EXPERIMENTO 10 OSCILOSCOPIO

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DO AMAZONAS
FACULDADE DE TECNOLOGIA
ENGENHARIA QUÍMICA
LABORATÓRIO DE ELETRICIDADE
TURMA 6
VERIFICAÇÃO E MEDIÇÃO DE FORMAS DE ONDA UTILIZANDO OSCILOSCÓPIO 
Manaus – AM
2017
LUCAS HEUGENIO BRITO DE OLIVEIRA 
MARIA JULIANA DE SOUZA SÁ LIMA 
RUY JARLEY BRANCHES MATOS 
VERIFICAÇÃO E MEDIÇÃO DE FORMAS DE ONDA UTILIZANDO OSCILOSCÓPIO 
Décimo relatório da disciplina Laboratório de eletricidade apresentado ao curso de Engenharia Química.
PROFESSOR: BRUNO GOMES RODRIGUES 
Manaus – AM 
2017
Sumário 
1. Introdução
Em procedimentos práticos anteriores de laboratório de circuitos elétricos foi possível utilizar o multímetro digital como instrumento base para medir tensão, corrente e resistência. Contudo, o multímetro mede apenas o valor de grandezas constantes ou o valor eficaz de grandezas periódicas, pelo que não permite acompanhar a sua evolução temporal, como faz o osciloscópio. O estudo relacionado ao funcionamento do osciloscópio é de fundamental importância para verificar e medir os sinais elétricos, este equipamento permite visualizar a evolução temporal de uma diferença de potencial ou a sua evolução relativamente a outra tensão e também diferenças de fase entre sinais periódicos essas respostas de sinais são representados em formas de onda e quase de forma instantânea são representadas graficamente no domínio temporal, os osciloscópios podem trabalhar com sinais que vão desde correntes continuas até centenas de mega-hertz. A análise da forma de onda em televisores, CD players e outros equipamentos permite avaliar com facilidade o estado do circuito e detectar problemas de componentes. Por isso o objetivo do relatório de familiarizarmos com o manuseio e ajuste dos controles de um osciloscópio, conhecer o principio físico de funcionamento de um osciloscópio e utilizá-lo para medir tensão, período e frequência e determinação das características dos sinais ondulatórios seja este Senoidal triangular ou quadrado se faz tão importante que através desses conhecimentos torna possível a aplicação de diversas tecnologias através da detecção e analise de sinais sonoros, vibrações de motor, ondas cerebrais e algumas outras formas de onda em que se possui algum sinal elétrico, seja direto ou por conversão. 
2. Desenvolvimento
2.1 Fundamentação teórica 
2.1.1 Osciloscópio
Segundo Halliday, (1996) o osciloscópio é basicamente um analisador gráfico, ele é um instrumento que permite obter os valores instantâneos de sinais elétricos rápidos numa tela plana e caracterizá-los quantitativamente, tais como a diferença de potencial (ddp) em função do tempo, ou em função de outra ddp. Sem dúvida, a aplicação mais comum de um osciloscópio é na observação de sinais alternados. Existem diversas formas de sinais alternados, muitos deles com forma bastante complexa. Os sinais senoidais ou cossenoidais, entretanto, possuem algumas características de fácil análise. Basicamente são três as características deste tipo de sinal, são elas: amplitude, frequência e fase. Assim, o osciloscópio irá fornecer uma representação visual de qualquer forma de onda aplicada aos seus terminais de entrada (canais). Um tubo de raios catódicos, semelhante a um tubo de televisão, fornece uma tela de visualização mostrando a formado sinal aplicado à face do tubo, deixando uma amostra do sinal que é aplicado aos seus canais. O osciloscópio pode ser de dois tipos: analógico e digital. Devido às nossas aulas serem somente com o osciloscópio digital, iremos falar somente sobre esse tipo de osciloscópio. 
Figura 1 -
 
Imagem frontal do osciloscópio
Fonte:
 
http://www.portaldoeletrodomestico.com.br
Para descrever um osciloscópio, primeiramente temos que falar sobre a tela desse equipamento. Observa-se que existem algumas marcas na tela que a dividem tanto na vertical como na horizontal, formando o que se chama de reticulado ou retícula. A separação entre duas linhas consecutivas do reticulado constituem o que se chama de divisão. Normalmente, o reticulado possui 10 divisões horizontais por 8 verticais de mesmo tamanho (cerca de 1 cm), o que forma uma tela mais larga que alta. Nas linhas centrais, tanto na horizontal como na vertical, cada divisão ou quadro possui algumas marcas que a dividem em 5 partes iguais. 
Figura 2 – Imagem da tela de um osciloscópio 
Fonte :
 
www.if.ufrj.br
Para explicarmos o funcionamento do osciloscópio devemos falar também sobretensão. Geralmente, quando falamos de tensão, queremos expressar a diferença de potencial elétrico, expressado em volts, entre dois pontos de um circuito. Como normalmente um dos pontos é 0 volts, então simplificamos falando da tensão no ponto A, por exemplo. As tensões podem também ser medidas de pico a pico (entre o valor máximo e o mínimo do sinal).
O osciloscópio é um dispositivo utilizado para medir tensão de forma direta. Outras medidas podem ser realizadas a partir desta por simples cálculo (por exemplo, as de intensidade de corrente ou de potência). Os cálculos para sinais de corrente alternada podem ser complicados, mas sempre o primeiro passo para medir outras grandezas será iniciar pela tensão. A amplitude, ou os valores máximo positivo e máximo negativo da tensão são definidos com a tensão de pico VP e –VP respectivamente. Assim, poderá ser medido no osciloscópio o valor de pico (Vp) e o valor de pico a pico (Vpp). Na figura abaixo é apresentado o diagrama representativo da forma de dependência da tensão (em corrente alternada) em função do tempo.
Figura 3 – Diagrama de dependência da tensão AC em função do tempo, indicando também (
Vp
) e o valor de pico a pico (
Vpp
). 
Fonte :
 
www.if.ufrj.br
Realizar a medida de tensões com um osciloscópio é fácil, feita simplesmente através da contagem do número de divisões verticais que o sinal ocupa na tela. Ajustando o sinal com o comando de posicionamento horizontal podemos utilizar as subdivisões do reticulado para realizar uma medida mais precisa, sabendo que uma subdivisão equivale geralmente a 1/5 do que representa uma divisão completa. É importante que o sinal ocupe o máximo espaço da tela para que realizemos medidas confiáveis.
De maneira semelhante à medição da tensão, outra medida que podemos fazer com o osciloscópio é o período e para isso utiliza-se a escala horizontal do aparelho. A frequência é uma medida indireta e pode ser feita calculando-se o inverso do período.Do mesmo modo que ocorria com as tensões, a medida de períodos será mais precisa se o tempo referente ao objeto de medida ocupar a maior parte da tela. Se centralizarmos o sinal utilizando o comando de posicionamento vertical poderemos utilizar as subdivisões para realizar uma medida mais precisa.
Por fim, o formato senoidal de corrente e tensão em correntes alternadas pode ser descrita matematicamente pela expressão:
Sendo, V(t) a função (tensão ou corrente) no domínio do tempo, Vp a amplitude ou valor máximo (valor de pico), ω a frequência angular em radianos por segundo, t é o tempo em segundos e Ø0 o ângulo de fase, em radianos.
2.1.2 Gerador de funções
Gerador de funções ou gerador de sinais é um aparelho eletrônico que gera voltagens variáveis como funções do tempo e é utilizado para calibrar e reparar circuitos eletrônicos. É um equipamento que fornece tensões elétricas com diversas formas de onda chamadas de sinais elétricos, com amplitudes e frequências variáveis. As ondas geradas são periódicas, de período T dado em segundos, frequência f (dada em Hz) e amplitude V0, assemelhando-se a uma onda. É por esse motivo que cada função de voltagem gerada é denominada de forma de onda. São três as principais formas de ondas geradas: quadrada, senoidal e triangular.
Figura 4 – formas de onda geradas pelo gerador de funções. 
Fonte :
 
www.if.ufrj.br
A voltagemgerada pode ter valores positivos ou negativos em relação a uma referência que é denominada de GND ou terra. A amplitude V0 da forma de onda corresponde ao valor máximo, em módulo, da voltagem gerada em relação à referência (terra). Várias são as informações que podem ser obtidas a partir da análise das formas de ondas fornecidas pelo gerador de funções, como frequência f, período T, amplitude V0 e tensão pico a pico, que é máximo valor máximo de amplitude do sinal que o gerador pode fornece. Na figura 5 mostra-se um gráfico de duas formas de onda, quadrada e senoidal, que foram geradas com uma frequência f =1kHz (1kHz = 103Hz),período T =1ms (1ms = 10-3s ), amplitude V0=1V e tensão pico a pico = 2V
Figura 5 – Formas de onda quadrada senoidal com período T = 1 
ms
 e amplitude V
0
 
= 1 V
Fonte :
 
www.if.ufrj.br
O painel do gerador de funções possui uma série de dispositivos de controle que servem para ajustar o equipamento de acordo com o trabalho que se deseja realizar. Afigura abaixo mostra um desenho esquemático do painel do gerador de funções com seus principais componentes enumerados.
Figura 6 – Painel gerador de funções
Fonte :
 
www.if.ufrj.br
(1) Botão liga-desliga: serve para ligar e desligar o aparelho;
(2) Chave de controle da amplitude de sinal: esta chave controla a amplitude em volts do sinal de voltagem gerado;
(3) Chave de controle de sinal contínuo: esta chave permite adicionar um certo valor de voltagem que não varia com o tempo. Esta voltagem constante é denominada de voltagem DC (do inglês direct current);
(4) Sinal de saída: sinal gerado pelo gerador. O sinal gerado tem frequência variando de fração de Hz até MHz (106 Hz) e amplitude variando de 0 a 10 V. Junto dessa chave há informação sobre a voltagem pico-a-pico;
(5) Sinal de sincronismo: sinal complementar gerado com amplitude fixa,usualmente menor que 5V, e a mesma frequência do sinal de saída. Em situações normais ele não é utilizado. Em alguns casos, quando a amplitude do sinal de saída é muito pequena, e não conseguimos observar o sinal no osciloscópio, temos a opção de usar o sinal de sincronismo como sinal externo para sincronizar o osciloscópio e o gerador ; 
(6) Botões seletores de função: serve para selecionar o tipo de onda a ser gerada;
(7) Seletor de faixa de frequência: permitem selecionar a faixa de frequência do sinal gerado que seja adequada ao experimento a ser realizado;
(8) Chave de ajuste da frequência: esta chave permite variar continuamente a frequência de 0,2 a 2,0 vezes o valor da faixa de frequência selecionada pelos botões do item (7); 
(9) Botão de inversão: esta chave multiplica o sinal gerado por menos um; (10) Seletor de faixa de amplitude: esta chave limita a amplitude do sinal de saída gerado a 1 V.
Sendo assim, podemos afirmar que o uso do gerador de funções está intimamente ligado ao do osciloscópio, pois este permite a visualização do sinal em sua tela, fornecendo dados importantes acerca do circuito que está sendo analisado.
2.2 Procedimento experimental 
2.2.1 Materiais utilizados
Osciloscópio 
Gerador de sinais 
Multímetro 
2.2.2 Procedimento: Osciloscópio. 
Foram realizadas medições de tensão de pico a pico e frequência no osciloscópio, calibrou-se as pontas de prova do osciloscópio e em seguida conectou no terminal de teste. Após isso a tensão esperada e alcançada foi de 3 Vpp e uma frequência de 1 kHz.
2.2.3 Procedimento: Gerador de sinais. 
Inicialmente foram realizados alguns ajustes no gerador de sinais, seguindo o manual do procedimento ajustando as seguintes ondas.
Onda senoidal com T = 2 ms, Vpp = 1 V;
Onda senoidal com f = 10 kHz, Vp = 2 V; 
Onda quadrada com f = 5 kHz, Vpp = 1,5V, DC (duty cycle) = 50%;
Onda quadrada com T = 1 us, Vpp = 3 V, DC = 75%;
Rampa com T = 10 us, Vp = 1V, simetria = 100%;
Rampa com f = 20 kHz, Vpp = 1 V, simetria = 50%; 
Após o estabelecimento dos tipos de onda e seus respectivos ajustes, foi utilizado um multímetro para verificar a tensão indicada na saída do gerador apenas do item a). Em seguida foram testadas e analisadas a forma de onda no osciloscópio para os itens de a) até f) e observou-se o que ocorre quando os parâmetros solicitados foram variados e anotou-se os dados obtidos conforme os ajustes solicitados. 
2.2.4 Dados coletados:
	ONDA SENOIDAL (itens a e b) 
	 
	Frequência 
	Período 
	Vrms
	Voltagem ( multímetro) 
	Item (a) 
	501,3 Hz
	2 ms 
	713,0 mV
	0,704 V
	Item (b) 
	10000 kHz
	100 us
	2,889 V
	 
	Onda quadrada (Itens c e d)
	 
	(-) duty 
	(+) duty 
	Vrms 
	Item (c)
	50%
	50%
	1,508 V 
	Item (d)
	50%
	50%
	3,100 V 
	Rampa ( itens e e f)
	 
	Rise time
	Fall time
	Vrms 
	Item (e) 
	7,875 us
	<500 ηs
	1,177 V
	Item (f) 
	20,40 us 
	20,2 us
	593 mV 
As representações gráficas podem ser observadas no anexo.
Definições: 
Fall time (Tempo de descida ) – é uma medida que é feita num sinal e que equivalente ao tempo que ocorre entre o instante em que o sinal tem 90% de sua amplitude máxima e apenas 10 % da mesma. 
Rise time ( Tempo de subida) – tempo que ocorre entre o instante em que o sinal tem 10% de sua amplitude máxima e 90% de sua amplitude máxima. 
RMS que do inglês é root mean square que traduzindo seria valor médio quadrático, isto é um calculo médio estatístico de um valor variável, que pode ser usado para definir também o valor eficaz. Em outras palavras podemos definir que quando um equipamento é ligado nem toda essa corrente e tensão são absorvidos, este que é absorvido é chamado de tensão ou corrente eficaz a parte destes que realmente é absorvido pelos equipamentos.
2.3 Resultados e discussões 
2.3.1 Questões: 
O valor de tensão de pico a pico informado pelo gerador de sinais é o mesmo que o medido pelo osciloscópio? Justifique. 
Tendo como base que valor de pico é o valor máximo que a grandeza considerada (tensão) atinge em um ciclo, tanto em relação a parte positiva como negativa ou seja o valor pico é o valor máximo fornecido pela fonte de tensão, no experimento, devido uma falha do equipamento era necessário fornecer ao equipamento o dobro do valor em Vpp em relação ao valor de Vp, por exemplo se quiséssemos analisar uma tensão de 2 Vp era necessário atribuir ao equipamento 4 Vpp. Tendo justificado isso, foi notado que os valores de tensão são equivalentes, porém quando são realizados ajustes nas configurações das análises os valores de tensão são afetados, e essa diferença também esta relacionada a erros associado à medição de um circuito devido a dissipação de energia nos fios condutores, erros associados aos instrumentos de medição, ou erros associados aos componentes eletrônicos na experiência. Por isso não aparece valores iguais de medição em alguns itens e apenas valores aproximados em outros, a visualização fica mais clara com o auxilio do quadro abaixo; 
	
	Vpp – gerador de sinais 
	Vpp – osciloscópio 
	Item (a) 
	1V
	0,713 V
	Item (b) 
	4V
	2,889 V
	Item (c)
	1,5V
	1,508 V 
	Item (d)
	3V
	3,100 V 
	Item (e) 
	2V
	1,177 V
	Item (f) 
	1V
	0,593 V 
O valor da tensão eficaz medido com o multímetro é similar ao indicado pelo osciloscópio? Justifique 
Sim, analisando o item a o valor medido pelo multímetro foi 0,704 V e o osciloscópio forneceu um valor de 0,713 V, o que julga-se serem valores aproximados. O multímetro nos fornece diretamente o valor quadrático médio da voltagem (Vrms), que é o valor utilizado para fins práticos, este fato foi comprovado pela medição com o multímetro da voltagem de uma onda senoidal, e observou-se que este valor era aproximado ao valor rms calculado a partir da onda gerada pelo osciloscópio. E então, como o os osciloscópios são aparelhos relativamente grandes, conclui-se que para fins práticos pode-se perfeitamente utilizar o multímetro para encontrar a Vrms de uma onda.
Comente o que é Duty Cycle e que parâmetros são variados com a sua alteração.
Para entendermoso que é duty cycle é necessário entender inicialmente o PWM, do inglês Pulse Width Modulation, é uma técnica utilizada por sistemas digitais para variação do valor médio de uma forma de onda periódica. A técnica consiste em manter a frequência de uma onda quadrada fixa e variar o tempo que o sinal fica em nível lógico alto. Esse tempo é chamado de duty cycle, ou seja, o ciclo ativo da forma de onda. No gráfico abaixo são exibidas algumas modulações PWM:
Analisando as formas de onda nota-se que a frequência da forma de onda tem o mesmo valor e varia-se o duty cycle da forma de onda. Quando o duty cycle está em 0% o valor médio da saída encontra-se em 0 V e consequentemente para um duty cycle de 100% a saída assume seu valor máximo, que no caso é 5V. Para um duty cycle de 50% a saída assumirá 50% do valor da tensão, 2,5 V e assim sucessivamente para cada variação no duty cycle. Portanto, para calcular o valor médio da tensão de saída de um sinal PWM pode-se utilizar a seguinte equação:
 
Vout = (duty cycle/100)* Vcc
Onde:
Vout - tensão de saída em V;
duty cycle - valor do ciclo ativo do PWM em %;
Vcc - tensão de alimentação em V.
Os parâmetros variados com a alteração do duty cycle são: periodo (T) e o tempo (t). 
3. Conclusão
Após a realização do experimento, foi possível entender de forma mais clara sobre o funcionamento e as funcionalidades do osciloscópio, verificando os diferentes tipos de forma de ondas, podemos concluir a importância das funções praticas do osciloscópio que pode ser utilizado para medição de voltagem em função, tanto para uma voltagem continua, gerando um gráfico representado por uma linha reta, como também para voltagem alternada, gerando ondas que podem ser quadráticas, senoidais, um fato interessante observado foi a diferença entre o osciloscópio e o multímetro que mesmo medindo a mesma tensão, período e consequentemente a frequência acabam diferindo-se, por exemplo no osciloscópio além das representações gráficas também é possível obter funções matemáticas relacionando suas informações o que torna sua analise mais complexa porém com maior riqueza de detalhes e informações, já o multímetro por ser um aparelho menor e de maior portabilidade é utilizado em analises de campo, o entendimento dessas funções é de extrema importância pois a analise correta desses parâmetros possibilita a geração de novas tecnologias além de manter o bom funcionamento de aparelhos eletrônicos utilizados em nosso dia a dia.
4. Referências
Halliday D., Resnick, R., Walker, J., “Fundamentos de Física 3”, Livros Técnicos e Científicos Editora, 4ª Edição, São Paulo, 1996. Cap.36, “Corrente alternada”, pag. 93-97
Sears, Zemansky, Yung - Física 3, Eletromagnetismo – Corrente alternada.
 Apostila utilizada em sala de aula, disponível em: http://www.fisica.uepg.br/files/Download/apostila_exp_II.pdf
P A.Tipler; Física-Eletricidade e Magnetismo, Ótica; Vol. 2; 4° Edição; Ed.LTC
Anexo 
Representações gráficas das ondas ajustadas pelo gerador de sinais. 
	
a
)
	
b)
	
c)
	
d)
	
e
)
	
f)