Laboratorio 10 Fecha 2017-11-06. Docente: J ames Andrés Barrera Moncada
EL OSCILOSCOPIO The Oscilloscope
RESUMEN En esta práctica se va a conocer acerca del funcionamiento interno de un osciloscopio, mediante el uso de un generador de ondas, con el cual se pueda analizar como las diferentes señales del tiene un comportamiento diferente. Además se va a comparar física y matemáticamente lo obtenido experimentalmente, con el voltaje real, y el voltaje pico a pico que llegue a los hogares y a su vez a partir de los datos cual debería ser la frecuencia de onda para que se produzca este proceso, sabiendo que este razonamiento razonamiento se da a partir de unos cuadros medidos en el osciloscopio.
ABSTRACT: In this practice it is to know about the inner workings of an oscilloscope, using a wave generator, with which you can anal yze how different signals has a diff erent behavior. In addition it will compare physical and mathematically mathematically that obtained experimentally, with the actual voltage, and peak voltage peak that reaches homes and in turn from the data which should be the wave frequency for this process to occur, knowing that this reasoning is given from a few frames measured on the oscilloscope.
orge Andrés Cardona Hernández Lic. en matemáticas y física Cód. 1.113.792.538
[email protected]
uan David Herrera Trujillo Ing. mecánica Cód. 1.087.493.767
[email protected]
Esteban Toro Hincapié Ing. en sistemas y computación Cód. 1.088.035.728
[email protected]
frecuencia, generador de onda, osciloscopio, periodo, Palabras clave: Corriente, frecuencia, voltaje.
ABSTRACT Keywords: Current, frequency, wave generator, oscilloscope, period, voltage. forma de un gráfico bidimensional que muestra como la OBJETIVOS
Adquirir los conceptos físicos básicos involucrados en el funcionamiento de un osciloscopio. Ganar habilidad y manejo apropiado de los controles de un osciloscopio. Manejar con propiedad el generador de señales. Interpretar señales periódicas en el tiempo partiendo del oscilograma que presenta el osciloscopio.
1. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA El osciloscopio de rayos catódicos es uno de los instrumentos electrónicos normalmente más utilizados. Trabaja basándose en el principio de un haz electrónico recubrimiento de que “pinta” sobre una pantalla con recubrimiento fósforo de un tubo de rayos catódicos. La pantalla tiene la
señal varia con el tiempo o con alguna otra señal. El osciloscopio es, esencialmente, una forma particular de voltímetro. voltímetro. Sin embargo, embargo, componentes adicionales hacen posible la utilización del del osciloscopio como como algo más que un voltímetro voltímetro con pantalla. [1] A pesar de su extenso uso, el osciloscopio es relativamente desconocido, pues a menudo se considera
que ofrece una visión “continua” de los valores
instantáneos de la señal, cuando en realidad solo representa una superposición de fragmentos o una sucesión de valores instantáneos de esta. Los osciloscopios digitales pueden llegar incluso a presentar señales falsas cuando no se utilizan correctamente. [2] La función básica de los osciloscopios es capturar y representar visualmente una señal, para permitir su análisis en el dominio del tiempo. Pueden ser analógicos o digitales. [2] Los osciloscopios analógicos se basan en el tubo de rayos catódicos. Consiste en un tubo de vacío con
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2 elementos de enfoque capaces de producir un haz estrecho de electrones, que se enfoca en un blanco fosforescente, y al que se dota de un sistema dinámico para desviar el haz en las direcciones vertical y horizontal. [2] Los osciloscopios digitales toman muestras de la señal que se desea estudiar, cuantifican su valor y almacenan el resultado numérico en una memoria digital hasta tener un número de puntos suficiente para representar la señal de una forma coherente. Entonces convierten cada número en una tensión analógica que se representa como la ordenada de un punto en la pantalla reticulada. [2]
Pre informe Ilustrar y describir el movimiento de una partícula cargada eléctricamente dentro de un campo eléctrico uniforme o moviéndose en un campo magnético. R. Una partícula cargada que está en una región donde hay un campo eléctrico, experimenta una fuerza igual al producto de su carga por la intensidad del campo eléctrico F e=q·E.
o
o
Si la carga es positiva, experimenta una fuerza en el sentido del campo. Si la carga es negativa, experimenta una fuerza en sentido contrario al campo.
Consultar la frecuencia de la señal de corriente alterna en su casa. R. 60 Hz
¿Cuál es el voltaje pico a pico y el valor medio V rms del voltaje que entra a su casa
R. V pico = VRMS / 0.707 Vrms = 110 Voltios V pico = 110 / 0.707 = 155.58 Voltios pico
Explique el principio básico de funcionamiento de la pantalla de un televisor o el monitor de un microcomputador.
R. Un televisor produce una serie de puntos pequeños sobre una pantalla. Cuándo una persona ve el conjunto de estos pequeños puntos aprecia una imagen completa. Los televisores antiguos utilizaban un tubo de rayos catódicos para producir las imágenes y funcionaban con señales analógicas. Las señales de televisión actuales se transmiten en digital. El paso de analógico al digital permitió la creación de televisores con otro tipo de tecnología.
El tubo de rayos catódicos
Una partícula que se mueve en un campo magnético experimenta una fuerza F m=q·v×B. El resultado de un producto vectorial es un vector de o
o
o
Módulo igual al producto de los módulos por el seno del ángulo comprendido qvB sinθ . Dirección perpendicular al plano formado por los vectores velocidad v y campo B . Y el sentido se obtiene por la deno minada regla del sacacorchos. Si la carga es positiva el sentido es el del producto vectorial v×B, como en la figura de la izquierda. Si la carga es negativa el sentido de la fuerza es contrario al del producto vectorial v×B, figura de la
derecha.
Consiste en un tubo vacío con un extremo estrecho y un extremo ancho. En el extremo estrecho hay un emisor de electrones. Una serie de imanes electromagnéticos guían estos electrones hacia puntos específicos en el extremo ancho del tubo, extremo en el que se sitúa la pantalla que los espectadores miran. La superficie interna de la pantalla está cubierta por sustancias fosforescentes que se iluminan cuándo le chocan los electrones que llegan del otro extremo. Junto a las sustancias fosforescentes también hay plomo para bloquear los rayos X y proteger al usuario de sus efectos. Existen diferentes tipos de sustancias fosforescentes y cada una produce un color distinto. Con la combinación de estos colores se puede obtener toda la gama que el humano puede ver. Los iones que viajan desde el emisor hacia la pantalla son filtrados y dirigidos hacia los puntos exactos que se necesitan para formar una determinada imagen.
Pantallas Plasma Una pantalla de plasma consiste en pequeñas celdas llenas de gas neón y xenón. Cada celda está conectada a un electrodo que al acti varse produce una excitación en el gas contenido en la celda. Los gases excitados emiten partículas cargadas, similares a las emitidas por el emisor de electrones del CRT, que interaccionan con las sustancias fosforescentes que recubren el cristal que hay en una de las caras de cada celda. Las sustancias fosforescentes se iluminan y crean la imagen que se ve en la pantalla de la televisión. A mayor número de celdas en la pantalla de plasma, mayor número de píxeles, produciendo una imagen más clara y brillante.
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2. PROCEDIMIENTO Identificación del equipo El osciloscopio que se utiliza en esta práctica es de marca HUNG CHANG DE 40 MHz modelo 6502. Posteriormente se identifica los siguientes controles del panel frontal del osciloscopio y se describe su función.
a. On – off: Encender y apagar. b. Intensidad: Controla la luminosidad de la c. d. e. f. g. h. i. j.
k. l. m. n. o.
pantalla. Foco: Adecua la señal de una forma más o menos nítida. Posición X: Permite desplazar las señales de manera horizontal. Posición Y: Permite desplazar las señales de manera vertical. Entrada canal 1 ó X: Conecta en paralelo el osciloscopio al generador de ondas. Entrada canal 2 ó Y: Cumple la misma función que el canal 1. Tierra: Mecanismo de protección contra la corriente.
Escala de ganancia vertical (Volt/div): Permite cambiar la escala (el valor que representa cada cuadro en el eje y en volts) Escala de barrido (tiempo/div): Permite cambiar la escala (el valor que representa cada cuadro en el eje x en milisegundos y en microsegundos) Modo: Se refiere al tipo de corriente que le entra al osciloscopio, puede ser AC o DC. Barrido externo: Permite darle una señal de referencia al osciloscopio. Calibración (Cal): Permite visualizar una señal a 0,5 volts. Disparo (Trigger): Permite visualizar la señal de manera estática. DC-AC: Cambia el tipo de corriente entre directa y alterna.
El generador de ondas que se utiliza en esta práctica es de marca HUNG CHANG modelo 9205c. Posteriormente se identifica los siguientes controles y se describe la función de cada uno.
a. Atenuación: Permite eliminar el ruido de la señal.
b. Tipo de señal: Permite cambiar la señal entre sierra, sinusoidal o cuadrada
c. Multiplicador de frecuencia: Permite cambiar el valor de determinado.
la
frecuencia
en
un
rango
d. Selector de frecuencia: Varía la frecuencia entregada al osciloscopio.
Uso y manejo del osciloscopio
Se acopla las puntas de prueba del osciloscopio y la sonda del generador adecuadamente respetando la polaridad. Posteriormente se enciende el osciloscopio y el generador de señales, se toma una señal cuadrada de baja frecuencia y se lleva al osciloscopio por uno de los canales y se varia la frecuencia de barrido, finalmente se explica porque se observa a veces dos puntos, una raya vertical o un solo punto sobre la pantalla. Desde la perilla correspondiente, se selecciona un tie mpo de barrido de 0,2 s en el osciloscopio y se registra cuánto tarda el chorro de electrones en recorrer 10 cm sobre la pantalla en dirección horizontal, se cambia tres veces la frecuencia de la señal del generador sin variar el tiempo de barrido en el osciloscopio y se observa cuánto tarda el chorro de electrones en recorrer 10 cm a lo largo del eje horizontal y con estos datos se calcula la velocidad en cm/s, en cada caso se especifica la frecuencia, el tiempo de barrido y la velocidad. A continuación se emplea otro tiempo de barrido mayor y se mide el tiempo que tarda el haz de electrones en recorrer 10 cm a lo largo del eje horizontal. Se anota la frecuencia de la señal externa y el tiempo de barrido. Se toma una señal sinusoidal del generador de ondas y se varía el tiempo de barrido en el osciloscopio hasta que se obtenga una oscilación completa en la pantalla. Se varía la ganancia vertical hasta desplegar la señal cómodamente sobre la pantalla. Para la señal sinusoidal anterior se mide su frecuencia; además se mide en la pantalla del osciloscopio el voltaje pico a pico V pp de la señal sinusoidal. Para ello se debe calibrar el osciloscopio, medir el número de divisiones verticales que cubre la señal y se anota la escala de ganancia usada. Además se debe considerar posible la atenuación de la señal por la punta de prueba del osciloscopio. Para que se obtenga una línea vertical se puede eliminar el barrido horizontal. Con el multímetro se mide el voltaje V rms de la señal y se halla Vrms/V0. Finalmente se toma una señal cuadrada del generador y se mide con el osciloscopio V 0. También se mide con el multímetro el valor V rms de la misma señal y se compara los dos valores medidos.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN a. Se establece una señal cuadrada de baja frecuencia, (0,42 KHz) y se varia la frecuencia de barrido, en esta variación se observa una raya vertical, o dos puntos. Esto se debe a que cuando se aumenta la frecuencia de barrido el periodo se hace tan pequeño que solamente se ven dos puntos, caso contrario a cuando se disminuye la frecuencia de barrido el periodo se hace tan grande que sol se ve una línea recta.
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b.
Se establece un tiempo de barrido de 0.2 ms y se registra cuanto tiempo tarda el chorro de electrones en recorrer 10 cm sobre la pantalla al cambiar 3 veces la frecuencia de señal, para este caso la frecuencia que se emplea son: 1,50 KHz, 1,32 KHz y 1,45 KHz. A continuación se presenta los cálculos de velocidad en cm/s.
Frecuencia (KHz)
Tiempo (s)
Velocidad (cm/s)
1,50 1,32 1,45
2,00 4,00 6,02
1,428 2,500 1,500
Tabla 1.
c. Se realiza el mismo del literal b pero se emplea
4. PREGUNTAS
¿Cuál es el periodo mínimo que puede medir con su osciloscopio?
R. Cuando se toma una señal cuadrada de b aja frecuencia y varia la frecuencia de barrido se ve una línea vertical cuando hay un menor tiempo de barrido, y se observa un punto cuando aumenta el tiempo de barrido. El periodo mínimo que mide el osciloscopio es de
Esto lo podemos deducir teniendo en cuenta la frecuencia máxima del osciloscopio que es de 40 MHz, por lo que su periodo según la fórmula es de:
un tiempo de barrido mayor, para este caso es 50 ms.
Frecuencia (KHz) 2.16
Tiempo (s)
Velocidad (cm/s)
1,86
5,37
0.025
segundos.
= Entonces
=
1
1 = 0,025 40
Tabla 2.
d. Para una señal sinusoidal se mide su frecuencia y el voltaje pico a pico V pp. Tiempo de barrido= 4 ms
=
Los osciloscopios se utilizan en la industria y en los laboratorios para comprobar y ajustar el equipamiento electrónico y para seguir las rápidas variaciones de las señales eléctricas, ya que son capaces de detectar variaciones de millonésimas de segundo.
1 1 = = 250 4
El generador entrega 250 Hz
e. Con el multímetro se mide el voltaje V rms de la señal y se halla Vrms/V0 Vrms (multímetro) = 14 V
= f.
14 = = 10 √ 2 √ 2
Se toma una señal cuadrada y se mide con el osciloscopio el valor de V0 de igual manera se mide con el multímetro el valor V rms de la misma señal. Para una señal cuadrada el valor V rms=V0, ya que la señal cuadrada es una señal constante. Lo anterior se comprueba experimentalmente al realizar las mediciones, las cuales arrojan los siguientes resultados V0 = 10 V V0 (multímetro)= 10 V
Consulte ¿Qué ocurrirá si colocamos un imán cerca al cañón de electrones o a l a pantalla?
R. Si se acerca un imán a la pantalla se altera el magnetismo y con ello la incidencia el rayo catódico sobre la pantalla. Normalmente causara una deformación en la imagen y problemas con los colores hasta que se retira el campo magnético. Lo mejor es no hacerlo pues el daño puede ser permanente. Ya que la pantalla queda con un arco iris de colores distorsionados que persisten en aparecer aún después de que se ha retirado el imán, por tanto se deforma la imagen, color y forma. Lo anterior se explica en el hecho de que los campos magnéticos afectan la trayectoria que describe una partícula eléctricamente cargada, como sucede con los electrones que forman las imágenes sobre la pantalla del monitor .
Dibuje el oscilograma de la instrucción 10.6.2 literal e de la guía de trabajo, con sus valores respectivos de amplitud y periodo.
R.
3 ∗ 0,025 = 0,075 =
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=
5
1 1 = ∗ 100 = 1,33 0,075
¿Cómo mediría con un osciloscopio la frecuencia del voltaje en cualquier toma del laboratorio? ¿Qué precauciones debe tomar? No lo intente sin la supervisión del profesor.
R. Para medir la frecuencia del voltaje en un toma
ms 7,5
14
corriente del laboratorio se tendría que tener mucho cuidado de no estropear los aparatos con los cuales se van a trabajar puesto que el voltaje es alto. En el caso de Colombia es mucho más cómodo poder hacer este experimento puesto que el V mrs manejado es de 110 V Para tomar esta medida con el osciloscopio primero necesitamos saber a qué amplitud poner el osciloscopio, para esto se puede utilizar la siguiente formula:
Consulte ¿Que figura obtendremos en la pantalla del osciloscopio si a las placas horizontales y verticales llevamos dos señales idénticas (asumiendo que la diferencia de fase es cero)?. Se asume que al osciloscopio se le ha alimentado con señales tanto por el canal 1 como por el canal 2.
=
Con este formula podemos decir que la a mplitud a la cual calibrar el osciloscopio sería de:
R. Suponemos que si tanto las placas horizontales como las verticales tienen señales idénticas y si el osciloscopio se ha alimentado con señales tanto por el canal 1 como por el canal dos, el oscilograma mostrará solo una gráfica ya que la distancia que tendría una gráfica de la otra en toda su línea seria cero. Pero en caso de que exista un desfase en las gráficas que representa ambos canales la pantalla del osciloscopio mostrará alguna de las gráficas de las figuras de Lissajous, algunas de las cuales son las siguientes
√ 2 2
=
110 = 155,563 √ 2 2
Con esto podemos decir que una escala de ganancia vertical de 40 Volt/división sería adecuada para tomar esta medida
¿Cuál es el error porcentual entre el voltaje eficaz Vrms, calculado con la ecuación 10.1 y el medido con el multímetro Fluke, considerando para este ejercicio este último valor como referencia o patrón.
Error % =
9,96 − 10,04 ∗ 100 = 10,01 % 9,96
Para una señal cuadrada, ¿se cumple que el valor eficaz de Vrms = V0? Evalúe la instrucción 10.6.2 literal i.
R. En el literal i se obtuvieron los siguientes valores:
= 10 = 10 Vrms= Estas curvas son las figuras mostradas por el efecto de dos graficas sinusoidales superpuestas.
Vrms=
√ = = 7,07 V √ √
Es de notar que ambas medidas no son i guales puesto que Vrms está dado por la formula
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6
=
√2
Por lo tanto
= √2 ∗
voltajes pico a pico y el voltaje real que circulan en nuestros hogares.
Con esto podemos decir que Vrms es diferente de Vo
5. CONCLUSIONES
En esta práctica se demostró cual es el valor real que entra a nuestros hogares si partimos de que con una determinada frecuencia se produce un cierto voltaje y a su vez sabiendo que el osciloscopio sirve para establecer de forma directa y con una multiplicación simple el voltaje pico a pico y el voltaje real medido con el cual mediante ciertos cálculos y razonamientos se pudo observar que era Vrms= V0/√2 . Mediante esta práctica se conoce el hecho de que el funcionamiento de un osciloscopio está basado en la forma en como los televisores CRT(Tubos de Rayos Catódicos) funcionan, ya que estos emplean un mecanismo eléctrico de ionización en el cual generan unos cátodos y unos ánodos que van al donde de la botella “la pantalla” para producir una reacción de barrido horizontal y vertical necesaria para producir una imagen respectiva, siendo en el caso del osciloscopio la imagen de la onda desde diferentes perspectivas, velocidades, y formas , que me ayuden a establecer ciertos patrones de ondas dados. A través de la experiencia en el laboratorio se analizó que las propiedades anteriormente nombradas se utilizan, en diferentes instrumentos de medida, como lo es el microscopio electrónico, en el osciloscopio de rayos catódicos y en el tubo de imagen de los receptores de televisión CRT En el funcionamiento interno del osciloscopio se puedo observar que los rayos catódicos que se generaban eran desviados por campos magnéticos y eléctricos, por lo cual se puede intuir que aprender cómo se comportan estos campos cada uno por separado y interactuando mutuamente, es muy necesario para entender por qué el osciloscopio efectivamente representa un instrumento de medida eficaz y confiable para analizar los diferentes patrones de onda generados por las señales de corrientes alternas y directas. Teniendo en cuenta la escala de barrido en volts y el número de cuadros dados en un periodo de oscilación de la onda, se puede establecer los
Los osciloscopios se utilizan en la industria y en los laboratorios para comprobar y ajustar el equipamiento electrónico y para seguir las rápidas variaciones de las señales eléctricas, ya que son capaces de detectar variaciones de millonésimas de segundo. Entre más rápido sea el tiempo de barrido el tiempo para ver la onda. Cuando el interruptor electrónico se encuentra en modo alterno, se muestra la salida de un canal vertical para un barrido completo y a continuación se muestra la salida del otro canal en el siguiente barrido. Se utiliza para velocidades de barrido relativamente altas. Cuando se observan dos señales de frecuencia menor, el interruptor electrónico se lleva al modo muestreado
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