de Tektronix. El cuestionario deberá responderse de manera individual y entregarse la próxima sesión de teoría en el folder del color asignado a su grupo. La sección 1.6 es un procedimiento que usted deberá seguir para verificar el correcto funcionamiento del osciloscopio, las puntas atenuadas compensadas en frecuencia y el generador de señales, esta sección incluye preguntas que deberán responderse durante el desarrollo de la práctica. Una vez que usted comprueba que el equipo de su mesa de trabajo se encuentra en perfectas condiciones, se procede a armar el circuito indicado en la sección 1.7 que nos enfrenta al reto de hacer mediciones reales utilizando nuestro osciloscopio digital, el generador de señales y un circuito simple RL o RC. •

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0.5 Cuestionario del osciloscopio Tektronix TDS1000. Antes de entrar al laboratorio, deberá responder con lujo de detalles el siguiente cuestionario, la respuesta a todas las preguntas se encuentran en el manual de osciloscopio Series TDS1000 de Tektronix. TDS1000: 1. Pág. 2. ¿Cuál es el ancho de banda del osciloscopio del laboratorio TDS1002? 2. Pág. 5. Transcriba el texto en que se indica el procedimiento para eliminar un canal de la •



2

Práctica 0. Introducción al manejo del osciloscopio digital con el generador de señales. pantalla del osciloscopio. 3. Pág. 6. Transcriba la Advertencia de la página. 4. Pág. 9. Si establecemos el conmutador de atenuación de la sonda atenuada compensada en frecuencia en 1X, ¿a qué valor queda limitado el ancho de banda del osciloscopio? 5. Pág. 10. Los cambios de temperatura afectan el correcto funcionamiento del osciloscopio, ¿qué sugiere el fabricante al respecto? 6. Pág. 14. ¿Qué función tiene el pre-disparo? 7. Pág. 16. Transcriba el texto que hace referencia a la utilidad de la Pendiente y el nivel del DISPARO. 8. Pág. 17. Enumere y resuma los modos de adquisición del osciloscopio. 9. Págs. 24 – 25. Resuma los conceptos de las páginas 24 y 25. 10. Págs. 28 - 30. Explique a qué hace referencia cada numeral de la siguiente figura:

11. Pág. 38. ¿Qué hace el botón Auto Set : Auto configurar? 12. Págs. 43 – 45. ¿Cuál es el procedimiento para tomar medidas de manera automática? 13. Pág. 48. Transcriba el procedimiento para medir la frecuencia de la oscilación del flanco ascendente de una señal, usando cursores. 14. Pág. 49. Si se desea medir la amplitud de la oscilación usando cursores, ¿qué debo modificar en el procedimiento anterior? 15. Pág. 50. Si se desea medir el Ancho de Pulso de una señal cuadrada, ¿qué debo modificar en el procedimiento del numeral 13?

0.6 ANTECEDENTES. Comprobación del correcto funcionamiento del osciloscopio digital, las puntas atenuadas compensadas en frecuencia y el generador de señales. Por medio del siguiente procedimiento usted verificará que el osciloscopio digital TDS1000 y las 2 puntas atenuadas compensadas en frecuencia funcionan adecuadamente, sígalo al pie de la letra 1. Coloque el conmutador de atenuación de ambas puntas compensadas en frecuencia en 1X.

2. Conecte el conector BNC de las puntas al osciloscopio, una punta por canal. 3. Encienda el osciloscopio. Ing. Juan Manuel Cobilt Catana 5a Revisión: Enero 2013

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Práctica 0. Introducción al manejo del osciloscopio digital con el generador de señales. 4. En el osciloscopio presione la tecla Default Setup para cargar la configuración de fábrica. 0.6.1 Comprobación de continuidad de la sonda del canal 1: 1X 5. Jale la capucha de protección de la punta de osciloscopio conectada al canal 1 y engánchela a la horquilla cuadrada del osciloscopio: +5Vpp, posteriormente conecte el caimán de la punta a la horquilla redonda del osciloscopio: tierra. Verifique que por ningún medio se cortocircuiten ambas horquillas.

6. En el osciloscopio presione el botón Probe check y verifique que la punta pase la prueba respectiva; resuelva acertadamente el problema que se le presente. 7. Presione el botón Auto Set , observe y reporte todos los datos que muestra el osciloscopio para dicha señal. Analice y responda: ¿ Los valores que presenta la pantalla del osciloscopio corresponden a los valores que esperamos? R.-________________________ 8. Mantenga conectada la punta del canal 1 a las horquillas de la señal de prueba. 0.6.2 Comprobación de atenuación y compensación en frecuencia de la sonda del canal 1: 10X 9. Cambie el conmutador de atenuación de la punta conectada al canal 1, a la posición 10X. 10. En el osciloscopio presione el botón Probe check y verifique que la punta pase las pruebas de compensación y atenuación; resuelva acertadamente el problema que se le presente. 11. Presione el botón Auto Set , observe y reporte todos los datos que muestra el osciloscopio para dicha señal. Analice y responda: ¿ Los valores que presenta la pantalla del osciloscopio corresponden a los valores que esperamos?___________________________ 12. ¡Finalmente! Desconecte la punta compensada en frecuencia de las horquillas de la señal de prueba. Repita todo el procedimiento para el canal 2.

Responda acertadamente las siguientes preguntas: Si usted siguió el procedimiento correctamente ¿con qué factor de atenuación quedaron finalmente las puntas del canal 1 y canal 2 del osciloscopio? R.-_________________________ ¿Por qué es relevante iniciar el procedimiento utilizando el factor de atenuación de las puntas en 1X? R.-___________________________________________________________________ Escriba su opinión acerca de usar las puntas del osciloscopio con el factor de atenuación en 10X. •

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0.6.3 Toma de medidas automáticas del osciloscopio. 1. Conecte las puntas atenuadas compensadas en frecuencia a los canales 1 y 2 del osciloscopio; posteriormente engánchelas a la horquilla cuadrada del osciloscopio: +5Vpp, y conecte los caimanes de las puntas a la horquilla redonda del osciloscopio: tierra. Ing. Juan Manuel Cobilt Catana 5a Revisión: Enero 2013 4

Práctica 0. Introducción al manejo del osciloscopio digital con el generador de señales. Verifique que por ningún medio se cortocircuiten las horquillas. 2. Ejecute el procedimiento de la página 43 del manual del osciloscopio TDS1000: Toma de medidas automáticas; y configure el osciloscopio para que muestre las medidas que se indican a continuación:

3. Ejecute el procedimiento de las páginas 48-53 del manual del osciloscopio TDS1000: Toma de medidas con el cursor; y compruebe que los valores reportados por el osciloscopio en el punto anterior coinciden con los valores reportados usando cursores. ; Resuelva acertadamente el problema que se le presente. Responda de manera correcta la siguiente pregunta: ¿Por qué es necesario corroborar que el valor que reporta el osciloscopio de manera automática, coincide con el valor que se reporta usando cursores? R.-_____________________ Reporte sus conclusiones de las actividades realizadas en las secciones 0.6.1, 0.6.2 y 0.6.3 y utilice los valores reportados como fundamento. •

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0.6.4 Comprobación del correcto funcionamiento del generador de señales. Ejecute el siguiente procedimiento para verificar la correcta operación del generador de señales:

Función senoidal Modo de onda continua

Contador interno

cero nivel de CD cero dBs de atenuación salida @ 50Ω

Señal simétrica

1. Encienda el generador. 2. Compruebe que están presionados los siguientes botones: a. Mode: CW: continuous wave b. Function: Forma de onda senoidal. c. Output : DC OFFSET: Nivel de CD. d. Compruebe que la perilla ATT(dB): Atenuación de señal se encuentra en la posición 0 dB e. Count : INT: contador de frecuencia interna. Ing. Juan Manuel Cobilt Catana


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Práctica 0. Introducción al manejo del osciloscopio digital con el generador de señales. f. Symmetry: Modificación del ciclo útil. 3. Interconecte una punta BNC-caimán al conector BNC Output de 50Ω del generador de señales y conecte los caimanes a la punta del canal 1 del osciloscopio. Recuerde que la punta del osciloscopio deberá estar en X10. 4. Aplique una señal senoidal de 10 – 20 Vpp con frecuencia de 1KHz. a. Ejecute el procedimiento de la página 43 del manual del osciloscopio TDS1000: Toma de medidas automáticas y configure el osciloscopio para que la medida automática 1 sea el Voltaje pico-pico del canal 1 y la medida automática 2 sea la Frecuencia del canal 1. Habilite los cursores siguiendo el procedimiento de la página 48 del manual del osciloscopio TDS1000: Toma de medidas con el cursor; y compare los valores que se obtienen de manera automática con los valores que reportan los cursores. Anote sus observaciones. b. Coloque la carga de 50Ω y compruebe que la señal disminuye su amplitud a la mitad. Habilite los cursores y compare el valor que se obtiene de manera automática con el valor que reportan los cursores para el Voltaje pico-pico. Reporte los valores pico-pico con carga de 50 y sin carga.

c. Cambie la perilla de atenuación del generador de señales a 20dB, y en el osciloscopio con la ayuda de la perilla Volts/div amplifique la señal para visualizarla en pantalla al máximo. Coloque la carga de 50  y compruebe que la señal disminuye su amplitud a la mitad. Habilite los cursores y compare el valor que se obtiene de manera automática con el valor que reportan los cursores para el Voltaje pico-pico. Reporte los valores pico-pico con carga de 50 y sin carga. d. Realice el mismo procedimiento para 40dB y 60dB. Reporte los valores pico-pico con carga de 50 y sin carga. El procedimiento que usted acaba de realizar le permite comprobar que su generador de señal senoidal funciona de manera adecuada, con carga, sin carga y a diversos valores de atenuación. Anote sus observaciones. 5. Conecte la salida del generador de señales a la punta del canal 2 del osciloscopio. Recuerde que la punta del osciloscopio deberá estar en X10. 6. Aplique una señal cuadrada de 10 – 20 Vpp con frecuencia de 1KHz. a. Ejecute el procedimiento de la página 43 del manual del osciloscopio TDS1000: Toma de medidas automáticas y configure el osciloscopio para que la medida automática 3 sea la del Voltaje pico-pico del canal 2, la medida automática 4 sea el Ancho Positivo del Pulso del canal 2 y la medida automática 5 sea el Ancho Ing. Juan Manuel Cobilt Catana 5a Revisión: Enero 2013 6

Práctica 0. Introducción al manejo del osciloscopio digital con el generador de señales. Negativo del Pulso del canal 2. Habilite los cursores siguiendo el procedimiento de la página 48 del manual del osciloscopio TDS1000: Toma de medidas con el cursor; y compare los valores que se obtienen de manera automática con los valores que reportan los cursores. Anote sus observaciones. b. Jale la perilla Symmetry y muestre una señal con el 1% de ciclo útil. Resuelva acertadamente. c. Jale la perilla Symmetry y muestre una señal con el 99% de ciclo útil. Resuelva acertadamente. El procedimiento que acaba de realizar, le permite conocer el máximo y mínimo ciclo útil que entrega su generador de señales. Responda acertadamente las siguientes preguntas: ¿Cuál es el máximo ciclo útil que entrega su generador de señal cuadrada? R.- _____________ ¿Cuál es el mínimo ciclo útil que entrega su generador de señal cuadrada? R.- _____________ d. Presione la perilla Symmetry y usted deberá observar una señal cuadrada; coloque la carga de 50Ω y compruebe que la señal disminuye su amplitud a la mitad. Habilite los cursores y compare el valor que se obtiene de manera automática con el valor que reportan los cursores para el Voltaje pico-pico. e. Cambie la perilla de atenuación del generador de señales a 20dB, y en el osciloscopio con la ayuda de la perilla Volts/div amplifique la señal para visualizarla en pantalla al máximo. Coloque la carga de 50  y compruebe que la señal disminuye su amplitud a la mitad. Habilite los cursores y compare el valor que se obtiene de manera automática con el valor que reportan los cursores para el Voltaje pico-pico. Reporte los valores pico-pico con carga de 50 y sin carga. f. Realice el mismo procedimiento para 40dB y 60dB. Reporte los valores pico-pico con carga de 50 y sin carga. El procedimiento que usted acaba de realizar le permite comprobar que su generador de señal cuadrada funciona de manera adecuada, con carga, sin carga, con diversos valores de atenuación, además le permitió conocer el máximo y mínimo ciclo útil que entrega su generador. Anote sus observaciones. 7. Aplique una señal triangular de 10 – 20 Vpp con frecuencia de 1KHz. a. Coloque la carga de 50Ω y compruebe que la señal disminuye su amplitud a la mitad. Realice el mismo procedimiento para 20dB, 40dB y 60dB. El procedimiento que usted acaba de realizar le permite comprobar que su generador de señal triangular funciona de manera adecuada, con carga, sin carga y a diversos valores de atenuación. Anote sus observaciones. Reporte sus conclusiones de las actividades realizadas en la sección 0.6.4 y utilice los valores reportados como fundamento. • •

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0.6.5 Comprobación del correcto funcionamiento del equipo restante de la mesa de laboratorio. 1. Utilice el osciloscopio, el multímetro analógico y el multímetro digital de la mesa de laboratorio y verifique que la fuente de voltaje variable y simétrica de ±12V entrega los voltajes correspondientes. 2. Realice el mismo procedimiento para la fuente fija de +5V. 0.6.6 Evaluación de la mesa de trabajo del Laboratorio de Electrónica Digital. Considere todos los aspectos evaluados de la mesa de trabajo del laboratorio de Electrónica Digital, si una calificación de 00 representa pésimas condiciones de equipo, hasta 100 que



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Práctica 0. Introducción al manejo del osciloscopio digital con el generador de señales. representa que todo el equipo está funcionando de manera inmejorable, ¿qué calificación le pone usted a su mesa de laboratorio?, justifique su respuesta R.- ________________________________

0.7 Desarrollo de la Práctica. Arme uno de los circuitos que se muestran a continuación, de acuerdo a la mesa de laboratorio que usted tiene asignada y verifique los valores que le corresponden en la tabla 1. Vent

R

Vsal

A)

R

L Vsal

C)

C

Vent

Vent

R

Vsal Vent

B)

C

D)

L

Vsal R

Figura 0-1 Circuitos para el desarrollo de la práctica. Consulte la tabla 1-1, para conocer el circuito y componentes que le corresponde llevar al laboratorio.

Figura 0-2 Distribución de mesas de laboratorio, secciones norte y sur. Frecuencia (kHz) Circuito Capacitor (nF) Inductor (µH)

Sala N N N N

1 10 A 100

2 20 B 120

3 30 C 150

4 40 D 180

5 6 7 8 50 60 70 80 C D A B 220 270 330 390 Cualquier valor superior a 1mH

9 90 A 470

10 15 B 560

11 25 C 680

12 35 D 820

Tabla 0-1 Frecuencia de circuito, valor del capacitor e inductor, de acuerdo a la mesa seleccionada.

0.7.1.1 Antecedente teórico. 1. La frecuencia de corte del circuito RC simple se determina con la expresión: f C= 1/(2πRC) 2. La frecuencia de corte del circuito RL simple se determina con la expresión: f C= 1/(2π(L/R)) 3. La frecuencia de corte estará en las bajas o en las altas frecuencias dependiendo de la ubicación del capacitor o inductor. 4. El tiempo de elevación se relaciona con la frecuencia de corte en altas con la expresión: te = 0.35/fca. 5. La inclinación se relaciona con la frecuencia de corte en bajas con la expresión: Inclinación = 2πfcb*AP Ing. Juan Manuel Cobilt Catana 5a Revisión: Enero 2013 8

Práctica 0. Introducción al manejo del osciloscopio digital con el generador de señales. 6. El filtro pasa altas tiene una frecuencia de corte en las bajas frecuencias: f cb. 7. El filtro pasa bajas tiene una frecuencia de corte en las altas frecuencias: f ca.

0.7.1.1 Ejemplo. Los alumnos de la mesa 12 Norte consiguieron una bobina con valor comercial de 15mH. Considerando que la frecuencia de corte de su circuito es de 10kHz, hicieron la medición en el puente LCR del laboratorio y obtuvieron el valor de 14.2mH. Usando el valor medido de la bobina, despejaron el valor de resistencia y obtuvieron: R= 892.21, seleccionaron el valor de resistencia más próximo de 890, y procedieron a medir el valor de la resistencia a 10kHz en el puente LCR del laboratorio y obtuvieron el valor de 866 . Con los valores medidos de bobina y resistencia procedieron a calcular el valor de la frecuencia de corte de su circuito y obtuvieron f c=9.706kHz. •

•

•

0.7.1.1.1 Simulación.

Simularon el circuito con los valores medidos de los componentes para conocer los resultados esperados en los siguientes tres casos: 1. Excitación de entrada a señal senoidal con V pp=10V y frecuencia f c=9.706kHz. a. Determinaron el ángulo de atraso y/o adelanto del voltaje del capacitor, respecto del voltaje a la entrada del circuito. b. Determinaron el ángulo de atraso y/o adelanto de la corriente del capacitor, respecto del voltaje a la entrada del circuito. c. Determinaron el ángulo de atraso y/o adelanto de la señal de voltaje del capacitor respecto de la corriente del capacitor. 2. Utilizaron como excitación de entrada una señal cuadrada con V=±5V y frecuencia de f c /2=4.853kHz. a. Determinaron el tiempo de elevación y descenso del voltaje de entrada. b. Determinaron el tiempo de elevación y descenso del voltaje de salida. c. Determinaron el tiempo de elevación y descenso del voltaje presente entre los extremos del resistor. 3. Utilizaron como excitación de entrada una señal cuadrada con V =±5V y frecuencia de 10*f c=97.06kHz. a. Determinaron la inclinación porcentual de la señal entre los extremos de la resistencia. 4. Utilizaron los módulos del simulador para conocer el comportamiento de la ganancia de voltaje y la fase del circuito, respecto de la frecuencia. a. En las gráficas obtenidas, marcaron los puntos que corresponde a -3dB y -45°



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Práctica 0. Introducción al manejo del osciloscopio digital con el generador de señales. 0.7.1.1.1.1 Simulación con excitación senoidal @ 9.706kHz. (17.9µS,3.534V)

(11.9µS,5V) Vent

(0,0) R1=39kΩ Vent R 2=56kΩ

5Vpp 21kHz

(23.8µS,0) (6µS,0) (6µS,3.537V)

Vsal C 330pF

Vent

El voltaje del capacitor está atrasado 45° respecto del voltaje de entrada

v C

(11.9µS,5V)

La corriente del capacitor está adelantada 45° respecto del voltaje de entrada

i C

(23.8µ,0) (-6µS,0) (6µS,3.537V) v C

La corriente del capacitor está adelantada 90° respecto del voltaje del capacitor

(17.9µS,3.534V)

i C

(6µS,0) (-6µS,0)

0.7.1.1.1.2 Simulación con excitación de señal cuadrada: ±5V @ 4.853kHz. 5.0V

V ent

R1=39k Ω Vent ±5V 5kHz

0

R2=56kΩ

C 330pF

-5.0V 5.0V

V cap

f H

=

=

t

Vsal

0.35 t r

=

0.35 16.7 µ S

20.958kHz

La señal de entrada no tiene tiempos de ascenso y descenso.

0

(1.1175mS,4V) (1.1008mS,-4V)

(1.2008mS,4V) (1.2175mS,-4V)

t

=

-5.0V 10V

V res

(1.1008mS,9V) (1.2175mS,-1V)

0

El voltaje del capacitor tiene: t r t f 16.7 µ S

(1.1175mS,1V)

t

(1.2008mS,-9V)

-10V

=

El voltaje entre los extremos de la resistencia tiene: t r t f 16.7 µ S =

=

0.7.1.1.1.3 Simulación con excitación de señal cuadrada: ±5V @ 97.06kHz. 0.7.1.1.1.4 Ganancia y fase del circuito en el dominio de la frecuencia.

0.7.1.2 Conclusiones de la práctica. Para tener derecho a entrar al laboratorio cada alumno deberá traer: 1. Las respuestas del cuestionario. 2. Las simulaciones y gráficas de los resultados que espera obtener. 3. El armado de los circuitos será por equipo.



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Practica "Uso del Osciloscopio"

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