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Instituto Politécnico Nacional Escuela Superior De Ingeniería Química E Industrias Extractivas Departamento De Ingeniería Química Industrial Laboratorio De Ingeniería Eléctrica Y Electrónica

“EL OSCILOSCOPIO Y EL GENERADOR DE FUNCIONES” Práctica No. 4

Profesor. Sergio Alvarado Alvarado

up

Alumno

OBJETIVOS GENERALES Al término de la práctica el alumno: • • • • •

Conocerá las partes que integran un osciloscopio, así como su uso. Describirá la función de cada uno de los controles de las diferentes secciones del osciloscopio, tanto físicamente como en video. Conocerá el funcionamiento y las aplicaciones que se le dan al osciloscopio, obteniendo las diferentes ondas senoidales y rectificadas, con diodos semiconductores. Conocerá y describirá el funcionamiento del generador de señales Analizará gráficamente una onda senoidal a través de su fase, amplitud, periodo y frecuencia.

MATERIAL Y EQUIPO • •

Simulador LiveWire Computadora

INVESTIGACIÓN EL OSCILOSCOPIO Un osciloscopio es un instrumento de medición para la electrónica. Representa una gráfica de amplitud en el eje vertical y tiempo en el eje horizontal. Es muy usado por estudiantes, diseñadores, ingenieros en el campo de la electrónica. Frecuentemente se complementa con un multímetro, una fuente de alimentación y un generador de funciones o arbitrario. Últimamente, con la explosión de dispositivos con tecnologías de de radio frecuencia como WiFi o BlueTooth, el banco de trabajo se complementa con un analizador de espectro. El osciloscopio presenta los valores de las señales eléctricas en forma de coordenadas en una pantalla, en la que normalmente el eje X (horizontal) representa tiempos y el eje Y (vertical) representa tensiones. La imagen así obtenida se denomina oscilograma. En osciloscopios análogos o de fosforo digital se suele incluir otra entrada o control, llamado "eje Z" que controla la luminosidad del haz, permitiendo resaltar o apagar algunos segmentos de la traza dependiendo de su frecuencia de repetición o velocidad de transición en tiempo. Abajo se muestra un moderno osciloscopio digital:

UTILIZACIÓN En un osciloscopio existen, básicamente, tres tipos de controles que son utilizados como reguladores que ajustan la señal de entrada y permiten, consecue ntemente, medir en la pantalla y de esta manera se pueden ver la forma de la señal medida por el osciloscopio, esto denominado en forma técnica se puede decir que el osciloscopio sirve para observar la señal que quiera medir. El primer control regula el eje X (horizontal) y aprecia fracciones de tiempo (segundos, milisegundos, microsegundos, etc., según la resolución del aparato). El segundo regula el eje Y (vertical) controlando el voltaje de entrada (en Volts, milivolts, microvolts, etc., dependiendo de la resolución del aparato). El tercer control es el ajuste del disparo (o trigger en inglés), este control permite sincronizar la señal que se repiten de manera periódica usando como referencia una característica de la señal, se usan diversos tipos de disparo, siendo el más común el disparo por flanco de subida o bajada de la señ al, para lo cual se define el voltaje de disparo y si el flanco es de subida o de bajada. Estas regulaciones determinan el valor de la escala cuadricular que divide la pantalla, permitiendo saber cuánto representa cada cuadrado de esta para, en consecuencia, conocer el valor de la señal a medir, tanto en tensión como en frecuencia o periodo.

Osciloscopio analógico La tensión para medir se aplica a las placas de desviación vertical de un tubo de rayos catódicos (utilizando un amplificador con alta impedancia de entrada y ganancia ajustable) mientras que a las placas de desviación horizontal se aplica una tensión en diente de sierra (denominada así porque, de forma repetida, crece suavemente y luego cae de forma brusca). Esta tensión es producida mediante un circuito oscilador apropiado y su frecuencia puede ajustarse dentro de un amplio rango de valores, lo que permite adaptarse a la frecuencia de la señal a medir. Esto es lo que se d enomina base de tiempos.

En la Figura se puede ver una representación esquemática de un osciloscopio con indicación de las etapas mínimas fundamentales. El funcionamiento es el siguiente: En el tubo de rayos catódicos el rayo de electrones generado por el cátodo y acelerado por el ánodo llega a la pantalla, recubierta interiormente de una capa fluorescente que se ilumina por el impacto de los electrones. Si se aplica una diferencia de potencial a cualquiera de las dos parejas de placas de desviación, tiene lugar una desviación del haz de electrones debido al campo eléctrico cre ado por la tensión aplicada. De este modo, la tensión en diente de sierra, que se aplica a las placas de desviación horizontal, hace que el haz se mueva de izquierda a derecha y durante este tiempo, en ausencia de señal en las placas de desviación vertical, dibuje una línea recta horizontal en la pantalla y luego vuelva al punto de partida para iniciar un nuevo barrido. Este retorno no es percibido por el ojo humano debido a la velocidad a que se realiza y a que, de forma adicional, durante el mismo se produce un apagado (borrado) parcial o una desviación del rayo.

Si en estas condiciones se aplica a las placas de desviación vertical la señal a medir (a través del amplificador de ganancia ajustable) el haz, además de moverse de izquierda a derecha, se moverá hacia arriba o hacia abajo, dependiendo de la polaridad de la señal, y con mayor o menor amplitud dependiendo de la tensión aplicada. Al estar los ejes de coordenadas divididos mediante marcas, es posible establecer una relación entre estas divisiones y el período del diente de sierra en lo que se refiere al eje X y al voltaje en lo referido al Y. Con ello a cada división horizontal corresponderá un tiempo concreto, del mismo modo q ue a cada división vertical corresponderá una tensión concreta. De esta forma en caso de señales periódicas se puede determinar tanto su período como su amplitud.

El margen de escalas típico, que varía de microvoltios a unos pocos voltios y de microsegundo s a varios segundos, hace que este instrumento sea muy versátil para el estudio de una gran variedad de señales.

LIMITACIONES DEL OSCILOSCOPIO ANALÓGICO El osciloscopio analógico tiene una serie de limitaciones propias de su funcionamiento: Las señales deben ser periódicas. Para ver una traza estable, la señal debe ser periódica ya que es la periodicidad de dicha señal la que refresca la traza en la pantalla. Las señales muy rápidas reducen el brillo. Cuando se observa parte del período de la señal, el brillo se reduce debido a que la tasa de refresco disminuye. Las señales lentas no forman una traza. Las señales de frecuencias bajas producen un barrido muy lento que no permite a la retina integrar la traza. Esto se solventa con tubos de alta persistencia. También existían cámaras Polaroid especialmente adaptadas para fotografiar las pantallas de osciloscopios. Manteniendo la exposición durante un periodo se obtiene una foto de la traza. Sólo se pueden ver transitorios si éstos son repetitivos. OSCILOSCOPIO DIGITAL En la actualidad los osciloscopios analógicos están siendo desplazados en gran medida por los osciloscopios digitales, entre otras razones por la facilidad de poder transferir las medidas a una computadora personal o pantalla LCD. En el osciloscopio digital la señal es previamente digitalizada por un conversor analógico digital. Al depender la fiabilidad de la visualización de la calidad de este componente, esta debe ser cuidada al máximo. Las características y procedimientos señalados para los osciloscopios analógicos son aplicables a los digitales. Sin embargo, en estos se tienen posibilidades adicionales, tales como el disparo anticipado (pre-triggering) para la visualización de eventos de corta duración, o la memorización del oscilograma transfiriendo los datos a un PC. Esto permite comparar medidas realizadas en el mismo punto de un circuito o elemento. Existen asimismo equipos que combinan etapas analógicas y digitales. Estos osciloscopios añaden prestaciones y facilidades al usuario imposibles de obtener con circuitería analógica, como los siguientes: • • • •

Medida automática de valores pico, máximos y mínimos de señal. Verdadero valor eficaz. Medida de flancos de la señal y otros intervalos. Captura de transitorios. Cálculos avanzados, como la FFT para calcular el espectro de la señal.

MUESTREO EN TIEMPO REAL CON INTERPOLACIÓN. El método estándar de muestreo en los osciloscopios digitales es el muestreo en tiempo real; en este caso el osciloscopio reúne los suficientes puntos como para reconstruir la señal. Para señales no repetitivas ó la parte transitoria de una señal es el único método válido de muestreo. Los osciloscopios utilizan la interpolación para poder visualizar señales que son más rápidas que su velocidad de muestreo. Existen básicamente dos tipos de interpolación: Interpolación Lineal: Simplemente conecta los puntos muestreados con líneas. Interpolación Senoidal: Conecta los puntos muestreados con curvas según un proceso matemático, de esta forma los puntos intermedios se calculan para rellenar los espacios entre puntos reales de muestreo. Usando este proceso es posible visualizar señales con gran precisión disponiendo de relativamente pocos puntos de muestreo. MUESTREO EN TIEMPO EQUIVALENTE Algunos osciloscopios digitales utilizan este tipo de muestreo. Se trata de reconstruir una señal repetitiva capturando una pequeña parte de la señal en cada ciclo. Existen dos tipos básicos: Muestreo secuencial- Los puntos aparecen de izquierda a derecha en secuencia para conformar la señal. Muestreo aleatorio- Los puntos aparecen aleatoriamente para formar la señal.

PRUEBA DE FUNCIONAMIENTO Y CALIBRACIÓN DEL OSCILOSCOPIO a) Encender el osciloscopio y esperar a que la pantalla muestre que se han superado todas las pruebas de encendido.

b) Pulsar el botón ALM. /REC, seleccione Controles en el cuadro del menú superior y pulse el cuadro del menú Recuperar config. de fábrica. En este caso, el ajuste de atenuación predeterminada del Menú Sonda es 10X. c) Establecer el conmutador de la sonda en 10X y conectarla al canal 1 del osciloscopio (CH1). Para ello, se debe alinear la ranura del conector de la sonda con la llave del conector BNC de CH1, presionando y girando a la derecha para fijar la sonda. d) Conectar la punta de la sonda y el cable de referencia a los conectores COMP SONDA. e) Pulse el botón AUTOCONFIGURAR O AUTOSET. Esperar unos momentos hasta visualizar en la pantalla una onda cuadrada de aproximadamente 5 V de pico a pico a 1 kHz (T= 1ms), misma que constituye una señal de prueba. f) En caso de que la señal anterior no esté bien definida se deberán realizar los aj ustes procedentes. Cabe mencionar que esta comprobación es respecto al canal 1, por lo que se deberá seguir el mismo procedimiento para los demás canales del osciloscopio. g) Pulsar el botón MENÚ CH1 dos veces para salir del canal 1, posteriormente pulsar el botón MENÚ CH2 para mostrar el canal 2 y repetir los incisos (d), (e) y (f). DESARROLLO EXPERIMENTAL Identificación De Controles A partir del manual de operación del osciloscopio Tektronix TDS 210 y con la asesoría del profesor, identificamos y describimos la función de los siguientes elementos del osciloscopio: a) Control de encendido. Enciende y apaga el instrumento. b) Controles de ajuste y amplitud vertical. Ajusta la señal vertical presentada por el canal 1 ó 2. Muestra en pantalla las opciones del menú de entrada del canal 1 ó 2 y activa y desactiva el muestreo de señal 1 ó 2. Muestra en pantalla las opciones de las operaciones matemáticas de la(s) forma(s) de onda. Selecciona el factor vertical volts por división (factor de escala calibrado). c) Control de ajuste y base de tiempo horizontal Ajusta la posición horizontal de la señal presentada por los canales. Muestra las opciones del menú horizontal. Selecciona el factor horizontal tiempo por división (factor de escala) para la base de tiempo principal y para Definir Ventana d) Control de nivel de disparo. Tiene un doble fin; controla el nivel de disparo, establece el nivelde amplitud que debe cruzar la señal para provocar una adquisición y como control de límite, establece el tiempo que debe transcurrir antes de aceptar otro evento de disparo. Muestra las opciones del menú de disparo. Se establece en un 50% del nivel de la Señal. Inicia una adquisición independientemente de si hay o no una señal de disparo adecuada. Muestra la forma

de onda de disparo en lugar de la forma de onda de la señal del canal mientras se mantiene pulsado el botón. e) Conector para sonda canal 1 y canal 2. Conector para la sonda del canal a utilizar. f) Punto de prueba para calibración. Lugar en donde se calibra la sensibilidad y parámetros del osciloscopio. Prueba De Funcionamiento Y Calibración Del Osciloscopio De acuerdo con el manual de operación describimos el procedimiento para la prueba de funcionamiento y calibración del Osciloscopio. a) Encender el osciloscopio y esperar a que la pantalla muestre que se han superado todas las pruebas de encendido. b) Pulsar el botón ALM. /REC, seleccione Controles en el cuadro del menú superior y pulse el cu adro del menú Recuperar config. de fábrica. En este caso, el ajuste de atenuación predeterminada del Menú Sonda es 10X. c) Establecer el conmutador de la sonda en 10X y conectarla al canal 1 del osciloscopio (CH1). Para ello, se debe alinear la ranura del conector de la sonda con la llave del conector BNC de CH1, presionando y girando a la derecha para fijar la sonda. d) Conectar la punta de la sonda y el cable de referencia a los conectores COMP SONDA. e) Pulse el botón AUTOCONFIGURAR O AUTOSET. Esperar unos momentos hasta visualizar en la pantalla una onda cuadrada de aproximadamente 5 V de pico a pico a 1 kHz (T= 1ms), misma que constituye una señal de prueba. f) En caso de que la señal anterior no esté bien definida se deberán realizar los ajustes proced entes. Cabe mencionar que esta comprobación es respecto al canal 1, por lo que se deberá seguir el mismo procedimiento para los demás canales del osciloscopio. g) Pulsar el botón MENÚ CH1 dos veces para salir del canal 1, posteriormente pulsar el botón MENÚ CH2 para mostrar el canal 2 y repetir los incisos (d), (e) y (f) . Visualización E Interpretación De Señales A partir del simulador Live Wire realizamos los siguientes experimentos: a) Conectamos el generador de Señales al Osciloscopio y realizamos los ajustes necesarios para generar y visualizar una onda senoidal de 10Vp a 50 Hz. tal como se muestra en la siguiente figura:

b) A partir de la señal obtenida determinamos y anotamos los siguientes valores: Vp, Vpp, Vrms, Periodo y frecuencia. Vp 10volts

Vpp 20Volts

Vrms 7.07

Periodo 20ms

Frecuencia .020Hz

c) Con base en lo anterior concluimos y comentamos lo siguiente: Concluimos y observamos que tenemos un valor pico de 10 volts, un valor pico a pico de 20 volts un valor Rms de 7.07 y una frecuencia de 20Hz. Se observa una grafica senoidal.

Rectificador De Media Onda a) Mediante el Simulador Live Wire armamos el siguiente circuito rectificador de media onda. En este caso el valor de la fuente de CA esta dado en valor RMS.

b) Conectamos por separado los canales del osciloscopio a la entrada y salida del rectificador para visualizar por separado ambas señales, tal como se muestra en las siguientes figuras:

c) Conectamos el Canal 1 del Osciloscopio (CH1) a la entrada del diodo y el Canal 2 (CH2) a la salida de este simultáneamente para observar ambas señales, tal como se muestra en la figura:

d) A partir de la señal de entrada y la señal de salida obtenidas del arreglo anterior determinamos para cada una de ellas los siguientes valores: Vp, Vpp, Vrms, Periodo y frecuencia. Anota ndo sus resultados en una tabla.

Vp

Vpp

Vrms

Periodo

Frecuencia

CH1

9volts

18Volts

6.363

47ms

.047Hz

CH2

8Volts

16Volts

5.656

48ms

.048Hz

e) Con base en lo anterior concluimos y comentamos lo siguiente : Se grafican dos canales distintos en dos puntos distintos por lo que se generan parámetros distintos a pesar de ser el mismo circuito. Se obtienen parámetros similares, sin embargo, se encuentra una gran variación en el valor pico pico. Rectificador De Onda Completa a) Mediante el Simulador Live Wire armamos el siguiente circuito rectificador de onda completa. También en este caso el valor de la fuente de CA esta dado en valor RMS.

b) Conectamos el osciloscopio a la resistencia como se muestra en la figura para vi sualizar la señal de salida del rectificador y determinamos los valores Vp, Vpp, Vrms, periodo y frecuencia. Registramos los valores en una tabla.

CH1

Vp

Vpp

Vrms

Periodo

Frecuencia

21.21volts

42.4Volts

15

126ms

.126Hz

c) Conectamos el Canal 1 del Osciloscopio (CH1) a la entrada del puente de diodos y el Canal 2 (CH2) a la salida de este simultáneamente para observar ambas señales, tal como se muestra en la figura:

Vp

Vpp

Vrms

Periodo

Frecuencia

CH1

21volts

42Volts

14.847

160ms

.16Hz

CH2

20Volts

20Volts

14.14

125ms

.125Hz

d) Con base en lo anterior concluimos y comentamos lo siguiente: Existen dos graficas ya que analizamos dos puntos distintos del circuito. Los parámetros de cada uno de los canales son similares excepto el valor pico pico pues solo el canal uno grafico una función senoidal. El canal dos tenía más el comportamiento de una corriente directa.

OBSERVACIONES • • • •

• • • • •

La señal eléctrica es diferente según en donde y como se conecte. No todas las señales tienen forma senoidal. El Vpp no siempre es el doble del Vp. Hay que ajustar los valores de las abscisas y ordenadas (Voltaje-Tiempo) para la buena apreciación de la tabla, pues de lo contrario se observan en muchos casos líneas sin sentido y periodos incompletos. La señal en muchos casos no es totalmente clara a pesar de estar trabajando con un simulador. Los parámetros de vp, vpp, rms y frecuencia en algunas ocasiones eran similares y solo variaban en alguno. La frecuencia en todas las experimentaciones nunca llego a estar en enteros. El generador de funciones fue el único que nos entregó una gráfica ideal. En el segundo circuito obtuvimos una onda triangular.

CONCLUSIÓN En conclusión, podemos decir que es importante el ajuste adecuado del osciloscopio pues al no estar bien ajustados los parámetros verticales y horizontales de la gráfica tiene una mala apreciación y los datos leídos llegan a estar erróneos. A pesar de haber trabajado con un simulador pudimos cumplir los objetivos de esta práctica. Principalmente logramos comprender el funcionamiento y la importancia de los osciloscopios pues a mi perspectiva su aplicación es de suma importancia en el mundo. A lo que concluyo que la principal función del osciloscopio no es simplemente graficar una señal eléctrica, si no, que también es el de limpiarla y convertirla a una señal 100% digital .

BIBLIOGRAFIA Â ¿Que es un osciloscopio? (s. f.). FinalTest.com. Recuperado 15 de abril de 2021, de https://www.finaltest.com.mx/product-p/art-9.htm...