PRÁCTICA VIRTUAL I. OSCILOSCOPIO VIRTUAL

Esta `práctica consta de dos partes:

1º Características y Funcionamiento del osciloscopio

2º Estudio de composición de señales armónicas simples:

2.1. En la misma dirección y frecuencia ligeramente diferente

2.2. En direcciones perpendiculares.

1. CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONAMIENTO DEL OSCILOSCOPIO

Objetivos.

El principal objetivo de esta práctica es aprender a utilizar el osciloscopio

analógico para visualizar y medir señales periódicas en el tiempo.

Material.

Ordenador. Navegador de Internet

Tablet o móvil. Navegador de Internet

Procedimiento experimental realizado en la sala de ordenadores o mediante Tablet

.Conéctese a los terminales de la sala de Ordenadores en Rabanales. También

puede trabajar con portátil, Tablet o móvil.

En la conexión del terminal ejecute uno de los navegadores instalados y vaya a

la dirección web: http://www.uco.es/oscivirtual/

Escoja el osciloscopio analógico (primer icono en la barra de acceso de la

izquierda) para realizar la simulación.

Pulsando el segundo icono de la barra de la izquierda, visualice el esquema de

la conexión: consta de un osciloscopio analógico y dos generadores de

funciones. Una vez entendido el esquema de conexión, cierre la ventana.

En la barra de la derecha pulsar los dos iconos superiores: Ayuda del

Programa y Tutorial del Osciloscopio, leer este último detenidamente.

1.1. Tipo de señal, Periodo, Frecuencia y Amplitud

Encienda uno de los generadores de funciones (por ejemplo, el generador de la

izquierda que está conectado al CANAL A del osciloscopio) pulsando el botón

ON/OFF:

- Seleccione el tipo de señal (triangular, cuadrada o sinusoidal) que

quiere generar. Por ejemplo, empiece estudiando la señal sinusoidal.

- Elija la frecuencia de la señal que va a generar. Para ello haga uso

de los selectores de banda de frecuencia (botones superiores) y la

rueda de ajuste fino de frecuencia situada a la izquierda. Por ejemplo,

seleccione 100 Hz ó 200 Hz ó 300 Hz... (¡OJO!: que el valor sea

superior o igual a 50 Hz ya que el osciloscopio no detecta señales de

menor frecuencia).

- Elija la amplitud de la señal que va a generar. Para ello gire el

control de amplitud. Por ejemplo, seleccione el valor de 2 V.

- Elija como desfase de la señal el valor 0.

- Elija como offset de la señal el valor 0.

Encienda ahora el osciloscopio (analógico):

- Seleccione el canal que quiere visualizar: en este caso el CANAL A

ya que es donde está conectado el generador de la izquierda.

- Escoja el modo DC o AC.

- Ajuste adecuadamente la base de tiempos (escala X): hasta

observar una imagen de la señal en la pantalla en la que sea visibles

uno o dos períodos de la misma.

- Ajuste adecuadamente la escala de amplitud (escala Y): hasta

observar una imagen de la señal lo más grande posible sin que se

salga de la cuadrícula.

Realice las siguientes medidas y comprobaciones:

1. Amplitud de la señal. Para ello puede valerse (si es necesario) de los

botones del osciloscopio que permiten desplazar hacia

derecha/izquierda y arriba/abajo la imagen en la pantalla.

Compruebe de esta forma el valor exacto de la amplitud de la señal

que está proporcionando el generador de funciones. Recordar que la

amplitud de la señal es igual al valor máximo a mínimo divido por

dos, o lo que es lo mismo desde la base de tiempos al valor máximo

de la señal.

Figura 1

Frecuencia de la señal. Para ello puede valerse (si es necesario) de los

botones del osciloscopio que permiten desplazar hacia

derecha/izquierda y arriba/abajo la imagen en la pantalla.

El valor de la frecuencia se calcula como la inversa del periodo. El

periodo es el tiempo que tarda en dar una oscilación completa

Figura 2

Compruebe de esta forma el valor exacto de la frecuencia de la señal

que está proporcionando el generador de funciones.

1.2. Selector AC-GND-DC en un osciloscopio

Teoría

El selector AC–GND–DC que tienen los osciloscopios es muy importante, pues

permite visualizar la señal que se mide según la necesidad del usuario Hay un

selector de este tipo para cada canal y tiene tres posiciones: AC – GND – DC.

La mayoría de las señales (formas de onda) a medir (visualizar) tienen tanto un

componente en “corriente continua” (CD), como un componente en “corriente

alterna” (AC). En algunas ocasiones sólo se desea ver la componente AC en

otras no.

Selector en la posición AC: Esta posición permite ver sólo la componente de

corriente alterna de la señal que se mide, eliminado la componente DC, si la

tuviera. Para lograrlo hay en serie con el terminal de entrada de cada canal del

osciloscopio un “condensador (capacitor)” de gran valor, bloqueando la

componente DC. (Acordarse que un capacitor no permite el paso de la corriente

directa). Esta posición permite ver, por ejemplo, el rizado de una “fuente de

tensión” , eliminando la componente DC que ésta tiene a la salida.

El inconveniente que existe con este tipo de medición es que cuando se hace a

bajas frecuencias, deforma la forma de onda de la señal medida, debido a la

carga y descarga del capacitor de bloqueo (el condensador de gran valor

mencionado anteriormente)

Selector en la posición GND: Esta posición desconecta las entradas del

osciloscopio. La pantalla del ORC presenta una línea horizontal que establece el

nivel de cero (0) voltios. Esta opción es útil cuando se desea establecer el nivel

de cero voltios, en la pantalla a conveniencia, con ayuda de la perilla de ajuste

vertical del trazo.

Por ejemplo en vez de tener el trazo en el centro de la pantalla (como se

acostumbra), se puede correr para arriba o para abajo según se desee.

Selector en la posición DC: En esta posición la señal que se desea medir se

presenta exactamente como es. (Una combinación de AC y DC). Hay que tener

cuidado y tomar en cuenta que la componente DC de la señal (que se elimina en

la medición AC), puede tener un valor grande y cause que la señal en la pantalla

no se pueda ver. Para resolver el problema se establece la escala de medición

vertical de forma adecuada.

Experimental

1. Observe qué ocurre si pulsa el modo GD del canal.

2. Observe qué ocurre al cambiar la frecuencia y amplitud de la

señal proporcionada por el generador: detectará que hay que

reajustar los mandos del osciloscopio (base de tiempos y

amplitud) para volver a visualizar la señal.

3. Observe qué ocurre al introducir un DC offset en la señal del

generador: en el modo AC del canal no debe ocurrir nada, en el

modo DC del canal sí deberá observar un desplazamiento vertical

de la señal. Mida dicho desplazamiento.

4. Seleccione una señal cuadrada (triangular) en el generador de

funciones: visualizará así una curva cuadrada (triangular) en el

osciloscopio.

1.3. Estudio de Desfase

Encienda el generador de funciones de la derecha conectado al

CANAL B (los dos generadores están ahora encendidos):

a. Seleccione como tipo de señal la señal sinusoidal.

b. Ajuste la frecuencia de la señal a un valor múltiplo entero (doble,

triple,...) del elegido para el generador de la izquierda.

c. Elija como amplitud de la señal un valor igual al del caso anterior.

d. Como desfase de la señal vuelva a elegir el valor 0, de momento.

e. El valor del offset de la señal el valor 0.

En el osciloscopio:

*Seleccione el CANAL B.

- Escoja el modo DC o AC.

- Ajuste el trigger con: Slop +

- Ajuste la base de tiempos para observar adecuadamente la señal en

la pantalla.

- Ajuste la escala de amplitud para observar adecuadamente la señal

en la pantalla.

- Mida la amplitud y frecuencia de esta señal en el osciloscopio.

*Seleccione el modo DUAL: veremos las señales captadas por los dos

canales de manera simultánea en la pantalla.

Ambas señales permanecerán fijas en la pantalla ya que sus frecuencias son

múltiplo la una de la otra y el disparo está sincronizado con ambas.

Determinemos el desfase entre ambas señales: Fase

- La fase se puede explicar mucho mejor si consideramos la señal

senoidal. La señal senoidal se puede extraer de la circulación de un

punto sobre un círculo de 360º. Un ciclo de la señal senoidal abarca

los 360º.

Figura 3

Cuando se comparan dos señales senoidales de la misma frecuencia

puede ocurrir que ambas no estén en fase, o sea, que no coincidan

en el tiempo los pasos por puntos equivalentes de ambas señales. En

este caso se dice que ambas señales están desfasadas, pudiéndose

medir el desfase con una simple regla de tres:

T ---------> 360º

t ----------> x

- Siendo t el tiempo de retraso entre una señal y otra.

(a) (b) (c)

Figura 4

Figura 4(a) Ahora mismo se encuentran en fase. Para que no lo

estén, introducimos a la señal generada por el generador de la

derecha por ejemplo, un desfase arbitrario (90º). La Figura (b)

muestra un desfase de 180 y la (c) 270.

Mediante el osciloscopio, haciendo uso de los botones para

mover la imagen hacia derecha/izquierda y arriba/abajo, podemos

medir el desfase entre ambas señales.

2. DETERMINANCION DE LA SUMA DE SEÑALES SENOIDALES MEDIANTE

EL OSCILOSCOPIO VIRTUAL: APLICACIÓN AL ESTUDIO DE M.A.S.; Y DE

SUPERPOSICIÓN DE M.A.S. MEDIANTE EL OSCILOSCOPIO VIRTUAL

Objetivo

Comprobar los resultados de la superposición de dos funciones

senoidales de la misma dirección con la misma frecuencia y con diferentes

frecuencias (amplitud modulada). Visualizar las figuras de Lissajaus:

observando la superposición de dos funciones senoidales de direcciones

perpendiculares.

Material:

* Osciloscopio Virtual

* Dos Generadores de Funciones Virtuales

Fundamento físico: Consulte el tema “Representación compleja

de funciones armónicas en física”

1) Suma de m.a.s. en la misma dirección y con la misma frecuencia.

Se obtiene una señal con la misma frecuencia a los sumandos y cuya

amplitud es igual a la suma de ambas.

2) Por otra parte, la superposición de dos señales con la misma dirección y

amplitud “a” y frecuencias 1 y 2 muy parecidas, de ecuaciones:

V1 = a sen (1 t) y V2 = a sen (2 t)

se rige por la siguiente ecuación del movimiento:

V = V1 + V2 = a cos ((1 + 2)/2) t

siendo A la amplitud del sistema que está modulada y cuyo valor es:

A = 2 a cos ((1 - 2)/2) t

esta amplitud modulada nos permite calcular los valores de ambas

frecuencias. (Figura 5)

Al mismo tiempo, en la curva correspondiente a la envolvente, el vientre

(máximo) corresponde a la suma de las amplitudes y el nodo (mínimo) a la

diferencia de las mismas, haciéndose cero cuando ambas amplitudes son

iguales.

Proceso Operativo

Escoja el osciloscopio analógico (primer icono en la barra de

acceso de la izquierda) para realizar la simulación.

2.1 Superposición de dos movimientos armónicos simples en la

misma dirección.

2.1.1. De la misma frecuencia

Encienda el generador de funciones de la derecha conectado al CANAL

B Seleccione como tipo de señal la señal sinusoidal.

Introduzca los siguientes valores:

Canal A: 100 Hz y 5 Voltios

Canal B: 100 Hz y a) 5 V y 7 V

En el osciloscopio:

- Ajuste la base de tiempos para observar adecuadamente la señal en

la pantalla.

- Ajuste la escala de amplitud para observar adecuadamente la señal

en la pantalla.

- Mida la amplitud y frecuencia de esta señal en el osciloscopio. (Una

por cada señal del canal B)

Seleccione el modo DUAL: veremos las señales captadas por los dos

canales de manera simultánea en la pantalla.

Ambas señales permanecerán fijas en la pantalla ya que sus

frecuencias son múltiplo la una de la otra y el disparo está sincronizado con

ambas.

Seleccione el modo suma del osciloscopio

Primero sume la señal del canal A con la primera del canal B.

¿Cómo es la señal que obtiene?. ¿Qué valor tiene la amplitud

y la frecuencia de la señal resultante?.

Repita el proceso para los otros dos valores de la señal del

canal B.

2.1.2. De similar frecuencia, pero no igual (Figura 5)

Dejar igual la frecuencia del generador 1 y varíe ligeramente la

frecuencia del canal 2 (ej: 100 y 120), pulse en el osciloscopio

el modo suma, modifique el control de escala horizontal, ¿Que

se observa en la pantalla del osciloscopio?. A la señal

obtenida se le llama de amplitud modulada.

Mida el periodo de la amplitud y calcule la frecuencia de la

misma

Mida el periodo de la señal en si y calcule la frecuencia de la

misma

A partir de los valores anteriores calcular la frecuencia de cada una de las

señales y comprobar si coinciden con los valores introducidos

inicialmente

2.2. Superposición de dos movimientos armónicos simples en dirección perpendicular

Las figuras de Lissajous son el resultado de la composición de

dos movimientos armónicos simples (MAS) según dos direcciones

perpendiculares. En la figura 6 se muestran dichas figuras que dependen de la

relación de frecuencia de las dos señales y de sus desfases iniciales.

Figura 6 Superposición de dos m.a.s. de direcciones perpendiculares. Figuras de Lissajaus