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PRÁCTICAN° 2

INSTRODUCCIÓN AL OSCILOSCOPIO DE RAYOS CATÓDICOS

1. OBJETIVO:

Familiarizar al estudiante con el manejo del osciloscopio y algunas de sus aplicaciones,

como son: Medidas de voltaje AC y DC, medidas de frecuencia y desfasaje entre dos señales.

2. EQUIPO Y MATERIAL NACESARIO:

Osciloscopio de dos canales. Fuente de alimentación DC.

Generador de señales. Circuito RC para producir desfasajes.

Oscilador de Audio Cables para conexiones.

3. FUNDAMENTOS TEÓRICOS:

En esta parte escribiremos algo sobre las señales sinusoidales.

3.1. SEÑALES SINUSOIDALES: Estas señales se llaman de esta manera porque siguen

la misma forma de variación que la función seno.

3.1.1. FRECUENCIA, AMPLITUD Y FASE: La forma de onda alterna más

sencilla es la onda sinusoidal de tensión o de intensidad, la cual varía sinusoidalmente

con el tiempo. Se genera una forma de onda sinusoidal haciendo variar la componente

vertical de un vector que gire en sentido contrario al de las agujas de un reloj con

velocidad angular constante ω, tal como se indica en la figura 1. A una revolución

completa se le da el nombre de ciclo y el intervalo de tiempo que se invierte en un ciclo

UNIVERSIDAD DEL ZULIA - Facultad de Ingeniería - Escuela de Ingeniería Eléctrica - Departamento de Física - Física II.

recibe el nombre de período T. El número de ciclos por segundo es la frecuencia f y

por lo tanto:

(1)

Fig. 1: Generación de una onda sinusoidal por la componente vertical de un

vector giratorio.

El ámbito de las frecuencias que se encuentran en los circuitos electrónicos es muy

amplio, yendo desde el dominio infrasonoro de pocos ciclos por segundo (cps),

pasando por el dominio de frecuencias del orden del kilociclo (103 cps) y del megaciclo

(106 cps) hasta el del gigaciclo (109 cps).

Como a una revolución completa corresponden 2π radianes y se invierten en ella T

segundos,

(2)

Si es Vp la longitud del vector, el valor instantáneo en un instante cualquiera t es:

(3)


T

Vp

0 /2 3/2 2 ωt

El valor Vp es la amplitud o valor de pico de la onda sinusoidal.

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 los dos

vectores giratorios se le llama ángulo de diferencia de fase. En la figura 2 la tensión v2

está adelantada respecto a la tensión sinusoidal v1 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. Una onda

Fig 2. Ángulo de diferencia de fase entre dos tensiones sinusoidales.

sinusoidal de tensión viene descrita por completo por su frecuencia y amplitud, a

menos que se la compare con otra señal de la misma frecuencia. En este caso, la

ecuación más general de la tensión deberá contener el ángulo de diferencia de fase:

(4)

Obsérvese que se emplean minúsculas para designar tensiones (e intensidades)

variables con el tiempo, mientras que las mayúsculas se emplearán para hacer

referencia a valores constantes o a cantidades DC.


v

v2 v1

v2

v1 t

3.1.2. VALOR EFICAZ: Es frecuentemente necesario comparar la intensidad de una

corriente sinusoidal con la de una DC. Ello se logra comparando el efecto Joule que

originan una y otra vez en una misma resistencia. Es decir, el valor eficaz de la

intensidad de una corriente sinusoidal es igual al de la de una corriente continua que

produzca el mismo efecto Joule que la corriente alterna. Para determinar este valor,

calcularemos el efecto Joule de una corriente alterna promediando las pérdidas en

forma de calor para un ciclo completo. Por tanto, la potencia media estará dada por:

(5)

La integral de sen2ωt es una forma clásica que figura en las tablas de integrales, con lo

cual:

(6)

Como el efecto Joule originado en una resistencia por una corriente continua es igual a I2R,

el valor eficaz Ie de una corriente alterna, también llamado intensidad eficaz, es:

(7)

o sea; (8)


Según la ecuación (8) el valor eficaz de una onda sinusoidal no es más que su valor de pico

dividido por la raíz cuadrada de dos. Los voltímetros y amperímetros capaces de medir

señales de AC, están calibrados casi siempre en función de los valores eficaces con el fin

de facilitar la comparación de sus lecturas con las de instrumentos de medida DC. Se

entiende, en general, que las tensiones e intensidades de AC, están caracterizadas por sus

valores eficaces, a menos que se especifique otra cosa.

Similarmente para el voltaje se cumple:

(9)

4. DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE LOS APARATOS:

En esta parte describiremos el osciloscopio y su funcionamiento básico. El oscilador de

audio y el generador de señales.

4.1. EL OSCILOSCOPIO: Es osciloscopio de rayos catódicos es, hoy día, uno de los

instrumentos de medida y observación más versátiles usados en los diversos campos de la

investigación y de las aplicaciones técno-científicas. El osciloscopio es un aparato que se

utiliza para observar formas de ondas complejas. Con él se pueden realmente “ver” las

formas de ondas de tensión, al chocar los electrones sobre una pantalla fluorescente. En

principio, el osciloscopio puede ser comparado con un voltímetro convencional, en el que

se ha sustituido el sistema mecánico de registro por un haz de electrones, que debido a la

pequeña inercia de estos, pueden seguir instantáneamente cualquier variación de tensión.

Es de hacer notar que con el osciloscopio podemos realizar la medición de cualquier

variable valiéndonos de un transductor para transformar dichas variables en señales

eléctricas.


4.1.1. DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DEL OSCILOSCOPIO

HP1220A:

Este es el tipo de osciloscopio que utilizaremos con mayor frecuencia en nuestro

laboratorio, la descripción la haremos haciendo referencia a la Fig. 3. Dividiremos el

osciloscopio en tres secciones: Sección del tubo de rayos catódicos, sección horizontal

y sección vertical.

4.1.1.1. EL TUBO DE RAYOS CATÓDICOS (TRC):

Es el corazón del osciloscopio, en el que se gobierna la dirección de un

estrecho haz de electrones para “dibujar” la forma de una onda sobre una pantalla

fluorescente. El tubo en cuestión es una ampolla de vidrio en forma de embudo al

cual se le ha hecho el vacío y dentro de ella se han colocado diversos elementos,

como se muestra en la Fig. 4.


Fig. 4

El extremo más ancho de la ampolla está recubierto por una delgada capa

de sustancia fluorescente (sulfuro de zinc) y constituye la pantalla. En la parte

estrecha del tubo está alojado el cañón de electrones, el cual dirige un “Rayo” de

electrones rápidos (Haz de electrones), de aproximadamente la misma velocidad,

a lo largo del tubo. El cañón está compuesto por los siguientes electrodos:

El cátodo (K), calentado indirectamente por el filamento (F), emite los

electrones (emisión termoiónica). La rejilla (G), que se mantiene a un potencial

negativo respecto al cátodo, regula la intensidad del haz electrónico y por

consiguiente la luminosidad o brillo de la imagen luminosa sobre la pantalla

(botón 2 de la Fig. 3). El primer Ánodo (A1), que se mantiene a un potencial

positivo respecto al cátodo, regula la concentración del haz sobre la pantalla. El

segundo ánodo (A2), que acelera los electrones.

El sistema rejilla-ánodo forma una “Lente electrostática convergente”

comparable a una lente óptica, que enfoca el haz sobre la pantalla (botón 3 de la

Fig. 2).


Si el haz no es desviado en su marcha hacia la pantalla, golpeará a ésta en

su centro y una pequeña mancha luminosa (punto luminoso) aparecerá en ella. La

dirección del haz y por consiguiente, la posición del punto luminoso, puede ser

gobernada haciéndolo pasar a través de dos pares de placas situadas entre el

cañón y la pantalla. Estas placas son denominadas placas de desviación

horizontal (botón 5) y de desviación vertical (botón 23), ya que al aplicarles una

diferencia de potencial, los campos creados en cada par de placas actúan sobre

los electrones que forman el haz, desviándolos en sentido horizontal y vertical,

respectivamente. Los botones (5) y (23) están referidos en la Fig. 3.

4.1.1.2. SECCIÓN HORIZONTAL:

Esta sección está representada por los botones (9), (10), (11), (12), (13),

(14), (15), el conector de entrada (22) y las perillas (8), (6), (7), y (5), de la Fig.3.

4.1.1.2.1. BASE DE TIEMPO:

Supongamos que aplicamos una señal sinusoidal entre las placas de

desviación vertical (Placas Y). El punto luminoso se moverá rápidamente

hacia arriba y hacia abajo, sobre una recta vertical. A la mayoría de las

frecuencias usuales, el punto luminoso se mueve con demasiada rapidez

para se seguido por la vista, a causa de la persistencia en la emisión de luz

en la pantalla y sólo apreciaremos un trazo vertical continuo, si queremos

desplazar, simultáneamente a velocidad constante, el punto luminoso en

el sentido horizontal para ello conectamos las placas de desviación

horizontal (Placas X) a una fuente que nos proporcione una tensión que

aumente, gradual y uniformemente, desde cero hasta un cierto valor

máximo, para luego descender rápidamente a cero, como se muestra en la


Fig. 5, de modo que el punto luminoso se desplace horizontalmente, a

velocidad constante y regrese repentinamente a su punto de partida. El

circuito que suministra esta tensión en diente de sierra está incorporado al

osciloscopio y se llama circuito de barrido, proporcionándonos una base

de tiempo en el eje horizontal.

Observando la Fig. 6, podemos comprender como “dibuja” el

osciloscopio una forma de onda sinusoidal aplicada a las placas de

desviación vertical. Si ambas tensiones (en X y en Y) parten de cero en el

mismo instante, el punto luminoso se mueve uniformemente hacia la

derecha, mientras que el movimiento vertical depende de la tensión

aplicada.

El resultado de componer estos dos movimientos es que el punto

luminoso traza sobre la pantalla un gráfico de la tensión en función del

tiempo.

Para “fijar” o inmovilizar una onda en la pantalla del osciloscopio, es

necesario que la frecuencia de barrido sea igual o un submúltiplo de la

frecuencia de la señal a inmovilizar.

Para que aparezcan en la pantalla dos o tres ciclos, las frecuencias

aplicadas al vertical deben ser el doble o el triple respectivamente de las

frecuencias de la base de tiempo. Así, si la frecuencia aplicada al vertical


Tiempo

x

es de 1500 Hertz (Hz) y la frecuencia de la base de tiempo de 500 Hz,

aparecerán en la pantalla 3 ciclos.

La base de tiempo (perillas 6 y 7 de la Fig. 3) controla la longitud

horizontal (duración) de la imagen presentada en la pantalla, mientras que

la sección vertical controla su amplitud. La base de tiempo determina la

escala horizontal en segundos/división.

La escala de la base de tiempo está calibrada con una tolerancia de 4%,

con rangos que van desde 0,1 μs/div (micro-segundos/división) hasta 0,5

s/div pasando por mseg/div (milisegundos/división) en pasos de 1, 2, 5.

Fig. 6.

Sobre la escala de base de tiempo va un control variable o nonio (botón 7

de la Fig. 3) cuya finalidad es la de permitir el uso continuo de la escala

horizontal y no por pasos. Cuando el nonio está girando al máximo en el

sentido contrario al giro de las agujas de reloj (el nonio tiene una flecha

que indica el giro) la escala de la base de tiempo está calibrada. La figura

7, indica la base de tiempo con su respectivo nonio.

Fig. 7.


4.1.1.2.2. CIRCUITO DE DISPARO:

Cuando al final de cada ciclo se anula la tensión en diente de sierra, el

punto luminoso vuelve repentinamente al punto de partida y la misma

gráfica se trazará en los ciclos subsiguientes. Para obtener una imagen fija

sobre la pantalla es necesario que la frecuencia de la señal aplicada al

vertical sea un múltiplo (entero) de la frecuencia de barrido, ya que de

otro modo el punto luminoso no trazaría siempre el mismo camino y la

imagen deslizaría o saltaría. Por tanto la tensión de barrido debe

sincronizarse con la señal aplicada a las placas verticales mediante el

circuito de disparo.

EL disparo (Trigger) es la función que permite la creación de imágenes

estables en la pantalla debido a la superposición adecuada de las muestras

de la señal, esto se obtiene por la propia determinación del instante en que

comienza la muestra de tiempo. Si el punto de disparo de cada muestra de

una señal periódica es exactamente el mismo, todas ellas estarán

exactamente superpuestas, dando una imagen estable de la señal. Si el

punto de disparo no es el mismo para todas las muestras, la superposición

de las mismas no coincide y la imagen es una mezcla de trazas (imagen

inestable) La figura 8, ilustra un ejemplo de una imagen estable y la Fig.

9, ilustra el caso inestable de la misma señal.

Fig. 8.


Fig. 9.

La señal elegida como fuente de disparo (trigger source) deberá ser una

función temporal de la señal presentada en pantalla. La fuente de disparo

puede ser la misma señal, la señal de red eléctrica de alimentación o una

señal externa. Los botones marcados con los números (9), (10) y (11) en

la Fig. 3 (trigger source) permiten seleccionar el tipo de señal de disparo.

Las fuentes típicas son: INT (interna) (9) El disparo es obtenido de la

señal presentada. Linea (line) (10) El disparo es obtenido de una muestra

de voltaje de corriente alterna que alimenta el osciloscopio. Esta fuente de

disparo es muy útil cuando se observa el funcionamiento de circuitos de

fuente de poder (fuentes de alimentación), porque no se necesita un cable

de conexión adicional entre el osciloscopio y el circuito analizado.

Externo (EXT) (11) y externo ÷10 (15) en estas posiciones el disparo es

obtenido de una fuente de señal externa. La posición externo ÷ 10 (botón

(15)) provee una atenuación de diez veces para señales externas elevadas.

La señal de disparo externo debe introducirse en la pantalla horizontal

(terminal 22), X-Y (no es exactamente una función de disparo). Este

botón (14) (hacia adentro) permite obtener la representación de un

fenómeno en el plano X-Y. Para lograr este efecto la señal horizontal (x)

debe ser conectada al terminal de entrada vertical (y) marcado con el


número (18), bien que utilicemos el canal A o el canal B. Esto permite

hacer comparaciones de las frecuencias de dos señales usando las figuras

de Lissajous, como veremos más adelante.

Una vez que la fuente de disparo ha sido seleccionada, lo que queda es

definir el punto de la señal en que comienza la muestra. Este punto de

disparo está determinado por la amplitud o nivel (perilla 8) y la pendiente

(positiva o negativa) de la señal observada, el usuario puede elegir que la

imagen de la misma comience en la parte creciente o decreciente de la

misma utilizando el botón (13). El signo (+) indica disparo en la parte

creciente y el signo (-) indica disparo en la parte decreciente (botón hacia

adentro).

El control de nivel de disparo (perilla 8) selecciona la amplitud del punto

de la señal en que comienza la muestra. La Fig. 10 indica la selección del

punto de disparo. Es de hacer notar que el control de nivel de disparo

trabaja en modo automático en la mitad del recorrido del potenciómetro

(8) (auto).

Fig. 10.

El botón (12) determina la naturaleza del disparo, hacia fuera opera en

modo normal y hacia adentro (TV) el circuito separador de sincronismo

TV es habilitado y el osciloscopio dispara sobre un cuadro de 100 μs ó 50

μs, sincronizando la señal de video aplicada al canal A o B.

El potenciómetro (5) completa el último elemento de la sección

horizontal, el objetivo de este potenciómetro es el de mover el haz forma

horizontal.


4.1.1.3. SECCIÓN VERTICAL:

El osciloscopio en cuestión tiene dos canales verticales denominados (A)

y (B). La escogencia de los mismos se lleva a cabo con los botones (21).

Explicaremos uno de los canales, el (B). Cualquier fenómeno variable que pueda

ser convertido a voltaje, puede ser medido con un osciloscopio. El voltaje

desconocido deberá conectarse a la sección vertical del mismo usando el conector

de entrada (input) (18), ésta es la entrada usual del aparato. La impedancia de

entrada del osciloscopio detallado es de 10 MΩ con un voltaje máximo de

entrada de 400 V p.p. y una tolerancia del 3%.

4.1.1.3.1. ACOPLAMIENTO DE ENTRADA (INPUT COUPLING):

Los botones de control de acoplamiento de entrada (16) y (17) determinan

la forma como la señal de entrada es conectada a la sección vertical del

osciloscopio. Estos botones tienen 3 posiciones: Tierra (botón (17)), corriente

continua (DC) (botón (16) adentro) y corriente alterna (AC) (botón (16) afuera).

Cuando está pulsado el botón GND (17) la señal de entrada está conectada a

tierra (generalmente el chasis del osciloscopio). Dado que todas las señales de

entrada se miden con respecto a la tierra del osciloscopio ésta posición es muy

conveniente para poder establecer un nivel de referencia de cero voltios en la

pantalla del tubo de rayos catódicos. Con el botón (GND) (17) pulsado aparece

un trazo en la pantalla, estando activada la base de tiempo. Cuando

seleccionamos AC (botón (16) afuera), estando GND fuera, la señal de entrada

está conectada por medio de un capacitor a la sección vertical. Dicho capacitor

tiene la misión de impedir que los voltajes de corriente continua pasen a la

sección vertical y permitir que los voltajes de corriente alterna pasen


directamente. Esta forma de acoplamiento es muy práctica cuando se desea medir

señales de amplitud baja con una componente de corriente continua elevada, pues

de lo contrario, la imagen sería desviada fuera de la pantalla. Cuando

seleccionamos DC (botón (16) adentro), las señales conectadas a la entrada están

directamente aplicadas a la sección vertical. En la Fig. 11 se ilustra la imagen de

una señal compuesta de una componente continua y una alterna. La componente

continua hace que la imagen de la señal esté desplazada con respecto al nivel de

referencia (tierra). Con el control de acoplamiento DC la señal aparece en la

pantalla como es en realidad. Con el control de acoplamiento AC únicamente la

componente variable de la señal aparece en pantalla.

Fig. 11

4.1.1.3.2. AMPLIFICADOR VERTICAL (VOLT/DIV)

(PERILLAS (19) Y (20)):

El amplificador vertical varía la sensitividad de la sección vertical

permitiendo que señales del rango de algunos milivoltios hasta varios de


cientos de voltios puedan ser presentadas en pantalla. Las escalas del

control indican la sensitividad vertical en voltios (o fracciones de voltios)

por división vertical de la gratícula en la pantalla del tubo de rayos

catódicos. El rango del amplificador va desde 2 mV/div (2

milivoltios/división) hasta 10 V/div, en pasos de 1,2,5. Sobre la escala del

amplificador vertical va un ajuste fino o nonio (perilla 20) que permite

ajustar en forma descalibrada, la sensibilidad de la sección vertical. La

escala obtenida con este nonio es completamente arbitraria y puede

ajustarse conforme a la medida efectuada. Típicamente este nonio permite

el ajuste continuo del voltaje entre escalas sucesivas de amplificador

vertical. Para que la escala quede equilibrada, el nonio debe girarse al

máximo en el sentido de giro de las agujas del reloj. La Fig. 12, muestra

las escalas del amplificador vertical junto con su nonio y la flecha

indicando el sentido de giro para obtener la posición de calibración.

Fig. 12

Dependiendo de la escala utilizada en el amplificador vertical

obtendremos la altura de la image. En la Fig. 13 se observan 3 señales: la

primera (1 Voltio/div) poco amplificada, la segunda (0,5 Voltios/div)

correctamente amplificada y la tercera (0,2 Voltios/div) demasiado

amplificada, tal que la imagen sale de la pantalla.

Fig. 13


Los últimos controles de la sección vertical son el de desplazamiento

vertical del trazo (23) y el punto de ajuste de prueba (24), el cual se utiliza

para compensar las puntas de prueba del osciloscopio para evitar

distorsiones en la señal bajo observación. Esta compensación se hace

generalmente para puntas atenuadoras. Una punta atenuadora típica es la

X 10, la cual atenúa o divide la señal de entrada entre 10.

4.1.2. ESQUEMA EN BLOQUES DE UN OSCILOSCOPIO:

El siguiente esquema ejemplifica en forma simplificada el funcionamiento de un

osciloscopio.

Fig.14

La señal a observar es aplicada a la entrada vertical y pasa por el atenuador que

está representado por las puntas de prueba (cuando la señal es muy grande), luego pasa


por el amplificador vertical (cuando la señal es pequeña) y es aplicada a las placas de

desviación vertical (P.D. vert). Cuando el selector de sincronismo (1) está en “interno”

y el interruptor (2) en barrido, el generador en barrido genera una señal en diente de

sierra para producir la base de tiempo y poder representar la onda o señal aplicada al

vertical (como se explicó anteriormente). El circuito de sinc. Sincroniza la señal para

producir una onda estable. Cuando el interruptor (2) se pone en exterior observe que la

base de tiempo deja de funcionar y las placas horizontales quedan conectadas al

conector de entrada X, donde se debe aplicar la señal del eje X, cuando queremos

obtener una representación en el plano X-Y. Esta señal X pasa previamente por un

atenuador (para señales grandes) o un amplificador para señales débiles. Por último

mencionaremos los suministros de alta tensión para el tubo de rayos catódicos y de

baja tensión para el resto de los circuitos asociados.

4.1.3. ALGUNAS APLICACIONES DEL OSCILOSCOPIO:

Dentro de las muchas aplicaciones del osciloscopio describiremos las más

comunes.

4.1.3.1. MEDICIÓN DE VOLTAJE:

Al hacer mediciones de voltaje tomemos las precauciones siguientes:

a) Antes de conectar la señal de entrada vertical a cualquiera de los

canales del osciloscopio, coloque el control de voltios/cm en la escala

más alta (10 V/cm), luego se va reduciendo la escala hasta que la

señal ocupe el máximo de la pantalla.

Para el botón de fuente de disparo interno (9) e introduzca la señal a

cualquiera de los canales verticales (18).


b) El control de calibración (CAL) se debe girar al máximo el sentido

que indica la flecha, de lo contrario la escala seleccionada no sería

verdadera (menor que la indicada).

4.1.3.1.1. MEDICIÓN DE VOLTAJE DC (CORRIENTE DIRECTA):

Procederemos de la manera siguiente:

a) Antes de conectar la señal coloque los botones GND (17) y DC (16)

en la posición interior (botón adentro), luego con la perilla de posición

vertical (23) desplace el trazo hasta la línea horizontal inferior como

se muestra en la Fig. 15 (a).

Nota: Mantener el botón (9) pulsado para el disparador interno.

b) Una vez conectada la señal a la entrada vertical (A ó B), coloque el

botón GND (17) en la posición exterior (botón afuera) y la señal

experimentará una desviación en sentido vertical.

El voltaje DC medido será:

VDC = Desviac.vertical * Escala (10)

(cm) (Voltios/cm)


Fig.15

En el ejemplo de la figura anterior la escala del amplificador está en 0,5

Voltios/cm (500 mV/cm) y el trazo se desplaza 7,6 cm, el voltaje medido

será:

Voltaje medido = 0,5 V/cm * 7,6 cm = 3,8 Voltios (dc)

4.1.3.1.2. MEDICIÓN DE VOLTAJE AC (CORRIENTE ALTERNA):

Puesto que una onda sinuosidad alterna de voltaje o corriente

tiene infinidad de valores instantáneos, es conveniente definir

algunos valores concretos para comparar una señales con otras.

Tanto para la corriente como para el voltaje se pueden

especificar los valores máximos (o pico), valores medios y

eficaz, como se muestra en la Fig. 16.

Fig. 16

Para medir voltaje AC proceda como sigue:

a) Coloque el botón GND (17) en la posición interior y el botón

AC/DC (16) en la posición exterior (botón afuera) y lleve el


trazo a la línea horizontal central. Chequear que el botón (9)

(disparo interno) esté pulsado.

b) Una vez aplicado el voltaje a medir en la entrada vertical,

coloque el botón GND (179 en posición exterior.

c) Baje la escala del amplificador vertical (moviendo el

manipulador hacia la derecha) hasta obtener la máxima señal

posible. Con el botón (5) haga coincidir un pico de la señal

con la escala del eje vertical de la pantalla.

d) Determine el desplazamiento vertical del pico, luego el voltaje

de pico medido será:

VP = Desplazamiento vertical * Escala del amplificador vertical

(Divisiones) (Voltios/divisiones)

En el ejemplo que se ilustra en la Fig. 17, el desplazamiento

vertical de pico = 2,6 divisiones y la escala del amplificador

vertical está en 500 mV/div (0,5 V/div).

VP = 2,6 Div * 0,5 V/div = 1,3 Voltios (Valor Pico)

Veficaz = 0,707 * VP = 0,707 * 1,3 Voltios = 0,92 Voltios

Vmedio = 0,636 * VP = 0,636 * 1,3 Voltios = 0,83 Voltios

Vpico-pico = 2 * VP = 2 * 1,3 Voltios = 2,6 Voltios


Fig. 17

4.1.3.2. MEDIDA DE FRECUENCIA:

Proceda como sigue:

a) Introduzca en el vertical del osciloscopio la señal cuya frecuencia

desea medir, cuidando de que el botón (9) esté adentro, el nonio (7)

esté y permanezca en calibración (girando al máximo en el sentido

contrario al giro de las agujas del reloj).

b) Mueva la base de tiempo (perilla 6) hasta que aparezcan en la pantalla

aproximadamente dos ciclos, seguidamente con el control de

desplazamiento horizontal (perilla 59 mueva la onda horizontalmente

hasta lograr que el punto de cruce de positivo a negativo de un ciclo

esté en la primera línea vertical de la izquierda de la pantalla.

Cuente el número de divisiones entre este último punto y el punto de

cruce del ciclo próximo (estamos escogiendo un ciclo), multiplique el

número obtenido por la escala seg/Div. de la base de tiempo. El

número obtenido da el período de la onda. La inversa del período es la

frecuencia. En la onda que aparece seguidamente (Fig. 18) el período

T será:


T = desplazamiento horizontal * Escala de la base de tiempo

T = 3,35 Div * 5 mseg/Div = 3,35 Div * 5x10-3 seg/Div = 0,01675 seg

La frecuencia sera:

f =

4.1.3.3. 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 de tiempo del osciloscopio en cuestión.

Debemos auxiliarnos de un generador de señales que cubra el mismo

rango de la frecuencia a medir. La señal de frecuencia desconocida se

aplica a la entrada vertical. La salida conocida del generador se aplica a la

entrada horizontal y el conmutador de barrido del osciloscopio se coloca

en la posición de barrido externo con la finalidad de inhabilitar el barrido


interno. Luego se varía la frecuencia del generador de señal patrón hasta

que aparezca una figura estable en la pantalla, llamada figura de

Lissajous. Esta figura estable aparece cuando las frecuencias vertical y

horizontal guardan una razón de dos números enteros, como por ejemplo

, etc.

En la figura 19 aparecen varias figuras de Lissajous. Trazando una recta

horizontal y otra vertical que sean tangentes a la figura, se podrá

determinar el número de puntos de tangencia vertical (Tv) y el número

de puntos de tangencia horizontal (Th). La relación entre la frecuencia

de la señal desconocida (Fh) viene dada por:

(11)

Así, en la figura 19 (a), ThK = 3, Tv = 2 y la frecuencia desconocida (Fh)

es igual a la frecuencia conocida (se lee en el cuadrante del generador

patrón conectado en la entrada horizontal, cuando la figura se hace

estable) multiplicada por , es decir la frecuencia

horizontal será 1,5 veces mayor que la frecuencia horizontal.


(a)

Fig 19

Suponga que la figura estable 19 (a) se obtuvo cuando el generador patrón marcó en su

cuadrante 1000 Hz, la frecuencia desconocida será:

4.1.3.4. MEDIDAS DE FASE:

La diferencia de fase entre dos señales de la misma frecuencia se puede

determinar usando el método de disparo de barrido de las figuras de

Lissajous.

a) Método de Disparo de Barrido.

En este método se comparan las fases de las dos señales usando una como

referencia, el cambio de la posición de la segunda señal comparada con la

señal de referencia, puede ser usada para medir la diferencia de fase entre

las dos señales.

Para la medición, la fase de una de las señales es escogida como cero y la

imagen en la pantalla es calibrada para esta escogencia. El procedimiento

de calibración envuelve la postura del osciloscopio a un disparo interno

(INT), el nivel a cero y la pendiente positiva. La primera señal (1) es

conectada a la entrada vertical (A) y se tomará como señal de referencia,


la segunda señal (2) es conectada a la entrada vertical (B), las imágenes

de las ondas aparecen representadas en la figura 20.

Fig. 20

Hagamos una equivalencia entre ángulo recorrido por la onda y número

de divisiones horizontales para ese ángulo recorrido. Para la señal 1 de

referencia, cuando dicha onda recorre medio ciclo (180°) está pasando por

la división N° 8, entonces,

8 div 180°

1 div x


Lo que indica que cada división representa 22,5°. La diferencia de fase (

) en la figura 20 será de 22,5° * 2 = 45°.

Otra forma de hacerlo sería:

8 div 180°

2 div

La señal (1) va adelantada 45° con respecto a la señal (2). Observe que

cuando la señal 2 está en cero la señal 1 ha recorrido 45°.

b) Método de las Figuras de Lissajous.

Para medir la diferencia de fase entre dos señales (de la misma

frecuencia) por el método de las figuras de Lissajous, se aplica una señal

a la entrada vertical y la otra al canal horizontal. La figura resultante

podrá ser una recta, una circunferencia o una elipse según sea la

diferencia de fase de las dos señales. Ver figura 21.

La manera de calcular la diferencia de fase es la siguiente. Supongamos

que la tensión horizontal es:

VH = VP*sen wt y la tensión vertical está dada por:

Vv = b*sen (wt + )

Vp = Valor pico


Cuando t = 0, VH = 0, lo cual significa que la desviación horizontal es

nula. Podemos representar por ‘a ’ la desviación vertical en ese punto.

Vv = b*sen = a sen , depejando ,

Fig. 21

El cociente puede determinarse directamente a partir de las

dimensiones de la figura que aparece en la pantalla, ver Fig. 22.

La figura debe estar centrada en las rectas de referencia horizontal y

vertical para que la ecuación sea válida.

Fig. 22.

4.2. EL OSCILADOR DE AUDIO:


ba

Es un aparato electrónico capaz de producir ondas sinusoidales en el rango de

frecuencias audibles por el hombre, desde 20 Hz hasta 20 KHz, con una salida

máxima de 42,5 V y 6000 de impedancia. Nos apoyaremos en la figura 23 para

describir el oscilador disponible en nuestro laboratorio.

Fig. 23.

(1) Interruptor de alimentación.

(2) Luz indicadora de alimentación.

(3) Escala de frecuencia.

(4) Ajuste grueso de frecuencia. Con este aproximamos al valor deseado.

(5) Ajuste fino de frecuencia. Con este afinamos al valor deseado.

(6) Multiplicador de frecuencia tiene los siguientes rangos: X1 de 20 Hz a 200 Hz,

X100 200 Hz a 2 KHz, X1000 2KHz a 20 KHz.


(7) Ajuste grueso de voltaje. Tiene 5 posiciones en forma de escalón, es decir a

saltos. En la primera posición (izquierda), la salida es de 8,4 V. En la segunda

posición es de 16,8, en la tercera es de 24,8, en la cuarta es de 33,5 y en la quinta

es de 42,5, cuando el ajuste fino (8) están en la posición máxima derecha.

(8) Ajuste fino de voltaje, gradúa en forma continua la salida de voltaje. Cuando el

ajuste grueso está en la primera posición (izquierda), el ajuste fino hace variar el

voltaje entre 0V y 8,4V en forma continua. Similarmente ocurre para las demás

posiciones del ajuste grueso.

(9) Terminales de salida. El terminal izquierdo (negro) se tomó como referencia.

Recordemos que el generador en cuestión produce una onda sinusoidal similar a la

mostrada en la figura 24.

Fig. 24.

Donde el eje (Y) está representado por el voltaje, y el eje (X), por la frecuencia.

Por ejemplo si queremos una frecuencia de 5000 Hz y un voltaje de aproximadamente

8,4 V operamos así:

Colocamos la escala (3) en 50 y el multiplicador (6) en X100, el ajuste grueso (7) lo

colocamos en la segunda posición y el ajuste fino (8) en la mitad de su recorrido.

Otros valores se obtienen de forma similar.

4.3. GENERADOR DE SEÑALES:


Es un aparato electrónico similar al oscilador de audio, pero, que cubre un rango de

frecuencias mucho más amplio y dispone además de un selector de formas de onda de la

señal de salida, ellas son: forma sinusoidal, cuadrada y diente de sierra. El generador de

función disponible en nuestro laboratorio cubre un rango de frecuencia desde 0,1 Hz hasta

1 MHz (1 MEGA HERTZ) y lo describiremos apoyándonos en la figura 25.

Fig. 25.

(1) Escala de frecuencia: selecciona la frecuencia deseada multiplicada por el

multiplicador (7).

(2) Pulso de salida: se utiliza cuando se trabaja con circuitos de pulso.

(3) Terminales de salida para onda sinusoidal, cuadrada y diente de sierra. El

máximo voltaje que se puede obtener es de 10 V p.p con una impedancia de 600 Ω.

Esta es la salida que utilizaremos frecuentemente.

(4) Control de amplitud. Ajusta el nivel de salida de la onda, da un máximo de salida

de 20 VP-P en circuito abierto y 10 VP-P máximo con una impedancia de 600 Ω.


(5) Control de desviación para DC. Ajusta la desviación de voltaje de positiva a

negativamente.

(6) Selector de función. Selecciona la forma de onda deseada en la salida: Sinusoidal,

diente de sierra o cuadrada.

(7) Selector de rango o multiplicador. Multiplica el valor indicado en la escala de

frecuencia (1).

(8) Interruptor de alimentación. Provee de energía al generador.

Durante este laboratorio trabajaremos con ondas sinusoidales, entonces seleccione la

función sinusoidal (~) en el selector de función. Si desea que el generador entregue por

ejemplo 20 KHz, coloque la escala de frecuencia (1) en 2 y el multiplicador (7) en 10 K.

Ahora mueva el control de amplitud (4) hasta el 75% de su recorrido. Cualquier otra

frecuencia se selecciona de una manera similar.

4.4. CIRCUITO DESAFASADOR RC:

El circuito desafasador RC siguiente, 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. El circuito real RC, aparece en la Fig 26.

Fig. 26


~ C

R

El circuito equivalente se muestra en la figura 27.

Fig. 27

Las señales de entrada 1 y salida 2 se muestran en la figura 20, donde sería el ángulo de

desfasaje entre la señal de entrada y salida.

5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

Antes de poner a funcionar el osciloscopio el usuario deberá hacer una serie de ajustes

para facilitar su funcionamiento. El procedimiento que deberá usarse está indicado en el

párrafo siguiente. Los números encerrados en círculos se refieren a los controles indicados

en la figura 3.

a) Gire la perilla de intensidad (intensity) (29 a la extrema izquierda.

b) Coloque el botón de fuente de disparo (Trigger Source) en interno, pulsando

hacia adentro el botón (9).

c) Coloque la perilla de nivel de disparo (Trigger Level) (8) en la posición auto

(parte central de su recorrido).

d) Coloque la base de tiempo (6) en un mseg7div. (1 milisegundo/división).

e) Coloque el amplificador vertical (19) en la posición de menor sensibilidad

(10 V/div).


f) Pulse hacia adentro el botón GND (17) y encienda el osciloscopio.

g) Pulse el botón buscador de trazo (Beam Zinder) (4) manténgalo pulsado

mientras incrementa el control de intensidad (2) hacia la derecha hasta que la

imagen (trazo) aparezca en la pantalla, cuidando que la intensidad no sea

demasiado alta para proteger esta última de posibles daños.

h) Manteniendo el botón buscador de trazo (4), debiendo aparecer el trazo sobre la

pantalla.

i) Suelte el botón buscador de trazo (4), debiendo aparecer el trazo sobre la

pantalla.

j) Ajuste el control de foco (3) para obtener un trazo bien definido. Este ajuste

opera simultáneamente con el ajuste de intensidad a gusto del operador.

Después de estos ajustes la pantalla tendrá la imagen de un trazo horizontal libre.

En este momento el osciloscopio está preparado para efectuar las mediciones

deseadas lo único que queda, es aplicar una señal a uno de los terminales de

entrada vertical (18).

5.1. EFECTO SOBRE LA VELOCIDAD DE BARRIDO DEL HAZ AL MOVER EL

CONTROL DE BASE DE TIEMPO:

Mueva el control de base de tiempo hacia la izquierda y hacia la derecha, dejándolo

finalmente en la misma posición anterior (1 mseg/div).

¿Qué observas en relación a la velocidad de barrido del haz?.

5.2. MEDIDAS DE VOLTAJE DC:


Estando el osciloscopio preparado como se indicó anteriormente, escoja el canal B (21)

y pulse hacia adentro el botón (16) par trabajar en DC, introduzca el voltaje

correspondiente cuidando mantener la polaridad correcta (GND del osciloscopio con el

negativo del voltaje a medir) y realice las siguientes mediciones (ver inciso 4.1.3.1.1).

Fuente de Poder

Batería 1 Batería 2

Escala del Amplificador

Vertical (V/Div)

Número de Divisiones de

Desplazamiento Vertical (Div)

Voltaje (Voltios)

5.3. MEDIDAS DE VOLTAJE AC (CORRIENTE ALTERNA):

Estando el osciloscopio previamente ajustado y tomando como referencia el inciso

4.1.3.1.2 realice las mediciones de voltaje que aparecen en la tabla siguiente. Las cinco

casillas corresponden a las cinco posiciones escalonadas del ajuste grueso de voltaje del

generador de audio (ver inciso 4.2.) cuando el ajuste fino se encuentra al 40% de su

recorrido. Fije la frecuencia a un valor de 4000Hz.

Escala del Amplificador Vertical (V/div)Desplazamiento

Vertical del Pico (div)Valor Pico


(Voltios)Valor Eficaz

(Voltios)Valor Medio

(Voltios)

5.4. MEDIDAS DE FRECUENCIA:

Utilizando el oscilador de audio con el ajuste grueso y fino de voltaje al 50% de sus

respectivos recorridos, escoja cinco frecuencias arbitrarias que cubran todo el rango del

referido generador (de 20 Hz hasta 20 KHz) y complete la siguiente tabla.

Frecuencia del Generador (Hz)

Escala de la Base de Tiempo (seg/div)N° de Divisiones

Horizontal para un cicloPeríodo

(seg)Frecuencia Medida

(Hz)

5.5. COMPARACIÓN DE FRECUENCIAS (VER INCISO 4.1.3.3.):

Utilizando el generador de señales escoja cinco frecuencias entre 20 Hz y 20 KHz e

introdúzcalas una a una en la entrada vertical B (puede ser la entrada A) (18) de la Fig. 3

(éstas son las frecuencias que vamos a medir por comparación). Conecte el oscilador de

audio a la entrada horizontal (22), baje la intensidad (2) al mínimo y pulse hacia adentro el

botón (14) para desactivar la base de tiempo, (todos los números en círculo se refieren a la

Fig. 3). La Fig. 28 indica la forma de conexión.

UNIVERSIDAD DEL ZULIA - Facultad de Ingeniería - Escuela de Ingeniería Eléctrica - Departamento de Física - Física II.~ ~

Fig. 28.

Introduzca la primera señal a la entrada vertical (señal incógnita). Mueva el control de

frecuencia del generador de audio hasta que aparezca en la pantalla del osciloscopio una

figura estable, aplique la relación Fv.Tv = Fh.Th y determine Fv. Introduzca las demás

frecuencias y complete la tabla siguiente, siendo Fh la frecuencia que tiene el generador de

audio para cada figura estable. Fv es la frecuencia vertical hallada a través de la relación

Fv.Tv = Fh.Th y Fvc es la frecuencia que realmente tiene el cuadrante del generador de

señales.

Fh (Hz)Th

Tv

Fv (Hz)

Fvc(Hz)

5.6. MEDICIÓN DE DESFASAJE:

La medición de desfasaje la haremos a través de dos métodos, el de disparo de barrido y el

de figuras de Lissajous.

5.6.1. MÉTODO DE DISPARO DE BARRIDO:


Estando el osciloscopio previamente ajustado realice el montaje siguiente

utilizando los dos canales verticales del osciloscopio (Fig. 29). Alimente el circuitos

desfasador con el generador de audio con una frecuencia baja (entre 100 Hz y 200Hz).

Fig. 29:

Tendiendo cuidado de que la tierra del generador queda conectada con la tierra

del circuito desfasador, la entrada del desfasador se conecta a la entrada vertical A y la

salida al vertical B. Centre en la pantalla ambas señales, mueva el amplificador vertical

que haga falta para que ambas señales tengan la misma altura, mueva la base de tiempo

si es necesario, hasta que aparezca una imagen suficientemente estable y amplia.

Determine la diferencia de fase como se indica en el inciso (4.1.3.4.) (a).

5.6.2. MÉTODO DE LAS FIGURAS DE LISSAJOUS:


~

Para medir la diferencia de fase mediante este método utilice un canal vertical

(escojamos el A) y la entrada horizontal. Para trabajar con la entrada horizontal baje la

intensidad botón (2) al mínimo y pulse hacia adentro del botón (14) para desactivar la

base de tiempo, realice el montaje de la Fig. 30.

Determine la diferencia de fase como se indicó en el inciso 4.1.3.4. (b).


~

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