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Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro INTRODUCCIÓN AL USO DE LAS FUNCIONES BÁSICAS DE UN OSCILOSCOPIO Resumen El osciloscopio permite representar mediante gráficos (x, y) señales eléctricas que bien pueden se directas (DC) o alternas (AC). Los campos de aplicación de estas señales van desde la ingeniería electrónica, hasta las ciencias básicas. Por lo tanto, se espera que en este proyecto de investigación el estudiante adquiera destrezas en el uso de las funciones básicas del osciloscopio. Por medio del simulador DCAClab el estudiante debe entender conceptos sobre Volt/div, time/div, canales de entrada, posiciones verticales y horizontales, frecuencia, periodo y fase; en el simulador MultisimLive obtendrá valores de voltaje y frecuencia de diferentes circuitos con capacitores. Finalmente los estudiantes podrán responder en el reporte de investigación ¿qué es un desfase del voltaje entre dos señales? ¿cómo se halla un período en una señal de osciloscopio? y ¿qué es una relación de ganancia? Planteamiento del Problema Un osciloscopio es un instrumento de medida que se utiliza para realizar medidas de señales eléctricas en DC y AC. Este instrumento es ampliamente usado en el laboratorio para visualizar algunos fenómenos de la física ondulatoria. El osciloscopio permite la visualización en una pantalla de señales eléctricas, usualmente de voltaje (representadas en el eje vertical o eje y) contra tiempo (representadas en el eje horizontal o eje x). Este instrumento también permite mediciones y visualización de múltiples señales dependiendo de la cantidad de entradas o canales que posea, permitiendo representar voltajes tanto en el eje y como en el eje x, señales conocidas como curvas de Lissajous. Con todas las opciones que tiene un osciloscopio el estudiante debe cuestionarse acerca de ¿qué diferencia un osciloscopio de un multímetro? ¿En qué momento o bajo qué condiciones se debe usar un osciloscopio en lugar de un multímetro? ¿Cómo interpretar la información mostrada en la pantalla del osciloscopio? Luego, es necesario que el estudiante que se está introduciendo en el estudio de la física ondulatoria se familiarice con el uso del osciloscopio. Objetivo general Familiarizar al estudiante con el uso de las funciones básicas de un osciloscopio y el análisis de señales. Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro Objetivos específicos Comprender los términos y cantidades físicas asociadas al uso del osciloscopio. Entender los controles básicos de un osciloscopio digital. Medir señales eléctricas en circuitos de corriente alterna a través de un simulador interactivo. Interpretar los resultados de las mediciones de señales eléctricas adquiridas con el osciloscopio. Marco Teórico Osciloscopio Un osciloscopio es un instrumento electrónico de medida que muestra señales eléctricas, usualmente como voltajes (en el eje Y vertical) contra tiempo (eje X horizontal). Hay complementos y funciones en el osciloscopio que le permiten representar señales de corriente en el eje Y, y además de tiempo en el eje X también puede representar frecuencia o voltaje de otra señal. Los osciloscopios son usados para medir señales eléctricas en respuesta a un estímulo, tales como: sonido, fuerza, presión, luz o calor. Los osciloscopios son comúnmente usados en aplicaciones tales como: Observar de la forma de onda de una señal (continua, cuadrada, triangular, diente de sierra, senoidal). Medir de amplitud de una señal. Medir de la frecuencia de una señal. Medir del tiempo entre dos eventos. Observar si una señal es de corriente directa (DC) o corriente alterna (AC). Observar ruido en una señal mediante funciones que permiten manipular cursores en la grilla llamada gratícula. Un Osciloscopio digital muestra una forma de onda luego de acondicionar la señal de entrada en un amplificador de vertical, muestreando la señal analógica de entrada (según el ancho de banda del osciloscopio), convirtiendo en una representación digital de muestras mediante un conversor análogo-digital, para luego almacenar las muestras en memoria, y finalmente reconstruir la forma de onda vista en pantalla. Hay muchas especificaciones para considerar en el rendimiento de un osciloscopio, como se mencionó en el párrafo anterior uno de los más importantes es el ancho de banda, el tiempo de activación del flanco (rise time), el tiempo de muestreo y la longitud de grabación. El ancho de banda es el rango de frecuencias del osciloscopio, usualmente medido en (MHz). Siendo su máxima frecuencia a la que la amplitud de una señal de frecuencia comparable medida es atenuada un 70.7%. Se recomienda Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro que el ancho de banda del osciloscopio sea por lo menos 5 veces mayor que la frecuencia que se necesita medir. Al igual el (rise time) del osciloscopio debe ser 5 veces menor que el (rise time) de la señal a medir y el tiempo de muestreo del osciloscopio igualmente 5 veces menor que el periodo de la señal a medir, tal como lo indica el teorema de Nyquist. Controles de un osciloscopio digital. Figura 1. Panel frontal y descripción de los controles de un osciloscopio digital. Imagen recuperada desde https://www.d.umn.edu/~djohns30/phys1002- labs/Lab%206%20Oscilloscope.pdf (04/04/2020). En la figura 1 se describen los botones, perillas y parámetros en pantalla, que posee un típico osciloscopio digital. En general los osciloscopios digitales muestran en pantalla, en el indicador de escala vertical y en el punto de referencia, mediante código de colores (azul y amarillo) la señal de cada canal. Un osciloscopio digital muestra en pantalla un sistema cartesiano con 8 divisiones en el eje vertical (cada una con 5 subdivisiones) y 10 divisiones en el eje horizontal (cada una con 5 subdivisiones) (ver pantallas figura 1 y 2). https://www.d.umn.edu/~djohns30/phys1002-labs/Lab%206%20Oscilloscope.pdf https://www.d.umn.edu/~djohns30/phys1002-labs/Lab%206%20Oscilloscope.pdf Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro Al lado derecho de la pantalla hay un recuadro llamado menú en pantalla, donde generalmente se suelen mostrar los parámetros de la señal. Por ejemplo, frecuencia, periodo, voltaje pico a pico, valor medio del voltaje, entre otros. Este menú está directamente ligado a los botones de selección de menú, que también permiten elegir entre opciones avanzadas del osciloscopio como transformaciones de Fourier, superposición y otros tratamientos para las señales. El osciloscopio también cuenta con los controles de VERTICAL. Cada canal tiene una perilla control vertical para ajustar los voltios/división, perillas de posición vertical para cambiar el offset de las señales, y un botón para Activar/Desactivar el canal y conectores tipo BNC (Entrada canal X) para entrada de las señales. En los controles de HORIZONTAL se encuentra la perilla control horizontal (tiempo) de ajuste de escala de tiempo/div, la perilla de posición horizontal que permite mover la señal en el eje horizontal, y el botón de cambio de modo para presentar el eje horizontal, el tiempo o para presentar la amplitud de voltaje de una segunda señal. También está el modo de disparo (TRIGGER) que tiene la función de congelar la señal en el dominio del tiempo. La perilla de disparo (TRIGGER) configura el nivel de voltaje para el cual el osciloscopio hará el disparo para la captura de la señal. Generalmente se usa el TRIGGER al 50% para estabilizar la señal.Por otra parte, en el control disparo también está el botón de flanco para activar el (TRIGGER) en flanco positivo, negativo o automático. Finalmente, algunos modelos de osciloscopios digitales tienen botones para guardar datos en formatos de hoja de cálculo .CVS o formato de imagen .GIF; botón para iniciar mediciones y botón para establecer parámetros de vertical y horizontal de forma automática. Calibración inicial A continuación, se describe la calibración inicial de un osciloscopio usando una señal de 1 kHz, y una señal cuadrada de 5 Vpico-pico (ver salida señal de prueba en la figura 1). a. Encender el osciloscopio. b. Conectar la punta de prueba 1X/10X al canal 1. Para conectar el conector BNC presione el conector hacia dentro y luego gire en sentido horario. c. Use el interruptor en la punta de prueba en la opción de atenuación 10X. d. Conecte el cable de tierra tipo caimán al conector de tierra en la esquina inferior derecha del osciloscopio (ver figura 1). Luego conecte la punta de prueba al conector de salida señal de prueba (ver figura 1). Este conector proporcional una señal cuadrada de 1 kHz a 5 V. Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro e. Presione en el panel frontal el botón Auto ajuste (Autoset) para que el osciloscopio ajuste las posiciones X, Y y del disparo (Trigger) automáticamente. f. Finalmente, la señal en pantalla debe tener la forma mostrada en la figura 2. Usando las perillas de ajuste vertical y horizontal se puede ajustar. Figura 2. Señal cuadrada de prueba de amplitud 5 V a 1kHz. También puede dar click aquí para ver un video tutorial (duración 2:32 minutos) de calibración de un osciloscopio. Metodología Este proyecto de investigación se desarrollará en 4 fases metodológicas: primero, se usará el simulador DCAClab para estudiar las funciones básicas de un osciloscopio. usando como excusa circuitos Resistor-Condensador (RC) y Resistor-Inductor (RL); segundo, usando los controles de ajuste de voltaje/div y tiempo/div se escalarán las señales para que el estudiante logre evidenciar los cambios de amplitud de las señales y el desfase entre la señal de entrada y la señal de salida; tercero, Con el simulador MultisimLive de National Instruments se obtendrán señales de un circuito conformado por un condensador un interruptor y una fuente de voltaje (AC) tipo sinusoidal. Las señales se analizarán para extraer los parámetros básicos que describen la onda de voltaje; cuarto, finalmente se sintetizarán los resultados en un reporte de investigación. Fase 1: siguiendo el instructivo para acceder al simulador DCAClab se construirán circuitos RC (ver figura 3) con tres valores de resistencia diferentes en un rango de 200 Ω a 600 Ω, tres valores de capacitores en un rango de 50 uF a 500 uF, ambos conectados en serie con una fuente de (AC) a criterio del estudiante con valores entre 1.0 V y 8.0 V de amplitud de voltaje y frecuencias entre 30 Hz y 60 Hz. Este https://www.youtube.com/watch?v=CHXsYJ4H0Ys https://dcaclab.com/es/lab https://www.multisim.com/ https://drive.google.com/file/d/10t7mpSwAIkaij6WHp4576GFY2YJhE-RG/view https://dcaclab.com/es/lab Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro procedimiento se repetirá para el circuito RL y se tomarán valores de inductancia entre 1 y 10 mH. Figura 3. Montaje de circuito RC y simulador de osciloscopio DCAClab. Es importante resaltar que la cuenta en DCAClab tiene una caducidad de 24 horas en la versión gratuita, por lo tanto, será necesario crear una nueva cuenta o ingresar mediante una cuenta de Google o Facebook no usada anteriormente, para desbloquear las funciones avanzadas como por ejemplo modificar parámetros en los elementos. Fase 2: Luego se conectarán los canales del osciloscopio para medir el voltaje en función del tiempo en la fuente y en el condensador para los valores propuestos en la fase 1. Se repetirá el mismo procedimiento remplazando el condensador en la figura 3 por el inductor. Siendo las dos primeras fases cualitativas, el estudiante deberá responder a las preguntas en la tabla 1 de la hoja de trabajo y adjuntar evidencias en el reporte para que el profesor corrobore el uso de las funciones básicas y mediciones en los circuitos propuestos con el osciloscopio. Fase 3: En el simulador MultisimLive de National Instruments se construirá un circuito RC (para ingresar a MultisimLive el estudiante debe crear una cuenta de usuario dando click en el botón ). Para ingresar al simulador el estudiante debe pulsar el botón que se encuentra en la parte superior derecha del explorador. En la figura 4 se observan las paletas de comandos que posee el simulador. https://www.multisim.com/ Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro Figura 4. Hoja de trabajo simulador MultisimLive. En la paleta de elementos (izquierda en la hoja de trabajo) se arrastrará al tablero de conexiones una fuente de (AC) , tierra , un interruptor , una punta de prueba y un capacitor . Con estos elementos se construirá el circuito de la figura 5. Figura 5. Condensador conectado a una fuente de (AC). https://www.multisim.com/ Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro Se ajustará un voltaje y se configurarán tres frecuencias, para cada frecuencia se trabajarán tres valores de capacitancia definidos por el profesor. El valor de la capacitancia y los parámetros de la fuente serán elegidos por el profesor en acuerdo con sus estudiantes. Para iniciar la simulación se presiona el botón y las señales se pueden observar presionando sobre la pestaña o sobre la pestaña para ver el circuito y la señal en simultáneo. Moviendo el cursor sobre la onda es posible medir la amplitud de la señal para un tiempo dado y el periodo de la señal. Los valores de amplitud y periodo se consignarán en la tabla 2 de la hoja de trabajo. Fase 4: En esta fase se analizarán los datos obtenidos en las tablas 1 y 2. Si el estudiante desea procesar los datos con otra herramienta, se pueden exportar a un archivo .CVS presionando el botón . Los datos se consignarán en el reporte de investigación. Las amplitudes obtenidas en la fase 3 se compararán con la amplitud de la fuente V mediante la relación de ganancia G = V/A. Donde V es la amplitud de voltaje de la fuente y A la amplitud de voltaje medida para cada valor de capacitancia. El estudiante deberá responder ¿por qué se presentan estos cambios en la amplitud de la señal de entrada? Resultados esperados Se espera que a través del simulador DCAClab el estudiante se cuestione ¿por qué aparece una señal en adelanto y una señal en atraso en el tiempo cuando se trabaja con circuitos RC y RL en alterna (AC)? ¿Qué significa Volt/div y time/div en un osciloscopio? Por otra parte, los osciloscopios digitales tienen capacidad de almacenar y exportar vectores de datos en archivos con extensión .CVS. Mediante el simulador MultisimLive de National instruments es posible exportar señales también en extensión .CVS, para que el estudiante analice y responda ¿cómo obtener los parámetros (amplitud y frecuencia) de las distintas señales a medir? Bibliografía Introduction to Oscilloscopes Lab Experiment, Tektronics Recuperado (03/04/2020) de https://www.tek.com/document/application-note/introduction-oscilloscopes-lab- experiment Osciloscope Lab, University of Pittsburgh. Recuperado (03/04/2020) de http://www.pitt.edu/~mbw/courses/telcom2100/pdf/lab-oscope.pdf Laboratorio virtual de circuitos Recuperado (24/03/2020) de https://dcaclab.com/es/lab MultisimLive. Recuperado (05/042020) de https://www.multisim.com/ https://dcaclab.com/es/lab https://www.multisim.com/ https://www.tek.com/document/application-note/introduction-oscilloscopes-lab-experiment https://www.tek.com/document/application-note/introduction-oscilloscopes-lab-experiment http://www.pitt.edu/~mbw/courses/telcom2100/pdf/lab-oscope.pdf https://dcaclab.com/es/lab https://www.multisim.com/ Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro Este material fue desarrollado por: Ana M. Forero Pinto, Daniel A. Triana Camacho, Karen L. Cristiano Rodríguez, Melba J. Sánchez Soledad, Yuber A. Galeano; con el apoyo de: David A. Miranda Mercado, Jorge H. Quintero Orozco, Raúl F. Valdivieso Bohorquez, Rogelio Ospina Ospina; las autoriades académicas: Hernán Porras Díaz (Rector), Orlando Pardo Martínez (Vicerrector Académico), Jose David Sanabria Gómez (Decano de la Facultad de Ciencias) y Jorge Humberto Martínez Téllez (Director de la Escuela de Física). Un agradecimiento especial a la Universidad Industrial de Santander. Abril 14 de 2020.
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