OBJETIVOS

Al terminar la práctica el alumno estará capacitado para:

El manejo de los controles del osciloscopio (encendido, ajuste de intensidad, barrido vertical, barrido horizontal, selección de canal de trabajo, disparo en el osciloscopio):

Evaluar la señal de ajuste para puntas de prueba de un osciloscopio de propósito general

Operar un generador de señales de voltaje en función senoidal, cuadrada, triangular y rampa en este modo continuo.

Medir voltaje de c. d utilizando la entrada horizontal o la entrada vertical del osciloscopio.

Obtener y evaluar gráficas de voltaje vs. Tiempo en circuitos básicos para medir amplitudes, períodos y frecuencias de señales de voltaje.

Utilizar las dos entradas verticales del osciloscopio para la medición del desfasamiento ente dos señales senoidales por el método del muestreo de señales y el de las figuras de Lissanjous.

FUNDAMENTO TEÓRICO

TEORIA DE ERRORES

El resultado de toda medición siempre tiene cierto grado de incertidumbre. Esto se debe a las limitaciones de los instrumentos de medida, a las condiciones en que se realiza la medición, así como también, a las capacidades del experimentador. Es por ello que para tener una idea correcta de la magnitud con la que se está trabajando, es indispensable establecer los límites entre los cuales se encuentra el valor real de dicha magnitud. La teoría de errores establece estos límites.

TIPOS DE ERRORES

Error de escala (escala): Todo instrumento de medida tiene un límite de sensibilidad. El error de escala corresponde al mínimo valor que puede discriminar el instrumento de medida.

Error sistemático (sistemático) Se caracteriza por su reproducibilidad cuando la medición se realiza bajo condiciones iguales, es decir siempre actúa en el mismo sentido y tiene el mismo valor. El error sistemático se puede eliminar si se conoce su causa.

Error accidental o aleatorio (accidental) Se caracteriza por ser de carácter variable, es decir que al repetir un experimento en condiciones idénticas, los resultados obtenidos no son iguales en todos los casos. Las diferencias en los resultados de las mediciones no siguen ningún patrón definido y son producto de la acción conjunta de una serie de factores que no siempre están identificados. Este tipo de error se trabaja estadísticamente. El error accidental se puede minimizar aumentando el número de mediciones.

El error total es igual a la suma de estos tres tipos de errores. Aun cuando el error total se pueda minimizar, es imposible eliminarlo del todo debido a que el error de escala siempre está presente. Por lo tanto, el error total no tiende a cero sino a cierto valor constante.

Cuando la medición se realiza una sola vez el error está dado por:

Cuando la medición se realiza varias veces el error está dado por:

A la par con los mencionados existen otros tipos de errores como son por ejemplo los errores estáticos y los errores dinámicos. Los errores estáticos se originan debido a las limitaciones de los instrumentos de medida o por las leyes físicas que gobiernan su comportamiento. En un micrómetro se introduce un error estático cuando se aplica al eje una fuerza excesiva. Los errores dinámicos se originan debido a que el instrumento de medida no responde lo suficientemente rápido para seguir los cambios de la variable

medida. Pero cualquier tipo adicional de error se puede clasificar en uno de los grupos mencionados anteriormente.

Principio de funcionamiento

El osciloscopio, como aparato muy empleado que es, se encuentra representado en el mercado de instrumentos bajo muchas formas distintas, no sólo en cuanto al aspecto puramente físico sino en cuanto a sus características internas y por tanto a sus prestaciones y posibilidades de aplicación de las mismas.

No obstante, a pesar de las posibles diferencias existentes, todos los osciloscopios presentan unos principios de funcionamiento comunes. Los de uso más generalizado son los que podríamos definir como "osciloscopios básicos". Este tipo es el que utilizará para la mayoría de descripciones que se van a realizar, mencionando posteriormente las modalidades de uso más específico.

En el dibujo se ve el esquema de bloques de un osciloscopio de tipo básico. Según se observa en este dibujo, los circuitos fundamentales son los siguientes:

Atenuador de entrada vertical Amplificador de vertical Etapa de deflexión vertical Amplificador de la muestra de

disparo (trigger) Selector del modo de disparo

(interior o exterior) Amplificador del impulso de

disparo Base de tiempos Amplificador del impulso de

borrado Etapa de deflexión horizontal Tubo de rayos catódicos

Circuito de alimentación

Medidas con el Osciloscopio

Pretender describir todas y cada una de las posibilidades de un instrumento tan polifacético como éste, resulta una tarea del todo imposible. Existen sin embargo, un determinado número de aplicaciones que pueden considerarse como las más usuales y que serán descritas aquí, insisto en que los siguientes ejemplos no persiguen, ni mucho menos, ser totalmente completos, sino sólo una muestra de las posibles aplicaciones.

Medida de tensiones

En cada una de las posciones del atenuador vertical, se puede leer directamente la tensión necesaria para desviar el trazo un centímetro, en sentido vertical. Esto nos permite realizar mediciones de tensión sobre la pantalla, tanto de continua cono de alterna. En ambos casos, se situará el conmutador de acoplamiento en la posición adecuada. La medida de una tensión alterna se realizará contando los centímetros o

cuadros de la retícula que ocupa la señal sobre la pantalla, multiplicándolos por el factor de conversión seleccionado con el conmutador de vertical, teniendo en cuenta que cuanto mayor sea el espacio ocupado por la señal, sobre la pantalla, más fiable será la medida realizada.

Al realizar una medida de tensión continua, o bien su componente dentro de una forma de onda, lo que mediremos será el desplazamiento vertical que experimenta la deflexión a partir de una determinada referencia. Este desplazamiento nos indicará además, la polaridad de la tensión continua medida, según sea hacia la parte superior de la retícula (tensión positiva) o hacia la parte inferior (tensión negativa).

Medida de corrientes

La intensidad de corriente que circula por un determinado circuito, es un parámetro que no resulta posible medirlo directamente con el empleo del osciloscopio. Como ya sabéis, éste sólo permite la medida de tensiones en el eje vertical "Y", y de tiempos en eje horizontal "X". Sin embargo, lo que sí se puede apreciar es la forma de onda de la corriente que circula por una determinada rama del circuito mediante el procedimiento de añadir en serie con ésta, una resistencia de pequeño valor (a fin de no alterar las condiciones del circuito original), y proceder a visualizar la forma de onda de tensión en bornes de la resistencia añadida.

Si se desea el valor de la corriente que circula, bastará con aplicar la ley de Ohm, dividiendo el valor de la tensión media (valor de pico a pico), por el valor óhmico de la resistencia añadida, obteniendo el valor pico a pico de la corriente que circula por dicha rama.

Medida de tiempos

La distancia respecto al tiempo, entre dos puntos determinados, se puede calcular a partir de la distancia física en centímetros existente entre dichos puntos y multiplicándola por el factor indicado en el conmutador de la base de tiempos (ver Dibujo)

Medida de tiempos de subida

Cuando interesa averiguar el tiempo de subida de una determinada forma de onda, por ejemplo de una onda cuadrada, deberá tenerse en cuenta el amplificar al máximo la señal en sentido horizontal, a fin de conseguir la máxima definición sobre la pantalla. Una vez realizado esto, el intervalo de medida que se tomará, estará comprendido entre el 10 y el 90% de la señal a medir (ver Dibujo).

Medida de frecuencia

La frecuencia propia de una señal determinada se puede medir sobre un osciloscopio con arreglo a dos métodos distintos:

A partir de la medida de un período de dicha señal según la aplicación del método anterior y empleando la fórmula: F(Hz) = 1/T(sg) Mediante la comparación entre una frecuencia de valor conocido y la que deseamos conocer (ver dibujo).

En este caso el osciloscopio se hace trabajar en régimen X/Y (Deflexión exterior).Aplicando cada una de las señales, a las entradas "X" e "Y" del osciloscopio y en el caso de que exista una relación armónica completa entre ambas, se introduce en la pantalla una de las llamadas "figuras de Lissajous", a la vista de la cual se puede averiguar el número de veces que una frecuencia contiene a la otra y por lo tanto deducir el valor de la frecuencia desconocida (ver dibujo).

Medida de fase

El sistema anterior de medida de frecuencia mediante el empleo de las "curvas de Lissajou", se puede utilizar igualmente para averiguar el desfase en grados existente entre dos señales distintas de la misma frecuencia.Hacemos trabajar el osciloscopio con deflexión horizontal exterior,

Dibujo.- Imagen en la que se producen borrados del trazo distribuidos de modo uniforme.

Dibujo.- Curva de Lissajous. Señales en fase, 0º ó 360º.

Dibujo.- Curva de Lissajous. Señales desfasadas 30º (o bien 330º).

Dibujo.- Curva de Lissajous. Señales desfasadas 110º (o bien 250º).

Aplicando a sus entradas horizontal y vertical (X/Y) las dos señales que se desean comparar.

Mediante esta conexión se formará en la pantalla una "curva de Lissajous" que debidamente interpretada nos dará la diferencia de fase existente entre las dos formas de onda que se comparan.

En los siguientes dibujos comprendidas entre el 2g y el 2k, se dan algunos ejemplos de este sistema de aplicación.

Aparte de los ejemplos de medida anteriores, en el caso de que se requiera una mayor precisión en la medida de un desfase y empleando igualmente las curvas de Lissajous, se puede recurrir a la aplicación indicada.

Si se dispone de un osciloscopio con doble canal vertical, se puede también medir el desfase entre dos señales de igual frecuencia,

Dibujo .- Curva de Lissajous. Señales desfasadas 90º (o bien 270º).

Dibujo .- Curva de Lissajous. Señales desfasadas 180º.

Dibujo .- Sistema para la medida del desfase en grados, existente entre dos señales de igual frecuencia. Una vez medidas las distintas "a" y "b" (la imagen debe estar perfectamente centrada sobre la retícula) se emplea la fórmula: Ø = arcsen b

Dibujo .- Curva de Lissajous. Señales desfasadas 180º

Dibujo.- Medida del grado de desfase entre dos señales de igual frecuencia, mediante el empleo de un osciloscopio de doble canal vertical. La "a" corresponde al desplazamiento de fase entre ambas señales de igual frecuencia. Y "b" corresponde a la duración de un ciclo completo de una de las dos señales. La fórmula que relaciona ambas medidas, y que permite hallar el desfase en grados, es la siguiente: Ø = b x 360º

Mediante la aplicación a cada canal vertical de una de las señales que se desea comparar.

El osciloscopio trabaja en este caso con su propia deflexión horizontal, con lo que se podrán comparar las señales y apreciar su grado de desfase (ver dibujo 2q).

PROCEDIMIENTO

M edidas de voltaje dc:

Coloque los interruptores 15 y 20 en la posición DC. Conecte una fuente de voltaje constante (una pila por ejemplo) a la conexión 12. manteniendo el control 21 en posición CH1 y el control 24 en CH2 observe al posición vertical del punto luminoso. Usar las diferentes escalas dadas por el interruptor 13 y decidir cual es la mas conveniente.

Repetir lo hecho en el paso anterior con el voltaje constante conectado a la conexión 17, el control 21 en la posición CHB. Use ahora las escalas dadas por el interruptor 18.

NOTA: para que las escalas de los interruptores 13 y 18 sean dados directamente en voltios por división es necesario que los controles 14 y 19 se encuentren en sus posiciones: rotados totalmente en sentido antihorario y empujados hacia adentro.

Usar la fuente de voltaje constante con varias salidas y mida el voltaje de cada salida con el osciloscopio. Compare con los resultados obtenidos usando el multimetro digital.

Mdidas de voltaje ac: amplitud, voltaje pico-pico, periodo y frecuencia:

Colocar el interruptor 30 en la posición afuera. Conectar el transformador a la conexión 12 y el interruptor 21 en CH1.

encuentre la mejor escala de voltios por división y la de tiempo pro división (control 28) para ver completamente un periodo de voltaje senoidal. Use el control 25 para estabilizar el grafico en la pantalla del osciloscopio.El numero de cuadraditos verticales multiplicado por el valor indicado en el interruptor 13 nos da la medida en voltios tanto de al amplitud como del voltaje pico a pico. El numero de cuadraditos horizontales multiplicado por el valor indicado en el interruptor 28 nos da el periodo de voltaje alterno del transformador. Esto es cierto solo si el control 29 esta en posición totalmente rotado en sentido horario.

Compare los valores de la amplitud y voltaje pico a pico con el voltaje eficaz medido por el multimetro.

Otras funciones de voltaje:

Produzca con el generador de función de onda voltajes que dependen del tiempo en forma de onda cuadrada y en forma de diente de sierra. En cada caso relacione la frecuencia dada por el generador con el periodo medido por el osciloscopio.

Osciloscopio como graficador XY

Para que el osciloscopio funcione como graficador XY es necesario que el interruptor 30 este en la posición adentro, el interruptor 24 en CH1,y el 21 en CH2.

Conecte la salida del transformador simultáneamente a CH1 y CH2. con el interruptor 30 afuera observe como se ve el voltaje senoidal en cada canal. Con ayuda de los controles 11 y 16 trate de ubicar las señales del canal 1 y 2 en diferentes alturas de la pantalla del osciloscopio. Colocando el interruptor 21 en posición dual observar ambos voltajes al mismo tiempo.

Ponga el interruptor 30 en posición adentro, el 21 en CH2 y el 24 en CH1, observe el grafico XY.

Conectar el transformador al canal 1 y el generador de función al canal 2. genere una función de onda de 60 hertz y observar el grafico XY.

Repetir el paso anterior usando frecuencias de 120,180 y 240Hz.

RESULTADOS

1. Haga una tabla de tres columnas indicando el voltaje medido con el osciloscopio, el voltaje medido con el multímetro y el voltaje nominal de cada salida de la fuente.

Osciloscopio (V.) Pila Transformador(V.efectivo)

Canal 1 1.3 v. 5.83 v.

Canal2 1.2 v. 5.66 v.

Multímetro 1.21 v. 5.85 v.

Para la pila: Canal1: 1.3 v.Canal2: 1.2 v. V1 = 1.25 +

- 0.1x0.5 Multímetro: 1.21 v. V2 = 1.21 +

- 0.005 Incertidumbre = 0.04 x 100% = 3.2%

1.25

Para el transformador: Canal 1: 1.65x5 = 8.25 v. VEF: = V/√2 → VEF: = 5.83 v.

Canal 2: 1.6x5 = 8 v. VEF: = V/√2 → VEF: = 5.66 v.

Multímetro: V = 5.85 v.

Incertidumbre = 0.17 x 100% = 3% 5.66

2. ¿Es realmente constante el voltaje dado por esta fuente?

No, debido a que el voltaje varía linealmente y periódicamente con el tiempo, esto se muestra en la pantalla del osciloscopio, que se ve el punto luminoso variando también a lo largo del eje X.

3. ¿Cuál es el periodo del voltaje alterno dado por el transformador de 6 voltios? Diga el numero de divisiones cuando el interruptor 28 esta en posición 1ms/división, 2ms/división, 5ms/división. ¿Cuál es la frecuencia medida?

Según la guía, dice que el numero de cuadraditos horizontales multiplicado por el valor indicado por le interruptor del canal correspondiente nos da el periodo del voltaje alterno del transformador.Entonces:

TTRANSFORMADOR = 8X2 = 16 s.

Luego la frecuencia será: f = 1/T f = 1/16 Hz.

4. Imágenes del transformador cuando es conectado al canal 1 y el generador de función al canal 2 a diferentes funciones:

f = 60 Hz. f = 120 Hz.

f = 180 Hz. f = 240 Hz.

De las imágenes anteriores se puede concluir que, mientras la frecuencia sea baja la imagen proyectada será percebible y si la frecuencia aumenta la imagen se vera apenas.

CONCLUSIONES

El osciloscopio es un instrumento muy útil dentro de la física puesto que es capaz de convertir cantidades físicas en funciones de voltaje y así poder ser medidas.