PRÁCTICA Nº 2. OSCILOSCOPIO OBJETIVO Describir las características y el funcionamiento del osciloscopio, generador de señales y oscilador de audio. FUNDAMENTO TEÓRICO A continuación se presentan las definiciones básicas relacionadas con algunas magnitudes físicas así como la descripción y funcionamiento de los equipos utilizados en esta práctica. Corriente continua (CC) Es el flujo continuo de electrones a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial. A diferencia de la corriente alterna (AC), en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección, es decir, los terminales de mayor y de menor potencial son siempre los mismos. Aunque comúnmente se identifica la corriente continua con la corriente constante, por ejemplo la suministrada por una batería, es continua toda corriente que mantenga siempre la misma polaridad y diferencia de potencial constante. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 1
Figura 2.1. Voltaje Continuo. Corriente alterna (AC) Es aquella que presenta una diferencia de potencial variable en el tiempo, generalmente periódica, por lo que su polaridad también varía con el tiempo, es decir, la magnitud y el sentido varían cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda sinusoidal, puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. Sin embargo, en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de onda periódicas, tales como la triangular o la cuadrada. La AC es la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las empresas. Sin embargo, las señales de audio y de radio transmitidas por los cables eléctricos, son también ejemplos de corriente alterna. En estos usos, el fin más importante suele ser la transmisión y recuperación de la información codificada o modulada sobre la señal de la AC. V o t Figura 2.2. Señal SinusoidalV V0 sent. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 2
En una onda o señal sinusoidal se definen los siguientes parámetros: Ciclo: porción de la señal que se repite en el tiempo. Período (T ): tiempo que tarda la señal en realizar un ciclo. Se mide en segundos. Frecuencia ( f ): número de veces que una corriente alterna cambia de polaridad en un segundo. La unidad de medida es el Hertz (Hz ó s -1 ). De esta forma si en el hogar hay un voltaje de 110 V y 60 Hz, significa que dicho voltaje habrá de cambiar su polaridad 60 veces por segundo. También puede ser definida la frecuencia como el número de ciclos completos de la señal que ocurren en la unidad de tiempo. Representa el inverso del período. Voltaje Pico ( V p ): es el valor máximo de amplitud que obtiene una onda periódica. Representa el voltaje máximo en cada cresta o valle de la señal. Voltaje Pico-Pico ( V pp ): es el valor de voltaje que va desde el máximo al mínimo de la señal o de una cresta a un valle de la misma. Este voltaje se calcula como: Vpp 2Vp Voltaje Eficaz ( V ef ): representa el valor de una corriente constante (corriente continua) que al circular por una determinada resistencia óhmica pura produce los mismos efectos caloríficos (igual potencia disipada) que dicha corriente variable (corriente alterna). El valor eficaz de una corriente sinusoidal se mide por el calor que proporciona una resistencia cuando pasa la corriente por ella, y es equivalente al mismo calor que suministraría una fuente de corriente continua sobre dicha Vp resistencia. Se calcula como: Vef Vrms 0.707Vp 2 Voltaje Medio ( V ): es el promedio de los voltajes instantáneos en un semiciclo o m semiperíodos. Se calcula como: 2Vp Vm 0.636Vp Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 3
V V ef V m V p t Figura 2.3. Voltajes de una señal sinusoidal. El Osciloscopio En la historia de las mediciones eléctricas y electrónicas, el instrumento que ha producido mayor impacto ha sido el osciloscopio, debido a que es de utilidad no solamente para efectuar mediciones que son posibles de realizar con otro tipo de instrumentos, sino que también permite observar el desarrollo en el tiempo de dichos fenómenos eléctricos, con lo cual se pueden conocer y estudiar en forma más detallada. Debido a esto, el osciloscopio sigue siendo uno de los instrumentos de mayor aplicación en el trabajo diario. Un osciloscopio es un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas, asociadas a cantidades físicas que pueden variar en el tiempo. Es muy usado en electrónica de señal, frecuentemente junto a un analizador de espectros. El osciloscopio presenta los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que el eje X (horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical) representa voltajes. La imagen así obtenida se denomina oscilograma. Con un osciloscopio es posible: Determinar directamente el período y el voltaje de una señal. Determinar indirectamente la frecuencia de una señal. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 4
Determinar cuál parte de la señal es AC y cuál es DC. Localizar averías en un circuito. Medir la diferencia de fase de dos señales. Los osciloscopios, clasificados según su funcionamiento interno, pueden ser tanto analógicos como digitales, siendo el resultado mostrado idéntico en cualquiera de los dos casos. Los analógicos trabajan directamente con la señal aplicada, ésta una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. En el caso de los digitales éstos utilizan previamente un conversor analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla. Funcionamiento del Osciloscopio: Antes de poner a funcionar el osciloscopio el usuario deberá hacer una serie de ajustes para facilitar su funcionamiento. 1. Gire la perilla de intensidad a la extrema izquierda. 2. Coloque la palanca de disparo SOURCE en la posición CH1 o CH2 según el canal de entrada seleccionado. 3. Coloque la palanca de disparo MODE en la posición automática auto. 4. Coloque la base de tiempo amplificador horizontal en 1 ms/div. Rote el control de calibración en el sentido que señale el osciloscopio. 5. Ajuste el amplificador vertical del canal seleccionado en la máxima escala que posee. Rote el control de calibración en el sentido que señale el osciloscopio. 6. Coloque el control AC-GND-DC en la posición tierra. 7. Encienda el osciloscopio. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 5
8. Incremente el control de intensidad hacía la derecha hasta que la imagen (trazo) aparezca en la pantalla, cuidado que la intensidad no sea demasiado alta para proteger la pantalla de posibles daños. 9. Centre el haz que aparece en la pantalla usando el control de posición horizontal y el de posición vertical del canal respectivo. 10. Ajuste el control de foco para obtener un trazo bien definido. Este ajuste opera simultáneamente con el control de intensidad a gusto del operador. Después de estas operaciones la pantalla tendrá la imagen de un trazo horizontal libre. A partir de este momento el osciloscopio está preparado para realizar las mediciones deseadas. Controles del panel frontal del osciloscopio: 1. Base de Tiempo (TIME/DIV): permite aumentar o disminuir la velocidad de desplazamiento del barrido horizontal. Permite también calcular el período de la señal. (23, 24) 2. Conectores de entrada: permiten conectar las puntas para la entrada de la señal a ser observada. Existe un conector para cada canal (CH1 X y CH2 Y). (14 y 21) 3. Amplificador vertical (VOLTS/DIV): varía verticalmente la señal de entrada, de tal manera que las señales pequeñas puedan ser amplificadas y las señales grandes atenuadas. También permite calcular el voltaje de la señal ( V p ). (15 y 19) 4. Posición vertical: desplaza verticalmente el trazo de la señal. Existe una perilla por cada canal. (17 y 18) 5. Posición horizontal: desplaza horizontalmente el trazo de la señal. Es común para los dos canales. (27) 6. Level: permite estabilizar la imagen cuando ésta se desplaza de un lado a otro de la pantalla. Sincroniza la señal con el barrido. (33) Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 6
7. Intensidad: ajusta el brillo de la pantalla. (4) 8. Foco: permite obtener un trazo fino de la señal. (6) 9. Acoplamiento de entrada (AC-GND-DC): permite seleccionar la forma en como la señal de entrada vertical es acoplada al osciloscopio: AC: el osciloscopio solo permite entrada de señales AC. GND: la señal de entrada es conectada a tierra. No hay señal en la pantalla. Solo aparece el trazo horizontal. Se utiliza para centrar la imagen con el eje horizontal. DC: la señal pasa directamente al amplificador vertical mostrando la componente AC y DC. 10. Modo: se utiliza para seleccionar la entrada vertical deseada: Canal 1 (CH1 X), canal 2 (CH2 Y), ambos canales a la vez (DUAL) o la suma de las dos señales (ADD). 11. Los ajustes 16, 20 y 26 se utilizan para calibrar el osciloscopio. Deben ser girados en sentido horario antes de realizar cualquier medición. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 7
Figura2.4. Panel Frontal del Osciloscopio. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 8
Oscilador de Audio En un aparato electrónico capaz de producir ondas sinusoidales en el rango de frecuencia audible al hombre (de 20Hz a 20 KHz), con una salida máxima de 42.5V y 600Ω de impedancia. A continuación se detallan los controles del Oscilador de Audio: 1. Interruptor de alimentación. 2. Escala de frecuencia. 3. Ajuste grueso de frecuencia. 4. Ajuste fino de frecuencia. 5. Multiplicador de la frecuencia. 6. Terminales de salida. 1 2 4 3 5 6 Figura 2.5. Oscilador de Audio. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 9
Generador de Señales Un generador de funciones es un instrumento más versátil en comparación con el oscilador de audio, ya que genera diferentes formas de onda cuyas frecuencias son ajustables en un amplio rango. Las salidas más frecuentes son ondas sinusoidales, triangulares y cuadradas. Las frecuencias de estas ondas pueden ser ajustadas desde una fracción de Hz hasta varios cientos de khz. A continuación se muestran los controles principales del generador de señales: 1. Selector de función: selecciona la forma de la onda de salida (sinusoidal, cuadrada o triangular) 2. Selector de rango. 3. Ajuste grueso de frecuencia. 4. Ajuste fino de frecuencia 5. Salida de la señal. 2 1 3 4 5 Figura 2.6. Generador de Señales. MATERIALES Y EQUIPOS REQUERIDOS Osciloscopio. Fuente de alimentación DC. Generador de señales. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 10
Oscilador de audio. Multímetro digital. Circuito desfasador. Cables para conexiones. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Medidas de Voltaje DC 1. Estando el osciloscopio preparado, siguiendo todas las normas de seguridad antes descritas, introduzca el voltaje correspondiente en el canal de entrada del osciloscopio seleccionado, colocando la línea horizontal coincidiendo con una línea de la retícula la cual representará el nivel de cero voltios. Recuerde respetar la polaridad. Si se invierten las polaridades se obtendrá un nivel de voltaje negativo por debajo del cero. 2. Coloque la palanca de control AC-GND-DC en DC. 3. Realice las mediciones indicadas en la tabla 2.1. Tabla 2.1 Escala del amplificador vertical EV V div Desplazamiento vertical DV div Voltaje medido con el osciloscopio. V EV DV Voltaje medido con el multímetro. Voltaje indicado por la fuente. FUENTE DC FUENTE DC Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 11
Medidas de Voltaje y Frecuencia AC 1. Coloque el trazo horizontal que coincida con la línea central de la retícula. Este será su nivel de cero voltios. 2. Mantenga la palanca de control AC-GND-DC en GND. 3. Introduzca en el canal seleccionado la señal de corriente alterna que será estudiada. 4. Coloque la palanca de control AC-GND-DC en AC y proceda a realizar las mediciones de voltaje y frecuencia, siguiendo las indicaciones dadas por el profesor. 5. Anote los resultados en la tabla 2.2. 6. Calcule el margen de error entre el valor medido con el multímetro y el valor eficaz. Vmedido Veficaz % Er 100 V medido 7. Calcule el margen de error entre la frecuencia calculada y la indicada por el generador. Fgenerador Fcalculada % Er 100 F generador Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 12
Escala del amplificador vertical V div Tabla 2.2 Desplazamiento vertical div DV EV GENERADOR DE SEÑALES GENERADOR DE SEÑALES Valor Pico (voltios) V P EVxDV VP Valor Eficaz (voltios) V rms 707xV 2 0. Voltaje medido con el multímetro Escala de la base tiempo Et Desplazamiento horizontal por ciclo DH Período T Et DH P Frecuencia medida con el osciloscopio f Frecuencia indicada por el equipo % de error del Voltaje % de error de la frecuencia 1 T Nota Recuerde que al usar el multímetro las medidas obtenidas corresponden a valores de voltaje eficaz. Si utiliza una punta de prueba de tipo 10X se atenúa la amplitud de la onda por 10. Ejemplo: si se coloca en la posición de 5 voltios en realidad mide 50 voltios por medición. Si la señal se desplaza se debe sincronizar con el control LEVEL y la perilla de posición horizontal. 8. Analice los resultados obtenidos en la tabla 2. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 13
Comparación de Frecuencias Este método de medir frecuencias se utiliza cuando no disponemos de un osciloscopio con base de tiempo calibrada o cuando la frecuencia a medir excede la capacidad de la base tiempo del osciloscopio en cuestión y consiste en obtener la frecuencia de una señal desconocida usando otra como medida patrón. La relación entre la señal desconocida y la frecuencia de la señal conocida viene dada por: FV TV FH TH donde: FV : es la frecuencia de la señal que se introduce en el canal vertical (frecuencia desconocida) FH : es la frecuencia de la señal que se introduce en el canal horizontal. TV : son los puntos de tangencia vertical. TH : son los puntos de tangencia horizontal. Ejemplo: en la figura 2.7, los puntos de tangencia horizontal TH 4 y los puntos de tangencia vertical TV 3. TH TV Figura 2.7. Figura de Lissajous. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 14
Nota: los puntos TH y TV se obtienen trazando rectas horizontales y verticales imaginarias que toquen tangencialmente a la figura que aparece en la pantalla del osciloscopio. La figura 2.8 indica la forma de conexión entre el osciloscopio y los dos generadores de señales para medir frecuencia utilizando las figuras de Lissajous, las cuales son el resultado de la mezcla de dos ondas sinusoidales de igual o diferente frecuencia. Figura 2.8. Montaje para medir la frecuencia de una señal. Seleccione cuatro frecuencias del generador de señales conectado al canal vertical, para ser estudiadas una a una comparando la frecuencia con la del generador de señales del canal horizontal (también puede ser un oscilador de audio) la cual será usada como medida patrón. Para obtener las figuras de Lissajouss realice los siguientes pasos: a) Mantenga la palanca de control AC-GND-DC en GND. b) Pulse el botón dual y haga coincidir los dos trazos que aparecen en la pantalla del osciloscopio. c) Coloque el selector TIME/DIV del osciloscopio en la posición X-Y para desactivar la base de tiempo. d) Aparecerá un punto en la pantalla el cual debe centrarse usando los controles de posición vertical y horizontal del osciloscopio. e) Coloque el control AC-GND-DC de cada canal en la posición AC. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 15
f) Mueva el control de frecuencia del generador de señales del canal horizontal hasta que aparezca en la pantalla del osciloscopio una figura estable y fácil de estudiar. g) Aplique la relación FV.TV = FH.TH y determine FV. h) Introduzca las demás frecuencias y completa la tabla 2.4. i) Calcule en porcentaje de error entre la frecuencia calculada y la indicada por el equipo. Tabla 2.4 FV FH TV TH FVG %error La frecuencia FVG corresponde al valor real del generador de señales del canal vertical. Medición de Desfasaje Si dos formas de onda sinusoidales tienen la misma frecuencia pero se anulan en instantes diferentes, se dice que están fuera de fase y al ángulo que forman las dos ondas se le llama ángulo de diferencia de fase. En la figura 2.9 el voltaje V 2 está Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 16
adelantado respecto al voltaje V 1 porque pasa antes por el valor cero y la diferencia de fase es el ángulo Φ. Obsérvese que sólo se podrá definir la diferencia de fase entre dos ondas sinusoidales si son de la misma frecuencia. V 0 V 2 V 1 t Figura2.9. Ángulo de diferencia de fase entre dos señales sinusoidales. La medición de desfasaje entre dos señales introducidas al osciloscopio se hará usando los métodos de disparo de barrido y el de las figuras de Lissajous. Se utilizará un circuito desfasador RC como el mostrado en la figura 2.10, el cual puede verse como una Caja Negra la cual tiene una entrada y una salida sin importar lo que hay dentro de ella, importando solamente la función que desempeña, es decir, desfasar una señal en relación a otra, a frecuencia constante. R ~ C Figura 2.10. Circuito Desfasador. El circuito equivalente se muestra en la figura 2.11. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 17
y v T Vp ENTRADA CIRCUITO DESFASADOR SALIDA y 1 y 2 Figura 2.11. Circuito desfasador visto como una caja negra. 1. 0 Método /2 3/2 de Disparo 2.t de Barrido a) Estando el osciloscopio previamente ajustado realice el montaje indicado en la figura 2.12..t Figura 2.12. Montaje para medir el defasaje entre dos señales. b) Coloque el control AC-GND-DC de cada canal en la posición GND. Observe que el modo X-Y no esté activado. c) Pulse el selector MODE en la posición dual y haga coincidir los dos trazos que aparecen en la pantalla del osciloscopio. d) Coloque el control AC-GND-DC de cada canal en la posición AC. e) Centre en la pantalla ambas señales. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 18
f) Ajuste el amplificador de voltaje de cada canal hasta obtener igual amplitud en las señales, controle la base tiempo si es necesario, hasta que aparezca una imagen suficientemente estable y amplia (figura 2.13) Figura 2.13. Desfasaje de dos señales por el Método de Disparo de Barrido. g) Determine la diferencia de fase, aplicando la siguiente ecuación. Registre el resultado en la tabla 2.5 Nº de divisiones que hay en medio ciclo de la onda -------- 180º Nº de divisiones que existen entre las dos señales ----- 180º Nº de divisiones entre las dos señales Nº de divisiones que hay en medio ciclo de la onda 2. Método de las Figuras de Lissajous Para medir la diferencia de fase entre dos señales de igual frecuencia, por el método de las figuras de Lissajous, realice el siguiente procedimiento: a) Coloque el control AC-GND-DC de cada canal en la posición GND b) Coloque el selector TIME/DIV del osciloscopio en la posición X-Y para desactivar la base tiempo. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 19
c) Utilice los controles de posición horizontal y vertical para centrar el punto que aparece en la pantalla del osciloscopio. d) Coloque el control AC-GND-DC de cada canal en la posición AC. a b Figura 2.14. Forma de medir a y b para medir el ángulo de desfasaje. a ; b a e) Determine la diferencia de fase utilizando la siguiente relación arcsen b f) Registre el resultado en la tabla 2.5. Tabla 2.5 METODO BARRIDO LISSAJOUS g) Determine el margen de error entre los valores obtenidos en ambos métodos. DB FL % Er 100 DB Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 20