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CURSO INTEGRADO 3º ANO Turmas: 3A ELT / 3B ELT APOSTILA DE MEDIDAS APOSTILA DE TELECOMUNICAÇÕES APOSTILA DE SISTEMAS DIGITAIS ALUNO: _______________________________________________ TURMA: _______ Tel. de contato em caso de perda da apostila: _______________ CEFET-RJ: Av. Maracanã, 229 – bloco B / 3º andar Rio de Janeiro - RJ 20271-110 / Brasil Telefone: 2566 3153 / 2566 3197 e-mail: coordelt@gmail.com mailto:coordelt@gmail.com Equipe de Professores 2018_1 Adriano Martins Moutinho Alberto Jorge Silva de Lima André de Souza Mendes Aridio Schiappacassa de Paiva Carlos Alberto Gouvêa Coelho Edgar Monteiro da Silva Eduardo Henrique Gregory Pacheco Dantas Igor Vital Rodrigues José Carlos Andrades José Fernandes Pereira José Mauro Kocher Marcos de Castro Pinto Mauro da Silva Alvarez Milton Simas Gonçalves Torres Paulo César Bittencourt Paulo José Monteiro da Cunha Péricles Freire dos Santos Roberto Augusto Freitas Dias Rui Márcio Carneiro Arruda Sahid Almeida Coordenador do Curso: Marcos de Castro Pinto Coordenador de Laboratório: Jose Antonio Fontes de Carvalho Ribeiro CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório CURSO INTEGRADO 3º ANO 1 CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório CURSO INTEGRADO 3º ANO 2 PREFÁCIO Bem-vindos a mais um ano de desenvolvimento e ensino tecnológico na área de eletrônica! Esta apostila é o resultado da elaboração de roteiros de práticas desenvolvidas pelos professores do curso ao longo dos últimos anos. Seu objetivo é auxiliar nas atividades práticas de laboratório do ensino de eletrônica do CTE (Curso Técnico de Eletrônica) do CEFET/RJ, complementando o ensino das aulas teóricas. O seu bom uso pelo aluno para preparação das atividades práticas, bem como para as subsequentes avaliações, consiste em: uma leitura prévia, registro dos resultados nos locais indicados (e/ou uso de um caderno), além de anotações adicionais que cada um julgar ser necessário. Isso implica um uso essencial da apostila durantes as aulas, caso deseje um bom rendimento. Contudo, não constitui o único meio de auxílio nas atividades práticas do curso nem tão pouco um trilho a ser seguido sem possiblidade de alteração de rumo. Trata- se de um orientador de atividades. Por tratar-se de um instrumento de auxílio nas práticas, a sua constante atualização é parte do processo de ensino da eletrônica e toda sugestão ou crítica é bem-vinda. Esta apostila pode ser copiada e usada livremente, resguardado seu direito autoral e a propriedade do CEFET/RJ que deve ser sempre mencionada. Aprecie sem moderação! Equipe de Eletrônica CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório CURSO INTEGRADO 3º ANO 3 Sumário APOSTILA DE MEDIDAS 6 1ª PRÁTICA e 2ª PRÁTICAS 7 Amplificadores a FET 7 3ª e 4ª PRÁTICAS 9 Amplificador Emissor-Comum Realimentado 9 5ª PRÁTICA 12 Oscilador Phase Shift 12 6ª PRÁTICA 16 Amplificador Diferencial com Transistor 16 7ª PRÁTICA 20 Comparadores com Amplificador Operacional 20 8ª PRÁTICA 23 Amplificador Operacional como Inversor, Não-Inversor e Buffer 23 9ª PRÁTICA 26 Amplificador Operacional como Somador e Subtrator (Amplificador Diferencial) 26 10ª PRÁTICA 29 Filtro Ativo Passa-Baixas 29 11ª PRÁTICA 32 Circuitos Integrador e Diferenciador com Amplificador Operacional 32 12ª PRÁTICA 37 Multivibrador Astável e Monoestável com Integrado NE555 37 13ª PRÁTICA 41 Disparador Schimitt 41 14ª PRÁTICA 48 Oscilador em Ponte de Wien 48 15ª PRÁTICA 51 Filtro Ativo Passa-Faixa 51 16ª PRÁTICA 54 Oscilador Dente de Serra com UJT 54 APOSTILA DE SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES 57 1ª PRÁTICA 58 CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório CURSO INTEGRADO 3º ANO 4 Medidas em Sinais de Telecomunicações – Osciloscópio Digital e Ponta de Prova 58 2ª PRÁTICA 72 Medidas em Sinais de Telecomunicações – Gerador de RF 72 3ª PRÁTICA 78 Medidas em sinais de telecomunicações - Revisão do uso do Osciloscópio e do Gerador de Sinais 78 4ª PRÁTICA 79 Medidas em Sinais de Telecomunicações – Analisador de Espectro 79 5ª PRÁTICA 84 Receptor Super-Heteródino – 1ª parte 84 6ª PRÁTICA 90 Receptor Super-Heteródino – 2ª parte 90 7ª PRÁTICA 95 Receptor Super-Heteródino – Revisão 95 8ª e 9ª PRÁTICAS 96 Modulação PPM e PWM com o CI 555 96 10ª e 11ª PRÁTICAS 101 Transmissor FM 101 12ª PRÁTICA 105 Osciladores LC Transistorizados COLPITS E HARTLEY 105 13ª PRÁTICA 110 Oscilador a Cristal 110 SISTEMAS DIGITAIS 112 INTRODUÇÃO 113 Primeira Parte – Introdução à Linguagem de Programação 113 1ª PRÁTICA 116 Introdução à Linguagem C 116 2ª PRÁTICA 120 Uso dos Números 120 3ª PRÁTICA 127 Controles de Fluxo e Decisão 127 Tarefas 131 4ªPRÁTICA 132 CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório CURSO INTEGRADO 3º ANO 5 Controles de Fluxo – Loop Finito 132 5ª PRÁTICA 135 Controles de Fluxo – Loop infinito 135 6ª PRÁTICA 138 Uso de Caracteres 138 7ª PRÁTICA 142 Vetores 142 8ª PRÁTICA 148 Ponteiros 148 Segunda Parte – Introdução ao ARDUINO 152 1ª PRÁTICA 152 Programação do Arduino 152 2ª PRÁTICA 157 Arduino e Blink 157 3ª PRÁTICA 160 Arduino com Botões e LEDs 160 4ª PRÁTICA 162 Arduino como Porta Serial USB 162 5ª PRÁTICA 165 Arduino com Display LCD HD44780 16X2 165 6ª PRÁTICA 168 Sensor de temperatura e umidade RHT03 ou DHT33 168 7ª PRÁTICA 171 Voltímetro – Entradas analógicas 171 8ª PRÁTICA 174 Placa Ethernet W5100 174 9ª PRÁTICA 179 Arduíno e serial Bluetooth FC-114 JY-MCU HC-06 179 CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 6 APOSTILA DE MEDIDAS CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 7 1ª PRÁTICA e 2ª PRÁTICAS Amplificadores a FET OBJETIVOS Identificar as configurações básicas dos circuitos com FET. Montar os circuitos propostos, correspondentes às configurações básicas do FET. Medir níveis de tensão em estruturas de entrada e saída. Calcular ganhos de tensão. Verificar desvios angulares entre sinais de entrada e saída. INTRODUÇÃO As configurações básicas de um Transistor a Efeito de Campo são escolhidas para implementação dos circuitos, de acordo com diferenciações de impedância (para maior eficiência nos acoplamentos) e ganhos de tensão (relação entre níveis de tensão de entrada e de saída). O FET pode ser configurado em três formas diferentes, como no quadro adiante. O terminal dreno é tipicamente um ponto de saída e o terminal gate (porta) um ponto de entrada, o que se dá na configuração Fonte Comum, a mais usual. Não existe possibilidade do gate ser o terminal de saída, bem como do dreno ser o de entrada, em nenhuma configuração. Características das configurações básicas do FET (quadro comparativo) Circuito Impedância de entrada Impedância de saída Ganho de tensão Defasagem entre os sinais de entrada e saída Fonte Comum Elevada Média Médio 180° (fase invertida) Gate Comum Baixa Média Médio 0° (em fase) Dreno Comum Elevada Baixa Unitário 0° (em fase) PROCEDIMENTO 1- Monte o circuito Fonte Comum RD = 4,7 k RG = 1 M RS = 1,2 k CIN = 0,047 µF COUT = 0,47 µF CS = 0,047 µF CEFET/RJ – CTE- Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 8 FET = BF245 ou MPF102 2 - Aplique um sinal senoidal, com 1 kHz. Ajuste-o para Vo máximo, sem distorção. 3 - Meça: Vi = ______ V Vo= ______V AV = _______ AVdB = _______dB 4 - Faça a verificação do ângulo de fase, entre os sinais de entrada e saída. = ___ 5 - Retire o capacitor de fonte (CS) e repita os itens (2), (3), (4). Vi = _____ V Vo= _____V AV = ______ AVdB = _____dB = _____ 6 - Monte o circuito Dreno Comum RG1 = 1 M RG2 = 220 k RS = 4,7 k CIN = 0,047 µF COUT = 0,047 µF FET = BF245 ou MPF102 7 - Repita os itens (2), (3), (4). Vi = _____ V Vo= _____V AV = _____ AVdB = _____dB = _____ 8 - Preencha o quadrado comparativo sobre os itens (5) e (7). Fonte Comum Dreno Comum AV AVdB CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 9 3ª e 4ª PRÁTICAS Amplificador Emissor-Comum Realimentado OBJETIVOS Medir o ganho de tensão com dois níveis de realimentação. Medir as impedâncias de entrada e saída com dois níveis de realimentação. Determinar a resposta de freqüência com dois níveis de realimentação. Comparar os resultados obtidos nos dois casos. INTRODUÇÃO Observando-se o circuito a seguir, verifica-se que Re é composto de dois resistores em série (Re1 e Re2), que sob aspecto DC constituem polarização de emissor (Re1 + Re2). Determinam, junto com Rc, o ponto de operação estático e fornecem estabilização térmica e paramétrica do circuito. Sob o ponto de vista AC, Re1 constitui uma realimentação negativa série de corrente, dando ao circuito as seguintes características: redução do ganho, acarretando aumento na banda passante e redução de distorção; sensível aumento de ZIN, o que facilita o acoplamento entre circuitos; independência do ganho do circuito em relação aos parâmetros do transistor. Esta característica é bastante importante, tendo em vista possíveis trocas de transistores (manutenção), sem que o ganho sofra mudanças significativas. CIRCUITO LISTA DE COMPONENTES Rb1 = 330 k Rc = 2,2 k C1 e C2 = 22 µF Q1 = BC548 Rb2 = 100 k Re1 e Re2 = 560 C3 = 47 µF Transistor CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 10 PROCEDIMENTOS 1) Monte o circuito e chame o professor para conferir. 2) Meça o ponto de operação e verifique se o amplificador opera na região ativa. VCE = ________ VRc = ________ VRe1 = ________ VRe2 = _________ Ic = ___________ Ie = ___________ 3) Aplique um sinal senoidal de 1 kHz, para o máximo de amplitude na saída, sem distorção. 4) Meça os sinais de entrada e de saída. Calcule o ganho de tensão. VIN = __________ V VO = __________ V AV = (Vo / Vin) = __________ AVdB = 20 log AV = __________ dB 5) Calcule a relação RC = __________ Re1 6) Compare o valor obtido de AV do item (4) com o resultado do item (5). (4) ---- AV = ________ (5) ---- RC = ________ Re1 7) Meça as impedâncias de entrada e saída. Zin = ________ Zo = _________ 8) Repita os itens 2, 3, 4 e 7 retirando o capacitor de emissor (C3). VCE = ________ VRc = ________ VRe1 = ________ VRe2 = ________ Ic = ___________ Ie = ___________ VIN = __________ V VO = __________ V AV = (Vo / Vin) = __________ AVdB = 20 log AV = __________ dB Zin = ___________ Zo = ___________ 9) Calcule a relação RC = __________ CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 11 Re1 + Re2 10) Compare o valor obtido de AV do item (8) com o resultado do item (9). (8) ----- Av = ________ (9) ----- RC = __________ Re1 + Re2 11) Determine as freqüências de corte inferior e superior e a largura da banda passante (BW), com o capacitor de emissor (C3) ligado e sem ele. Com C3 ----- fb = _________ fa = _________ BW = __________ Sem C3 ----- fb = _________ fa = _________ BW = __________ 12) Comparando os resultados obtidos nos itens (6) e (10), pode-se concluir que: CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 12 5ª PRÁTICA Oscilador Phase Shift OBJETIVOS Medir o ponto de operação do circuito, verificando se está adequado à função. Observar as formas de onda na rede de realimentação. Medir a função de transferência da rede. Medir a freqüência de oscilação. Avaliar o desempenho do circuito com a alteração do ganho de tensão. INTRODUÇÃO O circuito é constituído por um amplificador emissor-comum ao qual se acrescenta uma malha RC de realimentação (figura 1). A tensão da base aparece no coletor amplificada e com fase invertida. Parte da tensão de coletor retorna à base pela estrutura RC, a qual produz outra inversão de fase (60° em cada célula RC = 180°). Assim, a realimentação é positiva (180° + 180°= 360° ou 0°) e produz oscilação. Figura 1: Malha de defasagem. Frequência de oscilação - A tensão de base, ao ser amplificada pelo EC, sofre uma inversão de fase. Para uma única freqüência, esse deslocamento é de 180º, de maneira que o deslocamento total é nulo (ou de 360º). Em outras palavras, dizemos que a fase de é nula e que a realimentação é positiva para esta frequência, que é determinada pela expressão: Condição de módulo - Além de fase nula, o produto deve ter módulo maior que 1. Tal condição é satisfeita quando atende à relação: hfe 23 + 4k + _29_ k CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 13 CIRCUITO Figura 2 LISTA DE COMPONENTES C1, C2, C3 = 0,47 F CE = 22 F Três capacitores de 2,2 nF. R1, R2, R3 = 680 RB1 = 330 k RB2 = 100 k RC = 2,2 k RE = 1 k RS = 2,2 k Q1 = BC548 PROCEDIMENTO 1) Com S1 aberta e S2 em 1, coloque o gerador em ―A‖. 2) Varie a freqüência do gerador e meça em qual freqüência (fm) a malha RC proporciona uma defasagem de 180º no ponto ―E‖. 3) Tire o gerador do ponto A. 4) Calcule a freqüência em que o oscilador deverá oscilar. fo = __________ 5) Com S1 aberta, S2 em 1 e S3 fechada, meça o P.O.E. VCE = ___________________ IC = _____________________ VRc = ___________________ VRe = ____________________ VRb1 = ___________________ VRb2 = ___________________ CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 14 6) Ligue a estrutura de realimentação ao circuito (feche S1, coloque S2 em 2 e feche S). 7) Meça a freqüência de oscilação do circuito no ponto B (coletor). f(medida ) = ________________________ 8) Compare os valores de ―f‖ obtidos nos itens 2, 4 e 7. 2 fm = __________________________ 4 f (calc.) = ______________________ 7 f (med.) = ______________________ 9) Observe e anote as formas de onda nos pontos B, C, D e E fazendo a correspondência no tempo:(B) (C) (D) CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 15 (E) 10) Coloque capacitores de 2,2 nF em paralelo com cada um dos capacitores da malha RC. Repita os ítens 4 e 8. f (calc.) = ____________________ f (med.) = ____________________ 11) Verifique a condição de módulo. O circuito oscilará com um transistor de hfe = 49? 12) Qual deve ser o valor dos capacitores, para uma frequência de oscilação de 10 kHz? C = _____________ CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 16 6ª PRÁTICA Amplificador Diferencial com Transistor OBJETIVOS Ajustar a polarização dos estágios de modo a equilibrá-los. Calcular o ganho de tensão em modo diferencial e em "modo comum". Medir a relação de rejeição de modo comum (CMRR). Medir as impedâncias de entrada e saída. Determinar a banda passante do circuito. INTRODUÇÃO No passado, a maior parte das aplicações dos amplificadores diferenciais concentrava-se nas áreas de instrumentação eletrônica e amplificadores de radiofrequência. Atualmente, além dessas, a de maior relevância é a dos amplificadores operacionais, tendo em vista que sua célula básica é um diferencial. O uso de fonte de corrente aumentou consideravelmente a rejeição a sinais idênticos nas duas entradas (rejeição de modo comum). O amplificador diferencial ideal apresenta ganho elevado para sinais simétricos nas entradas e ganho zero para sinais iguais. EO = Ad (eI1 – eI2) Fig. 1 MATERIAL UTILIZADO Componentes Instrumentos 2 resistores de 6,8 k Fonte de alimentação simétrica 2 resistores de 100 k Gerador de sinais 2 resistores de 10 k Osciloscópio duplo-traço 1 resistor de 3,3 k Multímetro digital 1 trimpot de 470 Proto board 3 capacitores de 22 f 3 transistores BC548 CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 17 CIRCUITO T1 = T2 = T3 = BC 548 Fig. 2 PROCEDIMENTO 1) Monte o circuito da figura 2, colocando o trimpot no centro da excursão do eixo. 2) Ligue a alimentação e meça a tensão de coletor (para a massa) de T1 e T2, ajustando o trimpot até que as tensões se igualem. Verifique o equilíbrio medindo a tensão entre os coletores de T1 e T2, que deverá ser nula (zero volt). VC T1 = VC T2 = 3) Aplique um sinal senoidal à entrada 1 (Vi1) com 100 mVef, 1kHz, e meça as tensões VO1 e e VO2 (também em valor eficaz), fazendo VI2 = 0 (use um fio para a massa no lugar de VI2). VO1 = VO2 = 4) Repita o item anterior para entrada VI2, fazendo VI1 = 0. VO1 = VO2 = 5) Aplique um sinal senoidal simultaneamente a ambas as entradas (VI1 = VI2) com 100 mVef, 1kHz, e meça as tensões VO1 e e VO2 (também em valor eficaz). VO1 = VO2 = Transistor Fig. 3 CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 18 6) Cálculo do ganho em "modo diferencial" (Ad). Ad = VO / (VI1 - VI2) ou VO = Ad x (VI1 - VI2) Assumindo como saída principal a tomada de VO2, calcule: A1 = VO1 / VI1 = VO2 / 100 mV (VO2 do item 3, no qual VI2 = 0) A1 = ________ A2 = VO2 / VI2 = VO2 / 100 mV (VO2 do item 4, no qual VI1 = 0) A2 = ________ Ad = 1 / 2 ( A1 - A2 ) = ganho diferencial Ad = ________ 7) Cálculo do ganho em "modo comum" (Ac). Tendo ainda VO2 como tomada de saída principal, calcule: Ac = VO2 / (VI1 = VI2 ) = VO2 / 100mV (VO2 do item 5) Ac = ________ 8) Cálculo da "relação de rejeição de modo comum" (RRMC ou CMRR): RRMC = Ad / Ac (Ad do item 6 e Ac do item 7) RRMC = ________ Obs.: Se VO2 foi tomada como saída principal, A1 é positivo (não inverte a fase) e A2 negativo (inverte a fase). 9) Impedância de entrada. Coloque um resistor de 100 k em série com a entrada (VI1 ou VI2). Ajuste a tensão do gerador (VS) de modo que a tensão de saída volte ao valor anterior à colocação do resistor; neste caso, a tensão de entrada do circuito é a mesma VI anterior. Meça a nova tensão VS e calcule a impedância Zi1 ou Zi2, segundo as equações a seguir. Fig. 4 ZI1 = ________ ZI2 = ________ VS - VI IIN = 100 k VI ZI = IIN CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 19 10) Impedância de saída. Aplique um sinal senoidal (100 mVef, 1kHz) em VI1 ou VI2. Meça a saída VO1 ou VO2, uma de cada vez, sem carga. Em seguida, coloque um potenciômetro na saída e ajuste de modo que a tensão de saída caia à metade da tensão sem carga. A resistência do potenciômetro, medida com o multímetro, será igual a ZO (impedância de saída). Fig. 5 Fig. 6 ZO1 = ________ ZO2 = ________ 11) Banda passante. Com VI1 igual a 100mV, 1kHz, meça a saída VO2. Aumente a frequência do gerador até encontrar na saída o valor de 70,7% da tensão na faixa média (1kHz). Repita para baixa frequência. f C I = _______ f C S = _______ BW = _______ Obs.: As frequências de corte são aquelas em que o ganho cai para 70,7% da faixa média. Deve-se ter preocupação de medir a entrada sempre que houver mudança de freqüência. 12) Responda: a) Este é um bom amplificador diferencial? Justifique. b) Qual o valor da RRMC em dB? CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 20 7ª PRÁTICA Comparadores com Amplificador Operacional OBJETIVO • Analisar o comportamento do Amplificador Operacional como comparador de tensão. INTRODUÇÃO Devido a seu alto ganho, o amplificador operacional faz com que pequenas diferenças entre os sinais de entrada sejam suficientes para levar a saída a seus limites extremos (+V e -V, as tensões de alimentação). Essa característica permite a obtenção de circuitos muito sensíveis, tendo como limitação a sua frequência de operação, que depende do slew rate do amplificador operacional. MATERIAL UTILIZADO CIRCUITOS Componentes Instrumentos 2 resistores de 100 k Fonte de alimentação DC 1 resistor de 1 k Osciloscópio 1 potenciômetro de 10 k Gerador de sinais 1 diodo zener de 4,7 V Multímetro digital 1 diodo zener de 6,3 V Protoboard 1 amplificador operacional µa741 CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 21 PROCEDIMENTO 1) Monte o circuito da figura 1. 2) Alimente o circuito e ajuste o potenciômetro de forma a fazer com que a saída varie entre +15 V e -15 V. Meça os valores de VA imediatamente antes e imediatamente depois da transição entre as tensões de +15 V e -15 V. VA inferior___________ VA superior___________ 3) Monte o circuito da figura 2. 4) Alimente o circuito. Ajuste o gerador para fornecer um sinal de 1 Vp na frequência de 1 kHz e o aplique na entrada do circuito. 5) Observe as formas deonda de entrada e saída simultaneamente na tela do osciloscópio (canal 1 do osciloscópio na entrada e canal 2 na saída do circuito). Esboce-as a seguir. 6) Anote os valores das tensões de pico positivo e pico negativo da saída do circuito +VP = __________ -VP = ___________ 7) Meça os tempos de subida (rise time) e de descida (fall time) do sinal de saída. Para isso, ajuste a base de tempo de modo a ver as inclinações nas bordas de subida e descida do sinal (da ordem de microssegundos), bem como ajuste a escala vertical de modo que o sinal ocupe exatamente a tela toda, caso haja marcas de 10% e 90% nela, ou então de modo que o sinal ocupe exatamente cinco divisões. Meça, então, o tempo que o sinal leva para ir de 10% a 90% da amplitude na subida e de 90% a 10% da amplitude, na descida. Rise time = ________ Fall time = ________ 8) Calcule o slew rate (taxa de variação) do 741, dividindo a variação da tensão de saída pelo tempo de transição (V/s). Slew rate = ________ CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 22 9) Modifique a tensão de alimentação da fonte para ± 7,5 V e repita os itens 4, 5 e 6. +VP = __________ -VP = ___________ 10) Monte o circuito da figura 3. 11) Repita os itens 4, 5 e 6. +VP = __________ -VP = ___________ 12) Monte o circuito da figura 4. 13) Repita os itens 4, 5 e 6. +VP = __________ -VP = ___________ CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 23 8ª PRÁTICA Amplificador Operacional como Inversor, Não- Inversor e Buffer OBJETIVOS Medir o ganho de tensão das configurações. Medir as impedâncias de entrada e saída. Observar a influência dos resistores de realimentação no ganho de tensão. INTRODUÇÃO O Amplificador Operacional (AO ou Op Amp) é um circuito eletrônico disponibilizado na forma chip (circuito integrado monolítico), que possui as seguintes características: a) Ganho elevado; b) Impedância de entrada elevada; c) Impedância de saída baixa; d) Resposta de frequência ampla. As características de impedâncias favorecem a utilização como amplificador de tensão. A realimentação negativa é empregada para controlar as características de ganho. Pode ser implementado em três configurações básicas: a) Amplificador inversor – o sinal é aplicado na entrada inversora junto com o sinal realimentado, enquanto a entrada não inversora é conectada à massa, diretamente ou através de um resistor de balanceamento opcional (para redução do erro de off-set). Av = - Rf / Ri b) Amplificador não-inversor – o sinal é aplicado na entrada não-inversora, enquanto a entrada inversora recebe, por um divisor de tensão, parte da tensão de saída. Av = (Rf / Ri) + 1 c) Amplificador buffer – possui uma ligação direta entre os terminais da entrada inversora e da saída. Dessa forma, a realimentação é máxima e o ganho se torna unitário. MATERIAL UTILIZADO Componentes Instrumentos 1 resistor de 470 Gerador de sinais 2 resistores de 1 k Osciloscópio duplo-traço 1 resistor de 10 k Multímetro digital 1 resistor de 22 k Fonte de alimentação 1 resistor de 33 k Protoboard 1 resistor de 47 k Circuito integrado 741 CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 24 CIRCUITOS Fig. 1: Inversor Fig. 2: Não Inversor Fig. 3: Buffer DADOS TÉCNICOS O amplificador operacional 741 é fabricado por diversas empresas, com diferentes identificações, como por exemplo: µA741, pela Texas Instruments; CA741, pela Intersil e LM741, pela National Semiconductors. O 741 é um dos muitos AOs disponíveis e o mais comum. Seu encapsulamento usual é o dual in line (pinos em linha) em plástico, com oito pinos (4 + 4), como ilustrado a seguir, mas também é possível encontrar o dual in line (DIP) em cerâmica e o cilíndrico, em metal, bem como versões para montagem em superfície (SMD) e com mais de um 741 na mesma peça (com mais pinos, naturalmente). Fig. 4: Pinagem do Amplificador Operacional 741 Dual in Line, cerâmico ou plástico Fig. 5: Aspecto de um AO 741 em DIP Fig. 6: Circuito interno simplificado de um AO 741 CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 25 PROCEDIMENTO 1) Monte o circuito da fig. 1 e aplique tensão DC de alimentação simétrica de +10V e -10 V. 2) Aplique um sinal senoidal na frequência de 1 kHz ao circuito (ei) e ajuste o nível para obter na saída a máxima amplitude, sem distorção. 3) Meça os níveis de sinais de entrada e saída e determine o ganho de tensão. ei = _______ eo = _______ Av = _______ 4) Substitua o resistor de 10 k (Ri) pelos resistores indicados e novamente meça os sinais de entrada e saída e calcule o ganho de tensão. Ri = 22 k ei = _______ eo = _______ Av = _______ Ri = 33 k ei = _______ eo = _______ Av = _______ Ri = 47 k ei = _______ eo = _______ Av = _______ 5) Faça a verificação do ângulo de fase entre os sinais de entrada e saída: = -____ 6) Meça a impedância de entrada: Zin = _________ 7) Comprove a impedância próxima a zero na saída do circuito, utilizando como carga um resistor de 1 k e, depois, um de 470 . Observe se houve variação da tensão da saída no osciloscópio ao trocá-los. 8) Monte o circuito da figura 2 e repita os itens (2), (3), (4), (5) e (6). Ri = 10 k ei = _______ eo = _______ Av = _______ Ri = 22 k ei = _______ eo = _______ Av = _______ Ri = 33 k ei = _______ eo = _______ Av = _______ Ri = 47 k ei = _______ eo = _______ Av = _______ = _______ Zin = _______ 9) Monte o circuito da figura 3 e repita os itens (2) e (3). ei = _______ eo = _______ Av = _______ CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 26 9ª PRÁTICA Amplificador Operacional como Somador e Subtrator (Amplificador Diferencial) OBJETIVOS Verificar a ação de soma e subtração dos circuitos. Medir o ganho de tensão relativo a cada uma das entradas do somador, separadamente. Observar a relação de fase entre o sinal de saída e o das entradas inversora e não inversora no amplificador diferencial. INTRODUÇÃO O dispositivo Amplificador Operacional possui essa denominação devido ao fato de permitir operações aritméticas entre sinais aplicados às suas entradas. Somador No circuito somador, os sinais são aplicados na entrada inversora, cada um através de um resistor. Este circuito tem por finalidade apresentar na saída uma tensão proporcional à soma algébrica dos sinais de entrada, sendo que o ganho dado a cada sinal de entrada está associado ao resistor dessa entrada. eo = - [(R4 / R1) ei1 + (R4 / R2) ei2 + (R4 / R3) ei3] Subtrator O amplificador subtrator apresenta sinais diferentes aplicados às entradas inversora e não inversora. Este circuito tem por finalidade apresentar na saída uma tensão proporcional à diferença dos sinais aplicados nas entradas. Tal função define o circuito como amplificador diferencial ou amplificador de erro. eo = [(R3 / R1 + R3) (R2 + R4 / R2) ei2 - (R4 / R2) ei1] CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 27 MATERIAL UTILIZADO Componentes Instrumentos 2resistores de cada: 1 k, 10 k Fonte de alimentação 1 resistor de cada: 10 , 33 , 47 , 2,2 k, 4,7 k, 22 k Gerador de sinais 1 circuito integrado A741 Osciloscópio Protoboard CIRCUITOS Fig. 1: Circuito somador Fig. 2: Circuito subtrator Fig. 3: Divisor resistivo PROCEDIMENTO 1) Monte o circuito da figura 1 e aplique alimentação simétrica de +10 V e -10 V. 2) Aplique um sinal de 1 kHz em cada entrada do somador, uma de cada vez, sem que o sinal de saída distorça; meça o nível dos sinais e calcule o ganho de tensão individual, por entrada. Av1= ________ Av2= ________ Av3= ________ 3) Ligue as saídas do divisor da figura 3 às entradas do somador da figura 1 e aplique um nível de tensão eS de modo que a tensão de saída eo não sofra distorção. 4) Meça os valores de e1, e2 e e3: e1 = _____ e2 = _____ e3 = _____ 5) Calcule e meça a tensão de saída: eo = _______ 6) Monte o circuito da figura 2 e aplique alimentação simétrica de +10 V e -10 V. 7) Aplique um sinal de 1 kHz em cada entrada do subtrator, uma de cada vez, sem que o sinal de saída distorça; meça o nível dos sinais e calcule o ganho de tensão individual, por entrada. Av1=__________ Av2=__________ CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 28 8) Verifique a fase da tensão de saída relativa a cada entrada do subtrator. 1 =____________ 2 =____________ 9) Ligue as saídas do divisor da figura 3 às entradas do subtrator da figura 2 e aplique um nível de tensão eS de modo que a tensão de saída eo não sofra distorção. 10) Meça os valores de e1, e2 e eo: e1 = _____ e2 = _____ eo = _____ CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 29 10ª PRÁTICA Filtro Ativo Passa-Baixas OBJETIVOS Calcular e medir a frequência de corte do filtro ativo. Verificar o efeito do ganho na curva de resposta. INTRODUÇÃO Os filtros ativos passa-altas e passa-baixas têm como principal aplicação a chamada bi-amplificação ou sistema crossover ativo que, ao invés de utilizar filtros junto aos alto-falantes, faz a divisão de frequências no pré-amplificador e depois aplica cada faixa a um estágio de potência (saída) diferente. Sistema convencional Bi-amplificação (crossover ativo) São três as soluções conhecidas para implementar tais filtros e cada uma apresenta uma curva de resposta que leva o nome de seu autor. A solução normalmente usada é a de Butterworth por ter corte mais abrupto que a de Bessel e por não ter a ondulação (ripple) da curva de Chebyshev. O filtro ideal seria aquele que tivesse uma resposta que cortasse completamente os sinais fora da faixa de freqüências desejada, mas isso não é obtido na prática. Resposta do filtro Passa-baixas ideal Resposta dos filtros Passa-baixas reais CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 30 Os filtros RC ou RL são de 1ª ordem, isto é, possuem apenas um componente reativo (o capacitor ou o indutor) e, por isso, apresentam uma queda de ganho menos acentuada após a frequência de corte, de 20 dB por década. A vantagem do filtro ativo é que com um só amplificador operacional e duas redes RC se consegue -40 dB/década na região de atenuação, sem que a resistência de entrada do estágio seguinte afete a frequência de corte. Exemplo de passa-baixas ativo e suas curvas: O circuito é basicamente um amplificador não inversor de fase, com o ganho na região da faixa de passagem do sinal determinado por: Av = 1 + [R2 / R1] O mesmo circuito, dependendo da combinação dos resistores e dos capacitores do filtro e do ganho do amplificador básico, pode produzir diferentes curvas de resposta. Dados do Filtro de Butterworth Av = 1,59; R = R'; C = C'; corte = 1 / [R C] ou fcorte = 1 / [2 R C] EXPERIÊNCIA MATERIAL UTILIZADO COMPONENTES INSTRUMENTOS 2 resistores de cada: 5,6 k, 10 k Gerador de sinais 1 resistor de 3,3 k, Voltímetro de áudio 3 capacitores de 100 nF Fonte de alimentação Circuito integrado 741 Multímetro digital CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 31 CIRCUITO Fig. 1 - Diagrama do Filtro Ativo Passa-Baixas Fig. 2 - Pinagem do CI 741 PROCEDIMENTO 1) Monte o circuito de figura 1. 2) Alimente o circuito e aplique um sinal de 1 Vp na sua entrada. 3) Mantendo constante a amplitude do sinal aplicado, varie a frequência do gerador de modo a localizar a frequência de corte. Compare-a com o valor esperado (calculado) e esboce a curva de resposta em papel semilog. f c calc = f c med = 4) Faça o ganho do amplificador igual a 1 (Bessel), colocando um resistor de 5,6 k no lugar de 3,3 k. Compare a nova resposta com a anterior. f c calc = f c med = 5) Faça o ganho do amplificador igual a 2,7 (Chebyshev), trocando de lugar os resistores de 3,3 k e de 5,6 k. Compare a nova resposta com a anterior. f c calc = f c med = 6) Escolha novos valores para os resistores do filtro de modo a obter fcorte de 1 kHz e retornar com o ganho para 1,59 (Butterworth). Verifique com os instrumentos a fcorte e o ganho obtidos. f c med. = Av med = CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 32 11ª PRÁTICA Circuitos Integrador e Diferenciador com Amplificador Operacional 1ª Parte - CIRCUITO INTEGRADOR OBJETIVOS Ajustar o sinal de entrada dentro dos limites propostos para comportamento do circuito como integrador. Comparar a constante de tempo (RC) do circuito com o período e o semiperíodo do sinal de entrada. Representar graficamente as formas de onda de entrada e saída no domínio de tempo. Modificar a frequência do sinal de entrada e representar graficamente as eventuais modificações ocorridas na saída. INTRODUÇÃO O circuito Integrador realiza a operação matemática da integração, uma vez que ele fornece uma tensão de saída proporcional à integração da tensão de entrada. Se for usada uma onda quadrada como tensão de entrada, a forma de onda da saída será uma rampa, que é uma tensão linearmente crescente ou decrescente. A seguir faremos o desenvolvimento de uma expressão para a tensão de saída do Integrador. Conhecemos a relação entre capacitância, carga e tensão, C = Q / V, onde Q é a carga no capacitor e V a tensão sobre o capacitor. Se resolvermos a equação em função de V, teremos: V = (1 / C) x Q Como sabemos, Q é a carga total acumulada no capacitor, que é o resultado da corrente multiplicada pelo tempo de carga no capacitor. A representação matemática empregando a integração é a seguinte: Q = i dt Substituindo Q na equação de V, teremos, usando uma tensão instantânea v, a seguinte expressão para a tensão: v = 1 i dt C Analise o circuito apresentado. Supondo o ponto de intersecção entre R1 e R2 como terra virtual e a corrente i que circula por R1 igual à corrente de carga no capacitor, vem: i = vin / R1 Logo, podemos mostrar que a equação da tensão de saída, considerando o capacitor descarregado inicialmente, é: vo = - 1 i dt RC CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica– Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 33 OBS: O sinal negativo explica-se porque a tensão vin está aplicada à entrada inversora do amplificador operacional. CIRCUITO COMPONENTES Obs.: R2 >> R1 PROCEDIMENTOS 1.1 – Ajuste a tensão de entrada em 1 Vpp, usando o gerador de onda quadrada na frequência de 10 kHz. 1.2 – Compare a constante de tempo do circuito (RC) com o período e o semiperíodo da tensão de entrada. T = ________ Tvin = __________ Tvin / 2 = ________ 1.3 – Analise as formas de onda de entrada e saída, indicando as amplitudes, períodos e eventual defasagem; mantenha a devida correspondência no tempo. 1.4 – Altere a frequência da tensão de entrada para 100 kHz. Represente, no gráfico abaixo, as amplitudes, períodos e eventual defasagem. R1 = 12 k R2 = 100 k C = 0,0025 F CI = 741 CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 34 2ª Parte - CIRCUITO DIFERENCIADOR OBJETIVOS Ajustar o sinal de entrada nos limites propostos para o comportamento do circuito como diferenciador. Comparar a constante de tempo do circuito (RC) com o período e o semiperíodo do sinal de entrada. Representar graficamente as formas de onda de entrada e saída no domínio do tempo. Modificar a frequência do sinal de entrada e representar graficamente as eventuais alterações ocorridas na saída. INTRODUÇÃO Quando do estudo do Diferenciador RC foi usada uma rede de avanço de fase como a da figura abaixo. Aplicando-se à entrada um sinal retangular, como mostra a forma de onda ao lado esquerdo do circuito, a saída do circuito fornece pulsos positivos e negativos, como em Vo. Se um Diferenciador RC tiver que fornecer pulsos de curta duração, a constante de tempo (RC) deve ser pelo menos 10 vezes menor que a largura do pulso T. AMPLIFICADOR OPERACIONAL DIFERENCIADOR Quando a tensão de entrada varia, o capacitor se carrega ou descarrega. Em razão da elevada Zi do AO, a corrente do capacitor passa através do resistor de realimentação, produzindo uma tensão. Esta tensão é proporcional à inclinação da tensão de entrada. CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 35 A corrente ic depende do valor de Vin e da frequência desse sinal. Analisando o circuito da página seguinte, podemos escrever: IC = C x [dvin / dt] e iR = vout / R Logo, a tensão de saída do circuito é: vout = - R x iR Como iC = iR em razão da elevada Zi, segue-se: vout = -RC x [dvin / dt] A equação mostra que a saída do circuito é a derivada do sinal de entrada. Consequentemente, o circuito é conhecido como diferenciador. CIRCUITO COMPONENTES Obs: A resistência em série, com o capacitor impede as oscilações em alta frequência e limita o ganho de tensão de malha fechada em alta frequência . PROCEDIMENTO 2.1 – Ajuste o sinal de entrada em 1 Vpp , usando gerador de onda quadrada na frequência de 400 Hz. 2.2 – Faça uma análise comparativa entre as constantes de tempo do circuito (RC), o período de tensão de entrada (T) e o semiperíodo da tensão de entrada (T/2). TRC = _________ T = _________ T/2 = _________ 2.3 – Represente graficamente as formas de onda, em correspondência do tempo, indicando as amplitudes, períodos e defasagens. 2.4 – Altere a frequência da tensão de entrada para o dobro da frequência crítica do circuito. 2.5 – Represente graficamente as formas de onda, em correspondência do tempo, indicando as amplitudes, períodos e defasagens. R1 = 22 k R2 = 220 k C = 0,0047 F CI = 741 CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 36 Formas de onda do item 2.3 Formas de onda do item 2.5 Vi (V) Vi (V) t t Vo (V) Vo (V) t t CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 37 12ª PRÁTICA Multivibrador Astável e Monoestável com Integrado NE555 OBJETIVOS Observar as formas de onda nos circuitos. Calcular e medir o período das formas de onda. Alterar a tensão de alimentação do circuito astável e verificar a variação de sua frequência de resposta. INTRODUÇÃO O circuito integrado 555 é uma estrutura monolítica que apresenta as seguintes características: - Compatível com as famílias TTL e CMOS; - Alimentação entre 3 V e 15 V; - Nível de corrente de saída elevado (200 mA); - Resposta de tempo 1s a 1 hora. Possui, como aplicação prática, a implementação de multivibradores, que po- dem ser utilizados nas funções de sincronismo e temporização. Utilização do 555 como Multivibrador Astável O circuito astável é capaz de gerar pulsos pela interligação dos terminais denominados sensor de nível (pino 6) e disparador (pino 2) a um circuito RC que tende a se carregar com Vcc, como se vê nas figuras a seguir. A carga de C é por (RA + RB) e sua descarga se dá por RB. Figura 2: Forma de onda no capacitor Figura 1: Circuito Astável com 555 Figura 3: Forma de onda na saída CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 38 O tempo em que a forma de onda permanece no nível alto, correspondente à carga do capacitor, é chamado tH, e tempo em que a forma de onda permanece no nível baixo, correspondente à descarga do capacitor, é chamado tL. Assim, o período do sinal de saída é dado por: T = tH + tL onde: tH = 0,7 x (RA + RB) x C e tL = 0,7 x RB x C Logo, T = [0,7 x (RA + RB) x C] + [0,7 x RB x C] T = 0,7 x ( RA + 2RB) x C Consequentemente, como f = 1 / T f = 1 / [0,7 x ( RA + 2RB) x C] O capacitor no pino 5 (C1) deve ser usado em ambientes onde haja fortes interferências eletromagnéticas, evitando introduzir ruído no divisor de tensão de referencia, interno ao circuito integrado 555 e formado por três resistores de 5 k em série. Os fabricantes recomendam capacitores com valores entre 10nF e 100nF, de disco cerâmico, que apresentam baixa resistência série e baixa indutância série. Utilização do 555 como Multivibrador Monoestável O circuito Monoestável apresenta como característica a produção de um único pulso de saída, a partir de um pulso de entrada. A duração do pulso de saída depende dos componentes usados. Diferente do circuito anterior, este necessita da aplicação de pulsos de disparo para mudar de estado, porém sempre volta ao seu estado original, em que a saída permanece estável, daí sua denominação. Já o anterior não tem um estado estável, daí ser chamado de não-estável, já que o prefixo a indica negação. O período neste circuito é dado por: T = 1,1 x RC Figura 2: Circuito e formas de onda do multivibrador Monoestável. Fig. 2A: Circuito Monoestável; Fig. 2B: Forma de onda no terminal de disparo; Fig. 2C: Forma de onda no capacitor; Fig. 2D: Forma de onda na saída. CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 39 COMPONENTES Resistores: 470 , 1,8 k, 10 k (x2), 150 k, 180 k Capacitores: 1 nF, 8nF, 50 nF, 4,7 F e 47 F LED CI 555 CIRCUITOS Figura 3: Multivibrador Astável Figura 4: Multivibrador Monoestável PROCEDIMENTO 1) Monte o circuito Multivibrador Astável com o 555, seguindo o diagrama da Figura 3. 2) Observe as formas de onda no capacitor (pino 2) e na saída (pino 3), medindo o nível de tensão em cada uma, com auxílio do osciloscópio. Anote a seguir. Sinal no capacitor Sinal de saída 3) Calcule e meça o período do sinal de saída: Tcalc = _____ Tmedido = _____ CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 40 4) Meça a frequência correspondente a esse período: fmedida = _____ (para Vcc = 5V) 5) Modifique o valor de Vcc e observe as variações na frequência do sinal produzido. Vcc = 3 V fmedida = _______ Vcc = 8 V fmedida = _______ Vcc = 12 V fmedida = _______ 6) Substitua o capacitor no pino 2 por um de 4,7 F. Calcule a nova frequência de oscilação. Observe visualmente essa frequência através do piscar do LED. 7) Monte o multivibrador Monoestável com o 555, seguindo o diagrama da Figura 4. 8) Observe, a cada disparo, as formas de onda no terminal de disparo, no capacitor e na saída, medindo o nível de tensão em cada uma, com auxílio do osciloscópio. Anote. Sinal no terminal de disparo Sinal no capacitor Sinal de saída 9) Calcule e meça o período do sinal de saída: Tcalc = ______ Tmedido = ______ 10) Modifique o valor de Vcc e observe as variações no período do sinal produzido. Vcc = 3 V Tmedido = _______ Vcc = 8 V Tmedido = _______ Vcc = 12 V Tmedido = _______ CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 41 13ª PRÁTICA Disparador Schimitt OBJETIVOS Representar graficamente as formas de onda observadas no circuito, comparando-as no tempo. Medir a frequência de oscilação do circuito para cada condição proposta. Modificar o circuito proposto para que possa funcionar como um temporizador. Observar a limitação de frequência do circuito. Verificar se o circuito comporta-se como um VCO. INTRODUÇÃO O disparador Schimitt é um comparador regenerativo, isto é, uma parcela do sinal de saída obtida por um divisor de tensão realimenta positivamente o circuito ao ser aplicada à entrada não inversora. Assim, quando a saída estiver saturada positivamente, parte dessa tensão realimentará a entrada não inversora, obrigando o circuito a permanecer no mesmo estado. Da mesma forma, uma saída negativa será reforçada pela realimentação positiva. vf = ± vo . R2 ou vf = ± R2 . vo R1 + R2 R1 + R2 Podemos, então, determinar a expressão para o ganho da malha de realimentação (f): f = vf = R2 vo R1 + R2 Logo, a tensão de referência é dada por: vf = ± f . vo CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 42 Se considerarmos agora um sinal de entrada, este, ao passar por um valor igual à tensão de referência, acarretará brusca mudança da tensão de saída, de +Vsat para –Vsat ou vice-versa, conforme o caso. Logo: vi > vf (vi é positiva em relação a vf) vo = –Vsat vi > vf (vi é negativa em relação a vf) vo = +Vsat Característica de transferência A figura acima pode mais facilmente ser entendida com o seu desmembramento, conforme é mostrado a seguir: a) Variação positiva de vi: quando vi se torna maior do que vf, vo vai para –Vsat, o que obriga a tensão de referência a assumir -vf. b) Variação negativa de vi: quando vi se torna menor do que vf, vo vai para +Vsat, o que obriga a tensão de referência a assumir +vf. A diferença entre +vf e -vf é denominada histerese. Observamos que a histerese é fruto do deslocamento da tensão de referência ao acompanhar as variações da tensão de saída. Em certos casos, é conveniente um certo nível de histerese, a fim de tornar o circuito imune a ruído, evitando-se assim disparos aleatórios. CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 43 O amplificador operacional utilizado como comparador de tensão, associado ao circuito integrador, passa a ter comportamento de oscilador. Circuito Forma de onda na saída Forma de onda em C1 Em relação ao circuito: R3 é responsável por uma realimentação degenerativa (funcionamento normal do amplificador). R2 e R1 formam um divisor de tensão responsável pela amostragem (vf) e tornam o funcionamento do oscilador regenerativo. Análise da realimentação série de tensão (regenerativa): i = vo , vf = i . R2 vf = vo . R2 = vo . R2 R1 + R2 R1 + R2 R1 + R2 vf = = R2 e fo = 1 vo R1 + R2 (R3 + R5) . C1 . ln 1 - 1 + Esse oscilador deve oscilar entre 10 Hz e 10 kHz. Em frequências altas, o comportamento é limitado pelos parâmetros slew rate (taxa de variação de tensão) e hold time (tempo de atraso), que é o tempo necessário para que o operacional saia da saturação, passe pela região ativa e retorne à região de saturação. Para temporização podemos programar a largura do pulso através da carga do capacitor. CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 44 Análise do comparador de tensão Curva de transferência de um amplificador operacional em comportamento comparador. Características de transferência do Comparador de Tensão. Analisando o ganho do amplificador cuja entrada é a não inversora. 0 vo + vo vo R1 R2 Ad = Ad = onde v2 = vd v2 - v3 1 1 + R1 R2 vo vo R2 vo . R1 = . vs vo = . vs Ad R1 + R2 R1 + R2 R1. R2 1 R1 vo . R1 vo ( – ) = – vs = vs Ad R1 + R2R1 + R2 vo 1 R1 + R2 Avs = = = vs R1 R1 R1 + R2 CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 45 Configuração Astável 1 f = T Escolha de C TH = R . C . ln [ ( R1+ R2 ) / R ] TL = R . C . ln [ ( R1+ R2 ) / R ] Configuração Monoastável Circuito Básico Ex. de circuito prático Formas de onda de Vo e em C OBS: Na prática colocar o diodo em paralelo com o capacitor (use C = 1000 F). Para disparo manual, ligar o pino 3 à terra (chave indicada no esquema acima). T = R . C . ln [ ( R1 + R2) / R1 ] CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 46 CIRCUITO R1 = 100 k R2 = 10 k R3 = 220 k R4 = 10 k (potenciômetro) R5 = 100 k (potenciômetro) R6 = 68 k R7 = 10 (potenciômetro) Ci = 470 F C = .05 µF CI = 741 D1= D2= D3 = 1N4004 PROCEDIMENTO 1. Posicione o potenciômetro R4 na região média. Verifique as formas de onda nos pontos 2, 3 e 6. Faça o gráfico comparativo. (2) (3) (6) 2. Meça a frequência livre de oscilação na situação atual: f = ________ 3. Meça a frequência livre de oscilação nas situações extremas: f (pot . max.) = ________ f (pot. min.) = ________ Faixa de oscilação: de ________ a ________ Hz CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 47 4. Altere o capacitor Ci para três valores distintos e determine as respectivas frequências de oscilação. 1º) C1= f = 2º) C2= f= 3º) C3= f= 5. Modifique o circuito para comportar-se como um temporizador. Troque o valor do capacitor Ci para 0.05 F e verifique se o circuito ainda oscila. Feche a chave S e, variando o valor do potenciômetro R7, meça a frequência de oscilação. O circuito comporta-se como um VCO? f = Obs.: 1ª) Circuito Astável TH = ( R3 + R5 ) C . ln [ ( R1 + R2 ) / R1 ] TL = ( R4 + R5 ) C . ln [ ( R1 + R2 ) / R1 ] 2ª) Circuito Monoestável T = ( R4 + R5 ) Ci . ln [ ( R1 + R2 ) / R1 ] CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 48 14ª PRÁTICA Oscilador em Ponte de Wien OBJETIVOS Medir a frequência de oscilação (fos). Medir o ganho do amplificador e o ganho de malha, na frequência de oscilação. Medir a relação de fase entre saída e entrada da rede de realimentação e do amplificador, na frequência de oscilação. INTRODUÇÃO Em todo oscilador senoidal o sinal de saída retorna à entrada em fase com o sinal ali presente (defasagem de zero grau), caracterizando-se a realimentação positiva. Assim, parte do sinal de saída é aplicada à entrada de modo que reforce a ele mesmo, o que provoca crescente elevação na saída, até o amplificador atingir o nível máximo possível. A partir daí, a carga dos capacitores se estabiliza e a tensão realimentada começa a diminuir. Tal diminuição provoca uma queda na tensão de saída do amplificador e a ação de diminuir é realimentada, reduzindo, cada vez mais, a tensão de saída até atingir o valor máximo no sentido oposto. Dessa forma são gerados os semiciclos positivos e negativos. O Oscilador em Ponte de Wien é um oscilador senoidal, em que a realimentação a zero grau somente se dá em uma determinada frequência. Determinação da frequência de oscilação: Fig. 1 - Rede de realimentação. Uma inspeção na figura 1 mostra que a seção Z1 tende a causar um avanço de fase de Vf em relação a Vo, enquanto que a seção Z2 tende a causar um atraso de fase de Vf em relação a Vo. Deve então existir uma frequência (fos) na qual o avanço de fase em Z1 seja exatamente cancelado pelo atraso de fase em Z2. Devemos verificar as condições de oscilação, isto é, determinar a frequência em que a realimentação ocorre a zero grau e, ainda, a atenuação imposta pela rede de realimentação, que nos permitirá conhecer o ganho mínimo do amplificador que satisfaça a relação f x Av = 1. Chamemos: Z1 = R – j 1 e Z2 = 1 C 1 + j . C CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 49 R ou 1 = 1 + j . C Z2 R Temos que: Vf = Vo . Z2 = Vo . 1 Z1 + Z2 1 + Z1 Z2 Z1 = Z1 1 = ( R – j 1 ) x ( 1 + j C ) = Z2 Z2 C R = R + j . R C – j . 1 – (–1) C = R R C C = 2 + j . ( R C – 1 ) = 2 + j . ( R C – 1 ) R C R C Sendo: Vf = Vo 1 temos : Vf = Vo 1 1 + Z1 1 + ( 2 + j R C – 1 ) Z2 R C Vf = Vo . 1 3 + j ( R C – 1 ) R C Primeira condição de oscilação: defasagem zero (realimentação positiva). Em um número imaginário, para que a fase seja zero, basta considerar a parte imaginária igual a zero. Temos, portanto, que: j ( R C – 1 ) = 0, o que significa que: R C – 1 = 0. R C Logo: R C = 1, onde = 1 e fos = 1 RC 2RC Segunda condição de oscilação: o ganho do amplificador vezes a atenuação da rede de realimentação vale 1, na freqüência de oscilação; isto é, na fos AV . f = 1. Logo, Vf / Vo = 1/ (3 + j . 0 ) onde, f = Vf / Vo = 1/3 (ganho da rede de realimentação). Concluímos, então, que o ganho do amplificador deve ser igual a 3.CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 50 CIRCUITO O circuito a seguir faz com que o ganho seja ligeiramente menor do que 3, se a tensão sobre os diodos Zener ultrapassar 3,9 V + 0,6 V. Isto evita a saturação, produzindo um sinal senoidal sem distorção. Fig. 2 – Circuito oscilador em Ponte de Wien Fig. 3 – Características de transferência PROCEDIMENTO 1- Meça a frequência de oscilação e compare com o valor calculado. Observe a linearidade do sinal. fos calculada = fos medida = _________ 2- Passe a chave S para a posição B, à qual você deve ligar um gerador de sinais senoidais, ajustando para a mesma frequência do oscilador. 3- Determine o ganho da rede de realimentação (Vo / Vf ) e o ganho do operacional. Verifique a condição f . Av. Av = Vo = f . Av = Vf 4- Ainda com a chave em B, varie a frequência do gerador de sinal em torno do valor de oscilação do circuito e analise o efeito em f . Av e na fase. 5- Passe a chave para o ponto A e analise o efeito do circuito limitador formado pelos diodos Zener. CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 51 15ª PRÁTICA Filtro Ativo Passa-Faixa OBJETIVOS Calcular as características do filtro ativo. Medir a freqüência central. Determinar o ganho de tensão na freqüência central. Determinar as freqüências de corte do filtro. Comparar os valores calculados com os medidos. Verificar a influência, no filtro, da variação do resistor R2. INTRODUÇÃO Os filtros ativos são circuitos que apresentam a característica de seleção de freqüências, a partir da utilização de dispositivos ativos (amplificador operacional). Em circuitos de RF (radiofrequência) isto não é exatamente um problema, bastando utilizar um circuito ressonante LC. Nesta ordem de frequências, tais circuitos são exequíveis a baixo custo. Em circuitos de audiofrequência (AF), equalizadores de resposta, por exemplo, não é prática a utilização de circuitos LC, devido aos valores, principalmente dos indutores. Altos valores e tamanho, além do custo, levaram a uma solução usando-se amplificador operacional com circuito RC. a ) Cálculos dos Componentes: A partir das características, calculam-se os componentes. Dados: Ao (ganho na frequência central) fo (frequência central) BW (banda passante a -3dB) CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 52 C1 = C2 são escolhidos não muito baixos para que a capacitância da montagem não tenha muito efeito. Q o = _fo_ o = 2 . fo BW R1 =_____Q_____ R = _______1_______ Ao . o . C1 o 2 . R3 . C1 . C2 R3 = ____Q______ onde: Ceq = __C1. C2___ o . Ceq C1 + C2 R2 = __R1. R__ R1 - R Exemplo: Ao = 50 ( 34 dB ) Calculando, teremos: fo = 160 Hz Qo = 10 BW ( -3 dB ) = 16 Hz o = 1000 rad/s R1 = 2 k C1 e C2 = .1 F ( é escolhido ) R3 = 200 k R = 500 R2 = 667 b) Cálculo das características do circuito: A partir do valor dos componentes calculam-se as características. Exemplo: C1 = C2 = 10 nF R1 = 2,2 k R2 = 680 R3 = 220 k R = ____R1. R2____ R1 + R2 Qo = o . R3 . Ceq Ao = ____Qo____ o . R1 . C1 R = ________ o = ———— Qo = ———— Ao = ———— MATERIAL UTILIZADO COMPONENTES INSTRUMENTOS 1 RESISTOR DE 2,2k GERADOR DE SINAIS 1 RESISTOR DE 680 VOLTÍMETRO DE ÁUDIO 1 RESISTOR DE 220k FONTE DE ALIMENTAÇÃO 2 CAPACITORES DE 10nF MULTÍMETRO DIGITAL CIRCUITO INTEGRADO A741 PROTO BOARD CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 53 CIRCUITO R1 = 2k2 R2 = 680 R3 = 220k C1 = C2 = 10nF P = 1k Fig. 2 PROCEDIMENTO 1) Monte o circuito da figura 2 e calcule as características (S1 na posição 1). R = —————— o = —————— Qo = —————— Ao = —————— 2) Meça a frequência central da banda passante. fo = ———— 3) Meça o ganho nessa frequência. Ao = —————— Ao ( dB ) = —————— 4) Alterando a frequência acima e abaixo de fo, determine as frequências de corte. f c i = —————— f c s = —————— 5) Calcule a banda passante. f o Q = —————— BW = —————— BW 6) Compare os valores medidos com os calculados (leve em conta o erro no valor dos componentes, principalmente os capacitores). MEDIDO CALCULADO fo Ao BW 7) Coloque um trimpot de 1 k em série com R2 e a massa (colocar S1 na posição 2). 8) Observe o efeito da variação do trimpot na fo e BW. 9) Esboce o gráfico Av(dB) x f, indicando a freqüência central, as freqüências de corte e a Banda Passante (BW) no papel semilog. CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 54 16ª PRÁTICA Oscilador Dente de Serra com UJT OBJETIVOS Observar as formas de onda no circuito. Calcular e medir a frequência de oscilação do circuito. Observar a influência de Vcc na frequência de oscilação. INTRODUÇÃO O UJT é um transistor com características não-lineares adequadas à geração de pulsos de controle e formas de onda do tipo dente-de-serra, não possuindo características amplificadoras acentuadas, mas apresentando boa estabilidade quanto à variação de temperatura e é quase imune aos efeitos da radiação. Fig. 1: Construção Fig. 2: Circuito Equivalente Fig. 3: Símbolo Esse componente é construído partindo-se de uma barra de semicondutor tipo N levemente dopada (apresenta resistência de 5 k a 10 k). Próximo ao centro faz-se uma difusão de impurezas aceitadoras construindo-se, desta forma, uma região P e, consequentemente, a junção PN, conforme ilustrado na fig. 1. A partir do circuito equivalente mostrado na fig. 2, podem-se estabelecer as equações de funcionamento do UJT. Imaginemos que inicialmente IE = 0. Logo, a queda de tensão em RB1 será: Vbb . Rb1 Vb1 = (Rb1 + Rb2) Logo, o potencial de emissor será Ve = Vd + Vb1, onde Vd é o potencial entre a placa e o catodo do diodo e Vb1 pode ser expresso como Vb1 = n . Vbb, onde ―n‖ recebe o nome de Relação de Corte Intrínseca. CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO MEDIDAS 55 Vemos que para o UJT disparar é necessário que o diodo seja polarizado diretamente, o que ocorrerá ao aplicar uma tensão de emissor V mais positiva que Vds + nVbb, onde Vds é a tensão de saturação da junção (0,7 V para o Si). fig. 4: Curva característica do UJT fig. 5: Circuito oscilador A fig. 4 nos mostra que entre os pontos Iv e Vv - respectivamente corrente de vale e tensão de vale - e Ip e Vp, o transistor apresenta uma região de resistência negativa dentro da qual poderá funcionar como um oscilador. COMPONENTES R= 100 k R= 220 k R= 470 R= 47 POT= 100 k POT= 1 k C= 100 nF UJT= 2646 CIRCUITO CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório– 3º ANO MEDIDAS 56 PROCEDIMENTO Observe a forma de onda no emissor (S em 1), na base 1 e na base 2, fazendo a correspondência no tempo. Emissor Base 1 Base 2 Determine a freqüência do sinal no emissor e compare-a com o valor dado por: 1 f = 1 R3 . C . Ln ( ) 1 - n OBS.: Esta relação está precisa para valores de R1 e R2 na faixa de dezenas de ohms. f (calc) = f (med) = Variando o valor da fonte de tensão, observe sua influência em f. Substitua R3 por um potenciômetro em série com uma resistência de 1k e observe a variação da frequência de oscilação (S em 2). CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO TELECOMUNICAÇÕES 57 APOSTILA DE SISTEMAS DE TELECOMUNICAÇÕES CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO TELECOMUNICAÇÕES 58 1ª PRÁTICA Medidas em Sinais de Telecomunicações – Osciloscópio Digital e Ponta de Prova OBJETIVOS Identificar os controles do osciloscópio com suas respectivas funções. Ajustar um osciloscópio digital. Medir sinais com o osciloscópio digital. Identificar uma ponta de prova atenuada de osciloscópio. Utilizar adequadamente uma ponta de prova atenuada de osciloscópio. Descrever a atuação de um atenuador compensado. Realizar a compensação de uma ponta de prova de osciloscópio. INTRODUÇÃO TEÓRICA 1. A transmissão de sinais a distância A palavra telecomunicações tem o sentido de uma comunicação realizada à distância, na qual os vários tipos de informações que podem fazer parte do processo (textos, sons, imagens, dados de computador etc.) são convertidos em sinais elétricos ou em sinais ópticos. Quando os sinais estão em perfeita correspondência a uma outra grandeza física, assumindo uma infinidade de valores (sinais contínuos), tem-se um sinal analógico. Quando os sinais são codificados na forma de níveis discretos (tipicamente, um sinal binário), tem-se um sinal digital. A figura 1.1 mostra um sistema básico de telecomunicações: Figura 1.1 - Sistema básico de telecomunicações Interligando o elemento transmissor e o elemento receptor existe um meio. Em telecomunicações os meios são basicamente de dois tipos: meios confinados e meios não confinados. Meios confinados são as linhas físicas, tais como fios paralelos, cabos coaxiais, guias de onda ou fibras ópticas. Meio não confinado é o espaço livre, como é o caso da comunicação wireless (sem fio, em inglês), na qual uma antena transmissora irradia o sinal na forma de ondas eletromagnéticas e uma antena receptora capta essas variações de campo, convertendo-as novamente em sinais elétricos. CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO TELECOMUNICAÇÕES 59 Todo meio introduz sinais indesejáveis que mascaram o sinal de informação. Esses sinais nocivos são chamados ruídos (noise, em inglês), e devem ter intensidade mínima, comparativamente à amplitude do sinal. O fator que mede esta relação – intensidade do sinal e intensidade do ruído – é chamado relação sinal/ruído e deve, portanto, ser o maior possível. A comunicação digital é mais imune a ruídos, pois pela própria constituição discreta dos sinais, os ruídos são mais facilmente detectados e corrigidos. A comunicação óptica é mais imune a interferências eletromagnéticas e permite a transmissão de uma grande quantidade de informações em pequenas fibras. 2. Representação e medidas dos sinais em telecomunicações Para a análise de sinais em telecomunicações existem três formas de representação de particular interesse: - análise no domínio do tempo; - análise no domínio da frequência; - análise na forma fasorial. Osciloscópios são instrumentos de medidas que permitem a visualização da amplitude de um sinal (eixo das ordenadas) em função do tempo (eixo das abscissas), ou seja, a ―forma de onda‖ do sinal. Os analisadores de espectro permitem a visualização da amplitude de um sinal em função da freqüência, permitindo observar as componentes harmônicas de sinais modulados ou outros sinais complexos. Vetorscópios permitem a visualização de sinais na forma de fasores, que é uma forma de representação de sinais senoidais puros através de módulos e ângulos de defasagem. Nesta prática será enfocado o uso dos osciloscópios digitais. 3. Captação de sinais nos osciloscópios 3.1 – Sondas de osciloscópio (ponta de prova atenuada) Existem, fundamentalmente, três métodos para interligar o osciloscópio ao circuito sob análise: fios condutores simples; cabos coaxiais; pontas de prova específicas para osciloscópios (scope probes, em inglês). A conexão através de pedaços de fio quaisquer é suficiente nos casos em que o nível do sinal é alto e a impedância da fonte de sinais é baixa (como ocorre em circuitos TTL). Seu uso deve ser evitado, principalmente, pelos seguintes motivos: - A falta de blindagem faz com que o cabo atue como uma antena, favorecendo a captação de sinais espúrios, tais como transmissões de estações próximas de rádio e TV, ruídos de 60 Hz e seus harmônicos induzidos pela rede elétrica (hum, em inglês), além de outros tipos de interferências eletromagnéticas de alta freqüência. CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO TELECOMUNICAÇÕES 60 - A operação do circuito ou dispositivo sob teste (DUT – Device Under Test ou UUT – Unit Under Test, em inglês) pode ser perturbada de um modo imprevisível. Para uma conexão mecânica mais segura, adaptadores para conectores BNC (bayonet Neill- Concelman, na sigla em inglês) são aconselháveis (exemplos desse conector estão destacados na figura 1.2). - Perda de fidelidade nos sinais de baixo nível observados na tela. Figura 1.2a – Conectores BNC macho e fêmea Figura 1.2b – Adaptador de fios para conector BNC Um segundo método, bastante comum, de conexão do osciloscópio com uma fonte de sinal é através de um cabo coaxial (figura 1.3). Figura 1.3 – Cabo coaxial O condutor externo do cabo (indicado por ―blindagem metálica‖ na figura) promove uma blindagem para o condutor central, minimizando a captação de ruídos e interferências. Este cabo é usualmente encaixado num conector BNC em um extremo e no outro duas garras (geralmente uma vermelha e outra preta). Ou então conectores BNC em ambas. Existem dispositivos que adaptam conectores de tipos diversos para conectores BNC. Do anteriormente exposto, conclui-se que é muito importante o uso de pontas de prova especialmente projetadas para o trabalho específico com o osciloscópio (também chamadas de sondas). Além dos problemas supracitados (interferências de alta frequência, ruídos na frequência da rede etc.), o osciloscópio também interfere na medida realizada, como qualquer outro instrumento, devido ao efeito de carga. Tipicamente, um osciloscópio apresenta uma impedância de entrada de 1 M, que dependendo da resistência interna da fonte de sinais pode reduzir a tensão medida. O uso de pontas de provas atenuadas, com fatores de atenuação típicos de X10 ou x100, permite um incremento da impedância de entrada, além de promover a leitura de tensões mais elevadas, na faixa de centenas de volts. À medida que a tecnologia dos osciloscópios foi avançando, as ferramentas e técnicas de conexão com os dispositivos sob teste foi se sofisticando. Hoje existem CEFET/RJ – CTE - Curso Técnico de Eletrônica – Apostila de Laboratório – 3º ANO TELECOMUNICAÇÕES 61 diferentes tipos de
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