Práctica de Laboratorio Tema 4: Medidas Eléctricas: El Osciloscopio Laboratorio Nº 3: USO Y MANEJO DEL OSCILOSCOPIO MEDICIÓN FRECUENCIA y FASE Índice 1 Medidas Eléctricas: El Osciloscopio... 2 1.1 Introducción... 2 1.1.1 Medición Frecuencia y Fase... 2 1.2 Laboratorio Nº 3: USO Y MANEJO DEL OSCILOSCOPIO: MEDICIÓN FRECUENCIA y FASE... 6 1.2.1 Objetivo... 6 1.2.2 Materiales... 6 1.2.3 Implementación... 6 1.2.3.1 Medición de frecuencia en forma directa... 6 1.2.3.2 Medición de frecuencia usando figuras de Lissajaus... 8 1.2.3.3 Medición de fase... 10 Tema 4 Teoría de Circuitos - 2015 - Pag. 1 / 12
1 Medidas Eléctricas: El Osciloscopio 1.1 Introducción 1.1.1 Medición Frecuencia y Fase El osciloscopio también permite medir frecuencias, ya que al conocer el período T de la señal se determina la misma: f = 1/T. Esta condición se logra siempre y cuando el control variable de barrido se encuentre en la posición calibración (Cal). En esas circunstancias, la velocidad de barrido que se ha aplicado mediante el control por pasos Tiempo/ Div. permitirá conocer el período de la señal entrante. A fin de obtener la máxima precisión será conveniente que la señal, en la medida de lo posible, ocupe uno o algunos ciclos completos en la pantalla (F), para lo cual deberá ajustar el control por pasos del barrido y sincronizar la misma con flanco positivo por comodidad, Figura 1. En ella, se han efectuado las operaciones necesarias para que un ciclo (E) de la señal entrante por el eje Y, ocupe la mayor cantidad de divisiones de la cuadrícula horizontal del osciloscopio. Esta operación para esta oportunidad, se ha realizado con la selección de la base de tiempo en 10 μs/div. y el control fino en calibración. Por ello entonces, el barrido de toda la pantalla es de 100 μs y por consiguiente es el período de la señal observada. Su frecuencia será f = 1/T = 1/100μS = 10000 Hz. Es de hacer notar que de la precisión de la base de tiempo dependerá la exactitud de la medida. Figura 1 Otra forma de medir la frecuencia es con el método de Lissajaus. Para este proceso es necesario utilizar la posición X-Y del osciloscopio, en la cual no hay barrido. Así entonces se pueden conformar entre los dos ejes, figuras de Lissajaus, las que permiten, conociendo una frecuencia encontrar el valor de otra desconocida. Las señales, para esta modalidad, se ingresan: una por el CH1 que es la correspondiente al eje Y y la otra al CH2, que oficia de eje X (que en la alternativa de barrido es el Tema 4 Teoría de Circuitos - 2015 - Pag. 2 / 12
amplificador de la señal diente de sierra), Figura 2. En estas condiciones la señal entrante al eje X podrá ser amplificada o atenuada a comodidad, igual que la del eje Y. Esto será necesario ya que la condición para que se produzcan las figuras, es que las señales sean de igual amplitud y armónicas. Mediante los atenuadores de los dos canales y contando con la ayuda del control variable, se podrá lograr que las dos tensiones aparezcan iguales en amplitud en la pantalla. En la figura se han introducido dos señales de igual frecuencia y amplitud lo que entrega una recta inclinada a 45 hacia la derecha. Con este método se pueden obtener diferentes figuras que permitirán relacionar las frecuencias. Recuerde que las dos señales deben ser iguales en amplitud y armónicas (a obtener mediante los atenuadores en caso necesario). Generador G2 Canal CH1 (Vertical) Canal CH2 (Horizontal) Figura 2 Para estas operaciones será necesario disponer de un generador de frecuencia conocida. Así entonces, por el canal CH1 Se introduce la señal conocida y por el canal CH2 la desconocida. Se producirá entonces una figura que deberá tener simetría en los dos ejes para encontrar la relación de frecuencias. Contando las tangencias en el sentido vertical (t v ) y en el sentido horizontal (t h ) de acuerdo a la expresión: t h f h = t v.f v se podrá determinar la desconocida. Las dos formas apuntadas para medir frecuencias han sido ampliamente superadas por los frecuencímetros digitales, pero no obstante ello, el primer método le da al operador una buena aproximación de la frecuencia. En cuanto a la utilización del osciloscopio en la posición X-Y para las figuras de Lissajaus, permitirá que el alumno pueda aprender a utilizarlo para otras aplicaciones. También mediante este método es posible determinar la relación de fase de las dos señales, lo que en muchas aplicaciones de electrónica es imprescindible. Para ello se debe aplicar el siguiente algoritmo: Tema 4 Teoría de Circuitos - 2015 - Pag. 3 / 12
A ϕ = arc sen B Los valores de A y de B surgen de las Figuras 3a y 3b que se muestran a continuación. Figura 3 Debe advertirse que en el caso de la Figura 3b, al ángulo que se obtiene debe restarse a 180, ya que han superado los 90. Esta forma de obtener el desfasaje, si se procede con mucho cuidado, permite obtener el mismo con mucha aproximación. Una aplicación interesante es en la determinación de la variación del ángulo de fase que se produce en un amplificador entre la entrada y la salida. Otra forma pero aproximada de obtener el desfasaje entre dos señales es trabajar con barrido y con los dos canales. Se introduce por ejemplo la entrada en el canal CH1 y se ajusta el barrido con sincronización en dicho canal para que se obtenga un ciclo completo en la pantalla (no es necesario colocar el ajuste fino en calibración). Posteriormente, se introduce la salida en el canal CH2 y se observará si tiene o no desfasaje. Luego, simplemente por una regla de tres se puede obtener el ángulo de desfasaje como así también si está adelantado o atrasado. Esto se muestra en la Figura 4. Una división y media Figura 4 Tema 4 Teoría de Circuitos - 2015 - Pag. 4 / 12
La señal de entrada ocupa las diez divisiones y por ello son 360 ; luego el valor entre las dos señales responderá a una cierta cantidad de divisiones o fracciones de ella. Aplicando regla de tres se obtiene entonces el desfasaje. Observando la distribución de la señal de salida respecto a la de entrada, se observa que la misma está atrasada. Tema 4 Teoría de Circuitos - 2015 - Pag. 5 / 12
1.2 Laboratorio Nº 3: USO Y MANEJO DEL OSCILOSCOPIO: MEDICIÓN FRECUENCIA y FASE Apellido y Nombre:.. Registro N EL ALUMNO DE FORMA INDIVIDUAL DEBE COMPLETAR ESTE INFORME DURANTE EL HORARIO DE LABORATORIO. LO HARÁ CON LETRA CLARA Y PROLIJA Y SERÁ ENTREGADO AL FINALIZAR LA PRÁCTICA PARA SU EVALUACIÓN POSTERIOR. 1.2.1 Objetivo Esta actividad permitirá continuar conociendo al osciloscopio para medir frecuencias y fase, en forma directa mediante figuras de Lissajaus. 1.2.2 Materiales Osciloscopio Puntas conectoras para Osciloscopio 2 Generador de señal 2 Cables coaxial con conectores BNC Caja con red R-C (desfasadora) 1.2.3 Implementación 1.2.3.1 Medición de frecuencia en forma directa A. Arme el circuito de la Figura 1. Figura 1 Tema 4 Teoría de Circuitos - 2015 - Pag. 6 / 12
B. Varíe los controles del generador de señales para que indique una señal senoidal de 100 Hz con una tensión pico a pico de aproximadamente 5 V. Ajuste los controles del osciloscopio para observar en lo posible una sola senoide en la pantalla (con el control de barrido fino en calibración). Grafique la señal que observa en el osciloscopio, completos los datos en la tabla y calcule el período y la frecuencia con los datos mostrados en la pantalla. 1 ra Medición (Senoidal 100 Hz, 5 V pico a pico) Tensión de pico Tensión pico a pico Tiempo/división Período medido Frecuencia medida C. Repita los datos para una señal senoidal con una frecuencia de 2000 Hz con una amplitud de pico a pico de 5 volt. 1 ra Medición (Senoidal 2000 Hz, 5 V pico a pico) Tensión de pico Tensión pico a pico Tiempo/división Período medido Frecuencia medida D. Repita los datos para una señal senoidal con una frecuencia de 15000 Hz con una amplitud de pico a pico de 5 volt. Tema 4 Teoría de Circuitos - 2015 - Pag. 7 / 12
1 ra Medición (Senoidal 15000 Hz, 5 V pico a pico) Tensión de pico Tensión pico a pico Tiempo/división Período medido Frecuencia medida Qué conclusiones obtiene?... 1.2.3.2 Medición de frecuencia usando figuras de Lissajaus A. Arme el circuito de la Figura 2. No conecte aún el oscilador D. Figura 2 B. Oprima la llave del osciloscopio X-Y. En estas condiciones, no tiene barrido el osciloscopio. Ajuste el generador C en 100 Hz senoidales con aproximadamente 5 V pico a pico y con los controles del CH1 obtenga una línea vertical de cuatro divisiones. C. Ajuste el generador D también en 100 Hz senoidales y 5 V pico a pico; desconecte el generador C. Conecte ahora el generador D en CH2 y obtenga una línea horizontal de cuatro divisiones con los controles grueso y fino del CH2. D. Reconecte el generador C y podrá entonces ver figuras de Lissajaus. Grafique lo que observa en el osciloscopio y complete la tabla Tema 4 Teoría de Circuitos - 2015 - Pag. 8 / 12
CH1 CH2 Qué sucede con la imagen? Explique.... E. Ajuste cuidadosamente el generador D para que tenga la misma frecuencia que el generador C. Explique por qué la figura cambia de una línea inclinada a 45 a una circunferencia pasando por elipses.... F. Varíe la frecuencia del generador D hasta obtener una frecuencia de 200 Hz. Regule en forma fina el generador hasta que se estabilice la imagen. Grafique lo que observa en el osciloscopio y complete la tabla CH1 CH2 Qué sucede con la imagen? Aplique la relación t h f h = t v.f v Tema 4 Teoría de Circuitos - 2015 - Pag. 9 / 12
y explique qué observa.... G. Varíe la frecuencia del generador D hasta obtener una frecuencia de 300 Hz. Regule en forma fina el generador hasta que se estabilice la imagen. Grafique lo que observa en el osciloscopio y complete la tabla CH1 CH2 Qué conclusiones obtiene?... 1.2.3.3 Medición de fase A. Arme el circuito de la Figura 3 utilizando para tal efecto la caja desfasadora. Figura 3 Tema 4 Teoría de Circuitos - 2015 - Pag. 10 / 12
B. Ajuste los controles del generador C para que den una señal senoidal de 100 Hz y 5 V pico a pico (como quedo en el paso anterior). C. Coloque el CH2 en GND y el CH1 en AC. Regule los controles de V/Div grueso y fino del CH1 hasta obtener una línea horizontal de cuatro divisiones. A continuación Coloque el CH1 en GND y el CH2 en AC y regule los controles de V/Div grueso y fino del CH2 hasta obtener una línea vertical de cuatro divisiones. Coloque el CH1 y el CH2 en GND y centre el punto en la pantalla con los controles de posición. Por último coloque el CH1 y CH2 en AC. Grafique lo que observa en el osciloscopio y complete la tabla CH1 CH2 Aplique para determinar la fase la fórmula A ϕ = arc sen B A =... B =... Cuál es el desfasaje calculado?... D. Oprima la llave del osciloscopio X-Y de forma que las señales tengan barrido en el tiempo. Regule los controles de tiempo para que en lo posible se muestre solo un ciclo completo de las señales en la pantalla del osciloscopio. Graficar lo que observa y complete la tabla Tema 4 Teoría de Circuitos - 2015 - Pag. 11 / 12
CH1 CH2 Tiempo/división Por una regla de tres obtener el ángulo de desfasaje entre las señales. Cuál es el desfasaje calculado?... Compare las dos formas de calcular el desfasaje y obtenga conclusiones... Tema 4 Teoría de Circuitos - 2015 - Pag. 12 / 12