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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRÉS CURSO BÁSICOFACULTAD DE INGENIERÍA GRUPO: ILAB. FÍSICA BÁSICA III FIS 200-L Univ. Rojas Ruiz Javier Ernesto

1. OBJETIVOS.

El objetivo general es el de generar una señal de tipo senoinal, utilizando el generador de funciones y el osciloscopio, para realizar mediciones básicas.Los objetivos específicos son:

Aprender a utilizar adecuadamente el generador de funciones y el osciloscopio. Obtener señales prefijadas. Realizar la medición del voltaje, período y frecuencia de la señal obtenida y la prefijada. Realizar conexiones básicas entre los canales de entrada y salida de ambos aparatos.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO.

GENERADOR DE FUNCIONES

El generador de funciones a ser empleado, produce voltajes que varían periódicamente en el tiempo; estos voltajes, también conocidos como señales, pueden contar con una componente continua, o nivel DC. El aparato tiene además incorporado un frecuencímetro. Los diversos selectores, controles y conectores del equipo se describirán en relación a la Figura 1.

POWER (1). Si está presionado en su parte superior, el equipo está encendido y la pantalla (8) queda iluminada.OUTPUT 50(2). Proporciona la señal de salida. La indicación “50” es el valor de la resistencia de salida, que puede considerarse como una resistencia interna en serie con el terminal central del conector. El terminal externo del conector. El terminal externo del conector es el terminal de referencia, 0[V], tierra o GND (ground).FUNCTION (3). Selecciona la forma de onda de la señal de salida.AMPL, PULL-20dB (4). Controla la amplitud de la señal de salida. Si está jalado, atenúa dicha amplitud en 10 veces.OFFSET, PULL ADJ (5). Si está jalado, controla el nivel DC de la señal de salida.RANGE (6), FREQUENCY (7). Controlan la frecuencia de la señal de salida, que está dada por la indicación de FREQUENCY (7), multiplicada por el rango seleccionado en RANGE (6), en hertz.(8). Pantalla que muestra la lectura del frecuencímetro.

SEMESTRE I/2012 INSTRUMENTACION Doc. Ing. Humberto Murguía

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Hz (9). Si está encendido, la lectura del frecuencímetro está en hertz.KHz (10). Si está encendido, la lectura del frecuencímetro está en kilohertzSYNC OUTOUT (11). Proporciona una señal cuadrada con niveles prefijados y con la misma frecuencia que la señal de salida.EXT INPUT DC~60MHz (12). Permite introducir una señal externa el frecuencímetro.COUPLING (13). Selecciona la señal de entrada al frecuencímetro y, para una señal externa, también su modo de acoplamiento. Según su posición, la señal que efectivamente ingresa al frecuenciómetro, es:

INT, la señal de salida del generador de funciones (mediante una conexión interna). EXT AC/HF, la señal externa sin su componente continua ni sus componentes de baja

fercuencia. EXT DC/LF – 100KHz FILTER, la señal externa sin sus componentes de frecuencia superior

a 100KHz.

TRIGGER, PULL EXT INPUT X20 (14). Controla el nivel de disparo del frecuencímetro para una señal externa. El nivel de disparo es el nivel que debe alcanzar la señal externa para que el frecuencímetro comience a contar sus períodos durante cierto tiempo, y así calcular su frecuencia; lo cual realiza en forma repetitiva. Si el botón está jalado, la señal externa es atenuada 20 veces.EXT TRIG’D (15). Indica la condición de disparo del frecuencímetro para una señal externa. Encendido: nivel de disparo muy alto. Apagado: nivel de disparo muy bajo. Intermitente: nivel de disparo adecuado.VCF INPUT (16). Permite introducir un voltaje que controle la frecuencia de la señal de salida.SWEEP OUTPUT (17). Proporciona una señal denominada señal de barrido, que puede ser diente de sierra o logarítmica.RATE, PULL SWEEP ON (18). Controla la frecuencia de la señal da barrido. Si está jalado, habilita el barrido de la señal de salida haciendo que su frecuencia varíe de acuerdo con la señal de barrido.WIDTH, PULL LOG SWEEP (19). Si el barrido de la señal de salida está habilitado, controla el rango en que varía la frecuencia de la señal de salida. Si está presionado, la señal de barrido es diente de sierra; si está jalado, es logarítmica.

OSCILOSCOPIO

El osciloscopio a ser empleado, es de dos canales, es decir, puede operar con dos señales de entrada. En el modo básico (de funcionamiento), puede desplegar en su pantalla una de esas señales, las dos simultáneamente, la suma de ellas o la diferencia de las mismas, con el voltaje representado en el eje vertical y el tiemo en el eje horizontal. En el modo X – Y, traza una figura de Lissajous, con la variable Y (eje vertical) determinada por la señal del canal 1 y la variable X (eje horizontal) determinada por la señal del canal 2; así, ambos ejes representan voltajes. Los diversos selectores, controles y conectores del osciloscopio se describirán en relación con la Figura 2; algunos de ellos están repetidos y, en cada caso, el primero corresponde al canal 1 y el segundo, al canal 2.

POWER (15). Si está presionado, el equipo está encendido y el indicador (16) queda iluminado.CH1(Y) (5), CH2(X) (10). Permiten introducir las señales de entrada. AC-GND-DC (4), (9). Seleccionan el modo de aclopamiento de la señal de entrada. Según su posición, la señal que se despliega es:

AC, la señal de entrada sin su componente continua. GND, 0[V]. Se traza una linea horizontal que representa ese voltaje y que se conce como linea de

referencia, tierra o GND. DC. La señal de entrada completa.

▲▼POS (3), (8). Controla la posición vertical del trazo.


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VARIABLE (2), (7). Controlan en forma continua el factor de escala de voltajes; es decir, el número de voltios a que equivale cada división de la pantalla. En el modo básico, ambos controles corresponden al eje vertical y, en el modo X-Y, corresponden a los ejes vertical y horizontal, respectivamente.CH1 VOLTS/DIV (1), CH2 VOLT/DIV (6). Controlan en forma discontinua el factor de escala de voltajes. Indican el valor de ese factor siempre que VARIABLE (2), (7) estén en la posición CAL (totalmente girados en el sentido de la flecha). En el modo básico, ambos controles corresponden al eje vertical y en el modo X-Y, corresponden a los ejes vertical y horizontal, respectivamente. (18). Terminal de referencia, tierra o GND, que está conectado internamente a los terminales externos de los conectores CH1(Y) (5), CH2(X) (10) y EXT TRIG (27).VAR SWEEP (20). En el modo básico de funcionamiento, pcontrola en forma continua el factor de escala de tiempos; es decir, el número de segundos a que equivale cada una de las diez divisiones horizontales de la pantalla.TIME/DIV (19). En el modo básico de funcionamiento, controla en forma discontinua el factor de escala de los tiempos. Indica el valor de ese factor siempre que VAR SWEEP (20) esté en la posición CAL (totalmente girado en el sentido de la flecha) y PULLx10 (21) esté presionado. X-POS , PULLx10 (21). Controla la posición horizontal de los trazos. Si está jalado, el factor de escala de tiempos queda dividido entre 10.X-Y (22). Si está presionado, habilita el modo X-Y; para esto, todos los botones VERTICAL MODE deben estar liberados.VERTICAL MODE (11). Controlan el modo vertical, seleccionando las señales que se trazan y la manera en que esto se realiza. Para cada botón, la inidicación superior corresponde al botón liberado y la indicación inferior al botón presionado:

MODO/DUAL. En MONO sólo se traza la señal de un canal (modo de trazo único). En DUAL se trazan las señales de los dos canales (modo de trazo doble).

CH1/CH2. Selecciona el canal cuya señal se traza en el modo de trazo único. NORM/INV1. En NORM la señal del canal 1 es trazada en forma normal. En INV1 dicha señal

es primero invertida (multiplicada por –1) y luego trazada. ALT/CHOP/ADD. Si se presiona en el modo de trazo único, se traza la suma de las señales de

los dos canales (ADD). En el modo de doble trazo, con ALT las señales se trazan completamente paro en forma alternada, mientras con CHOP, son segmentos de cada señal los que se trazan en forma alternada.

TRACE ROTATION (12). Controla la horizontalidad del trazado (se accede con destornillador).INTENSITY (13). Controla el brillo de los trazos en la pantalla.


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FOCUS (14). Controla el enfoque de los trazos en la pantalla.SOURCE (23). Selecciona la señal de disparo (siempre que el selector COUPLING (24) no esté en la posición LINE). La señal de disparo es la señal que usa el osciloscopio para iniciar o disparar el barrido horizontal en forma repetitiva. Para tener un trazado estable, la señal de disparo debe estar sincronizada con ella. Según la posición del selector, la señal de disparo es:

CH1, la señal de entrada del canal 1. CH2, la señal de entrada del canal 2. ALT, la señal que determinan los selectores VERTICAL MODE (11). En este caso debe

evitarse el uso de CHOP en el modo de doble trazo. EXT, la señal introducida por el conector EXT TRIG (27).

COUPLING (24). Selecciona principalmente el modo de acoplamiento de la señal de disparo. Según su posición, la señal que efectivamente se usa para el disparo es:

AC, la señal de disparo sin su componente continua. TV-H, la señal de disparo sin sus componentes de baja frecuencia. TV-V, la señal de disparo sin sus componentes de alta frecuencia. LINE, una muestra de voltaje de línea o red comercial (independientemente de la posición del

selector SOURCE (23).TRIG LEVEL, PUSH AUTO (25). Controla el nivel de disparo, que es el voltaje que debe alcanzar la señal de disparo para que se dispare cada barrido horizontal. Si está presionado, habilita el barrido horizontal automático, en virtud del cual, cuando la señal de disparo no alcanza el nivel de disparo, el barrido se realiza automáticamente.SLOPE (26). Selecciona la pendiente de disparo, que es la pendiente que la señal de disparo debe tener (en el nivel de disparo) para dar inicio a cada barrido horizontal.EXT TRIG (27). Permite introducir una señal de disparo externa.CAL (17). Proporciona una señal cuadrada, referida a tierra, para fines de verificación y calibración.

2.1. Mediciones. Las magnitudes a medir deben abarcar el mayor espacio posible en la pantalla del osciloscopio y los trazos deben ubicarse convenientemente (por ejemplo, para poder usar las graduaciones en subdivisión de las líneas centrales de la pantalla). Este apartado será ejemplificado para una única señal de entrada de forma senoidal. Las figuras muestran diferentes despliegues de la señal (en el modo básico de funcionamiento) que corresponden a los factores de escala de voltajes y tiempos indicados en las mismas.

2.1.1. Medición de voltajes. El voltaje entre dos niveles está dado por el número de divisiones verticales entre esos niveles, multiplicado por el factor de escala de voltajes. Para medir voltajes con respecto a la referencia (0[V]) la línea de referencia debe ser ubicada en una línea horizontal conveniente de la pantalla; luego, la señal de entrada debe ser acoplada directamente y las mediciones deben realizarse respecto a esa línea. Voltajes ubicados por encima de dicha línea de referencia; en caso contrario serán negativos.

Según la Figura 3, el voltaje pico a pico de la señal (diferencia entre los voltajes máximo y mínimo) designado Vpp, es igual a:


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Vpp = 5.2 [div] x 0.5 [V/div] = 2.6 [V]

la amplitud, Vm, puede calcularse como:

Vm = Vpp = 2.6 [V] = 1.3 [V] 2 2

De acuerdo con la Figura 4, el voltaje máximo (con respecto a la referencia),designado Vmax, es:

Vmax = 3.8 [div] x 0.5 [V/div] = +1.9 [V]

Con esto puede calcularse el nivel DC de la señal (con respecto a la referencia) como:

VDC = Vmax - Vm = 1.9 [V] – 1.3 [V] = +0.6 [V]

2.1.2. Medición de tiempos. El tiempo entre dos eventos está dado por el número de divisiones horizontales entre esos eventos, multiplicado por el factor de escala vertical.Según la Figura 5, el periodo de la señal es:

T = 6.5 [div] x 0.2 [ms/div] = 1.3 [ms]

La frecuencia puede calcularse como:

s 289.6senV 7

0s 1030.3rad/s 10904.1senV 7 66

v

xxv

La frecuencia angular como:


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2.2.1.3. MEDICION DE VOLTAJES EN FUNCION DEL TIEMPO. Asumiendo un tiempo de referencia (tiempo cero) pueden medirse voltajes en función del tiempo.Por ejemplo, puede medirse el voltaje de la señal para un tiempo de 0.4 [ms], tomando como tiempo cero un tiempo en el cual la señal de entrada se encuentra en su nivel DC (VDC = 0.6 [V]) en el tramo de subida, Para ello, inicialmente se ha seleccionado pendiente de disparo positiva y con ayuda de la línea vertical central se ha ajustado el nivel de disparo para que el trazo de la señal se inicie en 0.6[V]. Luego, el trazo se ha movido cuatro divisiones a la izquierda (trazo continuo) de esa manera:

v(0.4[ms])=3.6[div]x 0.5 [V/div] = 1.8 [V]

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Verificamos que el generador de funciones y el osciloscopio estén apagados


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2. En el generador de funciones, verificamos que todos los botones que se puedan jalar estén presionados menos el botón OFFSET, colocamos COULPLING en INT, función en la forma que señalaba la forma senoidal, AMPL en la posición central y RANGE en 1K.

3. En el osciloscopio, colocamos todos los controles giratorios en una posición central, excepto por VARIABLE y VAR SWEEP que los colocamos en CAL. Liberamos todos los botones que se podían liberar. Verificamos que PUSH AUTO y PULLx10 estén presionados. Colocamos SOURCE en CH1 y COUPLING en AC

4. Conectamos el generador de funciones y el osciloscopio.

5. Encendimos los equipos y verificamos el uso y efectos de ellos.

Figura 4Mediciones

6. Dejamos en el generador de funciones una señal senoidal arbitraria con un nivel de DC cualquiera. De esa señal medimos el voltaje pico a pico, el voltaje máximo y su periodo

7. llenamos la tabla 1.1 con nueve instantes de tiempos diferentes

8. medimos el voltaje pico a pico (Vpp).

Obtención de las señales prefijadas

9. obtuvimos del generador de funciones una señal senoidal que tiene una amplitud de Vmax=0.60 [v]un nivel de DC VDC= -0.28 [v] y una frecuencia de f=2.7 [KHz].

10. obtuvimos otra señal de onda cuadrada con las siguientes características: que oscila entre -1.4[v] y 3.8[v] y una frecuencia de f=1.2 [KHz].

4. TRATAMIENTO DE DATOS MEDICIONES


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1. Con los datos tomados con el osciloscopio, calcular la amplitud, el nivel DC y la frecuencia de la señal del punto 6. Del procedimiento. Con los resultados, expresar la señal en la forma

Con los resultados obtenidos, reemplazamos en la ecucion: Calculamos primero ω con el periodo encontrado en el osciloscopio.

2. En base de la tabla 1.1elaboremos una tabla comparativa de los voltajes medidos y sus correspondientes valores calculados con la ecuación anterior.

Tabla 1 (hoja de datos) t [s] Vobtenido [V]0.0001 4.60.0002 6.00.0003 6.1


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0.0004 4.60.0005 2.1

Los resultados para los otros tiempos seran reflejados en la tabla 2.

t [s] Vcalc [V]0.0001 4.670.0002 6.190.0003 6.190.0004 4.670.0005 2.2

La diferencia porcentual entre el voltaje obtenido en laboratorio y el calculado con la formula.

Comparación de los voltajes obtenidos en laboratorio, los voltajes calculados con la formula y su diferencia porcentual estan reflejados en la tabla 3.

t [s] Vobtenido [V] Vcalc [V] Dif %

0.0001 4.6 4.67 1.52 %0.0002 6.0 6.19 3.16 %0.0003 6.1 6.19 1.47 %0.0004 4.6 4.67 1.54 %0.0005 2.1 2.2 4.76 %

3. Comparar la frecuencia calculada en base al periodo medido en el osciloscopio con la indicada en la pantalla del generador de funciones (calcular su diferencia porcentual).


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4. Asumiendo que la apreciación en la pantalla del osciloscopio es de 0.1 divisiones, determinar el error absoluto y porcentual, del voltaje pico a pico de la señal del punto 6 (considerar el factor de escala una constante). Determinar los mismos errores con los datos del punto 8.

La ecuación del voltaje pico a pico es:

Donde: A es la lectura de la pantalla; B es la lectura del factor de escala.

Para el pto. 6 del procedimiento

donde: ∆A=0.1; ∆B=0

Para el pto. 8 del procedimiento

5. siendo 3% el error del osciloscopio determinar el error absoluto, debido al instrumento, del voltaje pico a pico de la señal del punto 6.


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OBTENCION DE SEÑALES PREFIJADAS.

1. Dibujar el despliegue obtenido en el punto 9, mostrando la ubicación de la referencia e indicando factores de escala. Verificar que la señal obtenida tenía las caracteristicas de voltaje requeridas. Comparar la frecuencia calculada en base al periodo medido con el osciloscopio, con la indicada por el frecuenciometro del generador de funciones (calcular su diferencia porcentual).


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2. repetir el punto anterior para el punto 10 del procedimiento.


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5. CONCLUCIONES. En al experimento se aprendió a utilizar adecuadamente el generador de funciones y el

osciloscopio. Se realizo mediciones básicas del osciloscopio. Se obtuvo la señales prefijadas

6. CUESTIONARIO.

1. Si se varia el nivel de DC de una señal senoidal, ¿varia su amplitud? No, porque solo se esta sumando una constante numérica y solo varia su nivel de DC sin variar sus características

2. ¿Porque es conveniente que las magnitudes a medir ocupen el máximo espacio posible en la pantalla del osciloscopio ?Porque en la mayoría de los casos el trazo de la señal que genera el generador de funciones, en el osciloscopio, es un trazo inestable, que aparentemente se muestra con vibración de la honda, produciendo errores por paralaje, y por apreciación de la lectura. Si las magnitudes a medir se presentan en el máximo espacio posible se reducirá el error de apreciación y se eliminará el error de paralaje.

3. En general cuando funciona el modo de barrido horizontal automático del osciloscopio, no se tiene un trazo estable; entonces ¿ Cual la utilidad de este modo ?En este modo la señal que genera el generador de funciones, es interpretada y sincronizada por el osciloscopio, para luego ser acoplada y presentada en la pantalla, de esta manera la señal que se muestra en pantalla si bien no es muy estable, será la que mejor se adecué a la señal generada por el generador, esto no sucede en el modo automático la señal no es interpretada, y se asume una honda promedio, cuando en realidad puede no existir señal de disparo, o cuando está no alcanza el nivel de disparo.

4. ¿Cuál es la diferencia entre las opciones CH1 del selector SOURCE y del segundo de los botones VERTICAL MODE ?En el selector SOURCE, se determina el origen de la señal de disparo, que puede ser cualquiera de los canales, en VERTICAL MODE, se determina, la señal del canal que se trazará. Si se desea trabajar en modo de trazo de las dos señales de los dos canales, en VERTICAL MODE, se debe elegir: DUAL en el primer botón, y CH2 en el segundo botón, y es independiente de la opción de si en el selector SOURCE,, se encuentre en el Canal 1 o en el Canal 2. En general, SOURCE, solo define el origen de la señal, que inclusive puede ser una señal externa de disparo.

5. ¿Puede medirse un voltaje constante o continuo con el osciloscopio ?


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El generador de funciones genera señales o voltajes en forma de hondas (senooidales, cuadradas o triangulares), no es un voltaje constante, el osciloscopio no puede medir entonces un voltaje constante, si se desearía medir un voltaje constante dependería del generador.

7. BIBLIOGRAFIA Manuel R. Soria – Fisica Experimental. 7º edicion .2011 Alfredo Alvares, Eduardo Huayta – Medidas y Errores. Ed Catacora, 3º edicion. 2008.


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