MANUAL PARA EL OSCILOSCOPIO. Descripción, conexión y simulación con el osciloscopio de dos canales

Transcripción

1 MANUAL PARA EL OSCILOSCOPIO Descripción, conexión y simulación con el osciloscopio de dos canales

2 EL OSCILOSCOPIO INTRODUCCIÓN El osciloscopio es un instrumento que proporciona una representación visual (tensión vs tiempo) de la señal aplicada a su entrada. Fig. 1. Osciloscopio analógico de dos canales (permite ingresar y visualizar dos señales distintas). TIPOS DE MEDICIONES El osciloscopio permite efectuar mediciones de tensión sobre el eje vertical de la pantalla y de tiempo sobre el eje horizontal. En general, las mediciones que se pueden efectuar con este instrumento, son: 1. Medida de tensión: se realiza sobre el eje vertical de la pantalla, tomando en cuenta el factor de escala seleccionado por la perilla V/div. 2. Medida de tiempo: se realiza sobre el eje horizontal de la pantalla, tomando en cuenta el factor de escala seleccionado por la perilla time/div. 3. Medida de frecuencia: se calcula como la inversa del periodo medido sobre el eje horizontal como se indicó en el párrafo anterior (existe otra manera, que no vamos a utilizar, la cual consiste en trabajar con el osciloscopio en el modo XY).

3 4. Medida de fase: empleando un osciloscopio de doble canal, se puede medir el desfasaje temporal entre dos señales directamente sobre el eje horizontal (luego se podrá calcular su equivalente en grados o radianes). 5. Medida de corriente: un procedimiento para medir corriente en una rama consiste en medir la tensión sobre un R. Como la corriente y la tensión sobre el R se encuentran en fase, para obtener los valores de corriente se debe aplicar la Ley de Ohm. Si la rama en cuestión no posee un elemento resistivo, se mide la tensión sobre un R de pequeño valor (para no alterar demasiado el circuito) colocado en serie con los demás elementos de la rama. FUNCIONES DEL OSCILOSCOPIO Fig. 2. Indicación de la Funciones del Osciloscopio parte 1 PRESENTACIÓN DEL HAZ [1] Display: monitor con una grilla de 10 divisiones horizontales por 8 verticales.

4 [2] CAL: terminal de voltaje para calibración de sondas. La salida consiste en una señal cuadrada, de polaridad positiva, de 1 [V] pico a pico y f=100hz. [3] INTENSITY: control de la luminosidad del haz. [4] FOCUS: control de la definición o foco del haz. [5] ILLUM: control de la iluminación de la pantalla.. [6] Pilot Lamp: la luz indica que el equipo se encuentra encendido. [7] POWER: interruptor que enciende (ON) y apaga (OFF) el equipo. Fig. 3. Indicación de la Funciones del Osciloscopio parte 2 BOTONES DEL OSCILOSCOPIO [1] A [2] A INT

5 [3] B [4] B TRIG D [5] CH2 INV [6] DELAY [7] X10 MAG [8] B TIME/DIV [9] X-Y [10] POSITION (GORIZONTAL) [11] HOLDOFF [12] LOCK [13] LEVEL [14] SINGLE [15] NORM [16] AUTO [17] SOURCE [18] COUPLNG [19] SWP. VAR. [20] SLOPE [21] TRIG. ALT [22] EXT [23] GND (CONEXIÒN) [24] SWP. UNCAL [25] VAR. (CH2) [26] CH2 (CONEXIÒN)

6 [27] AC DC (CH1) [28] GND (CH1) [29] VAR. (CH1) [30] CH1 (CONEXIÒN) [31] AC DC (CH2) [32] GND (CH2) [33] A TIME/DIV (HORIZONTAL) [34] VOLTS/DIV (CH1) [35] VOLTS/DIV (CH2) [36] CHOP [37] MODE [38] POSITIÒN (CH1) [39] POSITON (CH2) INDICACIONES DE LAS FUNCIONES DEL OSCILOSCOPIO A UTILIZAR EN LA PRÁCTICA VERTICAL - CH1 OR Y / CH2 OR X [38]/[39] POSITION: control de la posición vertical del haz. [34]/[35] VOLT/DIV: selector del factor de deflexión vertical. [25][29] VAR. (CH1) Efectúa una variación fina y continua de las velocidades de barrido seleccionadas por el mando TIME/DIV. Situado totalmente en sentido horario, posición CAL, se obtienen las velocidades calibradas que indica el conmutador TIME/DIV. [27]/[30] AC-DC: selector del modo de acoplamiento de la señal externa al canal de entrada. AC: se filtra la componente de continua; DC: la señal es acoplada directamente a la entrada del osciloscopio.

7 [28]/[32] GND: GND: la señal de entrada se conecta a tierra [26]/[30] CONEXIÒN: conectores de señales externas a la entrada del amplificador vertical. [37] MODE: Selector del modo de operación del eje vertical. Permite visualizar. -CH1: la señal conectada al canal 1. -ALT:... señales de media y alta frecuencia presentes en ambos canales. -CHOP:... señales de baja frecuencia (f<1khz) presentes en ambos canales. -ADD:... la suma algebraica de las señales presentes en ambos canales. -CH2:... la señal conectada al canal 2. [5] INV: invierte la señal del canal 2. TRIGGER [15] NORM: el barrido se genera a partir de una señal de disparo. [16] AUTO: el barrido se genera a partir de una señal de disparo. En ausencia de dicha señal, el barrido se genera internamente de forma automática. [14] SINGLE: Se efectúa un solo barrido al recibir la señal de disparo.3 [11] HOLDOFF: Este mando actúa sobre el tiempo que transcurre entre el instante final de un barrido y el instante en que se inicia el siguiente. Normalmente, este mando se mantiene en el extremo antihorario con el fin de que la traza resulte más luminosa. [17] SOURCE: selecciona la fuente de la señal acoplada al circuito de disparo. -CH1 X-Y: muestra de la señal inyectada al canal 1. -CH2: muestra de la señal inyectada al canal 2.

8 -LINE: muestra de la señal de línea (50Hz). -EXT: señal inyectada al conector [22]. [18] COUPLING: determina el modo de acoplamiento entre la señal de disparo y la entrada del circuito de disparo. Emplear el modo AC para efectuar mediciones normales. [13] LEVEL: selecciona la amplitud de la señal de disparo para la cual se inicia el barrido. HORIZONTAL [9] X-Y: el canal 1 produce la deflexión vertical (eje Y), y el canal 2 la deflexión horizontal (eje X). [10] POSITION: control de la posición horizontal del haz. [8] B TIME/DIV: selector de la velocidad de barrido de la base de tiempos. [33] A TIME/DIV: selector de la velocidad de barrido de la base de tiempos. [19] SWP. VAR.: ajuste fino del selector de la velocidad de barrido de la base de tiempos. [7] X10 MAG: amplifica el eje horizontal por un factor constante de 10.

9 MEDICIONES CON EL OSCILOSCOPIO La pantalla En la siguiente figura que representa la pantalla de un osciloscopio. Deberás notar que existen unas marcas en la pantalla que la dividen tanto en vertical como en horizontal, forman lo que se denomina retícula ó rejilla. La separación entre dos líneas consecutivas de la rejilla constituye lo que se denomina una división. Normalmente la rejilla posee 10 divisiones horizontales por 8 verticales del mismo tamaño (cercano al cm), lo que forma una pantalla más ancha que alta. En la líneas centrales, tanto en horizontal como en vertical, cada división ó cuadro posee unas marcas que la dividen en 5 partes iguales (utilizadas como veremos más tarde para afinar las medidas) Fig. 5. Pantalla del osciloscopio Algunos osciloscopios poseen marcas horizontales de 0%, 10%, 90% y 100% para facilitar la medida de tiempos de subida y bajada en los flancos (se mide entre el 10% y el 90% de la amplitud de pico a pico). Algunos osciloscopios también visualizan en su pantalla cuantos voltios representa cada división vertical y cuantos segundos representa cada división horizontal.

10 Medida de voltajes Generalmente cuando hablamos de voltaje queremos realmente expresar la diferencia de potencial eléctrico, expresado en voltios, entre dos puntos de un circuito. Pero normalmente uno de los puntos esta conectado a masa (0 voltios) y entonces simplificamos hablando del voltaje en el punto A (cuando en realidad es la diferencia de potencial entre el punto A y GND). Los voltajes pueden también medirse de pico a pico (entre el valor máximo y mínimo de la señal). Es muy importante que especifiquemos al realizar una medida que tipo de voltaje estamos midiendo. El osciloscopio es un dispositivo para medir el voltaje de forma directa. Otros medidas se pueden realizar a partir de esta por simple cálculo (por ejemplo, la de la intensidad ó la potencia). Los cálculos para señales CA pueden ser complicados, pero siempre el primer paso para medir otras magnitudes es empezar por el voltaje. Fig. 6. Medición de voltaje en el osciloscopio. En la figura anterior se ha señalado el valor de pico V p, el valor de pico a pico V pp, normalmente el doble de V p y el valor eficaz V ef ó V RMS (root-meansquare, es decir la raíz de la media de los valores instantáneos elevados al cuadrado) utilizada para calcular la potencia de la señal CA. Realizar la medida de voltajes con un osciloscopio es fácil, simplemente se trata de contar el número de divisiones verticales que ocupa la señal en la pantalla. Ajustando la señal con el mando de posicionamiento horizontal podemos

11 utilizar las subdivisiones de la rejilla para realizar una medida más precisa. (Recordar que una subdivisión equivale generalmente a 1/5 de lo que represente una división completa). Es importante que la señal ocupe el máximo espacio de la pantalla para realizar medidas fiables, para ello actuaremos sobre el conmutador del amplificador vertical. Fig. 7. Escala vertical de la pantalla del osciloscopio. Algunos osciloscopios poseen en la pantalla un cursor que permite tomar las medidas de tensión sin contar el número de divisiones que ocupa la señal. Básicamente el cursor son dos líneas horizontales para la medida de voltajes y dos líneas verticales para la medida de tiempos que podemos desplazar individualmente por la pantalla. La medida se visualiza de forma automática en la pantalla del osciloscopio. Medida de tiempo y frecuencia Para realizar medidas de tiempo se utiliza la escala horizontal del osciloscopio. Esto incluye la medida de periodos, anchura de impulsos y tiempo de subida y bajada de impulsos. La frecuencia es una medida indirecta y se realiza calculando la inversa del periodo. Al igual que ocurría con los voltajes, la medida de tiempos será más precisa si el tiempo del objeto a medir ocupa la mayor parte de la pantalla, para ello actuaremos sobre el conmutador de la base de tiempos. Si centramos la señal utilizando el mando de posicionamiento vertical podemos utilizar las subdivisiones para realizar una medida más precisa.

12 Fig. 8. Escala horizontal de la pantalla del osciloscopio. Medida del desfase entre señales La sección horizontal del osciloscopio posee un control etiquetado como X- Y, que nos va a introducir en una de las técnicas de medida de desfase (la única que podemos utilizar cuando solo disponemos de un canal vertical en nuestro osciloscopio). El periodo de una señal se corresponde con una fase de 360º. El desfase indica el ángulo de atraso ó adelanto que posee una señal con respecto a otra (tomada como referencia) si poseen ambas el mismo periodo. Ya que el osciloscopio solo puede medir directamente los tiempos, la medida del desfase será indirecta. Uno de los métodos para medir el desfase es utilizar el modo X-Y. Esto implica introducir una señal por el canal vertical (generalmente el I) y la otra por el canal horizontal (el II). (Este método solo funciona de forma correcta si ambas señales son senoidales). La forma de onda resultante en pantalla se denomina figura de Lissajous (debido al físico francés denominado Jules Antoine Lissajous). Se puede deducir la fase entre las dos señales, asi como su relación de frecuencias observando la siguiente figura.

13 Fig. 9. Figuras de Lissajous. EL CORRECTO MANEJO DEL OSCILOSCOPIO Colocar a tierra Una buena conexión a tierra es muy importante para realizar medidas con un osciloscopio. Colocar a tierra el Osciloscopio Por seguridad es obligatorio colocar a tierra el osciloscopio. Si se produce un contacto entre un alto voltaje y la carcasa de un osciloscopio no puesto a tierra, cualquier parte de la carcasa, incluidos los mandos, puede producirle un peligroso shock. Mientras que un osciloscopio bien colocado a tierra, la corriente, que en el anterior caso te atravesaría, se desvía a la conexión de tierra. Para conectar a tierra un osciloscopio se necesita unir el chasis del osciloscopio con el punto de referencia neutro de tensión (comúnmente llamado tierra). Esto se consigue empleando cables de alimentación con tres conductores (dos para la alimentación y uno para la toma de tierra).

14 El osciloscopio necesita, por otra parte, compartir la misma masa con todos los circuitos bajo prueba a los que se conecta. Algunos osciloscopios pueden funcionar a diferentes tensiones de red y es muy importante asegurarse que esta ajustado a la misma de la que disponemos en las tomas de tensión. Fig. 10. Ajuste inicial de los controles Después de conectar el osciloscopio a la toma de red y de alimentarlo pulsando en el interruptor de encendido: Fig. 11. Botón y LED de encendido. Es necesario familiarizarse con el panel frontal del osciloscopio. Todos los osciloscopios disponen de tres secciones básicas que llamaremos: Vertical, Horizontal, y Disparo. Dependiendo del tipo de osciloscopio empleado en particular, podemos disponer de otras secciones. Existen unos conectores BNC, donde se colocan las sondas de medida. Fig. 12. Conectores para las sondas.

15 La mayoría de los osciloscopios actuales disponen de dos canales etiquetados normalmente como I y II (ó A y B). El disponer de dos canales nos permite comparar señales de forma muy cómoda. Algunos osciloscopios avanzados poseen un interruptor etiquetado como AUTOSET ó PRESET que ajustan los controles en un solo paso para ajustar perfectamente la señal a la pantalla. Si tu osciloscopio no posee esta característica, es importante ajustar los diferentes controles del aparato a su posición Standard antes de proceder a medir. Estos son los pasos más recomendables: Ajustar el osciloscopio para visualizar el canal I. (al mismo tiempo se colocará como canal de disparo el canal I). Fig. 13. Ajustar a una posición intermedia la escala voltios/división del canal I (por ejemplo 1v/cm). Fig. 14. Desactivar cualquier tipo de multiplicadores verticales.

16 DC. Colocar el conmutador de entrada para el canal I en acoplamiento Fig. 15. Colocar el modo de disparo en automático. Fig. 16. Desactivar el disparo retardado al mínimo ó desactivado. Situar el control de intensidad al mínimo que permita apreciar el trazo en la pantalla, y el trazo de focus ajustado para una visualización lo más nítida posible (generalmente los mandos quedaran con la señalización cercana a la posición vertical). Fig. 18. Sondas de medida Con los pasos detallados anteriormente, ya estas en condiciones de conectar la sonda de medida al conector de entrada del canal I. Es muy importante utilizar las sondas diseñadas para trabajar específicamente con el osciloscopio. Una sonda no es, ni muco menos, un cable con una pinza, sino que es un conector específicamente diseñado para evitar ruidos que puedan perturbar la medida.

17 Además, las sondas se construyen para que tengan un efecto mínimo sobre el circuito de medida. Esta facultad de la sondas recibe el nombre de efecto de carga, para minimizarla se utiliza un atenuador pasivo, generalmente de x10. Fig. 19. Este tipo de sonda se proporciona generalmente con el osciloscopio y es una excelente sonda de utilización general. Para otros tipos de medidas se utilizan sondas especiales, como pueden ser las sondas de corriente ó las activas. Sondas pasivas La mayoría de las sondas pasivas están marcadas con un factor de atenuación, normalmente 10X ó 100X. Por convenio los factores de atenuación aparecen con el signo X detrás del factor de división. En contraste los factores de amplificación aparecen con el signo X delante (X10 ó X100). La sonda más utilizada posiblemente sea la 10X, reduciendo la amplitud de la señal en un factor de 10. Su utilización se extiende a partir de frecuencias superiores a 5 khz y con niveles de señal superiores a 10 mv. La sonda 1X es similar a la anterior pero introduce más carga en el circuito de prueba, pero puede medir señales con menor nivel. Por comodidad de uso se han introducido sondas especiales con un conmutador que permite una utilización 1X ó 10X. Cuando se utilicen este tipo de sondas hay que asegurarse de la posición de este conmutador antes de realizar una medida.

18 Fig. 20. En el laboratorio de circuitos eléctricos contamos con los atenuadores que se muestran en la imagen. Fig. 21. Atenuador del Osciloscopio

19 EJEMPLO DE CONEXIÓN DEL OSCILOSCOPIO Medición del desfasaje entre el voltaje de la fuente y el voltaje de una bobina. Después de tomar en cuenta los pasos anteriores de ajuste de controles del osciloscopio y del generador de señales, como también tomando en cuenta los valores nominales del los elementos pasivos se procede a montar el siguiente circuito: 1. Se conecta el primer terminal del generador de señales al primer terminal del resistor R1. 2. Se conecta el segundo terminal del resistor R1 al primer terminal del resistor R2. 3. El segundo terminal del resistor R2 se conecta al primer terminal del la bonina L1. 4. El segundo terminal de la bonina L1 es conectado al segundo terminal del generador de señales. Fig. 22. Circuito prediseñado para la Medición del desfasaje entre el voltaje de la fuente y el voltaje de la bobina. 5. Luego se procede al conexión del osciloscopio de la siguiente manera: a) Canal CH1 al primer terminal del resistor R1.

20 b) Canal CH2 al segundo terminal del resistor R2. c) La tierra GND al segundo terminal de la bobina L1. Fig. 23. Conexión del Osciloscopio para la medición del desfasaje entre el voltaje de la fuente y el voltaje de la bobina.

21 EL OSCILOSCOPIO EN MULTISIM 8

22

23

24 Pasos para conectar el Osciloscopio en Multisim 8: 1. En la barra de herramientas en la derecha, cuarto icono. 2. También en la barra de herramientas superior en Simulate, instruments, y luego Oscilloscope.

25 3. Colocar el canal A y B en los extremos de los dos elementos, luego se coloca la tierra (G) en el nodo común entre ellos. 4. Si se desea observar las ondas medidas por el osciloscopio, dar doble click en el osciloscopio.

26 5. Si se desea observar las figuras de Lissajous se debe de hacer click en B/A 6. Si se desea ver el análisis de las gráficas, dar click en show grapher

27 7. Después de abrir show grapher.

28