osciloscopio

Laboratorio II de Física CAPÍTULO 1 EL OSCILOSCOPIO

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CAPÍTULO 1 “EL OSCILOSCOPIO”

Marco Teórico

El Osciloscopio es un Voltímetro muy sofisticado ya que permite ver el voltaje

en función del tiempo. En su forma más simple consta de un tubo al vacío, donde se

produce un haz de rayos catódicos ( electrones ), que son enfocados en una pantalla

luminiscente. En la Figura 1.1 vemos que el voltaje aplicado en la entrada del

osciloscopio está conectado con un par de placas de deflexión vertical que desvían el

haz de electrones hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de la polaridad (positiva o

negativa) del voltaje de entrada.

El osciloscopio sencillo representado en la Figura 1.1 solo permite mover el

punto hacia arriba o hacia abajo. Para poder ver representado en la pantalla el

voltaje en función del tiempo, el osciloscopio cuenta con otro par de placas de

deflexión horizontal a las cuales le aplica internamente un voltaje que varía

linealmente con el tiempo, como indica la Figura 1.2. Dicho voltaje permite que el

VENTRADA(t) Control

del cañón

Figura 1.1. Tubo de Rayos Catódicos. El Voltaje en la entrada se aplica a las placas de deflexión vertical, haciendo desviar el haz de electrones hacia arriba. El Control del cañón genera y enfoca el haz.

Punto brillante

en la Pantalla


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punto brillante “barra” la pantalla de izquierda a derecha y por eso se le conoce

como el barrido del osciloscopio, o como la base de tiempo del osciloscopio.

Combinando los dos voltajes –

VENTRADA y VBARRIDO – se produce en la

pantalla un dibujo de VENTRADA en

función del tiempo, llamado la traza

del osciloscopio. Al llegar el punto al

extremo derecho de la pantalla, el

circuito del barrido lo regresa

nuevamente a su posición inicial y

empieza un nuevo ciclo de barrido,

es decir, se repite constantemente la

señal de barrido, formándose así la

llamada señal de Diente de Sierra.

El control del cañón suprime el haz durante el tiempo de regreso para que el

punto no deje una traza sobre la pantalla mientras se regresa.

En relación con la Figura 1.2, el tiempo t1 que dura un ciclo de barrido puede

ajustarse externamente con el botón de control de la base de tiempo. Actualmente

nuestro laboratorio cuenta con osciloscopios modelo HM407 Hameg y en la Figura

1.4 se presenta el panel frontal del osciloscopio. En esta Figura el control de la base

de tiempo se indica con el número 28.

Los valores de la base de tiempo están calibrados desde 100 segundos por

división horizontal (centímetro) hasta 50 ns/div.

Cuando el indicador de base de tiempo variable – VAR – está prendido (al usar

el botón número 30 del panel frontal), la base de tiempo no está calibrada y el botón

número 28 sirve ahora para cambiar el período del barrido continuamente.

Si la señal de entrada es periódica, cada vez que arranque el barrido se verá

en la pantalla una parte de ella. Si el periodo del barrido es un múltiplo entero del

VBARRIDO

tt1

Figura 1.2. Barrido lineal con el tiempo. Al llegar a t1 el punto alcanza el extremo derecho de la pantalla


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periodo de la señal de entrada, cada ciclo del barrido presentará de la misma manera

a la señal de entrada. Como generalmente éste no es el caso, cada barrido dejará

una señal diferente sobre la pantalla, lo cual, para señales más rápidas que el tiempo

de retención visual del ojo, provocará una superposición de señales en la pantalla

que la manchará toda y no permitirá distinguir ninguna señal.

Para evitar esta situación el osciloscopio cuenta con un circuito que “dispara”

el barrido (Trigger) solamente cuando la señal periódica de la entrada llega al mismo

valor de voltaje con que se disparó la primera vez.

Este Nivel de Trigger se puede ajustar externamente mediante el botón

identificado en el panel frontal con el número 17.

También es posible disparar el barrido cuando la señal de entrada cruza el

Nivel de Trigger hacia arriba o hacia abajo, lo cual se escoge con el botón número

15.

Si la señal de entrada no tiene suficiente amplitud para alcanzar el Nivel de

Trigger, el barrido no se disparará y no se verá ninguna señal en la pantalla. La

posición de disparo automático del botón 15 evita este problema.

Antes de llegar a las placas de deflexión vertical la señal de entrada pasa por

un amplificador/atenuador de ganancia ajustable, lo cual permite usar el osciloscopio

con valores calibrados en el eje vertical, desde 1 mV/div hasta 20 V/div. Dichos

valores se escogen usando el botón 20. El botón 21 descalibra el eje vertical del

osciloscopio, permitiendo que la ganancia del amplificador varíe continuamente.

Para reducir los errores de apreciación se debe utilizar la mayor amplificación

posible.

Adicionalmente nuestro osciloscopio tiene la posibilidad de ver dos señales al

mismo tiempo (dos canales) y por ello los botones 20 y 21 aparecen repetidos como

24 y 25 respectivamente.

El botón 22 sirve para ver uno solo o los dos canales. También sirve para que

la entrada del segundo canal reemplace a la base de tiempo, superponiéndose las

dos señales en la pantalla. Esta configuración se conoce como X-Y.


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Al tener dos canales, el disparo del barrido se puede hacer con uno cualquiera

de ambos canales. Para escogerlo se usa el botón 23.

El osciloscopio cuenta también con un circuito que genera una señal cuadrada

de amplitud y frecuencia conocidas, que sirven para verificar que las calibraciones

verticales y horizontales estén bien. Esta señal de calibración se encuentra

identificada con el número 44.

Otros botones del osciloscopio, con funciones más o menos evidentes se

presentan a continuación en forma de tabla:


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Número Descripción

1 Encender/Apagar el Equipo

4 Variar la Intensidad de la traza o de las letras en la Pantalla

6 Enfocar la imagen

13 y 14 Modificar la posición vertical de los canales I y II

15 Pendiente del Trigger / Trigger automático

17 Nivel de Disparo (Trigger)

18 Modificar la posición horizontal

19 Multiplicar por 10 el barrido

20 Control de ganancia vertical Canal I

21 Ganancia vertical variable / fija Canal I

22 Un canal / Dos canales / XY

23 Trigger con el canal I / canal II

24 Control de ganancia vertical Canal II

25 Ganancia vertical variable / fija Canal II

28 Control del Barrido

30 Base de tiempo del barrido variable / calibrada

31 y 35 Conectores para las señales de entrada

32 y 36 Suprimen la componente DC en el canal o la dejan pasar

33 y 37 Cortan la señal de entrada

44 Señal de calibración


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Los comandos del panel frontal que aparecen subrayados con una raya gruesa

indican que se activan cuando el botón se deja presionado un tiempo.

Los comandos que aparecen entre dos botones subrayados con dos rayas

indican que para activarse se deben presionar ambos botones al mismo tiempo.

Los valores actuales de la base de tiempo y del amplificador vertical que se

están usando en el osciloscopio, aparecen presentados en la misma pantalla, según

se ve en el panel frontal de la Figura 1.4.

Fuentes de Alto y Bajo Voltaje

Control del

cañón

Calibración

Selector X-Y ó Base de

Tiempo/CH 1

Disparador de la Base de Tiempo

Generador de la Base de Tiempo

Amplificador Vertical

AC

DC G

Selectores AC/ DC/ G

Entrada CH 1

Amplificador Vertical

AC

DC G

Selectores AC/ DC/ G

Entrada CH 2

Figura 1.3. Diagrama en bloques del Osciloscopio.


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Figura 1.4. Panel Frontal del Osciloscopio


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Para una señal en el osciloscopio, se define su valor pico como el voltaje

desde la línea cero hasta el máximo de la señal. La calibración del eje vertical

permite medir el voltaje a partir del número de divisiones.

El valor pico-pico se define como el voltaje desde el mínimo de la señal

hasta su máximo. Si la señal es simétrica, el valor pico-pico es el doble del valor

pico.

Similarmente la calibración del eje horizontal permite medir divisiones en la

pantalla y transformarlos en tiempos. De esta manera, para señales periódicas,

podemos medir fases y períodos y calcular su frecuencia.

El promedio de una señal f(t), periódica, de período T se define como:

. t d )t( fT1

fT

0∫=

Su valor RMS es:

. t d )t( fT1

fT

0

2RMS ∫=

Organizadores Previos.

De todos los instrumentos técnicos que se utilizan en electricidad y

electrónica, el Osciloscopio es, por mucho, el instrumento mas versátil y de mayor

uso. Es decir, el Osciloscopio es el instrumento electrónico por antonomasia. Sus

aplicaciones abarcan muchos otros campos, como por ejemplo en instrumentos

médicos, aeronáuticos, químicos, paleontológicos, así como también el tubo de

rayos catódicos del osciloscopio es la base de operación de monitores de

computadoras y televisores. Las nuevas pantallas planas están desplazando al tubo

de rayos catódicos en los nuevos osciloscopios.

Pre-Laboratorio

Estudie en el Anexo como construir Mapas Conceptuales / Mentales.


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Elabore un Mapa Conceptual de los temas tratados en esta práctica para

ser evaluado como parte del quiz inicial.

Elabore un Mapa Mental del procedimiento experimental de esta

práctica para ser evaluado como parte del quiz inicial.

¿Qué es el Barrido de un Osciloscopio?

¿Qué es el Trigger de un Osciloscopio?

¿Qué es el Amplificador Vertical de un Osciloscopio?

¿Qué es la salida de Calibración de un Osciloscopio?

¿Qué son el Valor pico y Valor pico-pico de un voltaje periódico?

Calcule el promedio temporal de los siguientes voltajes:

V0 cos (ωt)

Una onda cuadrada de frecuencia f que oscila entre – A y +A.

Una onda cuadrada de frecuencia f que oscila entre cero y +A.

Calcule el valor RMS de los mismos tres voltajes anteriores.

¿Cómo medirá la frecuencia de una señal?

¿Cómo medirá el Valor pico de una señal?

¿Cómo ajustará los selectores de la entrada para medir el voltaje DC de

la batería?


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Procedimiento Experimental

Sección:

Fecha:

Integrantes:

Objetivo: Identificar los componentes de un osciloscopio.

Medir amplitudes, períodos y frecuencias con el osciloscopio..

Actividad Nº 1. Foro Dirigido. Utilice los quince primeros minutos de la práctica para efectuar un foro con

sus compañeros relacionado con las actividades a ejecutar en la práctica. Al

finalizar el foro las intervenciones serán evaluadas por el profesor (40%) y

coevaluadas por el grupo (40%), el 20% restante del quiz será la nota de los

mapas conceptual y mental. No se permitirá el acceso al foro una vez empezado el

mismo. Los alumnos que no participen del foro no tendrán nota en el quiz.

Actividad Nº 2. Uso de la Señal de Calibración. Encienda el Osciloscopio y usando los controles del mismo obtenga una

línea horizontal en la pantalla.

Usando la punta de prueba en el canal 1 ( CH 1 ) despliegue la señal de

calibración que produce el mismo osciloscopio.


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¿Por qué no es necesario conectar la tierra de la punta del Osciloscopio para

ver la señal de calibración?

Ajuste los controles de Amplitud, Tiempo y Disparo ( Trigger ) para obtener

la máxima señal cuadrada tal que en la pantalla quepa un ciclo completo. Verifique

que los controles de Amplitud y Tiempo se encuentran en la posición Calibrados.

Dibuje la Señal:

X

[divisiones]

Y [divisiones]


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Mida la Amplitud pico-pico, Vpp, de la señal:

Mida la frecuencia de la señal:

Actividad Nº 3. Medición de una Señal Continua. Mida con el Osciloscopio el Voltaje producido por una batería.

Verifique que el Osciloscopio no esté midiendo solo voltajes alternos.

Verifique que el control de ganancia vertical del osciloscopio (Amplitud) no

esta fuera de rango.


23

Dibuje la señal:

Calcule el Voltaje de la batería:

Mida el Voltaje con un Voltímetro y compare y comente los resultados:

X

[divisiones]

Y [divisiones]


24

Actividad Nº 4. Medición de una Señal Alterna. Mida con el Osciloscopio el Voltaje producido por un generador sinusoidal.

Use una frecuencia menor pero cercana a 1000 Hz.

Verifique que el Osciloscopio esta midiendo solo voltajes alternos.

Ajuste los controles de Amplitud, Tiempo y Disparo ( Trigger ) para obtener

la máxima señal tal que en la pantalla quepa solo un poco más de un ciclo

completo. Dibuje la señal:

Calcule el Voltaje pico-pico y su frecuencia:

X [divisiones]

Y [divisiones]


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Calcule el valor eficaz de la señal VRMS:

Mida el Voltaje con un Voltímetro y compare los resultados:

Actividad Nº 5. Comparación de frecuencias usando curvas de Lissajous.

Conecte dos generadores sinusoidales de diferente frecuencia a los canales

X y Y del osciloscopio, como indica la siguiente figura:

Generador 1 Osciloscopio

X Y

Generador 2


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La combinación de un movimiento sinusoidal de la traza del osciloscopio en el eje

X con otro movimiento sinusoidal en el eje Y, produce un lazo conocido como

figura de Lissajous. En la siguiente figura se representan los casos en que la señal

de un eje oscila dos veces más rápido que la del otro:

Cuando la relación entre las frecuencias no es un número entero, la señal

no se estabiliza en el osciloscopio.

Fije la frecuencia del eje X en 100 Hz y varíe la otra hasta obtener varios

múltiplos y submúltiplos de 100 Hz.

Complete la siguiente Tabla:

A: La señal en Y oscila dos veces más rápido que la de X.

B: La señal en X oscila dos veces más rápido que la de Y.


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Frecuencia Variable

fy [Hz] Figura de Lissajous Relación fx/fy


28

Haga las conclusiones finales de la práctica:


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Cierre Cognitivo

Elabore una lista de los conceptos y/o palabras claves más importantes de

la práctica:

Indique como cree que puede mejorarse el texto, los experimentos, la

evaluación o cualquier otro aspecto relacionado con el aprendizaje de la práctica

(opcional):


30

osciloscopio

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