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Práctica: Circuitos AC

Práctica: Circuitos AC 1. Generador de funciones y osciloscopio En esta práctica se aprenderá a utilizar el generador de funciones para generar señales en alterna (AC) y el osciloscopio para visualizar y medir dichas señales. En realidad, usaremos el PicoScope 2204A como generador de señales (salida AWG) y también como osciloscopio con dos canales A y B. La siguiente figura muestra una fotografía del PicoScope 2204A disponible en el laboratorio. En la parte frontal se aprecian los tres conectores: entradas de los canales A y B del osciloscopio y salida AWG del generador de funciones. En la parte posterior se encuentra el conector USB.

La instalación y conexión del osciloscopio a un PC se describe en su guía rápida de inicio1, que se resume a continuación.

Protección contra sobretensiones Los rangos de protección contra sobretensiones son las tensiones máximas que no dañan el instrumento y están especificados en la siguiente tabla:

Requisitos del sistema2

Instalación del software PicoScope 1. Descarga el software desde www.picotech.com/downloads. La versión recomendada es la 6.13.X para Windows (https://www.picotech.com/downloads/_lightbox/picoscope-6). Las versiones de Mac y Linux no tienen todas las funcionalidades. 2. Selecciona el idioma apropiado. El resto del enunciado asume el idioma inglés. Para configurar el idioma ir al menú Herramientas > Preferencias …, seleccionar la pestaña 1Guía rápida de inicio: https://www.picotech.com/download/manuals/picoscope-2000-series-quick-start-guide.pdf

2 Funciona en Windows corriendo en una máquina virtual VMWare y también QEMU, pero no en VirtualBox. Página 1 de 20

Tecnología Electrónica Práctica: Circuitos AC “Idioma Regional” y seleccionar “English (English)” en el desplegable “Idioma”. Haz clic en Aplicar y el software pedirá permiso para reiniciarse. 3. Sigue las instrucciones de la pantalla para instalar el software de PicoScope. 4. Conecta el osciloscopio a tu equipo con el cable USB suministrado. 5. Windows puede mostrar automáticamente una notificación de nuevo hardware encontrado. Sigue cualquiera de las instrucciones que se muestran. Nota: si Windows te pregunta si deseas conectarte a Windows Update, selecciona No. 6. Selecciona PicoScope 6 en el menú Inicio de Windows. 7. Utiliza los cables BNC a punta de cocodrilo para las entradas de los canales A y B del osciloscopio y para la salida AWG del generador de funciones. Para el osciloscopio y en el generador de funciones se utilizan cables (ver figura siguiente) con conectores de tipo pinza de cocodrilo en un extremo y coaxial de tipo BNC en el otro. El pin central está conectado al conector de color rojo, mientras que el resto del conector está unido al conector de color negro.

1.1. Generador de funciones PicoScope 2204A Una vez iniciado el software PicoScope con el dispositivo PicoScope 2204A conectado al equipo a través del puerto USB se observa la ventana siguiente, donde se señala el botón que permite abrir el cuadro de diálogo Signal Generator.

Haz clic en el botón

que abre el cuadro de diálogo Signal Generator: Activa el checkbox Signal On.

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En el ejemplo anterior se muestran los parámetros que permiten generar una señal sinusoidal con 100 Hz de frecuencia, 0.4 V de amplitud y sin componente de continua (DC Offset). El cuadro de diálogo Signal Generator incluye los campos siguientes: ● Signal on: permite activar y desactivar el generador. ● Wave Type: desplegable para seleccionar el tipo de señal a generar. ● Arbitrary…: abre la ventana del Arbitrary Waveform Generator. ● Start Frequency: Frecuencia de la señal. ● Amplitude: amplitud de la señal. Por ejemplo, si Amplitude es 1 V y Offset es 0 V, la señal generada tendrá un pico inferior de –1 V y un pico superior de +1 V. ● Offset: valor medio de la señal. Por ejemplo, cuando Offset es 0 V, una onda sinusoidal o cuadrada tendrá los mismos valores de tensión de pico superior e inferior. ● Sweep Mode: activa los Sweep controls que permiten variar la frecuencia de la señal generada. Se recomienda leer el apartado correspondiente en la ayuda: menú Help > User’s Guide … y, en los contenidos de la ayuda, navegar hasta Toolbars and buttons > Channels toolbar (PicoScope devices) > Signal Generator button > Signal Generator dialog (PicoScope devices) > Basic Controls.

1.2. Osciloscopio PicoScope 2204A Información básica sobre el osciloscopio Un osciloscopio es un instrumento de medición que muestra un gráfico de tensión en función del tiempo. Por ejemplo, la imagen de la derecha muestra una pantalla de osciloscopio típica cuando se conecta una tensión variable a uno de sus canales de entrada. Las pantallas de los osciloscopios se leen siempre de izquierda a derecha. La característica de tensión/tiempo de la señal se dibuja como una línea llamada trazo. En este ejemplo, el trazo es azul y comienza en el punto A. Si se mira a la izquierda de este punto, se verá el número 0.0 en el eje de tensión, lo que indica que la tensión es 0.0 V (voltios). Si se mira debajo del punto A, se verá otro número 0.0, esta vez en el eje de tiempo, lo que indica que el tiempo es 0.0 ms (milisegundos) en este punto. En el punto B, 0.25 milisegundos más tarde, la tensión ha subido hasta 0.8 voltios. En el punto C, 0.75 milisegundos después del inicio, la tensión ha descendido a -0.8 voltios. Después de 1 milisegundo, la tensión ha subido de nuevo hasta 0.0 voltios y está a punto de comenzar un nuevo ciclo. La mayoría de los osciloscopios permiten ajustar las escalas vertical y horizontal de la pantalla. La escala vertical se denomina rango de tensión (al menos en este ejemplo, aunque las escalas pueden expresarse en otras unidades). La escala horizontal se denomina base de tiempo y se mide en unidades de tiempo (milésimas de segundo en este caso).

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Información básica sobre el software PicoScope3 A continuación se muestra la ventana de PicoScope con sus barras de herramientas y los elementos de la vista en modo osciloscopio.

3 Menú Help > User’s Guide… Versión en PDF disponible en: https://www.picotech.com/download/manuals/picoscope-6-users-guide.pdf

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Barra de herramientas “Stop and Go” Los botones “Stop and Go” permiten iniciar y detener el osciloscopio. El texto “Stopped” o “Running” indica si el osciloscopio está detenido o no.

Barra de herramientas “Capture Setup”

PicoScope puede funcionar en uno de los tres modos de captura: modo de osciloscopio, modo de espectro y modo de persistencia. Dicho modo se configura con los tres primeros botones de esta barra de herramientas. La barra correspondiente al modo de osciloscopio se describe a continuación: ●

Auto setup ( ). Busca una señal en uno de los canales de entrada habilitados y, a continuación, configura la base de tiempo y el rango de señal para mostrar correctamente la señal.

●

Home ( ). Restablece PicoScope a su configuración predeterminada. Equivalente a comando File > Startup Settings > Load Startup Settings.

●

Collection time ( ). Configura el tiempo representado por una división del eje horizontal cuando el control de zoom horizontal se configura a x1.

●

Number of samples ( ). Configura el número máximo de muestras que se capturan en cada canal. El número real de muestras capturadas se indica en la hoja de propiedades accesible desde el menú Views > View properties y puede ser distinto.

Trigger Marker (marcador del disparador) El trigger (disparador) es la parte del osciloscopio que supervisa una señal entrante y decide cuándo comenzar una captura. En función de la condición que se haya configurado para el disparador, el osciloscopio podría dispararse cuando la señal atraviese un umbral, o podría esperar hasta que se cumpla una condición más compleja. El término “disparo” se utiliza para referirse al instante de tiempo en el que se cumple la condición del disparador. También se utiliza “disparo” para referirse a un cambio en la señal que utiliza el osciloscopio para “dispararse”. El marcador del disparador muestra el nivel y la temporización del punto de disparo.

La altura del marcador sobre el eje vertical muestra a qué nivel está configurado el marcador, y su posición sobre el eje de tiempo muestra en qué momento se produce el disparo. Se puede desplazar el marcador del disparador arrastrándolo con el ratón o, para conseguir un control más preciso, utilizando los controles de disparo.

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Trigger controls

Para el caso del osciloscopio Picoscope 2204A los modos de disparo posibles son: ● None: PicoScope adquiere formas de onda repetidamente sin esperar una señal para disparar (empezar a dibujar). ● Auto: PicoScope esperará a que se produzca un disparo (un cambio en la señal que toma como referencia para empezar a dibujar, habitualmente la propia señal a dibujar) antes de capturar los datos. Si no se produce ningún disparo durante un tiempo razonable, capturará los datos igualmente. Repetirá este proceso hasta que el usuario haga clic en el botón Stop. El modo Auto no configura el nivel de disparo automáticamente. ● Repeat: PicoScope esperará indefinidamente a que se produzca un disparo antes de mostrar los datos. Repetirá este proceso hasta que el usuario haga clic en el botón Stop. Si no se produce ningún disparo, PicoScope no mostrará nada. ● Single: PicoScope esperará una vez a que se produzca un disparo, y a continuación, dejará de tomar muestras. Para que PicoScope repita este proceso, haz clic en el botón Go. ● ETS: Muestreo en tiempo equivalente. No lo utilizaremos. A continuación se describen los restantes botones de la barra: ●

Advanced Triggers ( ). Haz clic para abrir el cuadro de diálogo Advanced Triggers. Si este botón está deshabilitado es porque se han seleccionado las opciones None o ETS en el control del modo de disparador.

●

Trigger Channel ( disparador.

●

Rising Edge (

). Dispara sobre el flanco de subida de la forma de onda.

●

Falling Edge (

). Dispara sobre el flanco descendente de la forma de onda.

●

Threshold ( ). Configura el nivel de disparo. También se puede configurar el nivel de disparo arrastrando el marcador del disparador hacia la parte superior o inferior de la pantalla.

●

Pre-trigger (de 0 a 100%) ( ). Este parámetro controla el porcentaje de la forma de onda que aparecerá antes del punto de disparo. El valor predeterminado es 50%, que sitúa el marcador del disparador en el centro de la pantalla. También se puede controlar este parámetro arrastrando el marcador del disparador hacia la izquierda o hacia la derecha.

). Indica canal que PicoScope supervisa en relación con la condición del

Channel controls

Los controles de canal permiten ajustar la configuración de cada uno de los canales de entrada. Cada canal tiene sus propios botones: ●

Botón Channel Options (

). En principio no lo usaremos.

●

Input Range Control ( ). Configura el osciloscopio para capturar señales en el rango de valores especificado. Aparece un símbolo de advertencia rojo ( ) si la señal de entrada excede el rango seleccionado. Si se selecciona Auto, PicoScope ajustará continuamente la escala vertical.

●

Control de acoplamiento (Coupling) ( ). Configura el circuito de entrada. ○ Acoplamiento AC (AC Coupling): rechaza frecuencias inferiores a 1 Hz, lo que implica que la componente de continua (DC) se elimina de la señal de entrada antes de ser mostrada y o medida. Por ejemplo, si tenemos una sinusoide de 2 V pico a pico y componente de continua igual a 5 V, en lugar de dibujarla entre +4 V y +6 V, el osciloscopio la dibujará entre -1 V y +1 V.

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Tecnología Electrónica Práctica: Circuitos AC ○ Acoplamiento DC (DC coupling): acepta todas las frecuencias desde DC al ancho de banda máximo del osciloscopio, que es de 10 MHz para el 2204A.

Botones de mediciones (measurements) y reglas (rulers) Controla la tabla de mediciones y permite: ● ● ●

Añadir medición ( ): añade una fila a la tabla y luego abre el cuadro de diálogo “Add Measurement”. Eliminar Medición ( ): elimina la fila seleccionada. Editar medición ( ): abre el cuadro de diálogo Edit Measurement para la medición seleccionada en ese momento.

● Rulers (reglas) ( ): abre el cuadro de diálogo Ruler Settings. Ejemplo de tabla de mediciones:

Columnas de la tabla de mediciones Name El nombre de la medición. Span La sección de la forma de onda que se desea medir. Por defecto se configura a “Whole trace” (toda la señal). Value El valor actual de la medición, desde la última captura Min El valor mínimo de la medición desde que se inició. Max El valor máximo de la medición desde que se inició Average La media aritmética de las mediciones desde las últimas n capturas, donde n se configura en la pestaña General de las preferencias. � La desviación estándar de las mediciones desde las últimas n capturas. Capture El número de capturas utilizado para crear las estadísticas anteriores. Comienza en 0 Count cuando se ha habilitado el disparo, y realiza un recuento del número de capturas especificadas en la página General de las preferencias.

Utilizar las reglas para medir una señal Utilización de una sola regla para las mediciones de la señal: ● Busca la barra de herramientas Channels para encontrar el código de color correspondiente al canal que se desea medir: ●

Busca el handle (mango) de la regla (el pequeño cuadrado de color de la esquina superior izquierda) del mismo color que el canal:

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Tecnología Electrónica Práctica: Circuitos AC ● Arrastra el mango de la regla hacia abajo. Aparecerá una regla de señal (línea horizontal de trazos) en la vista. Suelta el mango de la regla cuando la regla esté en el punto que deseado.

●

Busca la leyenda de la regla (la tabla pequeña que aparece en la vista). Debería incluir una fila marcada con un pequeño cuadro del mismo color que el mango de la regla. La primera columna muestra el nivel de señal de la regla.

Utilización de dos reglas para mediciones diferenciales: ● Sigue los mismos pasos que para la utilización de una sola regla. ● Arrastra el mango de la segunda regla del mismo color hacia abajo hasta que la regla esté al nivel de la señal que debe medirse. ● Busca nuevamente la leyenda de la regla. La segunda columna muestra ahora el nivel de la señal de la segunda regla, y la tercera columna mostrará la diferencia entre las dos reglas.

Ejemplo:

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Medir diferencias de tiempo ●

Busca el mango de la regla de tiempo (el pequeño cuadrado blanco de la esquina inferior izquierda de la vista de osciloscopio).

●

Arrastra el mango de la regla hacia la derecha. Aparecerá una regla de tiempo (línea vertical de trazos) a través de la vista de osciloscopio. Suelta el mango de la regla cuando esté en el tiempo que desee utilizar como referencia.

● ●

Arrastra el segundo mango a la derecha para situar la regla en el instante que deba medirse. Busca la leyenda de la regla (la tabla pequeña que aparece en la vista de osciloscopio). Debería incluir una fila marcada con un pequeño cuadrado blanco. Las dos primeras columnas muestran los tiempos de las dos reglas, y la tercera columna muestra la diferencia de tiempo.

Ejemplo:

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1.3. Medidas offline con el software PicoScope y modo demostración Inicia el software PicoScope sin tener el osciloscopio conectado por USB. En el cuadro de diálogo “No Device Found” que pide conectar a un equipo de demostración selecciona No. ● ●

Ir al menú File > Open y carga el fichero PicoScope-samples-without-measurements.psdata Debería aparecer una ventana como la de la siguiente figura:

●

Haz clic en el botón Measurements para abrir el cuadro de diálogo Add Measurement:

●

Añade las medidas siguientes (selecciona “Whole trace” y canal A): ○ Maximum: nivel más alto que alcanza la señal. ○ Peak To Peak: valor pico a pico, o también cresta a cresta. ○ Frequency: número de ciclos de la forma de onda por segundo. ○ Cycle Time: PicoScope tratará de encontrar un patrón de repetición en la señal y medirá la duración de un ciclo (período). ○ DC Average: valor medio (valor de continua o de DC) de la señal de entrada. Si el modo de acoplamiento es AC, entonces esta medida siempre será un valor próximo a cero independientemente del valor medio de la señal a la entrada del osciloscopio. ○ True RMS: Valor eficaz (o también valor cuadrático medio o valor RMS) de la forma de onda, incluyendo la componente de continua. ○ AC RMS: amplitud de la señal de entrada expresada en valor RMS (eficaz). Se calcula de forma análoga al True RMS pero eliminando previamente el valor medio (DC) de la señal de entrada. Página 10 de 20

Tecnología Electrónica Práctica: Circuitos AC ● Se debería de obtener una ventana similar a la de la siguiente figura. Se corresponde con la ventana que se obtiene si se abre directamente el fichero PicoScope-samples-with-measurements.psdata

En este punto es posible realizar los ejercicios E1.1 en adelante.

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Ejercicios 1. Generación y medida de formas de onda Material necesario: 1. PicoScope 2204A. 2. Un PC con conexión USB y el software Picoscope instalado. 3. El multímetro Tenma.

1.1. Generación y medida de sinusoides sin componente de continua (DC) E1.1. Utilizando el generador de funciones y el osciloscopio PicoScope, genera una onda sinusoidal con una amplitud (diferencia entre el valor máximo y el valor medio) de 1 V, una frecuencia de 100 Hz y sin componente de continua (DC offset). Recuerda que la componente de continua (DC offset) de una señal es su valor medio 1. Conecta el osciloscopio al PC mediante el correspondiente cable USB. 2. Inicia el software PicoScope y comprueba que el osciloscopio se detecta correctamente. 3. Conecta la salida AWG del PicoScope al canal A del osciloscopio mediante la interconexión de las correspondientes pinzas rojas y las negras entre sí. 4. En el software PicoScope, selecciona el menú Views > View properties para mostrar la ventana de propiedades en la parte derecha de la pantalla. Nos proporciona información acerca del período de muestreo (intervalo entre dos muestras consecutivas), frecuencia de muestreo, número total de muestras y la configuración del canal. 5. Pulsa en el botón Signal Generator para abrir el correspondiente cuadro de diálogo. 6. Marca la casilla “Signal On” para activar el generador y configura los parámetros como se muestra en la figura:

7. Pulsa en el botón de ajuste de configuración automática en la barra de herramientas. 8. Configura el modo de disparo a Auto. 9. Deja el rango de entrada configurado como Auto y el modo de acoplamiento a DC. 10. Añade las siguientes medidas y toma como intervalo de medida toda la señal: Maximum, Peak To Peak, Frequency, Cycle Time, DC Average, True RMS y AC RMS. 11. Debería aparecer una ventana como la de la figura de abajo.

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