pr2a electrÓnica 1 - osciloscopio (primera parte)

ING. CARLOS AMBRIZ AGUILAR ELECTRÓNICA 1 PRÁCTICA 2 - OSCILOSCOPIO

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PRACTICA 2A

EL OSCILOSCOPIO DE PROPÓSITO GENERAL

OBJETIVOS:

Al término de esta práctica, el alumno podrá:

Explicar el funcionamiento del tubo de rayos catódicos como un subsistema del osciloscopio.

Identificar los controles básicos de mando de un osciloscopio y sus funciones.

Verificar la calibración del osciloscopio en amplitud y frecuencia.

Medir voltajes alternos y directos con un osciloscopio.

Determinar experimentalmente las ventajas de medir voltajes con un osciloscopio en comparación con las medidas obtenidas con un multímetro.

Efectuar mediciones de frecuencia de diversas señales alternas.

INTRODUCCIÓN

Cuando usamos instrumentos electromecánicos (como los multímetros analógicos y los oscilógrafos) para medir cantidades eléctricas su rango de aplicación es limitado por la inercia de sus componentes mecánicos ya que estos solo pueden seguir variaciones instantáneas hasta de unos pocos ciclos por segundo (Hz) o sea, bajas frecuencias. Por lo tanto, no son capaces de medir señales de alta frecuencia ni mucho menos conocer la forma en que varían estas señales con respecto al tiempo.

Sin embargo en la realidad existe una gran cantidad de señales de alta frecuencia y de diversas formas de gran interés en muchos campos de la ciencia. Por tal motivo se diseñaron otros instrumentos con mecanismos que puedan medir dichas señales, como son los osciloscopios.

El osciloscopio de rayos catódicos es hoy en día uno de los instrumentos de medición más versátil en el campo de la electricidad y la electrónica, el cual puede ser usado en todos los niveles técnicos y científicos en donde se requiere observar y analizar formas de onda de todos los tipos imaginables.

Es un instrumento diseñado para reproducir en forma gráfica en su pantalla fluorescente la amplitud de las señales eléctricas (voltajes exclusivamente) en función del tiempo, o sea reproduce automáticamente la forma de la señal de entrada mostrando su variación respecto al tiempo (fig. 1). En principio el osciloscopio se compara con un volmetro convencional en el que se substituye el sistema mecánico de registro (aguja y escala) por un haz de electrones (controlado) los cuales pueden seguir instantáneamente cualquier variación de tensión.

Figura 1 Diversas señales que pueden verse en un osciloscopio


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1. APLICACIONES

El osciloscopio tiene aplicaciones en diversos campos de la ingeniería y de la ciencia. Por ejemplo, en ingeniería eléctrica es muy útil para el análisis de formas de onda de circuitos eléctricos, así como excelente auxiliar en el diseño y mantenimiento de los mismos.

En el análisis de las señales bioelectrónicas juega un papel predominante ya que muchos diagnósticos pueden ser usados con mayor seguridad (como en el caso del pulso cardiaco).

El ingeniero en electrónica requiere del osciloscopio para su trabajo de diseño y mantenimiento de circuitos electrónicos en computación en las mini y microcomputadoras.

2. COMPONENTES BÁSICOS DE UN OSCILOSCOPIO.

En la figura 2 se muestra un diagrama a bloques de los componentes de un osciloscopio.

Tubo de rayos catódicos (TRC).

Amplificador vertical (Amp Y).

Amplificador horizontal (Amp X).

Circuito de base de tiempo (Time Base).

Fuente de alimentación.

Figura 2 Diagrama a bloques de los componentes básicos.


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3. EL TUBO DE RAYOS CATÓDICOS

El dispositivo que permite observar las variaciones de las señales es el tubo de rayos catódicos y es ahí donde se efectúa el fenómeno de formación de las imágenes. El TRC consta de manera muy general de las siguientes secciones.

A) CÁTODO EMISOR DE ELECTRONES. B) SISTEMA DE CONTROL Y REGULACIÓN DE ELECTRONES. C) SISTEMA DE ACELERACIÓN DE ELECTRONES. D) SISTEMA DE DEFLEXIÓN HORIZONTAL Y VERTICAL. E) PANTALLA.

Figura 3

4. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DEL TRC

Para explicar como se forman las imágenes en el TRC nos basaremos en la figura 4.

Figura 4 Dibujo detallado del tubo de rayos catódicos.


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Al energizar con una fuente de alimentación, el cátodo "K" del TRC (el cual se encuentra en el cañón electrónico), este se calienta de manera directa (o indirecta por medio de un filamento) y como está compuesto por un material termoiónico empieza a emitir electrones, algunos de los cuales pasan a través de un orificio que hay en la rejilla “R” que lo rodea, atraídos por los ánodos del sistema de aceleración.

Como la rejilla tiene un potencial positivo respecto al cátodo, solo deja pasar una cantidad limitada de electrones, la cual se puede controlar variando la magnitud de su voltaje regulando así el haz electrónico y por consiguiente la intensidad o brillo de la imagen luminosa que se forma al chocar el haz en la pantalla.

Los electrones se comprimen por medio de los ánodos de enfoque y aceleración A1 y A2 para formar un haz fino.

Esto último se logra utilizando un sistema de enfocamiento electrostático el cual se consiste en hacer pasar los electrones a través de campos eléctricos con el fin de dirigirlos a lo largo de un haz y acercarlos a la pantalla.

Al salir del cañón electrónico, el haz enfocado y acelerado pasa a través de dos conjuntos de placas deflectoras que están colocadas perpendicularmente de tal forma que se pueda controlar el haz tanto en dirección horizontal como en la vertical.

Al chocar el haz en la pantalla que está compuesta por sulfuro de zinc, la energía cinética de los electrones se convierte en energía luminosa, apareciendo un punto o traza (línea) brillante en la pantalla.

5. CONTROLES DE MANDO EN EL OSCILOSCOPIO

El número de controles así como su designación y funcionalidad pueden variar de un osciloscopio a otro, por lo que solamente haremos una breve explicación del funcionamiento del osciloscopio HITACHI V-552.

No. NOMBRE DEL CONTROL FUNCIÓN

1 POWER ON/OFF Botón de encendido.

2 LED Foco indicador de encendido.

3 FOCUS Controla la definición del haz en la pantalla.

4 ILLUMINATION Ilumina la gratícula de la pantalla.

5 TRACE ROTATION Alinea la traza con una línea horizontal de la gratícula.

6 INTENSITY Varía la intensidad o brillantes de haz en la pantalla.

7 POWER SOURCE SELECT

SWITCH Selecciona el tipo de entrada de AC (110 Vca – 220 Vca).


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8 AC INLET Entrada del cordón de corriente alterna.

9 CH1 INPUT CONNECTOR Conector BNC para la señal de entrada al canal 1, se convierte en eje X en el modo X-Y.

10 CH2 INPUT CONNECTOR La misma función que CH1 y se convierte en el eje Y en el modo X-Y.

11 &12

SELECTOR ACOPLADOR DE ENTRADA

(AC – GND - DC)

Selecciona el modo de acoplamiento de entrada del amplificador vertical.

DC permite el paso de todas las componentes de la señal.

AC la señal es acoplada capacitivamente, por lo tanto las componentes de DC son bloqueadas.

GND la señal es desconectada y la entrada del amplificador es aterrizada

13& 14

VOLTS/DIV

ATTENUATOR

Selecciona la atenuación del amplificador vertical de entrada del canal (1 ó 2), también llamado Sensibilidad Vertical y sus unidades son Volts/división.

15 & 16

VAR CONTROL

PULL X5 GAIN

Control de ajuste fino usado para calibrar la entrada del amplificador vertical.

Al jalar la perilla (PULL) la ganancia del eje vertical es amplificada 5 veces y la máxima sensibilidad es de 1 mV/div.

17 & 18 UNCAL LAMP Este LED indicador enciende cuando descalibramos la entrada del amplificador vertical.

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Y POSITION

CONTROL CH1

PULL DC OFFSET

Esta perilla es usada para ajustar la posición vertical (arriba – abajo) del CH1.

Cuando esta perilla es jalada (PULL) ajusta el rango de la posición del trazo del eje vertical pudiendo ser magnificada por la función DC OFFSET. Por lo tanto, los valores pico de las señales de entrada con una amplitud muy grande pueden ser medidos.

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Y POSITION

CONTROL CH2

PULL INVERT

La misma función que CH1 POSITION control.

Cuando la perilla es jalada (PULL) invierte la polaridad de la señal de entrada del CH2.


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VERTICAL MODE

SELECT SWITCH

Este control es usado para seleccionar el modo de deflexión del amplificador vertical.

CH1 Solamente despliega en la pantalla la señal aplicada al canal 1.

CH2 Solamente despliega en la pantalla la señal aplicada al canal 2.

ALT En esta selección las señales aplicadas a los canales CH1 y CH2 aparecen alternadamente, es decir una vez cada una por cada pulso de barrido

horizontal. Este modo es utilizado cuando el tiempo de barrido es corto (s) en los dos canales de observación.

CHOP En esta selección las señales de entrada aplicadas a los canales CH1 y CH2 son conmutadas a una frecuencia de 250 KHz en forma independiente a la frecuencia de barrido, permitiendo así la visualización simultánea de ambos canales. Esta selección es usada cuando el tiempo de barrido es largo (seg) en los dos canales de observación.

ADD En esta selección se realiza la suma algebraica de las entradas aplicadas a los canales CH1 y CH2.

22 CH1 OUTPUT CONNECTOR

Esta salida provee una muestra de la señal aplicada al CH1.

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DC OFFSET

VOLT OUT

Este conector entrega el voltaje de la componente de DC de la señal aplicada al CH1, cuando el instrumento está seleccionado en el modo DC OFFSET.

Excepto en el modo: X 5 GAIN y out of CAL.

24 & 25 DC BAL Estos controles calibran a cero la componente de CD en las sensibilidades verticales de 5 a 10 mV.

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TIME/DIV

SELECT SWITCH

Selector de tiempo de barrido horizontal, consta de un conmutador de pasos de

19 selecciones, con tiempos desde 0.2 s/div a 0.2 s/div.

X-Y Esta posición es seleccionada cuando usamos el instrumento como un trazador de curvas, donde el canal CH1 es el eje horizontal (X) y el CH2 es el eje vertical (Y) teniendo un rango de deflexión desde menos de 1 mV/div hasta 5 V/div a un ancho de banda reducido de 500 KHz.

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SPW VARIABLE

CONTROL

Este control trabaja como un calibrador, ajustando el tiempo de barrido con retardos de hasta 2.5 veces.

El control es girado en dirección de la flecha hasta el máximo, teniendo así una calibración en tiempo del instrumento.

28 SWEEP UNCAL LAMP Este LED enciende cuando descalibramos la perilla de swp variable control (27).

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HORIZONTAL

POSITION

PULL X 10 MAG

Este control es usado para mover la traza en forma horizontal de izquierda a derecha.

Cuando jalamos la perilla (PULL) el barrido horizontal es magnificado 10 veces, en este modo el tiempo de barrido es 1/10 del valor indicado por el selector TIME/DIV (26).


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CH1 ALT MAG

SWITCH

Este interruptor despliega alternadamente la señal del CH1 magnificada 10 veces.

Modo de uso: Sitúe la parte de la señal a magnificar en el centro horizontal de la pantalla.

La magnificación aparece 3 divisiones por debajo de la señal original.

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SOURCE SELECT

SWITCH

Este selector es usado para elegir la fuente de barrido horizontal o disparador horizontal (sweep trigger).

INT Utiliza el oscilador interno como fuente de barrido horizontal.

LINE Este modo es seleccionado cuando observamos señales con frecuencias correspondientes a la línea de alimentación de AC (60 Hz).

EXT Este modo es seleccionado cuando introducimos una señal de disparo externa en el conector TRIG INPUT, siendo esta la frecuencia de barrido horizontal.

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INT TRIG

SELECT SWITCH

Este selector es usado para elegir la señal de disparo interno como fuente de barrido horizontal.

CH1 La señal de entrada aplicada al CH1 se convierte en la señal de disparo interno.

CH2 La señal de entrada aplicada al CH2 se convierte en la señal de disparo interno.

VERT Este modo es seleccionado cuando observamos

MODE dos formas de onda (CH1 y CH2). La sincronía de la señal cambia alternadamente utilizando como señal de disparo la frecuencia que en ese momento esté conmutando, ya sea CH1 ó CH2.

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TRIG INPUT

CONNECTOR

Terminal de entrada utilizado para conectar la señal de disparo externo en el modo SOURCE – EXT (31).

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TRIG LEVEL CONTROL

PULL SLOPE

Este control es utilizado para ajustar el punto de inicio de la forma de onda seleccionada (CH1 ó CH2).

Cuando jalamos este control (PULL), seleccionamos la polaridad de la pendiente (SLOPE) de la forma de onda seleccionada. En su posición normal la pendiente es positiva (+), al jalarlo la pendiente es negativa (-).


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TRIG MODE

SELECT SWITCH

AUTO El instrumento es llevado a una forma automática, de disparo donde cada pulso de barrido horizontal es desplegado. En presencia de una señal de disparo, el barrido normal de disparo es conmutado y la forma de onda es fijada y congelada en la pantalla. En caso de ausencia de señal o ausencia de disparo, la línea de barrido horizontal aparece automáticamente. Este modo es utilizado en la mayoría de los casos.

NORM El barrido normal de disparo es conmutado solamente cuando el disparo es efectuado. No aparece la línea de barrido horizontal en caso de ausencia de señal o desincronización. Este modo es utilizado cuando se desea llevar a cabo sincronizaciones de señales de muy baja frecuencia (25 Hz o menos).

TV(V) Este modo es utilizado cuando observamos una imagen vertical entera de una señal de televisión.

TV(H) Este modo es utilizado cuando observamos una imagen horizontal entera de una señal de televisión.

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EXT BLANKING

CONECTOR

Terminal de entrada utilizada para modular la brillantes. Esta terminal tiene un acoplamiento en DC. La brillantes es reducida con una señal positiva y es incrementada con una señal negativa.

37 CAL 0.5 TIP Terminal de salida que entrega una señal cuadrada de 0.5 V a 1 KHz. Esta señal es utilizada para calibrar el instrumento y la punta de prueba.

38 GND TERMINAL Terminal de tierra del osciloscopio.

39 PANTALLA Despliega la forma de onda medida.


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