osciloscopio

U.T.N. - F.R.M.
MEDIDAS ELECTRÓNICAS I
TRABAJO PRÁCTICO No
MEDICIONES CON OSCILOSCOPIOS SIMPLES
Principio de funcionamiento
El osciloscopio, como aparato muy empleado en la medición de señales eléctricas debido a su
versatilidad posibilitando hacer mediciones precisas y a la vez visualizar la forma y
comportamiento de la señal analizada.
A pesar de las posibles diferencias existentes entre los distintos tipos de osciloscopios, todos los
osciloscopios presentan principios de funcionamiento comunes. Hay osciloscopios con distintas
opciones (Osciloscopios Recurrentes, Disparados, De Doble Canal o Múltiples, Demorados o
Intensificados, Armados, y con Memoria Analógica o Digital) pero los elementos básicos son los
mismos en todos ellos. Los de uso más generalizado son los que podríamos definir como
"osciloscopios básicos". Este tipo es el que se utilizará para la mayoría de descripciones que se van
a realizar.
En el dibujo se ve el esquema de bloques de un osciloscopio básico. Según se observa en este
dibujo, los circuitos fundamentales son los siguientes:
 Atenuador de entrada vertical
 Amplificador de vertical
 Etapa de deflexión vertical
 Amplificador de la muestra de disparo (trigger)







Selector del modo de disparo (interior o exterior)
Amplificador del impulso de disparo
Base de tiempos
Amplificador del impulso de borrado
Etapa de deflexión horizontal
Tubo de rayos catódicos
Circuito de alimentación
Medidas Electrónicas I – Ing. P. Perez
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1.1
MEDIDAS ELECTRÓNICAS I
MEDICIONES DE TENSIONES CONTINUAS
- Se conecta a masa la entrada del canal vertical. Puede hacerse de varias formas:
a) Generalmente el osciloscopio posee una llave que permite efectuar la operación,
debiéndosela colocar en la posición “GND”.
b) Muchas puntas de prueba poseen una llave que cortocircuitan la entrada al osciloscopio
(salida de la punta) dejando abierto la entrada. La posición de cortocircuito suele ser
denominada “REF”.
c) Puede ponerse a masa la entrada en forma manual, simplemente conectando el extremo
de la punta de prueba con el gancho de la misma.
- Con los controles de posición vertical y horizontal, suprimiendo el barrido horizontal y evitando
un brillo excesivo, centralizar el punto en la pantalla.
- Con los controles de foco y astigmatismo maniobrar hasta obtener un punto lo mas pequeño
posible.
- Restablecer el barrido horizontal y colocarlo en 50 o 100 Hz.
- Tomar sincronismo de línea colocando la llave de sincronismo (SOURCE) en la posición línea
(LINE).
- Colocar el atenuador vertical en la escala de Volts/div. Adecuada a la medición, con el vernier a
fondo en sentido horario (ó marca CAL).
- Elegir el nivel de referencia (Tensión cero) de acuerdo a las necesidades, colocando el trazo en la
división vertical que se desea de la cuadrícula, mediante el control de posición vertical.
- Desconectar el cortocircuito de la entrada vertical y conectar la punta de prueba al lugar de
medición, utilizando acoplamiento “DC”.
- Si la imagen no es estable, mover ligeramente el vernier de barrido horizontal (para que enganche
el sincronismo) hasta que se estabilice.
- Contar el número de divisiones verticales que deflexionó el haz sobre la cuadrícula.
- Calcular la tensión efectuando el producto del número de divisiones por la escala en Volts/div
correspondientes al atenuador vertical:
Vx = divisiones x Volts/div.
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1.2.
MEDIDAS ELECTRÓNICAS I
MEDICIONES DE TENSIONES ALTERNAS.
Proceder al enfoque y centrado del trazo al igual que en 1.1
- Si se va a medir tensiones de zumbido o señales relacionadas a la frecuencia de línea utilizar
barrido de 50Hz o sub-multiplos y sincronismo de línea. Caso contrario utilizar sincronismo interno
y barrido de frecuencia igual o mayor que la de la señal a visualizar, enganchando la imagen con el
control fino del barrido.
Si la tensión alterna no tiene componente continua puede efectuarse la medición con acoplamiento
DC a la entrada del canal vertical.
- Si la tensión alterna tiene superpuesta un nivel de continua que desea eliminarse, se empleara
acoplamiento AC, seleccionable con la llave de entrada del canal vertical. Esto intercala un
capacitor de bloqueo antes del atenuador vertical, hecho que debe tenerse en cuenta por cuanto la
suma del valor de cresta de la tensión alterna mas el nivel de la componente continua no deben
exceder la tensión nominal de trabajo del condensador.
- La tensión de cresta se calcula en forma análoga al caso de tensiones continuas, es decir, contando
el número de divisiones de reflexión vertical y multiplicándolo por la sensibilidad en Volts/Div.
que indica el atenuador vertical.
1.3
MEDICION DE CORRIENTE
- El método de medición, ya sea CA o CC, es indirecto pues en realidad mediremos la caída de
tensión en bornes de una resistencia R que se intercala en serie con el circuito de medición. La
caída de tensión en bornes es V=I.R
Haciendo que R tome valores convenientes podremos obtener lecturas bastantes cómodas y casi
directas pues sólo tendremos que corregir el valor leído en potenciales de 10.
Debe tenerse presente que conviene tomar el menor valor posible de R para reducir la variación de
la corriente en el circuito debido al aumento de la R equivalente serie. El error introducido por la
variación de la corriente circulante debida a la inclusión de distintos valores de R en el circuito es.
(1.2)
e%  I % 
I 2  I1
100[%]
I1
Donde: I1 es la corriente normal en el circuito.
I2 es la corriente que circula cuando se incluye la R de
medición en el circuito.
Del circuito equivalente de la figura se tiene:
I1 = E/Rs
(1.3)
Reemplazando (1.3) y (1.4) en (1.2):
e% 
I2 = E / (Rs + R)
(1.4)
E /( Rs  R)  E / Rs
100[%]  Rs /( R  Rs)  1100%
E / Rs
(1.5)
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e% 
R
100[%]  I %
R  Rs
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MEDIDAS ELECTRÓNICAS I
De acuerdo con la expresión (1.5), y para un supuesto circuito con Rs 1000ohm, al incluir distintas
R de medición, el error porcentual por variación de la corriente circulante será:
R = 1 ohm
R = 10 ohm
R = 100 ohm
R = 1.000 ohm
error %
error %
error %
error %
=
=
=
=
%
%
%
%
Por otra parte, la muestra en tensión (Er) que aparece en bornes de R, y que es la tensión medida
por el osciloscopio será:
Er = I*R
(1.6)
y si R<<Rs
entonces:
I aproximadamente = I1.
Teniendo en cuenta la sensibilidad máxima del canal vertical del osciloscopio (que suele estar
comprendida entre 2 a 10 mV/cm), resuelta en consecuencia un límite inferior en el valor de R,
mientras que teniendo en cuenta la expresión (1.5) resulta un límite superior en dicho valor, en
función de la exactitud que las necesidades particulares impongan en cada caso.
1.4
MEDICIONES DE POTENCIA.
- Puede medirse potencia entregada por un generador a una carga por medición de la tensión
desarrollada en bornes de dicha carga que suponemos conocida.
- Cuando se trata de una potencia de RF, deberá tenerse en cuenta no sólo la respuesta a dicha
frecuencia del canal vertical de los osciloscopios, sino también la de la punta de prueba, y el efecto
de esta al conectarse en derivación con la carga. Con instrumental y puntas corrientes pueden
efectuarse mediciones satisfactorias sobre cargas normalizadas (4, 8, 16 ohm en AF y 50 y 75 ohm
en RF) y en frecuencias de hasta 10 a 15 MHz.
Debemos distinguir si vamos a interesarnos en la potencia pico o en la potencia media eficaz
(RMS)
Sabemos que:
2
P = E.I = E /Rl
(potencia pico)
(1.7)
2
P(rms) = E rms / Rl
(Potencia media eficaz) (1.8)
La tensión eficaz es por definición:
T
Erms 
1 2
e dt
T 0
Tratándose de una señal senoidal de expresión:
e = E cos wt
Resulta el siguiente desarrollo:
T
Erms 
1
E 2 cos 2 t.dt

T0
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E 2 1  cos 2t
.dt
T 0
2
T
Erms 
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MEDIDAS ELECTRÓNICAS I
T
Erms 
Resultando:
T
E2
dt   cos 2t.dt
2T 0
0
Erms  E
(1.17)
2
Expresión que reemplazada en (1.9) dá:
Pr ms 
(E
2
Rl
)2

E2
2 Rl
(1.18)
Comparando (1.18) con (1.8) potencia pico, vemos que la potencia pico es el doble de la
media eficaz para una onda senoidal; en efecto:
Ppico
Pr ms 
2
Aplicando una señal de AF sobre una carga resistiva calcular el valor de la potencia pico y eficaz:
Ppico =
Prms =
1.5
MEDICION DE LA Vef DE UN TREN DE PULSOS
- 1.5.1 Los instrumentos comunes, medidores del valor eficaz responden al valor promedio de la
señal rectificada y están calibrados para una señal sinusoidal. En el caso de una señal compleja que
contiene diferentes armónicas, el valor indicado por esos instrumentos dependerá de la amplitud y
fase de todas las componentes.
Los instrumentos medidores de verdadero valor eficaz responden al valor de calentamiento efectivo
producido por la forma de onda. En el caso de un tren de pulsos o de una onda cuadrada, los
instrumentos medidores de verdadero valor eficaz, responden al efectivo valor de DC que produce
el mismo calentamiento que la onda en cuestión, y este valor es
independiente del número o magnitud de las armónicas que
componen la señal pulsante.
El verdadero valor eficaz esta definido como:
1
Vef 
T
Tp
A
2
dt
0
Para el caso de una onda cuadrada o de un tren de pulsos se tiene:
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Vef  A
Tp
T
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MEDIDAS ELECTRÓNICAS I
Si el tren de pulsos esta desacoplado de continua, y el pedestal es tal que el área de los pulsos por
encima del eje horizontal es igual al área que queda por V
debajo del resto del periodo, se tiene la expresión:
Tp
T - Tp
Vp
Tp
T

1
2
Vpp  Vp 2 dt 
Vef 
V
p
dt



T  0
Tp

Vpp
t
T
Si el área superior es Vp.Tp y el área inferior es (Vpp-Vp).(T-Tp) y ambas son iguales, se tiene:
Vp  Tp  Vpp  Vp   T  Tp 
Vpp  Vp   Vp  Tp T  Tp 
Donde
Reemplazando esta última expresión en la raíz cuadrada, se tiene:
Vef 

1 2
Vp 2  Tp
V
p

T
p

 Tp 

T
T  Tp

Operando se tiene,
Vef  Vp
1.5.2.
1.6
Tp
T  Tp
Conectar un generador de AF a una carga resistiva igual a la impendancia de salida
del generador, y medir con un osciloscopio el voltaje pico y el verdadero RMS de
esta señal. Verificar este valor con un voltímetro de medición de verdadero valor
eficaz. Tomar los valores de T, Tp y del ciclo de trabajo.
MEDICION DE FRECUENCIA MEDIANTE FIGURAS DE LISSAJOUS
El TRC del osciloscopio es un indicador muy útil para determinar cuando dos frecuencias son
iguales o están en una relación armónica determinada.
El método mas sencillo de utilizar un tubo de rayos catódicos para esta medición consiste en
emplear una de las dos señales para producir el barrido horizontal, y la otra para producir la
reflexión vertical.
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MEDIDAS ELECTRÓNICAS I
La condición para este metodo es que las dos señales sean senoidales puras y que la relación de
frecuencia sea un número entero a fin de poder observar una figura estática en la pantalla del
osciloscopio. Si la relación no es un número entero, la figura estará en permanente movimiento
haciendo que la medición sea difícil. Igual ocurrirá si las dos frecuencias no son constantes
haciendo que la figura se comience a mover.
La señal patrón que se usa para determinar la frecuencia de la segunda señal, puede colocarse
indistintamente en ambos canales, sólo habrá que tener encuentra la posición de ella para el
correcto calcula de la frecuencia desconocida de acuerdo a la relación de secantes o tangentes según
sea el caso.
Cuando la relación de las dos frecuencias esta expresada por un numero entero, o por una relación
de enteros, el resultado es una imagen llamada “Figuras de Lissajous”. La configuración depende
de la relación de frecuencias, y de la fase relativa de las dos ondas, y se da en la siguiente figura
para algunos casos típicos.
Cuando la relación de frecuencias es una facción, simple, la imagen es estacionaria, y la relación de
la frecuencia vertical a la horizontal es igual al número de veces que la figura es tangente a una
línea horizontal dividida por el número de veces que la figura es tangente a una línea vertical.
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MEDIDAS ELECTRÓNICAS I
Cuando la figura de Lissajous es abierta, la relación anterior puede obtenerse dividiendo el número
de intersecciones producidas entre la figura y una secante horizontal, sobre el número de
intersecciones producidas entre la figura y una secante vertical.
Las figuras de Lissajous resultan difíciles de interpretar cuando la relación de frecuencias es
grande, porque las figuras resultan complicadas. En tales casos es necesario apelar a otros recursos.
Para visualizar las figuras de Lissajous con un osciloscopio en el laboratorio, y realizar la medición
de una frecuencia desconocida utilizamos el montaje de la figura:
Para aplicar la señal del generador 1 a las placas de reflexión horizontal (PDH) del tubo de rayos
catódicos (TRC) del osciloscopio habrá de colocarse la base de tiempo (BT) en la posición X-Y (en
algunos aparatos la llave DISPLAY debe colocarse en dicha posición).
En los osciloscopios mas rudimentarios (de un solo canal) debe colocarse la llave “Barrido” (o
“SWEEP”) en la posición “EXT” y entrar por el conector de “Barrido externo” (ó “X”)
correspondiente. En general habrá que familiarizarse con la arquitectura particular del instrumento
que se posea.
- Tomando la frecuencia del generador #Y como patrón o conocida, se determinara la frecuencia
incógnita producida por el generador #X.
- Se ajusta simultáneamente los controles de atenuación del canal #1 y #2 (o del vertical y del
horizontal) a fin de ajustar la imagen al tamaño adecuado (lo mayor posible dentro de la pantalla).
- Variar la frecuencia del generador patrón hasta lograr una señal de Lissajous simple. Usar la
tangente o la secante según sea una figura cerrada o abierta respectivamente para establecer la
relación entre los puntos de tangencia o intersección con la línea horizontal a los de tangencia o de
intersección con la línea vertical.
Como hemos supuesto que la frecuencia desconocida es fv, leyendo el valor de la frecuencia
conocida fh del generador #1, se obtiene:
Fh x número de intersecciones de la Secantev = Fv x número de intersecciones de la Secanteh
Fx(desconocida) = Fh(patrón) x Nv / Nh
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MEDIDAS ELECTRÓNICAS I
1.7
MEDICION DE FRECUENCIA POR EL METODO DE BARRIDO CIRCULAR
1.7.1
Las figuras de Lissajous resultan difíciles de interpretar cuando la relación de frecuencia es
grande, porque las imágenes resultan muy complicadas.
En tales casos es necesario apelar a otros recursos. Una alternativa útil es utilizar el metodo del
Barrido Circular, en el cual una señal se desfasa respecto de si misma, y ella es aplicada al canal
horizontal, mientras que la señal original es aplicada la canal vertical. El osciloscopio se configura
como XY. La segunda señal es intercalada en entre la salida del desfasador y la entrada del canal
horizontal. Con esto, el barrido horizontal estará modulado por la segunda señal, dando origen a
una figura elipsoidal con contornos modulados por la segunda señal.
La frecuencia más baja se utiliza para producir una traza elíptica o circular con ayuda de un divisor
de fase RC. En una rama se intercala la tensión de frecuencia mas alta de modo que esta se suma a
la anterior en ambas entradas (X e Y).
En la imagen dentada resultante, la relación de frecuencias es igual al número de picos o dientes de
la imagen, dividido por el número de veces que una línea recta radial corta a la imagen.
Si las frecuencias difieren ligeramente de una relación entera o expresable por una relación simple
de enteros, la imagen parece girar tanto más velozmente cuanto mayor es la discrepancia de la
relación de frecuencias respecto de la relación armónica SIMPLE.
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1.7.2
MEDIDAS ELECTRÓNICAS I
MONTAJE PRACTICO:
En el laboratorio puede ensayarse este metodo con dos generadores de audio de buena estabilidad.
La señal de mas baja frecuencia será la utilizada para producir la traza elíptica mediante el
desfasador RC, y desempeñara el rol de frecuencia patrón, por lo cual es conveniente usar un
generador de buena estabilidad y precisión de frecuencia, siendo muy conveniente que el mismo
tenga un buen sistema de sintonía para facilitar la estabilización de la imagen.
NOTA: Deberá ensayarse distintos puntos de toma a maza o tierra en el interconexionado de
los instrumentos debido a la aparición de zumbido de 50 Hz proveniente de la red de
alimentación, el cual produce deformaciones u ondulación que producen inestabilidad de la
imagen lo cual dificulta la medición
La señal del segundo generador se usara como frecuencia desconocida la cual se determinará como:
F2(desconocida) = R x Fp (patrón)
Donde R es la relación entre los máximos y la cantidad de veces que cruza la línea radial a la
imagen.
1.8
MEDICION DE FRECUENCIA POR EL METODO DE MODULACION DEL EJE Z
1.8.1
Este metodo es una variante del anterior y como en aquel, se utiliza la frecuencia menor
para
producir el barrido circular. Al electrodo que controla la intensidad del haz se lo polariza
ligeramente más allá del corte (disminuyendo la intensidad por medio del control INTESIDAD) y
se superpone a esta tensión de polarización, la tensión de frecuencia mayor. Esto se logra
inyectando la frecuencia mayor al terminal Z (parte posterior del osciloscopio) del osciloscopio.
La imagen resultante en la pantalla consiste en un círculo o elipse de trazos luminosos.
La relación (R) de la frecuencia más alta a la más baja es igual al número de puntos luminosos. Este
metodo presenta una incertidumbre en caso de que la relación entre las frecuencias sea n veces el
número de trazos, en donde el número calculado de la relación va tener una indeterminación de n
veces.
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1.8.2
MEDIDAS ELECTRÓNICAS I
MONTAJE PRACTICO
El ensayo se hace montando el siguiente circuito, en donde el generador de menor frecuencia se
conecta al canal vertical y una muestra de él se desfasa a través de una red RC y esa señal se
conecta al barrido horizontal. La imagen generada será una figura elíptica. El generador de alta
frecuencia se conecta a la entrada del eje Z del osciloscopio.
La frecuencia desconocida se obtiene por medio de:
Fx (desconocida) = Fp (patrón) x N° de trazos intensos
1.9
MEDICIONES DE FASE
1.9.1 Al configurar el osciloscopio para visualización de las Figuras de Lissajous se que ve que
cuando la relación armónica de las dos senoides es uno, la imagen obtenida es muy sencilla; se trata
de una elipse y varia en función de la fase relativa de las dos señales entre sus limites, a saber:
desde una recta inclinada a 45 o 135  cuando la fase entre ellas es 0 ó 180, hasta un circulo
cuando la fase es 90 ó 270 (para que así sea, la amplitud de la reflexión vertical debe ser igual a la
amplitud de la reflexión horizontal).
El TRC es por tanto, un dispositivo útil para observar y Medir la fase relativa de dos ondas
senoidales, cuyo valor esta dado por la siguiente expresión:
Sen 
=+B/A
donde A y B se obtienen de acuerdo a las siguientes representaciones:
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MEDIDAS ELECTRÓNICAS I
El cuadrante correspondiente debe deducirse de acuerdo con la orientación del eje mayor de la
elipse y la dirección en que se mueve el punto luminoso.
Puede eliminarse la incertidumbre acerca del sentido de desplazamiento del punto luminoso
desplazando, la fase de una de las tensiones deflectores en sentido conocido, y observando el efecto
correspondiente sobre la figura.
Una forma de implementar el procedimiento anterior consiste en insertar una red desfasadora
ajustable (RDA) en serie con una de las placas deflectoras.
1.9.2
MONTAJE PRACTICO
Podemos verificar experimentalmente lo dicho realizando el siguiente montaje:
Antes de efectuar las lecturas de A y B, las ganancias de los canales horizontal y vertical deben ser
ecualizados. Esto se hace conectando la misma señal en ambos canales; se desconecta a la punta del
borne X y se lo conecta junto con la del borne Y, ajustando los controles de atenuación de los
canales H y V del osciloscopio hasta visualizar una recta a 45. También debe centrarse la imagen
respecto de ambos ejes coordenados.
La lectura será más exacta mientras mayor sea el tamaño de la elipse, lo que puede controlarse
mediante el ajuste del atenuador de salida del generador de AF.
Sen  = + B / A
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El ángulo se calcula como
 = arc sen B / A
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MEDIDAS ELECTRÓNICAS I
A los efectos de identificar cual de las dos tensiones esta adelantada o atrasada en fase respecto de
la otra, puede implementarse una red RC fija que desplace la fase de una de las tensiones en sentido
conocido, por ejemplo una red de adelanto RC.
La red se conecta en SERIE con una de las dos tensiones. La interpretación es directa: si la tensión
estaba adelantada, ahora ESTARA MAS AUN, y viceversa.
2.0
MEDICION DE IMPEDANCIAS CON OSCILOSCOPIO
El osciloscopio es un instrumento muy versátil para medir parámetros, siendo la medición de
impedancia uno de los parámetros que pueden medirse.
El esquema utilizado para realizar esta medición es:
Suponiendo que la sensibilidad vertical es Sv y la horizontal es Sh, y ambas están ecualizadas, la
impedancia desconocida a cierta frecuencia f producirá sobre la pantalla una figura elíptica. La
reflexión horizontal del haz responderá a la tensión desarrollada sobre la Rv, mientras que la
reflexión vertical va a responder a la tensión en bornes de la impedancia Z.
Variando el valor del Reóstato Rv, se puede hacer que la elipse se inscriba dentro de un cuadrado,
lo cual corresponde al caso que Uz = Ur. Como la impedancia Z esta en serie con el Reóstato Rv y
suponiendo que la corriente I solo circula por este circuito serie, en este caso se obtiene que Z = Rv.
En consecuencia, midiendo el valor de Rv se obtiene el modulo de la impendancia Z.
La impendancia Z tiene componentes real e imaginaria como indica la expresión 2.3, siendo el
ángulo  comprendido entre la componente real e imaginaria de esta impedancia. Si bien el ángulo
determinado por la elipse mostrada en la pantalla es generado por la impendancia Z y el Reóstato
Rv, como la corriente I es la misma que circula por el Reóstato y la componente Real de la
impedancia, se puede inferir que el ángulo calculado es el ángulo entre la componente real y la
imaginaria.
Por lo cual con el osciloscopio se puede determinar con precisión el valor de la Impendancia en
Modulo y fase.
2.1 Montaje Práctico:
Utilizando una impedancia como puede ser un Parlante, armar el circuito de prueba con un reóstato
y hacer las determinaciones según el procedimiento anterior del módulo y la fase.
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