2. EL OSCILOSCOPIO DIGITAL

Transcripción

1 2.- El osciloscopio digital EL OSCILOSCOPIO DIGITAL DESCRIPCION DEL EXPERIMENTO El osciloscopio es un instrumento de aplicación inmediata al cálculo de las magnitudes físicas asociadas a los circuitos eléctricos (ver Figura 1). Básicamente, un osciloscopio mide la diferencia de potencial entre dos puntos del espacio en función del tiempo, y es capaz de representar gráficamente esta señal en una pantalla. Ello permite medir no sólo voltajes, tiempos y frecuencias de las señales eléctricas analizadas sino también otras magnitudes físicas de los circuitos eléctricos que generan estas señales. Esta práctica servirá de introducción al manejo del osciloscopio. En ella veremos las principales funciones de este aparato, que son la medida de voltajes, tiempos y frecuencias, tanto de señales periódicas como de señales transitorias. Figura 1.- Osciloscopio digital de la marca Agilent y sonda de osciloscopio. 1) INTRODUCCIÓN AL OSCILOSCOPIO Con el fin de entender el funcionamiento del osciloscopio y adquirir destreza en su manejo, en primer lugar analizaremos las particularidades del proceso de medida con un osciloscopio. Como resultados de este apartado, se presentarán aquéllos que se piden explícitamente en cada proceso de medida. Además, se adjuntará un breve comentario de los fenómenos observados Configuración, escalas y factor de atenuación de la sonda (con la función 1 de la tarjeta generadora) En primer lugar, mediremos una señal eléctrica proveniente de una tarjeta generadora de señales temporales como la que muestra la Figura 2. El anexo primero de este guión describe las diferentes señales que genera la tarjeta. Conectaremos la punta de la sonda del osciloscopio en la función 1 y la masa en la conexión a tierra. Conexión a tierra Función 1 Figura 2.- Tarjeta generadora de señales temporales.

2 2.- El osciloscopio digital. 8 La manera más rápida de configurar el osciloscopio para observar la señal consiste en usar la tecla Auto- Scale, que busca automáticamente la configuración idónea del aparato. Debemos observar y apuntar la información que, con esta configuración, aparece en la pantalla: - El número de voltios por división (V/div) de la escala vertical del canal de entrada que hemos conectado; escala que puede modificarse con el botón de ajuste de voltaje del canal correspondiente y que va desde 10 mv hasta 50 V cuando la sonda está conectada. - El origen de tiempos, indicado por un pequeño triángulo (localizado en el eje horizontal superior y orientado hacia abajo), y el valor de la escala temporal o base de tiempos (en fracción de s/div). Esta escala se puede modificar con el botón de ajuste de tiempos que se encuentra en la parte superior izquierda del panel frontal de mandos y que va desde 5 ns hasta 50 s. - El origen de referencia de la escala vertical, indicado por una flecha y el número del canal que se está empleando. Dicho origen de referencia se puede mover a lo largo del eje vertical rotando el botón que está debajo de la tecla del canal 1 (análogamente sucedería para el canal 2). Al apretar la tecla Display aparece en el menu de la parte inferior de la pantalla la opción Grid indicando el tanto por ciento de la luminosidad de la retícula de la pantalla que se puede variar con el botón. El factor de atenuación de una sonda de tensión determina la proporción existente entre las amplitudes de las señales de entrada y de salida. Se puede ver este valor en el conector de la sonda (10:1). El osciloscopio se adapta automáticamente al tipo de sonda que se le haya conectado. Podemos comprobarlo apretando la tecla 1 (la del canal al que se haya conectado la sonda) y seleccionando la opción del menú que indica Probe. En la opción Units tendrá que estar activada la unidad Volts, ya que mediremos voltajes. Apuntad cuál es el factor de atenuación que está teniendo en cuenta el osciloscopio en las medidas con la sonda Medidas automáticas y manuales (con la función 1 de la tarjeta generadora) A continuación utilizaremos el osciloscopio para hacer medidas de voltajes, tiempos y frecuencias, empleando de nuevo la función 1 de la tarjeta generadora de señales. Veamos cuáles son los pasos que se deben seguir: a) Medida automática de voltajes y tiempos. Apretando la tecla Quick Meas aparece en la parte inferior de la pantalla el menú con todas las posibilidades de que dispone. Al rotar el botón o con la opción Select se selecciona la magnitud que se desea medir: Amplitude, Average,..., Peak-Peak, Frequency,..., y seguidamente, para seleccionar esa medida, se aprieta en la tecla contigua la opción Measure. Siempre que se selecciona una medida automática aparecen en pantalla los cursores que se sitúan en la posición correspondiente a la lectura. En lo que respecta a la medida de voltajes, como resultado de este apartado, se presentará el valor obtenido automáticamente para el voltaje pico-pico (Peak-Peak), el valor medio (Average) y el valor eficaz (o valor cuadrático medio, RMS) de la señal de calibrado. En lo que respecta a medida de tiempos, se presentarán los resultados de la medida automática de la frecuencia, el periodo, el tiempo de subida (Rise Time) y el tiempo de bajada (Fall Time) de la señal. b) Medidas manuales de voltajes y tiempos. Apretando la tecla Cursors, y con el Mode Normal seleccionado, veremos el menú en el cual se indica el tipo de cursor activo (X o Y). Hay dos cursores de voltaje (Y1 e Y2) y dos de tiempo (X1 y X2), y la posición del cursor que está activado se puede variar de forma continua mediante el botón, situado a la izquierda de la tecla Cursors. Cuando se hayan seleccionado unos cursores, por ejemplo los de voltaje, la posición de cada cursor vendrá indicada en Y1 e Y2. La diferencia entre las dos lecturas aparecerá en ΔY. En cuanto a las medidas de tiempo, las lecturas de los cursores individuales aparecerán al presionar X1 y X2 y moverlos, así como la diferencia entre las lecturas, ΔX, y su inversa, 1/ΔX, o sea, la frecuencia. Se presentarán medidas manuales del voltaje pico-pico (V P P ), periodo (T) y frecuencia (ν) de la señal de calibrado. Para esto, los cursores X1, X2, Y1 e Y2 se han de posicionar tal como se muestra en la Figura 3. Estas medidas deben coincidir aproximadamente con las que se obtuvieron de forma automática en el apartado anterior.

3 2.- El osciloscopio digital. 9 Y2 ΔX = X2 - X1 = T 1/ΔX = ν ΔY = Y2 - Y1 = V P-P Y1 X1 X2 Figura 3.- Medida manual de voltajes y frecuencias Modos de presentación por pantalla (con las funciones 1, 6 y 11 de la tarjeta generadora) La tecla Acquire permite determinar el modo de presentación por pantalla: Normal si se quiere presentar sólamente la señal que el osciloscopio está adquiriendo en ese momento y no las adquiridas con anterioridad. Peak Det si deseamos que aparezcan también los máximos y mínimos de la señal. Averaging en caso que nos interesen los valores medios de 2 n, (2, 4, 8, 16,...) trazas, este número se selecciona con la ayuda del botón. Comentad qué pasa con la señal cuando se escogen los distintos modos de presentación por pantalla, empleando las funciones 6 y 11 de la tarjeta generadora de señales. Volviendo a emplear la función 1 de la tarjeta generadora de señales, la tecla Main/Delayed permite la observación de una parte de la señal alrededor de una zona de referencia que aparecerá señalada por dos barras verticales. Se ha de seleccionar en el menú correspondiente a esta tecla la opción Delayed. Como vemos, la pantalla se divide en dos partes: en la mitad superior aparece la onda cuadrada en la escala temporal normal y en la mitad inferior se observa el detalle ampliado de la parte de la onda que se encuentra entre las dos barras verticales. La anchura de esta zona de referencia se puede variar usando el botón que cambia la escala temporal o base de tiempos, que se encuentra a la izquierda de la tecla Main/Delayed, en la parte frontal del aparato. La localización de la zona de referencia varía al mover el botón que hay a la derecha de la tecla Main/Delayed. Se piden comentarios sobre la utilidad de estas funciones a la hora de analizar una señal. Otra función de la tecla Main/Delayed es cambiar el origen de tiempos, utilizando la opción Time Ref, que puede seleccionarse en el centro de la pantalla ( Center ), a la izquierda ( Left ) o a la derecha ( Right ), indicado en cada caso por el pequeño símbolo triangular que señala ese origen. Además, el origen de tiempos también se puede mover a cualquier otro punto del eje horizontal superior de la pantalla rotando el botón que hay a la derecha de la tecla Main/Delayed La sincronía (con la función 12 de la tarjeta generadora) La sincronía de un osciloscopio tiene una doble función. Por una parte, ante la presencia de señales periódicas y por tanto de duración ilimitada, permite que las sucesivas representaciones de la señal se superpongan en la misma posición en la pantalla. Por otra, si la señal tiene una duración limitada, permite capturar la señal en el momento preciso en que ésta llega al osciloscopio para representarla adecuadamente. Básicamente, las funciones de sincronía o de disparo ( Trigger ) establecen qué condiciones debe satisfacer el voltaje de la señal de entrada para que el sistema de barrido del osciloscopio represente la señal en pantalla. Estas funciones se controlan con un conjunto de teclas que se encuentra enmarcadas por una línea verde en la parte derecha del osciloscopio. En general, es la propia señal que estamos analizando la que sirve para disparar el barrido del osciloscopio cuando su voltaje cumple unas características determinadas, tal como hemos mencionado anteriormente. Sin embargo, el menú activado al presionar la tecla Edge permite cambiar la fuente de disparo o sincronía. Conectemos la sonda a la función 12 de la tarjeta generadora de señales. En el modo de operación normal hay que seleccionar como fuente de disparo el mismo canal por el que entra la señal que queremos visualizar en el osciloscopio. Por ejemplo, si la señal a analizar está conectada al canal 1, seleccionando la opción 1 se indica que esta misma señal es la que elegimos para efectuar el trigger. Pero también podría seleccionarse el otro canal e incluso un tercer conector externo (opción Ext ) para introducir una señal de sincronía diferente en el osciloscopio. Con el botón Level se indica al osciloscopio el nivel del voltaje de sincronía o de disparo, cuyo valor aparece iluminado en la esquina superior derecha de la pantalla. De este modo, la señal que llega al osciloscopio empieza a dibujarse en la pantalla, siempre empezando en el origen de tiempos, cuando su voltaje cruza por el nivel ( level ) de voltaje de disparo escogido. El menú de pantalla que aparece cuando se presiona la tecla Edge, permite también la elección del sentido de variación del voltaje de la señal al cruzar por este nivel de disparo,

4 2.- El osciloscopio digital. 10 pudiendo ser dicho sentido ascendente ( ) o descendente ( ). Observad qué le ocurre a la señal cuadrada al presionar los diferentes sentidos de variación. Con la tecla Mode/Coupling se abre un nuevo menu que indica el modo de sincronía. Existen diferentes modos automáticos de sincronía: Auto Level, Auto y Normal. Haced pruebas con los distintos modos de sincronía, girando también, con cada modo seleccionado, el botón Level, para descubrir las características de cada uno. Además existe un modo de sincronía adaptado para señales no periódicas de duración limitada, o sea señales denominadas transitorias o impulsivas que se controla con la tecla Single y el botón Level. Haced pruebas también con esta utilidad y observad cómo cambia el estado del osciloscopio entre RUN y STOP. 2) SEÑALES PROCEDENTES DE UN GENERADOR DE FUNCIONES A continuación utilizaremos el osciloscopio para hacer medidas de voltajes, tiempos y frecuencias de una señal eléctrica procedente de un generador de funciones, similar al que se muestra en la Figura 4 (consultad el anexo segundo de este guión). Este generador permite cambiar la forma, la frecuencia y la amplitud de la señal eléctrica generada. El generador de funciones se conecta al osciloscopio usando un cable coaxial desde la salida de 50 Ω del generador al canal 1 de entrada del osciloscopio. En este caso, el factor de atenuación del cable coaxial es 1. a) Seleccionad una onda sinusoidal, cuadrada o triangular en el generador de funciones, con una frecuencia aproximada de Figura 4.- Generador de funciones. 7 khz. La forma de la onda se selecciona con las teclas azules en el caso del generador que se muestra en la Figura 4. La frecuencia se selecciona con una ruleta que va desde 2 hasta 20. Apretando las teclas grises se multiplica el valor anteriormente seleccionado por diversos factores de 10 en función de la tecla seleccionada. Medid con el osciloscopio, seleccionando de forma manual las escalas de voltaje y de tiempo, la frecuencia de la onda y el voltaje pico-pico. Comprobad que el valor medido coincide aproximadamente con la frecuencia que se ha seleccionado. b) La amplitud de la onda se varía con el botón AMPLITUDE del generador de funciones. Observad cualitativamente que un cambio de amplitud se aprecia en la señal registrada en el osciloscopio. Para que la señal quede centrada en la pantalla se puede cambiar manualmente la escala vertical con la ruleta de control de voltaje correspondiente al canal que se esté utilizando (el 1 en este caso). c) El generador permite también el cambio del nivel de continua, DC, de la señal que suministra. Si el botón DC OFFSET se encuentra en posición OFF, el nivel de 0 V coincide con el centro de la onda (aparecerá indicado por una flecha que se ve a la izquierda de la pantalla). Ahora bien, esto se puede modificar situándolo en un nivel negativo o positivo. Para cambiar el nivel de DC se gira el botón DC OFFSET y se observa cómo se desplaza la señal en la pantalla hacia arriba o hacia abajo respecto al nivel de 0 V. 3) ADQUISICIÓN DE SEÑALES TRANSITORIAS (con las funciones 9 y 10 de la tarjeta generadora) Hasta ahora nos hemos ocupado de señales periódicas, esto es, señales que se van repitiendo a lo largo del tiempo (como las ondas sinusoidales o cuadradas extraídas del generador de funciones o las detectadas en el ambiente). La adquisición de este tipo de señales se efectúa de manera que el osciloscopio las registra continuamente (opción Trigger-Mode-Auto). Ahora bien, existe otro tipo de señales que se localizan sólo dentro de un cierto intervalo de tiempo, son las denominadas señales transitorias o impulsivas (medidas con la opción Trigger-Mode-Normal). Como ejemplo, veamos el comportamiento de un pulso o transitorio eléctrico que se origina con las funciones 9 y 10 de la tarjeta generadora de señales cuando apretamos el botón cercano a esas salidas. Previamente, habrá que configurar el osciloscopio, con la tecla Mode/Coupling, para que opere en el modo Normal. La escala de tiempos se ha de fijar en 20 µs y la escala de voltaje en 2 V/div. Para captar la señal transitoria es necesario que el comando Coupling esté en la opción DC. Conviene colocar manualmente el

5 2.- El osciloscopio digital. 11 origen de tiempos a la izquierda de la pantalla y el origen de voltajes por debajo del centro de la pantalla. Con el botón Level se selecciona un nivel de sincronía o disparo cercano a 1 V. La opción de la pendiente del Trigger se utilizará entonces para seleccionar el sentido ascendente ( ). De este modo el osciloscopio captura el pulso cuando el voltaje crece al cruzar por el nivel de disparo. Si la tecla RUN/STOP está iluminada en verde, el osciloscopio captura y dibuja la señal generada por el interruptor en la pantalla. Una vez capturado el pulso con el osciloscopio, medid manualmente su anchura temporal, con las opciones que ya se conocen de la tecla Cursors. ANEXO 1 TARJETA GENERADORA DE FUNCIONES HP54654A Self-Paced Training Kit for HP54600-Series Oscilloscopes La tarjeta generadora de funciones proporciona las siguientes señales:

6 2.- El osciloscopio digital. 12 ANEXO 2 EL GENERADOR DE FUNCIONES Un generador de funciones es un equipo que puede generar señales de voltaje variable con el tiempo para ser aplicadas posteriormente sobre un circuito. Las formas de onda típicas de las señales generadas son las triangulares, cuadradas y sinusoidales. En la Figura 5 se muestran dos de los generadores de funciones disponibles en nuestro laboratorio. Figura 5.- Dos de los tipos de generadores de funciones en el laboratorio de Física de la UJI. A continuación describiremos los controles y funciones básicas de un generador de funciones genérico como el esquematizado en la Figura 6. Controles: 1.- Selector de funciones. Controla la forma de onda de la señal de salida. En general puede ser triangular, cuadrada o sinusoidal. 2.- Selector de rango. Selecciona el rango o margen de frecuencias de trabajo de la señal de salida. En general, su valor va determinado en décadas, es decir, de 1 a 10 Hz, de 10 a 100, etc. 3.- Control de frecuencia. Regula la frecuencia de salida dentro del margen seleccionado mediante el selector de rango. 4.- Control de amplitud. Mando que regula la amplitud de la señal de salida. 5.- DC offset. Regula la tensión continua de salida que se superpone a la señal variable en el tiempo de salida. 6.- Atenuador de 20 db. Ofrece la posibilidad de atenuar la señal de salida 20 db (100 veces) sobre la amplitud seleccionada con el control número Salida 600 Ω. Conector de salida que suministra la señal elegida con una impedancia de 600 Ω. 8.- Salida TTL. Proporciona una serie de pulsos TTL (0-5V) con la misma frecuencia que la señal de salida. Figura 6.- Esquema de un generador de funciones típico.

7 2.- El osciloscopio digital. 13 El generador de funciones puede incorporar en ocasiones una pantalla en la que se indica el valor de la frecuencia seleccionada para la señal, como se observa en el primer generador de la Figura 5, así como otros mandos de control como, por ejemplo, un mando para controlar la simetría de la señal eléctrica. Modo de operación: En primer lugar es conveniente seleccionar el tipo de señal de salida que queremos generar con el dispositivo que, en general, será sinusoidal, cuadrada o triangular, tal como se muestra en la figura 7. Figura 7.- Tipos básicos de señales suministradas por un generador de funciones: sinusoidal, cuadrada y triangular. A continuación se debe fijar la frecuencia de trabajo utilizando los selectores de rango y mando de ajuste. El último paso será conectar la salida y fijar la amplitud de la señal, así como la tensión continua de offset, si es necesario.