UNITEC LABORATORIO DE FÍSICA IV MANEJO Y APLICACIONES SENCILLAS DEL OSCILOSCOPIO DIGITAL (I) I. OBJETIVOS 1. 2. 3. 4. II. MATERIALES Y EQUIPO • • • • III. Familiarizarse con el osciloscopio digital. Analizar las características básicas de una señal Observar la polarización de señales y las figuras de Lissajous que se forman cuando se superponen señales de frecuencias particulares. Analizar las características de las señales en base a esos comportamientos observados Osciloscopio digital Tektronix Dos generadores de funciones Equipo ‘Elvis’ de ‘National Instruments’ Dos conectores de osciloscopio TEORÍA RESUMIDA El osciloscopio es un instrumento electrónico que registra los cambios de tensión recibidos en alguno de sus canales de entrada. Estos habitualmente son producidos por circuitos eléctricos y electrónicos. El osciloscopio los muestra en forma gráfica en una pantalla digital. Los osciloscopios se utilizan en la industria y en los laboratorios para comprobar y ajustar el equipamiento electrónico y para seguir las rápidas variaciones de las señales eléctricas, que pueden llegar a ser del orden de millonésimas de segundo. Unos conversores especiales conectados al osciloscopio pueden transformar vibraciones mecánicas, ondas sonoras y otras formas de movimiento oscilatorio en impulsos eléctricos observables en la pantalla del tubo de rayos catódicos, lo que aumenta la capacidad de medición de los mismos.¹ Parte 1. Teoría básica para el manejo del Osciloscopio Digital En esta sección se explicará brevemente el uso del osciloscopio digital que aparece en la figura 1.1. Figura 1 Osciloscopio digital Una manera conveniente de comenzar es mencionando ciertos beneficios que el osciloscopio le prestará a usted. Este osciloscopio tiene un límite máximo de 200 MHz de ancho de banda y tiene una razón de muestreo de 2 GS/s. Este osciloscopio permite hacer un análisis profundo de los circuitos, ya que es posible sumar, restar y multiplicar funciones, al igual que es posible hacer el análisis de Fourier (esto se estudiará en un laboratorio posterior de Física IV) mediante el programa Fast Fourier Transform. Además es fácil adquirir una imagen digital del osciloscopio mediante el programa Open Desktop o si usted prefiere también puede imprimirla, ya que es otra opción que este osciloscopio provee. En la figura 2 observa el panel frontal del osciloscopio digital. En forma muy breve se mencionará sus utilidades. Figura 2. Elementos de un osciloscopio A. Interfase simple de usuario. Estas son las funciones más frecuentemente usadas que son traídas al frente del panel. B. SAVE/RECALL. Despliega el menú para salvar o llamar archivos C. MEASURE. Despliega el menú de mediciones automatizadas. D. CURSOR. Despliega el menú de los cursores. Los controles de la posición vertical ajustan la posición de los cursores mientras se despliega el menú de cursores y los cursores son activados. E. ACQUIRE. Despliega el menú de funciones adquiridas. F. HELP & AUTOSET. El botón de Autoset identifica el tipo de onda, ajusta los controles necesarios para desplegar una señal de entrada útil; además permite que usted decida si quiere ver un ciclo o varios ciclos. El botón Help provee ayuda en el idioma establecido en el menú Utility. G. DISPLAY. Despliega un menú mediante el cual usted decide el formato de la función (YT la cuál sería una gráfica de voltaje vs. tiempo o la modalidad XY que muestra el desfase de dos señales). Además se puede ajustar en este menú el contraste de la pantalla. H. DISPARADORES AVANZADOS. Rápidamente puede capturar el evento de su interés con disparadores avanzados que incluyen el ancho de pulso. I. CANALES DE ENTRADA. Estos canales pueden obtener cualquier señal de alta frecuencia e información no repetitiva. J. MATH MENU. Este botón despliega el menú de operaciones matemáticas que se puede aplicar a funciones, por ejemplo, la suma de dos señales de entrada. También se puede realizar análisis de Fourier sobre cualquier señal. K. PROBE CHECK WIZARD. Aquí se puede verificar si su prueba esta calibrada y opera apropiadamente. L. Puerto USB. Este puerto lo puede usar para guardar sus configuraciones o funciones. Los modelos del laboratorio no suelen contar con este puerto. M. PRINT. Empieza la operación de impresión. N. VOLTS/DIV. Elige factores de escala calibrados en el eje vertical. P. SEC/DIV. Elige el factor de escala horizontal de tiempos por división para la ventana principal Entrada de la señal Puntas del osciloscopio Parte 2. Concepto y tratamiento de Corriente Alterna (A.C.) Una señal alterna (voltaje o corriente) senoidal tiene amplitud y sentido variable, con una frecuencia determinada, por ejemplo: Para el servicio residencial de energía eléctrica en Honduras. se usa una señal que es aproximadamente de 110V AC, 60Hz; esto quiere decir que el valor eficaz (RMS) es de 110 Voltios y que tenemos 60 ciclos por segundo; poir tanto 120 veces el voltaje se hace cero en cada segundo y tenemos 60 veces 156 voltios (voltaje pico) cada segundo y otras 60 veces en cada segundo el voltaje es de -156 voltios (voltaje pico). La figura muestra una señal alterna: Figura 3 Función senoidal mostrando sus valores pico, pico-pico y su periodo. Si tenemos un voltaje alterno V (t) = V cos (ωt), dónde ω = 2πf (y con f = frecuencia = 1/ Período) y queremos obtener el valor eficaz o RMS (Root Mean Square) nos auxiliaremos de la trigonometría: Cos (2a) = cos²a - sen²a = 2 cos²a – 1, entonces cos²a = ½ (cos (2a) +1) V (t) ² = V² ½ (1 + cos (2ωt)) = ½ V² cos (2ωt) El promedio de cos (2ωt) es cero porque es positivo la mitad del tiempo y negativo la otra mitad, así definimos: Vrms = V (t ) 2 = V p / 2 ; donde Vp representa el voltaje pico. Parte 3. Las Figuras de Lissajous Jules Lissajous (1822-1880), físico francés, se interesó por las ondas y desarrollo un método óptico para el estudio de las vibraciones. Obtuvo las figuras que llevan su nombre mediante el reflejo sucesivo de la luz de dos espejos pegados a dos diapasones vibrando con ángulos de desfase. Las siguientes ecuaciones paramétricas rigen las figuras de Lissajous: y = A sen (ωt+δ), x = B sen (ωt) Donde A y B son las amplitudes de las señales en y e x respectivamente, ω es la frecuencia angular y δ es el ángulo de fase de una señal con relación a la otra. La intersección de la elipse con los ejes X e Y nos permite medir el desfase δ, entre dos señales x e y. Figura 1.4 Elipse. Por tanto podemos determinar el ángulo de desfase: Yo/A = sen δ δ = arcsen (yo /A) IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Parte A: Manejo del osciloscopio para tratamiento sencillo de señales 1. Trabaje con D hasta que conozca y maneje bien los cursores. 2. Coloque la salida del generador de funciones del ELVIS en una de las entradas verticales del osciloscopio y ajuste la frecuencia a 100 Hz en modo de onda sinusoidal. NI-ELVIS Protoboard Fuente de poder Multimetro Generador de Funciones 3. Observe la pantalla del osciloscopio digital y anote el período (T) y la frecuencia (f) de la onda. Utilice el botón AUTOSET para ajustar mejor la señal. 4. Utilice el menú D y seleccione “Tiempo”. Con los cursores de tiempo, estime el período y la frecuencia de la señal, y anote esos valores. 5. Vuelva a hacer los pasos anteriores utilizando los dos canales con parejas de señales de frecuencias, 500 y 505 Hz y de 1500 y 1510 Hz. Utilice aquí también el control de G y vea el desfase entre cada pareja de señales. 6. Seleccione en el menú J la función de suma y para sumar cada una de las parejas de señales aludidas en el paso anterior. 7. Grabe en USB las pantallas correspondientes a los pasos 4 y 5 (tecla L ) 8. Ahora conecte el generador de funciones con una frecuencia de 100 Hz al osciloscopio ajustando la amplitud a 1 voltios pico-pico. 9. Anote los valores de voltaje pico (V pico) y su voltaje eficaz (V eficaz) que lee en la pantalla del osciloscopio. 10. Posteriormente calcule y anote los valores teóricos de voltaje pico y voltaje eficaz. 11. Repita los pasos 8, 9, 10 para voltajes pico-pico de 2 V, 3 V y 4 V. Parte B: Polarización de señales y figuras de Lissajous 1. Aplique en la entrada horizontal del osciloscopio (canal uno) una señal senoidal de dos voltios pico-pico y frecuencia de 50 Hz. Realice el mismo procedimiento en la entrada vertical (canal 2) con el otro generador de funciones. 2. Establezca la modalidad XY en el osciloscopio digital. Ahora ajuste las señales y obtenga diferentes curvas cónicas: a. las siguientes elipses: elipse de semieje mayor horizontal, otra de semieje mayor vertical y una tercera con semieje oblicuo a 45º; b. después, un círculo, c. y las rectas: una de pendiente positiva y otra de pendiente negativa. 3. Salve cada una de las imágenes. 4. Ahora aumente la frecuencia en la entrada vertical de manera que cada una de estas frecuencias sea múltiplo de la frecuencia horizontal. 5. Observe la relación entre la razón de frecuencias y el número de lóbulos. Salve las imágenes para dos, tres y cuatro lóbulos. 6. Invierta el paso tres, dejando la frecuencia del canal vertical constante, con su valor original. Cambie la frecuencia del canal horizontal en múltiplos de su valor original. Salve las imágenes para dos, tres y cuatro lóbulos. Compare estas imágenes con aquellas del inciso 3. V. RESULTADOS 1. En base al trabajo de la parte A del procedimiento experimental, incluya en su reporte, convenientemente llenas, tablas como las que se muestran: TABLA Nº 1 Frecuencia de la señal Período mostrado en el osciloscopio Período Frecuencia Frecuencia estimado con mostrada en estimada con cursores el osciloscopio cursores 100 Hz 500 Hz 505 Hz 1500 Hz 1510 Hz Portadora suma primera Portadora suma segunda TABLA Nº 2 Voltaje Picopico 1V 2V 3V 4V Voltaje Pico Calculado Voltaje Pico Medido Diferencias Voltaje Eficaz Calculado Voltaje Eficaz Medido Diferencias 2. Imprima para su reporte las pantallas aludidas en el paso IV. 6 3. Imprima cada una de las pantallas del inciso IV.B.2 y señale para cada una los valores de frecuencias y voltajes pico usados. VI. 1. 2. 3. 4. CUESTIONARIO En cuanto a medición y detección de señales ¿para qué señales (tipo y valores) es más útil el osciloscopio? Enumere algunas aplicaciones. ¿Cuál es el período de las ondas portadoras que observa al sumar las parejas de señales del ítem IV.A.4? Señale parejas de posibles valores de frecuencia o de fase cuya suma no produciría onda portadora. ¿Qué es la diferencia de fase? ¿Cuándo se produce? La ecuación general de las elipses que se obtienen cuando se mezclan dos señales de la misma frecuencia y distinta fase se puede representar como: x²/a² + y²/ b² – (2xy/ab) * sen (δy – δx) = cos (δx – δy). En base a ella, dé los valores de diferencias de fase y los voltajes pico adecuados para obtener las ecuaciones de las primeras curvas que observó en las pantallas relativas correspondientes (cfr. V.3) 5. En el segundo procedimiento experimental, ¿cuál es la relación entre el número de lóbulos y la razón entre las frecuencias impuestas en el generador de funciones? VII. BIBLIOGRAFÍA 1. “Osciloscopio” Enciclopedia Microsoft® Encarta® 2003. © 1993-2002 Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos. 2. Tektronix User (manual) 3. Geometría Analítica y Cálculo. A. W. Goodman. UTEHA 4. Circuitos Electrónicos Discretos e Integrados. Donald L. Schilling / Charles Belove. Segunda Edición. Alfaomega Ver._2_11Oz