El OSCILOSCOPIO * X V d

Transcripción

1 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Deparameno de Física Fundamenos de Elecricidad y Magneismo Guía de laboraorio N o 10 Objeivos 1. Conocer y aprender a usar el osciloscopio. 2. Aprender a medir volajes con el osciloscopio. 3. Aprender a medir iempos con el osciloscopio. 1. Aspeco eórico El OSCILOSCOPIO * En la prácica donde se rabajó el circuio RC, Used deerminó experimenalmene el iempo caracerísico τ del circuio (aproximadamene 70 s) uilizando como insrumenos de medida un volímero y un reloj común. Ese procedimieno resulaba adecuado pueso que el iempo de relajación era suficienemene grande como para poder observar la descarga a simple visa en el volímero. Pero en un circuio con iempos de descarga pequeños (menores que unos pocos segundos) esa écnica experimenal no es viable. En esos casos, para deerminar el τ del circuio a parir de la curva V vs se necesia un disposiivo que responda a cambios muy rápidos de volaje y proporcione al experimenador una imagen del proceso de descarga. al disposiivo puede ser un OSCILOSCOPIO. El osciloscopio es un insrumeno de amplio uso en el análisis de señales elécricas rápidamene cambianes con el iempo. Anes de describirlo, se hablará de su componene esencial, el ubo de Rayos Caódicos (RC). El conocimieno de ese elemeno faciliará comprender el funcionamieno y manejo del osciloscopio. Y Z X V d K A D V a Figura 1: Esquema simplificado de los componenes de RC. El RC es un sisema en el cual se produce, acelera, desvía y deeca un haz de elecrones. La Figura 1 muesra un esquema de los componenes de RC. Los elecrones quedan disponibles en el cáodo K mediane calenamieno indireco; ales elecrones se aceleran hacia el ánodo A por medio de una diferencia de poencial V a esablecida enre cáodo y ánodo; así se conforma un haz de elecrones dirigido hacia la zona desviadora, dos pares de placas paralelas, * omado y adapado de: E. Bauisa e al. Elecromagneismo (Guías de laboraorio II. Elecromagneismo). Universidad Nacional De Colombia. Bogoá, 2001

2 en donde un poencial V d esablece un campo elécrico perpendicular a la dirección X de movimieno de los elecrones. Al salir de la zona deflecora el haz se ha desviado de su dirección original de movimieno hacia ±Y o ±Z (de acuerdo con la polaridad y el par de placas escogido; en la figura sólo se muesran las placas de deflexión verical). El haz se observa como un puno brillane en una panalla cuyo recubrimieno inerno responde al impaco de los elecrones emiiendo radiación visible; eso consiuye el sisema de deección. La eoría de movimieno de cargas en campos elécricos y la experiencia demuesran que la desviación D, observada en la panalla, es direcamene proporcional al volaje deflecor V d aplicado a las placas de deflexión: D α V d Mienras las placas de deflexión esén fuera de operación, el haz de elecrones incidirá direcamene en el cenro de la panalla (en donde se verá un puno brillane); esa posición se modificará al esablecer una diferencia de poencial enre las placas de deflexión verical, enre las placas de deflexión horizonal, ó simuláneamene enre ambos pares de placas. +V V 0 Figura 2: Señal diene de Sierra. Si se aplica a las placas de deflexión horizonal un volaje cambiane con el iempo como el que muesra la figura 2 (señal denominada diene de sierra), el puno se desplazará en la panalla de izquierda a derecha demorándose en su recorrido un iempo igual al período de la señal; si V 0 es el volaje que desvía el haz hacia el exremo izquierdo de la panalla y +V 0 el volaje que desvia el haz hacia el exremo derecho de la panalla, el puno luminoso barrerá oda la panalla al aplicar el diene de sierra. Cuando el período del diene de sierra es muy coro, menor que unas pocas décimas de segundo, se observará una línea horizonal en la panalla pueso que el ojo humano no puede apreciar cambios que ocurren en iempos inferiores a 0.1 s. Si ahora se aplica simuláneamene una señal V v períodica a las placas de deflexión verical, con un período igual al de la señal de barrido, en la panalla se observará un ciclo de la señal (ver Figura 3). V v 2 2 Figura 3: Un ciclo de la señal Es decir, en la panalla se observa un período de la señal aplicada a las placas de deflexión verical. Nóese que si el 2

3 período de la señal de barrido es un número enero n de veces el de la señal aplicada, en la panalla se observán n ciclos, Figura 4. V v 2 Figura 4: n ciclos de la señal. Por supueso, los desplazamienos vericales son proporcionales al valor del volaje insanáneo de la señal. El funcionamieno del osciloscopio es en esencia el del RC. La Figura 5 es un diagrama de bloques que muesra los componenes del osciloscopio, a saber: 1. RC, cuyo funcionamieno ya se explicó. 2. Fuene de alimenación: suminisra los poenciales necesarios para el funcionamieno del RC. 3. Generador de señal diene de sierra (Base de iempo): proporciona la señal de barrido a las placas de deflexión horizonal. 4. Amplificador: permie amplificar la señal de enrada cuando su ampliud es muy pequeña (por ejemplo unas pocas décimas de volio). Señal de enrada 4. Amplificador ensión de sincronismo 3. Generador Diene de Sierra 2. Fuene de Alimenación 1. RC Figura 5: Diagrama de bloques que muesra los componenes del osciloscopio. 3

4 2. Descripción de los conroles del osciloscopio A coninuación se mencionan y describen las funciones que realizan algunos de los conroles que enconrará en un osciloscopio como el que uilizará en esa prácica. 1. POWER: boón de encendido. 2. INEN o INENSIY: proporciona mayor o menor brillo al razo que aparecen en la panalla. 3. FOCUS: permie enfocar el razo. 4. X-POS: desplaza la señal horizonalmene. Algunas veces el mismo conrol amplifica horizonalmene el razo por un facor 10. En oros osciloscopios esa función de amplificación la desempeña un conrol asociado con la base de iempo, es decir, el barrido horizonal. En cualquier caso el efeco se consigue halando el boón. 5. IME/DIV: selecciona el período de la señal diene de sierra. iene un grueso y un fino. El ajuse grueso da el correspondiene IME/DIV que aparece en la escala, siempre que el boón fino esá en la posición calibrado. Cuando no se desea efecuar el barrido con el diene de sierra, se uiliza el modo X - Y; en ese modo las placas de deflexión horizonal se alimenan con una señal exerna que se aplica al osciloscopio por uno de los canales, según especificación propia de cada insrumeno. Cuando el fino del IME/DIV esá en la posición descalibrado se puede observar una señal más cómodamene, ó realizar medidas comparaivas con ora señal, pero nunca medidas absoluas de iempo. 6. CHANEL 1 y CHANEL 2: son amplificadores independienes de las señales que se aplican a las placas de deflexión verical. Cada uno iene: 7. Un conrol grueso y uno fino. El ajuse gueso da el valor VOL/DIV que aparece en la escala siempre que el boón fino esé en la posición calibrado. Cuando el fino del VOL/DIV esá en la posición descalibrado se pueden efecuar medidas relaivas de ampliud de volaje. 8. Una palanca que puede colocarse en res posiciones: a) DC: permie observar la señal aplicada al osciloscopio sin ninguna modificación. b) AC: elimina la componene coninua de la señal aplicada. c) GND: elimina la señal de enrada para ajusar el cero. 9. VERICAL MODE: coloca en la panalla la señal aplicada a uno de los dos canales, según escoja CH1 ó CH2, ó ambas señales simuláneamene, según escoja AL ó CHOP. 3. El generador de funciones Para familiarizarse con el uso del osciloscopio, Used uilizará las señales de volaje que puede obener de un disposiivo conocido como Generador de Funciones (DUAL FUNCION GENERAOR). Used rabajará con un generador que proporciona señales: sinusoidal, riangular, cuadrada, diene de sierra y pulsos; en realidad en cada aparao enconrará (al lado izquierdo) dos generadores que funcionan independienemene, siempre que el conrol MODULAION (que se encuenra al lado derecho) esé OFF (manéngalo siempre en esa posición). En la pare izquierda Used enconrará los siguienes conroles: 1. Un selecor de ipo de señal. 2. Un poenciómero que conrola la ampliud de la señal escogida. 3. Un boón de ajuse grueso y uno fino para seleccionar la frecuencia de la señal. El grueso escoge el rango y el fino el valor preciso. 4. La señal de salida se obiene enre los erminales OU y GND que esán inmediaamene a la derecha de cada generador. 4

5 4. Manejo del osciloscopio Prenda el osciloscopio. Con los conroles INEN y FOCUS, logre un razo fino, bien enfocado; evie que la raza en la panalla sea muy brillane. Manenga la palanca SOURCE en AL Manenga la palanca COUPLING en AC Manenga cenrado el RIG LEVEL Coloque el IME/DIV en la escala que permie medir iempos más largos. Qué observa en la paalla? Mida con su reloj el iempo que demora el puno brillane en recorrer la panalla. Compare ese valor con el que puede medir usando el osciloscopio. Explique cómo realiza su lecura con el osciloscopio. Cambie de escala Qué observa? Hasa cuál escala puede observar el desplazamieno del puno brillane? Para aplicar una señal exerna al osciloscopio Used debe usar un cable coaxial; ése iene un conducor cenral rodeado, y elécricamene aislado, de una malla conducora que sirve de blindaje. En un exremo el coaxial iene un conecor BNC que se coneca al osciloscopio, en el oro exremo del coaxial se encuenran dos conecores ipo banana; idenifique cuál corresponde al cenral y cuál al blindaje. (Ese úlimo debe conecarse a ierra GND) Lleve el conecor BNC al osciloscopio, y el conducor cenral del oro exremo al puno del osciloscopio idenificado como CAL. De esa manera logra que enre al osciloscopio una señal de calibración pico a pico (Volaje enre el mínimo y el máximo de la señal) del valor indicado en el puno CAL. Verifique que el osciloscopio que esá usando esé calibrado. Explique su procedimieno. Hágalo para ambos canales. Con la misma señal verifique la calibración de las escalas de iempo. La señal de calibración es de 1000 Hz. Explique cómo verifica la calibración. Use el generador de funciones para aplicar al osciloscopio una señal sinusoidal de 1000 Hz. 1. Observe la señal en una escala que le permia ver un solo período; mida el período. Explique cómo realiza esa medida. 2. Observe la señal en una escala que le permia ver 10 períodos; mida el período. Explique cómo realiza esa medida. 3. Cuál escala de iempo considera más apropiada para medir el período de la señal aplicada? Por qué? 4. Mida la ampliud (volaje pico) de la señal que iene en la panalla. 5. Mida el volaje pico a pico (volaje enre el mínimo y el máximo de la señal) 6. Realice las medidas aneriores en diferenes escalas. Compare sus resulados. 7. Uilice el generador de funciones para observar oras señales. Mida ampliudes, volajes pico a pico y iempos. Consule con el docene encargado, si el osciloscopio que esá usando iene conroles muy diferenes de los que se han descrio en esa guía. 5