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• Omar Villa

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EL OSCILOSCOPIO COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA. UNIVERSIDAD NACIONAL. SEDE MEDELLÍN .DEPTO. DE FISICA.

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EL OSCILOSCOPIO COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA

I . OBJETIVOS: •

Calibrar el osciloscopio

•

Utilizar el osciloscopio para medir: voltajes, tiempos y frecuencias.

II. TEORIA: En la práctica anterior trabajamos sobre los principios físicos que fundamentan la tecnología del osciloscopio. Recordemos que cuando el osciloscopio estaba fuera del modo XY (el diente de sierra está activado), en la pantalla se interpretaba Y como voltajes y X como tiempos. El valor de la división dependerá de la posición de los botones VOLT/DIV y TIME/DIV respectivamente. Ahora si el osciloscopio estaba en el modo XY, ambos ejes se deben interpretar como voltajes (por el canal 1 entrará la señal Y y por el canal 2 la señal X). A continuación citaremos algunos ejemplos de como se realizan en el osciloscopio medidas de voltajes, de tiempos y de frecuencias, suponiendo que éste se encuentre debidamente calibrado .

Medida de Voltajes

En una señal periódica V( t ) se pueden definir tres voltajes : V0 (amplitud de la señal) , V pp (voltaje pico a pico) y el Vrms (r : root-raíz-, m:mean-medio-, s:square-cuadrático) definido como sigue:

Vrms

1 T  =  ∫ V( t ) 2 dt  T 0 

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siendo T el período de la señal. En la gráfica siguiente se ilustran estos voltajes para una señal sinusoidal:

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En el caso de una señal sinusoidal Vrms =

V0

.

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En el caso de una señal cuadrada Vrms = V0 .

Para el caso de la red casera (la cual en el caso de nuestra ciudad, es administrada eficientemente por las Empresas Públicas de Medellín: E.P.M.) ,este voltaje tiene un valor de 110 voltios (y su frecuencia es de 60 hz), por lo que V0 = 155,56 voltios y V pp = 311,12 voltios. A continuación citamos un ejemplo de una señal que aparece representada en la pantalla del osciloscopio como se ilustra en la figura 1. Deseamos saber cuál es la diferencia de potencial (voltaje) entre los puntos A yB. El número de divisiones

N y entre los puntos A y B es de 4. Sí el botón VOLT/DIV está posicionado en

0,2 VOLT/DIV y además estamos usando la punta de prueba LP-040 (la cual atenúa la señal en un factor de 10), la lectura en el voltaje se hará como sigue:

V = 4divisionesx 0,2( voltios / division) x10 = 8,8voltios La incertidumbre absoluta en las divisiones es de ±0,2 divisiones (el segmento unidad está dividido en solo cinco partes), por lo que la incertidumbre absoluta en la medida del voltaje será:

δV = 0,2divisinesx 0,2( voltios / division) x10 = ±0,4voltios y la lectura se reportará

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V = 8,8 ± 0,4 voltios El lector debe demostrar que la incertidumbre relativa en la medida del voltaje es igual a

δV 0,2 = V Ny es decir, entre mayor sea distancia entre los puntos a medir , menor será el “error” relativo en la medida. En esta práctica mediremos diferentes voltajes suministrados por un generador . La escala de estos (los generadores de onda), es solo un indicador de los voltajes de salida en éstas ; pero es necesario de un aparato de buena precisión como un voltímetro o un osciloscopio para saber el “verdadero” valor de éstos.

Medida de tiempos. En la misma señal anterior (figura 1) deseamos saber el tiempo que hay entre los puntos C y D de ella . El número de divisiones horizontales N x que los separa es 5. Si por ejemplo el botón TIME/DIV está en la posición 0.2 ms/div , el tiempo entre los dos puntos se calcula como sigue: Tiempo entre los puntos C y D =

5divisionesx0.2ms / div = 1ms

La incertidumbre será igual a 0.04 ms, por lo que el resultado lo debemos expresar así

1.00 ± 0.04ms Ahora , si se ha usado la función x10 MAG ( la cual se activa si hundimos el botón que aparece en el panel con esa marca), el cálculo se haría así:

Tiempo entre los puntos C y D:

 1 5divisionesx( 0.2ms / div ) x  = 0,1ms = 100 µs  10 

¿Cuál sería la incertidumbre?

Medidas de frecuencias: En la figura 2 se ilustra una señal armónica , a la cual le queremos medir la frecuencia.

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Supongamos que el período encontrado haya sido de en Hz y cuál su incertidumbre?

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30ms ± 2ms . ¿ Cuál sería la frecuencia calculada

Nota: La incertidumbre por división será el producto de 0,2 por el valor temporal de cada división. Sí se desea disminuir la incertidumbre en la medida del periodo de una señal, lo mejor será tomar el mayor número de periodos posibles en la pantalla (obviamente sin que se dificulte la medida), y medir la “longitud temporal” a la que equivalen todos. El valor del periodo se obtendrá por una simple división entre esa “longitud temporal” y el número de periodos comprendidos en ella. La incertidumbre en él se verá reducida en esa misma proporción ;la nueva incertidumbre se calculará así:

( 0,2) # de periodos

x (valor temporal de la division)

Análogamente se haría para reducir la incertidumbre en la medida de los voltajes.

Verificación de la calibración del osciloscopio: Como trabajaremos el osciloscopio en su modo CALIBRADO1 es necesario verificar si éste realmente si lo está. Calibración para la medida de los voltajes: Para ello tomamos la señal cuadrada de calibración y la entramos por el canal 1. Si el botón VOLT/DIV está en la posición 0.1 volt/div y su “botoncito” CAL está girado completamente en el sentido de las agujas del reloj , y el oscilocopio está en el modo XY, los dos puntos que aparecen deben estar separados por una sola división (recuerde que como estamos usando la punta de prueba LP-040 , ésta multiplica por un factor de 10), indicando un voltaje pico a pico de 1 voltio . Esto indica que el osciloscopio está debidamente calibrado. El usuario no podrá mover el “botoncito” CAL pues descalibrará el osciloscopio. En esta situación se puede usar el botón VOLT/DIV de manera normal, “creyendo” en sus lecturas directas. Calibración para la medida de tiempos: 1

El osciloscopio se puede trabajar en el modo NO CALIBRADO, en cuyo caso la medida del voltaje por división la definirá el usuario con base en la señal cuadrada de calibración . La ventaja de éste modo es que se puede barrer en forma continua la escala de voltajes y no se quedará limitado al brinco discontinuo del botón VOLT/DIV. De todas formas manejar el osciloscopio de este modo es un poco más complejo y no lo abordaremos así en nuestras prácticas.

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Para ello se puede utilizar nuevamente la señal cuadrada de calibración , la cual en la mayor parte de los osciloscopios es de 1000 Hz (en nuestro laboratorio de Física General casi todos osciloscopios tienen una señal cuadrada de calibración con una frecuencia de 125 Hz). Con el botón TIME/DIV en una posición adecuada para obtener varios períodos de la señal cuadrada y su “botoncito” CAL completamente girado en el sentido de las manecillas del reloj (el osciloscopio debe estar fuera del modo XY), la lectura en el tiempo debe ser tal que la frecuencia sea la de tal señal cuadrada . Otra forma de verificar la calibración sin entrar señal externa (pero menos “exacta”), es posicionar el botón TIME/DIV de tal forma que en la pantalla se vea un punto que la recorre con velocidad constante. En ésta situación con la ayuda de un cronometro se compara el tiempo que gasta dicho punto en recorrer la pantalla con el valor del tiempo que señala la perilla TIME/DIV (por ejemplo, si ésta señala que cada división es de 0.2 s, deberá tardar en recorrer la pantalla 2 segundos). En el caso de que el osciloscopio resulte descalibrado , deberá dejarse la tarea de calibración a un usuario más experimentado. Horizontalidad de la línea base (del haz de electrones) : Por la acción de campos magnéticos externos al osciloscopio (por ejemplo del campo magnético terrestre) , la línea base puede perder horizontalidad. Para evitar esto se puede usar “el tornillo ROT” , o simplemente cambiar de posición al osciloscopio (rotarlo) hasta lograr la horizontalidad. Estado del panel de control antes de la medición: Una vez verificada la calibración se recomienda dejar en el siguiente estado el panel de control antes de empezar a medir. SWEEP MODE..........................................................................AUTO COUPLING ....................................................................................AC SOURCE ..................................................................................VERT V MODE .......................................................................................CH1 (INV:OFF) SLOPE...............................................................................................+ TRIGGER LEVEL................................................Señalando las 12 (reloj) VERTICAL: CH1 (Y), CH2(X) POSICION VERTICAL ( )................................. Señalando las 12 (reloj) VARIABLE............................................................................................CAL VOLT/DIV.......................................................................................5 V/DIV AC-GND-DC......................................................................................GND2 POSICION HORIZONTAL.................................. Señalando las 12 (reloj) VARIABLE............................................................................................CAL TIME/DIV......................................................................................2 ms/DIV X10 MAG..............................................................................................OFF

III. EQUIPO: Un osciloscopio LEADER (8020), una punta de prueba (LP-040), un generador de onda, un multímetro.

IV. PROCEDIMIENTO: 2

No olvide pasarlo a AC si va ha realizar medidas de señales alternas (como es el caso de esta práctica).

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Recuerde que toda medición se debe reportar con su incertidumbre Verificación de la calibración del osciloscopio: •

Introduzca la señal cuadrada de calibración del osciloscopio (1 Vpp-125 hz) y verifique la calibración de éste, tanto a nivel de medida de voltajes como de medida de tiempos.

•

Usando el cronómetro y con el botón de VOLT/DIV en la posición 0.2 s (el osciloscopio debe estar fuera del modo XY) , mida cuánto tiempo se demora el punto para recorrer los 10 cm de longitud de la pantalla. Verifique que esto si esté de acuerdo con lo esperado.

Medida de voltajes y frecuencias: •

Del generador de ondas tome una señal sinusoidal arbitraria y éntrela al osciloscopio por el canal 1. Haga la correspondiente medida de voltaje pico a pico y de frecuencia de ésta señal. Utilizando el voltímetro mida el voltaje de la señal (éste voltaje es el r. m. s) . Compare las mediciones de voltajes (la realizada con el osciloscopio y la del multímetro).

•

Repita el procedimiento para cuatro señales más (de voltajes y frecuencias diferentes).

•

Ahora proceda a entrar por el canal 1 del osciloscopio , la señal de voltaje de la red normal . Lea el valor del voltaje pico a pico y su frecuencia. Compare los valores obtenidos con el reportado por las E.E.P.P de Medellín : señal sinusoidal, de 60 Hz y con un valor r. m . s de 110 voltios.

Nota: Este último item hágalo con la supervisión de su profesor o de su monitor. Nota: Cada grupo deberá entregarle al monitor correspondiente un preinforme siguiendo el formato de la siguiente página.

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PREINFORME DE LABORATORIO TITULO: EL OSCILOSCOPIO COMO INSTRUMENTO DE MEDIDA.

ESTUDIANTE

PROFESOR: ___________________________________________ MONITOR ENCARGADO:_________________________________ NUMERO DEL GRUPO DE LABORATORIO: ________ Señal 1: Voltaje pico a pico medido en el osciloscopio: ______ Valor correspondiente r. m .s. (calculado): ______ Período medido en el osciloscopio: ________ Frecuencia (calculada):________ Voltaje medido con el multímetro (r. m. s.):_______ Señal 2: Voltaje pico a pico medido en el osciloscopio: ______ Valor correspondiente r. m .s. (calculado): ______ Período medido en el osciloscopio: ________ Frecuencia (calculada):________ Voltaje medido con el multímetro (r. m. s.):_______ Señal 3: Voltaje pico a pico medido en el osciloscopio: ______ Valor correspondiente r. m .s. (calculado): ______ Período medido en el osciloscopio: ________ Frecuencia (calculada):________ Voltaje medido con el multímetro (r. m. s.):_______

Señal 4: Voltaje pico a pico medido en el osciloscopio: ______ Valor correspondiente r. m .s. (calculado): ______ Período medido en el osciloscopio: ________ Frecuencia (calculada):________ Voltaje medido con el multímetro (r. m. s.):_______ Señal 5: Voltaje pico a pico medido en el osciloscopio: ______

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Valor correspondiente r. m .s. (calculado): ______ Período medido en el osciloscopio: ________ Frecuencia (calculada):________ Voltaje medido con el multímetro (r. m. s.):_______ Señal de la RED NORMAL: Voltaje pico a pico medido en el osciloscopio: ______ Valor correspondiente r. m .s. (calculado): ______ Período medido en el osciloscopio: ________ Frecuencia (calculada):________

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