PRACTICA 3. EL OSCILOSCOPIO ANALOGICO 1. INTRODUCCION. El Osciloscopio es un voltímetro que nos permite representar en su pantalla valores de tensión durante un intervalo de tiempo. Es decir, nos permite ver en la pantalla cómo evoluciona la tensión entre los puntos donde esté conectado, en función del tiempo. En este sentido, es un aparato que, en lugar de dar el valor de una medida, como hace un voltímetro, nos representa tensiones en función del tiempo. Una explicación detallada de sus controles y funciones se puede encontrar en la documentación anexa, aunque en la figura siguiente aparecen los mandos más importantes Una vez conocido el manejo básico, antes de venir al Laboratorio a manejarlo, puedes practicar con un osciloscopio virtual en el enlace https://jmas.webs.upv.es/ffi/practicas/precauciones%20osciloscopio.htm la conexión debes hacerla desde una de las aulas informáticas de la ETSINF. Desde otra ubicación, aunque es posible que funcione, puede presentar problemas de conexión. El caso más habitual de señales tratadas con un osciloscopio es el de señales senoidales, por lo que vamos a recordar las características más importantes de una onda senoidal.
2. ONDAS SENOIDALES Una señal senoidal (en este caso una tensión) es aquella que cambia en el tiempo según la ecuación V( t) = V cos( ω t + ϕ) m donde V m es la amplitud de la señal (en V), ω es la pulsación (en rad/s), t es el tiempo (en s), y ϕ es la fase inicial de la onda; (ωt+ϕ) es la fase de la onda. La amplitud nos informa de los valores máximo y mínimo alcanzados, y ϕ de la posición relativa de la onda con respecto al eje de ordenadas. La pulsación está relacionada con la frecuencia (f) (veces que la onda se repite en un segundo), y con el período (T) (tiempo que tarda en describirse un ciclo completo de la onda: ω f = 2π 1 2π T = = f ω Algunos ejemplos para comprobar el efecto de la fase inicial son: Cuando representamos simultáneamente dos ondas, el desfase entre ambas es la diferencia de sus fases iniciales. La señal que está situada más la derecha se dice que va retrasada con respecto a la otra, ya que sus valores característicos (por ejemplo el máximo) se producen en instantes de tiempo posteriores. En la figura, la onda u va retrasada con la respecto a la onda i. Desfase( ϕ) = ϕ ϕ u i El osciloscopio que manejaremos, asigna automáticamente fase inicial cero a la señal de la pantalla. Cuando visualicemos simultáneamente dos señales desfasadas, el aparato asigna fase inicial nula a una de las señales, apareciendo desfasada la otra.
3. COMO MEDIR EN LA PANTALLA DEL OSCILOSCOPIO a) Medida de amplitudes: Una vez visualizada correctamente la señal, miramos la posición del mando de amplitud del canal que estamos visualizando; este valor nos dice a cuántos voltios corresponde cada cuadro de la pantalla (de los grandes) en el eje vertical. Contando los cuadros desde el cero hasta el máximo y multiplicando este por el valor dado por el mando de amplitud, tendremos la amplitud de la onda. Si no hemos ajustado la posición del cero del canal, veremos que la onda no es simétrica respecto de la línea de cero, y la medida será incorrecta. Debemos, por tanto, ajustar el cero de ambos canales antes de medir. b) Medida de período, frecuencia y pulsación: Miramos la posición del mando de control de tiempo, que nos da la equivalencia entre cada cuadro (de los grandes) en el eje horizontal y el tiempo. Contando el número de cuadros que ocupa un ciclo completo y multiplicando este por el valor dado por el control de tiempo, obtenemos el período (T) en s. El inverso de T nos da la frecuencia (f) en Hz, y multiplicando esta por 2π, obtenemos la pulsación en rad/s. c) Error de la medida: Para estimar el error de la medida en un osciloscopio se puede tomar únicamente el error de lectura (podemos suponer error de precisión cero). El error de la medida será una división (de las pequeñas) en cada uno de los ejes (la quinta parte de un cuadro grande, ya que cada cuadro tiene 5 divisiones). Por ejemplo, si la amplitud de una señal es de 3,4 cuadros y el mando de control de amplitud está en 2 V/div, el error absoluto de la medida será 2/5=0,4 V. Como la medida de amplitud es 3,4*2=6,8 V, la expression correcta de la medida será V m =6,8±0,4 V Del mismo modo se calcularía el error en la medida del eje horizontal (tiempos). d) Medida del desfase entre dos señales: Una vez visualizadas ambas señales en la pantalla, identificamos el desfase como el desplazamiento horizontal entre ambas señales; este desfase lo podemos medir en cuadros de la pantalla. Como sabemos los cuadros que corresponden a un ciclo completo y sabemos que un ciclo completo son 2π radianes, podemos hacer una proporción y conocer el desfase en radianes. 4 cuadros 2πrad 1 2π π ϕ = = rad 1 cuadro ϕrad 4 2 Por ejemplo, en la figura aparecen dos señales desfasadas. El desfase es de un cuadro; como un ciclo completo ocupa cuatro cuadros (2π radianes), podemos concluir que el desfase entre ambas señales es de π/2 radianes.
PRACTICA 3. EL OSCILOSCOPIO ANALOGICO. REALIZACION DE LA PRACTICA 1. OBJETIVOS El objetivo de esta práctica es aprender el manejo básico de un osciloscopio analógico, y la interpretación de los resultados obtenidos. También se practicará el cálculo de errores en la medida. 2. MATERIAL Generador de funciones Resistencia de 120 Ω Osciloscopio analógico Hameg Condensador de 4,4 μf 3. REALIZACION Se montará el circuito de la figura, cuya función no es otra que poder obtener de él dos señales senoidales de la misma frecuencia desfasadas. La comprensión del circuito, en este momento, carece de importancia. Los dos canales del osciloscopio se conectan en los puntos indicados. Es muy importante ser consciente de que los bornes negativos de todos los aparatos (internamente conectados a la toma de tierra del aparato), están unidos a través de la toma de tierra general del edificio. Por ello, debemos asegurarnos que los terminales negativos del generador de funciones y de los dos canales del osciloscopio no estén conectadas a puntos del circuito diferentes (deben estar todas juntas en un mismo punto), porque de otro modo se produciría un cortocircuito. Precauciones antes de empezar a medir. Antes de comenzar a medir, hay que asegurarse de que: Ninguno de los botones del panel de mandos está pulsado. Cualquiera de ellos que estuviera pulsado, podría impedir una correcta visualización de la señal. El cero de ambos canales está correctamente ajustado, tal y como se indica en la guía previa de funcionamiento. Para ello, asegurándonos de que ponemos tensión nula en cada canal, con el botón selector de A.C., D.C. o Tierra (GND), mediante el ajuste de cero de cada canal, situamos la línea horizontal que aparece en mitad de la pantalla (en cero). Todos los mandos con un triángulo en el mando, deben tener dicho triángulo en la posición horizontal (se nota un ligero click cuando se alcanza la posición correcta). Dicho triángulo sirve para corregir pequeños errores de calibración del aparato, pero si no está en la posición correcta, puede introducir grandes errores en la medida.
El aparato debe estar correctamente enfocado, con el mando correspondiente. La señal en pantalla no debe ser excesivamente brillante, porque ello podría provocar el deterioro del osciloscopio. Una vez montado el circuito y correctamente configurado el aparato: a) Medir la amplitud (V m ), período (T) y frecuencia (f) de cada uno de los canales (período y frecuencia de ambos canales son iguales). Cada una de estas magnitudes debe ser calculada con su correspondiente error absoluto. Completa un atabla similar a la tabla 1, indicando las unidades utilizadas: Canal I Canal II Control de Amplitud (V/div) Control de Tiempo (ms/div) Cuadros (número) Cuadros (número) V m V m V m± V m T T T± T Freq Freq Freq ± Freq b) Una vez completa la tabla anterior, si tienes tiempo suficiente (sólo en este caso), mide el desfase entre ambas señales; para ello, teniendo en cuenta que un ciclo de cualquiera de las señales equivale a 2π radianes, comparando el desfase con este valor en la pantalla, podemos determinar el desfase. 4. MEMORIA Una vez efectuadas todas las medidas, cada grupo deberá elaborar una memoria de dos páginas como máximo (mecanografiadas en Arial 12 a simple espacio) en documento electrónico (formato.doc.docx ó.pdf). Formato PDF preferido. En dicha memoria deberán aparecer: El número y título de la práctica Los nombres de los autores (los asistentes a la sesión de Prácticas), el número de mesa, y la fecha. La tabla 1 con las medidas y cálculos realizados, con sus correspondientes errores absolutos. Indica los cálculos de los errores. Cuál es la posición más adecuada de los controles (de amplitud y tiempo) para conseguir medidas con bajos errores? La memoria debe ser enviada mediante Poliformat (Tareas) (en uno de los formatos indicados) antes de las 12 pm del lunes siguiente a la sesión de Laboratorio en la que se tomaron las medidas. Pasado este tiempo, sólo en casos absolutamente excepcionales y con la adecuada justificación, será aceptada la memoria.