Uso Del Osciloscopio

Manual de Laboratorio de Física III

USO DEL OSCILOSCOPIO. 1.1 OBJETIVOS. Identificar los controles respectivas funciones.

principales

de

un

osciloscopio

y

sus

Calibrar adecuadamente un osciloscopio para prepararlo a medir. Realizar correctamente medidas de voltajes directos y alternos. Utilizar la base de tiempo para medir frecuencias de señales alternas.

1.2 INTRODUCCIÓN TEÓRICA. 1.2.1 Descripción. El osciloscopio es un instrumento electrónico de medición, que si bien directamente solo mide voltajes, puede medir indirectamente una gran cantidad de magnitudes físicas, siempre y cuando se pueda asociar un voltaje directamente proporcional a la magnitud de interés. Esto hace que el osciloscopio sea utilizado en casi cualquier disciplina, desde aplicaciones de ingeniaría eléctrica, hasta mediciones en medicina, etc. A diferencia de un multiprobador o un voltímetro normal, que solamente dan información de los valores promedios de voltaje o valores picos, los osciloscopios permiten visualizar el comportamiento de una señal a medida que transcurre el tiempo, es decir, en su pantalla muestra la señal de voltaje en función del tiempo. Además permite visualizar gráficas de Vy vrs Vx, gráficas de un voltaje en función de otro. Esto es muy útil para efectos de simulación en una gran cantidad de fenómenos. Su principio de funcionamiento es muy parecido en algunos aspectos a los de un televisor normal, sobre todo en lo que se refiere a su pantalla, la cual es llamada técnicamente tubo de rayos catódicos (TRC). A continuación se describen las partes principales que típicamente componen a un osciloscopio. El tubo de rayos catódicos (TRC) La sección horizontal. La sección vertical.

Dpto. de Ciencias energéticas

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TUBO DE RAYOS CATÓDICOS Es la parte donde se presenta la información, en la siguiente figura se muestra un esquema simplificado: Filamento caliente (Cátodo) Tubo colimante

Anodo

Bajo voltaje para calentar el filamento

Placas deflectoras (Horizontal y Vertical)

Haz colimado de electrones

Pantalla fosforescente

Alto voltaje para acelerar los electrones

Ilustración 0-1: Diagrama esquemático simplificado de un tubo de rayos catódicos para un osciloscopio.

El TRC consiste en un tubo al vacío, cuya pantalla está internamente recubierta de algún tipo de material fosforescente, el cual al ser golpeado por electrones absorbe la energía cinética de éstos y luego la libera en forma de luz, haciendo visible la trayectoria por la cual se desplaza. Los electrones que llegan a la pantalla en el TRC son inicialmente liberados gracias al calentamiento producido por una corriente a través de un filamento al cual se le aplica una diferencia de potencial V, luego son reunidos en un haz mediante campos magnéticos producidos en bobinas colocadas cerca del filamento. La aceleración de los electrones hacia la pantalla se realiza mediante la aplicación de un alto voltaje (entre 1.5 y 5.0 KV aproximadamente). En su trayectoria, el haz de electrones atraviesa dos parejas de placas deflectoras, una pareja vertical y otra horizontal. Cada pareja de placas está sometida a una diferencia de potencial variable, las verticales hacen variar la posición horizontal del haz sobre la pantalla y las horizontales modifican la posición vertical. A estas últimas se les aplica un voltaje directamente proporcional a la señal que se desea medir o estudiar, aunque esto puede variar dependiendo del modelo particular del osciloscopio. Los controles asociados con el tubo de rayos catódicos son los siguientes: Intensidad. (Intensity) Enfoque. (Focus) Página # 2



Posición vertical. (Vertical) Posición horizontal. (Horizontal) Localizador de haz. (Beam finder). El control de intensidad regula el voltaje de aceleración, produciendo una mayor o menor aceleración del haz de electrones y por lo tanto de la brillantez de la luz producida en la pantalla. El enfoque controla la concentración o dispersión del haz de electrones, permitiendo refinar la apariencia de la traza dejada por los electrones sobre la pantalla. Posición vertical. Regula la posición vertical de la traza, para poder ubicar una referencia, medir más fácilmente amplitudes, etc. Posición horizontal, similar al anterior sólo que en cuanto a la parte horizontal. Localizador del haz. Cuando sobre la pantalla no aparece ninguna señal, puede deberse a la inadecuada regulación de los controles de posición o de otras escalas; para tener una idea de qué controles mover, el beam finder comprime la traza del haz sobre el área de la pantalla, pudiéndose apreciar desde qué parte proviene y así manipular el control apropiado. También en la parte externa de la pantalla suele colocarse una cuadrícula graduada por lo general en cm, de tal manera que sirva como escala para medir las señales. SECCIÓN HORIZONTAL Generalmente se divide en dos partes, la base de tiempo y la función disparo. La primera regula la rapidez con la cual el haz barre horizontalmente la pantalla, fijando así la escala del tiempo sobre la cuadrícula de la pantalla; la mayor parte de osciloscopios tienen graduado este control en segundos por división (sec/div) o fracciones. El control de disparo regula la formación de imágenes estables en la pantalla, y el momento o fase a partir de la cual se comienza a visualizar una señal. En algunos modelos también permite visualizar señales que se producen una sola vez y que normalmente no es posible ver, ya que el osciloscopio trabaja con señales periódicas de frecuencia relativamente alta. SECCIÓN VERTICAL En esta sección encontramos el control para la escala vertical, graduada en voltios por división (V/div), también llamada sensibilidad.


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También están aquí los bornes de entrada de la señal a estudiar y otra serie de controles accesorios que se describen para cada modelo en particular (ver anexo con la descripción de modelos específicos que tenemos en nuestro laboratorio). PRECAUCIONES GENERALES Si bien los aparatos tienen algunas características de auto protección, es necesario ser cuidadoso en el uso de ellos, para no afectar su funcionamiento y para obtener medidas correctas, se deben observar las siguientes precauciones: Evitar golpear o mover bruscamente los aparatos, ni marcar nada sobre ellos. No desconectar el cable de potencia mientras no se haya apagado el osciloscopio. Mover los controles e interruptores en forma moderada, para evitar su daño. Evitar aplicar voltajes mayores que los tolerados por cada aparato (generalmente indicado en el panel de controles). Usar adecuadamente el control de intensidad, para evitar quemar o dañar de manera permanente la capa fosforescente que recubre la pantalla. No maltratar los cables de conexión y conectadores de entrada, evitar tocar las partes expuestas, si se trabaja con alto voltaje. Asegurarse que el tierra.

osciloscopio esté adecuadamente conectado a

Al utilizar el osciloscopio con otros aparatos conectados a la red, debe verificarse qué terminales, especialmente los de tierra, pudieran provocar un cortocircuito, ya que la referencia es la misma para la mayoría de aparatos en el laboratorio y están por lo tanto conectados a través de la red eléctrica. 1.2.2 EJEMPLOS

PARA

LA

MEDICIÓN

DE

VOLTAJES

CD,

VOLTAJES PICO A PICO (EN CA) Y FRECUENCIA. 1.2.2.1

Medición de voltaje de corriente directa.

El barrido de frecuencia no es indispensable ajustarlo pero puede colocarlo a 100 Hz.

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Se coloca el interruptor de entrada vertical en GND y se fija la línea de frecuencia con el control de posición vertical. (Ver Ilustración 0-2) Se selecciona la escala vertical, por ejemplo 2 V/div. Con el control variable respectivo apagado. Se aplica el voltaje a medir en la entrada vertical y luego se pasa el interruptor a la posición DC. El haz en la línea de referencia se traslada a otra posición. (Ver Ilustración 0-3)

AC

GND

DC

Referencia

Ilustración 0-2

Se cuentan los las divisiones desplazadas y se multiplica por la escala para obtener la medida, en este caso: 4.5 div * 2V/div = 9 V


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1.2.2.2

Medición de voltajes AC y su respectiva frecuencia.

Si el osciloscopio cuenta con base de tiempo debe ajustarse los siguientes controles (Si es de doble traza la señal se considera aplicada en el canal 1). INTENSITY: Moderada. TRIGGER MODE: P-P AUTO. SOURCE: CH1. CH1-CH2-BOTH: CH1. AC-GND-DC: DC. ADD-ALT-CHOP: ALT. CH1 VOLT/DIV: Según el rango de voltios a medir. (Por ejemplo “5”) SEC/DIV: Según el rango de frecuencia a medir. (Por ejemplo 2 ms). Al aplicar voltaje al canal 1 se obtiene una señal como la mostrada en la Ilustración 0-4.

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Manual de Laboratorio de Física III AC

GND

DC

Referencia

Ilustración 0-3

Para medir el voltaje pico a pico se cuentan las divisiones que separan a un máximo y un mínimo, en este caso 6 divisiones y se multiplica por la escala vertical. Vpp = 6 div * 5 V/div = 30 V. Para medir la frecuencia tenemos que encontrar el número de divisiones que separan a dos puntos en fase sucesivos (dos máximos por ejemplo). En nuestro caso la distancia entre dos máximos sucesivos es 3 div. Como la escala seleccionada es de 2 ms/div, el período T de la señal es: T = 3 div * 2 ms/div = 6 ms, y la frecuencia F = 1/T = 166.7 Hz.


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Ilustración 0-4

1.3 Material y equipo. 1 osciloscopio 1 multimedidor 2 alambres conectadores 1 fuente de poder AC 1 generador de señal 1 pila seca 1.5 V

1.4 Procedimiento. Encienda el osciloscopio y ajuste los controles para visualizar claramente el trazo del haz en la pantalla. Antes de realizar medidas, practicará con algunas señales del generador de ondas, enciéndalo, fije una señal seno con una frecuencia cualquiera, anótela y visualice la señal. Modificando los controles del osciloscopio obtenga las figuras mostradas en la Ilustración 0-5.

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Tome nota de la posición de cada uno de los controles que debe manipular en el osciloscopio y respectivo efecto sobre la gráfica mostrada. (Lo necesitará para el reporte y la hoja de datos del instructor).

Ilustración 0-5

Repita lo mismo para la señal cuadrada.

Ilustración 0-6

Fije una de las señales sinusoidales en el generador y utilice el multímetro para comparar la medida del osciloscopio, y la indicada en el control del generador. Llene la Tabla 0-1 OSCILOSCOPIO

MULTÍMETRO

VOLTIOS P-P VOLTIOS RMS FRECUENCIA Tabla 0-1: Comparación de las lecturas para diferentes instrumentos.


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Repita lo anterior apara otro voltaje y frecuencia del generador. Llene la Tabla 0-2 OSCILOSCOPIO

MULTÍMETRO

VOLTIOS P-P VOLTIOS RMS FRECUENCIA Tabla 0-2: Comparación de las lecturas para diferentes instrumentos.

Mida el voltaje de la pila seca siguiendo los pasos indicados en la introducción teórica. Cambie la polaridad de la pila y observe el sentido del desplazamiento. Conecte y encienda la fuente de poder en su equipo y mida la salida de los bornes indicados con 6.3 VAC, utilice el multímetro y el osciloscopio. Llene la Tabla 0-3

FUENTE VRMS

MULTÍMETRO VRMS

OSCILOSCOPIO VPP

Tabla 0-3

1.5 Cuestionario mínimo para el reporte. 1) Explique cómo influye cada uno de los controles que tuvo que manipular para lograr las figuras de la Ilustración 0-5. ¿Por qué siendo la misma señal se observa de diferente manera?, es decir ¿Por qué podemos observar diferente número de ciclos? 2) Compare los resultados de las tres tablas, ¿Concuerdan los valores obtenidos con los diferentes instrumentos?. Calcule la diferencia porcentual entre las medidas, tomando como referencia la del osciloscopio y construya una tabla comparativa en cada caso. 3) Haga una lista con ventajas y desventajas de un osciloscopio sobre un multimedidor.

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4) Investigue aplicaciones concretas del osciloscopio en las diferentes ramas de la ciencia y de la ingeniería. 5) ¿Qué factores influyen en las posibles discrepancias entre los valores medidos con el osciloscopio y el multimedidor?.


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1.6 Anexo. 1.6.1 Descripción del modelo 2205 Tektronix.

Ilustración 0-7: Esquema de controles del modelo 2205 Tektronix.

RESUMEN DE LOS CONTROLES, CONECTADORES E INDICADORES DEL OSCILOSCOPIO TEKTRONIX 2205 No.

DENOMINACION

FUNCION

1

INTENSITY

Ajusta la intensidad del haz

Compensar la luminosidad del ambiente, rapidez del barrido, frecuencia de disparo.

2

BEAM FIND

Comprime las imágenes dentro de los límites del Tubo de Rayos Catódicos

Para localizar fenómenos mostrados fuera de la pantalla o el haz mismo

3

FOCUS

Enfoca y ajusta el grosor Optimiza del haz del haz

4

TRACE ROTATION

Ajusta el trazo del haz Compensa la influencia pasándolo a la línea del campo magnético central terrestre en diferentes lugares

5

POWER

Apaga y equipo

6

INDICADOR

Se ilumina al encender Determina la condición

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USO RECOMENDADO

enciende

la

definición

el Controlar la potencia para el instrumento



DE el aparato ENCENDIDO

de encendido/apagado

7, 8

VERTICAL POSITION

Mueve el trazo arriba o Controla la posición abajo de la pantalla vertical del trazo y compensa las componentes en señales visualizadas

9

CH1-BOTHCH2

Selecciona las entradas para la señal a ser presentada en la pantalla

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NORM-CH2 INVERT

Invierte mostrada (CH2)

11

ADD-ALTCHOP

ADD muestra la suma Mostrar las señales algebraica de las señales individualmente o la en CH1 y CH2. ALT suma de ambas muestra cada canal alternadamente. CHOP cambia entre CH1 y CH2 durante cada barrido de pantalla con una frecuencia de 500 kHz

12

VOLTS/DIV

Selecciona sensibilidad vertical

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VARIABLE (CAL)

Provee una variación continua de los factores de escala calibrados (discreto) del control VOLTS/DIV Reduce la ganancia por un factor de al menos 2.5:1

Permite poner escalas intermedias, ajusta señales para mediciones en modo común. Ajusta la altura de pulsos para cálculos de tiempo de rizado

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AC-GND-DC

En la posición AC bloquea las componentes DC de las señales, En GND da el punto de referencia y permite pre-cargar el capacitor de acople de

Selecciona el método de acople de las señales de entrada al sistema de deflexión vertical.

Permite visualizar cada canal independientemente o ambos simultáneamente

la señal Permite restar la señal del canal 2 CH2 de CH1 o sumarlas en combinación con el control ADD

la Ajusta la señal vertical a una escala adecuada


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entrada, En DC permite el paso de todas las componentes de una señal (AC y DC). 15

CH1 OR X Provee las conexiones CH2 OR Y para la señal de entrada. CH1 controla la deflexión horizontal cuando SEC/DIV está en posición X-Y; CH2 controla la deflexión vertical.

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HORIZONTAL POSITION

Mueve horizontalmente Controlar posición del el trazo en la pantalla trazo en la dirección horizontal

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MAG(X1X10)

Selecciona el grado de Examinar pequeños amplificación horizontal fenómenos en detalle. Extiende la rapidez del barrido a 10 ns/div.

18

SEC/DIV

Selecciona la rapidez de Seleccionar la base de tiempo horizontal adecuada

la

escala más

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Variable (CAL)

Permite una variación Extiende la continua no calibrada de rapidez en al la rapidez de barrido en 1.25 s/div. alrededor de 2.5 veces menos la calibración fijada

menor menos

20

PROBE ADJUST

Provee una señal Permitir al usuario cuadrada de ajustar la compensación aproximadamente 0.5 de puntas atenuadas Vpp y 1 kHz por 10x. Esta fuente puede ser usada para verificar el funcionamiento básico de los circuitos horizontales y verticales pero no para verificar su precisión.

21

Conexión de Provee la seguridad de Conexión a tierra del tierra tierra y la conexión chasis

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Aplicar señales al sistema de deflexión vertical. (Las señales a estudiar o medir)


directa a fuente de señal 22

SLOPE

Selecciona la pendiente Permite sincronizar el de la señal que el disparo a partir de barrido dispara señales positivas y negativas.

23

LEVEL

Selecciona la amplitud Estabiliza la señal del punto de la señal de mostrada en pantalla disparo (seleccionar el punto real de disparo)

24

TRIG’D READY

El indicador se enciende Indica el estado cuando el barrido es circuito de disparo disparado P-P, AUTO, NORM, o TV FIELD. En SGL SWP indica que el disparo está listo.

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MODE

P-P AUTO TV LINE Seleccionar el modo de dispara a través de disparo señales de campo y líneas de televisión, con una repetición de al menos 20 Hz. NORM dispara a partir de una señal adecuada en ausencia de una señal de disparo de TV. FIELD dispara a partir de señales de campo de TV; la polaridad del disparo debe ser observada. SGL SWP dispara barridos solo una vez cuando es armado por el botón RESET; usado para mostrar o fotografiar señales inestables o no periódicas.

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RESET

Prepara el circuito de disparo para el modo SGL SWP

27

SOURCE

Selecciona directamente Selecciona la fuente de


del

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la señal de disparo, la señal que se acopla CH1, CH2, LINE, y EXT. al circuito de disparo En la posición VERT MODE, la fuente de disparo es determinada por el selector de VERTICAL MODE de la siguiente manera: CH1 el disparo procede de la señal en el canal 1, CH2, el disparo procede de la señal en el canal 2, BOTH-ADD y BOTHCHOP, el disparo procede de la suma algebraica de los dos acanales. BOTH-ALT, el disparo proviene de los acanales 1 y 2 alternadamente en cada barrido. 28

EXT INPUT

Terminal para aplicar Disparo desde una señales externas como fuente diferente a la disparadores vertical. También usada Terminal para aplicar para aplicaciones de una señal externa para disparo único. modular la intensidad de la señal en pantalla. Para realizar esto hay que colocar el control derecho de disparo en la posición EXT=Z.

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