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EL OSCILOSCOPIO

Mauricio Muñoz 1431824, Camilo Ruiz 1324486, Felipe Téllez 1331425 Profesor: Jesús Evelio Diosa Astaiza 24 de Febrero de 2015 Departamento de Física, Universidad del Valle, A.A. 25360

Resumen — En este laboratorio se determinó las características básicas de una onda eléctrica mediante el uso de un generador de señales eléctricas y un osciloscopio; el generador producía una onda de tipo sinusoidal con una frecuencia establecía, a esta onda se le modificó el tiempo base por medio del osciloscopio para observar sus características físicas (periodo, frecuencia, voltaje) y así determinar si dichas caracteristicas encontradas por medio de cálculos coincidían con lo establecido por el generador, encontrándose un porcentaje de error aceptable. I. INTRODUCCIÓN Este laboratorio nos permite conocer el funcionamiento, manejo, aplicaciones del osciloscopio como medidor de tiempo y cómo voltímetro. El osciloscopio es un instrumento que permite visualizar la evolución de una señal eléctrica con relación al tiempo, o con respecto a otra señal. El osciloscopio consta de un tubo de rayos catódicos (TRC) que contiene un cañón de electrones, sistema deflector (con dos pares de placas para la desviación horizontal y otra para la desviación vertical) y un indicador de la posición del haz. En la pantalla del osciloscopio hay una cuadrícula que permite medir la intensidad del voltaje y el tiempo; El barrido horizontal que hace el haz de electrones representa el periodo que puede ser variado desde microsegundos por división hasta segundos por división y la magnitud vertical permite medir la intensidad del voltaje en un rango que va desde mili voltios por división hasta voltios por división. El movimiento del haz de electrones es realizado por una señal llamada diente de sierra, esto es, un voltaje periódico que crece linealmente con el tiempo. II. DISCUSIÓN TEÓRICA Principio de funcionamiento del osciloscopio El osciloscopio es un instrumento que permite visualizar la evolución de una señal eléctrica con relación al tiempo, o con respecto a otra señal. Consta de tres partes: el tubo de rayos catódicos y sus botones de control, nos provee del haz de electrones; la base de tiempo y sus controles nos permite desplazar el haz horizontalmente sobre la pantalla manipulando el

tiempo de barrido del haz sobre la pantalla conocida como base de tiempo; sistema de amplificación y sincronización, como su nombre lo indica, amplifica y sincroniza la señal eléctrica (voltaje) aplicada a las placas de desviación horizontal, llamada diente de sierra, con la señal eléctrica (voltaje) aplicada a las placas de desviación vertical. El haz se desplaza sobre la pantalla bajo la acción de los voltajes aplicados a las placas de deflexión horizontal y vertical. Las partes de que consta son internas dentro del osciloscopio y solo tenemos unas perillas para controlar los valores que nos permitan observar la señal y medir cuantitativamente tiempo (cronómetro) y voltaje (voltímetro). A continuación describimos en detalle estas partes del osciloscopio, enfatizando cómo medir las magnitudes físicas tiempo y voltaje sobre la señal eléctrica observada sobre la pantalla. Partes del Osciloscopio: Un tubo de rayos catódicos (TRC), que es el dispositivo indicador de una señal Vy(t), y como conocemos del experimento de deflexión eléctrica consta del cañón de electrones, sistema deflector y un indicador de la posición del haz, como se indica de manera esquemática en la figura 5.1.a., con su respectiva fuente de alimentación, la cual proporciona los potenciales adecuados para los rejillas y ánodos del cañón de electrones y la corriente para el filamento del T.R.C, intensidad que consta de dos pares de placas: un par para desviación horizontal y otro para deflexión vertical; El osciloscopio posee dos haces con dos placas de desviación vertical independientes. Se identifican como canal I y 2. Base de tiempo y/o generador de señales en forma de diente de sierra. Esta unidad proporciona una señal eléctrica “en diente de sierra”; esto es, un voltaje periódico que crece linealmente con el tiempo en la forma indicada en la figura 5. 1. b., y expresada matemáticamente como:

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Eliminando la variable t en (1) y (2), tendremos que el haz sobre la pantalla sigue la curva cuya ecuación es:

Figura 5. 1. a). La deflexión de un haz de electrones en un TRC depende de la orientación de las placas: (a) placas horizontales, desviación vertical (b) placas horizontales y verticales, desviación vertical y horizontal respectivamente.

Así la dependencia temporal queda expresada como un desplazamiento espacial en el plano xy sobre la pantalla del osciloscopio en donde la variable t está implícita. Cuando el período T0 de la señal diente de sierra es igual al período T del voltaje alterno, tendremos sobre la pantalla una sola onda sinusoidal; pero si la frecuencia del barrido es 2, 3, 4..., veces más pequeña, tendremos sobre la pantalla 2, 3, 4 períodos. En general cualquiera que sea la forma del voltaje en función del tiempo (sinusoidal, cuadrado, triangular o en forma de pulso irregular, como provenientes del cerebro o del corazón, o señales eléctricas provenientes de señales sonoras tendremos sobre la pantalla del osciloscopio la forma de la señal: cualitativa y cuantitavamente.

Figura 5. 1. b). Forma de una señal diente de sierra vista en el osciloscopio. El período de la señal diente de sierra es T0. Al aplicar este voltaje a las dos placas de deflexión horizontal se produce un barrido horizontal del haz de electrones sobre la pantalla desde el extremo izquierdo hasta el derecho que dura el tiempo T0; proceso que se repite periódicamente. Por esto la frecuencia de la señal en diente de sierra se denomina frecuencia de barrido horizontal del osciloscopio y puede ser variada a voluntad por medio del control de base de tiempo TIME/DIV. El rango de variación del período T0 va desde microsegundos hasta segundos. De acuerdo con la escala escogida, siempre y cuando el botón de calibración este girado hacia la derecha. Este es el fundamento sobre el cual el osciloscopio nos puede servir como medidor de tiempo. Se puede mostrar que este generador de barrido permite “visualizar” un voltaje de la siguiente manera: Sea un voltaje V variable con el tiempo, tipo sinusoidal de período T, aplicado a las placas de deflexión vertical:

A las placas de deflexión horizontal está aplicado el diente de sierra, que podemos expresar:

Amplificación vertical y circuito de sincronización Esta unidad permite una visualización directa de señales eléctricas que varían con el tiempo. El barrido del diente de sierra ha de estar sincronizado con la señal de entrada por lo que el generador diente de sierra ha de tener un circuito de sincronización para realizar esta función. Para analizar señales débiles en el osciloscopio que no alcanzarían a deflactar al haz de electrones, se requiere una amplificación previa de tales señales que se logra con una unidad de amplificación a la entrada de la señal. La amplificación se controla con las perillas que nos dan las diferentes escalas de lectura o rango de medida en voltios. Por esta razón el osciloscopio es un voltímetro; que nos permite observar no solo la amplitud el voltaje sino la forma de la señal eléctrica que entra a las placas verticales. En caso de tener dos canales nos indica que podemos observar dos señales simultáneamente, o incluso la suma de las dos. La figura 5.2 muestra un diagrama de bloques de las unidades fundamentales de un osciloscopio.

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Figura 5.2. Diagrama de bloques de las partes de un osciloscopio III. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y RESULTADOS

IV. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

V. CONCLUSIONES 1. Mediante la práctica se verifico la utilidad del osciloscopio como instrumento de medida del tiempo y el voltaje de una señal.

VI. REFERENCIAS

1. Guía de laboratorio de Física Experimental II. Departamento de Física, Facultad de Ciencias Naturales y Exactas, Universidad del Valle. 2. Serway A. Raymond, Ewett John, Física para ciencias e ingeniería. Vol. 2. CENGAGE      Learning, 2009.