UNI-FIM
1. OBJE OBJETI TIVO VOS S Lograr que los estudiantes se familiaricen con el osciloscopio, el cual será usado como: Instrumento de medida de voltaje constante, voltaje alterno y como instrumento para medir amplitud, periodo y frecuencia de diferentes funciones de voltaje periódicas en el tiempo. Graficador XY
I!"#$% & '(
)ágina 1
UNI-FIM
2. EQUIPO EQUIPOS S Y MATE MATERIA RIALES LES
Instrumentos *mper+metro
Imagen
)ila
ransformador
Generador de -onda
cales
"sciloscopio
I!"#$% & '(
)ágina 2
UNI-FIM
3. PROCEDIM PROCEDIMIENT IENTO O DEL DEL EXPERIMENT EXPERIMENTO O A. Ident!"# Ident!"#"$n "$n de "%nt&%'e( "%nt&%'e( e nte&&)*t%& nte&&)*t%&e( e( de' %("'%("%* %("'%("%*% %
/. "se "serv rvee el os osci cilo losc scop opio io e iden identitific ficar ar co cont ntro role less e inte interru rrupt ptor ores es en el osci os cilo losc scop opio io real real co conn los los en enum umer erad ados os en la figu figura ra 0 1ver 1ver gu gu+a +a de lao laora rato tori rio2 o2.. %n las las inst instru rucc ccio ione ness sigu siguie ient ntes es no noss refe referi rire remo moss a los los controles del osciloscopio solo por su n3mero correspondiente en la figura 0. (. %ncienda %ncienda el oscilos osciloscopi copioo usando usando el interrupto interruptorr 4. 5e encenderá encenderá una una lu6 roja en el otón 07 usando los interruptores 8 y 9 logre que el punto o la l+nea tengan una intensidad y un anc-o adecuado a su vista. . "se "serv rvee qu quee la se; e;al al en el os osci cilo losc scop opio io pu pued edee se serr l+ne l+neaa o pu punt ntoo dependiendo de la posición del interruptor '. L+nea en la posición de
iscuta con su profesor que es lo que se conecta internamente en el osciloscopio a las placas ? para camiar de uno a otro modo. 4. 5in conectar conectar ning3n ning3n potenc potencial ial e@terno e@terno ni en /( ni ni en /A, coloque coloque /0 /0 y (' amos en posición G>. Bon el control (/ en posición B?* 1canal /2 use los controles // y (A para colocar el punto luminoso en el centro de la pantalla del osciloscopio. Bon el control (/ en B?C 1canal (2 use los controles /8 y (A para colocar el punto luminoso en el centro de la pantalla o en un punto que usted elija como cero para sus medidas de voltaje. B. Medd# Medd#(( de +%'t#, +%'t#,ee d"
0. Boloque Boloque los interrup interruptores tores /0 /0 y (' en la posición posición >B. >B. Bonecte Bonecte una fuente fuente de volta ltaje con onsstan tante 1una 1una pila ila por ejemp jemplo lo22 a la co cone ne@@ión ión /( /(.. $anteniendo el control (/ en posición B?* y el control (4 en B?C oserve la desviación vertical del punto luminoso. Dse las diferentes escalas las dadas por el int interrup ruptor / y decida cuál es la más convenientemente. 8. #epi #epita ta lo -e -ecc-oo en el pa paso so 0 co conn el volta voltaje je const constan ante te conec conecta tado do a la cone@ión /A, el control (/ en la posición B?C y el (4 en la B?*. Dse a-ora las escalas dadas por el interruptor /9. ota ota. Para Para que que las las esca escala las s de los los inte interru rrupt ptor ores es 13 y 18 sean sean dado dados s directamente en voltios por división es necesario que los controles 14 y 19 I!"#$% & '(
)ágina 3
UNI-FIM se encuentren en sus posiciones: rotados totalmente en sentido horario y empujados hacia adentro.
A. Invest Investigu iguee las funcione funcioness de los co contr ntrole oless /4 y /E jaland jalandoo cada uno de ellos -acia afuera y rotándolos en sentido anti -orario. 9. #egres #egresee los contro controles les /4 y /E a sus posici posicione oness tales tales que / y /9 den lecturas en voltios por división. E. Dse la fuente fuente de de voltaje voltaje constante constante con con varias varias salidas salidas y mida mida el voltaje voltaje de cada salida con el osciloscopio. Bompare con los resultados otenidos usando el mult+metro digital. C. Med Medd# d#(( de +%'t# %'t#,e ,e #" #" #*' #*'t t)d )d// +%'t# %'t#,e ,e *"% *"%-* -*" "%/ %/ *e& *e&%d %d% % 0 !&e")en"#
/'.Boloque el interruptor ' en la posición
)ágina 4
UNI-FIM
/0.)rodu6ca con el generador de función de onda voltajes que depende del tiempo en forma de onda cuadrada y en forma de dientes de sierra. %n cada caso relacione la frecuencia dada por el generador con el periodo medido con el osciloscopio. E. O("' O("'%("% %("%*% *% "%% &#!"#d% &#!"#d%&& XY XY
)ara que el osciloscopio funcione como graficador XY es necesario que el interruptor ' este en la posición D*L oservará amos voltajes al mismo tiempo. ti empo. /A.)onga el interruptor ' en posición
4. FUNDA FUNDAMEN MENTO TO TE5RIC TE5RICO O Dn os osci cilo losc scop opio io es un inst instru rume ment ntoo de visu visual ali6 i6ac ació iónn elec electr trón ónic icoo pa para ra la representación gráfica de se;ales elKctricas que pueden variar en el tiempo. %s I!"#$% & '(
)ágina 5
UNI-FIM
muy usado en electrónica de se;al, se;al, frecuentemente junto a un anali6ador de espectro.. espectro )resenta los valores de las se;ales elKctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que normalmente el eje X 1-ori6ontal2 representa tiempos y el eje Y 1vertical2 representa tensiones. La imagen as+ otenida se denomina oscilograma. 5uelen incluir otra entrada, llamada eje ?#*5?%# o Bilindro de Me-nelt que controla la luminosidad del -a6, permitiendo resaltar o apagar algunos segmentos de la tra6a. Los osciloscopios, clasificados seg3n su funcionamiento interno, pueden ser tanto analógicos analógicos como como digitales digitales,, sien siendo do el resu resultltad adoo mo most stra rado do idKn idKntitico co en cualquiera de los dos casos, en teor+a. •
Dtili6ación: %n un osciloscopio e@isten, ásicamente, dos reguladores que ajustan la se;al se;al de en entra trada da y permit permiten, en, co conse nsecu cuent enteme emente nte,, med medirla irla en la pantalla y de esta manera se pueden ver la forma de la se;al medida. %l primero regula el eje X 1-ori6ontal2 y aprecia fracciones de tiempo 1segundos segundos,, milisegundos milisegundos,, microsegundos microsegundos,, etc., seg3n la resolución del aparato2. %l segundo regula el eje Y 1vertical2 controlando la tensión de entr en trad adaa 1en 1en Foltios Foltios,, milivoltios, microvoltios, etc., dependiendo de la resolución del aparato2. %stas regulaciones determinan el valor de la escala cuadricular que divide la pantalla, permitiendo saer cuánto representa cada cuadrado de esta para, en consecuencia, conocer el valor de la se;al a medir, tanto en tensión tensión como como en frecuencia frecuencia.. •
•
•
Bomo se mencionó con anterioridad e@isten dos tipos de osciloscopios seg3n su funcionamiento interno a continuación descriiremos revemente cada uno de los dos: /2 "scilo "scilosco scopio pio ana analóg lógico ico:: La tensión a medir se aplica a las placas de desviación vertical de un tuo de rayos catódicos 1utili6ando catódicos 1utili6ando un amplificador con con alta impedancia de en entr trad adaa y ga gana nanc ncia ia ajus ajusta tal le2 e2 mi mien entr tras as qu quee a las las plac placas as de desv de svia iaci ción ón -o -ori ri6o 6ont ntal al se ap aplilica ca un unaa tens tensió iónn en dien diente te de sier sierra ra 1denominada as+ porque, de forma repetida, crece suavemente y luego cae de forma rusca2. %sta tensión es producida mediante un circuito oscilador ap apro ropi piad adoo y su frecuencia frecuencia puede ajustarse dentro de un amplio rango de valores, lo que permite adaptarse a la frecuencia de la se;al a medir. %sto es lo que se denomina ase de tiempos. •
I!"#$% & '(
)ágina 6
UNI-FIM
!igura /. #epresentación esquemática de un osciloscopio.
!igura (.
•
•
%n la !igura / se puede ver una representación esquemática de un osciloscopio con indicación de las etapas m+nimas fundamentales. %l funcionamiento es el siguiente: %n el tuo de rayos catódicos el rayo de electrones electrones generado generado por el cátodo y acelerad rado por el ánodo lleg llegaa a la pa pant ntal alla la,, recu recui ier erta ta
I!"#$% & '(
)ágina 7
UNI-FIM
•
•
•
•
•
interiormente de una capa fluorescente que se ilumina por el impacto de los electrones. 5i se aplica una diferencia de potencial a cualquiera de las dos parejas de plac placas as de de desv svia iaci ción ón,, tie tiene ne luga lugarr un unaa de desv svia iaci ción ón de dell -a -a66 de electrones deido al campo elKctrico creado elKctrico creado por la tensión aplicada. >e este modo, la tensión en diente de sierra, que se aplica a las placas de desv de svia iaci ción ón -o -ori6 ri6on onta tal,l, -a -ace ce qu quee el -a -a66 se mu muev evaa de i6qu i6quie ierd rdaa a derec-a y durante este tiempo, en ausencia de se;al en las placas de desviación vertical, diuje una l+nea recta -ori6ontal en la pantalla y luego vuelva al punto de partida para iniciar un nuevo arrido. %ste retorno no es perciido por el ojo -umano deido a la velocidad a que se reali6a y a que, de forma adicional, durante el mismo se produce un apagado 1orrado2 parcial o una desviación del rayo. 5i en estas condiciones se aplica a las placas de desviación vertical la se;al a medir 1a travKs del amplificador de ganancia ajustale2 el -a6, además de moverse de i6quierda a derec-a, se moverá -acia arria o -acia aajo, dependiendo de la polaridad de la se;al, y con mayor o menor amplitud dependiendo de la tensión aplicada. *l estar los ejes de coordenadas divididos mediante marcas, es posile estalecer una relación entre estas divisiones y el per+odo per+odo del del diente de sierra en lo que se refiere al eje X y al voltaje en lo referido al Y. Bon ello a cada división -ori6ontal corresponderá un tiempo concreto, del mismo modo que a cada división vertical corresponderá una tensión concreta. >e esta forma en caso de se;ales periódicas se puede determinar tanto su per+odo como su amplitud. %l margen de escalas t+pico, que var+a de micro voltios a unos pocos voltltio vo ioss y de mi micr cros oseg egun undo doss a va vari rios os se segu gund ndos os,, -a -ace ce qu quee es este te instrumento sea muy versátil para el estudio de una gran variedad de se;ales. Limitaciones del osciloscopio analógico: %l osciloscopio analógico tiene una serie de limitaciones propias de su funcionamiento:
Las se;ales deen ser periódicas. )ara ver una tra6a estale, la se;al dee ser periódica ya que es la periodicidad de dic-a se;al la que refresca la tra6a en la pantalla. Las se;ales muy rápidas reducen el rillo. Buando se oserva parte del per+odo de la se;al, el rillo se reduce deido a que la tasa de refresco disminuye. Las se;ales lentas no forman una tra6a. Las se;ales de frecuencias ajas producen un arrido muy lento que no permite a la retina integr int egrar ar la tra6a. tra6a. %sto se solve solventa nta con tu tuos os de alt altaa pe persi rsiste stenc ncia. ia. amiKn e@ist+an cámaras )olaroid especialmente adaptadas para fotografiar las pantallas de osciloscopios. $anteniendo la e@posición durante un periodo se otiene una foto de la tra6a. 5ólo se pueden ver transito itorio rios si Kstos son repetitivos.
I!"#$% & '(
)ágina 8
UNI-FIM
(2 "scilo "scilosco scopio pio digita digital:l: %n la actualidad los osciloscopios analógicos están siendo despla6ados en gran medida por los osciloscopios digitales, entre otras ra6ones por la facilidad de poder transferir las medidas m edidas a un ordenador personal. personal. %n el osciloscopio digital la se;al es previamente digitali6ada por un conversor analógico digital. *l depender la fiailidad de la visuali6ación de la calidad de este componente, esta dee ser cuidada al má@imo. Las caracter+sticas y procedimientos se;alados para los osciloscopios analógicos son aplicales a los digitales. 5in emargo, en estos se tienen posiilidades adicionales, tales como el disparo anticipado 1pre triggering2 para la visuali6ación de eventos de corta duración, o la memori6ación del oscilograma transfiriendo los datos a un )B. %sto permite comparar medidas reali6adas en el mismo punto de un circuito o elemento. %@isten asimismo equipos que cominan etapas analógicas y digitales. •
•
•
•
%sto %stoss os osci cilo losc scop opio ioss a; a;ad aden en pres presta taci cion ones es y faci facililida dade dess al us usua uari rioo imposiles de otener con circuiter+a analógica, como los siguientes: $edida ida aut automá omátic ticaa de valores de pico, pico, má@imos y m+nimos de $ed se;al. Ferdadero valor efica6. efica6. $edida de flancos de la se;al y otros intervalos. transitorios.. Baptura de transitorios Bálculos avan6ados, como la !! !! para para calcular el espectro de la se;al.
I!"#$% & '(
)ágina 9
UNI-FIM
)*#%5 >%L "5BIL"5B")I":
6. C7LCULOS C7LCULOS Y RESUL RESULT TADOS
I!"#$% & '(
)ágina 10
UNI-FIM
8. CONCLUSI CONCLUSIONES ONES Y OBSERVA OBSERVACIONE CIONES S -
%l voltaje medido por el osciloscopio de la corriente directa no es tan similar a la medida por el mult+metro 1N%rror de 8Na más2, pero al compararla con el valor nominal 1N%rror de 'N a (4N2 lo cual evidencia que el voltaje emitido por la fuente de voltaje constante no está ien calirada.
-
%n el caso de la corriente alterna se puede apreciar como el osciloscopio nos permite calcular de manera óptima el voltaje efica6 pues su error es aceptale.
-
%l osciloscopio nos da el voltaje y el periodo tamiKn no es 3til para calc ca lcul ular ar la frec frecue uenc ncia ia co como mo se pu pued edee o ose serv rvar ar en los los cá cálc lcul ulos os y resultados de la pregunta tres donde tenemos un error medio de /.N que es aceptale.
-
%l osciloscopio puede ser usado como graficado XY como se aprecia en las las sigu siguie ient ntes es figu figura ras, s, do dond ndee se o ose serv rvaa las las cu curv rvas as de Liss Lissaj ajou ouss
-
60 Hz 120 Hz
I!"#$% & '(
)ágina 11
UNI-FIM -
180 Hz 240 Hz -
-
9. BI BIBL BLIO IO:RA :RAF;A F;A
I!"#$% & '(
)ágina 12
UNI-FIM
Young, ?ug- >. y #oger *. !reedman, !+sica universitaria volumen (. 1/(O %d.2, $K@ico, p.p.90A,909,90E,98,984, p.p.90A,909,90E,98,984, (''E. (''E. #aymond *. 5erPay y Qo-n M. QePett, !+sica para ciencias e ingenier+a. Folumen Folumen (. 1A O%d.2,$K@ico, p.p.A8,A84AA0,AA8, (''9. G. Borte6, Q. Baro, G Bastillo, )racticas de Laoratorio de !+sica,edición (''E, )er3, p.p. /(8/', (''E. !acultad de ciencia de la Dniversidad acional de Ingenier+a, manual de laoratorio de f+sica general, edición (''E, diagramaciones y dise;o gráfico !*C%, (''E
I!"#$% & '(
)ágina 13
