Equipos y materiales Generador de señales Un generador de señales, de funciones o de formas de onda es un dispositivo dispositivo electrónico electrónico de laboratorio que genera patrones de señales periódicas o no periódicas tanto analógicas como digitales. Se emplea normalmente en el diseño, prueba y reparación de dispositivos electrónicos; electrónicos; aunque también puede tener usos artísticos. Hay diferentes tipos de generadores de señales segn el propósito y aplicación que corresponder! con el precio. "radicionalmente los generadores de señales eran dispositivos est!ticos apenas configurables, pero actualmente permiten la cone#ión y control desde un $%. %on lo que pueden ser controlados mediante soft&are 'ec'o a medida segn la aplicación, aumentando la fle#ibilidad.
Generador de frecuencias (a fuente de alimentación )*enerador de +ndas es un instrumento que sirve para alimentar ciertos circuitos con la cantidad de volta-e que se necesite. Se pueden escoger diferentes tipos de ondas para alimentar un circuito •
•
Tipos de Ondas +nda Senoidal /s la m!s comn dentro de la familia de ondas, debido a que presenta muc'as venta-as con respecto a otras ondas . +ndas cuadradas y rectangulares
(as ondas cuadradas son b!sicamente ondas que pasan de un estado a otro de tensión, a intervalos regulares, en un tiempo muy reducido. (as ondas rectangulares rectangulares se diferencian de las cuadradas en no tener iguales los intervalos en los que la tensión permanece a nivel alto y ba-o. •
+ndas triangulares y en diente de sierra
Se producen en circuitos diseñados para controlar volta-es linealmente. (a onda en diente de sierra es un caso especial de señal triangular con una rampa descendente de muc'a m!s pendiente que la rampa ascendente. •
$ulsos y flancos ó escalones Señales, como los flancos y los pulsos, que solo se presentan una sola ve0, se
denominan señales transitorias. Un flanco ó escalón indica un cambio repentino en el volta-e. 11.- Funcionamiento del Generador de Frecuencias. /l funcionamiento de este instrumento es muy sencillo, se debe seleccionar el tipo de onda con el que se desea alimentar el circuito, el volta-e necesario y la frecuencia para la utili0ación del mismo.
AMPERIMET RO DC. El diseño de un amperímetro DC capaz de medir corrientes dentro de un rango específco se !asa en la utiliz aci"n de un di#isor de corriente como el mostrado en la $ig ura % . En el nodo A la c orriente i s e di# ide en dos & i % e i' . Por le( de ) irc**o+ se tiene ,ue cumplir& i - i% i' adem/s 0 A1 - i% R% - i' R'
$ig . % .2 Di#isor de Corriente.
De las dos ec uac iones anteriores podemos deduc ir las sig uientes relaciones& R'
i% - R% R' i
R% 0 amos a aplicar este principio a i ' - R% R' i nuestro diseño. 3 upong amos ,ue disponemos de un g al#an"metro cu(a corriente m/4ima es Im ( cu(a resistenc ia interna es Ri ( ,ueremos c onstruir c on 5l un amperímetro capaz de medir una corriente I donde I6 Im. 3i colocamos el gal#an"metro en una de las ramas de un di#isor de corriente o!tenemos la confguraci"n mostrada en la $igura ' .
$ig . ' .27al#an"metro en Di#isor de Corriente& A mperímetro. donde& R% Im -
I R% Ri
por lo tanto& Ri Im R% I 8 Im Para diseñar un amperímetro capaz de medir corrientes entre 9 e I A mp. a partir de un g al#an"metro cu(a corriente m/4ima es Im ( cu(a resistencia interna es Ri conectamos en paralelo con dic*o dispositi#o una resistencia de #alor R% calculado de tal :orma ,ue cuando la corriente incidente en el instrumento sea I la ,ue circule por el gal#an"metro sea Im. Con esto o!tenemos un instrumento cu(a c orriente m/4ima es I ( c u( a res is tenc ia interna es Ri en paralelo c on R% . ; .< 0 O= TIMETRO DC.
El diseño de un #oltímetro DC capaz de medir #olta>es dentro de un rang o específco se !asa en la utiliz aci"n de un di#isor de #olta>e como el mostrado en la $igura % 9 .
$ig. % 9 .2 Di#isor de #olta>e En dic *o c irc uito a c orriente ,ue c irc ula por am!as res is tenc ias es la misma por lo tanto se cumple& 0 - i R% i R' 0 - ?R% R' @ i pero 0% 0 % - i R% - 6 i R% R' 0 - R% 0%
R%
de donde R% 0 %-
0 ?; .% % @ R% R'
0 amos a aplicar este principio al diseño de un #oltímetro. El gal#an"metro tiene una res is tenc ia interna Ri ( una c orriente m/4ima Im de!ido a esto el #olta>e m/4imo entre los e4tremos del mis mo es 0 ma4 - Ri Im. 3 i ,ueremos dis eñar un # olt ímet ro capaz de detectar entre sus terminales #olta>es *asta de E #oltios ?donde E6 0 ma4@ de!emos conectar en serie con el gal#an"metro una resistencia R% como se indica en la $ig ura % % .
$ig. % % .2 7al#an"metro en Di#isor de 0 olta>e& 0 oltímetro.
El #alor de R% de!e ser tal ,ue& Ri 0 m - Ri Im Ri
E ?; .% ' @
R%
Por lo tanto& R% - E 8 R i Im
?; .% < @
Im
Con esta confg uraci"n tenemos un instrumento ,ue marc a m/4ima escala cuando el #olta>e entre sus terminales es E.
OMETRO. Bn "*metro es un instrumento capaz de medir el #alor de una res is tenc ia c uando 5s ta s e c onec ta entre s us terminales . Dado ,ue la resistencia es un elemento pasi#o es necesario ,ue el instrumento conteng a un elemento acti#o capaz de producir una corriente ,ue pueda detectar el g al#an"metro incluido en dic*o instrumento. Por lo tanto el circuito !/sico del "*metro es el mostrado en la $igura % . El procedimiento de diseño !/sico para este instrumento es el siguiente& En primer lug ar supongamos ,ue la !atería tiene un #alor dado ? es una pila de las ,ue podemos conseg uir en el mercado@ por lo ,ue el #alor ,ue de!emos determinar para f>ar las condiciones del circuito es el de la resistencia R.
$ig. l .2Circuito !/sico del "*metro. 3i la resistencia inc"gnita es ? circuito a!ierto@ no circula corriente por el circuito por lo tanto en la escala del g gal#an"metro R4- c orresponde a la posic i"n de la agu>a cuando la c orriente es nula ? usualmente el e4tremo iz,uierdo de la escala@ .
Para cual,uier otro #alor de R4 circular/ iert a corrient e por el circuito ,ue ser/ m/4ima cuando R4 - 9 . A *ora !ien como la m/4ima corriente ,ue puede circular por el gal#an"metro es Im para R4 - 9 se de!e cumplir& E - ?Ri R@ Im de donde E R-
8 Ri
Im Bna #ez calculado este #alor el circuito est/ totalmente especifcado. Podemos a*ora c ali!rar la escala en o*mios utiliz ando res is tenc ias patr"n de dis tintos # alores o realiz ar una cali!raci"n en :orma te"rica empleando la ecuaci"n anterior. Como podemos o!ser#ar la u!icaci"n de los #alores de las res is tenc ias en la es c ala es nica ( est/ totalmente defnida. 3i por e>emplo o!tenemos una distri!uci"n como la mostrada en la $ig ura % F s er/ mu( di:ícil realiz ar mediciones de resistenc ias cu(os #alores sean del orden de % 9 G o de % MG. Por lo t ant o para dis eñar "*met ros donde podamos seleccionar por e>emplo la resistencia correspondiente a media escala es necesario plantear nue#as confg uraciones.
$ig. % F .2 Cali!raci"n de la escala de un "*metro.
$recisión, e#actitud y sensibilidad La Precisión en un instrumento de medición se refiere simplemente a la diferencia de varias medidas reali0adas ba-o las mismas condicionas contra un valor preestablecido. $ara comprender esto digamos que tenemos un 1oltimetro y una fuente de poder fi-a a 2 1, esta fuente a sido desarrollada para tener ese volta-e de salida para comprobar la precisión de los instrumentos, osea estos 2 1olts son nuestro valor predeterminado, a'ora tomamos nuestro 1oltimetro y medimos la salida de nuestra fuente, imaginemos que reali0amos esta prueba 34 veces ba-o las mismas condiciones 5al 'ablar de las mismas condiciones nos referimos a cualquier fuer0a o magnitud física que pueda cambiar la medición como por e-emplo la temperatura, la 'umedad, etc. 6etomando lo anterior supongamos que tuvimos los siguientes valores en las 34 mediciones 2, 7.8, 2, 7.9, 2, 7.8, 2, 7.9, 2, 2
como podemos observar en : de las 34 pruebas el valor fue de 2 1olts lo cual indica que el instrumento es preciso, una cosa importante es que si 7.8 fuera el valor que m!s se repite entonces el instrumento también seria preciso aun que ya no seria exacto , esto es debido a que la precisión te indica cuantas veces se repite una medición ba-o las mismas condiciones comparado con un valor predeterminado, entre menor sea la diferencia entre los valores repetidos y el valor predeterminado se puede decir que el instrumento es preciso. (a forma de determinar esto es muy sencilla, generalmente a la 'ora de comprar un instrumento de medición este trae un instructivo o manual el cual indica cual es el porcenta-e de error, osea que si el valor es de 2 volts y el porcenta-e de error es del < estaríamos 'ablando de un error de 4.3 1 lo cual llevaria a medir 7.8 1olts lo cual indica que es preciso y e#acto.
=nuncio (a Exactitud en cuanto a instrumentos relacionados con mediciones eléctricas se refiere a que tan cercana es la medición del instrumento comparada con el valor real proporcionado por los laboratorios encargados de crear dic'o instrumento, para comprender esto debemos enfati0ar el concepto de )calibración, esta palabra contiene muc'a definiciones pero sin embargo su función principal es 5a falta de una me-or palabra> la afinación del instrumento para que este contenga el menor margen de error, si queremos entender esto con un e-emplo m!s practico y cotidiano simplemente debemos remontarnos a unos años atr!s donde los relo-es poseían manecillas y comple-os sistemas de engrana-es 5aun los 'ay pero seamos sinceros ya todos ven la 'ora en un celular> estos relo-es debían ser calibrados con el tiempo ya que a lo largo de un año dependiendo de los materiales con los que estuviera 'ec'o sin duda se atrasaría en el me-or de los casos unos segundos o en el peor incluso minutos. (a acción de calibrar el relo- era que la 'ora del día mostrada en el mismo fuera proporcional a los relo-es maestros creados por ingenieros para medir el tiempo con e#actitud 5pero nos salimos del tema>. =l a-ustar el relo- se 'acia menor el error en cuanto al tiempo, pues esto mismo se aplica en los instrumentos de medición, si tomamos como e-emplo un 1oltimetro este puede de-ar de ser exacto con el paso del tiempo , si al principio lo probamos con un valor real de 21 y después de un año lo probamos de nuevo y nos da 7.? 1 implica que este tiene un margen de error de 4.@ 1 lo cual indica que ya no es e#acto, la función de la calibración es reducir ese error a su mínima e#presión posible asiendo que ese 4.@ se convierta en 4.444@ 1, siempre e#istir! un margen de error esa es una ley que qui0! no se enseña muy a menudo pero para el diseño de circuitos es un factor a tomar en cuenta.
$or ultimo, la Sensibilidad se refiere a la respuesta que el instrumento de medición tenga para medir una variable y que tan r!pida sea este para estabili0ar su medida. $or e-emplo supongamos que tenemos un 1oltimetro y queremos medir una salida predefinida de 8 volts, al conectar el 1oltimetro podemos notar 5dependiendo si es digital o analógico> que el valor llega a la medición correcta en cuestión de segundos, se dice que
estos instrumentos tienen una sensibilidad correcta y estable, sin embargo e#isten medidores con la capacidad de responder con precisión y e#actitud en mili segundos lo cual los provee también de la propiedad de sensibilidad.
EL OSCILOSCOPIO ¿Qué es un osciloscopio? El osciloscopio es basicamente un dispositivo de visualización gr!ica "ue muestra se#ales electricas variables en el tiempo$ El e%e vertical& a partir de a'ora denominado (& representa el volta%e) mientras "ue el e%e 'orizontal& denominado *& representa el tiempo$ ¿Qué podemos 'acer con un osciloscopio? +asicamente esto, •
-eterminar directamente el periodo . el volta%e de una se#al$
•
-eterminar indirectamente la !recuencia de una se#al$
•
-eterminar "ue parte de la se#al es -C . cual /C$
•
Localizar averias en un circuito$
•
0edir la !ase entre dos se#ales$
•
-eterminar "ue parte de la se#al es ruido . como varia este en el tiempo$
Articulo extraido de Lidernet.com Firmado por Agustin Borrego Colomer Los osciloscopios son de los instrumentos ms versatiles "ue e1isten . lo utilizan desde técnicos de reparación de televisores a médicos$ 2n osciloscopio puede medir un gran n3mero de !enomenos& provisto del transductor adecuado 4un elemento "ue convierte una magnitud !5sica en se#al eléctrica6 ser capaz de darnos el valor de una presión& ritmo cardiaco& potencia de sonido& nivel de vibraciones en un coc'e& etc$ ¿Qué tipos de osciloscopios e1isten? Los e"uipos electrónicos se dividen en dos tipos, /nalógicos . -igitales $ Los primeros traba%an con variables continuas mientras "uie los segundos lo 'acen con variables discretas$ Por e%emplo un tocadiscos es un e"uipo analógico . un Compact -isc es un e"uipo digital$ Los Osciloscopios también pueden ser analógicos ó digitales$ Los primeros traba%an directamente con la se#al aplicada& est una vez ampli!icada desvia un 'az de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor$ En contraste los osciloscopios digitales utilizan previamente un conversor analógico7digital 4/8-6
para almacenar digitalmente la se#al de entrada& reconstru.endo posteriormente esta in!ormación en la pantalla$ /mbos tipos tienen sus venta%as e inconvenientes$ Los analógicos son pre!eribles cuando es prioritario visualizar variaciones rpidas de la se#al de entrada en tiempo real$ Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar . estudiar eventos no repetitivos 4picos de tensión "ue se producen aleatoriamente6$ ¿Qué controles posee un osciloscopio t5pico? / primera vista un osciloscopio se parece a una pe"ue#a televisión portatil& salvo una re%illa "ue ocupa la pantalla . el ma.or n3mero de controles "ue posee$ En la siguiente !igura se representan estos controles distribuidos en cinco secciones,
99 :ertical$ 99 ;orizontal$ 99 -isparo$ 99 Control de la visualización 99 Conectores$ ¿Como !unciona un osciloscopio? Para entender el !uncionamiento de los controles "ue posee un osciloscopio es necesario deternerse un poco en los procesos internos llevados a cabo por este aparato$ Empezaremos por el tipo analógico .a "ue es el ms sencillo$
Osciloscopios analógicos
Cuando se conecta la sonda a un circuito& la se#al atraviesa esta 3ltima . se dirige a la sección vertical$ -ependiendo de donde situemos el mando del ampli!icador vertical atenuaremos la se#al ó la ampli!icaremos$ En la salida de este blo"ue .a se dispone de la su!iciente se#al para atacar las placas de de!le1ión verticales 4"ue naturalmente estan en posición 'orizontal6 . "ue son las encargadas de desviar el 'az de electrones& "ue surge del catodo e impacta en la capa !luorescente del interior de la pantalla& en sentido vertical$ ;acia arriba si la tensión es positiva con respecto al punto de re!erencia 4<=-6 ó 'acia aba%o si es negativa$ La se#al también atraviesa la sección de disparo para de esta !orma iniciar el barrido 'orizontal 4este es el encargado de mover el 'az de electrones desde la parte iz"uierda de la pantalla a la parte derec'a en un determinado tiempo6$ El trazado 4recorrido de iz"uierda a derec'a6 se consigue aplicando la parte ascendente de un diente de sierra a las placas de de!le1ión 'orizontal 4las "ue estan en posición vertical6& . puede ser regulable en tiempo actuando sobre el mando >I0E7+/SE$ El retrazado 4recorrido de derec'a a iz"uierda6 se realiza de !orma muc'o ms rpida con la parte descendente del mismo diente de sierra$ -e esta !orma la acción combinada del trazado 'orizontal . de la de!le1ión vertical traza la gr!ica de la se#al en la pantalla$ La sección de disparo es necesaria para estabilizar las se#ales repetitivas 4se asegura "ue el trazado comienze en el mismo punto de la se#al repetitiva6$
En la siguiente !igura puede observarse la misma se#al en tres a%ustes de disparo di!erentes, en el primero disparada en !lanco ascendente& en el segundo sin disparo . en el tercero disparada en !lanco descendente$
Como conclusión para utilizar de !orma correcta un osciloscopio analógico necesitamos realizar tres a%uste bsicos, •
•
•
La atenuación ó ampli!icación "ue necesita la se#al$ 2tilizar el mando /0PL$ para a%ustar la amplitud de la se#al antes de "ue sea aplicada a las placas de de!le1ión vertical$ Conviene "ue la se#al ocupe una parte importante de la pantalla sin llegar a sobrepasar los l5mites$ La base de tiempos$ 2tilizar el mando >I0E+/SE para a%ustar lo "ue representa en tiempo una división en 'orizontal de la pantalla$ Para se#ales repetitivas es conveniente "ue en la pantalla se puedan observar apro1imadamente un par de ciclos$ -isparo de la se#al$ 2tilizar los mandos >I<I<O 4tipo de disparo6 para estabilizar lo me%or posible se#ales repetitivas$
Por supuesto& también deben a%ustarse los controles "ue a!ectan a la visualización, @OC2S 4en!o"ue6& I=>E=S$ 4intensidad6 nunca e1cesiva& (7POS 4posición vertical del 'az6 . *7POS 4posición 'orizontal del 'az6$ Osciloscopios digitales Los osciloscopios digitales poseen adems de las secciones e1plicadas anteriormente un sistema adicional de proceso de datos "ue permite almacenar . visualizar la se#al$
Cuando se conecta la sonda de un osciloscopio digital a un circuito& la sección vertical a%usta la amplitud de la se#al de la misma !orma "ue lo 'acia el osciloscopio analógico$ El conversor analógico7digital del sistema de ad"uisición de datos muestrea la se#al a intervalos de tiempo determinados . convierte la se#al de volta%e continua en una serie de valores digitales llamados muestras $ En la sección 'orizontal una se#al de relo% determina cuando el conversor /8- toma una muestra$ La velocidad de este relo% se denomina velocidad de muestreo . se mide en muestras por segundo$
Los valores digitales muestreados se almacenan en una memoria como puntos de se#al$ El n3mero de los puntos de se#al utilizados para reconstruir la se#al en pantalla se denomina registro$ La sección de disparo determina el comienzo . el !inal de los puntos de se#al en el registro$ La sección de visualización recibe estos puntos del registro& una vez almacenados en la memoria& para presentar en pantalla la se#al$ -ependiendo de las capacidades del osciloscopio se pueden tener procesos adicionales sobre los puntos muestreados& incluso se puede disponer de un predisparo& para observar procesos "ue tengan lugar antes del disparo$
@undamentalmente& un osciloscopio digital se mane%a de una !orma similar a uno analógico& para poder tomar las medidas se necesita a%ustar el mando /0PL$&el mando >I0E+/SE asi como los mandos "ue intervienen en el disparo$ 0étodos de muestreo Se trata de e1plicar como se las arreglan los osciloscopios digitales para reunir los puntos de muestreo$ Para se#ales de lenta variación& los osciloscopios digitales pueden per!ectamente reunir ms puntos de los necesarios para reconstruir posteriormente la se#al en la pantalla$ =o obstante& para se#ales rpidas 4como de rpidas depender de la m1ima velocidad de muestreo de nuestro aparato6 el osciloscopio no puede recoger muestras su!icientes . debe recurrir a una de estas dos técnicas, •
•
Interpolación & es decir& estimar un punto intermedio de la se#al basandose en el punto anterior . posterior$ 0uestreo en tiempo e"uivalente $ Si la se#al es repetitiva es posible muestrear durante unos cuantos ciclos en di!erentes partes de la se#al para después reconstruir la se#al completa$
0uestreo en tiempo real con Interpolación El método standard de muestreo en los osciloscopios digitales es el muestreo en tiempo real, el osciloscopio reune los su!icientes puntos como para recontruir la se#al$ Para se#ales no repetitivas ó la parte transitoria de una se#al es el 3nico método vlido de muestreo$ Los osciloscopios utilizan la interpolación para poder visualizar se#ales "ue son ms rpidas "ue su velocidad de muestreo$ E1isten basicamente dos tipos de interpolación, Lineal , Simplemente conecta los puntos muestreados con lineas$ Senoidal , Conecta los puntos muestreados con curvas seg3n un proceso matemtico& de esta !orma los puntos intermedios se calculan para rellenar los espacios entre puntos reales de muestreo$ 2sando este proceso es posible visualizar se#ales con gran precisión disponiendo de relativamente pocos puntos de muestreo$
0uestreo en tiempo e"uivalente /lgunos osciloscopios digitales utilizan este tipo de muestreo$ Se trata de reconstruir una se#al repetitiva capturando una pe"ue#a parte de la se#al en cada ciclo$E1isten dos tipos bsicos, 0uestreo secuencial7 Los puntos aparecen de iz"uierda a derec'a en secuencia para con!ormar la se#al$ 0uestreo aleatorio7 Los puntos aparecen aleatoriamente para !ormar la se#al
