Universidad Simn Bolvar

taMinisterio de Educacin, Cultura y Deportes

Universidad Simn Bolvar

Laboratorio de Fsica II

Prctica II-03

EL OSCILOSCOPIO

Por:Quilen, Keyla No. de Carnet: 0033233

_________________ No. De Carnet:_______Sartenejas, 10 de Abril de 2003Objetivos Estudiar los principios de operacin del osciloscopio como instrumento de medidas elctricas.

Familiarizarse con la operacin y uso del osciloscopio como instrumento de medidas elctricas.

Medicin de amplitudes y diferencias de fase en seales elctricas con el osciloscopio.

Fundamento Terico

El osciloscopio es un instrumento que nos permite visualizar seales de voltaje en funcin del tiempo como trazos en una pantalla de rayos catdicos. Es uno de los equipos ms verstiles del laboratorio, en especial cuando se trabaja con seales transitorias o que cambian en perodos muy cortos de tiempo.

La pantalla del osciloscopio consiste de un plano cartesiano de diez cuadros horizontales por ocho verticales, cada uno con cinco subdivisiones menores. El haz de electrones del tubo de rayos catdicos se desplaza desde la parte posterior del aparato hasta el plano de la pantalla, marcando un punto sobre sta. Los movimientos verticales y horizontales del punto son independientes y estn controlados por funciones especficas del aparato.

Un osciloscopio cuenta con tres bloques de controles:

a) Controles generales: Este bloque contiene adems del interruptor de encendido, controles para la intensidad y el enfoque del haz, y para la iluminacin de la retcula de la pantalla.

b) Controles de movimiento vertical: Est dividido en tres subgrupos de controles: dos de ellos llamados canales, que son las entradas de las seales de voltaje al osciloscopio, tienen caractersticas similares y pueden ser acondicionadas de manera independiente. El tercer subgrupo, permite seleccionar el canal con el cual se trabaja. Todos estos controles tienen como resultado neto el posicionamiento del haz en algn punto intermedio, dentro del rango de voltajes asociados a la dimensin vertical de la pantalla.

c) Controles de movimiento horizontal: Permiten controlar el movimiento horizontal del haz. Existen dos modalidades diferentes de generar este movimiento. La primera es controlar su posicin con un voltaje en forma anloga como se hace en el movimiento vertical, conocida como modo X-Y. La otra modalidad, conocida como V vs. t, permite estudiar la dependencia en el tiempo de la seal de voltaje que se observa.

Procedimiento Experimental

Esta prctica consta de dos experiencias. La primera de ellas, consisti en la medicin de voltajes AC y DC. La finalidad principal de esta seccin de la prctica es la identificacin de las diversas seales sinusoidales descritas en la prctica, y la interpretacin de stas en relacin al tiempo y al voltaje. Para este fin, se tomaron diversas frecuencias en un generador de seales: 100 kHz, 10 kHz, 1 kHz, 100 Hz y 10 Hz. En esta primera parte, tambin, y a modo de familiarizacin con el instrumento y sus mediciones, se trabaj tanto con ondas sinusoidales como con ondas cuadradas.

La segunda experiencia consiste bsicamente en la medicin de diferencias de amplitud y fase entre seales. Para este fin, se utiliza un circuito RC a partir del cual se obtendran seales de entrada y de salida. A partir de los trazos emitidos por ambas en la pantalla del osciloscopio (en modo V vs. t horizontal), pudieron ser medidas las correspondientes diferencias de amplitud y diferencias de fase (desfasaje), a diversas frecuencias, fluctuantes desde 10 Hz hasta 1 kHz. A partir de estas diferencias, se deben realizar los grficos correspondientes. Posteriormente, trabajando en modo X-Y, y a partir de la figura de Lissajous correspondiente, se busca obtener el desfasaje de ambas seales, a fin de compararlo con el obtenido prcticamente.Exposicin de ResultadosActividad A: Medida de Voltajes AC y DCAl encender el osciloscopio con las entradas en GND, el modo vertical en CHOP y el modo de disparo en AUTO nos dispusimos a encender el generador de seales y lo ajustamos con un voltaje de salida a mitad del rango de control. Con la entrada del canal 1 en DC, apareci en pantalla una seal sinusoidal, la cual estabilizamos variando el TRIGGER LEVEL. Luego, comenzamos a medir el perodo de la seal tal y como lo muestra la siguiente tabla:Frecuencia (Hz)Tiempo de barrido horizontal (seg)Divisiones (que ocupa una longitud de onda)Perodo (T)t barrido x divisinFrecuencia

Obtenida (Hz) (1/T)

100000 0.0000052.00.000010100000.00000

10000 0.0000501.90.00009510526.31579

10000.0005001.90.0009501052.63158

100 0.0020004.80.009600104.16667

100.0200004.60.09200010.86957

Tabla 1Ahora, con la entrada del canal del osciloscopio en DC observamos una onda cuadrada de 1KHz, 100 Hz, 10 Hz y 1 Hz. Repita sus observaciones con la entrada en AC.Para ambas observaciones (DC y AC) obtuvimos los siguientes resultados:

Frecuencia (Hz)Tiempo de barrido horizontal (seg)Divisiones (que ocupa una longitud de onda)Perodo (T)

t barrido x divisinFrecuencia

Obtenida (Hz) (1/T)

10000.000250.0011000.00

100 0.002050.010100.00

100.0100100.10010.00

10.100080.8001.25

Tabla 2Los ondas cuadradas obtenidas en ambas modalidades son idnticas, pero cuando le colocamos una corriente alterna (AC) la onda se desplaza hacia arriba.

Actividad B: Medidas de diferencias de Amplitud y fase entre seales.

La finalidad de la ejecucin de esta actividad es el estudio del procedimiento para comparar seales. Para ello se utiliz un circuito RC que conectamos de la siguiente manera como lo indica la figura:

Ajustamos el osciloscopio con el modo vertical en CHOP para as poder observar la onda generada por el canal 1 y la generada por el canal 2 de manera simultnea.

Observamos en el canal 1 la seal de entrada (Se) y la ajustamos para que ocupara 3.8 divisiones (aproximadamente 4). En el canal 2 observamos la seal de salida, (Ss).

Los resultados se muestran en la siguiente tabla:

FrecuenciaEntrada/

Salidat (ms)DivisionesAmplitud

(Amp)Tiempo de barrido (s)PeriodoVoltios por Div(vdiv)Voltaje

Vdiv * Amp

10000 HzENinguno1 0.40.0001 0.0001 5 V2 V

S1 0.40.0001 0.0001 5 V2 V

1000 HzE0.0045 0.40.0002 0.0015 V2 V

S5 0.40.00020.0015 V2 V

100 HzE0.0850.40.00020.0015 V2 V

S50.80.0002 0.0015 V4 V

Tabla 3Para la frecuencia de 10000 Hz, las ondas sinusoidales de entrada y salida son exactamente iguales, y no presentan desfase alguno.

Para la frecuencia de 1000 Hz, las ondas sinusoidales de entrada y salida son exactamente iguales, sin embargo, presentan un desfase de 0,004 ms. ste, en radianes, equivale a 0.2513 rad. *Para la frecuencia de 100 Hz, las ondas sinusoidales son diferentes, pues la amplitud de la onda de salida es mayor. Adems, presentan un desfase de 0,08 ms. ste, en radianes, equivale a 0.5026 rad.** Sabemos que el clculo del ngulo phi (ngulo de fase) en radianes viene dado por:

Phi = 2 * t/T radianesA partir de los datos arrojados por el proceso experimental obtuvimos los siguientes datos:

Vsalida/VentradaLn fngulo de faseLn f

19,210309,2103

16,90780,256,9078

24,60520,504,6052

Tabla 4 Tabla 5En base a las Tablas 4 y 5 obtuvimos los siguientes grficos:

Grfico 1 (Tabla 4)

Grfico 2 (Tabla 5)Ahora trabajando con el osciloscopio en modo X Y observamos trazos como los siguientes en las frecuencias indicadas:10 KHz

1 Khz

100 Hz

10 Hz

En la siguiente actividad, colocamos el osciloscopio en la modalidad V vs. T para medir el corrimiento t entre ambas seales. Obtuvimos los siguientes resultados:

Frecuencia (Hz)Voltios por divDivisionest de barrido horizontal (seg)Periodo (T)

Seal 110054.90.0029.8 e-3

Seal 2250.0020.01

Yo = 1,6 divisiones

Ym = 1,8 divisiones

t = 0,7 ms; ngulo de fase = 0,44 radianesAhora, sabemos que el desfase terico viene dado por:

Conclusiones y Anlisis de Resultados

El osciloscopio constituye un instrumento de laboratorio muy til para la medicin de magnitudes elctricas, como lo son el voltaje, ngulos de desfase, frecuencias, perodos, etc.

Ahora bien, pasando al anlisis en si de la experiencia, en la actividad A buscbamos determinar experimentalmente la frecuencia de una onda, a travs del uso del osciloscopio. La frecuencia real de la onda era ya conocida, ya que est poda ser manipulada por los miembros del equipo para colocarla en el nivel deseado pues provena de un generador de seales, por lo que, a travs de las dimensiones de sta en la pantalla del instrumento, se deba determinar una frecuencia experimental que deba compararse con la dada. En esta parte del estudio, es un factor determinante la apreciacin del osciloscopio, aunque al visualizar los resultados obtenidos por nosotros durante la fase de corriente directa observamos una cierta discordancia que creemos se vio originada por problemas de apreciacin del observador del perodo (observacin exacta de las divisiones) de la onda que se tradujo en pequeas diferencias entre la frecuencia terica y la obtenida en forma prctica.

Durante esta experiencia tambin debamos realizar un offset para establecer las diferencias entre AC y DC. Despus de realizar las observaciones pertinentes pudimos determinar que las ondas mantienen sus dimensiones intactas, y que la diferencia radica en que la onda AC se presenta movida hacia la parte superior de la pantalla lo que no es ms que una evidencia de las diferencias entre ambos tipos de ondas en cuestin de polaridad.

A parte de la observacin de ondas sinusoidales en el osciloscopio, tambin observamos ondas cuadradas con la finalidad de estudiar las diferencias entre ambos modos. Pudimos notar, que mientras el modo de onda sinusoidal muestra a la onda perfectamente definida, el modo de onda cuadrada muestra en forma sencilla a travs de trazos discontinuos horizontales paralelos, la amplitud de la onda, tanto en su prolongacin en las direcciones positivas y negativas. La parte vertical de una onda cuadrada, denota el punto donde cambia el signo de la funcin sinusoidal.

La actividad B consisti en el estudio de las diferencias de amplitud y fase entre seales. Utilizando un circuito RC, a partir del cual se midieron seales de entrada y salida, se realizaron las mediciones pertinentes, variando el factor frecuencia en el generador de seales. Posteriormente se busc encontrar la relacin entre la frecuencia y otras variables como el voltaje y el ngulo de fase. En la primera relacin, Vos/Voe vs. Ln F, puede observarse que existe una dependencia del tipo potencial. Y una segunda relacin, ngulo de fase vs. Ln F, muestra una dependencia del tipo lineal, esto es, a menor frecuencia, mayor desfase.Finalmente, se realiz una medicin en el modo X-Y del instrumento, para comparar el desfase obtenido de esta manera (a travs de las dimensiones de la figura de Lissajous correspondiente), y el desfase obtenido por observacin del osciloscopio. Para una frecuencia de 100 Hz, se obtuvo un valor de 0,44 rad, pero tericamente obtuvimos 1,09 radianes. Este error puede haberse debido a imprecisin de observacin de las dimensiones en la figura de Lissajous.Preguntas1) Discuta las posibles fuentes de error para medir frecuencias con el osciloscopio

Como principal fuente de error podramos contar el manejo incorrecto del instrumento. No utilizar una escala apropiada para medir, no utilizar el modo de medicin apropiado o no comprender el procedimiento que se est llevando a cabo puede derivar en mediciones incorrectas.

2) Describa las posibles formas de medir desfasaje entre seales usadas en la prctica.

Pueden medirse desfasajes en dos modos distintos del osciloscopio: en el modo V vs. t, y en el modo X-Y. En el modo V vs. t, se observa simplemente la diferencia en el corte del eje entre las ondas ((t), y a travs de la relacin ( = 2(.((t/T) se obtiene el ngulo de fase en radianes. En el modo de X-Y la medicin del desfase depende de las dimensiones de la figura de Lissajous que aparezca en pantalla. Sea Yo la distancia vertical desde el centro de la figura hasta un punto de la figura, y Ym la distancia vertical desde el punto de corte de la figura con el eje hasta el otro extremo de la figura, el ngulo de desfase vendr dado por (= (1 - (2 =sin-1 (Yo/Ym)

_1111340008.xlsGrfico1

0

0.2513

0.5048

ngulo de fase

Ln f (Hz)

ngulo de fase (rad)

ngulo de fase vs. Ln f

Hoja1

Ln f (Hz)ngulo de fase

9.21030

6.90780.2513

4.60520.5048

_1111343474.unknown

_1111339985.xlsGrfico1

1

1.38

2

Vos/Voe

Ln f (Hz)

Vos/Voe

Vos/Voe vs. Ln f

Hoja1

Ln fVos/Voe

9.21031

6.90781.38

4.60522