Lab2iosciloscopio Como Instrumento De Medida

Laboratorio de Física III

OSCILOSCOPIO 1.- Objetivos: •

Registrar el valor del voltaje de una fuente de corriente continúa con el osciloscopio y compararlo con el mismo valor obtenido con el multímetro, para establecer la calidad de la medición.

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De la misma manera, registrar el valor del voltaje de una fuente alterna y obtener el valor del voltaje eficaz; y luego comparar este resultado con el obtenido con el multímetro para establecer la calidad de la medición.

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Con ayuda de los aditamentos del osciloscopio y el generador, hacer que en la pantalla aparezcan ondas de Lissajous.

2.- Fundamento Teórico: 2.1.- Osciloscopio: El osciloscopio es básicamente un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical, denominado Y, representa el voltaje; mientras que el eje horizontal, denominado X, representa el tiempo. Las principales funciones del osciloscopio son: • • • • •

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Determinar directamente el período y el voltaje de una señal. Determinar indirectamente la frecuencia de una señal. Determinar que parte de la señal es DC y cual AC. Localizar averías en un circuito. Medir la fase entre dos señales. Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo.

Los osciloscopios son de los instrumentos más versátiles que existen y lo utilizan desde técnicos de reparación de televisores a médicos. Un osciloscopio puede medir un gran número de fenómenos, provisto del transductor adecuado (un elemento que convierte una magnitud física en señal eléctrica) será capaz de darnos el valor de una presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un coche, etc. 2.2.- Clases de Osciloscopios: Los equipos electrónicos se dividen en dos tipos: Analógicos y Digitales. Los primeros trabajan con variables continuas mientras que los segundos lo hacen con variables discretas. Por ejemplo un tocadiscos es un equipo analógico y un Compact Disk es un equipo digital. Los osciloscopios también pueden ser analógicos o digitales. Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada, está una vez amplificada _____________________________________________________________________________ -1-

Laboratorio de Física III desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan previamente un conversor analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla. Ambos tipos tienen sus ventajas e inconvenientes. Los analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas de la señal de entrada en tiempo real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y estudiar eventos no repetitivos (picos de tensión que se producen aleatoriamente). 2.3.- Controles de un Osciloscopio Típico: A primera vista un osciloscopio se parece a una pequeña televisión portátil, salvo una rejilla que ocupa la pantalla y el mayor número de controles que posee. En la siguiente figura se representan estos controles distribuidos en cinco secciones:

** Vertical. ** Horizontal. ** Disparo. ** Control de la visualización ** Conectores. Figura 1 2.4.- Principios de Funcionamiento del Osciloscopio:

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Laboratorio de Física III Para entender el funcionamiento de los controles que posee un osciloscopio es necesario detenerse un poco en los procesos internos llevados a cabo por este aparato. Empezaremos por el tipo analógico ya que es el más sencillo. 2.4.1.- Osciloscopios Analógicos:

Figura 2 Cuando se conecta la sonda a un circuito, la señal atraviesa esta última y se dirige a la sección vertical. Dependiendo de donde situemos el mando del amplificador vertical atenuaremos la señal o la amplificaremos. En la salida de este bloque ya se dispone de la suficiente señal para atacar las placas de deflexión verticales (que naturalmente están en posición horizontal) y que son las encargadas de desviar el haz de electrones, que surge del cátodo e impacta en la capa fluorescente del interior de la pantalla, en sentido vertical. Hacia arriba si la tensión es positiva con respecto al punto de referencia (GND) ó hacia abajo si es negativa. La señal también atraviesa la sección de disparo para de esta forma iniciar el barrido horizontal (este es el encargado de mover el haz de electrones desde la parte izquierda de la pantalla a la parte derecha en un determinado tiempo). El trazado (recorrido de izquierda a derecha) se consigue aplicando la parte ascendente de un diente de sierra a las placas de deflexión horizontal (las que están en posición vertical), y puede ser regulable en tiempo actuando sobre el mando TIME-BASE.

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Laboratorio de Física III El retrazado (recorrido de derecha a izquierda) se realiza de forma mucho más rápida con la parte descendente del mismo diente de sierra. De esta forma la acción combinada del trazado horizontal y de la deflexión vertical traza la gráfica de la señal en la pantalla. La sección de disparo es necesaria para estabilizar las señales repetitivas (se asegura que el trazado comience en el mismo punto de la señal repetitiva). En la siguiente figura puede observarse la misma señal en tres ajustes de disparo diferentes: en el primero disparada en flanco ascendente, en el segundo sin disparo y en el tercero disparada en flanco descendente.

Figura 3 2.4.2.- Osciloscopios Digitales: Los osciloscopios digitales poseen además de las secciones explicadas anteriormente un sistema adicional de proceso de datos que permite almacenar y visualizar la señal.

Figura 4 El conversor analógico-digital del sistema de adquisición de datos muestrea la señal a intervalos de tiempo determinados y convierte la señal de _____________________________________________________________________________ -4-

Laboratorio de Física III voltaje continua en una serie de valores digitales llamados muestras. En la sección horizontal una señal de reloj determina cuando el conversor A/D toma una muestra. La velocidad de este reloj se denomina velocidad de muestreo y se mide en muestras por segundo.

Figura 5 Los valores digitales muestreados se almacenan en una memoria como puntos de señal. El número de los puntos de señal utilizados para reconstruir la señal en pantalla se denomina registro. La sección de disparo determina el comienzo y el final de los puntos de señal en el registro. La sección de visualización recibe estos puntos del registro, una vez almacenados en la memoria, para presentar en pantalla la señal. Dependiendo de las capacidades del osciloscopio se pueden tener procesos adicionales sobre los puntos muestreados, incluso se puede disponer de un predisparo, para observar procesos que tengan lugar antes del disparo. Fundamentalmente, un osciloscopio digital se maneja de una forma similar a uno analógico, para poder tomar las medidas se necesita ajustar el mando AMPL, el mando TIME DIV así como los mandos que intervienen en el disparo. 3.- Procedimiento Experimental: En esta sección vamos a explicar las técnicas de medición básicas que se pueden hacer con un osciloscopio y los mínimos detalles que se deben tener en cuenta para hacer una buena lectura de los valores medidos. 3.1.- Uso de la Pantalla: En la siguiente figura que representa la pantalla de un osciloscopio se puede apreciar unas marcas en la pantalla que la dividen tanto en vertical como en horizontal, formando lo que se denomina retícula ó rejilla. Además, la separación entre dos líneas consecutivas de la rejilla constituye lo que se denomina una división. Normalmente la rejilla posee 10 divisiones horizontales por 8 verticales del mismo tamaño (cercano al cm), lo que forma una pantalla más ancha que alta. En las líneas centrales, tanto en horizontal como en vertical, cada división ó cuadro posee unas marcas que la dividen en 5 partes iguales (cuya escala depende de la forma en que se han afinado las medidas)

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Figura 6 Algunos osciloscopios poseen marcas horizontales de 0%, 10%, 90% y 100% para facilitar la medida de tiempos de subida y bajada en los flancos (se mide entre el 10% y el 90% de la amplitud de pico a pico). Algunos osciloscopios también visualizan en su pantalla cuantos voltios representa cada división vertical y cuantos segundos representa cada división horizontal. 3.2.- Medida de Voltajes: Generalmente cuando hablamos de voltaje lo que realmente queremos expresar es la diferencia de potencial eléctrico, expresado en voltios, entre dos puntos de un circuito; pero normalmente uno de los puntos esta conectado a masa (0 voltios); así que entonces estaríamos hablando del voltaje en el punto A (cuando en realidad es la diferencia de potencial entre el punto A y GND). Los voltajes pueden también medirse de pico a pico (entre el valor máximo y mínimo de la señal). Es muy importante que especifiquemos al realizar una medida que tipo de voltaje estamos midiendo. El osciloscopio es un dispositivo para medir el voltaje de forma directa. Otros medidas se pueden realizar a partir de esta por simple cálculo (por ejemplo, la de la intensidad ó la potencia). Los cálculos para señales alternas pueden ser complicados, pero siempre el primer paso para medir otras magnitudes es empezar por el voltaje.

Figura 7 _____________________________________________________________________________ -6-

Laboratorio de Física III Realizar la medida de voltajes con un osciloscopio es fácil, simplemente se trata de contar el número de divisiones verticales que ocupa la señal en la pantalla. Ajustando la señal con el mando de posicionamiento horizontal podemos utilizar las subdivisiones de la rejilla para realizar una medida más precisa. (recordar que una subdivisión equivale generalmente a 1/5 de lo que represente una división completa). Es importante que la señal ocupe el máximo espacio de la pantalla para realizar medidas fiables, para ello actuaremos sobre el conmutador del amplificador vertical.

Figura 8 Algunos osciloscopios poseen en la pantalla un cursor que permite tomar las medidas de tensión sin contar el número de divisiones que ocupa la señal. Básicamente el cursor son dos líneas horizontales para la medida de voltajes y dos líneas verticales para la medida de tiempos que podemos desplazar individualmente por la pantalla. La medida se visualiza de forma automática en la pantalla del osciloscopio. 3.3.- Medida de Periodo y Frecuencia: Para realizar medidas de tiempo se utiliza la escala horizontal del osciloscopio. Esto incluye la medida de periodos, anchura de impulsos y tiempo de subida y bajada de impulsos. La frecuencia es una medida indirecta y se realiza calculando la inversa del periodo. Al igual que ocurría con los voltajes, la medida de tiempos será más precisa si el tiempo objeto de medida ocupa la mayor parte de la pantalla, para ello actuaremos sobre el conmutador de la base de tiempos. Si centramos la señal utilizando el mando de posicionamiento vertical podemos utilizar las subdivisiones para realizar una medida más precisa.

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Figura 9 3.4.- Medida del Desfase entre Señales: La sección horizontal del osciloscopio posee un control etiquetado como X-Y, que nos va a introducir en una de las técnicas de medida de desfase (la única que podemos utilizar cuando solo disponemos de un canal vertical en nuestro osciloscopio). El periodo de una señal se corresponde con una fase de 360º. El desfase indica el ángulo de atraso ó adelanto que posee una señal con respecto a otra (tomada como referencia) si poseen ambas el mismo periodo. Ya que el osciloscopio solo puede medir directamente los tiempos, la medida del desfase será indirecta. Uno de los métodos para medir el desfase es utilizar el modo X-Y. Esto implica introducir una señal por el canal vertical (generalmente el I) y la otra por el canal horizontal (el II). (Este método solo funciona de forma correcta si ambas señales son senoidales). La forma de onda resultante en pantalla se denomina figura de Lissajous (debido al físico francés denominado Jules Antoine Lissajous). A continuación mostramos algunas formas de ondas de Lissajous:

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Figura 10 4.- Tratamiento de Resultados: 4.1.- Hacer una tabla indicando el voltaje medido con el osciloscopio, el voltaje medido con el multímetro y el voltaje nominal de cada salida de cada fuente. Fuente

Osciloscopio Multímetro

Voltaje nominal

Continu a Alterna

Para la 1,48 1,47 1,5 fuente 6,23 6,22 6,0 alterna, el multímetro señala directamente el valor del voltaje eficaz (Ve); mientras que en el osciloscopio se registró el voltaje pico a pico (Vpp) de 17 V y luego se efectúa la siguiente fórmula: Vef =

Vpp 2 2

4.2.- ¿Es realmente constante el voltaje de cada salida dada por estas fuentes? Se asume que el voltaje en terminales suministrado por la fuente de corriente continua y alterna es constante. Si no es constante, entonces las variaciones del voltaje afectarán la forma de la curva en la pantalla del osciloscopio. 4.3.- Responder: 4.3.1.- ¿Cuál es el período del voltaje alterno dado por el transformador de 6 voltios? El periodo registrado para esta fuente es de 16 ms.

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Laboratorio de Física III 4.3.2.- Diga el número de divisiones cuando el control 28 está en posición 1ms/división, 2ms/división, 5ms/división. Estas escalas dependen de la forma en que se regula la perilla TIME/DIV; y significan que cada 5 divisiones representan respectivamente 1 ms, 2ms y 5ms. Además, como en el eje horizontal hay 10 divisiones de 5 subdivisiones cada uno, habría 50 subdivisiones que equivaldrían a 10 ms, 20ms y 50 ms respectivamente para todo el eje. 4.3.3.- ¿Cuál es transformador?

la

frecuencia

del

voltaje

alterno

dado

por

el

Se conoce que el periodo de la señal es 16 ms; luego: f =

1 16.10

-3

s

= 62,5 Hz

4.3.4.- ¿Cuál es la amplitud del voltaje? La amplitud del voltaje que se obtuvo fue 8,5 V. 4.3.5.- ¿Cuál es el voltaje pico-pico? El voltaje pico a pico registrado fue 17 V. 4.4.- Dibuje la pantalla cuadriculada del osciloscopio e indique lo observado en los pasos 17 y 18 del procedimiento del manual. En la figura 11 tenemos la gráfica que aparece después del paso 17; mientras que la figura 12 muestra los resultados después del paso 18. Estos gráficos representan a la misma función senoidal; sólo que el periodo se ha desfasado en п/2 de un paso al otro.

Figura 11

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Figura 12 4.5.- Si el osciloscopio está en modo XY y coloca un voltaje constante de 1.5 voltios (una pila) en el canal 1 y de 3 voltios (fuente de voltaje constante con diferentes salidas) en el canal 2. Dibuje la pantalla cuadriculada del osciloscopio indicando la señal observada.

Figura 13 4.6.- Repita 4.5 pero con el control 16 en la posición “afuera”

0 Figura 14 5.- Conclusiones:

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Se registró con éxito el valor del voltaje para la fuente continua. El valor obtenido con el osciloscopio fue 1,48 V, presentando una desviación del 0,68% por exceso respecto al valor calculado con el multímetro y 0,01% con respecto al voltaje nominal.

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Asimismo se logró registrar con éxito el valor del voltaje para la fuente alterna. El valor obtenido con el osciloscopio fue 6,23 V, presentando una desviación del 0,16% por exceso respecto al voltaje eficaz calculado con el multímetro y 3,69% con respecto al voltaje eficaz nominal. Se lograron hacer aparecer en la pantalla del osciloscopio algunas de las ondas de Lissajous y se verificó que se cumpla la relación entre número de crestas y frecuencia, lo cual sucedió con un mínimo margen de error.

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El único factor que puede afectar nuestros resultados experimentales es el error en las lecturas del osciloscopio, lo que generalmente ocurre por no haber establecido correctamente las escalas con las perillas. Además nuestra inexperiencia en el uso del osciloscopio puede habernos limitado de cierta manera, ya que es la primera vez que trabajamos con un dispositivo así.

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Para finalizar, el presente laboratorio nos ha permitido comprobar que el osciloscopio es un instrumento de medición muy preciso en la medición de voltajes y el análisis de señales especiales como las ondas de Lissajous. Las diversas perillas y botones cumplen funciones específicas que permiten ajustar y sostener las ondas para un mejor análisis. Hasta podemos afirmar que los valores que entrega el osciloscopio son más confiables que los que entrega el multímetro.

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BIBLIOGRAFIA •

Sears, F.; Zemansky, M.; Young, H.; Freedman, R.; “Fisica Universitaria”, México, Editorial Mc’Graw Hill, Undécima Edición, Volumen II, 2 005, Páginas Consultadas: 754 – 758.

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Tippler, P.; “Física para la Ciencia y la Tecnología”; Barcelona; Editorial Reverté, Cuarta Edición, Volumen II, Páginas Consultadas: 781- 786.

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