U.B.A. FACULTAD DE INGENIERA

Departamento de Electrnica

LABORATORIO 66-02

Informtica

TRABAJO PRCTICO N4

Osciloscopio avanzado

Curso 2014 1er Cuatrimestre Turno: mircoles 15hs-18hs

APELLIDO, Nombres N PADRN

Araya, Nicols 93203

Recalde, Guillermo 93892

Alumno Responsable :

Fecha de Realizacin : Fecha de Aprobacin : Calificacin : Firma de Aprobacin :

Observaciones:

2

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Araya Nicols

Recalde Guillermo

1 Objetivos

El objetivo principal de esta prctica consiste en analizar el efecto de las

puntas del osciloscopio sobre las mediciones.

2 Introduccin terica

2.1 Puntas

Existen dos tipos de puntas: X1 y X10. As como su atenuacin, la forma en

que estas puntas cargan al circuito medido son distintas. Los efectos de

carga de cada punta en conjunto con los del osciloscopio se esquematizan

a continuacin:

Figura 1. Circuitos equivalentes a las puntas X1 y X10.

2.2 Frecuencia de corte

La frecuencia de corte se define como la frecuencia en la cual la respuesta

en frecuencia cae al 70,7% de su valor mximo, es decir:

En un circuito RC, se obtiene como:

3

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2.3 Tiempo de crecimiento

El retraso en el crecimiento de la tensin sobre un capacitor puede ponerse

de manifiesto a travs del parmetro llamado tiempo de crecimiento. Para

una onda cuadrada, se define a esta variable como el tiempo que le lleva a

la seal aumentar desde el 10% al 90% de su tensin mxima, y se calcula

como:

2.4 Relacin entre tiempo de crecimiento y frecuencia de corte

Tomando las ecuaciones y , se deduce

2.5 Rectificador

Es un circuito formado por uno o ms diodos, que permite convertir la

corriente alterna, que recibe, en continua.

2.5.1 Rectificador de media onda

Es un circuito formado por un diodo, que se interpone entre la fuente y la

carga. Cuando la tensin de la fuente es positiva, el sentido de la corriente

es favorable y se produce la circulacin. En cambio cuando la tensin es

negativa, no circula corriente.

Figura 2. Rectificador de media onda.

4

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Figura 3. Grfico de la seal rectificada a media onda.

2.5.2 Rectificador de onda completa

Es un circuito formado por cuatro diodos. Cuando la tensin del generador

es positiva, los diodos D1 y D2 estn polarizados en forma directa y por lo

tanto conducen, en tanto los diodos D3 y D4 no conducen. Cuando la fase de

la entrada se invierte, los diodos D3 y D4, pasan a estar en condiciones de

conducir, en tanto D1 y D2 se cortaran.

Figura 4. Rectificador de onda completa.

5

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Figura 5. Grfico de la seal rectificada a onda completa.

3 Instrumentos utilizados

A continuacin se detallan los instrumentos utilizados.

Instrumento Caractersticas

Generador de funciones

TopWard 8140 (GEN015)

Osciloscopio Gos-653G (OSC019)

Contador Goldstar FC-218U

(FRQ017)

Cables

Banana-Cocodrilo

Cocodrilo-Cocodrilo

BNC-BNC

Banana-BNC

Multimetro de

valor eficaz

Sonel cmm-40

(TRMS004)

Multimetro de

valor medio

Protomax MS8221A

(MUD045)

6

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4 Parte Prctica

4.1 Medicin de tiempo de crecimiento.

Se mont el circuito RC de la figura, ajustando el generador de funciones de

manera tal que se obtenga a su salida una seal cuadrada. Mediante este

banco de medicin se pretende medir el tiempo de crecimiento de la tensin

sobre el capacitor utilizando la punta del osciloscopio en modo directo y

atenuado.

Figura 6. Banco de medicin para la obtencin del tiempo de crecimiento de la tensin sobre el capacitor C1.

Con los controles del osciloscopio se ubic al tren de pulsos observado entre

las lneas de 0% y 100% de la gratcula, con el canal vertical descalibrado.

A continuacin se contaron el nmero de divisiones existentes entre los

puntos de corte del flanco ascendente de uno de los pulsos con las lneas

del 10% y 90%.

4.1.1 Medicin de tiempo de crecimiento con punta directa.

Como se observa en la figura, la cantidad de divisiones horizontales entre el

y de la seal es . Puesto que cada divisin, segn el ajuste de la

base de tiempo, es . El tiempo de crecimiento es .

7

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Figura 7. Tensin sobre el capacitor con conexin punta X1

La incerteza en la medicin est dada por

Donde es la base de tiempo principal. Segn el manual del osciloscopio

utilizado

Luego, reemplazando en

Por lo tanto, el tiempo de crecimiento de la tensin sobre el capacitor con

punta directa es

Si se analiza el circuito equivalente del banco de medicin montado,

tericamente se espera un valor

8

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Comparando ambos resultados se observa que la medicin prctica se

corresponde con la teora.

4.1.2 Medicin de tiempo de crecimiento con punta atenuada.

Como se observa en la figura, la cantidad de divisiones horizontales entre el

y de la seal es . Puesto que cada divisin, segn el ajuste de la

base de tiempo, es . El tiempo de crecimiento es .

Figura 8. Tensin sobre el capacitor con conexin punta X10

La incerteza en la medicin est dada por

Luego, reemplazando en

Por lo tanto, el tiempo de crecimiento de la tensin sobre el capacitor con

punta atenuada es

9

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Si se analiza el circuito equivalente del banco de medicin montado,

tericamente se espera un valor

Comparando ambos valores, resulta evidente que existe una diferencia no

despreciable. Esta es debida a que, en la prctica, no se calibr la punta

atenuada como debera haberse hecho en principio. No calibrar la punta X10

provoca un cambio en la capacidad del cable, variacin que evidentemente

influy en el resultado.

En conclusin, las mediciones con punta directa y punta atenuada arrojaron

valores distintos. Esto es debido a que el efecto de carga que produce la

punta directa sobre el circuito es mucho mayor que el aportado por la punta

atenuada.

Si se varan los valores de resistencia y capacitancia de los elementos del

circuito se modificara tambin el tiempo de crecimiento analizado, a menos

que el producto se mantenga constante. Puesto que el tiempo de

crecimiento es directamente proporcional al valor de la resistencia y

capacitancia, un aumento o disminucin de alguno de los valores provocar

un aumento o disminucin del tiempo de crecimiento respectivamente. Sin

embargo, la medicin no slo depender de sino tambin de la

resistencia y capacitancia equivalente del conjunto punta-osciloscopio. Por

ejemplo, una resistencia comparable o mayor a la resistencia de la punta

arrojar un tiempo de crecimiento menor al esperado.

4.2 Medicin de ancho de banda

Se pretende averiguar el ancho de banda del conjunto punta-osciloscopio.

Para esto se utiliz el mismo banco de medicin anterior.

El generador de funciones fue ajustado para obtener a su salida una seal

senoidal. El osciloscopio se configur tal que en su pantalla podan

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observarse las seales del generador y la tensin sobre el capacitor

superpuestas.

Puesto que la frecuencia de corte es aquella tal que la tensin de salida se

reduce a un , se vari la frecuencia de la seal de entrada hasta que

se observ que la amplitud de la tensin de salida disminuy la relacin

mencionada.

4.2.1 Medicin del ancho de banda mediante punta directa.

En la pantalla del osciloscopio se observ lo de la figura

Figura 9. Pantalla del osciloscopio ante un barrido de frecuencias. Las seales de entrada (sin variacin de amplitud) y salida (amplitud al 70%) estn superpuestas, medidas con punta X1.

Donde, la amplitud de la seal de salida es tal que se redujo a un de la

amplitud original. Con esta configuracin se observ la frecuencia del

generador de funciones mediante un contador universal, y el valor arrojado

fue .

Los valores de frecuencia y tensin tomados se muestran en la siguiente

tabla

Frecuencia [KHz] Tensin de salida [V]

27,04 1,5

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80,2 1,45

120,0 1,45

226,1 1,35

314,9 1,3

352,4 1,25

405,2 1,2

500,6 1,1

614,2 1,0

702,4 0,9

755,0 0,9

Tabla 1. Respuesta en frecuencia del conjunto punta X1 osciloscopio

En la siguiente figura se muestra en forma de grfico con eje horizontal

semilogartmico los datos de la tabla anterior

Figura 10. Respuesta en frecuencia del conjunto punta X1 Osciloscopio.

Se observa que la tensin cae al (esto es aproximadamente) a una

frecuencia de .

En conclusin, el ancho de banda para el conjunto puntaX1-osciloscopio es

del orden de los , puesto que mediante el primer mtodo

(comparando las seales directamente en el osciloscopio) y el segundo

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

27,04 270,4 2704

Ten

si

n [

V]

log Frecuencia [KHz]

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mtodo (aproximar mediante un grfico Tensin Vs Frecuencia) se

obtuvieron valores cercanos al mencionado. Como valor final tomamos el

promedio entre ambas frecuencias

Con el valor del ancho de banda hallado se puede calcular el tiempo de

crecimiento de la tensin sobre el capacitor. Puesto que

En particular, para la medicin de tensin con punta directa

Si se compara este resultado con el obtenido mediante el osciloscopio

se concluye que debido a la cercana entre ambos, el ancho de

banda hallado es correcto.

4.2.2 Medicin del ancho de banda mediante punta atenuada.

En la pantalla del osciloscopio se observ lo de la figura

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Figura 11. Pantalla del osciloscopio ante un barrido de frecuencias. Las seales de entrada (sin variacin de amplitud) y salida (amplitud al 70%) estn superpuestas, medidas con punta X10.

La frecuencia mostrada por el contador universal fue .

Los valores de frecuencia y tensin tomados se muestran en la siguiente

tabla

Frecuencia [KHz] Tensin de salida [V]

272,890 8,8

650,030 8,08

1664,331 6,6

1789,664 6,4

1804,921 6,34

1915,836 6,2

En la siguiente figura se muestra en forma de grfico con eje horizontal

semilogartmico los datos de la tabla anterior

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Figura 12. Respuesta en frecuencia del conjunto punta X10 Osciloscopio.

Se observa que la tensin cae al (esto es aproximadamente) a

una frecuencia de .

Promediando ambos valores de frecuencia obtenidos, se establece que el

ancho de banda del conjunto puntaX10-osciloscopio es

Con este valor de ancho de banda se calcula el tiempo de crecimiento de la

tensin sobre el capacitor

Comparando con el valor terico obtenido se observa que

stos son bastante cercanos, por lo que se concluye que el ancho de banda

hallado es correcto.

4.3 Medicin de frecuencia de corte.

Se mont el banco de medicin de la figura

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

500

Ten

si

n [

V]

log Frecuencia [KHz]

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Figura 13. Banco de medicin para hallar la frecuencia de corte del conjunto punta-osciloscopio.

Se ajust el generador de funciones tal que a su salida se obtuviera una

seal senoidal. A continuacin se realiz un barrido de frecuencias hasta

que el valor pico de tensin de la seal de entrada disminuy un de su

valor inicial. Con ayuda del contador universal en modo frecuencmetro se

tom el valor de frecuencia en la cual esta disminucin ocurra.

4.3.1 Medicin de frecuencia de corte con punta directa.

4.3.2 Medicin de frecuencia de corte con punta atenuada.

4.3.3 Influencia de la resistencia ubicada en serie con la punta.

El circuito equivalente del banco de medicin es el de la figura

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Figura 14. Circuito equivalente al banco de medicin para la obtencin de la frecuencia de corte del conjunto punta osciloscopio.

Evidentemente la resistencia de se encuentra conectada en paralelo

con la resistencia (resistencia del conjunto punta-osciloscopio), por lo

que la resistencia del conjunto tender a acercarse ms a .

Sabiendo que la frecuencia de corte puede calcularse como

puede

notarse que cuanto menor es la resistencia , mayor ser la frecuencia de

corte. Por lo tanto la funcin de la resistencia conectada en serie con la

punta es la de permitir obtener una frecuencia de corte manejable por el

generador de funciones.

Ntese que si se eliminara esta resistencia de , tanto con la

capacitancia de la punta directa o atenuada, los valores de frecuencia de

corte que se obtendran son del orden de los y

respectivamente. Estas frecuencias no pueden obtenerse con el generador

de funciones utilizado en el laboratorio, cuyo mximo es , por lo que

no se podra calcular la frecuencia de corte del conjunto punta-osciloscopio.

4.4 Mediciones con rectificadores.

4.4.1 Medicin de la amplitud de la seal rectificada.

Se mont el banco de medicin de la figura

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Figura 15. Banco de medicin para el clculo de la amplitud de la seal rectificada.

Se ajust el generador de funciones a su mxima amplitud con una seal

senoidal de aproximadamente. Luego, con ayuda del osciloscopio se

observ en pantalla lo mostrado por la figura

Figura 16. Seal rectificada

Puesto que cada divisin de la cuadrcula vertical representa y se leen

3 de ellas, la amplitud de la seal rectificada es .

Se calcula la incerteza en la medicin

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Luego, la amplitud de la seal es

4.4.2 Medicin del factor de forma.

Por definicin, el factor de forma est dado por

Mediante el multmetro digital de valor medio se registr la cada de tensin

sobre la resistencia

Segn el manual de usuario del multmetro, la incerteza en la medicin es

A un alcance de y resolucin

Por lo tanto, el valor de la medicin es

Utilizando el multmetro de valor eficaz

Por lo tanto el factor de forma de la seal es

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Se calcula la incerteza en la medicin segn la frmula

Donde

Por lo tanto el factor de forma de la seal analizada es

4.4.3 Clculo del valor pico a pico de la tensin de ripple.

Se mont el banco de medicin de la figura

Figura 17. Banco de medicin para el clculo de la tensin de ripple.

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Para una resistencia de y un capacitor de la tensin observada

en la pantalla del osciloscopio fue una seal casi continua, por lo cual no fue

posible medir la tensin de ripple.

Se vari el valor de la capacitancia por una de . La seal observada

fue la de la figura

Figura 18. Seal a partir de la cual se midi la tensin de ripple.

Como el canal vertical est ajustado en por divisin, y se leyeron

divisiones, el valor de la tensin pico a pico es .

La incerteza en la medicin est dada por

Por lo tanto el valor pico a pico de la tensin de ripple es

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5 Conclusiones

Realizar mediciones con una punta directa o una atenuadora claramente no

es equivalente. El efecto que produce cada una est ntimamente ligado al

circuito analizado, y la eleccin de una u otra punta se desprender de si el

efecto de carga aportado es o no influyente en la medicin.

En el clculo del tiempo de crecimiento se observa que existe una diferencia

entre los valores tomados utilizando una punta directa y una atenuada. En

particular, la punta X1 arroj un valor mayor que una X10. Esto se debe a

que la punta directa aporta un mayor efecto de carga al circuito, si bien en

cuanto a las resistencias la variacin sobre el circuito no es considerable,

esto no es as a nivel capacitivo. La capacidad equivalente de la punta

atenuada es la dcima parte de la capacidad de la punta directa, aportando

as un menor efecto de carga al circuito.

Otra caracterstica notable relacionada con las puntas es que el ancho de

banda del conjunto punta-osciloscopio vara si se utiliza la punta directa o la

punta atenuada. El rango de frecuencias en donde la medicin es vlida

(segn el criterio ) es mucho mayor si se utiliza una punta X10 que el

rango aprovechable por una punta X1.

En cuanto a los circuitos RC con diodos rectificadores se concluy que un

aumento de la capacitancia del circuito disminuye el valor pico a pico de la

tensin de ripple.

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6 Anexos

6.1 Clculo terico del tiempo de crecimiento de la tensin sobre el

capacitor C1 con punta directa.

El circuito equivalente al banco de medicin es el de la figura

Figura 19. Circuito equivalente al banco de medicin con punta directa.

La resistencia interna del generador de funciones utilizado es segn el

manual del instrumento.

Evidentemente el circuito puede simplificarse si se observa que las

resistencias y la de estn conectadas en serie, y la equivalente

entre ambas, conectadas en paralelo con la resistencia de . Por lo tanto

la resistencia equivalente es

Adems, ambos capacitores estn conectados en paralelo, por lo que la

capacidad equivalente es

Se obtiene entonces un circuito equivalente RC, donde la cada de tensin

en el capacitor posee un tiempo de crecimiento dado por

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6.2 Clculo terico del tiempo de crecimiento de la tensin sobre el

capacitor C1 con punta atenuada.

El circuito equivalente al banco de medicin es el de la figura

Figura 20. Circuito equivalente al banco de medicin con punta atenuada

Con consideraciones idnticas al tem anterior se obtiene un circuito RC,

donde

Luego, la cada de tensin en el capacitor posee un tiempo de crecimiento

dado por

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6.3 Hoja de instrumentos

6.3.1 Multmetro digital PROTOMAX MS8221A

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6.3.2 Multmetro SONEL CMM-40

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6.3.3 Osciloscopio GOS-653G

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6.3.4 Generador de funciones TopWard 8140

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6.3.5 Contador universal Goldstar FC-218U