RABAJO PRÁCICO No MEDICIONES CON OSCILOSCOPIOS SIMPLES Principio de funcionamiento El osciloscopio, como aparato muy empleado en la medición de señales eléctricas debido a su versatilidad posibilitando hacer mediciones precisas y a la vez visualizar la forma y comportamiento de la señal analizada. A pesar de las posibles diferencias existentes entre los distintos tipos de osciloscopios, todos los osciloscopios presentan principios de funcionamiento comunes. Hay osciloscopios con distintas opciones (Osciloscopios Recurrentes, Disparados, De Doble Canal o Múltiples, Demorados o Intensificados, Armados, y con Memoria Analógica o Digital) pero los elementos básicos son los mismos en todos ellos. Los de uso más generalizado son los que podríamos definir como "osciloscopios básicos". Este tipo es el que se utilizará para la mayoría de descripciones que se van a realizar. En el dibujo se ve el esquema de bloques de un osciloscopio básico. Según se observa en este dibujo, los circuitos fundamentales son los siguientes: Atenuador de entrada vertical Amplificador de vertical Etapa de deflexión vertical Amplificador de la muestra de disparo (trigger) Selector del modo de disparo (interior o exterior) Amplificador del impulso de disparo Base de tiempos Amplificador del impulso de borrado Etapa de deflexión horizontal ubo de rayos catódicos Circuito de alimentación Medidas Electrónicas I Ing. P. Perez pag. 1 de 15
1.1 MEDICIONES DE ENSIONES CONINUAS - Se conecta a masa la entrada del canal vertical. Puede hacerse de varias formas: a) Generalmente el osciloscopio posee una llave que permite efectuar la operación, debiéndosela colocar en la posición GND. b) Muchas puntas de prueba poseen una llave que cortocircuitan la entrada al osciloscopio (salida de la punta) dejando abierto la entrada. La posición de cortocircuito suele ser denominada REF. c) Puede ponerse a masa la entrada en forma manual, simplemente conectando el extremo de la punta de prueba con el gancho de la misma. - Con los controles de posición vertical y horizontal, suprimiendo el barrido horizontal y evitando un brillo excesivo, centralizar el punto en la pantalla. - Con los controles de foco y astigmatismo maniobrar hasta obtener un punto lo mas pequeño posible. - Restablecer el barrido horizontal y colocarlo en 50 o 100 Hz. - omar sincronismo de línea colocando la llave de sincronismo (SOURCE) en la posición línea (LINE). - Colocar el atenuador vertical en la escala de Volts/div. Adecuada a la medición, con el vernier a fondo en sentido horario (ó marca CAL). - Elegir el nivel de referencia (ensión cero) de acuerdo a las necesidades, colocando el trazo en la división vertical que se desea de la cuadrícula, mediante el control de posición vertical. - Desconectar el cortocircuito de la entrada vertical y conectar la punta de prueba al lugar de medición, utilizando acoplamiento DC. - Si la imagen no es estable, mover ligeramente el vernier de barrido horizontal (para que enganche el sincronismo) hasta que se estabilice. - Contar el número de divisiones verticales que deflexionó el haz sobre la cuadrícula. - Calcular la tensión efectuando el producto del número de divisiones por la escala en Volts/div correspondientes al atenuador vertical: Vx = divisiones x Volts/div. Medidas Electrónicas I Ing. P. Perez pag. de 15
1.. MEDICIONES DE ENSIONES ALERNAS. Proceder al enfoque y centrado del trazo al igual que en 1.1 - Si se va a medir tensiones de zumbido o señales relacionadas a la frecuencia de línea utilizar barrido de 50Hz o sub-multiplos y sincronismo de línea. Caso contrario utilizar sincronismo interno y barrido de frecuencia igual o mayor que la de la señal a visualizar, enganchando la imagen con el control fino del barrido. Si la tensión alterna no tiene componente continua puede efectuarse la medición con acoplamiento DC a la entrada del canal vertical. - Si la tensión alterna tiene superpuesta un nivel de continua que desea eliminarse, se empleara acoplamiento AC, seleccionable con la llave de entrada del canal vertical. Esto intercala un capacitor de bloqueo antes del atenuador vertical, hecho que debe tenerse en cuenta por cuanto la suma del valor de cresta de la tensión alterna mas el nivel de la componente continua no deben exceder la tensión nominal de trabajo del condensador. - La tensión de cresta se calcula en forma análoga al caso de tensiones continuas, es decir, contando el número de divisiones de reflexión vertical y multiplicándolo por la sensibilidad en Volts/Div. que indica el atenuador vertical. 1.3 MEDICION DE CORRIENE - El método de medición, ya sea CA o CC, es indirecto pues en realidad mediremos la caída de tensión en bornes de una resistencia R que se intercala en serie con el circuito de medición. La caída de tensión en bornes es V=I.R Haciendo que R tome valores convenientes podremos obtener lecturas bastantes cómodas y casi directas pues sólo tendremos que corregir el valor leído en potenciales de 10. Debe tenerse presente que conviene tomar el menor valor posible de R para reducir la variación de la corriente en el circuito debido al aumento de la R equivalente serie. El error introducido por la variación de la corriente circulante debida a la inclusión de distintos valores de R en el circuito es. (1.) Donde: I1 es la corriente normal en el circuito. I es la corriente que circula cuando se incluye la R de medición en el circuito. Del circuito equivalente de la figura se tiene: I1 = E/Rs (1.3) I = E / (Rs + R) (1.4) Reemplazando (1.3) y (1.4) en (1.): (1.5) I I e% I% I1 100[%] E /( Rs R) E / Rs e% 100[%] E / Rs R e% 100[%] I% R Rs Medidas Electrónicas I Ing. P. Perez pag. 3 de 15 1 Rs /( R Rs) 1100 %
De acuerdo con la expresión (1.5), y para un supuesto circuito con Rs 1000ohm, al incluir distintas R de medición, el error porcentual por variación de la corriente circulante será: R = 1 ohm error % = % R = 10 ohm error % = % R = 100 ohm error % = % R = 1.000 ohm error % = % Por otra parte, la muestra en tensión (Er) que aparece en bornes de R, y que es la tensión medida por el osciloscopio será: Er = I*R (1.6) y si R<<Rs entonces: I aproximadamente = I1. eniendo en cuenta la sensibilidad máxima del canal vertical del osciloscopio (que suele estar comprendida entre a 10 mv/cm), resuelta en consecuencia un límite inferior en el valor de R, mientras que teniendo en cuenta la expresión (1.5) resulta un límite superior en dicho valor, en función de la exactitud que las necesidades particulares impongan en cada caso. 1.4 MEDICIONES DE POENCIA. - Puede medirse potencia entregada por un generador a una carga por medición de la tensión desarrollada en bornes de dicha carga que suponemos conocida. - Cuando se trata de una potencia de RF, deberá tenerse en cuenta no sólo la respuesta a dicha frecuencia del canal vertical de los osciloscopios, sino también la de la punta de prueba, y el efecto de esta al conectarse en derivación con la carga. Con instrumental y puntas corrientes pueden efectuarse mediciones satisfactorias sobre cargas normalizadas (4, 8, 16 ohm en AF y 50 y 75 ohm en RF) y en frecuencias de hasta 10 a 15 MHz. Debemos distinguir si vamos a interesarnos en la potencia pico o en la potencia media eficaz (RMS) Sabemos que: P = E.I = E /R l (potencia pico) (1.7) P(rms) = E rms / R l (Potencia media eficaz) (1.8) La tensión eficaz es por definición: Erms ratándose de una señal senoidal de expresión: Resulta el siguiente desarrollo: 1 0 e dt e = E cos wt Erms 1 0 E cos t. dt Erms E 1 cos t. dt 0 Medidas Electrónicas I Ing. P. Perez pag. 4 de 15
Erms E dt 0 0 cos t. dt Resultando: Erms E (1.17) Expresión que reemplazada en (1.9) dá: ( E ) Prms R E l Rl (1.18) Comparando (1.18) con (1.8) potencia pico, vemos que la potencia pico es el doble de la media eficaz para una onda senoidal; en efecto: Prms Ppico Aplicando una señal de AF sobre una carga resistiva calcular el valor de la potencia pico y eficaz: Ppico = Prms = 1.5 MEDICION DE LA Vef DE UN REN DE PULSOS - 1.5.1 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: 1 Vef p 0 A Para el caso de una onda cuadrada o de un tren de pulsos se tiene: dt Vef A p Medidas Electrónicas I Ing. P. Perez pag. 5 de 15
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 V debajo del resto del periodo, se tiene la expresión: p - p Vef 1 p 0 V p dt p V pp V Si el área superior es Vp.p y el área inferior es (Vpp-Vp).(-p) y ambas son iguales, se tiene: Vp p V ppvp p Donde Reemplazando esta última expresión en la raíz cuadrada, se tiene: p dt Vp p p V ppvp V p Vpp t Operando se tiene, Vef 1 V p p Vp p p p Vef Vp p p 1.5.. Conectar un generador de AF a una carga resistiva igual a la impendancia de salida del generador, y medir con un osciloscopio el voltaje pico y el verdadero RMS de esta señal. Verificar este valor con un voltímetro de medición de verdadero valor eficaz. omar los valores de, p y del ciclo de trabajo. 1.6 MEDICION DE FRECUENCIA MEDIANE FIGURAS DE LISSAJOUS El RC del osciloscopio es un indicador muy útil para determinar cuando dos frecuencias son iguales o están en una relación armónica determinada. El método mas sencillo de utilizar un tubo de rayos catódicos para esta medición consiste en emplear una de las dos señales para producir el barrido horizontal, y la otra para producir la reflexión vertical. Medidas Electrónicas I Ing. P. Perez pag. 6 de 15
La condición para este metodo es que las dos señales sean senoidales puras y que la relación de frecuencia sea un número entero a fin de poder observar una figura estática en la pantalla del osciloscopio. Si la relación no es un número entero, la figura estará en permanente movimiento haciendo que la medición sea difícil. Igual ocurrirá si las dos frecuencias no son constantes haciendo que la figura se comience a mover. La señal patrón que se usa para determinar la frecuencia de la segunda señal, puede colocarse indistintamente en ambos canales, sólo habrá que tener encuentra la posición de ella para el correcto calcula de la frecuencia desconocida de acuerdo a la relación de secantes o tangentes según sea el caso. Cuando la relación de las dos frecuencias esta expresada por un numero entero, o por una relación de enteros, el resultado es una imagen llamada Figuras de Lissajous. La configuración depende de la relación de frecuencias, y de la fase relativa de las dos ondas, y se da en la siguiente figura para algunos casos típicos. Cuando la relación de frecuencias es una facción, simple, la imagen es estacionaria, y la relación de la frecuencia vertical a la horizontal es igual al número de veces que la figura es tangente a una línea horizontal dividida por el número de veces que la figura es tangente a una línea vertical. Medidas Electrónicas I Ing. P. Perez pag. 7 de 15
Cuando la figura de Lissajous es abierta, la relación anterior puede obtenerse dividiendo el número de intersecciones producidas entre la figura y una secante horizontal, sobre el número de intersecciones producidas entre la figura y una secante vertical. Las figuras de Lissajous resultan difíciles de interpretar cuando la relación de frecuencias es grande, porque las figuras resultan complicadas. En tales casos es necesario apelar a otros recursos. Para visualizar las figuras de Lissajous con un osciloscopio en el laboratorio, y realizar la medición de una frecuencia desconocida utilizamos el montaje de la figura: Para aplicar la señal del generador 1 a las placas de reflexión horizontal (PDH) del tubo de rayos catódicos (RC) del osciloscopio habrá de colocarse la base de tiempo (B) en la posición X-Y (en algunos aparatos la llave DISPLAY debe colocarse en dicha posición). En los osciloscopios mas rudimentarios (de un solo canal) debe colocarse la llave Barrido (o SWEEP ) en la posición EX y entrar por el conector de Barrido externo (ó X ) correspondiente. En general habrá que familiarizarse con la arquitectura particular del instrumento que se posea. - omando la frecuencia del generador #Y como patrón o conocida, se determinara la frecuencia incógnita producida por el generador #X. - Se ajusta simultáneamente los controles de atenuación del canal #1 y # (o del vertical y del horizontal) a fin de ajustar la imagen al tamaño adecuado (lo mayor posible dentro de la pantalla). - Variar la frecuencia del generador patrón hasta lograr una señal de Lissajous simple. Usar la tangente o la secante según sea una figura cerrada o abierta respectivamente para establecer la relación entre los puntos de tangencia o intersección con la línea horizontal a los de tangencia o de intersección con la línea vertical. Como hemos supuesto que la frecuencia desconocida es fv, leyendo el valor de la frecuencia conocida fh del generador #1, se obtiene: F h x número de intersecciones de la Secante v = F v x número de intersecciones de la Secante h Fx(desconocida) = Fh(patrón) x Nv / Nh Medidas Electrónicas I Ing. P. Perez pag. 8 de 15
1.7 MEDICION DE FRECUENCIA POR EL MEODO DE BARRIDO CIRCULAR 1.7.1 Las figuras de Lissajous resultan difíciles de interpretar cuando la relación de frecuencia es grande, porque las imágenes resultan muy complicadas. En tales casos es necesario apelar a otros recursos. Una alternativa útil es utilizar el metodo del Barrido Circular, en el cual una señal se desfasa respecto de si misma, y ella es aplicada al canal horizontal, mientras que la señal original es aplicada la canal vertical. El osciloscopio se configura como XY. La segunda señal es intercalada en entre la salida del desfasador y la entrada del canal horizontal. Con esto, el barrido horizontal estará modulado por la segunda señal, dando origen a una figura elipsoidal con contornos modulados por la segunda señal. La frecuencia más baja se utiliza para producir una traza elíptica o circular con ayuda de un divisor de fase RC. En una rama se intercala la tensión de frecuencia mas alta de modo que esta se suma a la anterior en ambas entradas (X e Y). En la imagen dentada resultante, la relación de frecuencias es igual al número de picos o dientes de la imagen, dividido por el número de veces que una línea recta radial corta a la imagen. Si las frecuencias difieren ligeramente de una relación entera o expresable por una relación simple de enteros, la imagen parece girar tanto más velozmente cuanto mayor es la discrepancia de la relación de frecuencias respecto de la relación armónica SIMPLE. Medidas Electrónicas I Ing. P. Perez pag. 9 de 15
1.7. MONAJE PRACICO: En el laboratorio puede ensayarse este metodo con dos generadores de audio de buena estabilidad. La señal de mas baja frecuencia será la utilizada para producir la traza elíptica mediante el desfasador RC, y desempeñara el rol de frecuencia patrón, por lo cual es conveniente usar un generador de buena estabilidad y precisión de frecuencia, siendo muy conveniente que el mismo tenga un buen sistema de sintonía para facilitar la estabilización de la imagen. NOA: Deberá ensayarse distintos puntos de toma a maza o tierra en el interconexionado de los instrumentos debido a la aparición de zumbido de 50 Hz proveniente de la red de alimentación, el cual produce deformaciones u ondulación que producen inestabilidad de la imagen lo cual dificulta la medición La señal del segundo generador se usara como frecuencia desconocida la cual se determinará como: F(desconocida) = R x Fp (patrón) Donde R es la relación entre los máximos y la cantidad de veces que cruza la línea radial a la imagen. 1.8 MEDICION DE FRECUENCIA POR EL MEODO DE MODULACION DEL EJE Z 1.8.1 Este metodo es una variante del anterior y como en aquel, se utiliza la frecuencia menor para producir el barrido circular. Al electrodo que controla la intensidad del haz se lo polariza ligeramente más allá del corte (disminuyendo la intensidad por medio del control INESIDAD) y se superpone a esta tensión de polarización, la tensión de frecuencia mayor. Esto se logra inyectando la frecuencia mayor al terminal Z (parte posterior del osciloscopio) del osciloscopio. La imagen resultante en la pantalla consiste en un círculo o elipse de trazos luminosos. La relación (R) de la frecuencia más alta a la más baja es igual al número de puntos luminosos. Este metodo presenta una incertidumbre en caso de que la relación entre las frecuencias sea n veces el número de trazos, en donde el número calculado de la relación va tener una indeterminación de n veces. Medidas Electrónicas I Ing. P. Perez pag. 10 de 15
1.8. MONAJE PRACICO El ensayo se hace montando el siguiente circuito, en donde el generador de menor frecuencia se conecta al canal vertical y una muestra de él se desfasa a través de una red RC y esa señal se conecta al barrido horizontal. La imagen generada será una figura elíptica. El generador de alta frecuencia se conecta a la entrada del eje Z del osciloscopio. La frecuencia desconocida se obtiene por medio de: 1.9 MEDICIONES DE FASE Fx (desconocida) = Fp (patrón) x N de trazos intensos 1.9.1 Al configurar el osciloscopio para visualización de las Figuras de Lissajous se que ve que cuando la relación armónica de las dos senoides es uno, la imagen obtenida es muy sencilla; se trata de una elipse y varia en función de la fase relativa de las dos señales entre sus limites, a saber: desde una recta inclinada a 45 o 135 cuando la fase entre ellas es 0 ó 180, hasta un circulo cuando la fase es 90 ó 70 (para que así sea, la amplitud de la reflexión vertical debe ser igual a la amplitud de la reflexión horizontal). El RC es por tanto, un dispositivo útil para observar y Medir la fase relativa de dos ondas senoidales, cuyo valor esta dado por la siguiente expresión: Sen = + B / A donde A y B se obtienen de acuerdo a las siguientes representaciones: Medidas Electrónicas I Ing. P. Perez pag. 11 de 15
El cuadrante correspondiente debe deducirse de acuerdo con la orientación del eje mayor de la elipse y la dirección en que se mueve el punto luminoso. Puede eliminarse la incertidumbre acerca del sentido de desplazamiento del punto luminoso desplazando, la fase de una de las tensiones deflectores en sentido conocido, y observando el efecto correspondiente sobre la figura. Una forma de implementar el procedimiento anterior consiste en insertar una red desfasadora ajustable (RDA) en serie con una de las placas deflectoras. 1.9. MONAJE PRACICO Podemos verificar experimentalmente lo dicho realizando el siguiente montaje: Antes de efectuar las lecturas de A y B, las ganancias de los canales horizontal y vertical deben ser ecualizados. Esto se hace conectando la misma señal en ambos canales; se desconecta a la punta del borne X y se lo conecta junto con la del borne Y, ajustando los controles de atenuación de los canales H y V del osciloscopio hasta visualizar una recta a 45. ambién debe centrarse la imagen respecto de ambos ejes coordenados. La lectura será más exacta mientras mayor sea el tamaño de la elipse, lo que puede controlarse mediante el ajuste del atenuador de salida del generador de AF. Sen = + B / A El ángulo se calcula como = arc sen B / A Medidas Electrónicas I Ing. P. Perez pag. 1 de 15
A los efectos de identificar cual de las dos tensiones esta adelantada o atrasada en fase respecto de la otra, puede implementarse una red RC fija que desplace la fase de una de las tensiones en sentido conocido, por ejemplo una red de adelanto RC. La red se conecta en SERIE con una de las dos tensiones. La interpretación es directa: si la tensión estaba adelantada, ahora ESARA MAS AUN, y viceversa..0 MEDICION DE IMPEDANCIAS CON OSCILOSCOPIO El osciloscopio es un instrumento muy versátil para medir parámetros, siendo la medición de impedancia uno de los parámetros que pueden medirse. El esquema utilizado para realizar esta medición es: Suponiendo que la sensibilidad vertical es Sv y la horizontal es Sh, y ambas están ecualizadas, la impedancia desconocida a cierta frecuencia f producirá sobre la pantalla una figura elíptica. La reflexión horizontal del haz responderá a la tensión desarrollada sobre la Rv, mientras que la reflexión vertical va a responder a la tensión en bornes de la impedancia Z. Variando el valor del Reóstato Rv, se puede hacer que la elipse se inscriba dentro de un cuadrado, lo cual corresponde al caso que Uz = Ur. Como la impedancia Z esta en serie con el Reóstato Rv y suponiendo que la corriente I solo circula por este circuito serie, en este caso se obtiene que Z = Rv. En consecuencia, midiendo el valor de Rv se obtiene el modulo de la impendancia Z. La impendancia Z tiene componentes real e imaginaria como indica la expresión.3, siendo el ángulo comprendido entre la componente real e imaginaria de esta impedancia. Si bien el ángulo determinado por la elipse mostrada en la pantalla es generado por la impendancia Z y el Reóstato Rv, como la corriente I es la misma que circula por el Reóstato y la componente Real de la impedancia, se puede inferir que el ángulo calculado es el ángulo entre la componente real y la imaginaria. Por lo cual con el osciloscopio se puede determinar con precisión el valor de la Impendancia en Modulo y fase..1 Montaje Práctico: Utilizando una impedancia como puede ser un Parlante, armar el circuito de prueba con un reóstato y hacer las determinaciones según el procedimiento anterior del módulo y la fase. Medidas Electrónicas I Ing. P. Perez pag. 13 de 15