Osciloscopios - Medición en El Dominio Del Tiempo

        Medidas Electrónicas I.  Trabajo Práctico de Laboratorio Nº6. Mediciones en el Dominio del Tiempo. 

 

Autores: Alcázar, Diego J. Gutierrez, Diego. Nieto, Martín. Morini, Andrés.

Leg.: 52331 Leg.: 57972 Leg.: 60788 Leg.: 57558

Grupo Nº3

Curso 4R1

Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Córdoba

Ingeniería Electrónica

Objetivos:​ Adquirir experiencia en el uso de osciloscopios para efectuar el análisis y la medición de algunos parámetros en distintos tipos de formas de ondas. Materiales: -Osciloscopio analógico de doble trazo. -Osciloscopio digital. -Dos puntas para osciloscopio con atenuador x10. -Generador de funciones Instek GFG 3015. -Generador de funciones analógico. -Circuitos de pruebas auxiliares. -Circuito de prueba con disco telefónico. -Fuente de alimentación de CC. -Resistor de 25Ω/5W .

Introducción. El presente trabajo práctico tiene la finalidad de poner en manifiesto técnicas de ajuste, limitaciones de las mismas, así como también la adquisición de destreza cuando se emplea un osciloscopio ya sea analógico o digital como instrumento de análisis y medición de señales temporales. Vale aclarar que, como se mencionó en ​ Materiales​ , se hará uso de dos generadores de funciones. Uno de ellos, el más moderno, INSTEK GFG 3015 permite programar y visualizar los parámetros de ajuste de la forma de onda de salida. El objetivo de esta señal, a priori, es dificultar intencionalmente el ajuste del nivel de disparo ​ trigger ​ de la base de tiempos del osciloscopio, y por lo tanto dificultar también la tarea de obtener una imagen estable en pantalla. En términos generales, este trabajo práctico se encuentra divido en dos partes principales, en la primera parte se cubren las características de un osciloscopio analógico y en la segunda las de un osciloscopio digital; se verá además la diferencia, ventajas y desventajas entre ellos.

Primera Parte: Experiencias con osciloscopio analógico.

Calibración o compensación de la punta atenuadora. Las puntas de pruebas con atenuación X10, aumentan considerablemente la resistencia de entrada de un osciloscopio y disminuyen su capacidad paralelo de entrada, reduciendo al mínimo la influencia de la conección del instrumento sobre el circuito a medir. Esta característica, es muy útil y por ello en medida de lo posible es conveniente utilizarlas.   Medidas Electrónicas I

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Sin embargo, para su correcta aplicación se requiere de una calibración o compensación en frecuencia. Para lograr este objetivo de manera práctica, primeramente se ​ acopla el eje Y en ​ CC,​ y a continuación se varía la capacitancia del capacitor de compensación de la punta de manera tal que puedan visualizarse en el osciloscopio las formas de ondas que se muestran en la Figura 1.

Figura 1 - Calibración de la punta de prueba Una vez calibrada la punta de pruebas según estas formas de ondas, es necesario conocer su respuesta en frecuencia. Para ello, se conecta la punta de prueba a la señal senoidal del generador de funciones y se realiza un barrido de frecuencias de 100Hz ∼ 1MHz . A partir de esto último, se puede afirmar con certeza que: -

La señal de calibración ​ a​ , se corresponde con una respuesta de atenuación a bajas frecuencias y exceso a altas frecuencias, respuesta característica de un filtro pasa alto. La señal de calibración ​ b​ , se corresponde con una respuesta de atenuación a altas frecuencias y exceso a bajas frecuencias, respuesta característica de un filtro pasa bajo. La señal de calibración ​ c​ , se corresponde con una respuesta en frecuencia plana o constante.

Como aclaración, se menciona que la calibración de la punta únicamente será válida para el canal donde está conectada la misma.

Acoplamiento CC/CA de la entrada vertical, eje Y. El acoplamiento del eje vertical puede ser dispuesto en CC o en CA. El acoplamiento en CC, ya fue implementado en experimento anterior. Ahora estamos interesados en saber qué efecto tendrá la selección del acoplamiento en CA. Bien, pués en este acoplamiento, la entrada del eje Y del osciloscopio tiene conectado internamente un condensador en serie que bloquea la componente de CC. Este capacitor puede tener un efecto de deformación sobre la forma de la señal que se visualiza, especialmente si ésta es de baja frecuencia. Para visualizar este efecto, se hace uso de una señal cuadrada de 50Hz , y de 10V p 1 de amplitud. Se conectará la punta de prueba, inicialmente en acoplamiento CC y sin atenuar( x1 ), a la salida del generador de funciones con la forma de onda indicada. Luego, tras cambiar el acoplamiento de CC a CA, se obtiene un efecto de deformación de la señal, tal como el que se observa en la Figura 3.

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 ​ Este valor es el valor máximo entregado por el generador de señal a la salida.

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Figura 3 - Acoplamiento en CA, del eje Y. Sin embargo, si se cambia la atenuación a x10 , se incrementará la sensibilidad del osciloscopio y como consecuencia de ello el efecto de deformación es menor. Entonces, se puede decir, en base a lo expuesto hasta aquí, que para obtener una medida confiable es conveniente optar por un acoplamiento en CC del eje Y, con la punta de prueba atenuada x10 .

Midiendo componentes de Vca con un Osciloscopio - Disparo por ​ Línea. Un osciloscopio puede efectuar mediciones de Vcc, teniendo en cuenta los siguientes recaudos. En primer lugar se debe disponer el ​ disparo en modo automático​ , pués de no ser así la línea de base no aparecerá. Elegir el valor de sensibilidad de acuerdo al valor de tensión que se espera medir. Colocar el ​ selector de acoplamiento de la entrada del canal en la posición GND​ y ajustar la línea de base a una posición de referencia. Finalmente se retorna el ​ acoplamiento del eje Y a CC​ . Para llevar esto a la práctica, se usará una fuente de CC de baja tensión regulada . A continuación, se conecta la salida (sin carga, se mide la tensión en vacío) de la misma a la entrada del canal Y del osciloscopio, calibrado para medir en CC. Se obtiene que el nivel de Tensión de salida es de V sal = 12, 2V . Con la finalidad de medir el nivel de riple superpuesto a la tensión de Vcc, se conecta a la salida de la fuente de tensión una carga resistiva de 39Ω y 10W de potencia. Antes de ajustar la sensibilidad del canal, debe cambiarse el ​ acoplamiento de entrada del canal a CA​ , ya que de no hacerlo el trazo no podrá encuadrarse dentro de la pantalla de visualización. Utilizando el ​ disparo en modo interno​ , la visualización del riple es posible, pero el ajuste del disparo resulta un tanto dificultoso, seguramente esto puede deberse a que la forma de onda tiene una cantidad apreciable de ruido superpuesto. Sin embargo, esta situación puede ser resuelta mediante el empleo del ​ disparo por línea​ . Aquí, la imagen estable de la señal medida, brinda una clara indicación de que la frecuencia del riple superpuesto está relacionada con la frecuencia de la línea. Esto último, nos permite afirmar con seguridad que: - La frecuencia del riple superpuesto es de 100Hz 2 . -

El porcentaje de riple respecto del valor de Vcc es del 10,08%.

Usando el disparo (trigger) interno de un Osciloscopio.

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 ​ Corresponde a la frecuencia de una señal senoidal de 50Hz rectificada en onda completa.

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Empleando el generador de funciones, se calibra el mismo para obtener una señal con las características de la Tabla 1.

Tabla 1 - Parámetros de señal Se conecta el Osciloscopio a la salida del generador de funciones y se selecciona el ​ acoplamiento de disparo (trigger) en modo interno, y el selector de pendiente (slope) en (+)​ . El selector de pendiente, al ser cambiando de (+) a (-) tiene un efecto de​ invertir ​ la presentación del oscilograma de la señal medida. Ahora se cambia la forma de onda de la señal, a cuadrada, sin alterar los demás parámetros de la Tabla 1, y se reduce el nivel de salida a 300mV pp ; como siempre se reajusta el nivel de disparo hasta obtener una imagen estable de la señal en la pantalla. Si se continúa disminuyendo el nivel de amplitud de esta señal, con el vernier de ganancias del amplificador vertical, se observa que es necesario constantemente retocar el nivel de disparo, hasta el punto donde se pierde definitivamente el sincronismo de la imagen. Particularmente, el nivel mínimo de la señal que activa el circuito de trigger es de 0, 1V (una subdivisión de la pantalla), con sensibilidad del canal en 20mV /Div y atenuación x10 en la punta de prueba.

Usando el disparo externo de un Osciloscopio. El disparo externo del osciloscopio, tiene múltiples y variadas aplicaciones. La primera que se deriva de la experiencia anterior es lo que se describe a continuación. Todos los generadores de funciones poseen, por lo general, una salida para disparo externo que suele estar identificada con el rótulo SYNC, donde hay una ​ señal rectangular de la misma frecuencia que la que hay en la salida principal​ . Al interconectar la entrada de TRIGGER EXTERNO del Osciloscopio y la salida SYNC del generador de funciones, cambiando la f​ uente de disparo de la base de tiempos a externo​ , y obviamente ajustándose el mismo para obtener una imagen estable; se observa que por más que se varíe el nivel de la señal, o cambie la sensibilidad vertical la imagen ésta no perderá sincronismo. A continuación, se verá la utilidad del disparo externo para medir la frecuencia de una determinada señal, usando como patrón un generador con dial calibrado, GFG3015. Primero que todo, debe saberse que ésta medición sólo es posible cuando se tiene una idea bastante aproximada de cuál es el valor de la frecuencia que se espera medir. En este caso particular, se intentará determinar la frecuencia de la señal proporcionada por el Generador de funciones común (​ A​ ), empleando como referencia el Generador de funciones GFG3015 (​ B​ ). De manera práctica, se ajusta la salida del Generador ​ A​ , con los parámetros: forma de onda senoidal, frecuencia de 1KHz, y de amplitud de salida a un valor medio. Seguidamente, se conecta la entrada del Osciloscopio a la salida del generador, y se utiliza inicialmente el ​ disparo en modo interno​ . Una vez que se obtuvo una imagen estable se cambia el ​ disparo a modo externo​ , y se conecta la salida del generador ​ B​ a la clavija de entrada de TRIGGER EXT del Osciloscopio. A priori, el generador ​ B​ debe estar calibrado, según los parámetros que se expresan en la Tabla 2.     Medidas Electrónicas I

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Tabla 2 - Parámetros de señal, generador B. Seguidamente, se varía la frecuencia del generador ​ B​ buscando que la imagen se detenga, o tenga un leve desplazamiento sobre la pantalla. El hecho de que la imagen se haya detenido, significa que la señal visualizada y la del disparo coinciden o ambas son el múltiplo de la otra3 . Más aún, si la imágen corre hacia la derecha o hacia la izquierda significa un ​ desplazamiento de fase​ . Como ampliación de esto último se puede decir, que cuando la frecuencia de la señal es m ​ayor​ que la frecuencia de disparo, la imagen visualizada en pantalla se desplazará hacia la izquierda. Si por el contrario, la frecuencia de la señal es ​ menor​ que la frecuencia de disparo, la imagen visualizada en pantalla se desplazará hacia la derecha.

Usando el control Hold-Off. En este punto es necesario emplear el generador de señales GF3015 para obtener una forma de onda específica Figura 4, cuyos parámetros están especificados en la tabla 3.

Tabla 3 - Parámetros de pulsos

Figura 4 - Tren de pulsos de ancho variable Al disponer el canal Y del osciloscopio a la salida del generador, en modo de disparo interno, ocurre algo particular cuando se estabiliza la señal en una base de tiempo de 0, 1mseg/Div , pués se puede visualizar una superposición de dos ondas. Esto ocurre porque el sistema de disparo interno del osciloscopio no puede distinguir entre los flancos de comienzo de las partes ancha y angosta del tren de pulsos de la Figura 6, ya que son iguales. Sin embargo, esta superposición puede suprimirse reteniendo la base de tiempo por un tiempo suficiente, el necesario como para que el disparo se ejecute siempre sobre la misma porción de la señal, esta es la tarea del control ​ Holf-Off​ .

Usando el doble Trazo.

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 ​ Esto puede comprobarse llevando el control de frecuencia del generador a la mitad.

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El doble trazo, es especialmente útil cuando se desean ​ analizar mediciones de diferencias de fase tiempos entre dos señales. Para ver el efecto del mismo, continuamos en este punto, con la forma de onda obtenida de la experiencia anterior en el canal Y1. En adición, se conecta el canal Y2 del osciloscopio a la salida MOD del generador de señales, y se activa el doble trazo en ​ modo alternado​ . Debe tenerse en cuenta que el ​ disparo puede hacerse desde ​ cada canal por separado​ seleccionándolo mediante la llave para tal efecto. Sin embargo, algunos osciloscopios disponen la posibilidad de que el ​ disparo se haga también en ​ forma alternada​ , es decir en correspondencia con el barrido, una vez en cada canal, obviamente esto implicaría la pérdida de la posibilidad de determinar la fase relativa entre las dos señales. Optando por la primera opción, para notar la diferencia de fase temporal entre las dos señales, se selecciona el disparo sobre el canal Y2. Aquí puede observarse una mayor facilidad a la hora de estabilizar la imagen, sin necesidad de hacer uso de control Hold-Off. Incluso, puede visualizarse el efecto de variar la pendiente de disparo Slope entre (+) y (-). En la Figura 5, se observa las formas de onda capturadas por el osciloscopio usando el doble trazo en modo alternado.

Figura 5 - Oscilogramas en las salidas MOD y MAIN del generador

Empleo de los filtros de rechazo, de la sección de disparo de la base de tiempos. En esta experiencia se observará el comportamiento de los filtros de acoplamiento del disparo, TV-H (Televisión Horizontal) y TV-V (Televisión Vertical), de la base de tiempo. Para ello, en el generador de señales GFG3015, se configura una señal como la representada en la Figura 6, mediante los parámetros representados en la Tabla 4.

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Tabla 4 - Parámetros de ráfaga se señal senoidal

Figura 6 - Ráfaga de señal senoidal La Figura 6, representa una señal, que está conformada por paquetes o ráfagas de 50Hz , de una onda senoidal de 15, 6KHz . Ésta señal es parecida, en términos de frecuencia, a una señal de video de televisión analógica. Se conecta el canal Y1 del osciloscopio a la salida del generador de señales, con la calibración de los controles de sensibilidad del mismo en 0, 2V /Div y 5mseg/Div , y seleccionando el disparo de la base tiempo en modo interno se procede a visualizar el efecto de estos dos filtros. Eventualmente, el filtro TV-V permite obtener fácilmente una imagen estable. Sin embargo, para emplear el filtro TV-H, previamente debe calibrarse el control de base de tiempo en 0, 5useg/Div , donde puede observarse la señal senoidal de 15, 6KHz .

Utilizando la Función ​ Suma + Canal Invertido​ de un Osciloscopio - Medición del valor eficaz de un tren de pulsos. En este experimento se usa un circuito auxiliar, como el que se representa en la Figura 7. Este circuito no tiene una aplicación práctica concreta; su única función aquí, tras conectarse a la salida del generador de funciones GFG3015, será producir una señal de ​ salida tipo tren de impulsos diferencial​ , es decir de tipo flotante respecto a masa.

Figura 7 - Circuito de salida diferencial.

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La señal de salida del generador de funciones debe estar configurada según los parámetros de la Tabla 5.

Tabla 5 - Parámetros de señal Como se dijo, en los bornes de salida A y B del circuito de la Figura 7, se tiene una salida diferencial, y para poder observar tal forma de onda se debe usar la ​ función Suma+canal invertido​ , ésta dispondrá al Osciloscopio como si fuera de ​ canal único con entrada diferencial​ . De manera práctica, para activar dicha función se procede como sigue. Primeramente se dispone el Osciloscopio en​ modo dual​ , seguidamente se ajusta el ​ mismo​ nivel de sensibilidad vertical en ambos canales, particularmente se optó por 0, 2V /Div y 0, 2mseg/Div de la base temporal. Como último paso se cambia a

modo suma​ ADD, activando el ​ inversor del canal Y2​ , para que la suma se convierta en una diferencia. En la Tabla 6, se tabulan los valores medidos por el Osciloscopio de los distintos parámetros de la señal diferencial.

Tabla 6 - Parámetros medidos por entrada diferencial del Osciloscopio

Segunda Parte. Experiencias con osciloscopio digital.    

Visualizando eventos no repetitivos. Barrido único. En esta parte del presente práctico se experimentará con el ​ modo de barrido único​ , disponible en la mayoría de los osciloscopios modernos. Esta función puede emplearse cuando se desea visualizar algún tipo de evento único o no repetitivo, como por ejemplo el fenómeno transitorio. Resulta interesante si además, el evento puede ser capturado y memorizado, lo cual es posible en muchos osciloscopios digitales. El evento único a estudiar consistirá en un tren de pulsos producido por un sistema de discado telefónico rotativo. Dicho sistema de discado, consiste básicamente en un interruptor accionado mecánicamente por medio de un disco rotativo que interrumpe la corriente de la línea tantas veces como el número que se está discando, a un ritmo cuyo valor nominal y óptimo debería ser 10pps 4. A ésta forma de 4

 ​ Pulsos Por Segundo.

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discado se la denomina ​ discado por desconexión del circuito​ . El disco también dispone de un interruptor adicional cuya función es cortocircuitar el receptor (micrófono del teléfono) para que los pulsos del discado no sean escuchados por la persona que llama. Dicho interruptor se cierra ni bien se acciona el disco, permanece en este estado durante la generación de los pulsos y se abre inmediatamente luego de producido el último pulso de la secuencia. La característica de los pulsos generados por el circuito y un circuito adicional, se muestran en en las Figuras 8 y 9, para poder visualizarlos de manera sencilla.

Figura 8 - Tren de pulsos generados por un disco telefónico.

Figura 9 - Circuito de prueba con disco telefónico.

Como dato relevante, debe saberse que hasta no hace mucho tiempo, una buena cantidad de los teléfonos instalados en la República Argentina aún utilizaban este sistema, que gradualmente se fue dejando de lado por teléfonos digitales(teclados numéricos); no obstante, las centrales telefónicas modernas todavía admiten el sistema de discado clásico. Los valores arrojados de la experiencia son: 1- Captura de un tren de pulsos. Duración de los pulsos ( t0 )

64mseg  

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Periodo de los pulsos( T )

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104mseg

2- Captura simultánea del tren de pulsos y de la señal de silenciamiento. Demora( td ):

11mseg

Cuestionario Pregunta 1.​ El control de nivel de disparo (trigger level) que todo osciloscopio posee en el panel frontal dentro de la sección de controles de la base de tiempos sirve para: 1. Ajustar el tiempo total del barrido. 2. Ajustar el punto de inicio del barrido. 3. Ajustar el punto de nalización del barrido. 4. Ajustar la polaridad del punto de inicio o n del barrido. 5. Ajustar el tiempo de demora entre un barrido y el siguiente.

Pregunta 2.​ En el panel de controles de un osciloscopio típico, y dispuesto en la zona de controles de la base de tiempos, suele ubicarse el selector de Fuente de disparo cuya función es: 1. Permite seleccionar entre disparo: LF (Low frec.) o HF (High frec.). 2. Permite seleccionar entre disparo: Automático Normal Único. 3. Permite seleccionar entre disparo: Interno Externo Línea. 4. Permite seleccionar entre disparo: CC CA. 5. Permite seleccionar entre disparo: Pendiente positiva Pendiente negativa.

Pregunta 3.​ En un osciloscopio de doble trazo La presentación dual se logra mediante el empleo de una

llave electrónica que actúa sobre los circuitos del eje vertical; esta llave puede trabajar en modo "Barrido alternado" (Alt.) o "Barrido troceado" (Troc.). Relacione cada uno de los modos, con las características que se listan: 1. Se emplea cuando la velocidad de barrido es elevada. ​ (Alt) 2. Se emplea cuando la velocidad de barrido es baja. ​ (Troc) 3. Dentro de cada ciclo de barrido se va alternando cada uno de los canales. (​ Troc) 4. En un barrido se muestra un canal, y en el siguiente el otro. ​ (Alt)

Pregunta 4.​ En todos los osciloscopios de usos generales el disparo del barrido del eje X puede seleccionarse, al menos, entre Modo automático y Modo normal. En el modo normal, la base de tiempos se dispara cuando: 1. Hay señal presente en alguna de las entradas del eje Y. 2. El nivel de disparo está contenido entre el máximo y el mínimo de la señal de entrada.

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3. Aunque no haya señal presente, se dispara mediante un pulso generado internamente. 4. El disparo se efectúa una vez, luego de lo cual se debe resetear la base de tiempos.

Pregunta 5.​ En el panel de controles de todo osciloscopio, suele haber una punto de prueba (TP) donde hay disponible una señal, generada internamente, de 1KHz, con forma de onda cuadrada que según lo indicado habitualmente en los manuales se emplea para calibrar la punta de pruebas . Dicho procedimiento se realiza: 1. Con la punta en posición X10 y es para calibrar la base de tiempos. 2. Con la punta en posición X10 y es para compensar la respuesta en frecuencia. 3. Con la punta en la posición X1 y es para compensar la respuesta en frecuencia. 4. Con la punta en la posición X1 y es para calibrar el nivel de disparo.

Pregunta 6.​ La calibración de la punta, se hace observando la forma de onda cuadrada, y normalmente debe retocarse un ajuste que suele encontrarse: 1. En el panel del instrumento y se accede mediante un destornillador de plástico. 2. En la propia punta de pruebas, y se accede mediante un destornillador de plástico. 3. En la propia punta de pruebas, y para ello suele haber una llave de tres posiciones. 4. Debe retirarse la cubierta del osciloscopio ya que el ajuste suele estar en su interior.

Pregunta 7.​ Por lo general todos los osciloscopios de doble trazo disponen, en el selector de Modo Vertical, de una posición denominada ADD (Suma). Este modo suele utilizarse juntamente con la opción INV (inversión) de uno de los canales Y. Cuando un osciloscopio se emplea de esta forma: 1. Es posible determinar la diferencia de fase entre dos señales de la misma frecuencia. 2. Funciona como un instrumento de canal único y entrada diferencial. 3. Permite visualizar una señal restando la componente de CC. 4. No es un modo que tenga utilidad. Debe ser evitado.

Pregunta 8.​ La siguiente imagen representa un oscilograma obtenido con un osciloscopio, cuyos controles se encuentra en las siguientes posiciones: Eje Y= 2V/div; Base de T = 1ms/div. La sonda de pruebas se encuentra en la posición x10 , y la forma de onda observada no tiene componente de CC.

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Determinar: 1. El ciclo de trabajo de la forma de onda observada. Para ello se debe determinar el periodo y la duración del pulso. D = to/T = 2ms/8ms = 0, 25 2. El valor eficaz de la tensión. V ef = V pp * √D − D2 = 80 *

√0, 25 − 0, 25

2

= 34, 64V  

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