TRABAJO PRACTICO N 1 MEDICIONES CON OSCILOSCOPIO DISPARADO USO DE PUNTAS DE PRUEBAS Y APLICACIONES

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1 U..N. - F.R.M. MEDIDAS ELECRÓNICAS II RABAJO PRACICO N 1 MEDICIONES CON OSCILOSCOPIO DISPARADO USO DE PUNAS DE PRUEBAS Y APLICACIONES INRODUCCION EORICA Un Osciloscopio es un instrumento gráfico que permite visualizar cualquier fenómeno eléctrico por medio de un desplazamiento horizontal y vertical de un punto luminoso sobre una pantalla cubierta de material fosforescente. Normalmente, el desplazamiento horizontal describe un recorrido en función del tiempo siendo controlado por un dispositivo interno, con lo cual, el eje horizontal se relaciona con el eje de tiempos. El desplazamiento vertical es controlado por el valor instantáneo de la señal a visualizar, de modo que el conjunto de desplazamiento horizontal en tiempo y el vertical escribe la forma de onda de la señal en estudio sobre la pantalla. Existen distintos tipos de osciloscopios de acuerdo a su complejidad y sincronización con la señal en estudio. Se tiene así: Osciloscopio Recurrente: Es el más simple, donde el haz luminoso siempre se desplaza de izquierda a derecha a velocidad constante independientemente de la existencia ó no de señal de entrada. En él, no es posible visualizar una señal fija (estática) sobre la pantalla, porque el punto de comienzo de la forma mostrada depende del momento en que comienza a hacer el desplazamiento horizontal y no de la señal de entrada. Osciloscopio Disparado: En él, el barrido horizontal se iniciará cuando haya señal de entrada, y el punto de detección de esta señal ó punto de comienzo puede ser seleccionado, con lo cual se puede ver una señal estática sobre la pantalla y se pueden hacer mediciones de sus parámetros. Osciloscopio Demorado/Intensificado: iene una doble base de tiempo, una principal y otra secundaria (llamada demorada) que permite visualizar en detalle ciertos fragmentos de una señal periódica, que no son posible visualizar con osciloscopios comunes. El punto de comienzo de esta amplificación temporal (zoom) del fragmento, y el ancho del fragmento, son controlados independientemente del barrido principal. Osciloscopio de Muestreo: Es un Osciloscopio de visualización de señales de muy alta frecuencia, tomando muestras alternadas de los distintos ciclos de la señal y siendo reconstituidas las muestras por medio del teorema del muestreo, para visualizar el ciclo completo de la señal en estudio. Osciloscopio de Memoria: Es un Osciloscopio utilizado para visualizar señales de muy baja frecuencia ó transitorios no repetitivos. Existen de dos tipos: Analógicos y Digitales. El Digital toma la señal de entrada durante un tiempo determinado, la digitaliza, y almacena los puntos digitalizados en una memoria temporal, y luego a través de un conversor D/A la reconstituye y la presenta sobre la pantalla para realizar las mediciones correspondientes. M.E. II - P1 PFPerez 2002 Pag. 1 de 8

2 U..N. - F.R.M. MEDIDAS ELECRÓNICAS II Práctica de Laboratorio En la práctica de laboratorio se procederá a configurar y calibrar puntas atenuadoras de osciloscopios y comprobar ventajas y precauciones de su uso, lectura de parámetros característicos (Amplitud pico a pico, pico, valores eficaces, valor medio, frecuencia, y fase) de distintas señales (DC, senoidales, triangulares, cuadradas y pulsos) con osciloscopios disparados. Visualizar la utilidad de osciloscopios disparados y de dos ó más canales. 1- Instrumental a usar - OSCILOSCOPIO con base de tiempo DISPARADA Marca: Número de serie: Max. Frecuencia de trabajo: Canales: - Puntas de Prueba Simples y Atenuadoras. - Generador de señales Marca: Número de Serie: Características: - Frecuencímetro: - Voltímetro de Verdadero Valor Eficaz (Verdadero RMS) Marca: Modelo: Rango: - Dispositivo Desfasador: Circuito integrador compuesto por capacitor y reóstato conectados en serie. Valores de los componentes: 2- PROCEDIMIENO: 2.1- Seleccionar el tipo de punta de prueba de acuerdo al rango de frecuencias seleccionada para trabajar 2.2- Colocar la perilla de intensidad a un mínimo Verificar que tipo de alimentación necesita el osciloscopio (220 o 110 V) Colocar el circuito de base de tiempo en barrido de Línea Seleccionar la entrada de los canales en posición de ierra Seleccionar observación de canal A Encender el osciloscopio y verificar la posición del eje horizontal en el centro de la pantalla. Si no se ve el haz, use el botón Find para ver donde se encuentra el haz. Use el control Posición para centralizar el haz en la pantalla Ajustar el foco y la intensidad a fin de tener un haz limpio y no demasiado intenso para evitar envejecimiento del fósforo o su quemado por exceso de intensidad Verificar la horizontalidad del haz y ajustar si es necesario el tornillo. M.E. II - P1 PFPerez 2002 Pag. 2 de 8

3 U..N. - F.R.M. MEDIDAS ELECRÓNICAS II Colocar las puntas de prueba y leer la frecuencia de referencia del osciloscopio. Verificar la calibración de voltaje de los canales de acuerdo al valor pico a pico de la frecuencia de referencia Ajustar las puntas Atenuadoras para compensación de frecuencia Conectar la punta de prueba en la salida del generador de frecuencia, seleccionar una señal de onda cuadrada, seleccionar los controles del osciloscopio para visualizar esa onda cuadrada en posición estable y un solo ciclo. Hacer mediciones de tiempo de subida y bajada de pulsos, periodos de señales alternas, determinar frecuencia de la señal mostrada, verificar el valor de la frecuencia/periodo con un Frecuencímetro, y determinar el error cometido al usar el osciloscopio demorado con la lectura del Frecuencímetro. Posición del Vernier de base de tiempo: Divisiones de lectura: iempo: Base de tiempo (mseg, micro-seg) x divisiones: Lectura del Frecuencímetro: Error absoluto y porcentual de la lectura del Osciloscopio respecto al Frecuencímetro: Repetir el proceso con señales triangulares y senoidales medición de ancho de pulso. Seleccionar un pulso angosto y ajustar el barrido horizontal para permitir leer el ancho de pulso. 2.a)- Medición de la tensión eficaz de un tren de pulsos Los instrumentos comunes, medidores del valor eficaz responden al valor promedio de la señal rectificada y están calibrados para una señal sinusoidal. En el caso de una señal compleja que contiene diferentes armónicas, el valor indicado por esos instrumentos dependerá de la amplitud y fase de todas las componentes. Los instrumentos medidores de verdadero valor eficaz responden al valor de calentamiento efectivo producido por la forma de onda. En el caso de un tren de pulsos o de una onda cuadrada, los instrumentos medidores de verdadero valor eficaz, responden al efectivo valor de DC que produce el mismo calentamiento que la onda en cuestión, y este valor es independiente del número o magnitud de las armónicas que componen la señal pulsante. El verdadero valor eficaz esta definido como: Vef = 1 p 0 2 A dt Donde A: amplitud de la señal medida y periodo de la misma M.E. II - P1 PFPerez 2002 Pag. 3 de 8

4 U..N. - F.R.M. MEDIDAS ELECRÓNICAS II Para el caso de una onda cuadrada o de un tren de pulsos se tiene: Vef = A p Si el tren de pulsos esta desacoplado de continua, y el pedestal es tal que el área de los pulsos por encima del eje horizontal es igual al área que queda por debajo del resto del periodo, se tiene la expresión: p 1 2 Vef = Vp dt + 0 p ( Vpp Vp) 2 dt V Vp p - p Vpp t Si el área superior es Vp.p y el área inferior es (Vpp-Vp).(-p) y ambas son iguales, se tiene: p p Vp p = ( Donde Vpp Vp) ( p) ( Vpp Vp) = V ( p) Reemplazando esta última expresión en la raíz cuadrada, se tiene Operando se tiene, Vef Vp p = V p p + p p Vef = Vp p p Procedimiento Práctico Seleccionar un pulso secuencial en el generador de señales. Seleccionar acoplamiento AC para desacoplar la continua, y visualizar la señal pulsante centrada sobre el eje horizontal. Determinar el valor pico a pico, el ancho del pulso positivo y el periodo de la señal. Calcular el valor eficaz de una señal pulsante usando la siguiente ecuación. Vef = Vp p p M.E. II - P1 PFPerez 2002 Pag. 4 de 8

5 U..N. - F.R.M. MEDIDAS ELECRÓNICAS II abla para determinación del verdadero RMS con osciloscopio ipo de Señal Senoidal pura Lectura de Verdadero RMS, en función del valor pico a pico leído: Vpp: Valor pico Vp: Verdadero a pico Valor pico = Valor Eficaz = 1Vpp Vpp / 2 0, Vpp Onda cuadrada 1 Vpp Vpp / 2 Vpp / 2 Onda triangular 1 Vpp Vpp / 2 0,2886 Vpp Leer el valor pico a pico y aplicarle el coeficiente correspondiente para obtener el valor RMS de la señal visualizada. Esta tabla considera señales senoidales no distorsionadas y señales cuadradas de ciclo de trabajo del 50 % (tp = -tp). Leer el valor de la señal con un voltímetro de Verdadero Valor Eficaz y determinar el error absoluto y relativo cometido con el osciloscopio respecto al voltímetro. 2. b) Medición de Fase - 1 Se conecta una señal senoidal a la entrada del dispositivo desfasador. El canal A se conecta a la entrada de este dispositivo. El canal B se conecta a la salida. Se sincroniza el osciloscopio con el canal A y se coloca en CHOP (o AL) al modo de display para permitir ver las dos señales simultáneamente. Visualizar que diferencia existe en seleccionar AL o CHOP, y determinar cuando es conveniente usar uno u otro según la frecuencia de la señal bajo estudio. Existen dos métodos para poder medir el desfase entre dos señales. A- Una opción de medir la diferencia de fase entre dos señales es medir el periodo de la primera y luego medir la diferencias de tiempos entre ambas en el cruce por cero. En qué punto de la señal senoidal es mejor tomar la medición y porqué?. Para calcular el desfase, aplicar la siguiente relación: d φ =.360 donde: d es el diferencia de tiempos de las dos señales a igual valor instantáneo; y es el periodo de una de las dos señales. M.E. II - P1 PFPerez 2002 Pag. 5 de 8

6 U..N. - F.R.M. MEDIDAS ELECRÓNICAS II Determinar, d y B- Debido a que el desfasaje es una medida relativa entre dos señales, siendo una de referencia, la medición del desfasaje puede hacerse, presentándose un solo ciclo de las señales en la pantalla y ajustándolas con el Vernier de la base de tiempo para seleccionar una escala adecuada que nos permita leer directamente el desfasaje. Para ello se ajusta el Vernier para que un ciclo completo (360 ) coincida con la escala graduada de forma que cada división de la escala corresponda con un cierto valor en grados. De forma tal, leyendo directamente las divisiones o fracción de ellas, nos da directamente el valor en grados. Aplicar este método para la determinación de la fase entre las dos señales usadas por el método anterior. C- Determinación del desfasaje por Figuras de Lissajous: El método de las Figuras de Lissajous nos dice que si las dos señales senoidales aplicadas a los ejes X e Y son iguales, tendremos una recta a 45º (si la diferencia de fases es 0º o 180º); un círculo si el desfasaje es de 90º o 270º; y una elipse si este desfasaje es diferente a 0º, 180º, 90º o 270º. La forma de la elipse depende del desfasaje, pudiendo determinarse, midiendo la relación de los extremos de esta elipse respecto al valor de ella que cruza el eje vertical de la pantalla, de acuerdo a la siguiente relación: a' b' -x1 +x1 b a donde a y b son los valores de la elipse generada. Utilizar el método de las figura de Lissajous para comprobar los valores obtenidos. Procedimiento: 1- Conecte al generador la red desfasadora RC. 2- Conecte la salida del generador al canal vertical y horizontal simultáneamente para ecualizar ganancias. Como se ecualiza y porqué? Qué se ve en la pantalla y porqué? Debe centrarse la elipse con respecto al eje vertical (x1=-x1) si usamos los valores a y b. Debe centrarse la elipse con respecto a ambos ejes (x1=-x1) y (y1=-y1) si los valores a y b son usados. Conecte la entrada vertical (eje Y) a los extremos de la resistencia y el canal Horizontal (eje X) al capacitor. 3- enga en cuenta que la lectura será mas precisa cuanto mas grande sea la elipse sobre la pantalla. M.E. II - P1 PFPerez 2002 Pag. 6 de 8

7 U..N. - F.R.M. MEDIDAS ELECRÓNICAS II omar los valores de a y b y utilizar la siguiente fórmula para el calculo del desfasaje: b' Sen φ = ± donde a y b son los valores de la elipse generada. a' Determinar a que elementos corresponde la señal retrasada y a cual la señal de referencia. c)- Verificación del efecto del modo Chopeado y Alternado. 1- Conectar un generador de señales al canal A del osciloscopio. 2- omar la misma señal del generador y inyectarla a una red desfasadora RC. La salida de la Red (capacitor) conectarla al canal B del osciloscopio. 3- Ajustar la frecuencia del generador a máximo valor de frecuencia (mayor a 1 Mhz, lo mayor posible). 4- Configurar el osciloscopio para doble canal a fin de visualizar ambas señales en la pantalla. Ajustar la ganancia y la base de tiempo para visualizar un ciclo. 5- Seleccionar modo Alternado en el osciloscopio. Visualizar el efecto que se presenta. 6- Seleccionar modo Chopeado y visualizar el efecto presentado. Hacer un representación gráfica de ambos modos. 7- Determinar la frecuencia de chopeo del osciloscopio en cuestión, tomando el tiempo entre dos trazos consecutivos sobre un mismo canal. 8- Bajar la frecuencia del generador al mínimo, en lo posible por debajo de 1 Hz. Ajustar el barrido para mostrar un ciclo de la señal. 9- Ver la forma de presentación de ambos canales con el modo chopeado. 10- Seleccionar el modo Alternado, y ver efecto que se produce. M.E. II - P1 PFPerez 2002 Pag. 7 de 8

8 U..N. - F.R.M. MEDIDAS ELECRÓNICAS II 11- Discutir las observaciones vistas en alta y baja frecuencia con los dos modos y sacar conclusiones de la ventajas de usar uno u otro modo en cada uno de los extremos de frecuencia. d)- Visualizar las ventajas de trabajar con las opciones de ADD e INV de ambos canales. 1- Colocar una misma señal en ambos canales. 2- Seleccionar ambas presentaciones sobre la pantalla (DUAL). 3- Ajustar la ganancia y/o atenuación en igual forma en ambos canales y posicionar las señales de modo se superponerlas para observar un solo trazo. 4- Invertir el canal B, por medio del botón INV. Observar el efecto. 5- Seleccionar el modo ADD y visualizar el efecto. 6- Si se cuenta con una señal montada sobre los 50 Hz de línea, esta se puede desabilitar en la presentación, colocando el osciloscopio en DUAL, y dejando la punta del canal B libre (al aire). En este canal se observara la señal de línea ya que actúa como antena. Se selecciona el modo INV y ADD. Se ajusta el atenuador del canal B hasta hacer que el barrido no presente la información de la señal de línea. Esto permitiría ver solamente la señal incógnita. 7- Discutir para que serviría este procedimiento. A- Verificación de linealidad de ambos canales. B- Verificación de linealidad de ambas señales o distorsión. C- Eliminación de ruido de línea sobre la señal observada. Hacer el informe correspondiente indicando las conclusiones para cada uno de procedimientos. M.E. II - P1 PFPerez 2002 Pag. 8 de 8