LABORATORIO N° 2 FÍSICA III INFORME DE LABORATORIO N°2 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA “Osciloscopio como instrume
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LABORATORIO N° 2
FÍSICA III
INFORME DE LABORATORIO N°2
UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA “Osciloscopio como instrumento de medida” FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA Escuela Profesional de Ingeniería de Telecomunicaciones CURSO: FÍSICA III PROFESOR: PEÑA YALICO VICENTE ALUMNOS: - BRICEÑO FLORES, HAROLD JOEL
20152647A
- TORIBIO CUBA, JHON
20151425E
- OCHOA QUISPE, MARK
20152675E
- VELASQUEZ TANTAS, JHORDAN
20152695F
2017 1
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LABORATORIO N° 2
FÍSICA III
ÍNDICE
I.
OBJETIVOS…….………………………………………...(03)
II.
INTRODUCCIÓN………………………………………...(03)
III.
FUNDAMENTO TEÓRICO…………………………...(03)
IV.
MATERIALES Y EQUIPO UTILIZADO…….….….(09)
V.
PROCEDIMIENTO……………………………………....(10)
VI.
CÁLCULOS………………………………………..……...(17)
VII.
CONCLUSIONES……………………………………….…(19)
VIII. OBSERVACIONES………………………………………..(19)
2
IX.
CONCLUSIONES………………………………………….(19)
X.
BIBLIOGRAFÍA…………………………………………….(20)
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I.
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OBJETIVOS: Utilizar como instrumento para poder medir amplitud, periodo y frecuencia de diferentes funciones de voltaje periódicas en el tiempo.
Aprender a utilizar el osciloscopio de marera correcta.
II.
INTRODUCCIÓN:
Desde la aparición de los primeros dispositivos eléctricos, solo ha habido mejoras en el modo de vida del hombre. La electricidad, en la actualidad, es uno de los recursos más necesitados y utilizados. Se dice que el hombre moderno nunca habría evolucionado a este ritmo de vida si no se hubiera descubierto como manipular la electricidad. A lo largo de los años, se han creado distintos tipos de aparatos con el fin de calcular numéricamente el “valor” de esta electricidad. En este informe nos enfocaremos en el osciloscopio, un dispositivo eléctrico moderno utilizado para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo. Es muy usado en electrónica de señal, frecuentemente junto a un analizador de espectro.
III.
FUNDAMENTO TEÓRICO:
Un osciloscopio es un instrumento de medición electrónico para la representación gráfica de señales eléctricas que pueden variar en el tiempo. 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 3
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oscilograma. Suelen incluir otra entrada, llamada "eje Z" o "Cilindro de Wehnelt" que controla la luminosidad del haz, permitiendo resaltar o apagar algunos segmentos de la traza. Los osciloscopios, clasificados según su funcionamiento interno, pueden ser tanto analógicos como digitales, siendo el resultado mostrado idéntico en cualquiera de los dos casos, en teoría.
TIPOS DE OSCILOSCOPIOS OSCILOSCOPIOS ANALÓGICOS: La tensión o voltaje a 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 4
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permite adaptarse a la frecuencia de la señal a medir. Esto es lo que se denomina base de tiempos. OSCILOSCOPIOS DIGITALES: 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 un ordenador personal. 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 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.
COMPONENTES DE UN OSCILOSCOPIO Para comprender el funcionamiento de un osciloscopio en su totalidad, se debe tener en consideración que sus complejas funciones de mediciones se llevan a cabo por el funcionamiento de distintos subsistemas.
Las partes esenciales (o subsistemas) que se pueden distinguir son: - Tubos de rayos catódicos (TRC). - Amplificador X-Y ó sistema de deflexión horizontal-vertical. - Fuente de poder.
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- Puntas de pruebas. - Circuitos de calibración. La señal a medir se detecta por medio de las puntas de pruebas o sondas del osciloscopio (generalmente cable coaxial) e ingresa al osciloscopio (terminales de entrada del equipo). Con frecuencia la señal en este punto tiene una amplitud demasiado pequeña para activar el TRC. Se usa la amplificación antes de llegar a las placas de deflexión vertical. Con todo ello y dentro del TRC, se crea un haz de electrones mediante un cañón de electrones que es dirigido a una pantalla fluorescente creando un punto de luz en el lugar del impacto con la pantalla. Dicho haz se dirige en forma vertical en proporción a la magnitud del voltaje aplicado a las placas de deflexión vertical del tubo. Esta señal amplificada de entrada también está monitoreada por el sistema de deflexión horizontal, el cual tiene la misión de barrer horizontalmente el haz de electrones a través de la pantalla a una velocidad uniforme.
La deflexión simultánea del haz de electrones en la dirección vertical (por el sistema de deflexión vertical y las placas de deflexión vertical) y en la dirección horizontal (por los circuitos de base de tiempo y las placas de deflexión horizontal) hace que el punto de luz producido por el haz de electrones trace una línea en el TRC. Si la entrada es periódica y los circuitos base de tiempo sincronizan correctamente el barrido horizontal con la deflexión vertical, el punto de luz recorrerá el mismo camino una vez y otra vez. Si la frecuencia de la señal periódica es bastante alta (mucho mayor de 50 Hz), el trazo aparecerá como una imagen permanente y estable en la pantalla.
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DESPLIEGUE DEL RAYO O HAZ DE ELECTRONES (TRC) El tubo en sí es un recipiente sellado de vidrio con un cañón de electrones y un sistema de deflexión dentro de él y una pantalla fluorescente todo ello inmerso en un alto vacío de manera que no interfieran las moléculas gaseosas en el camino del haz de electrones y pierda su alta finesa. AMPLIFICADOR X-Y O SISTEMA DE DEFLEXIÓN HORIZONTAL – VERTICAL En el cañón el cañón electrónico y la pantalla existen dos pares de electrodos paralelos conocidos como placas deflectoras. Un par está colocado verticalmente, produciendo una deflexión vertical (eje y) y el otro está dispuesto en forma horizontal produciendo una deflexión horizontal (eje x). Según sea el potencial aplicado a estos electrodos, será la ubicación del punto donde incide el haz luminoso en la pantalla. La deflexión será más o menos grande y en un sentido o en otro según sean los valores y polaridades de los potenciales aplicados. La aplicación simultánea de tensiones apropiadas a ambos pares de placas permite controlar el impacto luminoso en todo el plano X-Y. LA PANTALLA FLUORESCENTE El interior de la pantalla está recubierto por un depósito de fluorescente que al incidir el haz de luz de electrones emite luz que es captada del exterior del tubo. Esta capa es de fósforo y debe ser lo suficientemente delgada como para ser atravesada por la luz. Las sustancias fluorescentes naturales o sintéticas, útiles para pantallas son numerosas, produciendo distintos colores o luminosidad. Las de uso común son muy pocas. Algunas de estas substancias ofrecen una persistencia grande y otras, persistencia muy baja. El tiempo que tarda la intensidad del punto para disminuir al 10 por ciento su brillantez se llama persistencia del fósforo. Para osciloscopio de laboratorio un fosforescente verde media da una imagen que para todos los fines es altamente de calidad. En la siguiente tabla se indican las más usadas.
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“TRIGGER” O DISPARO La posición del punto en la pantalla de tubo de rayos catódicos está determinada por la suma de dos vectores, que representan la posición en el eje X e Y. Si la señal de entrada, eje Y, tiene una forma de onda periódica, cada ciclo de la onda base de tiempo debe producir un trazo que coincida punto por punto con el trazo precedente, si esto se cumple, la señal se mantiene fija en la pantalla y se dice que es estable. El disparo interno consigue estabilidad usando la señal Y de entrada para controlar la partida de cada barrido horizontal.
GANANCIA Y SENSIBILIDAD DEL AMPLIFICADOR DEL OSCILOSCOPIO Se describe a modo de repaso de la operación combinada del atenuador, el “preamplificador” y el amplificador vertical. El amplificador principal (junto con el preamplificador) está diseñado para dar una ganancia, K, de un valor fijo, esto significa que todas las señales aplicadas a la entrada se amplifican por igual factor de ganancia (típicamente K=1000 a 2000) lo cual tiene ventajas en su diseño desde el punto de vista de la estabilidad y ancho de banda. FUENTE DE PODER Fuentes de poder internas convierten el voltaje AC de consumo, en potenciales DC continuos necesario para el funcionamiento del instrumento. Si es necesario por el tipo de osciloscopio, también producen la alta tensión con que trabaja el tubo de rayos catódicos.
PUNTAS DE PRUEBA DEL OSCILOSCOPIO Las puntas de prueba del osciloscopio efectúan la importante tarea de detectar las señales en su fuente y transferirlas hasta las entradas del osciloscopio. 8
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Idealmente las puntas deberían efectuar esta función sin cargar o perturbar de modo alguno los circuitos bajo prueba.
IV. MATERIALES Y EQUIPO UTILIZADO:
Osciloscopio de 25 MHz, Elenco modelo S-1325.
Una fuente de voltaje con varias salidas
Una pila de 1.5 voltios.
Un transformador de voltaje alterno 220/ 6V, 60Hz
Un multímetro digital.
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V.
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PROCEDIMIENTO:
A. Identificación de controles e interruptores del osciloscopio 1. Observe el osciloscopio e identificar controles e interruptores en el osciloscopio real con los enumerados en la figura. En las instrucciones siguientes nos referiremos a los controles del osciloscopio solo por su número correspondiente en la figura N001. Fig. N°01: Partes de un osciloscopio
2. Encienda el osciloscopio usando el interruptor 4. Se encenderá una luz roja en el botón 5; usando los interruptores 6 y 8 logre que el punto o la línea tengan una intensidad y un ancho adecuado a su vista. 3. Observe que la señal en el osciloscopio puede ser línea o punto dependiendo de la posición del interruptor 30. Línea en la posición “afuera” y punto en la posición “adentro” (fig.N002 y N003). Discuta con 10
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su profesor que es lo que se conecta internamente en el osciloscopio a las placas H para cambiar de uno a otro modo. Fig. N°02
Fig. N°03
4. Sin conectar ningún potencial externo ni en 12 ni en 17, coloque 15 y 20 ambos en posición GND. Con el control 21 en posición CHA (canal 1) use los controles 11 y 27 para colocar el punto luminoso en el centro de la pantalla del osciloscopio. Con el control 21 en CHB (canal 2) use los controles 16 y 27 para colocar el punto luminoso en el centro de la pantalla o en un punto que usted elija como cero par a sus medidas de voltaje. B. Medidas de voltajes DC 5. Coloque los controles 15 Y 20 en la posición DC. Mantenga el interruptor 30 en posición "adentro". Conecte una fuente de voltaje constante (una pila por ejemplo) a la conexión 12 Manteniendo el control 2 l en posición CHA y el control 24 en CHA observe la desviación vertical del punto luminoso. Use las diferentes escalas dadas por el selector 13 y decida cuál es la más conveniente para medir el voltaje de la fuente.
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OSCILOSCOPIO FUENTE PILA (V)
MULTIMETRO (V)
5 (VOLTS/DIV)
1.5
1.122
0.4
2 (VOLTS/DIV)
1 (VOLTS/DIV)
0.5 (VOLTS/DIV)
0.9
1.5
3
6. Repita lo hecho en el paso 5 con el voltaje constante conectado a la conexión 17, el control 21 en la posición CHB y el 24 en CHB. Use ahora las escalas dadas por el selector 18. NOTA. Para que las escalas de los interruptores 13 y 18 sean dados directamente en voltios por división es necesario que los controles 14 y 19 se encuentren en sus posiciones: rotados totalmente en sentido horario y empujados hacia adentro. OSCILOSCOPIO FUENTE PILA (V)
MULTIMETRO (V)
5 (VOLTS/DIV)
1.5
1.122
0.06
2 (VOLTS/DIV)
1 (VOLTS/DIV)
0.5 (VOLTS/DIV)
0.35
1.1
2.9
7. Investigue las funciones de los controles 14 y 19 jalando cada uno de ellos hacia afuera y rotándolos en sentido antihorario.
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8. Regrese los controles 14 y 19 a sus posiciones tales que 13 y 18 den lecturas en voltios por división.
Fig. N°11: La figura nos muestra del voltaje pico a pico en una fuente de corriente continua graduada 4 voltios donde se muestra la escala de 2 V/div aproximadamente.
9. Use la fuente de voltaje constante con varias salidas y mida el voltaje de cada salida con el osciloscopio. Compare con los resultados obtenidos usando el multímetro digital. OSCILOSCOPIO
13
FUENTE DE SALIDA VARIABLE
5
2
1
0.5
MULTIMETRO (V)
(VOLTS/DIV)
(VOLTS/DIV)
(VOLTS/DIV)
(VOLTS/DIV)
1.5
1.72
0.4
0.5
0.6
0.7
3.5
2.75
0.6
1.2
2.8
5.2
4.0
3.8
0.8
2.1
4.2
8.4
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C. Medidas de voltaje AC: amplitud, voltaje pico-pico. periodo y frecuencia. 10. Coloque el interruptor 30 en la posición “afuera”. 11. Conecte el transformador de 6 V a la conexión 12 y el interruptor 21 en CHA. Encuentre la mejor escala de voltios por división (control 13) Y la de tiempo por división (control 28) para ver completamente un período del voltaje senoidal. Use el control 22 y 25 para estabilizar el gráfico en la pantalla del osciloscopio. El número de cuadraditos verticales multiplicado por el valor indicado en el selector 13 nos da la medida en voltios tanto de la amplitud como del voltaje pico-pico. El número de cuadraditos horizontales multiplicado por el valor indicado por el selector 28 nos da el período del voltaje alterno del transformador. Esto es cierto sólo si el control 29 está en posición totalmente rotado en sentido horario. La frecuencia en hertz (Hz) es el inverso del período (f= 1/T)
Fig. N°12
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12. Repita las medidas hechas en 11 usando CHB 13. Compare los valores de amplitud y voltaje pico-pico con el voltaje eficaz medido por el multímetro. Estos conceptos serán mejor comprendidos al final del curso en el capítulo de corriente alterna. 14. Conecte el generador de onda a la conexión 17 y genere un voltaje senoidal de 7 voltios de amplitud y 100 Hz. Compare el valor digital de frecuencia dado por el generador de función de onda con el período medido en el osciloscopio. D. Otras funciones de voltaje V (t) 15. Produzca, con el generador de función, voltajes que dependen del tiempo en forma de onda cuadrada y en forma de diente de sierra. En cada caso relacione la frecuencia dada por el generador con el período medido con el osciloscopio. E. Osciloscopio como graficador XY Para que el osciloscopio funcione como graficador XY es necesario que el interruptor 30 esté en la posición "adentro", el interruptor 24 en CHA, y el 21 en CHB. 16. Conecte la salida del transformador de 6 voltios simultáneamente a CHA y a CHB. Con el interruptor 30 en posición "afuera" observe como se ve el voltaje senoidal en cada canal. Con ayuda de los controles 11 y 16 trate de ubicar las señales del canal 1y canal 2 en diferentes alturas de la pantalla del osciloscopio. Colocando el control 21en posición DUAL observará ambos voltajes al mismo tiempo. 17. Ponga el interruptor 30 en posición "adentro", el control 21 en CHB y el 24 en CHA, observe el gráfico XY.
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18. Observe el efecto de jalar hacia "afuera" el interruptor 16. 19. Conecte el transformador al canal 1 y el generador de función al canal 2. Genere una función de voltaje senoidal de 60 Hertz y 8.5 voltios de amplitud. Observe el gráfico XY. 20. Repita 19 pero cambiando la frecuencia del generador de función a frecuencias de 120, 180 y 240 Hz.
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VI. CÁLCULOS: -Haga una tabla de tres columnas indicando el voltaje medido con el osciloscopio, el voltaje medido con el multímetro, el voltaje nominal de cada salida de la fuente.
FABRICANTE
MULTIMETRO
VN
VM
OSCILOSCOPIO ESCALA (V/DIV)
DIVISIONES
5
0.4
2
0.9
PILA 1.5
FUENTE
1.122
1.5
1.72
5
0.39
3.5
2.75
2
1.15
4.0
3.8
0.5
8.3
FABRICANTE
MULTIMETRO
VN
VM
OSCILOSCOPIO AMPLITUD
PERIODO
ESCALA(V/DIV)
DIVISIONES
ESCALA(ms/DIV)
DIVISIONES
1000 Hz 5Vp
5
1
0.5
2.6
2000 Hz 5Vp
5
1
0.5
1
60Hz 6Vef
5
1
2
8.3
TRANSFORMADOR
GENERADOR DE SEÑALES
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TRANSFORMADOR
60Hz
Generador de Func.
6Vef
60Hz
60HZ
6Vef
60Hz
120HZ
6Vef
180HZ
Figura de Lissajouse
-¿Es realmente constante el voltaje dado por la fuente? La pila es considerada como voltaje constante ya que se observa una línea en la gráfica que se puede apreciar en el osciloscopio, de la misma manera sucede con la fuente de voltaje constante, sin embargo, en el caso del Transformador este voltaje no es constante ya que se observa en el osciloscopio una gráfica senoidal que nos da a entender que el voltaje varia con respecto tiempo por lo que podemos deducir no nos da un voltaje continuo. -¿Cuál es el periodo del voltaje alterno dado por el transformador de 6 voltios? OSCILOSCOPIO
FABRICANTE VN
AMPLITUD ESCALA(V/DIV)
PERIODO
DIVISIONES
ESCALA(ms/DIV)
DIVISIONES
TRANSFORMADOR
PERIODO 60Hz 6Vef
18
5
1
2
16.6 ms
8.3
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VII. CONCLUSIONES:
Hallamos que había una diferencia entre los potenciales medidos en el osciloscopio y el multímetro. Esta variación en el rango se debe a que usamos escalas en el osciloscopio y los instrumentos tienen diferente precisión instrumental.
Observamos que la variación del multímetro es menor, ya que tiene mayor precisión que el osciloscopio. El multímetro muestra cifras que oscilan mininamente y en el osciloscopio depende de la escala seleccionada.
VIII. OBSERVACIONES:
La pila de 1.5v que nos entregaron estaba gastada
Los voltajes nominales de la fuente no son precisos quizá el voltaje real este influido por la temperatura
IX. RECOMENDACIONES:
Centrar bien el punto para que las gráficas estén bien repartidas en el plano xy.
Comprar osciloscopios más avanzados o actuales
X. BIBLIOGRAFÍA:
Uso del osciloscopio. Electrónica fácil. https://www.electronicafacil.net/tutoriales/Uso-del-osciloscopio.php
El osciloscopio. Monografías.com. http://www.monografias.com/trabajos/osciloscopio/osciloscopio.shtml
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