APUNTES DE MEDICIONES
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- María Teresa María del Carmen Villalba Pérez
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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD CULHUACÁN APUNTES DE MEDICIONES MATERIA DEL CUARTO SEMESTRE DE LA CARRERA DE INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRÓNICA ELABORADOS POR: ING. SOFÍA RODRÍGUEZ PEÑA Ing. Sofía Rodríguez Peña 1
2 INTRODUCCIÓN PARA EL ESTUDIANTE El alumno deberá tener los conocimientos teóricos de Física, Circuitos I y Circuitos II, como parte fundamental para introducirlo al conocimiento y manejo de los equipos de medición y prueba de laboratorio de Electrónica como son osciloscopios, fuentes de poder, multímetros generadores de funciones, etc.; puesto que la asignatura de Mediciones que se imparte en el cuarto semestre de la carrera de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica, es un curso en el que se proporciona una gran cantidad de información importante y práctica sobre los instrumentos electrónicos y las técnicas de medición electrónicas. Con esto, el alumno aprenderá a medir señales eléctricas e interpretará adecuadamente los resultados con el criterio necesario para saber cuando un equipo o instrumento de laboratorio le permita realizar una medición con un error aceptable y adquiera una visión general sobre equipos modernos de medición para señales eléctricas, con lo que se encontrará listo para el uso de éstos sistemas de medición en sus cursos consecuentes de Dispositivos, Electrónica Lineal, Electrónica Digital, etc. Ing. Sofía Rodríguez Peña 2
3 1.1 Sistemas de medición nacional e internacional UNIDAD I Antes de tratar el concepto de sistemas de medición, entenderemos qué es medir? En nuestra vida cotidiana estamos familiarizados con el concepto medir; de hecho, todos hemos medido algo en alguna ocasión. Nos hemos medido en estatura con respecto a otra persona u objeto, hemos medido nuestras fuerzas para mover algún objeto, hemos medido nuestra velocidad para desplazarnos. Lo que hemos hecho en todos estos y más casos, es sólo comparar una situación con respecto a otra; dicho de otra manera, hemos comparado una magnitud con respecto a otra. Eso es medir! Cuando el científico o el experimentador obtienen un nuevo conocimiento, tratan de definirlo tan precisamente como pueden, utilizando las medidas. Como cuando un astrónomo clasifica una estrella por su brillo y su color espectral; o el químico que distingue entre sustancias por sus puntos de ebullición o su acidez y demás; o el físico que define un empujón o un estirón en términos de la fuerza que puede ser observada en una báscula de resorte. Gracias a este procedimiento, el experimentador puede atribuir un valor numérico a un hecho que hasta entonces tenía solamente valor estético o sensorial. Lo convierte de hecho cualitativo, subjetivo, privado, en hecho cuantitativo, que es objetivo y público; en otras palabras, comunicable. Por ejemplo, las sensaciones de calor y humedad pueden ser convertidas en cantidades universalmente comprensibles, tales como decir 30 o C, o 70 % de humedad relativa. En las ciencias Físicas medir es un proceso por medio del cual comparamos la magnitud o tamaño no conocido de alguna dimensión, con respecto a otra magnitud conocida, o patrón de comparación, a la cual le denominamos unidad de medida, para poder expresarla cuantitativamente a través de una escala. En el proceso de medición lo que buscamos es saber qué tantas veces la magnitud no conocida contiene a la unidad de medida; o bien, qué tantas veces la unidad de medida contiene a la magnitud no conocida. O sea, qué tantas veces la magnitud no conocida es mayor que la unidad de medida, o qué tantas veces la unidad de medida es mayor que la magnitud no conocida. Estamos comparando magnitudes. Para el efecto se utilizan las escalas numéricas, que forman parte de los instrumentos de medición; éstas pueden ser analógicas o digitales. El concepto medir se aplica en la determinación de la magnitud de cualquiera dimensión, como longitud, área, volumen, masa, capacidad, carga eléctrica, intensidad de corriente eléctrica, diferencia de potencial eléctrico, tiempo, velocidad, etc., y la medida de cada magnitud se expresa en unidades establecidas para cada caso. Esto significa que existe una gran variedad de unidades de medida utilizadas en las ciencias, mismas que han sido organizadas y reguladas en Sistemas de unidades de medidas, como el Sistema Métrico Decimal (MKS), que tiene como unidades fundamentales al metro (unidad de longitud), el kilogramo (unidad de masa) y el segundo (unidad de tiempo), contemplando, desde luego los múltiplos y submúltiplos de éstas. También existe el Sistema c.g.s., cuyas unidades fundamentales son el centímetro (unidad de longitud), el gramo (unidad de masa) y el segundo (unidad de tiempo); o bien, el sistema inglés o f.p.s., con unidades fundamentales foot (o pie, unidad de longitud), pound (o libra, unidad de masa) y second (o segundo, unidad de tiempo). A partir del año 1960, se adoptó un nuevo sistema de unidades con propósitos de aplicación única en las ciencias y la tecnología, mismo que se utiliza en la actualidad y se conoce con el nombre de Ing. Sofía Rodríguez Peña 3
4 Sistema Internacional 1[1] (SI), el cual, además de las unidades fundamentales para longitud, masa y tiempo que contempla el sistema MKS, incluye al Ampere (unidad fundamental de intensidad de corriente eléctrica). De aquí que al SI también se le conoce por algunos autores como el Sistema MKSA Unidades de medición y patrones de medida 1[1] Sistema Internacional de unidades: Nombre adoptado por la XI Conferencia General de Pesas y Medidas (celebrada en París en 1960) para un sistema universal, unificado y coherente de unidades de medida, basado en el sistema mks (metro-kilogramo-segundo). Este sistema se conoce como SI, iniciales de Sistema Internacional. En la Conferencia de 1960 se definieron los patrones para seis unidades básicas o fundamentales y dos unidades suplementarias (radián y estereorradián); en 1971 se añadió una séptima unidad fundamental, el mol. Las dos unidades suplementarias se suprimieron como una clase independiente dentro del Sistema Internacional en la XX Conferencia General de Pesas y Medidas (1995); estas dos unidades quedaron incorporadas al SI como unidades derivadas sin dimensiones. Ing. Sofía Rodríguez Peña 4
5 Ing. Sofía Rodríguez Peña 5
6 1.1.3 Normalización en México (organismos) Las normas técnicas juegan un papel fundamental en la sociedad moderna y son parte integral de nuestro sistema económico y legal. Estos instrumentos permiten generar importantes beneficios sociales al ofrecer soluciones a problemas específicos, prevención de riesgos en el trabajo, especificaciones de unidades de medida y aseguramiento de la calidad. Estas normas establecen especificaciones y procedimientos para garantizar, que los materiales y productos, métodos o servicios, cumplan en el contexto de los propósitos o funciones para los que fueron diseñados. La normalización es el proceso mediante el cual se regulan las actividades desempeñadas por los sectores tanto privado como público, en materia de salud, medio ambiente, seguridad, información comercial, industrial y laboral. A través de la cual se establecen la terminología, clasificación, directrices, especificaciones, tributos, características y métodos de prueba o prescripciones aplicables a un producto, proceso o servicio. Existen diferentes organismos de normalización, en el ámbito internacional México es miembro de la IEC ( ormalizadota Electrotechnical Comisión) Comisión Internacional de Electrotecnia, y a nivel nacional nuestro país contrajo compromisos para la realización de tratados comerciales con la APEC (Asia-Pacific Economic Cooperation) Coperación Económica Asia- Pacífico y NYCE (Normalización y Certificación Electrónica A.C.). Ya que los procesos básicos en el proceso de normalización son: representatividad, consenso, consulta pública, modificación y actualización, éstos se llevan mediante la elaboración, expedición y difusión a nivel nacional, de las normas que pueden ser de tres tipos: a) Norma Oficial Mexicana (NOM).- Regulación técnica de observancia obligatoria expedida por las dependencias ormalizadotas competentes a través de sus respectivos Comités Consultivos Nacionales de Normalización de conformidad con las finalidades establecidas en el artículo 40 de la Ley Federal sobre Metrología y Normalización (LFMN). Establece reglas, especificaciones o tributos, directrices, características o sistemas, actividad, servicio o método de producción u operación, así como aquellas relativas a terminología, simbología, embalaje, marcado, etiquetado y las que se refieren a su cumplimiento o aplicación. b) Norma Mexicana.- Es la que elabora un organismo nacional de normalización o la Secretaría de Economía de conformidad con lo dispuesto en el artículo 54 de la LFMN. c) Norma de Referencia.- Las normas de referencia son las que elaboran las entidades de la administración pública, de conformidad con lo dispuesto en el artículo 67 de la LFMN, para aplicarlas a bienes o servicios que adquieren, arrienden o contratan cuando las normas mexicanas o internacionales no cubran los requerimientos de las normas o sus especificaciones resulten obsoletas o inaplicables. Son normas provisionales. Ing. Sofía Rodríguez Peña 6
7 1.2 Necesidad de las Mediciones. En ingeniería, una medición es la actividad de comparar magnitudes físicas de objetos del mundo real con sucesos. Como unidades se utilizan objetos y sucesos previamente establecidos como estándares y la medición da como resultado un número que es la relación entre el objeto de estudio y la unidad de referencia. Los instrumentos de medición son el medio por el que se hace esta conversión. Por tal motivo en el área de electrónica se hace necesario realizar diferentes mediciones eléctricas, para lo cual se emplean diferentes instrumentos básicos Instrumentos básicos de medición en el Laboratorio de electrónica. Los diferentes instrumentos básicos de medición en el laboratorio de electrónica son los siguientes: amperímetro (mide la corriente eléctrica) galvanómetro (mide la corriente) ohmetro (mide la resistencia) voltímetro (mide la tensión) puente de impedancias ( mide capacitancias, inductancias y resistencias eléctricas) multímetro (mide todos los anteriores valores) osciloscopio (mide amplitud, periodo de señales eléctricas) fuentes de poder (entrega voltajes regulados) generador de funciones ( provee de señales senoidales, cuadradas y triangulares a diferentes frecuencias y amplitudes) Diferentes tipos de indicadores. Existen diferentes tipos de indicadores en los sistemas de medición tales como lo son: a) De aguja.- En el multímetro analógico, amperímetro, wattmetro de absorción, voltímetro, y fuentes de alimentación son algunos ejemplos de esto. b) De barra luminosa.- Termómetros digitales, medidores de nivel de fluídos, fuentes de voltaje por escala de intervalos, simulador de líneas de transmisión. c) De 7 segmentos.- Contadores digitales, relojes, fuentes de voltaje programables, etc. d) Alfanuméricos.- Analizador de impedancias de radiofrecuencia, frecuencímetros, generadores de funciones, milivoltímetro programable de RF, fuentes de voltaje programables, puentes de impedancias. e) Monitor de PC.- En una estación de trabajo. f) TRC de osciloscopio.- Ampliamente usados en osciloscopios analógicos y digitales, en vectorscopios, etc. g) LCD.- El display de cristal líquido en osciloscopios digitales, relojes, contadores, entre otros. Ing. Sofía Rodríguez Peña 7
8 1.2.3 Resolución, Sensibilidad, Exactitud, Error, Precisión, Repetibilidad, Resistencia Interna, Efecto de carga. Normalmente los errores de medida se estudian seriamente por primera vez en laboratorios de estudios superiores o en la experiencia profesional de un ingeniero. Ing. Sofía Rodríguez Peña 8
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25 1.3 Reglas de seguridad en el manejo de la energía eléctrica, en el uso del equipo del laboratorio y en la medición de señales eléctricas en los circuitos y sistemas electrónicos. Es importante conocer las medidas de prevención de accidentes cuando se trabaje en laboratorios, por eso se recomienda lo siguiente: Ing. Sofía Rodríguez Peña 25
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27 UNIDAD II 2.1 Señales eléctricas y parámetros medibles Variables eléctricas vs. variables físicas Ejemplos de éstas son V,I vs λ, Pot. Vs. frecuncia, etc Variables eléctricas vs. tiempo Ejemplos de éstas son V vs t, I vs t, etc. Ing. Sofía Rodríguez Peña 27
28 2.1.3 Formas típicas y sus parámetros ( valor pico, valor promedio, valor eficaz, amplitud, fase). Ing. Sofía Rodríguez Peña 28
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32 2.2 Ejemplos de señales analógicas y señales digitales 3.1 Fuentes de alimentación de CD Fuentes de voltaje. Para que cualquier circuito eléctrico funcione, debe haber una fuente de energía. Una fuente de energía es una fuente de voltaje (tensión) o bien una fuente de corriente. FUENTE INDEPENDIENTE O FUENTE IDEAL. Es un elemento de dos terminales, como una batería o un generador, que mantiene un voltaje específico entre sus terminales a pesar del resto del circuito que esta conectado a él. El voltaje es por completo independiente de la corriente a través del elemento. El símbolo para la fuente de voltaje El valor v s es la función fuente y las señales más-menos dentrote la fuente dan la dirección de referencia de la función de la fuente. La función de la fuente v s (t) se considera conocida. En conclusión, siempre definiremos una terminal de voltaje variable a través de cada elemento en el circuito, incluyendo las fuentes de voltaje, v es una terminal de voltaje Por definición de una fuente de voltaje independiente, es una terminal de voltaje simplemente igual al valor especificado. Ing. Sofía Rodríguez Peña 32
33 v = v s El voltaje a través de una fuente de voltaje independiente siempre es igual y es especificado por la función fuente, sin importar la corriente que lo atraviesa. Notamos que, si la terminal de la dirección de referencia de voltaje y la dirección de referencia de la función fuente son opuestas una a la otra, una señal de menos se necesita insertar en la ley del elemento, v = v s, por lo que la terminal de voltaje está definida en este caso como una función de fuente negativa. Una fuente de voltaje ideal o perfecta produce voltaje de salida que no depende del valor de la resistencia de carga. El ejemplo más sencillo de una fuente de voltaje es una batería perfecta, cuya resistencia interna vale cero. Fuente real de voltaje. En la naturaleza no existen las fuentes ideales de voltaje. Existen solamente en nuestra mente como un dispositivo teórico. FUENTE DE VOLTAJE DEPENDIENTE. Una fuente de voltaje dependiente o controlada, es una fuente cuyo voltaje entre terminales depende de, o está controlado por un voltaje o corriente definido en toro lugar del circuito. Las fuentes de voltaje controlado están categorizadas por el tipo de variable de control. Una fuente de voltaje controlada por voltaje (FVCV) está controlada por un voltaje. El símbolo para una fuente de voltaje dependiente con una función de fuente v s Las Fuentes dependientes no lineales son aquellas en donde la variable controlada no es simplemente proporcional a la variable de control, como en las fuentes dependientes lineales descritas anteriormente. En el presente texto, nos interesaremos únicamente en el estudio de los circuitos lineales, y por consiguiente, las fuentes controladas no lineales no se volverán a considerar. Las fuentes dependientes son esenciales para producir amplificadores, circuitos que producen salidas más potentes que sus entradas. También son integrales a los filtros activos y para circuitos electrónicos de todo tipo. Entre la multitud de sus usos importantes, las fuentes dependientes son utilizadas para evitar la sobrecarga, para aislar una parte del circuito de la otra y para obtener exóticos comportamientos como resistencia negativa. El resistor es un elemento de carga positiva, sin embargo, mediante las fuentes dependientes, podemos crear circuitos que presentes resistencia negativa.[i] Fuentes de corriente. FUENTE DE CORRIENTE INDEPENDIENTE. Es un elemento de dos terminales a través de la cual fluye una corriente especificada. El valor de esta corriente está dado por la función fuente y la dirección de referencia de la función fuente por la flecha dentro de la fuente. Mientras que en la fuente de voltaje independiente, la función fuente i s [o i s (t) en el caso de tiempo variable] esta asumida como conocida y están relacionadas a la terminal del elemento de corriente variable por la ley elemento para cada fuente de corriente independiente. Ing. Sofía Rodríguez Peña 33
34 FUENTE DE CORRIENTE DEPENDIENTE. Una fuente de corriente dependiente o controlada, es una fuente cuyas corrientes dependen de, o están controladas por, un voltaje o corriente definidos en otro lugar del circuito. Una fuente de corriente controlada por un voltaje (FCCV) es controlada por un voltaje y una fuente de corriente controlada por corriente (FCCC) está controlada por corriente. El símbolo para una fuente de corriente dependiente con un valor (fuente de función) i s Bloques funcionales ilustrando fuentes de voltaje y corriente Características y limitaciones de las fuentes de alimentación. Una forma de protección de sobrecarga o de corto circuito es el limitador de corriente. A medida que la corriente de la carga I L se incrementa, la caída de voltaje a través del resistor sensor de corto circuito R sc aumenta. Cuando la caída de voltaje a través de de R sc llega a ser lo suficientemente grande, encenderá a Q 2, desviando la corriente de la base del transistor Q 1 y reduciendo, por lo tanto, la corriente de carga a través del transistor Q 1, lo que previene cualquier corriente adicional a la carga R L, la acción de los componentes R sc y Q 2 proporciona la limitación de la corriente de carga máxima. REGULACIÓN DE VOLTAJE. El voltaje proporcionado en la salida sin carga (no se consume ninguna corriente de la fuente) se reduce cuando se consume corriente de carga de la fuente (baja carga). Para cualquiera que utilice la fuente, es de considerable interés conocer cuánto cambia este voltaje con respecto al voltaje sin carga. Este cambio de voltaje se describe mediante un factor denominado regulación de voltaje. Regulación de voltaje = voltaje sin carga voltaje a carga máxima Voltaje a carga máxima % R.V.= V NL V FL x 100 Ing. Sofía Rodríguez Peña 34
35 3.2 Generadores de señales Un Generador de Funciones es un aparato electrónico que produce ondas senoidales, cuadradas y triangulares, además de crear señales TTL. Sus aplicaciones incluyen pruebas y calibración de sistemas de audio, ultrasónicos y servo. Este generador de funciones, específicamente trabaja en un rango de frecuencias de entre 0.2 Hz a 2 MHz. También cuenta con una función de barrido la cual puede ser controlada tanto internamente como externamente con un nivel de DC. El ciclo de máquina, nivel de offset en DC, rango de barrido y la amplitud y ancho del barrido pueden ser controlados por el usuario. Controles, Conectores e Indicadores (Parte Frontal) 1. Botón de Encendido (Power button). Presione este botón para encender el generador de funciones. Si se presiona este botón de nuevo, el generador se apaga. 2. Luz de Encendido (Power on light). Si la luz está encendida significa que el generador esta encendido. 3. Botones de Función (Function buttons). Los botones de onda senoidal, cuadrada o triangular determinan el tipo de señal provisto por el conector en la salida principal. 4. Botones de Rango (Range buttons) (Hz). Esta variable de control determina la frecuencia de la señal del conector en la salida principal. 5. Control de Frecuencia (Frecuency Control). Esta variable de control determina la frecuencia de la señal del conector en la salida principal tomando en cuenta también el rango establecido en los botones de rango. 6. Control de Amplitud (Amplitude Control). Esta variable de control, dependiendo de la posición del botón de voltaje de salida (VOLTS OUT), determina el nivel de la señal del conector en la salida principal. Ing. Sofía Rodríguez Peña 35
36 7. Botón de rango de Voltaje de salida (Volts Out range button). Presiona este botón para controlar el rango de amplitud de 0 a 2 Vp-p en circuito abierto o de 0 a 1 Vp-p con una carga de 50W. Vuelve a presionar el botón para controlar el rango de amplitud de 0 a 20 Vp-p en circuito abierto o de 0 a 10 Vp-p con una carga de 50W. 8. Botón de inversión (Invert button). Si se presiona este botón, la señal del conector en la salida principal se invierte. Cuando el control de ciclo de máquina esta en uso, el botón de inversión determina que mitad de la forma de onda a la salida va a ser afectada. La siguiente tabla, muestra esta relación. 9. Control de ciclo de máquina (Duty control). Jala este control para activar esta opción. 10. Offset en DC (DC Offset). Jala este control para activar esta opción. Este control establece el nivel de DC y su polaridad de la señal del conector en la salida principal. Cuando el control esta presionado, la señal se centra a 0 volts en DC. 11. Botón de Barrido (SWEEP button). Presiona el botón para hacer un barrido interno. Este botón activa los controles de rango de barrido y de ancho del barrido. Si se vuelve a presionar este botón, el generador de funciones puede aceptar señales desde el conector de barrido externo (EXTERNAL SWEEP) localizado en la parte trasera del generador de funciones. 12. Rango de Barrido (Sweep Rate). Este control ajusta el rango del generador del barrido interno y el rango de repetición de la compuerta de paso. 13. Ancho del Barrido (Sweep Width). Este control ajusta la amplitud del barrido. 14. Conector de la salida principal (MAIN output connector). Se utiliza un conector BNC para obtener señales de onda senoidal, cuadrada o tiangular. 15. Conector de la salida TTL (SYNC (TTL) output connector). Se utiliza un conector BNC para obtener señales de tipo TTL. Ing. Sofía Rodríguez Peña 36
37 Controles, Conectores e Indicadores (Parte Trasera) 1R. Fusible (Line Fuse). Provee de protección por sobecargas o mal funcionamiento de equipo. 2R. Entrada de alimentación (Power Input). Conector de entrada para el cable de alimentación. 3R. Conector de entrada para barrido externo. (External Sweep input connector). Se utiliza un conector de entrada tipo BNC para controlar el voltaje del barrido. Las señales aplicadas a este conector controlan la frecuencia de salida cuando el botón de barrido no está presionado. El rango total de barrido es también dependiente de la frecuencia base y la dirección deseada del barrido. 4R. Selector de voltaje (Line Voltaje Selector). Estos selectores conectan la circuitería interna para distintas entradas de alimentación Bloque funcional de un generador de señales, análisis de sus características y limitaciones. ONDA SENOIDAL Una onda senoidal se puede obtener en el conector de la salida principal cuando se presiona la opción de onda senoidal en el botón de función y cuando cualquier botón del rango de frecuencia está también presionado. La frecuencia de la onda se establece por la combinación del botón de rango y el control de variación de frecuencia. La salida tendrá que ser revisada con un osciloscopio. Se debe proceder de la siguiente manera: 1. Para obtener una señal senoidal, se deben seguir las siguientes instrucciones: Control Instrucción Botón de encendido (Power button) Encendido (presionado) Botón de rango (Range button) Botón de 1 KHz presionaldo Ing. Sofía Rodríguez Peña 37
38 Disco de frecuencias (Frequency Dial) Control de ciclo de máquina (Duty Control) Control de offset en DC (Dc Offset Control) Control de amplitud (Amplitude Control) Botón de inversión (Invert button) Botón de voltaje en la salida (Volts out button) Botón de funciones (Function button) Botón de barrido (Sweep button) Línea de selección de voltaje (Line voltage selector) 1.0 Presionado Presionado Presionado No presionado No presionado (posición de 0-20) Presional el botón de onda senoidal No presionado Checar la salida de voltaje para el rango de salida de la línea ( o ) La conexión de cables se muestra en la sig. figura: 2. Fija la perilla de volts por división (VOLTS/DIV) a 2 V, la perilla de segundos por división (SEC/DIV) a 0.2 ms y el resto de los controles en la posición de operación normal. 3. La frecuencia de salida puede ser calculada tomando el recíproco del período de la forma de la señal. 4. La frecuencia de salida puede establecerse con mayor precisión utilizando un contador de frecuencia (Frequency Counter) conectando la salida del generador de funciones directamente al contador, o usando un cable BNC con conexión en T de la salida del generador de funciones al osciloscopio y al contador al mismo tiempo. Cuando se familiariza con la configuración para lograr una señal senoidal a la frecuencia del ejemplo anterior, cambie el rango de frecuencias y rote el disco de frecuencias, observando el osciloscopio o el display del contador. Lea el voltaje de salida del generador conectando a éste un multímetro, situado en la función de voltaje en AC (AC Volts). Con esto, será posible leer el valor rms de la señal senoidal y compararla con la señal pico a pico (p-p) vista en el osciloscopio. El valor rms debe ser veces el valor p-p visto en el osciloscopio. Las ondas senoidales son utilizadas para checar circuitos de audio y de radio frecuencia. Ing. Sofía Rodríguez Peña 38
39 Las frecuencias más altas del generador de funciones pueden ser utilizadas para simular la portadora para la banda de AM. Con un capacitor en serie con el centro del conector en la salida principal, las señales de audio pueden ser inyectadas a cualquier equipo de audio. ONDA CUADRADA Una onda cuadrada se puede obtener en el conector de la salida principal cuando se presiona la opción de onda cuadrada en el botón de función y cuando cualquier botón del rango de frecuencia está también presionado. La frecuencia de la onda se establece por la combinación del botón de rango y el control de variación de frecuencia. La salida puede verificarse con un osciloscopio utilizando la misma conexión utilizada en la onda senoidal. La frecuencia de salida puede establecerse con mayor precisión utilizando un contador de frecuencia (Frequency Counter) conectando la salida del generador de funciones directamente al contador, o usando un cable BNC con conexión en T de la salida del generador de funciones al osciloscopio y al contador al mismo tiempo. Para ajustar el generador de funciones para que opere con una onda cuadrada, los controles pueden estar ajustados de la misma manera con la que se obtuvo la señal senoidal, excepto la opción de onda cuadrada en el botón de función debe estar presionada. No se podrá tener un valor rms muy exacto para una onda cuadrada con el multímetro o cualquier otro medidor digital o analógico, porque están calibrados para obtener valores rms de señales senoidales. La señal de onda cuadrada puede ser utilizada para simular señales pulsantes. La onda cuadrada es frecuentemente usada para pruebas y calibración de circuitos de tiempo. ONDA DIENTE DE SIERRA Una onda triangular se puede obtener en el conector de la salida principal cuando se presiona la opción de onda triangular en el botón de función y cuando cualquier botón del rango de frecuencia está también presionado. La frecuencia de la onda se establece por la combinación del botón de rango y el control de variación de frecuencia. La salida puede verificarse con un osciloscopio utilizando la misma conexión utilizada en la onda senoidal. La frecuencia de salida puede establecerse con mayor precisión utilizando un contador de frecuencia (Frequency Counter) conectando la salida del generador de funciones directamente al contador, o usando un cable BNC con conexión en T de la salida del generador de funciones al osciloscopio y al contador al mismo tiempo. Para ajustar el generador de funciones para que opere con una onda triangular, los controles pueden estar ajustados de la misma manera con la que se obtuvo la señal senoidal, excepto la opción de onda cuadrada en el botón de función debe estar presionada. No se podrá tener un valor rms muy exacto para una onda cuadrada con el multímetro o cualquier otro medidor digital o analógico, porque están calibrados para obtener valores rms de señales senoidales. Uno de los usos más comunes de la onda triangular es para hacer un control de barrido externo para un osciloscopio. Es también usada para calibrar los circuitos simétricos de algunos equipos. Ing. Sofía Rodríguez Peña 39
40 TTL Una señal TTL (Transistor-Transistor-Logic) puede obtenerse a la salida del conector SYNC. El rango del pulso es controlado por los botones de rango y el disco de frecuencia. La simetría de esta forma de onda puede ser controlada con el control de ciclo de trabajo. La señal TTL está también disponible en el modo de barrido. La amplitud de la señal TTL se fija a 2 Vp-p (ona cuadrada). El pulso TTL es utilizado para injectar señales a circuitos lógicos con el propósito de hacer pruebas. SALIDA DEL BARRIDO Todas las salidas que se pueden obtener del generador de funciones pueden utilizarse en modo de barrido. Estas salidas son utilizadas en conjunto con otros instrumentos de prueba para producir una señal de frecuencia modulada. El uso de una señal de barrido es un método común en circuitos de sintonización y para controlar el ancho de banda de circuitos de audio y de radio frecuencia. VOLTAJE CONTROLADO POR LA ENTRADA PARA BARRIDO EXTERNO Esta característica permite que el generador de barrido sea controlado por una fuente de voltaje externa. Cuando está en operación este modo, el botón de barrido no debe estar presionado por lo que los controles de rango de barrido y ancho de banda de barrido tampoco están en operación. El voltaje en DC aplicado a la entrada determina las características del barrido de la señal a la salida del conector principal o SYNC (TTL) Diagrama de los bloques internos de un generador de señales de propósito general. En el diagrama siguiente se ilustran los bloques que conforman un generador de señales, para este caso es de modelo GFG-8015G GW INSTEK Uso y operación del generador de señales de propósito general. Información referida en el punto anterior. Ing. Sofía Rodríguez Peña 40
41 Diagrama a bloques del generador de señales Ing. Sofía Rodríguez Peña 41
42 UNIDAD IV 4.1 Conceptos generales sobre un multímetro analógico Sus diferentes funciones y bloque funcional en cada caso. EL Multímetro analógico es un sistema que permite hacer mediciones de voltajes y corrientes de CD y CA, resistencias eléctricas, prueba de continuidad, prueba ohmica de diodos y transistores, prueba de carga y descarga de capacitores electrolíticos. Ing. Sofía Rodríguez Peña 42
43 4.1.2 Diagrama interno a bloques para cada una de sus funciones. Los bloques funcionales que conforman el diagrama siguiente están referidos en la sección Características y limitaciones de los multímetros analógicos (resolución, sensibilidad, resistencia interna, efecto de carga, y respuesta en frecuencia) Las características y limitaciones se indican en el punto siguiente Ing. Sofía Rodríguez Peña 43
44 4.2 Uso y operación del multímetro analógico en cada una de sus diferentes funciones. La siguiente información se tomó directamente en el manual de operación del fabricante MEGGER INSTRUMENTS LIMITED para el multímetro AVOMETER Model 8k7 Ing. Sofía Rodríguez Peña 44
45 4.3 Medición de señales eléctricas usando el multímetro analógico Medición de voltaje de CD Medición de corriente en CD. Ing. Sofía Rodríguez Peña 45
46 4.3.3 Medición de resistencia Medición de voltaje y corriente en CA. Procedimiento indicado en los puntos y respectivamente Ing. Sofía Rodríguez Peña 46
47 4.3.5 Mediciones especiales Mediciones que se puedan realizar con el multímetro analógico por el efecto promedio. Ing. Sofía Rodríguez Peña 47
48 Ing. Sofía Rodríguez Peña 48
49 4.3.7 Seguridad en la medición en CA. Las medidas de seguridad siguientes así como las referidas en el punto 4.2 son de vital importancia para el buen uso del multímetro. UNIDAD V 5.1 conceptos generales sobre un multímetro digital. Ing. Sofía Rodríguez Peña 49
50 5.1.1 Sus diferentes funciones y bloque funcional en cada caso. Ing. Sofía Rodríguez Peña 50
51 Ing. Sofía Rodríguez Peña 51
52 Ing. Sofía Rodríguez Peña 52
53 Ing. Sofía Rodríguez Peña 53
54 Ing. Sofía Rodríguez Peña 54
55 A continuación se ilustra el diagrama bloques de dicha sección: Ing. Sofía Rodríguez Peña 55
56 Ing. Sofía Rodríguez Peña 56
57 5.1.2 Diagrama interno a bloques para cada una de las funciones Con todo lo anterior se obtiene el diagrama a bloques completo de un multímetro digital como se indica a continuación: Características y limitaciones de los multímetros digitales (resolución, sensibilidad, factor de carga) Ing. Sofía Rodríguez Peña 57
58 Ing. Sofía Rodríguez Peña 58
59 Ing. Sofía Rodríguez Peña 59
60 5.2 Uso y operación del multímetro digital en cada una de sus diferentes funciones. La información que se indica corresponde a Trae-rms Multimeters Modelo 175 de FLUKE Ing. Sofía Rodríguez Peña 60
61 5.3 Medición de señales eléctricas y parámetros usando el multímetro digital Medición de voltaje de CD Medición de corriente en CD. Ing. Sofía Rodríguez Peña 61
62 5.3.3 Medición de resistencia Medición de voltaje y corriente en CA. Procedimientos indicados en los puntos y anteriores Medición de voltaje o corriente r.m.s. y verdadero r.m.s. Ing. Sofía Rodríguez Peña 62
63 5.3.6 Mediciones especiales (capacitancia, β, voltaje de umbral, frecuencia) Ing. Sofía Rodríguez Peña 63
64 5.3.7 Seguridad en las mediciones de corriente en C.A. Ing. Sofía Rodríguez Peña 64
65 UNIDAD VI 6.1 Plano X-Y, escalas. El osciloscopio es un medidor de indicación cartesiana x-y, es decir, grafica formas de onda en dos planos que pueden ser voltajes vs. tiempo, voltaje vs. voltaje, etc. También cuenta con diferentes escalas de amplitud para cada canal, así como también en la base de tiempo. 6.2 Osciloscopio analógico de propósito general. El osciloscopio es básicamente un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical, a partir de ahora denominado Y, representa el voltaje, mientras que el eje horizontal, denominado X, representa el tiempo. Con el osciloscopio se puede: Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal Determinar indirectamente la frecuencia de una señal Determinar que parte de la señal es DC y cual AC Localizar fallas en un circuito Medir la fase entre dos señales Determinar que parte de la señal es ruido y como varía este en el tiempo. Los osciloscopios son de los instrumentos más versátiles que existen y lo utilizan desde técnicos de reparación de aparatos electrodomésticos hasta médicos, ingenieros diseñadores, investigadores, etc.; puesto que se puede medir un gran número de fenómenos que, provisto éste de un transductor adecuado, será capaz de entregar el valor de una presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un coche, etc. Ing. Sofía Rodríguez Peña 65
66 6.2.1 Bloque funcional de un osciloscopio analógico de propósito general Ing. Sofía Rodríguez Peña 66
67 6.2.2 Diagrama interno a bloques de un osciloscopio analógico de propósito general. El siguiente diagrama corresponde al osciloscopio modelo 1222A de HEWLETT PACKARD. Ing. Sofía Rodríguez Peña 67
68 6.2.3 Características y limitaciones técnicas de un osciloscopio. Ing. Sofía Rodríguez Peña 68
69 6.3 Operación y uso del osciloscopio analógico de propósito general Indicador de salida. El indicador de salida es la pantalla luminiscente en la que se observan gráficamente los comportamientos de circuitos, dispositivos o sistemas que se conectan a los canales de entrada del osciloscopio Entrada horizontal y factor de sensibilidad. Conmutador Ing. Sofía Rodríguez Peña 69
70 Sensibilidad (mando variable) Entrada vertical y factor de sensibilidad. Conmutador Ing. Sofía Rodríguez Peña 70
71 Sensibilidad (mando variable) Osciloscopio de doble trazo. El osciloscopio de doble trazo cuenta con dos entradas de mando variable vertical con las mismas escalas de sensibilidad Base de tiempo. La perilla de base de tiempo permite en sus diferentes escalas de sensibilidad medir el periodo de la señal registrada. Ing. Sofía Rodríguez Peña 71
72 6.3.6 Sincronización Estabilización y calibración. Ing. Sofía Rodríguez Peña 72
73 Ing. Sofía Rodríguez Peña 73
74 6.3.8 Sondas o Puntas de prueba Sondas pasivas Ing. Sofía Rodríguez Peña 74
75 Sondas activas Ing. Sofía Rodríguez Peña 75
76 6.3.9 Diferentes modos de operación muestreado, alternado sumado, restado, x-y. Para utilizar de forma correcta un osciloscopio analógico se requieren hacer los 3 ajustes básicos siguientes: Modo Alternado/chopeado Ing. Sofía Rodríguez Peña 76
77 Modo simple/dual/suma Medición se señales eléctricas y electrónicas en CD y CA usando las diferentes funciones y modos de operación del osciloscopio. Procedimiento referido en el punto Uso del modo x-y, y la inversión del canal. El modo X-Y nos permite visualizar curvas de respuesta conocidas como figuras de Lissajous. La inversión del canal Figuras de Lissajous. Las figuras de Lissajous consisten en que con dos generadores de señales y un osciloscopio de doble trazo en posición de interpolación de canales ( posición X-Y), determinar la frecuencia y fase del generador 2 desconocida, mediante la relación de picos de la figura. Todo esto considerando que la frecuencia del generador 1 es conocida (por ejemplo 1 KHz) Ing. Sofía Rodríguez Peña 77
78 UNIDAD VII 7.1 Equipos y técnicas de medición especializada que se emplean en las mediciones eléctricas y electrónicas Puentes. Existen los equipos llamados puentes de impedancias con los que se pueden medir bobinas, resistores, y capacitares; conectándolo en serie o paralelo con el aparato a diferentes frecuencias. Ing. Sofía Rodríguez Peña 78
79 7.1.2 Contador Universal y frecuencímetro El contador universal está compuesto por arreglos de timers (contadores de tiempo) y registros. El frecuencímetro es muy versátil para medir la frecuencia de señales eléctricas, puesto que utiliza un display alfanumérico, permitiendo así optimizar tiempo para pruebas y experimentos Analizador Lógico Un Analizador Lógico es un instrumento de laboratorio que se utiliza para monitorizar varias señales digitales sobre una referencia de tiempo común. Es útil para observar las señales en caso de un evento determinado, por ejemplo para comprobar el valor existente en los buses de datos y direcciones de un sistema basado en microprocesador, en el instante en el que se activa la señal de escritura en la memoria. El valor de las señales digitales muestreadas se visualiza de una manera gráfica o en formato numérico. Los parámetros más importantes de una medida son el tiempo de muestreo y la condición de disparo. El tiempo de muestreo es el tiempo que transcurre entre dos lecturas consecutivas de los canales de entrada. Es importante que este tiempo se ajuste a la variación que va a sufrir la señal. Es decir, si la señal puede contener pulsos de 1 ms de duración, el tiempo de muestreo no deberá ser mayor que ese valor, pues se podría ocultar ese pulso. La condición de disparo es la señal que inicia el registro o almacenamiento de los datos, lo que continúa hasta que se llena el buffer o la memoria interna del instrumento. Esta condición de disparo puede definirse como un nivel lógico en una o varias señales, una transición o, incluso, como una secuencia de eventos. 7.2 Medición combinada sobre un circuito propuesto. En un circuito determinado se pueden hacer una variedad de mediciones, por ejemplo independientemente de que tipo de circuito sea se pueden medir voltajes de entrada y salida con el osciloscopio y con el multímetro; así como también corrientes, caídas de tensión, continuidad, prueba ohmica de diodos y transistores, etc. Ing. Sofía Rodríguez Peña 79
80 BIBLIOGRAFÍA 1. Cooper William / Helfrick Albert, Instrumentación Electrónica Moderna: Técnicas de Medición, Prentice Hall, Wolf Stanley / Smith Richard,Guía para Mediciones Electrónicas y Prácticas de Laboratorio, Prentice Hall, Componentes Electronicos, Descripcion Tecnica y Caracteristicas para Estudiantes SIEMENS, Editorial Marcombo, MOTOROLA, Thyristor Device Data, 1995 Motorola Inc. 5. Horenstein Mark N., Microelectrónica: Circuitos y dispositivos, 2ª. Edición, Prentice Hall, Hewlett Packard, Operating and Service Manual, 1222 A Osciloscope. 7. AVO, Operating Instructions, Avometer model mk7. 8. FLUKE, Users Manual, True-rms Multimeters 175, 177 & GW instek, User Manual, Function Generator Model GFG-8015G. 10. EZ Digital Co..Ltd, Operation Manual, Analog Osciloscope. Ing. Sofía Rodríguez Peña 80
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