Fundamentos de Física. Curso 08-09 Práctica: Osciloscopio y Generador de señales Objetivos: Familiarizar al estudiante con el manejo de algunos de los instrumentos básicos de medida presentes en cualquier laboratorio de electricidad o electrónica. Conocer y medir el periodo y la amplitud de una señal eléctrica alterna (diferencia de potencial entre dos puntos)
Material
Pila de Petaca, Generador de señales
Osciloscopio de rayos catódicos con sus sondas de medida
Fundamento teórico Señal eléctrica Entendemos por señal eléctrica una diferencia de potencial o tensión entre dos puntos de un circuito (V). Esta tensión la proporciona un generador. Los generadores pueden ser de dos tipos: Generadores de continua: Suministran una tensión continua, es decir una tensión que no varía con el tiempo. Generadores de alterna: Suministran una tensión variable con el tiempo. En concreto el que vamos a utilizar en el laboratorio suministra tensiones periódicas, es decir su valor se repite a intervalos de tiempos iguales llamado periodo. Características de una señal eléctrica alterna V0 = Amplitud (Voltios)
; T = periodo (s)
V
V = V0 cos(ωt + δ 0 ) V varía armónicamente con el tiempo
V0 Vpp V0
T
υ = 1/T
w = pulsación de la señal (rad/s) δ0 = fase inicial (rad) T = tiempo en repetirse el valor de la señal (s) V0 = valor máximo de la señal (voltios) ν = frecuencia de la señal = nº de veces en el que se repite por unidad de tiempo (ciclos/s = s-1= Hz)
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La función de un generador en un circuito eléctrico es establecer una diferencia de potencial (VA-VB) entre sus extremos. Si entre dos puntos de un circuito hay una diferencia de potencial, las cargas se mueven en el circuito desde los puntos de mayores a menores potenciales, es decir, se establece una corriente en el circuito. (Obsérvese que en el interior del generador las cargas van de potenciales menores a mayores, es decir, adquieren energía al atravesar el generador. Esta energía a su vez, es consumida en el circuito)
VA Generador de alterna +
≈
I
circuito
-
VB
En los circuitos alimentados por un generador de continua, la corriente fluye siempre en el mismo sentido.
En los circuitos alimentados por un generador de alterna, la corriente cambia de sentido cada medio periodo (T/2), ya que la polaridad de la fuente cambia también cada T/2.
Generador de señales (envía la señal eléctrica al osciloscopio) Genera señales eléctricas de tensión variables con el tiempo de forma periódica. Típicamente genera señales de forma cuadrada, triangular y sinusoidal, que es la más usada. Sus mandos de control más importantes son:
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Selector de forma de onda (cuadrada, triangular o sinusoidal) (1) Selector de rango de frecuencias (botones) y de ajuste continuo de estas (mando rotatorio (2). Mando selector de amplitud sin escala (3) Dos salidas con conectores de tipo BNC: salida de la señal OUTPUT (4) y la otra salida que proporciona una señal estándar llamada TTL que es una señal cuadrada de control.
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Osciloscopio Es un aparato que nos permite visualizar y medir tensiones eléctricas. (Utilizamos como pincel, un haz de electrones que al impactar en la pantalla producen fosforescencia)
Cuando una señal de tensión es aplicada al terminal de entrada (INPUT) del osciloscopio, en la pantalla del mismo aparecerá una representación gráfica de la tensión (V(t)) frente al tiempo (t).También podemos leer en las escalas vertical y horizontal superpuestas a la pantalla, los valores que toman las variables tensión eléctrica y tiempo. El osciloscopio del laboratorio solo va a permitir visualizar señales que varían periódicamente con el tiempo, pero esto es suficiente para la mayoría de las aplicaciones. Sin embargo, existen otros tipos de osciloscopio, con memoria o pantallas persistentes en los que podremos visualizar cualquier tipo de señales.
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El osciloscopio es utilizado como instrumento de medida en cualquier laboratorio de electricidad o electrónica y en otros muchos campos, en concreto en medicina es imprescindible en cualquier tipo de investigación referida a registros biológicos de tipo eléctrico, como la electrocardiografía, electroencefalografía ….. etc Es importante observar que la pantalla del osciloscopio presenta unas divisiones mayores (que corresponden a las cuadrículas), además de unas subdivisiones menores en los ejes principales que corresponden a 1/5 del tamaño de una de las divisiones mayores (0,2 partes de una división mayor). Cualquier medida que se haga consistirá siempre en determinar cuantas divisiones y subdivisiones “ocupa” la señal (igual que medir con una regla). No obstante a diferencia de la regla, las escalas del osciloscopio pueden variarse mediante los mandos de control time/div y volts/div El mando time/div controla la escala de tiempos (se mide en horizontal), y los mandos volts/div la escala de voltaje en cada uno de los dos canales por los que puede entrar la señal en el osciloscopio, (se mide en vertical). Controlando adecuadamente estos mandos, podemos visualizar una señal de manera óptima. La mejor manera de medir una señal en el osciloscopio es utilizando una escala que amplíe al máximo la parte de la señal que se quiere medir. Es importante recordar que el osciloscopio es un aparato de medida y por lo tanto, el ajustar los mandos para visualizar la señal de manera óptima, no altera las características de la señal.
volts/div
El error absoluto o imprecisión cometido en una medida es siempre la subdivisión mínima (0,2 divisiones) convertida en unidad de tensión o de tiempo (según lo que se esté midiendo). Por ejemplo si la escala es de 2 volts/div, el error absoluto de una medida será:
∆V = 0,2div × 2
V = 0,4V div
Sondas BNC La sonda permite llevar a las puertas de entrada del osciloscopio la señal de tensión que se quiere medir. Se conecta el conector BNC (British National Connector) a uno de los canales del osciloscopio (sin forzar)…….. El conector BNC tiene un selector con las posiciones (x1) y (x10). En la posición (x1), la lectura del osciloscopio se hace respetando las escalas de éste. En la posición (x10), divide la señal por un factor 10 y en consecuencia hay que multiplicar por 10 la lectura efectuada en la pantalla del osciloscopio.
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time/div
Método operativo 1. Encender el osciloscopio. Las señales eléctricas que se visualizan en la pantalla del osciloscopio se introducen a través de las puertas de entrada de cualquiera de los dos canales de los que dispone mediante las sondas BNC. 2. Colocar el selector AC/DC/GND (AC = corriente alterna, DC = corriente continua, GND = masa) en la posición GND, que establece la posición cero de la tensión, ajustar la intensidad y el enfoque de la traza del haz de electrones. Haz esto para el canal que se vaya a utilizar. 3. Medida de una señal continua 3.1. 3.2. 3.3 3.4 3.5 3.6
Conmutar el mando anterior a la posición DC. Fijar la escala de tensiones en la posición 1 volt/div. Conectar la sonda del osciloscopio a la pila. Dibujar la gráfica obtenida y apuntar el resultado de la medida con su correspondiente error. Repetir lo anterior en otra escala de tensión, por ejemplo 2 volts/div. Hallar el error relativo de cada medida ¿Cuál sería la mejor medida? ¿Por qué?
4. Medida del periodo y la amplitud de una señal alterna sinusoidal 4.1 Colocar el selector AC/DC/GND en la posición AC (con esto eliminamos la componente de continua que pueda tener la señal). 4.2 Conectar mediante el cable BNC, la salida del generador a la entrada del osciloscopio. (Observar que justo donde empieza el cable, se puede separar el extremo de la sonda de manera que se puede conectar directamente a la salida del generador)
4.3 Seleccionar la señal sinusoidal en el generador y ajustar el control de amplitud aproximadamente a la mitad del máximo y a una frecuencia de 600 Hz. 4.4 Ajustar la escala de tiempo y la escala de tensión del osciloscopio hasta visualizar claramente la señal. 4.5 Medir la amplitud y el periodo de la señal con sus respectivos errores. 4.6 A partir del valor del periodo, hallar la frecuencia de la señal con su error y compararla con la frecuencia de la señal medida en el generador. 4.7 Ajustar la base de tiempos a 0,2 ms/div y la escala de amplitud a 2 volts/div. 4.8 Ajustar los controles del generador de señales hasta disponer de una señal de amplitud 3,7 V y frecuencia 1250 Hz.
5. Medida de la amplitud y el periodo de una señal cuadrada 5.1 Encender el generador. 5.3 Seleccionar la señal cuadrada del generador. 5.4 Situar la escala de tensión y la base de tiempos del osciloscopio en 5 volts/div y 10µs/div. 5.5 Girar el mando de la amplitud del generador de señales hasta su valor máximo y fije la frecuencia de la señal en 16 kHz. 5.6 Medir en el osciloscopio, la amplitud de la señal y el periodo con su error. 5.7 Enviar otra señal al osciloscopio variando la amplitud y la frecuencia y repetir la medida.
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