Mediciones en Osciloscopio

7/22/2019 Mediciones en Osciloscopio

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U.T.N. - F.R.M. MEDIDAS ELECTRNICAS I

Medidas Electrnicas I Ing. Pedro F. Perez pag. 1 de 15

TRABAJO PRACTICO No

MEDICIONES CON OSCILOSCOPIOS SIMPLES

Principio de funcionamiento

El osciloscopio, como aparato muy empleado en la medicin de seales elctricas debido a suversatilidad posibilitando hacer mediciones precisas y a la vez visualizar la forma ycomportamiento de la seal analizada.A pesar de las posibles diferencias existentes entre los distintos tipos de osciloscopios, todos lososciloscopios presentan principios de funcionamiento comunes. Hay osciloscopios con distintasopciones (Osciloscopios Recurrentes, Disparados, De Doble Canal o Mltiples, Demorados oIntensificados, Armados, y con Memoria Analgica o Digital) pero los elementos bsicos son losmismos en todos ellos. Los de uso ms generalizado son los que podramos definir como

"osciloscopios bsicos". Este tipo es el que se utilizar para la mayora de descripciones que se van

a realizar.

En el dibujose ve el esquema de bloques de un osciloscopio bsico. Segn se observa en estedibujo, los circuitos fundamentales son los siguientes:

Atenuador de entrada vertical Amplificador de vertical

Etapa de deflexin vertical


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Amplificador de la muestra de disparo (trigger) Selector del modo de disparo (interior o exterior)

Amplificador del impulso de disparo Base de tiempos Amplificador del impulso de borrado Etapa de deflexin horizontal Tubo de rayos catdicos Circuito de alimentacin

1.1 MEDICIONES DE TENSIONES CONTINUAS

- Se conecta a masa la entrada del canal vertical. Puede hacerse de varias formas:

a) Generalmente el osciloscopio posee una llave que permite efectuar la operacin,debindosela colocar en la posicin GND.b) Muchas puntas de prueba poseen una llave que cortocircuitan la entrada al osciloscopio

(salida de la punta) dejando abierto la entrada. La posicin de cortocircuito suele serdenominada REF.

c) Puede ponerse a masa la entrada en forma manual, simplemente conectando el extremode la punta de prueba con el gancho de la misma.

- Con los controles de posicin vertical y horizontal, suprimiendo el barrido horizontal y evitandoun brillo excesivo, centralizar el punto en la pantalla.

- Con los controles de foco y astigmatismo maniobrar hasta obtener un punto lo mas pequeoposible.

- Restablecer el barrido horizontal y colocarlo en 50 o 100 Hz.

- Tomar sincronismo de lnea colocando la llave de sincronismo (SOURCE) en la posicin lnea(LINE).

- Colocar el atenuador vertical en la escala de Volts/div. Adecuada a la medicin, con el vernier afondo en sentido horario ( marca CAL).

- Elegir el nivel de referencia (Tensin cero) de acuerdo a las necesidades, colocando el trazo en ladivisin vertical que se desea de la cuadrcula, mediante el control de posicin vertical.

- Desconectar el cortocircuito de la entrada vertical y conectar la punta de prueba al lugar demedicin, utilizando acoplamiento DC.

- Si la imagen no es estable, mover ligeramente el vernier de barrido horizontal (para que engancheel sincronismo) hasta que se estabilice.

- Contar el numero de divisiones verticales que deflexion el haz sobre la cuadrcula.


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- Calcular la tensin efectuando el producto del numero de divisiones por la escala en Volts/divcorrespondientes al atenuador vertical:

Vx = divisiones x Volts/div.

1.2. MEDICIONES DE TENSIONES ALTERNAS.

Proceder al enfoque y centrado del trazo al igual que en 1.1

- Si se va a medir tensiones de zumbido o seales relacionada a la frecuencia de lnea utilizarbarrido de 50Hz o sub-multiplos y sincronismo de lnea. Caso contrario utilizar sincronismo internoy barrido de frecuencia igual o mayor que la de la seal a visualizar, enganchando la imagen con elcontrol fino del barrido.Si la tensin alterna no tiene componente continua puede efectuarse la medicin con acoplamientoDC a la entrada del canal vertical.

- Si la tensin alterna tiene superpuesta un nivel de continua que desea eliminarse, se emplearaacoplamiento AC, seleccionable con la llave de entrada del canal vertical. Esto intercala uncapacitor de bloqueo antes del atenuador vertical, hecho que debe tenerse en cuenta por cuanto lasuma del valor de cresta de la tensin alterna mas el nivel de la componente continua no deben

exceder la tensin nominal de trabajo del condensador.- La tensin de cresta se calcula en forma anloga al caso de tensiones continuas, es decir, contandoel numero de divisiones de reflexin vertical y multiplicndolo por la sensibilidad en Volts/Div.que indica el atenuador vertical.

1.3 MEDICION DE CORRIENTE

- El mtodo de medicin, ya sea CA o CC, es indirecto pues en realidad mediremos la cada detensin en bornes de una resistencia R que se intercala en serie con el circuito de medicin. Lacada de tensin en bornes es V=I.R

Haciendo que R tome valores convenientes podremos obtener lecturas bastantes cmodas y casidirectas pues slo tendremos que corregir el valor ledo en potenciales de 10.

Debe tenerse presente que conviene tomar el menor valor posible de Rpara reducir la variacin dela corriente en el circuito debido al aumento de la R equivalente serie. El error introducido por lavariacin de la corriente circulante debida a la inclusin de distintos valores deRen el circuito es.

(1.2)[%]100%%

1

12

I

IIIe

==


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Donde: I1es la corriente normal en el circuito.I2 es la corriente que circula

cuando se incluye laRdemedicin en el circuito.

Del circuito equivalente de la figura se tiene:

I1 = E/Rs (1.3) I2 = E / (Rs + R) (1.4)

Reemplazando (1.3) y (1.4) en (1.2):

(1.5)

De acuerdo con la expresin (1.5), y para un supuesto circuito con Rs 1000ohm, al incluir distintasR de medicin, el error porcentual por variacin de la corriente circulante ser:

R = 1 ohm error % = %R = 10 ohm error % = %R = 100 ohm error % = %R = 1.000 ohm error % = %

Por otra parte, la muestra en tensin (Er) que aparece en bornes de R, y que es la tensin medidapor el osciloscopio ser:

Er = I*R (1.6) y si R


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1.4 MEDICIONES DE POTENCIA.

- Puede medirse potencia entregada por un generador a una carga por medicin de la tensindesarrollada en bornes de dicha carga que suponemos conocida.

- Cuando se trata de una potencia de RF, deber tenerse en cuenta no slo la respuesta a dichafrecuencia del canal vertical del osciloscopios, sino tambin la de la punta de prueba, y el efecto deesta al conectarse en derivacin con la carga. Con instrumental y puntas corrientes puedenefectuarse mediciones satisfactorias sobre cargas normalizadas (4, 8, 16 ohm en AF y 50 y 75 ohmen RF) y en frecuencias de hasta 10 a 15 MHz.

Debemos distinguir si vamos a interesarnos en la potencia pico o en la potencia media eficaz(RMS)

Sabemos que:P = E.I = E /RL (potencia pico) (1.8)P(rms) = E2rms / RL (Potencia media eficaz) (1.9)

La tensin eficaz es por definicin:

Tratndose de una seal senoidal de expresin:

e = E cos wt

Resulta el siguiente desarrollo:

Expresin que reemplazada en (1.9) d:

=T

dteT

Erms0

21

=

T T

dttdtT

EErms

0 0

2

.2cos2

=T

dttET

Erms0

22 .cos1

DDTT

EErms = )(

2

2

2EErms=

=T

dtt

T

EErms

0

2

.2

2cos1


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(1.16)

Comparando (1.16) con (1.8) potencia pico, vemos que la potencia pico es el doble de lamedia eficaz para una onda senoidal; en efecto:

Aplicando una seal de AF sobre una carga resistiva calcular el valor de la potencia pico y eficaz:

Ppico =

Prms =

1.5 MEDICION DE LA Vef DE UN TREN DE PULSOS

- 1.5.1 Los instrumentos comunes, medidores del valor eficaz responden al valor promedio de laseal rectificada y estn calibrados para una seal sinusoidal. En el caso de una seal compleja quecontiene diferentes armnicas, el valor indicado por esos instrumentos depender de la amplitud yfase de todas las componentes.

Los instrumentos medidores de verdadero valor eficaz responden al valor de calentamiento efectivoproducido por la forma de onda. En el caso de un tren de pulsos o de una onda cuadrada, losinstrumentos medidores de verdadero valor eficaz, responden al efectivo valor de DC que produceel mismo calentamiento que la onda en cuestin, y este valor es independiente del nmero omagnitud de las armnicas que componen la seal pulsante.

El verdadero valor eficaz esta definido como:

Para el caso de una onda cuadrada o de untren de pulsos se tiene:

Si el tren de pulsos esta desacoplado de continua, y el pedestal es tal que el rea de los pulsos porencima del eje horizontal es igual al rea que queda por debajo del resto del periodo, se tiene laexpresin:

ll R

E

R

E

ms 2

)2

(

Pr

22

==

2Pr

picoPms=

=Tp

dtAT

Vef0

21

T

TpAVef=

( )

+=

T

Tpppp

Tp

p dtVVdtVTVef

2

0

21


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Si el rea superior es Vp.Tpy el rea inferior es (Vpp-Vp).(T-Tp)y ambas son iguales, se tiene:

Donde

Reemplazando esta ltima expresin en la raz cuadrada, se tiene:

Operando se tiene,

1.5.2. Conectar un generador de AF a una carga resistiva igual a la impendancia de salidadel generador, y medir con un osciloscopio el voltaje pico y el verdadero RMS deesta seal. Verificar este valor con un voltmetro de medicin de verdadero valoreficaz. Tomar los valores de T, Tp y del ciclo de trabajo.

1.6

MEDICION DE FRECUENCIA MEDIANTE FIGURAS DE LISSAJOUS

El TRC del osciloscopio es un indicador muy til para determinar cuando dos frecuencias soniguales o estn en una relacin armnica determinada.

El mtodo mas sencillo de utilizar un tubo de rayos catdicos para esta medicin consiste enemplear una de las dos seales para producir el barrido horizontal, y la otra para producir lareflexin vertical.

t

V

Vp

Tp T - Tp

T

Vpp

TpT

TpVpVef

=

( ) ( )ppppp TTVVTVp =( ) ( )p

ppppp

TTTVVV

=

+= pp

pppp T

TT

TVTV

TVef

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La condicin para este metodo es que las dos seales sean senoidales puras y que la relacin defrecuencia sea un numero entero a fin de poder observar una figura esttica en la pantalla delosciloscopio. Si la relacin no es un numero entero, la figura estar en permanente movimientohaciendo que la medicin sea difcil. Igual ocurrir si las dos frecuencias no son constanteshaciendo que la figura se comience a mover.

La seal patrn que se usa para determinar la frecuencia de la segunda seal, puede colocarseindistintamente en ambos canales, slo habr que tener encuentra la posicin de ella para elcorrecto calcula de la frecuencia desconocida de acuerdo a la relacin de secantes o tangentes segnsea el caso.

Cuando la relacin de las dos frecuencias esta expresada por un numero entero, o por una relacinde enteros, el resultado es una imagen llamada Figuras de Lissajous. La configuracin dependede la relacin de frecuencias, y de la fase relativa de los dos ondas, y se da en la siguiente figurapara algunos casos tpicos.

Cuando la relacin de frecuencias es una faccin, simple, la imagen es estacionaria, y la relacin dela frecuencia vertical a la horizontal es igual al numero de veces que la figura es tangente a unalnea horizontal dividido por el numero de veces que la figura es tangente a una lnea vertical.


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Cuando la figura de Lissajous es abierta, la relacin anterior puede obtenerse dividiendo el numerode intersecciones producidas entre la figura y una secante horizontal, sobre el numero deintersecciones producidos entre la figura y una secante vertical.

Las figuras de Lissajous resultan difciles de interpretar cuando la relacin de frecuencias esgrande, porque las figuras resultan complicadas. En tales casos es necesario apelar a otros recursos.

Para visualizar las figuras de Lissajous con un osciloscopio en el laboratorio, y realizar la medicinde una frecuencia desconocida utilizamos el montaje de la figura:

Para aplicar la seal del generador 1 a las placas de reflexin horizontal (PDH) del tubo de rayoscatdicos (TRC) del osciloscopio habr de colocarse la base de tiempo (BT) en la posicin X-Y (enalgunos aparatos la llave DISPLAY debe colocarse en dicha posicin).

En los osciloscopios mas rudimentarios (de un solo canal) debe colocarse la llave Barrido (oSWEEP) en la posicin EXT y entrar por el conector de Barrido externo ( X)correspondiente. En general habr que familiarizarse con la arquitectura particular del instrumentoque se posea.

- Tomando la frecuencia del generador #Y como patrn o conocida, se determinara la frecuenciaincgnita producida por el generador #X.

- Se ajusta simultneamente los controles de atenuacin del canal #1 y #2 (o del vertical y delhorizontal) a fin de ajustar la imagen al tamao adecuado (lo mayor posible dentro de la pantalla).

- Variar la frecuencia del generador patrn hasta lograr una seal de Lissajous simple. Usar latangente o la secante segn sea una figura cerrada o abierta respectivamente para establecer larelacin entre los puntos de tangencia o interseccin con la lnea horizontal a los de tangencia o deinterseccin con la lnea vertical.

Como hemos supuesto que la frecuencia desconocida es fv, leyendo el valor de la frecuenciaconocida fh del generador #1, se obtiene:

Fh x numero de intersecciones de la Secanteh = Fv x numero de intersecciones de la Secantev

Fx(desconocida) = Fh(patrn) x Nh/Nv


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1.7 MEDICION DE FRECUENCIA POR EL METODO DE BARRIDO CIRCULAR1.7.1 Las figuras de Lissajous resultan difciles de interpretar cuando la relacin de frecuencia es

grande, porque las imgenes resultan muy complicadas.

En tales casos es necesario apelar a otros recursos. Una alternativa til es utilizar el metodo delBarrido Circular, en el cual una seal se desfasa respecto de si misma, y ella es aplicada al canalhorizontal, mientras que la seal original es aplicada la canal vertical. El osciloscopio se configuracomo XY. La segunda seal es intercalada en entre la salida del desfasador y la entrada del canalhorizontal. Con esto, el barrido horizontal estar modulado por la segunda seal, dando origen auna figura elipsoidal con contornos modulados por la segunda seal.

La frecuencia mas baja se utiliza para producir una traza elptica o circular con ayuda de un divisorde fase RC. En una rama se intercala la tensin de frecuencia mas alta de modo que esta se suma ala anterior en ambas entradas (X e Y).

En la imagen dentada resultante, la relacin de frecuencias es igual al numero de picos o dientes de

la imagen, dividido por el numero de veces que una lnea recta radial corta a la imagen .Si las frecuencias difieren ligeramente de una relacin entera o expresable por una relacin simplede enteros, la imagen parece girar tanto mas velozmente cuanto mayor es la discrepancia de larelacin de frecuencias respecto de la relacin armnica SIMPLE.1.7.2 MONTAJE PRACTICO:


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En el laboratorio puede ensayarse este metodo con dos generadores de audio de buena estabilidad.La seal de mas baja frecuencia ser la utilizada para producir la traza elptica mediante eldesfasador RC, y desempeara el rol de frecuencia patrn, por lo cual es conveniente usar ungenerador de buena estabilidad y precisin de frecuencia, siendo muy conveniente que el mismotenga un buen sistema de sintona para facilitar la estabilizacin de la imagen.

La seal del segundo generador se usara como frecuencia desconocida la cual se determinara como:

F2(desconocida) = R x Fp (patrn)

Donde R es la relacin entre los mximos y la cantidad de veces que cruza la lnea radial a laimagen.

NOTA: Deber ensayarse distintos puntos de toma a maza o tierra en el interconexionado de

los instrumentos debido a la aparicin de zumbido de 50 Hz proveniente de la red de

alimentacin, el cual produce deformaciones u ondulacin que producen inestabilidad de la

imagen lo cual dificulta la medicin


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1.8 MEDICION DE FRECUENCIA POR EL METODO DE MODULACION DEL EJE Z1.8.1 Este metodo es una variante del anterior y como en aquel, se utiliza la frecuencia menor

paraproducir el barrido circular. Al electrodo que controla la intensidad del haz se lo polarizaligeramente ms all del corte (disminuyendo la intensidad por medio del control INTESIDAD) yse superpone a esta tensin de polarizacin, la tensin de frecuencia mayor. Esto se lograinyectando la frecuencia mayor al terminal Z (parte posterior del osciloscopio) del osciloscopio.

La imagen resultante en la pantalla consiste en un circulo o elipse de trazos luminosos.La relacin (R) de la frecuencia mas alta a la mas baja es igual al numero de puntos luminosos. Estemetodo presenta una incertidumbre en caso de que la relacin entre las frecuencias sea n veces elnumero de trazos, en donde el numero calculado de la relacin va tener una indeterminacin de n

veces.

1.8.2 MONTAJE PRACTICO

El ensayo se hace montando el siguiente circuito, en donde el generador de menor frecuencia seconecta al canal vertical y una muestra de l se desfasa a travs de una red RC y esa seal seconecta al barrido horizontal. La imagen generada ser una figura elptica. El generador de altafrecuencia se conecta a la entrada del eje Z del osciloscopio.


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La frecuencia desconocida se obtiene por medio de:

Fx (desconocida) = Fp (patrn) x N de trazos intensos

1.9 MEDICIONES DE FASE

1.9.1 Al configurar el osciloscopio para visualizacin de las Figuras de Lissajous se que ve quecuando la relacin armnica de las dos senoides es uno, la imagen obtenida es muy sencilla; se tratade una elipse y varia en funcin de la fase relativa de las dos seales entre sus limites, a saber:

desde una recta inclinada a 45o 135 cuando la fase entre ellas es 0 180, hasta un circulocuando la fase es 90 270(para que as sea, la amplitud de la reflexin vertical debe ser igual a laamplitud de la reflexin horizontal).El TRC es por tanto, un dispositivo til para observar y Medir la fase relativa de dos ondassenoidales, cuyo valor esta dado por la siguiente expresin:

Sen = + B / A

donde A y B se obtienen de acuerdo a las siguientes representaciones:


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El cuadrante correspondiente debe deducirse de acuerdo con la orientacin del eje mayor de laelipse y la direccin en que se mueve el punto luminoso.

Puede eliminarse la incertidumbre acerca del sentido de desplazamiento del punto luminosodesplazando, la fase de una de las tensiones deflectores en sentido conocido, y observando el efectocorrespondiente sobre la figura.

Una forma de implementar el procedimiento anterior consiste en insertar una red desfasadoraajustable (RDA) en serie con una de las placas deflectoras.

1.9.2 MONTAJE PRACTICO

Podemos verificar experimentalmente lo dicho realizando el siguiente montaje:


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Antes de efectuar las lecturas de A y B, las ganancias de los canales horizontal y vertical deben serecualizados. Esto se hace conectando la misma seal en ambos canales; se desconecta a la punta delborne X y se lo conecta junto con la del borne Y, ajustando los controles de atenuacin de loscanales H y V del osciloscopio hasta visualizar una recta a 45. Tambin debe centrarse la imagenrespecto de ambos ejes coordenados.

La lectura ser ms exacta mientras mayor sea el tamao de la elipse, lo que puede controlarsemediante el ajuste del atenuador de salida del generador de AF.

Sen = + B / A El ngulo sea calcula como = arc sen B / AA los efectos de identificar cual de las dos tensiones esta adelantada o atrasada en fase respecto dela otra, puede implementarse una red RC fija que desplace la fase de una de las tensiones en sentidoconocido, por ejemplo una red de adelanto RC.

La red se conecta en SERIE con una de las dos tensiones. La interpretacin es directa: si la tensinestaba adelantada, ahora ESTARA MAS AUN, y viceversa.


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2.0 MEDICION DE IMPEDANCIAS CON OSCILOSCOPIO

El osciloscopio es un instrumento muy verstil para medir parmetros, siendo la medicin deimpedancia uno de los parmetros que pueden medirse.

El esquema utilizado para realizar esta medicin es:

Suponiendo que la sensibilidad vertical es Sv y la horizontal es Sh, y ambas estn ecualizadas, laimpedancia desconocida a cierta frecuencia f producir sobre la pantalla una figura elptica. Lareflexin horizontal del haz responder a la tensin desarrollada sobre la Rv, mientras que lareflexin vertical va a responder a la tensin en bornes de la impedancia Z.

Variando el valor del Restato Rv, se puede hacer que la elipse se inscriba dentro de un cuadrado,lo cual corresponde al caso que Uz = Ur. Como la impedancia Z esta en serie con el Restato Rv ysuponiendo que la corriente I solo circula por este circuito serie, en este caso se obtiene que Z = Rv.En consecuencia, midiendo el valor de Rv se obtiene el modulo de la impendancia Z.

La impendancia Z tiene componentes real e imaginaria como indica la expresin 2.3, siendo elngulo comprendido entre la componente real e imaginaria de esta impedancia. Si bien el ngulodeterminado por la elipse mostrada en la pantalla es generado por la impendancia Z y el RestatoRv, como la corriente I es la misma que circula por el Restato y la componente Real de laimpedancia, se puede inferir que el ngulo calculado es el ngulo entre la componente real y laimaginaria.

Por lo cual con el osciloscopio se puede determinar con precisin el valor de la Impendancia enModulo y fase.

2.1 Montaje Practico:

Utilizando una impedancia como puede ser un Parlante, armar el circuito de prueba con un restatoy hacer las determinaciones segn el procedimiento anterior del modulo y la fase.

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