U.B.A. FACULTAD DE INGENIERA
Departamento de Electrnica
LABORATORIO 66-02
Informtica
TRABAJO PRCTICO N4
Osciloscopio avanzado
Curso 2014 1er Cuatrimestre Turno: mircoles 15hs-18hs
APELLIDO, Nombres N PADRN
Araya, Nicols 93203
Recalde, Guillermo 93892
Alumno Responsable :
Fecha de Realizacin : Fecha de Aprobacin : Calificacin : Firma de Aprobacin :
Observaciones:
2
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Osciloscopio Avanzado
Araya Nicols
Recalde Guillermo
1 Objetivos
El objetivo principal de esta prctica consiste en analizar el efecto de las
puntas del osciloscopio sobre las mediciones.
2 Introduccin terica
2.1 Puntas
Existen dos tipos de puntas: X1 y X10. As como su atenuacin, la forma en
que estas puntas cargan al circuito medido son distintas. Los efectos de
carga de cada punta en conjunto con los del osciloscopio se esquematizan
a continuacin:
Figura 1. Circuitos equivalentes a las puntas X1 y X10.
2.2 Frecuencia de corte
La frecuencia de corte se define como la frecuencia en la cual la respuesta
en frecuencia cae al 70,7% de su valor mximo, es decir:
En un circuito RC, se obtiene como:
3
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2.3 Tiempo de crecimiento
El retraso en el crecimiento de la tensin sobre un capacitor puede ponerse
de manifiesto a travs del parmetro llamado tiempo de crecimiento. Para
una onda cuadrada, se define a esta variable como el tiempo que le lleva a
la seal aumentar desde el 10% al 90% de su tensin mxima, y se calcula
como:
2.4 Relacin entre tiempo de crecimiento y frecuencia de corte
Tomando las ecuaciones y , se deduce
2.5 Rectificador
Es un circuito formado por uno o ms diodos, que permite convertir la
corriente alterna, que recibe, en continua.
2.5.1 Rectificador de media onda
Es un circuito formado por un diodo, que se interpone entre la fuente y la
carga. Cuando la tensin de la fuente es positiva, el sentido de la corriente
es favorable y se produce la circulacin. En cambio cuando la tensin es
negativa, no circula corriente.
Figura 2. Rectificador de media onda.
4
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Figura 3. Grfico de la seal rectificada a media onda.
2.5.2 Rectificador de onda completa
Es un circuito formado por cuatro diodos. Cuando la tensin del generador
es positiva, los diodos D1 y D2 estn polarizados en forma directa y por lo
tanto conducen, en tanto los diodos D3 y D4 no conducen. Cuando la fase de
la entrada se invierte, los diodos D3 y D4, pasan a estar en condiciones de
conducir, en tanto D1 y D2 se cortaran.
Figura 4. Rectificador de onda completa.
5
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Figura 5. Grfico de la seal rectificada a onda completa.
3 Instrumentos utilizados
A continuacin se detallan los instrumentos utilizados.
Instrumento Caractersticas
Generador de funciones
TopWard 8140 (GEN015)
Osciloscopio Gos-653G (OSC019)
Contador Goldstar FC-218U
(FRQ017)
Cables
Banana-Cocodrilo
Cocodrilo-Cocodrilo
BNC-BNC
Banana-BNC
Multimetro de
valor eficaz
Sonel cmm-40
(TRMS004)
Multimetro de
valor medio
Protomax MS8221A
(MUD045)
6
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4 Parte Prctica
4.1 Medicin de tiempo de crecimiento.
Se mont el circuito RC de la figura, ajustando el generador de funciones de
manera tal que se obtenga a su salida una seal cuadrada. Mediante este
banco de medicin se pretende medir el tiempo de crecimiento de la tensin
sobre el capacitor utilizando la punta del osciloscopio en modo directo y
atenuado.
Figura 6. Banco de medicin para la obtencin del tiempo de crecimiento de la tensin sobre el capacitor C1.
Con los controles del osciloscopio se ubic al tren de pulsos observado entre
las lneas de 0% y 100% de la gratcula, con el canal vertical descalibrado.
A continuacin se contaron el nmero de divisiones existentes entre los
puntos de corte del flanco ascendente de uno de los pulsos con las lneas
del 10% y 90%.
4.1.1 Medicin de tiempo de crecimiento con punta directa.
Como se observa en la figura, la cantidad de divisiones horizontales entre el
y de la seal es . Puesto que cada divisin, segn el ajuste de la
base de tiempo, es . El tiempo de crecimiento es .
7
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Figura 7. Tensin sobre el capacitor con conexin punta X1
La incerteza en la medicin est dada por
Donde es la base de tiempo principal. Segn el manual del osciloscopio
utilizado
Luego, reemplazando en
Por lo tanto, el tiempo de crecimiento de la tensin sobre el capacitor con
punta directa es
Si se analiza el circuito equivalente del banco de medicin montado,
tericamente se espera un valor
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Comparando ambos resultados se observa que la medicin prctica se
corresponde con la teora.
4.1.2 Medicin de tiempo de crecimiento con punta atenuada.
Como se observa en la figura, la cantidad de divisiones horizontales entre el
y de la seal es . Puesto que cada divisin, segn el ajuste de la
base de tiempo, es . El tiempo de crecimiento es .
Figura 8. Tensin sobre el capacitor con conexin punta X10
La incerteza en la medicin est dada por
Luego, reemplazando en
Por lo tanto, el tiempo de crecimiento de la tensin sobre el capacitor con
punta atenuada es
9
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Si se analiza el circuito equivalente del banco de medicin montado,
tericamente se espera un valor
Comparando ambos valores, resulta evidente que existe una diferencia no
despreciable. Esta es debida a que, en la prctica, no se calibr la punta
atenuada como debera haberse hecho en principio. No calibrar la punta X10
provoca un cambio en la capacidad del cable, variacin que evidentemente
influy en el resultado.
En conclusin, las mediciones con punta directa y punta atenuada arrojaron
valores distintos. Esto es debido a que el efecto de carga que produce la
punta directa sobre el circuito es mucho mayor que el aportado por la punta
atenuada.
Si se varan los valores de resistencia y capacitancia de los elementos del
circuito se modificara tambin el tiempo de crecimiento analizado, a menos
que el producto se mantenga constante. Puesto que el tiempo de
crecimiento es directamente proporcional al valor de la resistencia y
capacitancia, un aumento o disminucin de alguno de los valores provocar
un aumento o disminucin del tiempo de crecimiento respectivamente. Sin
embargo, la medicin no slo depender de sino tambin de la
resistencia y capacitancia equivalente del conjunto punta-osciloscopio. Por
ejemplo, una resistencia comparable o mayor a la resistencia de la punta
arrojar un tiempo de crecimiento menor al esperado.
4.2 Medicin de ancho de banda
Se pretende averiguar el ancho de banda del conjunto punta-osciloscopio.
Para esto se utiliz el mismo banco de medicin anterior.
El generador de funciones fue ajustado para obtener a su salida una seal
senoidal. El osciloscopio se configur tal que en su pantalla podan
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observarse las seales del generador y la tensin sobre el capacitor
superpuestas.
Puesto que la frecuencia de corte es aquella tal que la tensin de salida se
reduce a un , se vari la frecuencia de la seal de entrada hasta que
se observ que la amplitud de la tensin de salida disminuy la relacin
mencionada.
4.2.1 Medicin del ancho de banda mediante punta directa.
En la pantalla del osciloscopio se observ lo de la figura
Figura 9. Pantalla del osciloscopio ante un barrido de frecuencias. Las seales de entrada (sin variacin de amplitud) y salida (amplitud al 70%) estn superpuestas, medidas con punta X1.
Donde, la amplitud de la seal de salida es tal que se redujo a un de la
amplitud original. Con esta configuracin se observ la frecuencia del
generador de funciones mediante un contador universal, y el valor arrojado
fue .
Los valores de frecuencia y tensin tomados se muestran en la siguiente
tabla
Frecuencia [KHz] Tensin de salida [V]
27,04 1,5
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Recalde Guillermo
80,2 1,45
120,0 1,45
226,1 1,35
314,9 1,3
352,4 1,25
405,2 1,2
500,6 1,1
614,2 1,0
702,4 0,9
755,0 0,9
Tabla 1. Respuesta en frecuencia del conjunto punta X1 osciloscopio
En la siguiente figura se muestra en forma de grfico con eje horizontal
semilogartmico los datos de la tabla anterior
Figura 10. Respuesta en frecuencia del conjunto punta X1 Osciloscopio.
Se observa que la tensin cae al (esto es aproximadamente) a una
frecuencia de .
En conclusin, el ancho de banda para el conjunto puntaX1-osciloscopio es
del orden de los , puesto que mediante el primer mtodo
(comparando las seales directamente en el osciloscopio) y el segundo
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
27,04 270,4 2704
Ten
si
n [
V]
log Frecuencia [KHz]
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mtodo (aproximar mediante un grfico Tensin Vs Frecuencia) se
obtuvieron valores cercanos al mencionado. Como valor final tomamos el
promedio entre ambas frecuencias
Con el valor del ancho de banda hallado se puede calcular el tiempo de
crecimiento de la tensin sobre el capacitor. Puesto que
En particular, para la medicin de tensin con punta directa
Si se compara este resultado con el obtenido mediante el osciloscopio
se concluye que debido a la cercana entre ambos, el ancho de
banda hallado es correcto.
4.2.2 Medicin del ancho de banda mediante punta atenuada.
En la pantalla del osciloscopio se observ lo de la figura
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Figura 11. Pantalla del osciloscopio ante un barrido de frecuencias. Las seales de entrada (sin variacin de amplitud) y salida (amplitud al 70%) estn superpuestas, medidas con punta X10.
La frecuencia mostrada por el contador universal fue .
Los valores de frecuencia y tensin tomados se muestran en la siguiente
tabla
Frecuencia [KHz] Tensin de salida [V]
272,890 8,8
650,030 8,08
1664,331 6,6
1789,664 6,4
1804,921 6,34
1915,836 6,2
En la siguiente figura se muestra en forma de grfico con eje horizontal
semilogartmico los datos de la tabla anterior
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Figura 12. Respuesta en frecuencia del conjunto punta X10 Osciloscopio.
Se observa que la tensin cae al (esto es aproximadamente) a
una frecuencia de .
Promediando ambos valores de frecuencia obtenidos, se establece que el
ancho de banda del conjunto puntaX10-osciloscopio es
Con este valor de ancho de banda se calcula el tiempo de crecimiento de la
tensin sobre el capacitor
Comparando con el valor terico obtenido se observa que
stos son bastante cercanos, por lo que se concluye que el ancho de banda
hallado es correcto.
4.3 Medicin de frecuencia de corte.
Se mont el banco de medicin de la figura
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
500
Ten
si
n [
V]
log Frecuencia [KHz]
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Figura 13. Banco de medicin para hallar la frecuencia de corte del conjunto punta-osciloscopio.
Se ajust el generador de funciones tal que a su salida se obtuviera una
seal senoidal. A continuacin se realiz un barrido de frecuencias hasta
que el valor pico de tensin de la seal de entrada disminuy un de su
valor inicial. Con ayuda del contador universal en modo frecuencmetro se
tom el valor de frecuencia en la cual esta disminucin ocurra.
4.3.1 Medicin de frecuencia de corte con punta directa.
4.3.2 Medicin de frecuencia de corte con punta atenuada.
4.3.3 Influencia de la resistencia ubicada en serie con la punta.
El circuito equivalente del banco de medicin es el de la figura
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Figura 14. Circuito equivalente al banco de medicin para la obtencin de la frecuencia de corte del conjunto punta osciloscopio.
Evidentemente la resistencia de se encuentra conectada en paralelo
con la resistencia (resistencia del conjunto punta-osciloscopio), por lo
que la resistencia del conjunto tender a acercarse ms a .
Sabiendo que la frecuencia de corte puede calcularse como
puede
notarse que cuanto menor es la resistencia , mayor ser la frecuencia de
corte. Por lo tanto la funcin de la resistencia conectada en serie con la
punta es la de permitir obtener una frecuencia de corte manejable por el
generador de funciones.
Ntese que si se eliminara esta resistencia de , tanto con la
capacitancia de la punta directa o atenuada, los valores de frecuencia de
corte que se obtendran son del orden de los y
respectivamente. Estas frecuencias no pueden obtenerse con el generador
de funciones utilizado en el laboratorio, cuyo mximo es , por lo que
no se podra calcular la frecuencia de corte del conjunto punta-osciloscopio.
4.4 Mediciones con rectificadores.
4.4.1 Medicin de la amplitud de la seal rectificada.
Se mont el banco de medicin de la figura
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Figura 15. Banco de medicin para el clculo de la amplitud de la seal rectificada.
Se ajust el generador de funciones a su mxima amplitud con una seal
senoidal de aproximadamente. Luego, con ayuda del osciloscopio se
observ en pantalla lo mostrado por la figura
Figura 16. Seal rectificada
Puesto que cada divisin de la cuadrcula vertical representa y se leen
3 de ellas, la amplitud de la seal rectificada es .
Se calcula la incerteza en la medicin
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Luego, la amplitud de la seal es
4.4.2 Medicin del factor de forma.
Por definicin, el factor de forma est dado por
Mediante el multmetro digital de valor medio se registr la cada de tensin
sobre la resistencia
Segn el manual de usuario del multmetro, la incerteza en la medicin es
A un alcance de y resolucin
Por lo tanto, el valor de la medicin es
Utilizando el multmetro de valor eficaz
Por lo tanto el factor de forma de la seal es
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Se calcula la incerteza en la medicin segn la frmula
Donde
Por lo tanto el factor de forma de la seal analizada es
4.4.3 Clculo del valor pico a pico de la tensin de ripple.
Se mont el banco de medicin de la figura
Figura 17. Banco de medicin para el clculo de la tensin de ripple.
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Para una resistencia de y un capacitor de la tensin observada
en la pantalla del osciloscopio fue una seal casi continua, por lo cual no fue
posible medir la tensin de ripple.
Se vari el valor de la capacitancia por una de . La seal observada
fue la de la figura
Figura 18. Seal a partir de la cual se midi la tensin de ripple.
Como el canal vertical est ajustado en por divisin, y se leyeron
divisiones, el valor de la tensin pico a pico es .
La incerteza en la medicin est dada por
Por lo tanto el valor pico a pico de la tensin de ripple es
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5 Conclusiones
Realizar mediciones con una punta directa o una atenuadora claramente no
es equivalente. El efecto que produce cada una est ntimamente ligado al
circuito analizado, y la eleccin de una u otra punta se desprender de si el
efecto de carga aportado es o no influyente en la medicin.
En el clculo del tiempo de crecimiento se observa que existe una diferencia
entre los valores tomados utilizando una punta directa y una atenuada. En
particular, la punta X1 arroj un valor mayor que una X10. Esto se debe a
que la punta directa aporta un mayor efecto de carga al circuito, si bien en
cuanto a las resistencias la variacin sobre el circuito no es considerable,
esto no es as a nivel capacitivo. La capacidad equivalente de la punta
atenuada es la dcima parte de la capacidad de la punta directa, aportando
as un menor efecto de carga al circuito.
Otra caracterstica notable relacionada con las puntas es que el ancho de
banda del conjunto punta-osciloscopio vara si se utiliza la punta directa o la
punta atenuada. El rango de frecuencias en donde la medicin es vlida
(segn el criterio ) es mucho mayor si se utiliza una punta X10 que el
rango aprovechable por una punta X1.
En cuanto a los circuitos RC con diodos rectificadores se concluy que un
aumento de la capacitancia del circuito disminuye el valor pico a pico de la
tensin de ripple.
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6 Anexos
6.1 Clculo terico del tiempo de crecimiento de la tensin sobre el
capacitor C1 con punta directa.
El circuito equivalente al banco de medicin es el de la figura
Figura 19. Circuito equivalente al banco de medicin con punta directa.
La resistencia interna del generador de funciones utilizado es segn el
manual del instrumento.
Evidentemente el circuito puede simplificarse si se observa que las
resistencias y la de estn conectadas en serie, y la equivalente
entre ambas, conectadas en paralelo con la resistencia de . Por lo tanto
la resistencia equivalente es
Adems, ambos capacitores estn conectados en paralelo, por lo que la
capacidad equivalente es
Se obtiene entonces un circuito equivalente RC, donde la cada de tensin
en el capacitor posee un tiempo de crecimiento dado por
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6.2 Clculo terico del tiempo de crecimiento de la tensin sobre el
capacitor C1 con punta atenuada.
El circuito equivalente al banco de medicin es el de la figura
Figura 20. Circuito equivalente al banco de medicin con punta atenuada
Con consideraciones idnticas al tem anterior se obtiene un circuito RC,
donde
Luego, la cada de tensin en el capacitor posee un tiempo de crecimiento
dado por
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6.3 Hoja de instrumentos
6.3.1 Multmetro digital PROTOMAX MS8221A
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6.3.2 Multmetro SONEL CMM-40
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6.3.3 Osciloscopio GOS-653G
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6.3.4 Generador de funciones TopWard 8140
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6.3.5 Contador universal Goldstar FC-218U