Operación y aplicación del osciloscopio

Objetivos

– Obtener el desfasamiento entre señales de la frecuencia por los métodos de muestreo y Lissajous.

– Medir el tiempo de establecimiento de una señal.

– Utilizar un osciloscopio con dos canales y una base de tiempo.

ANTECEDENTES TEÓRICOS:

El osciloscopio es un instrumento cuya principal ventaja es la visualización de eventos o fenómenos eléctricos, a tal grado que es indispensable en muchas áreas de la Ingeniería, tanto en el trabajo cotidiano (mantenimiento preventivo y correctivo), como en la investigación y desarrollo; es tal su versatilidad como instrumento de medición, que es muy difícil precisar límites a sus aplicaciones.

Existen diversas formas para definir lo que es un osciloscopio; sin embargo, una de las más aceptadas es la siguiente:

"Osciloscopio es un instrumento capaz de presentar en una gráfica luminosa (tipo X,Y) dos diferencias de potencial, esto es, una en el eje X y otra en el eje Y ".

Es importante tener en cuenta que el osciloscopio solo presenta gráficas de voltaje y que las variables comúnmente medidas son: Voltaje, Tiempo y Corriente, de manera que para medir variables tales como: Velocidad, Presión, Temperatura, Fuerza, etc., es necesario emplear transductores adecuados que conviertan cualquier variable física en potencial eléctrico. Los elementos principales de un osciloscopio son los siguientes:

Tubo de rayos catódicos (TRC)

Es el elemento de salida del instrumento, dado que en su pantalla se presentan los trazos luminosos.

– AMPLIFICADOR VERTICAL.

La señal que se desea analizar se introduce por el canal vertical procesándola hasta llegar a las placas verticales. Esto produce el desplazamiento vertical del haz electrónico emitido por el cañón del TRC.

Para obtener el tamaño vertical adecuado en la pantalla esta sección cuenta con amplificadores y atenuadores que son controlados en forma externa para el usuario.

– AMPLIFICADOR HORIZONTAL.

Esta sección es la que provoca el desplazamiento horizontal del haz de electrones, es decir, barre a la pantalla de izquierda a derecha a una frecuencia seleccionada por medio de la perilla externa del generador base de tiempo. La señal de barrido se procesa hasta llegar a las placas horizontales como un DIENTE DE SIERRA aplicando con esto, incrementos iguales de voltaje a intervalos de tiempos iguales, condición necesaria para obtener desplazamientos iguales en tiempos iguales en la pantalla.

Material y equipo empleado

CANTIDAD DESCRIPCIÓN

1 Osciloscopio de doble trazo (con modo X,Y).

1 Generador de funciones.

1 Fuente de alimentación de C.D.

1 Tableta experimental.

1 Resistor de 470 O

1 Resistor de 2.2 KO

1 Resistor de 4.7 KO

1 Capacitor de 0.1 µF

2 Capacitores de 0.01 µF

1 C.I. LM 555

ATENCIÓN:

PARA LA REALIZACIÓN DE ESTA PRACTICA ES NECESARIO UTILIZAR EL MANUAL DE OPERACIÓN DEL OSCILOSCOPIO.

DESARROLLO EXPERIMENTAL.

2.1 MEDICIÓN DE DEFASAMIENTO POR LOS MÉTODOS DE MUESTREO Y LISSAJOUS.

2.1.1 Implemente el circuito de la figura 2.1. Seleccione una señal senoidal en el generador de funciones con una amplitud de 8 volts de pico a pico y una frecuencia de l00 Hz.

Figura 2.1.- Circuito experimental para medir el desfasamiento entre dos señales.

2.1.2 Aplique las dos señales al osciloscopio tal como se muestra. Seleccione el modo muestreado (CHOPPER) y coloque el control de la fuente de disparo (TRIGGER SOURCE) en el canal (CHX). Con ésto la señal de referencia será la introducida por el canal X.

2.1.3 Ajuste el factor de sensitividad vertical (VOLT/DIV) de ambos canales para obtener la misma amplitud.

2.1.4 Por medio del control de la base de tiempo (MAIN TIME/DIV) y su control de calibración referencia de tal forma que aparezca un ciclo completo en ocho divisiones horizontales. De esta manera la resolución de cada cuadro es de 45 grados.

Si es necesario use los controles respectivos (POSITION) para centrar las señales en la pantalla (figura 2.2)

2.1.5 Mida la distancia entre los puntos de cruce con el eje central horizontal de las dos señales. Usando la relación siguiente calcule la diferencia de fase:

DEFASAMIENTO = ( DISTANCIA HORIZONTAL )( 45()

Note que si es necesario, se puede mejorar la resolución disminuyendo la cantidad de grados por cuadro, sólo que se tiene la limitante de no poder cuantificar defasamientos muy grandes.

Figura 2.2.- Ejemplo de adelanto en fase F de una señal (CHY) con respecto a una señal de referencia (CHX).

Fig. 2.4.- Modo XY con F=100 Hz.

Fig. 2.3.- Modo mues-treado con F=100 Hz.

Fig. 2.6.- Modo XY con F=1000 Hz.

Fig. 2.5.- Modo mues-treado con F=1000 Hz.

Fig. 2.8.- Modo XY con F=10000 Hz.

Fig. 2.7.- Modo mues-treado con F=10000 Hz.

Obviamente la relación anterior debe ser modificada de acuerdo a la nueva resolución.

2.1.6 Repita el procedimiento anterior para las frecuencias especificadas en la tabla 2.1.

Anote los resultados calculados y dibuje las señales observadas en la gratícula respectivas de las figuras 2.3 a la 2.8. Recuerde reportar si la señal en el canal Y está adelantada o defasada con respecto a la referencia.

Lo anterior se obtiene trazando una línea vertical que una puntos particulares a ambas señales (figura 2.2) observando cual señal toma primero el valor más positivo dentro de sus pendientes positivas. Si la señal a analizar (CHY) es más positiva, significa que está adelantada con respecto a la señal de referencia. En caso contrario, la señal está atrasada.

Tabla 2.1.- Valores de defasamiento obtenidos en forma experimental para diversas frecuencias.

2.1.7 Cambie el osciloscopio al modo X-Y con el mismo circuito experimental de la figura 2.1. Obtenga las curvas de Lissajous. Dibuje las formas de onda resultantes de la gráfica respectiva de las figuras 2.3 a la 2.8 y calcule el defasamiento para las frecuencias especificadas en la tabla 2.1.

El método de Lissajous establece la expresión siguiente para determinar el ángulo de defasamiento entre dos señales:

F = Arc Sen ( A / B )

Donde A y B son los parámetros especificados en la forma de onda resultante. Si la pendiente es positiva el ángulo está entre 0 y 90 grados y si la pendiente es negativa el ángulo está entre 90 y 180 grados.

Figura 2.9.- Figuras de Lissajous para medir el defasamiento entre dos señales.

2.2 MEDICIÓN DE PARÁMETROS USANDO DOS CANALES

• Seleccione la operación del osciloscopio con dos canales oprimiendo el botón DUAL.

Fig. 2.10.- Circuito experimental de un oscilador.

2.2.2 Implemente el circuito de la figura 2.10. Observe que la fuente de alimentación debe fijarse en 12 volts. Es recomendable que las puntas las atenúe X 10 debido a que el "atenuador vertical" de los canales no es suficiente para las amplitudes de las señales. Con la acción anterior se evita tener trazos sobrepuestos en la pantalla.

2.2.3 Conecte la punta del osciloscopio del canal X en el pin 3 del C.I., así también coloque la punta del canal Y en el pin 7 del mismo circuito.

2.2.4 Seleccione el "factor de sensitividad" de los dos canales, de tal forma que obtenga los dos trazos completos en la pantalla. Asimismo, fije la base de tiempo en 10 µseg. Con esto aparecerán aproximadamente 3 períodos de señal en la pantalla. No olvide colocar las palancas "selectores de acoplamiento" en la posición AC, con lo cual las señales no presentarán montaje en DC.

2.2.5 Obtenga la estabilización, seleccionando como señal de sincronía el canal con el período más grande. Esto se logra colocando la palanca de "source" en la posición adecuada. En nuestro caso fije la del canal X.

• Dibuje las formas de onda obtenidas en la gratícula de la figura 2.11 y anote en la tabla 2.2 los datos solicitados.

Fig. 2.11.- Formas de onda del oscilador.

Tabla 2.2.- Datos obtenidos en el análisis del oscilador

2.2.7 Desconecte las dos puntas del osciloscopio y presione el botón DUAL nuevamente con esto sólo está seleccionando el uso del canal X, Coloque la punta del canal X en el pin 2 del C.I. y repita los pasos del punto 2.2.4 al 2.2.6.

2.3 MEDICIÓN DEL TIEMPO DE ESTABLECIMIENTO DE UNA SEÑAL.

2.3.1 Conecte el osciloscopio como en el punto 2.2.3, seleccione el canal X. Con esto el canal Y no aparecerá en la pantalla. Fije el control de la base de tiempo en 5 µseg / div para obtener 1 ó 2 períodos de la señal. En su pantalla obtendrá un trazo similar al mostrado en la figura 2.12.

Fig. 2.12.- Definición del tiempo de establecimiento de una señal.

2.3.2 Con el factor de sensitividad horizontal especificado determine el tiempo Ts de la señal en el osciloscopio. Anote su resultado en la tabla 2.3 (sin amplificador horizontal).

2.3.3 Para mejorar la resolución del instrumento algunos osciloscopios cuentan con un control que permite amplificar 5 ó 10 veces el trazo en forma horizontal.

Verifique si su osciloscopio cuenta con este aditamento. En caso afirmativo active el botón correspondiente y observe la amplificación.

Tabla 2.3- Lecturas experimentales del tiempo de establecimiento

2.3.4 Cuantifique de esta manera el tiempo Ts y anote el resultado en la tabla VIII recordando que:

Ts = ( No. de divisiones ) ( FSH ) / 10

2.4 OPERACIÓN CON BARRIDO RETARDADO.

2.4.1 Con la misma señal del punto anterior, coloque la base del tiempo en 10 µs / div. fije el control TRIGGER en la posición "barrido retardado". Cambie el control HORIZ DISPLAY al modo INT y el barrido de la base de tiempo aparecerá más intenso.

Disminuya la intensidad luminosa para una mejor percepción. Varíe la longitud de la porción intensificada por medio de la base de tiempo DELAY TIME BASE. Fije la posición de este control en 2 µs / div. Deberá obtener un trazo similar al mostrado en la figura 2.13.

Fig. 2.13.- Señal en el modo barrido retardado.

Fig. 2.14.- Señal al ampliar la resolución.

2.4.2 Recorra la porción intensificadora y escoja la porción de señal adecuada con la finalidad de medir el tiempo de establecimiento. La forma resultante será como la mostrada en la fig. 2.14.

Fig 2.15.- Definición gráfica del tiempo TF.

2.4.3 Obtenga en la pantalla la señal del canal Y. Repita el procedimiento descrito a partir del punto 2.4.1 y mida el tiempo TF especificado en la figura 2.15 de esta señal. Dibuje las señales en las gratículas de las figuras 2.16 y 2.17.

Fig. 2.17.- Señal TF al ampliar la base de T.

Fig. 2.16.- Señal para medir el tiempo TF.

Actividades complementarias

1.- Dibuje en gratículas las figuras de Lissajous correspondientes a dos señales con las siguientes relaciones de frecuencia:

a) ½ : 1

b) 1 : 1

c) 1 ½ : 1

d) 6 : 1

2.- Dibuje en gratículas las figuras de Lissajous que ilustren los siguientes defasamientos:

a) 0(

b) 180(

c) 90(

d) 45(

3.- Investigue las siguientes características del osciloscopio utilizado en la práctica:

a) Tipo de fósforo de la pantalla.

b) Ancho de banda.

c) Máximo voltaje de entrada pico a pico y C.D. + pico.

d) Sensitividad vertical y horizontal máxima.

e) Resolución máxima.

4.- Determine el valor de Rx del circuito y gratícula mostrado; para esto realice las conexiones teóricas e indique el modo de operación.

Autor:

Pablo Turmero