F-II Pract 03 Manejo Osciloscopio y G. Señales

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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

DE LA FUERZA ARMADA BOLIVARIANA

NÚCLEO ARAGUA-SEDE MARACAY

DEPARTAMENTO DE ESTUDIOS BÁSICOS DE INGENIERIA

CÁTEDRA DE FÍSICA

PRACTICA Nº 3 MANEJO Y USO DEL OSCILOSCOPIO Y DELGENERADOR DE SEÑALES

OBJETIVO 1: Analizar el funcionamiento del osciloscopio y del generador de señalesen el Laboratorio de Física II.

OBJETIVO 2: Emplear el osciloscopio como instrumento de medición.

OBJETIVOS ESPECIFICOS:

1. Adquirir destreza en manejo y funcionamiento del osciloscopio.

2. Adquirir destrezas en el manejo y funcionamiento del generador de

señales,

3. Utilizar el osciloscopio como instrumento de medición de tensión.

4. Emplear el osciloscopio como instrumento de medición de

frecuencia diferencias de fases.

5. Utilizar el generador de señales para proporcionar una señal

especifica.

6. Utilizar el generador de señales y el osciloscopio para visualizar las

"figuras de Lissajous" para medir frecuencia y diferencia de fase.

MATERIALES A UTILIZAR:

fuente de tensión alterna de 120Vac

1 osciloscópio

1 generador de señales 1 transformador de relación 1:1(l20:120)Vac ./ 8 cables de

experimentación.

1 transformador de 120 a 6,3 Vac.

1 transformador de relación 1:1 ( 120 a 120 Vac)

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1 osciloscopio de dos canales.

2 generadores de señales.

1 interruptores con protección contra sobre cargas.

1 pila de 1,5 V dc.

1 fuente de poder variable con salidas AC y DC.

1 punta de prueba con atenuador Xl, X10 y X100.

1 voltímetro DC.

1 voltímetro AC.

12 cables de experimentación.

INFORMACIÓN FUNDAMENTAL:

Osciloscopio: es un instrumento que nos permite medir y analizar en formavisual los diferentes tipos de corriente eléctrica tomando en cuenta su variación en eltiempo, así como también cualquier señalo forma de onda completa.

Básicamente está formado por un tubo de rayos catódicos. En éste tubo uncañón de electrones dirige un haz contra una placa frontal de vidrio recubierta por unmaterial fluorescente que emite luz al ser bombardeado por los electrones.

Este haz puede ser desviado por dos placas paralelas de desviación horizontaly dos placas paralelas de desviación vertical. Una unidad de base de tiempo,proporciona una señal de "diente de sierra" que alimenta a las placas verticalesdeformadas también "placas deflectoras X". Esta tensión de alimentación hace que el

haz de electrones se desplace de izquierda a derecha a una velocidad constante.

Figura N° 1 Esquema del tubo de rayos catódicos.

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Pantalla del osciloscopio(reticula o cuadricula)



Figura N 2. Pantalla del osciloscopio. Funcionamiento:

El osciloscopio compara la señal que recibe a través de las placas dedesviación vertical Y con la señal de "diente de sierra" (señal interna delosciloscopio) a través de las placas de desviación horizontal X y la traza en lapantalla.

Reproducción de una señal sinusoidal en la pantalla del tubo de rayoscatódicos al compararla con una señal de "dientes de sierra" en forma sincronizada.

Figura N°3

Los osciloscopios desde el más sencillo hasta los más modernos dan en formagráfica dos tipos de información: amplitud y duración de la señal. El osciloscopiorecibe la señal producto de un fenómeno eléctrico, la analiza internamente y latraduce para proyectarla sobre la pantalla.

Controles Normales de un Osciloscopio.

La figura 4 corresponde a un osciloscopio sencillo de uso general.

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Figura N° 4. El osciloscopio.

Osciloscopio y las partes que lo conforman:

1) Sección del tubo de rayos catódicos y sus controles: en esta sección se consiguen

los siguientes controles:

a) Encendido (POWER): sirve para energizar el instrumento (ON) y tan1bién

para apagarlo (OFF).

b) Intensidad (INTENSITY): le da el trazo mayor o menor luminosidad.

c) Foco (FOCUS): con este control aumentamos o disminuimos el espesor deltrazo (trazo fino ó trazo grueso). Se logra mayor nitidez.

d) Localizador del Haz (BEAM FINDER): al usarlo nos indica, en la pantalla,

donde se encuentra el haz de electrones en un momento determinado.

e) Punto de Prueba (PROBE ADJ): Terminal que contiene una señal de ajuste de

punta de prueba.

f) El Tubo de Rayos Catódicos: es el elemento que da la imagen visual del

fenómeno eléctrico examinado.

2) Sección horizontal: en esta sección aparecen los controles de disparo y la base del

tiempo. En la base del tiempo tenemos:

a) Selector de tiempo (SEG/DIV): esta perilla indica el tiempo que hay en una

división de la retícula y esta división se puede variar según convenga.

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b) Posición (POSITION): permite alinear los puntos que más interesan en una

señal con las líneas de la retícula (mueve el haz en forma horizontal).

c) En la sección de disparo (TRIGGERING):

i) Entrada X: sirve para recibir, externamente, una señal de disparo.

ii) Palanca selector de alimentación (SOURCE): indica el tipo de señal de

disparo. Si es interna (INT) el disparo es obtenida de la señal representada. Si

es de línea (LINE) el disparo es obtenido de la fuente de alimentación del

osciloscopio, si es externa (EXT) la señal de disparo se obtiene de una fuente

externa.

iii) Palanca selector de modo (MODE): determina la naturaleza del disparo. Si

es automático (AUTO) o normal (NORM).3) Sección vertical:

a) Entrada Y: viene indicada con su impedancia de entrada. Por ella se introduce

la señal que se va a analizar.

b) Selector de voltaje (VOL TS/DIV): con esta perilla se selecciona el voltaje

por cada división de la retícula.

c) Acoplador de entrada (INPUT - COUPLING): tiene tres posiciones:

i) GND: tierra para establecer el nivel de referencia cero.

ii) DC: corriente continua (sí la señal a medir es continua).

iii) AC: corriente alterna (si la señal a medir es alterna).

iv) Posición (POSITION): permite alinear los puntos que más interesan en

una señal con las líneas de la retícula (mueve el haz de luz en forma vertical).

Nota: existen numerosos osciloscopios con mayor cantidad de controles pero

estos descritos anteriormente son los normales.

4) Disparos y sincronización:

En la sección horizontal nos conseguimos con el control de disparo(TRIGGERING). Su función es crear imágenes estables en la pantalla del tubo derayos catódicos debido a superposición, en forma adecuada, de las muestras de unadeterminada señal.

Para que una señal se reproduzca en la pantalla del osciloscopio de formaestable es necesario que el inicio del barrido se produzca a partir de un punto elegidoy solo durante un cierto tiempo.

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La fuente de disparo puede ser una señal externa (EXT) o una señal interna(INT), la misma de la red.

El selector de disparo determina el modo de acoplamiento de la señal dedisparo (continua o alterna) y la pendiente elegida cuando sube o cuando baja y el

control de nivel de disparo permite seleccionar el punto de inicio del barrido y fija unnivel de voltaje continuo.El modo de disparo (MODE) se refiere a la repetición de los barridos, si es

normal (NORM) el disparo se produce cuando se alcance el nivel del voltajepreseleccionado y no hay barrido hasta que alcance el nivel. Si es modo automático(AUTO) se selecciona un tiempo de 0,2 a 0,5 segundos y después de este se inicianbarridos sucesivos de forma espontánea.

En cuanto hay una nueva señal de disparo, se acaba el barrido en curso y sevuelve a esperar el tiempo correspondiente.

Si el modo es sencillo (SINGLE), después de un barrido, no se aceptan nuevosimpulsos de disparos hasta que se pulse la tecla de iniciación (RESET). Después de

esto acepta un único nuevo disparo.Ejemplo:

Figura Nª 5 Figura Nª 6

Base de Tiempo:Todos los osciloscopios poseen un circuito productor de tensión en "diente de

sierra", este circuito contiene un condensador que se carga a una tensión determinaday un tiempo determinado a este se le denomina base de tiempo.

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Figura N°. 7: señal diente de sierra.

Para obtener una imagen estable en la pantalla hay que asegurarse que eltiempo de la tensión de "diente de sierra" sea igualo múltiplo de la tensión que setrata de medir.

La base del tiempo se encarga de producir un movimiento del haz deelectrones de izquierda a derecha de la pantalla produciendo un recorrido denominado"barrido horizontal" el tiempo empleado en hacer este recorrido se fija con una perillaselector (SEG/DIV), la cual indica el tiempo que tarda el haz en correr una divisiónde la pantalla; o sea controla la longitud horizontal o duración de la imagenpresentada en la pantalla.

Con este tiempo (PERIODO) podemos obtener la frecuencia de la señal que

se observa en la pantalla.

Figura N° 8. Diagrama de bloques de un osciloscopio, muy simplificado para sumejor compresión.

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Puntas de Pruebas:Es un elemento adicional que utiliza el osciloscopio para hacer una medición

y se conecta al terminal de entrada Y.Para medir con ella es necesario poner en contacto el extremo de la punta de

prueba al punto donde se genera la señal y el terminal de tierra al chasis o al punto detierra del generador de la señal.Hay varios tipos de puntas de prueba según la atenuación para la cual está

diseñada. Así: Atenuador Xl (sin atenuación): significa que la señal es copia fiel de la

original. Atenuador Xl0: significa que la señal está dividida entre 10. Atenuador Xl00: significa que la señal está dividida por 100.

Las puntas con atenuación requieren de una compensación que no debehacerse a la punta de prueba para adaptarla al osciloscopio, y esto permite lareproducción de señales sin distorsión para el rango de frecuencia especificado por la

punta de prueba.La mayoría de los osciloscopios poseen una señal de ajuste interno quepermite compensar las puntas de prueba. Dicha señal es una onda cuadrada.

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Figura N° 9

Para compensar una punta de prueba:

Conéctela a la entrada Y del osciloscopio.

Coloque el control VOLT/DIV en una escala que nos da una amplitudaproximada de 2 o 3 voltios por división.

Coloque la base del tiempo en l ms/div ó l μs/div.

Toque con el extremo de la punta de prueba el terminal de la señal de

ajuste (PROBE ADJ).

Trate de compensarla hasta que aparezca en la pantalla una onda

cuadrada sin distorsión para l ms/div y para l μs/div.

Normas de Seguridad: Al energizar el osciloscopio tener el cuidado de conectarlo a la tensión de operación

del mismo.

Nunca golpear un osciloscopio al transportarlo ya que es muy susceptible a daños.

Al efectuar una medición debe cerciorarse que la escala de voltaje por

división es suficientemente amplia para soportar el voltaje que se va a medir,

de lo contrario se corre el riesgo de quemar el osciloscopio que es un

instrumento muy costoso.

Es conveniente aterrar la punta de prueba antes de efectuar la medición.

Generadores de Señales:

Un generador es una fuente de señal calibrada y estable. Su función esproporcionar la señal. Se emplea para:

Calibrar equipos de medición.

Pruebas en el laboratorio.

Alimentar dispositivos convertidores de señales.

Analizar la linealidad de un amplificador.

Estudiar la sintonía de los receptores.

Estudiar las características de materiales y componentes a distintas frecuencias.

Señales de prueba en sistemas digitales.Clasificación: se clasifican según la banda de frecuencia que cubren y las

formas de ondas que permiten obtener:

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1) Según las frecuencias:

a) Generadores de audio frecuencias (AF) para frecuencias comprendidas entre

0,01 Hz y 10Hz.

b) Generadores de radio frecuencias (RF), para frecuencias comprendidas entre 1

khz y 1000Mhz.

c) Generadores de señales de microondas para frecuencias comprendidas entre 1

y 40 Ghz (este rango no es generable por un solo instrumento)2) Según la forma de onda de salida:

a. Generadores de ondas triangular, cuadrada y senoidal.

b. Generadores de ondas senoidal modulada.

c. Generadores de barrido (modulación FM lenta y cíclica).

d. Generadores de pulso (pulso cuadrado).e. Generadores de palabras digitales y datos.

f. Generadores de miras de TV.

g. Generadores de forma de onda arbitraria.

Todos estos generadores tienen una función específica que es la deproporcionar una señal calibrada i estable. Si esta señal puede describirse n1edianteformulas matemáticas simples (funciones) decimos que es un generador de funciones.Estudiaremos un generador de este tipo.

Generadores de Funciones:

Como generador de funciones se obtienen tres tipos de forma de onda (loscuales representan una función matemática cada una).

Onda triangular, se emplea para medidas de nivel de disparo. estudios

de la linealidad.

Onda cuadrada, se aplica al análisis de respuestas transitoria.

Onda senoidal, adecuada para el estudio de la respuesta frecuencial.Funcionamiento del Generador de Funciones: con este generador se obtiene

solamente frecuencias comprendidas en un rango de 0,1 hz a 3Mhz.

Para obtenerla se utilizan los siguientes controles:

Control de encendido, (POWER)

Selector de función (FUNCTION SWITCH): con este control se fija la onda

(cuadrada, triangular ó senoidal).

Selector compensador de DC (.OFFSET): con este control podemos correr la

onda en sentido vertical colocándola en otro nivel de voltaje.

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Selector de amplitud (AMPLITUDE): ajusta el voltaje de pico a pico de la

onda. Se llama también perilla de atenuación porque se utiliza para aumentar

o disminuir la amplitud de la onda.

Selector de frecuencia (FREQUENCY HZ DIAL): sirve para fijar una

sintonía fina de frecuencia entre 0,1 Hz y 30 Hz, pero utilizado con el control

multiplicador (FREQ VERNIER MULTIPLIER) aumenta este rango.

Conector BNC de salida (OUTPUT CONECTOR): es el punto por donde se

obtiene la señal. Para recoger dicha señal se utiliza un cable coaxial con toma

B N C de entrada.

Conector BNC para salida de1 disparador (TRIG OUT CONECTOR): se

utiliza para sincronizar una señal con la señal del generador. Controlador de frecuencia por voltaje (VCF IN CONECTOR): sirve para

variar la forma de onda de salida o modularla.

FIGURA Nº 10

Antes de poner en funcionamiento el osciloscopio es necesario hacer ciertosajustes que faciliten su funcionamiento para ello se debe seguir las siguientes normas:

Llevar la perilla de-intensidad a cero (girar a la izquierda).

Colocar la palanca de disparo (SOURGE) en la posición interna (INT)

Colocar la palanca de disparo (MODE) en la posición automática (AUTO).

Ajustar el control de segundos por división (VOL T/DIV) en la máxima

escala que posea.

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Colocar el control AC, GND, De en la posición GND.

Asegurarse de conectar el osciloscopio a una fuente con toma de puesta a

tierra. Si no hay esta toma en el lugar de trabajo, debe hacerla el instructor. Si

el tomacorriente del osciloscopio no viene con toma de tierra conéctelo

siguiendo las indicaciones del fabricante.

Encender el osciloscopio.

Apretar el localizador de haz (BEAM FINDER) y mantener lo apretado

mientras se le da intensidad, a la señal con la perilla INTENSITY hasta que

aparezca una imagen en pantalla.

Centrar el haz que aparece en la pantalla, mientras el BEAM FINDER,

moviendo las perillas de posición horizontal y vertical. Soltar el BEAM FINDER y ajustar con el foco (FOCUS) la imagen hasta

lograr nitidez.

El resultado final de esta debe ser la mostrada en la figura 11

Figura N° 11

A partir de este momento el osciloscopio está preparado para realizar lasmediciones deseadas.

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Mediciones de Tensión:

1. Tensión continua (DC): se requiere verificar el voltaje que proporciona una pila que

marca 1,5V.

Procedimiento:

Siguiendo todas las normas antes descritas coloque la línea horizontal que

coincida con una línea de la retícula. Este será tu nÍvel de cero voltios. Coloque

la palanca de control AC, GND, DC en DC.

Como el voltaje a medir está por el orden de 1 ,5V, se selecciona en la

perilla de VOLTS/DIV la escala 1 V por división.

Se conecta una punta de prueba de X 1 en la entrada vertical Y.

El extremo de la punta se conecta al positivo de la pila y la otra toma al

negativo de la pila como se ilustra en la figura 12. Lea con un voltímetro

DC entre los terminales de la pila y compare.

Figura N° 12

Si se invierten las polaridades de la punta de prueba se obtendrá un nivelde voltaje negativo por debajo de cero.

Haga lo mismo con el voltímetro DC.

2. Tensión Alterna.(AC): se requiere medir el voltaje que proporciona la red

de energía eléctrica del laboratorio de Física de la UNEFA (120V).

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Procedimiento:

Siguiendo todas las normas de seguridad antes descritas, coloca la línea

horizontal que coincida con la línea de la retícula. Este será su nivel

cero voltios asegúrese de colocar la palanca de control AC, GND, DC

en la posición AC.

Como el voltaje a medir esta por el orden de los 120V y los

osciloscopios no están diseñados para medir tensiones por encima de

los 20 voltios, es necesario acoplarle una punta de prueba del tipo X

10, es decir que atenúa la amplitud de la onda por 10.

El voltaje a medir se multiplica por √2 ya que el osciloscopio refleja

solamente la tensión pico que está por el orden de los 170V (l20√2 ≈170V)

La AC generalmente tiene un polo vivo, por lo tanto el terminal

positivo de la punta de prueba debe tocar este polo y nunca se conecta

el terminal negativo de la punta de prueba al polo vivo de la red.

Para conocer cual es el polo vivo de la red, previamente se toca uno y

otro con el terminal positivo de la punta de prueba donde aparezca la

señal, ese será el polo vivo. Para aislar la tensión de tierra se recomienda pasar la señal por un

transformador de aislamiento 1 a 1 y así se puede evitar el peligro de

un posible cortocircuito, ya que se elimina la referencia de tierra y el

voltaje queda flotante.

Figura N° 13

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Conecte la punta de prueba X 10 a la entrada vertical Y.

Con el terminal positivo de la punta se hace contacto en un punto de la red yasí se obtendrá una señal sinusoidal en la pantalla figura 14.

En caso de que la señal no de la traza deseada se control con la perilla

SEC/DIV. Compare la tensión de la pantalla con la leída con el voltímetro observe la

diferencia.

Figura N° 14

3. Medición de Frecuencia: para realizar una medición de frecuencia la señal debe

variar alternativamente en el tiempo. Mida la frecuencia a la cual varía la

tensión de la línea con que alimenta el osciloscopio en este ensayo.

Procedimiento:

Proceda de igual forma que para la medición del voltaje. Una vez que se tiene

la señal efectúe el siguiente procedimiento:

Ajuste la perilla SEG/DIV hasta que aparezca claramente un ciclo. Si este

ciclo se mueve sincronice con el control LEVEL y la perilla POSITION

horizontal, hasta estabilizar la señal.

Lea el tiempo fijado en la perilla (2ms). Lea en la pantalla las divisiones que abarca el ciclo (4,2 divisiones).

Calcule el periodo de duración de este ciclo multiplicando el número de

divisiones por el tiempo (T = 16,8ms)

Calcule la frecuencia aplicando la ecuación f = I/T (f = 59,52 HZ) y

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compárela con la frecuencia de la línea de alimentación, con los datos

aportados por el instructor.

4. Figuras de Lissajous: reciben el nombre de "figuras de Lissajous" unas curvas

características que son el resultado de la mezcla de dos ondas sinusoidales de igualodiferente frecuencia.Para obtenerlas se utiliza el osciloscopio y dos generadores de frecuencia que seconectan uno a la entrada horizontal y el otro a la entrada vertical del osciloscopio(también se pueden hacer con un generador y una señal alterna producto de unafuente de poder) como se observa en la figura 16.

Figura N° 15

Algunas de las curvas que se pueden obtener son:

Figura N° 16

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5. Mediciones de la frecuencia Utilizando las Figuras de Lissajous: medir la

frecuencia a la cual varía la tensión de una línea de 120V de AC.

Procedimiento: Calibre el osciloscopio siguiendo las normas de seguridad.

Coloque la palanca (SOURGE) en posición X-Y; en caso de mantener esta

posición, coloque en EXT

Utilice el transformador de 120V a 6,3V, como señal a la cual se va a medir la

frecuencia, y este se conecta a la entrada horizontal (X) del osciloscopio.

Conecte el generador de AF a la entrada vertical (Y) del osciloscopio. Ajuste

a una frecuencia determinada hasta obtener una recta, una elipse o unacircunstancia, realice el montaje como el de la figura 17.

Figura N° 17

Sí aparece una circunferencia nos indica que la frecuencia que esta entrando

por X es igual a la que marca el generador de AF, que en este caso son 60 Hz

(6x10).

Puede suceder que al variar la frecuencia del generador de AF aparezcan otras

figuras como las representadas anteriormente. En este caso calcule la

frecuencia a través de la relación matemática:

Fv/FH = TH/Tv donde:

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FH: es la frecuencia desconocida.Fv: es cualquier frecuencia conocida, sintonizada en el generador de AF diferente de60 Hz.TH: son los puntos de tangencia de la figura de Lissajous con el eje horizontal.

Tv: son los puntos de tangencia de la figura de Lissajous con el eje vertical.

Supóngase que en el osciloscopio obtuvimos la siguiente figura 18.

Figura N° 18

6. Medición de Diferencia de Fases: para poder medir una diferencia de fase es

necesario que existan al menos dos señales. Estas señales deben ser de igual

frecuencia.

Un método para determinar la diferencia de fase entre dos ondas sinusoidales

de igual frecuencia y amplitud es mediante el análisis de las figuras de

Lissajous.

Proceda como en el caso de las mediciones de frecuencia. En la pantalla del

osciloscopio puede aparecer cualquier figura de Lissajous.

Supóngase que en la pantalla del osciloscopio aparece la figura 19 donde:

a: distancia entre el origen cero (O) y el punto de corte con el eje Y.b: la distancia máxima entre el eje X y la curva Lissajous.La relación a/b es el valor del seno (sen) del ángulo de desfase entre las dos señales.senθ = a/b entonces e = arcsen a/b donde θ es el ángulo de desfase.

Varíe la frecuencia en ambos generadores para 5 casos

diferentes y obtenga las diferencias de fase. Aplicando la

ecuación:Fv / FH = TH / Tv

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Fv= 36 Hz

Tv= 5 s

TH= 3 sFH =?

FH = Fv Tv / TH

FH = 36(5) / 3FH = 60Hz.



Figura N° 19

PREGUNTAS:

1. ¿Que es un o osciloscopio?2. ¿Que es un generador de señal?3. ¿Cuál es la función de un generador de señal?4. ¿Cuál es la función de un osciloscopio?5. ¿Cuándo debemos utilizar una señal cuadrada?6. ¿Es el osciloscopio el instrumento mas apropiado para medir diferencia de

potencial?7. ¿Para qué sirve un osciloscopio?8. Señales las partes más importantes de un osciloscopio.9. ¿Para qué se utiliza la perilla VOL TS/DIV?10. ¿Qué son generadores de señales?

11. ¿Qué tipo de onda más común se obtiene con un generador de frecuencia?12. Para qué se utiliza la punta de prueba en el osciloscopio?13 ¿Que significa que una punta de prueba esté compensada?14. Se tiene fija una "onda sinusoidal en un osciloscopio la cual abarca 6

divisiones. La perilla SECIDIV marca 1 μs. Halle la frecuencia de dicha señal.15¿Cómo se puede identificar el polo vivo de una fuente de poder con la

punta de prueba?16. Si la tensión registrada en la pantalla del osciloscopio de pico - pico es

200 voltios. ¿Cuál es la tensión de la fuente?17. ¿Para qué sirve el TRIGGER?18. Enumere los controles del osciloscopio que afecta a:

a) La altura de la forma de onda.b) La anchura de la traza.c) El brillo de la traza.d) La definición o nitidez de la traza.e) La posición de la trazaf) La inmovilidad de la forma de onda.19. ¿Cuál es la función del transformador de la figura 13.?

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