Manejo de Osciloscopio

5/19/2018 Manejo de Osciloscopio

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6-A MANEJO BSICO DEL OSCILOSCOPIO

TAREA DE PREPARACIN

Lea cuidadosamente la seccin 3 de la gua y con sus compaeros discuta las siguientes

preguntas referentes al funcionamiento del osciloscopio.

1. Explique las principales semejanzas y diferencias entre los rayos catdicos y los

rayos luminosos.

2. Explique porqu y de qu manera el osciloscopio puede emplearse como medidor

de tiempo

(Sugerencia: relacione la pregunta con el hecho de que el haz de rayos catdicos recorre horizontal y uniformemente la pantalla)

3. Explique porqu y de qu manera el osciloscopio puede emplearse como medidor

de voltaje

(Sugerencia: relacione la pregunta con el desplazamiento vertical del haz de rayos catdicos sobre la pantalla).

4. Cul es la ecuacin matemtica para la funcin voltaje(aplicado al sistema dedeflexin horizontal) versus tiempo?. Discuta la funcin de los parmetros que

aparecen en dicha ecuacin.

Experimentacin Fsica II 43


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6-A. MANEJO BSICO DEL OSCILOSCOPIO1. Objetivos:1. Adquirir la destreza de medir tiempos y voltajes con el osciloscopio.

2. Practicar las tcnicas para el anlisis de datos de transformacin de variablesyregresin.

2. IntroduccinEsta guia tiene dos partes. La primera expone brevemente el principio del funcionamiento

del osciloscopio, un instrumento de importancia fundamental en la ciencia y la tecnologa.

Esta parte debe ser estudiada con anterioridad a la sesin de laboratorio. La segunda parte

busca ensear de manera prctica los procedimientos bsicos de medicin con este aparato.

Est diseada como una hoja de trabajo para ser llenada durante la prctica misma.

3. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL OSCILOSCOPIO

El osciloscopio es un instrumento que que sirve para visualizarcmo vara un voltaje en eltranscurso del tiempo. Es decir, permite apreciar directamente la evolucin de una seal

elctrica con relacin al tiempo, creando electrnicamente una imagenidntica al grfico ocurva que representa la funcinV(t), donde la variable dependiente V significa Voltajey lavariable independiente t es el Tiempo. Tal voltaje variable existe fsicamente en un circuito

elctrico que se quiere estudiar, y se denominaseal.

3.1 Partes del Osciloscopio:

I. Tubo de rayos catdicos (TRC). Es la parte fundamental del osciloscopio, puesto quemuestra la seal V(t) a visualizar. A su vez consta del can de electrones, del sistemadeflector y de la pantalla fluorescente. El can produce un haz de electrones de la manera

indicada en la gua #3 (DEFLEXIN ELCTRICA DE ELECTRONES). Se regulamediante los controlesINTENSIDADy FOCO delosciloscopio. El sistema deflector

desva lateralmente el haz en direcciones tanto horizontal como vertical; consta (ver figura

1) de dos pares de placas paralelas, uno vertical (para desviacin horizontal), y el otro

horizontal (para deflexin vertical). Por ltimo la pantalla indica la desviacin horizontal yvertical del haz; al estar recubierta de material fluorescente (que produce luz cuando los

electrones chocan contra el material) aparece un punto luminoso en el lugar donde el haz

incide sobre la pantalla.



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Figura 1. La deflexin de un haz de electrones en un TRC depende de la orientacin de las placas:(a) placas horizontales, desviacin vertical (b) placas horizontales y verticales, desviacin vertical y

horizontal respectivamente.

II. Base de tiempo. Es el circuito que produce el voltaje aplicado a las placas de desviacinhorizontal, y por el cual el osciloscopio nos sirve para medir tiempos Esta unidad

proporciona una seal elctrica !en diente de sierra"; esto es, una tensin que vara con el

tiempo en la forma indicada en la figura 2.

VHorizontal

t

T0

. . . .

Figura 2. Forma de una seal diente de sierra vista en el osciloscopio.

El voltaje aumenta linealmente durante un perodo de tiempo To, despus del cual cae casi

instantneamente a su valor inicial. Al aplicar este voltaje al sistema de deflexinhorizontal, el haz electrnico se desva a velocidad uniforme en sentido horizontal. As

mismo el punto luminoso se desplaza sobre la pantalla, recorriendo desde su extremo

izquierdo hasta el derecho en el tiempo To . Cuando el voltaje vuelve a su valor inicial el

punto luminoso regresa tambin a su posicin inicial, en el extremo izquierdo de la

pantalla. El perodo T0de la seal diente de sierra se denominaperodo de barridohorizontal del osciloscopio. Puede ser variado por el operador mediante el control delpanel del osciloscopio, denominado TIME/DIV(o base de tiempo). Su rango variaampliamente, desde el orden de dcimas de microsegundos hasta el de los segundos.

III. Circuito de amplificacin vertical:



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La seal de voltaje que se quiere visualizar se aplica a las placas de deflexin vertical, de

manera que el haz est simultneamente sometido a una desviacin horizontal y otra

vertical. La posicin horizontal del punto sobre la pantalla es pues proporcional al voltaje

diente de sierra generado por la base de tiempo, mientras su posicin vertical es

proporcional a la seal.

Para analizar seales dbiles que no alcanzaran a desviar el haz electrnico en el

osciloscopio se requiere amplificarlas. Para ello el instrumento est dotado de una unidad

de amplificacin para la seal (vertical). El factor de amplificacin determina la

sensibilidad del osciloscopio como medidor de voltaje. Este factor se ajusta por medio del

control de ganancia vertical denominado VOLT/DIV. Este control permite variar laamplitud de la imagen en la pantalla. Sus posiciones estn en el rango de los milivoltios

por divisin, hasta cinco voltios por divisin.

IV Circuito de sincronizacin

Para que la figura que aparece en la pantalla sea estable se requiere adems, como

enseguida explicaremos, que el inicio del desplazamiento o barrido horizontal del haz

permanezcasincronizadoo acompasado con la seal. Esto se logra mediante la unidad desincronizacin. Como muestra la figura 3, esta unidad regula constantemente al generador

diente de sierra segn la variacin de la seal aplicada. Son varios los controles que

afectan esta unidad, cuyo manejo requiere una avanzada familiaridad con el instrumento

(para esta prctica se deben dejar en las posiciones que se indicarn en la parte 4.2).

Figura 3. Diagrama de bloques de las partes de un osciloscopio

3.2 Funcionamiento del osciloscopio



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Para comprender el principio de formacin de la imagen en el osciloscopio examine la

figura 4. Suponga que tenemos una seal peridica de igual perodo que el voltaje de

barrido horizontal, siendo Toel valor comn del perodo. Considere el intervalo 0


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El eje del tiempo se encuentra rotado en 90, de modo que la variable X(t) aparezca

horizontalmente. La seal Vy(t) o, equivalentemente, la posicin Y(t) del haz, tiene el

mismo perodo que la funcin X(t).

Obsrvese que hemos fijado como el origen del tiempo el instante en que comienzan, tanto

el ciclo de barrido horizontal, como el ciclo de la seal. Ambos ciclos terminan igualmente

en un mismo instante t1 = T0 Lo mismo sucede para el segundo ciclo de ambos voltajes,

que terminan en t2 = 2T0y as sucesivamente. Esta condicin se logra como efecto de la

unidad de sincronizacin del osciloscopio.

Si los perodos de la seal y el barrido horizontal estn en relaciones arbitrarias, es fcil ver

que las imgenes que se forman en los ciclos sucesivos no se superponen, y por tanto no se

observa una nica imagen.

Se quiere visualizar en el osciloscopio un voltaje V2peridico en el tiempo (siendo T2su perodo), aplicndolo a las placas de deflexin vertical. Demuestre que la condicinpara que la imagen consista en N perodos completos de V2es

T2= T0 /N

Un osciloscopio es un instrumento complejo, por lo que esta primera parte de la gua es

apenas una introduccin elemental a la teora en la que se basa. En la siguiente parte de la

gua nos introduciremos en el manejo operativo del instrumento en su uso principal (aunque

hay otros usos del instrumento que por el momento se dejarn de lado): como visualizadorde la evolucin temporal de una seal de voltaje V(t). Al usarlo para este fin, las variables

X y Y de la figura 4 se sobreentienden, pues la posicin horizontal del haz se interpretadirectamente como representacin de la variable tiempoy la posicin vertical comorepresentacin de la variable voltaje.

4. PROCEDIMIENTO

La segunda parte de la gua est diseada como una hoja de trabajo, con instrucciones paraejecutar secuencialmente y con espacios en blanco que se deben llenar a medida que

desarrollan la prctica. Todos los integrantes del equipo deben tener oportunidad de operar

el instrumento, pues una parte muy importante de la evaluacin de esta prctica consiste en

demostrar las habilidades adquiridas en la sesin.

4.1. Materiales

Osciloscopio HITACHI V-2122. Tiene dos canales; es decir, puede graficar

simultneamente dos seales independientes de seal vertical, cada una con su control de

ganancia propio; pueden aparecer por tanto dos imgenes.

2Aunque los osciloscopios de diferentes marcas y modelos utilizen otros nombres para los controles, el modo

de operacin del osciloscopio es esencialmente idntico para cualquier modelo.



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Generador de seales PASCO.

Cables de Conexin

Cronmetro

4.2 Antes de comenzarLocalice los siguientes controles en el panel del instrumento y asegrense que estn

situados en la posicin indicada:

Controles del can de electrones

POWER OFF

INTENSITY Completamente a la izquierda

FOCUS Mitad

Controles de la base de tiempo

TIME/DIV 0,2 s

SWP VARCAL(calibrado)POSITION () Mitad

Controles del amplificador de la entrada vertical

VOLTS/DIV 5 VOLT! CALIBRADO (BOTN SUPERIOR COMPLETAMENTE A LA DERECHA)AC-GND-DC GNDPOSICIN () MitadMODE CH1Controles de la unidad de sincronizacinMODE AUTO

SOURCE INTLEVEL Hacia la mitadINT TRIG CH14.3 Control de la base de tiempo

Encienda el osciloscopio y ajuste laIntensidaddel haz electrnico (mediante el botnINTENSITY) hasta que sea visible un punto luminoso en movimiento a lo largo de la pantalla.Una intensidad excesiva durante un largo tiempo puede daar la pantalla.Posteriormente con el botnFOCUS,mejore la nitidez del punto. Si Ustedes no estn viendoun punto que se mueve lentamente de izquierda a derecha llamen al instructor. En qu se diferencian los controlesINTENSITYy FOCUS, desde el punto de vista de

los principios fsicos que operan dentro del osciloscopio?

Midan con el cronmetro el tiempo que tarda el punto para recorrer la pantalla. Piensen elmodo de disminuir al mximo la incertidumbre. El resultado experimental es ____ s. Estevalor debe ser aproximadamente igual al producto del nmero total de divisiones de lapantalla, por elfactor de escala horizontal(es decir, la posicin del control TIME/DIV):Nmero de divisiones: ___ x factor de escala: _____ (s/div)=______ s.NB: Una divisincomprende la distancia entre dos lneas completas sucesivas en lacuadrcula grabada en la pantalla del osciloscopio. No debe confundirse con lassubdivisionesmarcadas como segmentos cortos en los ejes de la cuadrcula.



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Qu significa el resultado obtenido, segn lo explicado en la parte 3 de la gua?

Cambien el factor de escala horizontal al siguiente valor. Observen el cambio de velocidad

del punto luminoso. Repitan la medicin y el clculo realizados para el primer valor.

Continen girando el control de la base de tiempo paso a paso, observando cmo cambia la

imagen a medida que el factor de escala horizontal se hace ms y ms pequeo (sin llegar a

la ltima posicin, marcada X-Y). Expliquen lo que sucede:

4.4 Visualizacin de una seal

Recordemos que la funcin principal del osciloscopio es visualizar una funcin voltajeversus tiempo. Al igual que en el proceso de dibujar el grfico de cualquier funcinmatemtica, para visualizar una funcin V(t) con el osciloscopio lo primero es fijar losfactores de escalapara los ejes. En nuestro caso, como hemos dicho, el eje horizontalrepresenta el tiempo y el vertical el voltaje. Por tanto, el factor de escala temporal es el

intervalo de tiempo representado por una divisinen el eje horizontal de la pantalla.Constituye pues el factor de conversin entre tiempo y distancia, medida en direccin

horizontal hasta el origen de tiempo, que podemos fijar a nuestra conveniencia. Ya

sabemos que este factor se fija mediante el control TIME/DIV. El control VOLTS/DIVhace lomismo para el factor de escala vertical, el valor en voltios que corresponde a una divisin

vertical.

Ahora van a aplicar a la entrada vertical un voltaje variable peridico, generado por elGenerador de Seales. Coloquen el control TIME/DIVen 0,1 ms, el control de frecuencia del

generador en 1kH y el tipo de seal en la posicin sinusoidal (). Conecten el generadorde seales con ayuda del asistente y ajusten la amplitud del generador hasta observar una

seal sinusoidal estable. Observen luego las seales triangular y cuadrada. Hagan en el

recuadro un esbozo cualitativo de la imagen observada, indicando las escalas sobre los ejes

de su diagrama.

Modifiquen el factor de escala horizontal para obtener varios perodos de la seal o

amplificando la seal horizontalmente (obteniendo un semiperodo, por ejemplo).



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Igualmente modifiquen el factor de escala vertical, amplificando y disminuyendo la

imagen.

4.5 Medicin de tiempos y voltajes. Clculo de frecuencia.Desplacen la imagen horizontal y verticalmente mediante los dos controles POSITION.Observen la utilidad de ambos controles para leercon precisin la posicin horizontal y/overtical de algn punto de la imagen, con respecto a otra posicin. En otras palabras,

aprecien su utilidad para medirel tiempo correspondiente a un voltaje dado, o viceversa.

Practiquen la medicin de tiempos y/o voltajes en una fraccin de divisin, con su

respectiva incertidumbre. Para ello debern tener en cuenta lo siguiente:

El control de posicin vertical permite bajar la imagen hasta que el voltaje cuyo tiempo

quiere medir se ubique en la lnea horizontal de referencia marcada en la pantalla.

Deben estimar visualmente la posicin, interpolando entre subdivisiones adyacentes,del punto de corte de la imagen con el eje horizontal (al medir tiempo) o el eje vertical (al

medir voltaje). No se limite a identificar la marca ms cercana al corte.

Para determinar la incertidumbre en tal posicin, debe tenerse en cuenta la anchura de la

trazay su inclinacin con respecto a la lnea de referencia.

Patrn de clculo para las mediciones de tiempo.

Distancia horiz.. _____ _____ (divisiones) xFactor escala ____ (seg/Div) =_________ _____ (seg)

Patrn de clculo para las mediciones de voltaje:.

Distancia vert.. _____ _____ (divisiones) xFactor escala ____ (V/Div) =_________ _____ (V)

Qu mediciones deben hacerse para obtener la frecuencia de la seal?. Escriban sus datos

y clculos en el siguiente recuadro, y comparen el resultado medido de la frecuencia con el

valor dado en el generador.

Practiquen las mediciones de frecuencia con diversas seales, usando todos los rangos defrecuencias que suministra el generador.

4.6 Medicin de voltaje alterno: amplitud, perodo y fase.Para terminar, deben medir sobre la pantalla del osciloscopio un nmero suficiente de pares

de datos (tiempo, voltaje) para obtener analticamente la funcin. Escoja unos factores de

escala horizontal y vertical, y/o una amplitud y frecuencia del generador, tal que la imagen

visible sea un poco menor que un cuarto de ciclo y ocupe casi toda la pantalla. Debe ser

similar a la de la figura 5. Pidan al profesor que verifique que la seal es apropiada.Midan los datos de VOLTAJE versusTIEMPOpara la seal, escogiendo convenientemente los



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ejes de la grfica o lneas de referencia. Al desplazar la imagen deben tener cuidado en no

perder la informacin sobre la fasede la seal. Lleven los datos a la tabla 1, a partir de lacual debern obtener una ecuacin matemtica para la funcin V(t) representada en la

grfica que aparece en la pantalla del osciloscopio. Por lo tanto deben tomar muchos

tiempos intermedios y los voltajes correspondientes.

Figura 5. Forma general de la seal a estudiar en la seccin 4.6

5. Anlisis de los datos

Ustedes deben efectuar una "regresin senoidal" a su tabla de datos VOLTAJE versusTIEMPO.Las palabras entre comillas indican la siguiente transformacin de la variable dependientevoltaje (V):

y = arcsen(V/Vmax)

La regresin lineal de y versus t debe tericamente dar un coeficiente decorrelacin muy prximo a 1. Por qu?

Interprete y calcule la pendiente y el intercepto de la recta de regresin (utilize laIntroduccin general a los laboratorios de Fsicapara calcular sus incertidumbres)Pendiente _________________________ = ______ _____ ( ____ )Intercepto _________________________ = ______ _____

6. INFORMESu informe debe contener la respuesta a la preguntas de la gua, la informacin solicitadaen los espacios en blanco, el anlisis de las grficas V vs t, y vs t.

BIBLIOGRAFA[1] Fsica tomo II,R. A. Serway, 4raedicin. Editorial Mc. Graw Hill.[2] Fsica Para Ciencias e Ingeniera, Tomo 2; Halliday - Resnick, Editorial CECSA



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Tabla de datos

Profesor Asistente Fecha

Alumnos

Tiempo t ( ) Voltaje V ( ) Tiempo t ( ) Voltaje V ( )

Frecuencia del generador:

Amplitud pico a pico (medida en el osciloscopio):

Perodo de la seal (medido sobre el osciloscopio):

Perodo de la seal (obtenido del anlisis):

Fase de la seal (obtenida del anlisis):


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