Introducción al osciloscopio

Transcripción

1 Introducción al osciloscopio 29 de abril de 2009 Objetivos Aprender el funcionamiento y el manejo básico de un osciloscopio. Material Figura 1: Montaje de la práctica de introducción al osciloscopio. 1 osciloscopio. 1 generador de ondas. 1 transformador. 1 pila. Cables coaxiales. Fundamentos El osciloscopio es un aparato que permite medir diferencias de potenciales (voltajes) prácticamente de cualquier tipo. Básicamente, consiste en un tubo de rayos catódicos en el cual las 1

2 + V 0 Y 0 - desviaciones horizontales y verticales producidas en un haz de electrones son proporcionales, respectivamente, a las tensiones V x y V y aplicadas a dos pares de placas horizontales y verticales. Así, si el spot (la intersección del haz de electrones con la pantalla) se encuentra inicialmente en la posición (0,0), al aplicar dos señales continuas, V x y V y, aparecerá en la posición (x 0, y 0 ). Si, sin aplicar ninguna señal a las placas horizontales, aplicamos a la placa vertical una señal sinusoidal del tipo V y = V 0 cos ωt, el spot describirá sobre el eje Y un movimiento armónico simple de amplitud V 0 y de frecuencia ω. Si la frecuencia ω es muy grande, el ojo humano no es capaz de seguir el movimiento del spot sobre la pantalla, por lo que éste aparecerá como una línea vertical continua. Por ello, para poder ver con claridad la forma de la señal, el osciloscopio aplica automáticamente un voltaje interno a las placas horizontales. Este es el llamado diente de sierra. Si en las placas horizontales y verticales introducimos dos señales del tipo V x = V 1 cos ωt, V y = V 2 cos ωt, el spot describirá el movimiento resultante de la composición de dos movimientos armónicos perpendiculares entre sí, produciéndose las conocidas figuras de Lissajous. Manejo del osciloscopio HAMEG HM Puesta en marcha y ajustes previos Antes de conectar el osciloscopio a la red Comprobar que ninguna de las teclas está pulsada. Girar los tres mandos con flecha TIME/DIV, VOLTS/DIV hacia la derecha hasta que encajen en sus posiciones CAL con un clic. Girar los mandos con rayas grabadas hacia la derecha, hasta que hagan clic. Colocar los conmutadores TV.SEP y TRIG en su posición superior. Poner el aparato en funcionamiento pulsando la tecla roja POWER. La luz piloto debe encenderse, indicando que el aparato funciona. Al cabo de un breve espacio de calentamiento deberá aparecer el haz sobre la pantalla en forma de línea horizontal continua. Ajustar los potenciómetros Y-POS.I y X-POS para centrar la imagen. Con los potenciómetros INTENS y FOCUS, ajustar la luminosidad y el enfoque óptimo del haz. Para proteger el tubo de rayos catódicos (TCR), se aconseja trabajar sólo con la luminosidad justamente necesaria para la medida en cuestión. Hay que tener mucha precaución cuando el trazo tiene forma de punto y permanece fijo, ya que éste puede perjudicar la capa fosforescente del TCR. 1 La mayoría de los osciloscopios del laboratorio de Técnicas Experimentales I son de este modelo, sin embargo estas notas son generales para la mayoría de los osciloscopios que se encuentran en el mercado. Si el osciloscopio que tiene delante el alumno no corresponde a este modelo, se deberán leer con mayor atención estas notas para identificar las distintas funciones correctamente. 2

3 Así el osciloscopio quedará dispuesto para el trabajo. Conexión de la tensión de señal No conectar nunca la red a la entrada del osciloscopio. Inicialmente, la tecla AC/DC (DC = corriente continua; AC = corriente alterna) del canal donde se conecta la señal a medir debe estar en posición AC. En la posición DC sólo se puede trabajar con bajas frecuencias o cuando sea preciso medir la componente continua de una señal. La señal a medir se conecta a la entrada Y (INPUT) del osciloscopio a través de un cable de medida blindado. Si el haz desaparece repentinamente después de haber conectado la tensión de señal, es posible que la amplitud de la señal sea demasiado grande. En tal caso hay que girar el conmutador VOLTS/DIV a la izquierda hasta que la amplitud de la tensión vertical sólo sea de 3 a 8 div. No conectar nunca tensiones superiores a 100 V pico a pico. Si el haz se oscurece mucho al conectar la señal, probablemente el período de la señal sea notablemente más largo que el valor ajustado en el conmutador TIME/DIV. Este deberá girarse a la izquierda para seleccionar un coeficiente de tiempo mayor. Tensión de la señal Generalmente los datos de corriente alterna se refieren a los valores eficaces V ef. Sin embargo, con un osciloscopio lo que se mide es el valor V pp (voltaje pico a pico), que corresponde a la diferencia de potencial entre el punto más positivo y el más negativo de la señal. La relación entre ambos valores es V pp = 2 2V ef = 2,83V ef. (1) El valor V pp de la tensión a medir se determina multiplicando la altura de la imagen (en divisiones) por el valor del factor de escala seleccionado en el conmutador VOLTS/DIV. Antes de efectuar una medición, con la tecla de entrada en la posición GD y mediante el potenciómetro Y-POS, se puede ajustar una línea horizontal de la retícula de la pantalla como referencia para el potencial de tierra. Período de la señal Normalmente todas las señales a medir son procesos que se repiten periódicamente (períodos). El número de períodos por segundo es la frecuencia de la señal. La duración de un período se calcula multiplicando la sección de tiempo correspondiente (distancia horizontal en divisiones) por el coeficiente de tiempo que se haya ajustado en el conmutador TIME/DIV. Si la sección de tiempo a medir es relativamente pequeña en relación con el período completo de la señal, se puede trabajar con la escala de tiempos expandida (tecla X-MAG x 10). Entonces hay que dividir por 10 los valores de tiempo calculados. Modos de funcionamiento de los amplificadores verticales Si las teclas CH I/II, DUAL y ADD están sin pulsar, sólo trabaja el canal I. Si se quiere utilizar el canal II, hay que pulsar la tecla CH I/II (esta tecla también se denomina TRIG I/II). Si se pulsa la tecla DUAL, trabajan ambos canales. En esta posición las imágenes de ambos canales se presentan alternativamente una detrás de la otra, pero con coeficientes de tiempos suficientemente rápidos su visualización es aparentemente simultánea. Si además se pulsa la tecla ADD (CHOP), las imágenes de los dos canales se conmutan con una frecuencia elevada. 3

4 Función XY Para activar esta función, se acciona la tecla X-Y. La señal X debe conectarse a la entrada del canal I (CH I) y la señal Y al canal II, o viceversa (depende del modelo de osciloscopio). En este caso, el conmutador VOLTS/DIV del canal del eje X se utiliza para el ajuste de la amplitud en la dirección X. Para el ajuste de la posición horizontal, sin embargo, se utiliza el mando X-POS. Medidas de diferencia de fase en modo DUAL La diferencia de fase entre dos señales con la misma frecuencia y forma se puede medir fácilmente en la pantalla en modo DUAL (tecla DUAL pulsada). El barrido se dispara con la señal que sirve de referencia (posición de fase = 0). La otra señal puede tener un ángulo de fase avanzado o retrasado. Si t es la distancia horizontal entre los cruces de las dos señales con el eje y = 0, y T la longitud horizontal del período, en divisiones. Entonces, la diferencia de fase es, en grados, ϕ = 360 (t/t), y en radianes Experimentos Efecto antena ϕ = 2π t T. (2) Conectar a la entrada del canal I (CH. I) un cable coaxial, en que el polo de la señal va por el cable interior y el de tierra por la envoltura exterior. Medir la tensión pico a pico y la frecuencia de la señal que se observa en la pantalla. Qué sucede cuando se toca un extremo del hilo blindado con la mano? Y si se toca el otro? Por qué? Calibrado de la escala vertical (voltios/div) Poner el conmutador AC/DC en posición DC (corriente continua). Medir el voltaje de una pila y compararlo con su valor nominal y con el medido mediante un polímetro (pedir ayuda al profesor para ésto último). Calibrado de la escala horizontal (seg/div) Poner el conmutador AC/DC en posición AC (corriente alterna). Conectar un transformador a la red y observar la señal del secundario. Medir la tensión V pp y la frecuencia de la señal. Comparar V pp y la frecuencia medidos en el osciloscopio con los valores nominales. Fución XY Pulsar la tecla X-Y. Metiendo una señal primero en el canal I y después en el II, comprobar qué eje corresponde a cada canal. Introducir en el canal del eje X una onda sinusoidal proporcionada por un generador de señales, y en el canal del eje Y la salida del secundario del transformador. Dibujar esquemáticamente las figuras de Lissajous que se observan cuando la frecuencia del generador es Igual a la frecuencia de la red. El doble que la frecuencia de la red. El triple que la frecuencia de la red. El cuádruple que la frecuencia de la red. 4

5 La mitad que la frecuencia de la red. La tercera parte que la frecuencia de la red. Medidas Tocando V pp ± V pp (V) T ± T (s) f ± f (Hz) Nada (cables al aire) Cable interior (señal) Cable exterior (tierra) Cuadro 1: Medida del voltaje pico a pico y del periodo del efecto antena. Valor Nominal Medido con polímetro Medido con osciloscopio V ± V (V) Cuadro 2: Medida del voltaje de una pila. Magnitud Valor medido Valor nominal V pp ± V pp (V) V ef ± V ef (V) T ± T (s) f ± f (Hz) Cuadro 3: Medida de la señal de un transformador. 5

6 f y = f x f y = 2f x f y = 3f x f y = 4f x f y = f x /2 f y = f x /3 Figura 2: Figuras de Lissajous observadas para diferentes relaciones entre las frecuencias de las señales de los ejes x e y. 6