EL OSCILOSCOPIO

 

I. OBJETIVO

Entender el principio de funcionamiento del osciloscopio, así como adiestrarse en el manejo del osciloscopio en conjunto con el generador de señales (senoidales y cuadradas), la fuente de poder, y el voltímetro DC/AC.

II. TEORIA BASICA

El osciloscopio es un instrumento electrónico que permite la visualización de una señal para la observación y medición de características que no pueden ser apreciadas, al mismo tiempo, mediante el uso de instrumentos de medición comunes (ya sea un voltímetro, o algo un tanto más complejo: un frecuenciómetro, por ejemplo). El osciloscopio consta básicamente de circuitos atenuadores y amplificadores verticales, circuitos de disparo y de barrido, circuito amplificador horizontal y, un tubo de rayos catódicos (CRT ó TRC) con su respectivo circuito de control.

El elemento central del osciloscopio es el TUBO DE RAYOS CATODICOS (Fig. 1), el cual es un tubo de vidrio en el que se ha hecho un alto vacío. El TRC posee tres partes importantes: cañón de electrones, placas deflectoras y pantalla fosforescente.

Los rayos catódicos, electrones emitidos por un filamento caliente llamado cátodo (-), son acelerados hacia un ánodo (+) que se mantiene a un alto potencial eléctrico "V", de varios miles de voltios. En el centro de ánodo hay un agujero por el que atraviesa sólo un pequeño haz de electrones, el cual

continúa su trayectoria hasta chocar con la pantalla, originando un punto luminoso en el lugar del choque, punto "P" en la Fig. 1, debido a que la pantalla está recubierta internamente con una sustancia fosforescente.

El haz de electrones puede ser desviado, tanto en la dirección vertical como en la horizontal por campos eléctricos producidos entre los pares de placas de desviación al aplicárseles sendos voltajes (Vvert. y Vhor.). Estas desviaciones (Xp e Yp en la Fig.1) serán proporcionales a los voltajes aplicados, es decir:

Xp µ Vhor = Vx Yp µ Vver = Vy (Ec1)

El haz de electrones pasará sin desviarse cuando estos dos voltajes (Vy y Vx) sean nulos. La Fig. 2 muestra la posición del punto "P" para diferentes casos, todos con voltajes constantes.

Movimiento del punto P

Cuando a las placas de deflexión se les conectan voltajes variables, el punto "P" de la pantalla "camina" sobre ésta. El tipo específico de movimiento de P depende de los voltajes aplicados sobre las placas.

En general, podemos diferenciar dos tipos de movimientos: en una dimensión y, en dos dimensiones.

a. Movimiento en una dimensión : De las muchas formas en que se puede "mover" el punto P (en una dirección), nos interesan básicamente dos casos:

1. Cuando uno de los voltajes deflectores (Vx ó Vy) es un voltaje senoidal de frecuencia angular (Fig.3a).

2. Cuando el voltaje deflector Vx es un voltaje "diente de sierra" (Fig. 3b)

Como la deflexión es proporcional al voltaje aplicado a las placas (ec.1), los movimientos de P que corresponden a estos voltajes serán: 1) Movimiento armónico simple (de frecuencia angular) y, 2) Movimiento uniforme a velocidad constante (repetitivo), respectivamente.

En la Fig. 4 se muestran las trayectorias propias de P para tres casos de movimiento unidimensional, en donde además se especifican los voltajes aplicados y el tipo de movimiento que tendrá P.

a. Movimiento en dos dimensiones : Se dará al aplicar, simultáneamente, voltajes variables en ambos juegos (pares) de placas. De las muchas posibilidades existentes nos interesan las siguientes:

1. Tanto el voltaje de reflexión horizontal (Vx) como el vertical (Vy) son los voltajes senoidales; en general, de frecuencias diferentes.

2. El voltaje de deflexión vertical (Vy) es un voltaje periódico (por ejemplo el voltaje armónico), y el horizontal (Vx) es un voltaje diente de sierra.

En el primer caso, el movimiento resultante de P será la composición de dos movimientos armónicos simples (M.A.S.) perpendiculares entre sí. En la Fig. 5 se han graficado algunos movimientos resultantes, dadas las condiciones necesarias para que la trayectoria se repita periódicamente.

En el segundo caso, el movimiento de P proviene de componer un movimiento horizontal a velocidad constante (barrido) con un movimiento vertical armónico (M.A.S.). En la Fig.6 se han graficado algunos movimientos resultantes para este caso.

Y, generalizando, si la trayectoria de P se repite periódicamente, y esto es muy rápido, veremos dibujada la trayectoria debido a la persistencia de la imagen en las retinas de nuestros ojos.

Observando detenidamente y comparando las trayectorias de la Fig. 6 podemos concluir que el voltaje horizontal Vx ("diente de sierra") reproducirá una gráfica estable en la pantalla, de la variación en el tiempo del voltaje vertical Vy cuando: Tx = nTy (n=entero). En realidad se pueden obtener gráficas estables de voltajes Vy periódicos de cualquier frecuencia, debido a un sincronismo interno que posee el osciloscopio con respecto a su señal diente de sierra.

Por lo expuesto anteriormente, se puede concluir que en el osciloscopio se utiliza esta idea para reproducir señales ya sean constantes, variables, o compuestas, en su pantalla, pues se tiene un dispositivo electrónico interno que genera un voltaje diente de sierra horizontal, llamado también barrido, que se sincroniza automáticamente con el voltaje vertical. Además, debido a que la velocidad de barrido horizontal es constante, se toma al eje horizontal como eje de tiempos, y esto permite la medición del período de la señal Vy.

Conexiones Externas de un Osciloscopio BK Precisión

En la Fig.7 se muestra el panel frontal del osciloscopio BK PRECISION, en el que SOLAMENTE aparecen los nombres de aquellos controles que podrían utilizarse comúnmente por los alumnos, como por ejemplo el conmutador SWEEP MODE, el conmutador MONO/DUAL, las perillas INTENSITY, FOCUS y las de posición del punto luminoso sobre la pantalla (POS y X-POS), y los conectores de entrada: CH1(Y) y CH2(X). Aquellas perillas, conmutadores, posiciones de los conmutadores, entradas y/o salidas que no poseen nomenclatura NO DEBERAN SER MOVIDOS A MENOS QUE EXISTA UNA INDICACION EXPRESA sobre tal acción, ya que éstos se hallarán situados en la posición de funcionamiento normal, y NO NECESITARAN AJUSTE ALGUNO POR PARTE DE LOS ALUMNOS.

Los controles INTENSITY (INTENSIDAD) y FOCUS (ENFOQUE) permitirán la obtención de un haz de brillo apropiado y bien enfocado, respectivamente.

El conmutador SWEEP MODE (MODO DE BARRIDO) posee cuatro posiciones posibles, que corresponden a cuatro modos de barrido horizontal, de las cuales sólo se describirán las dos posiciones a utilizarse: X-Y y MAIN.

En la posición MAIN (PRINCIPAL), los conectores CH1 (Y) y CH2 (X) podrán recibir dos voltajes de reflexión vertical independientes Vy1 y Vy2, respectivamente, los cuales se combinarán con el voltaje interno "diente de sierra" de barrido horizontal, y en la pantalla se observará la forma de Vy1 y Vy2 simultáneamente en la opción DUAL, o sólo una de ellas (la del CH1 ó la del CH2) en la opción MONO, selección que deberá hacerse además con el conmutador Ch1/CH2 (CANAL1/CANAL2) que se halla en la misma zona en que se encuentra el conmutador MONO/DUAL, denominada VERTICAL MODE (MODO VERTICAL). Además, en esta opción se podrá utilizar el conmutador NORM/INV (NORMAL/INVERTIDA) que afectará a la señal del Ch1 específicamente.

En la posición X-Y SERA ANULADO EL BARRIDO DIENTE DE SIERRA HORIZONTAL INTERNO, apareciendo solamente un punto luminoso; el cual podrá ser adecuadamente posicionado sobre la retícula guía de la pantalla mediante los controles X-POS (POSICION SOBRE EL EJE X) y POS (POSICION SOBRE EL EJE DE Y), de modo independiente para el CH1, como para el CH2. Además, al ser anulado el barrido interno, el conector CH2 (X) podrá recibir un voltaje externo que corresponderá, en éste caso, al voltaje de deflexión horizontal (Vx), que podrá ser amplificado o reducido electrónicamente antes de ser aplicado propiamente a las placas de deflexión horizontal; a su vez, el conector CH1 (Y) podrá recibir el voltaje externo que corresponderá al voltaje de deflexión vertical (Vy). En la pantalla del osciloscopio se observará entonces el resultado

de la composición de los dos voltajes antes mencionados: las Figuras de Lissajous mostradas en la Fig.5.

Los conmutadores correspondientes a COUPLING (ACOPLAMIENTO) y SOURCE (FUENTE) NO DEBERAN SER MOVIDOS de las posiciones AC y CH1 respectivamente, a menos que se indique expresamente lo contrario por alguna razón especial.

Los conmutadores CH1 VOLTS/DIV y CH2 VOLTS/DIV (VOLTIOS POR DIVISION) nos permitirán visualizar medidas precisas de amplitud de las señales que se tenga en las entradas CH1 y CH2, respectivamente, siempre y cuando el control variable de ganancia de cada uno de ellos (VARIABLE CAL) se halle en la posición de calibración normal ( CAL). Para la medición habrá de tenerse en cuenta que cada cuadrícula representará el valor señalado por el indicador situado en la perilla, sobre la graduación radial correspondiente, siempre en pasos de por 1-2-5, como podrá apreciarse.

En la misma zona en que se hallan los conmutadores descritos se hallan también los conmutadores de ACOPLAMIENTO DE ENTRADA AC/GND/DC, cuyas funciones son:

AC: Visualización de la señal como alterna (AC) pura, eliminando si la hubiera, cualquier componente de continua (DC). Se puede hacer así el estudio de los picos y transitorios, y/o variaciones específicas de señales en una escala adecuada, ya que por ejemplo: si la señal tuviera una componente continua de 10 voltios sumada a una variación alterna de 10mV, ésta última componente no podría ser apreciada debido a la exagerada diferencia de tamaño relativo.

El inconveniente de esta opción se halla en que:

a. no sabe si la señal es alterna pura ó mixta y, b. se distorsionan las componentes de baja frecuencia debido a que la "eliminación" o

bloque de la señal DC se realiza mediante el uso de un condensador EN SERIE con la entrada.

GND: Visualización del nivel sobre el cual se gráfica la señal en observación con respecto a la retícula de la pantalla, sin necesidad de desconectar la señal de entrada ni cortocircuitos las puntas de conexión de las sondas de prueba, ya que el amplificador de entrada del canal en uso se conecta internamente a tierra o masa (nivel de referencia cero), al mismo tiempo que se desconecta la línea de entrada de señal externa. En este caso se podrá desplazar verticalmente el nivel de referencia que aparezca mediante el giro de la perilla POS correspondiente al canal en uso.

DC: Visualización de la señal completa, es decir, sea sólo de DC, AC pura, ó compuesta, manteniendo sus valores relativos, los que se traducirán en tamaños relativos sobre la pantalla.

El conmutador MAIN TIME BASE (BASE DE TIEMPO PRINCIPAL) o conmutador de velocidad de barrido diente de sierra interno permitirá hacer medidas precisas de tiempo

cuando la perilla de control variable (VAR/SWEEP) se encuentre en la posición de calibrado (CAL). En este caso también se tendrá secuencias de 1-2-5 múltiplos de m s/div a s/div (s: segundos).

En los casos en que se usen ambos canales, cada una de las señales podrá ser manejada independientemente de la otra en lo referente a la amplitud, en tanto que no podrá ser así en lo correspondiente a la base de tiempo, la cual será común a ambas; de aquí que se podrán comparar amplitudes y formas de ondas de las señales y las relaciones de tiempo entre ellas.

 

 

I. MATERIAL

Un (1) Osciloscopio de doble trazo BK PRECISION, Mod. 2125

Un (1) Generador de señales eléctricas PASCO.

Una (1) Fuente de Poder CENTEL.

Un (1) voltímetro DC/AC.

Una (1) sonda simple de osciloscopio (negra)

Una (1) sonda con atenuador ( 10) de osciloscopio (gris).

Ocho (8) cables conectores

II. PROCEDIMIENTO

Ajuste previo. Con el osciloscopio APAGADO, seleccionar:

o la posición X-Y del conmutador SWEEP MODE. o la posición GND de los conmutadores AC-GND-DC o la mayor escala de los controles: CH1 VOLTS/DIV Y CH2 VOLTS/DIV.

ENCENDER el osciloscopio, y con la ayuda de los controles INTENSITY Y FOCUS, obtener un punto luminoso adecuado. Con los controles POS de CH1 y X-POS, situar el punto P coincidiendo con el origen del sistema de coordenadas de la pantalla. Pasar a la posición DC los conmutadores AC-GND-DC.

SI TIENE ALGUNA DUDA SOBRE EL PROCEDIMIENTO,

CONSULTE CON SU JEFE DE PARCTICA…

Tablas: De acuerdo a como se vaya avanzando en el desarrollo de la práctica, se han de ir llenando las tablas respectivas.

A. Señales continuas (Tabla A)

A.1) Deflexión vertical.

a. Con ayuda del voltímetro obtener 10V de corriente continua (DC) de la fuente de poder CENTEL. Conectar la salida de la fuente a la entrada CH1 (Y) (utilizar la sonda negra), para ello debe tenerse en cuenta que la conexión normal de las sondas es aquella en que la punta de prueba secundaria (anexo flexible de color negro) va al punto de salida negativa de la fuente (GND o punto de referencia). Elegir un valor adecuado para el control CH1 VOLTS/DIV. Observar la pantalla.

b. Invertir la conexión de las puntas de la sonda en la fuente y observar nuevamente.

A.2) Deflexión horizontal.

Conectar la salida de la fuente a la entrada del CH2 (X) (en conexión normal). Elegir aquí también un valor adecuado para el control CH2 VOLTS/DIV. Observar el efecto.

NOTA: No Desconectar la entrada CH2 de este paso pues la habrá de seguir utilizando en el paso siguiente.

A.3) Deflexión compuesta.

a. Usando ahora el cable gris en conexión normal (anexo flexible negro a negativo), conectar CH1 (Y) con la salida de 5V DC de la fuente. Ajustar a un valor adecuado el control CH1 VOLTS/DIV. Observar el efecto.

b. Pasar a la posición AC uno de los conmutadores AC-GND-DC, ya sea el del canal 1 ó el del canal 2. Observar el efecto y explicarlo.

A. Movimiento en una dirección (Un solo voltaje variable)

(Tabla B)

B.1) Voltaje armónico o senoidal

a. Conectar a CH2 (X) (conexión normal) una señal senoidal de frecuencia baja (no nula) del generador de señales. No conectar señal alguna de CH1 (y) (Vy=0). Observar el tipo de movimiento de P (referirse a la Fig.4). Aumentar poco a poco la frecuencia del generador hasta obtener una línea fija.

b. Repetir lo mismo de la parte anterior, pero previamente conectar al CH1(Y) una señal continua negativa de 10V (Vy= -10V).

B.2) Voltaje diente de sierra.

Seleccionar la posición MAIN. De este modo la señal interna "diente de sierra" será el voltaje de deflexión horizontal de los canales CH1(Y) y CH2 (X). La velocidad de barrido puede ser modificada por los controles MAIN TIME BASE y VAR SWEEP (dejar este último siempre en la posición CAL)

a. No conectar señal alguna en CH1(Y) (Vy = 0). Por medio del control MAIN TIME BASE elegir la menor velocidad de barrido (o el mayor valor de período). Observar el tipo de movimiento de P (referirse a la Fig4). Aumentar poco a poco la velocidad de barrido hasta obtener una línea fija.

b. Repetir el paso anterior, pero previamente conectar al CH1 (Y) una señal continua positiva de 10V (Vy = +10V).

A. Movimiento en dos dimensiones (Dos voltajes variables)

(Tabla C)

C.1) Voltaje horizontal diente de sierra y voltaje vertical armónico.

Seleccionar la posición MAIN. Conectar a CH1 (Y) el generador de señales (en salida senoidal).

Fijando el período del voltaje diente de sierra (por ejemplo en ms), variar la frecuencia del generador y obtener sucesivamente en la pantalla figuras armónicas con una, dos y tres ondas completas (Referirse a la Fig.6).

B. Medición de voltajes y períodos (Tabla D)

D.1) Voltaje senoidal

a. Mediante el generador de señales seleccionar una señal senoidal de 100Hz (aproximadamente).

b. Medir la amplitud del voltaje y el período de la señal usando el osciloscopio. c. Medir, usando el voltímetro, el voltaje medio (indicador de selección en la

zona "=", o DC) y el voltaje eficaz (indicador en la zona "-", o AC) de la señal senoidal. Anotar los valores obtenidos.

NOTA: Repetir el proceso para otros dos voltajes: uno con frecuencia f menor, y otro con f mayor, que 1 kHz (se los dará su jefe de práctica).

D.2) Voltajes de señal cuadrada.

a. Seleccionar en el generador de señales una señal cuadrada cualquiera

b. Medir la amplitud del voltaje (utilizar la posición DC del osciloscopio) y el período de la señal.

c. Ahora, usando la posición AC, observar la pantalla. Anotar sus observaciones.

d. Medir el voltaje medio y el voltaje eficaz con ayuda del voltímetro. Anotar los valores obtenidos.