OSCILOSCOPIO COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA. I. OBJETIVOS -Lograr que los lectores puedan comprender el uso del osciloscopio. Así como calibrarlo y utilizarlo para medir: voltaje, tiempos y frecuencias. -Reconocer las diferentes funciones de voltaje periódicas en el tiempo. -Lograr que el estudiante sepa que parte de señal es DC y cual AC.
EQUIPO -
Un osciloscopio de 25 MHz, Elenco modelo S-135. Dos pilas de 1.5 voltios cada una.
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Una fuente de voltaje constante con varias salidas.
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Un transformador de voltaje alterno 220/6V, 60Hz.
-
Un generador de función Elenco GF-8026.
-
Cables de conexión. Un multímetro digital.
II. FUNDAMENTO TEÓRICO DEL OSCILOSCOPIO Definición: Empezaremos por definir el osciloscopio como un dispositivo de visualización grafica que nos permite medir voltajes, mostrándolos en señales eléctricas que varían con el tiempo. Este dispositivo es el instrumento más versátil que existen, que puede medir un gran número de fenómenos, provisto de un transductor adecuado (un elemento que convierte una magnitud física en eléctrica) que será capaz de darnos el valor del ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones, valor de una presión, etc.
Tipos:
OSCILOSCOPIO ANALÓGICO: Permiten observar en la pantalla una reproducción fiel de la evolución temporal de una señal. Asimismo la mayor o menor confiabilidad dependerá de la calidad de instrumento que se utilice. Permiten hacer mediciones de acuerdo al tipo de onda visualizada.
OSCILOSCOPIO DIGITAL: Permiten realizar un muestreo de la señal a representar y almacenan los datos obtenidos, así como guardar formas de onda correspondientes a distintas mediciones (incluso de ondas no periódicas) para su posterior visualización. Asimismo dispone de
cursores que pueden desplazarse para facilitar la medición sobre la imagen, así como facilitar el cálculo del valor medio, voltaje eficaz, etc.
FUNCIONAMIENTO: A continuación se explicará el funcionamiento interno del osciloscopio, que en nuestro caso es de tipo analógico:
Figura 1
Cuando se conecta la sonda a un circuito (sea fuente de voltaje, un generador de funciones, etc.), la señal atraviesa esta última y se dirige a la sección vertical .Dependiendo de donde situemos el mando del amplificador vertical disminuiremos la señal o la amplificaremos. En la salida de este bloque ya se dispone de la suficiente señal para atacar las placas de deflexión verticales (que naturalmente están en posición horizontal) y que son las encargadas de desviar el haz de electrones, que surge del cátodo e impacta en la capa fluorescente del interior de la pantalla, en sentido vertical. Hacia arriba si la tensión es positiva con respecto al punto de referencia (GND) ó hacia abajo si es negativa. Observe la siguiente imagen:
Placa de deflexión.
Figura 2 Cuando la señal atraviesa la sección de disparo, inicia el barrido horizontal (este es el encargado de mover el haz de electrones desde la parte izquierda de la
pantalla a la parte derecha en un determinado tiempo). El trazado (recorrido de izquierda a derecha) se consigue aplicando la parte ascendente de un diente de sierra a las placas de deflexión horizontal (las que están en posición vertical), y puede ser regulable en tiempo actuando sobre el mando TIME-BASE. Asimismo el recorrido de derecha a izquierda se realiza con la parte descendente del mismo diente de sierra. Por lo tanto la acción combinada del trazado horizontal y de la deflexión vertical traza la grafica de la señal en la pantalla .La función de la sección de disparo es estabilizar las señales repetitivas la cual asegura que el trazado comience en el mismo punto de la señal repetitiva. Observe la Figura 2. USO: En la pantalla del osciloscopio se interpreta Y como voltajes y X como tiempos. El valor de cada división dependerá de la posición de los botones VOLT/DIV y TIME/DIV respectivamente. Si el osciloscopio estaba en modo XY, ambos ejes se deben interpretar como voltajes haciendo que por el Canal 1 entrará la señal Y y por el Canal 2 la señal X. Para utilizarlo se debe tener en cuenta los siguientes puntos: Utilizar el mando AMPL para ajustar la amplitud de la señal antes de que sea aplicada a las placas de de deflexión vertical. Utilizar el mando TIMEBASE para ajustar lo que representa en tiempo una división en horizontal en la pantalla. Utilizar los mandos TRIGGER LEVEL (nivel de disparo) y TRIGGER SELECTOR (tipo de disparo) para estabilizar lo mejor posible las señales repetitivas. A continuación se explicaran como se realizan los cálculos de medidas de voltaje en el osciloscopio debidamente calibrado. CALCULOS: MEDIDA DE VOLTAJES Se definen tres voltajes en una señal periódica V (t): V(0): es la amplitud de la señal. Vpp: Voltaje pico a pico. Vrms: Voltaje Raíz Medio Cuadrático. Definido de la siguiente manera:
Siendo T el periodo de la señal. La grafica 3 nos muestra estos voltajes para una señal sinusoidal Figura 3
-Por lo tanto en el caso de una señal sinusoidal:
-Para una señal cuadrada: Entonces la lectura de voltajes se hará como sigue: V=divisionesx (voltios/división). Donde la incertidumbre absoluta en las divisiones estará dado por +- 0.2divisiones. Donde la incertidumbre relativa en la medida de voltaje será:
Es decir, entre mayor sea la distancia entre los puntos a medir, menor será el “error relativo” en la medida.
MEDIDA DE TIEMPOS Imaginemos que debemos saber el tiempo que hay entre los puntos C y D de la señal de la Figura 4. El número de divisiones horizontales Nx que los separa es 5 y si por ejemplo el botón TIME/DIV está en la posición 0.2 ms/div, el tiempo entre los 2 puntos se calcula como sigue: Tiempo entre los puntos C y D = 5divisionesx0.2ms/div=1ms. La incertidumbre será igual a 0.04ms por lo que el resultado se debe expresar asi:
Figura 4. MEDIDA DE FRECUENCIAS En la Figura 5 se ilustra una señal armónica, a la cual queremos medir su frecuencia:
Figura 5.
Supongamos que el periodo sea 30ms +-2ms, donde la frecuencia será un cálculo fácil ya que será la inversa del periodo. Sin embargo para hallar la incertidumbre se tendrá que usar el siguiente cálculo:
GENERADOR DE FUNCIÓN DE ONDAS
Figura 6. En la fig. 6 tenemos un generador de ondas que nos va a ayudar a justamente a crear ondas que pueden ser de los siguientes tipos:
Ondas senoidales. Ondas cuadradas y rectangulares. Ondas triangulares y en diente de sierra. Pulsos y flancos o escalones.
TIPOS DE ONDA Ondas senoidales: Son ondas fundamentales porque poseen unas propiedades matemáticas interesantes. Asimismo con combinaciones de señales sinoidales de diferente amplitud y frecuencia se puede reconstruir cualquier tipo de onda. La señal que se obtiene de las tomas de corriente de cualquier casa tienen esta forma. Ondas cuadradas y rectangulares: Son ondas que básicamente pasan de un estado a otro de tensión, a intervalos regulares y a un tiempo muy reducido.
Ondas triangulares y en diente de sierra: Se producen en circuitos diseñados para controlar voltajes linealmente, como puede ser, el barrido horizontal de un osciloscopio analógico o el barrido tanto horizontal como vertical de una televisión.
Pulsos y flancos o escalones: Se denominan señales transitorias porque solo se presenta una vez. Un flanco o escalon indica un cambio repentino en el voltaje. El pulso representa 1 bit de información atravesando un circuito de un ordenador digital.
CÁLCULO Y RESULTADOS:
Osciloscopio Valor Nominal
Multímetro
Amplitud
Medición VN(
V
)
V(
)
#Div
Xxxxxxxxx 3 Generador
Escala(V/Div) Vp 2
6.0
Veficaz( ) Xxxxxxxx
5
6.0
Xxxxxxxx
5
5.0
3.535
5
8.0
5.66
6Vp 1kHz Onda Cuadrada Xxxxxxxxx 1.2 6Vp 2kHz Onda Triangular 6Vrms 60Hz 3.40 1 OndaSinoidal
6Vrms 60Hz 5.80 Transformador OndaSinoidal
1.6
Periodo - Frecuencia #Div 4.8 4.8 5.8 5.6
Escala 0.2 ms 0.1 ms 2 ms 2 ms
T( ) 9.6x10-4 4.8x10-4 0.0116 0.0112
f( ) 1041,666 2083,333 86,206 89,285
GRAFICADOR XY Generador 6v 60Hz
Generador 6v 120Hz Transformador
6Vrms 60Hz 60Hz
6Vrms
Generador 6V 180Hz Transformador 6Vrms 60Hz
GRAFICO DE LAS PILAS 1.5 V
GRAFICOS DE FUENTE
6V
9V
2V
Ondas sinoidales 6V rms 60Hz
TRANSFORMADOR
6 Vp
;
2KHz
GENERADOR
6 Vp
;1KHz
RESULTADOS MÍNIMOS: 1. Haga una tabla de tres columnas indicando el voltaje medido con el osciloscopio, el voltaje medido con el multímetro y el voltaje nominal de cada salida de la fuente. De los datos experimentales se obtiene los siguientes resultados mostrados en la tabla. Valor nominal Multímetro Osciloscopio VN() V() V() Fuente 6.000 5.640 5.600 9.000 8.180 8.000 2.000 1.890 2.000
2. ¿Es realmente constante el voltaje dado por esta fuente? -En el laboratorio se pudo observar que la imagen en la pantalla del osciloscopio de la curva generada por el voltaje de la fuente era una recta paralela al eje horizontal mostrándonos así que la corriente es continua de no ser asi el resultado hubiese sido una curva periódica. 3. ¿Cuál es el periodo del voltaje alterno dado por el transformador de 6 voltios? En el laboratorio se obtuvieron los siguientes resultados del transformador
Osciloscopio Medición
Transfor mador
Valor nominal V() 6Vrms 90Hz Onda sinoidal
Amplitud
Periodo-frecuencia
#div
Escal a
Vp
Veficaz
#div
Escal a
T()
f(Hz)
1.6
5v/div
8.00 v
5.66v
5.60 v
2ms
0.011 2
89.2 8
4. Si el osciloscopio está en modo XY y coloca un voltaje constante de 1.5 voltios (una pila) en el canal 1 y de 3 voltios (fuente de voltaje constante con diferentes salidas) en el canal 2. Dibuje la pantalla cuadriculada del osciloscopio indicando la señal observada. -Teniendo en cuenta el proceso de la formación de las curvas de lissajous que se aprecian en el cuadro XY donde en el eje y apreciamos el voltaje del canal uno y en el eje x apreciamos el voltaje del canal 2 para un tiempo t, y como el voltaje para cada canal y para cualquier tiempo son contantes apreciaríamos un solo punto en la gráfica XY.
OBSERVACIÓN Y CONCLUSIONES.
De lo visto en el laboratorio se pudo comprobar que efectivamente en la pantalla del osciloscopio se formaban rectas paralelas al eje horizontal, cuando se le conectaba una fuente de corriente continua (pila, fuente) mostrándonos, de esta forma, una característica de estos ya que tienen un voltaje constante. Muy distinto a lo que ocurre con la fuente de corriente continua. Se observa que al conectar una fuente de corriente alterna se forman curvas sinusoidales, triangulares y cuadráticas. En las gráficas obtenidas podemos observar que al variar la escala del voltaje en el osciloscopio la curva se expande o se contrae manteniéndose el voltaje inicial. Lo mismo ocurre si variamos la escala del tiempo, la gráfica se expande o contrae en el eje horizontal manteniéndose el valor de la frecuencia. El uso del osciloscopio es muy importante, debido a que nos permite medir la evolución de cualquier tipo de señal. Asimismo nos ayuda a poder medir voltajes mediante gráficas.
BIBLIOGRAFÍA:
Raymond Serway 4ta edición,física para ingenieros ,editorial Mc Craw Hill. Fisica Vol.2 Halliday, Resnick, Krane, Fisica Vol.2 www.uhu.es/rafael.lopezahumada/descargas/P2_ OSCILOSCOPIO.pdf. http://www.wilful.net/EL%20OSCILOSCOPIO.pdf. http://prof.usb.ve/mirodriguez/osciloscopio.pdf. http://linux0.unsl.edu.ar/~rlopez/circuitos/lab1.pdf.
CUESTIONARIO: IMAGEN 1
Datos eje vertical eje horizontal Escala
1v/div
50 s/div
a) Diga el tipo de onda El tipo de onda presentado en el problema recibe el nombre de “onda de tipo cuadrática” que tiene como característica principal alternar el valor de su voltaje entre dos entre dos valores extremos este cambio es drástico de un valor de un extremo al otro valor del otro extremo sin pasar por los valores de los voltajes intermedios como se puede observar en la imagen 1. b) Halle el Según los datos proporcionados tenemos en el eje vertical N° de divisiones: 3 Escala: 1 V/div ( )( ) ( c) Halle la frecuencia
y el periodo
De los datos de la imagen:
)(
⁄
)
( ( Además se tiene:
)( )(
) ⁄
)
