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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN ANDRES FACULTAD DE INGENIERIA
LABORATORIO DE FISICA BASICA III
INFORME No 1 INSTRUMENTACION Nombre: Poma Arguata Michael Alejandro Docente: Ing. Juan Carlos Duchen Cuellar Fecha de realización: 15 de marzo de 2018 Fecha de entrega: 18 de marzo de 2018 1
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1. OBJETIVOS Utilizar el generador de funciones y el osciloscopio digital a un nivel básico. Realizar mediciones básicas. Obtener señales prefijadas. 2. FUNDAMENTO TEÓRICO Para una mejor comprensión de la utilización de los aparatos de medida es importante realizar una descripción de estos. Dentro del estudio que efectuaremos será preciso conocer algo acerca de los instrumentos básicos de medida utilizados en el laboratorio. 2.1. CONCEPTOS BÁSICOS En esta parte de la práctica, tengo como objetivo el ampliar las definiciones dadas dentro del informe, como por ejemplo conceptos sobre electricidad, la función de algunos instrumentos, solo citados en el informe y algunas definiciones adicionales sobre el osciloscopio. Existen dos principales formas de corriente que se han introducido bastante dentro de la vida cotidiana que llevamos actualmente. Cada una de las cuales proviene de diferentes fuentes generadoras. Estas son: la corriente continua y la corriente alterna. 2.2. CORRIENTE CONTINUA La corriente continua representada en una gráfica (fig.1) es una recta constante, ya que este tipo de corriente, llamado corriente directa circula siempre en un mismo sentido del conductor, de manera que sus efectos electromagnéticos, químicos y caloríficos son constantes. Se caracteriza porque la intensidad del flujo de corriente continua viene dada por la sumatoria de todas las cargas que atraviesan una sección de un conductor por segundo. 2.2.1. CORRIENTE ALTERNA La corriente alterna gráficamente puede distinguirse como una onda sinusoidal. (fig.1). Tiene la propiedad de cambiar periódicamente de polos, es decir que un mismo polo en un mismo intervalo de tiempo puede ser positivo y el otro negativo. La intensidad una corriente alterna parte de cero, vuelve a bajar hasta cero, cambiando de signo y pasando por un máximo negativo para retornar nuevamente a la línea de partida cero. A consecuencia de la intensidad alternada que posee las características magnéticas y químicas de una corriente de esta clase van intercalándose a cada alternancia de intensidad. Sus propiedades caloríficas de la corriente alterna se mantienen constantes, aunque por este juego de intensidades alternables, la capacidad
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calorífica para obtener un rendimiento igualitario al que se obtenga con corriente continua debe necesitar de mayor intensidad.
2.3. GENERADOR DE FUNCIONES El generador de funciones empleado (Fig. 2) produce voltajes, o señales, que varían periódicamente en el tiempo. En general, una señal generada por este equipo, puede considerarse como la suma de dos componentes: La componente variable y la componente continua o nivel DC. Los diversos selectores, controles y terminales del generador de funciones se encuentran descritos en el anexo tal como se presentan en la guía de laboratorio. El generador es un instrumento que nos proporciona tensiones que varían en el tiempo. Los controles son los siguientes:
POWER: Interruptor de encendido y apagado del generador. FUNCTION. Permite elegir la forma de onda que puede ser: triangular, cuadrada y senoidal. RANGE. Selecciona el rango de frecuencia con el que se trabajará. FREQUENCY. Permite elegir una frecuencia específica de trabajo, el valor obtenido se multiplica con el rango seleccionado. AMPLITUD. Se determina para onda, nos permite obtener tensiones de 0.1, 1, 10 voltios de pico a pico. OUTPUT. Terminal de salida donde, con referencia al terminal, está disponible la señal generada. La indicación de 600 es el valor de la resistencia de salida del generador que puede considerarse como una resistencia interna conectada en serie con la salida.
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2.4. EL OSCILOSCOPIO El osciloscopio de rayos catódicos es un instrumento que nos permite obtener una gráfica del voltaje en función del tiempo, es un aparato extremadamente rápido, capaz de trazar una gráfica de ejes X - Y de una señal con respecto a otra, o bien respecto al tiempo, según se precise. El punto luminoso actúa como un pincel que se desplaza sobre la zona de representación siguiendo las variaciones de la tensión de entrada. El punto luminoso dibuja, por tanto, una curva que muestra la variación de la tensión de entrada en función del tiempo. 2.4.1. CONTROLES VERTICALES
CH1, CH2 VOLT/DIV (1,6). Selecciona el factor de deflexión vertical de la señal introducida, Volt/Div presenta 10 divisiones de 5 mV/Div a 5 V/div.
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VARIABLE (2,7). Proporciona un factor de deflexión variable. POS (3,8). Controla la posición vertical de la traza en la pantalla. POWER (15) Si se presiona, el equipo se enciende y se ilumina el indicador (16) CH1 (Y) (5), CH2(X) (10) Conectores de entrada de la señal no exceder a 400 [v]. AC-GND-DC (4), (9) Selecciona el modo de acoplamiento de la señal de entrada: AC Se bloquea la componente continua de la señal de entrada y solo se traza la componente variable. GND Se traza una línea horizontal que representa el nive l de referencia o tierra. DC La señal de entrada es acoplada directamente y se despliega en forma completa. VAR SWEEP (20) Permite variar en forma continua la velocidad del trazado en el sentido horizontal el mismo que se realiza en forma repetitiva. TIME/DIV (19) Controla en forma discreta la velocidad del barrido horizontal e indica el factor de escala horizontal. PULLx10 (21) Si se gira, controla la posición horizontal de los trazos. Si se jala los factores de escala horizontal son los indicados por TIME/DIV (19) divididos entre 10. X-Y (22) Si se presiona, habilita el modo X-Y. VERTICAL MODE (11) Cuatro botones que controlan el modo vertical, seleccionando las señales que se trazan y la manera en que esto se realiza. Para cada botón, la indicación superior corresponde al botón liberado y le indicación inferior, el botón presionado: MONO /DUAL En mono solo 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/ÀDD Si se presiona en el modo de trazo único, se traza la suma de la señales de los dos canales (ADD). En el modo de doble trazo, con ALT las señales se trazan completamente pero en forma alternada, mientras que 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 (mantenerlo al mínimo necesario). FOCUS) (14) Controla el enfoque de los trazos en la pantalla. 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 a inicio a cada barrido horizontal. EXT TRING (27) Conector de entrada para una señal de disparo externa (no exceder 200[v]) el terminal externo está conectado internamente a tierra (18). CAL (17) Terminal de salida que proporciona una señal cuadrada de 0.2 [v] pico a pico y 1 [Khz] para fines de verificación y calibración.
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SOURCE (23). Selecciona la señal de disparo que usa el osciloscopio para iniciar o disparar el barrido horizontal en forma repetitiva. Para obtener un trazado estable esta señal debe ser periódica y estar sincronizada con la señal de entrada que se desee observar. CH1 Selecciona como señala de disparo la señal del canal 1. CH2 Selecciona como señala de disparo la señal del canal 2. ALT La señal de disparo es determinada por los selectores VERTICAL MODE En este caso debe evitarse el uso de CHOP en el modo de doble trazo. EXT Permite el uso de una señal de disparo externa. COUPLING (24) Selecciona principalmente el modo de acoplamiento de la señal de disparo. 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.
2.4.2. MEDIDAS QUE REALIZA EL OSCILOSCOPIO 2.4.2.1. MEDIDAS DE FRECUENCIA En la pantalla se pueden representar ondas cuadradas, sinusoidales, triangulares, impulsos o cualquier otro tipo de señales. Si la señal de entrada tiene una frecuencia doble que la del diente de sierra aplicado a las placas horizontales, se observa dos ciclos, regulando la relación de la frecuencia de la señal de entrada y la del barrido del diente de sierra, se observará una fracción o varios ciclos de la señal de entrada. Calibrando la frecuencia del barrido horizontal puede calcularse la frecuencia de las señales de entrada al osciloscopio. 2.4.2.2. MEDIDAS DE TENSIÓN El osciloscopio puede usarse para medir tensiones pico a pico de las señales de corriente alterna, impulsos, ondas cuadradas, tensiones continuas, etc. 2.4.2.3. MEDIDAS DE VOLTAJE El voltaje entre dos niveles está dado por el número de divisiones verticales entre esos niveles, multiplicado por el factor de escala vertical. Para medir voltajes con respecto a la referencia, ésta debe ser ubicada en una línea horizontal conveniente de la pantalla, que será la línea de referencia; luego, la señal de entrada debe ser acoplada directamente y las mediciones deben realizarse respecto a dicha línea. Voltajes ubicados por encima de dicha línea, serán positivos de otra manera, serán negativos. 3. MATERIALES Y EQUIPO Generador de funciones Osciloscopio Tester digital Cables coaxiales
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4. DATOS Y OBSERVACIONES
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5. TRATAMIENTO DE DATOS Mediciones Para la señal del punto 6, del PROCEDIMIENTO, con las medidas obtenidas con el osciloscopio, comparar con y 1/T con f. (En todo este texto, cuando se pida comparar dos valores, debe calcularse la diferencia porcentual correspondiente). Datos:
= , = , = = , = , Para la comparación de la ecuación= = = (,) = , Sacando la diferencia porcentual:
|10.0810,1| = = 10,08 () = 0,00198 % Para la siguiente comparación: Tenemos:
= = , = 500,5005005
Sacando la diferencia porcentual:
500,5| ( ) = | | = |500,5005 500,5005 ( ) = 1010−%̃=0 %
Para la señal del punto 6. Del PROCEDIMIENTO, con los datos tomados con el osciloscopio y los cálculos necesarios, expresar la señal en la forma y realizar un grafico de esta función. En ese grafico, ubicar los puntos obtenidos en la tabla 1 de la hoja de datos.
= +
Primero necesitamos las variables: Para la amplitud:
Para el nivel DC:
= 2 = 10,1 2 ⟹ = 5.05
= = 2 5,05 ⟹ = 3,05 11
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Para la frecuencia de la señal:
Finalmente:
1 = 1 = 1,998∗10 − ⟹ = 500,50 = 2 = 2 ∗ 500,50 = 3144,74 [ ] = 5,05sen(3144,74) 3,05
Por ultimo:
Tiempo[µs] Voltaje[V]
0
-3,04
250
0,56
500
1,92
750
0,56
1000
-3,04
1250
-6,64
1500
-8,16
1750
-6,64
2000
-3,04
A partir de la tabla 1 de la hoja de datos, elaborar una tabla siendo el voltaje medido, el voltaje calculado con la expresión del punto anterior y la diferencia porcentual de respecto de .
Para
utilizamos la fórmula:
Para la diferencia porcentual:
= 5,05sen(3144,74) 3,05 = | |
Y reemplazando en todos los tiempos tenemos la tabla:
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Tiempo[µs]
V_med[V]
V_calc[V]
dp[%]
0
-3,04
-3,05
0,0033
250
0,56
0,52
0,0714
500
1,92
1,99
0,0365
750
0,56
0,51
0,0893
1000
-3,04
-3,06
0,0066
1250
-6,64
-6,63
0,0015
1500
-8,16
-8,09
0,0086
1750
-6,64
-6,6
0,0060
2000
-3,04
-3,02
0,0066
Obtención de señales prefijadas
Comprobar la señal obtenida en el punto 10. Del PROCEDIMIENTO, tenía las características de voltaje requeridas. Señal senoidal
= , = =
= , = µ
Para comprobar la señal obtenida debemos calcular:
= = , = 0,62
= = 34010− 0,64 = 0,28
= 2,703
Por ultimo comparamos con los valores del libro:
= 0,600
= 0,280
= 2,70
() = |−|
( ) = |−| ( ) = |−|
() = ,%
() = %
( ) = ,−
6. CUESTIONARIO 1. Si se varia el nivel DC de una señal senoidal, ¿Variara su amplitud? Explicar.
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En el caso de una señal senoidal no, dado que la variación de nivel DC solo produce un corrimiento, en el que no se ha deformado la señal por lo que la amplitud permanecerá constante. 2. En el osciloscopio ¿Cuál es la diferencia fundamental entre la señal de entrada y la señal de disparo? La señal de entrada puede ser cualquier función, como cuadrada, diente de sierra, etc. Mientras la señal de disparo es necesariamente una función diente de sierra. 3. ¿Qué se puede concluir si, variando el nivel de disparo, no hay variación notable en el trazo de una señal en el osciloscopio? Se puede concluir que la señal presente es de amplitud constante y no varía en el tiempo. 4. ¿Puede medirse un voltaje continuo o constante con el osciloscopio? Si se puede, suponga un electrón que es lanzado por el eje de las placas. Este electrón experimenta una desviación x que es proporcional a la diferencia de potencial V 1 entre las placas H, un par de placas paralelas del plano XZ (placas V) sometidas a una diferencia de potencial V 2 desviaran al has de electrones en la dirección de eje Y una distancia y que es proporcional a V 2 . Este es el principio del osciloscopio como instrumento de medida de voltajes constantes. PANTALLA
HAZ DE ELECTRONES
Y X
PLACAS V
CAÑON DE ELECTRONES PLACAS H
5. En el osciloscopio ¿Qué es la velocidad de muestreo y cuáles son sus unidades? La velocidad de muestreo es la frecuencia con que el convertidor A/D (analógico a digital) mide los niveles de una señal, las muestras son, a grandes rasgos análogas a una serie de instantáneas. Si el convertidor toma diez muestras de la señal cada segundo , tendría una velocidad de muestreo de 10 Hz. 14
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7. CONCLUSIONES De acuerdo a los resultados obtenidos, podemos decir que: Se logró utilizar adecuadamente el generador de funciones y el osciloscopio, de acuerdo a las recomendaciones del docente y el auxiliar. Se realizaron las mediciones básicas como son los voltajes pico a pico, voltajes máximos y mínimos, frecuencias y periodos, en una onda senoidal. Se obtuvo señales prefijadas, como son la senoidal y cuadrada, pudiendo evidenciar otros tipos de onda, no utilizadas en el experimento. Los resultados nos indican que, aunque algunos errores son demasiado grandes, con la práctica éstos disminuirán, y por tanto se cumplieron los objetivos de esta práctica. 8. RECOMENDACIONES La única recomendación que puedo dar en este experimento es que el manejo del osciloscopio debe ser de la mejor manera posible y aprender excelentemente ya que requiere de mucho conocimiento en cuanto al manejo y nos servirá de gran ayuda para las carreras en la cual se necesita del conocimiento de la misma. 9. BIBLIOGRAFÍA SORIA, Manuel. “Física Experimental” 7ª Edición.
ALVAREZ-HUAYTA. “Medidas y Errores” 3ª Edición.
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