Apostila 14

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Universidade Sa˜o Judas Tadeu
Faculdade de Tecnologia e Cieˆncias Exatas
Cursos de Engenharia
Laborato´rio de F´ısica e Eletricidade
Oscilosco´pio I: Introduc¸a˜o
Autor: Prof. Sandro Martini
Aluno R.A. Turma
-2013-
Oscilosco´pio
1. Introduc¸a˜o
O oscilosco´pio e´ um dos mais importantes e versa´teis instrumentos eletroˆnicos usados
nos laborato´rios e na indu´stria. O oscilosco´pio nos permite visualizar em uma tela a
variac¸a˜o de um determinado sinal (tensa˜o) em func¸a˜o do tempo. Todo fenoˆmeno depen-
dente do tempo, como uma corrente ele´trica, uma oscilac¸a˜o mecaˆnica, os sinais card´ıacos
e cerebrais, que possa ser convertido em uma variac¸a˜o de tensa˜o em func¸a˜o do tempo,
podera´ ser observado em um oscilosco´pio.
Existem oscilosco´pios analo´gicos e oscilosco´pios digitais. O elemento ba´sico de um
oscilosco´pio analo´gico e´ o tubo de raios cato´dicos (TRC), cuja superf´ıcie interna de sua
tela e´ impregnada de uma substaˆncia fosforescente que emite luz quando atingida por um
feixe de ele´trons. Esse feixe move-se na tela sob a ac¸a˜o dos campos ele´tricos atuantes nas
placas de deflexa˜o horizontal e vertical, que esta˜o no interior do tubo. A figura abaixo
mostra um diagrama ba´sico de um TRC.
Tem
po
T
en
sã
o
Placas de deflexão horizontal
Placas de deflexão vertical
S
in
al
d
e
E
n
tr
ad
a
Sinal de varredura
Feixe de elétrons
Tela fosforescente
Canhão de
elétrons
Figura 1: Esquema ba´sico de um TRC.
1
Oscilosco´pio
Para medir um sinal em um oscilosco´pio, por exemplo uma tensa˜o perio´dica v(t),
esse sinal devera´ ser aplicado nas placas de deflexa˜o verticais. Ao fazer isso, o feixe de
ele´trons sofrera´ deslocamentos verticais proporcionais ao sinal v(t). Se este sinal atingisse
diretamente a tela, observar´ıamos um ponto luminoso deslocando-se para cima e para
baixo ao longo de um mesmo segmento vertical, cujo per´ıodo T e´ exatamente igual ao do
sinal aplicado. Pore´m, para observarmos na tela do oscilosco´pio o gra´fico de v(t) versus
t (tempo) e´ necessa´rio deslocar o feixe horizontalmente da esquerda para a direita, ao
mesmo tempo que ocorrem os deslocamentos verticais devido a` tensa˜o. Esse deslocamento
vertical, a varredura, e´ obtido aplicando-se nas placas de deflexa˜o horizontais uma tensa˜o
de varredura perio´dica, que cresce linearmente com o tempo e esteja sincronizado com a
frequ¨eˆncia de v(t). Apresentamos para voceˆ o princ´ıpio de funcionamento de uma forma
bem simples. Mas, se voceˆ tiver alguma du´vida ou curiosidade na˜o deixe de perguntar!
2. Descric¸a˜o dos Principais Controles do Oscilosco´pio
Figura 2: Painel Frontal do Oscilosco´pio.
2
Oscilosco´pio
CONTROLE FUNC¸A˜O
1. POWER Chave liga/desliga principal
2. INTEN Ajuste de brilho do ponto ou trac¸o na tela
3. FOCUS Focaliza o trac¸o, para uma nitidez maior da figura a ser
vizualizada
4. TRACE ROTATION Controle para ajustar a inclinac¸a˜o do trac¸o
5. CAL 2Vpp Fornece um sinal retangular com 2Vpp para calibrac¸a˜o
6. POSITION Controle de posic¸a˜o vertical do trac¸o ou figura na tela
7. AC-GND-DC Chave para selecionar o modo de conexa˜o entre o sinal de
entrada e o amplificador vertical do oscilosco´pio
8. CH1 (X) e CH2 (Y) Conectores de entrada vertical.
9. VOLTS/DIV Seletor de ganho vertical, com sensibilidades de 5mV a
5V por divisa˜o na tela
10. VARIABLE Ajuste fino da sensibilidade vertical
11. VERT MODE Seleciona o modo de operac¸a˜o do eixo vertical
12. HOLD OFF E´ utilizado quando se deseja sincronizar na tela do oscilos-
co´pio sinais formados por trens de pulsos espac¸ados no
tempo
13. EXT Entrada para um sinal de sincronismo externo
14. LEVEL Ajuste manual do n´ıvel de sincronismo
15. COUPLING Permite o ajuste adequado do acoplamento do sinal de
sincronismo
16. SOURCE Chave seletora de sincronismo
17. MODO Permite selecionar o modo como o sinal de sincronismo
sera´ utilizado
18. SLOPE Seleciona o sentido do sinal de disparo do sistema de
sincronismo
19. TIME/DIV Seletor de base de tempo, fornecendo a calibrac¸a˜o de
tempo adotada para as diviso˜es horizontais da tela
20. PULL SWP VAR Controle de varredura cont´ınuo
21. POSITION Controle de posic¸a˜o horizontal do trac¸o
22. TELA Tela reticulada com 8 diviso˜es no sentido vertical e 10
diviso˜es no sentido horizontal
3. Objetivos
Familiarizac¸a˜o com o oscilosco´pio. Verificar a atuac¸a˜o dos controles. Medir sinais de
amplitude e tempo.
3
Oscilosco´pio
4. Material Utilizado
• Oscilosco´pio.
• Gerador de a´udio.
• Cabos.
5. Procedimento Experimental
• Parte I: Obtenc¸a˜o do Trac¸o
1. Ligue o oscilosco´pio (bota˜o 1 do painel) e aguarde uns instantes para o aquecimento
do equipamento;
2. Posicione a chave seletora de varredura horizontal (bota˜o 19 do painel) em 1ms/div
(va´lido apenas para a parte I);
3. Coloque o controle de posic¸a˜o horizontal (bota˜o 21 do painel) na metade do cursor;
4. Selecione no bota˜o 17 do painel o modo de sincronismo auto;
5. Selecione CH1 na chave seletora VERT MODE (bota˜o 11 do painel);
6. Selecione CH1 na chave seletora de sincronismo SOURCE (bota˜o 16 do painel);
7. Posicione o controle de posic¸a˜o vertical (bota˜o 6 do painel) de tal forma que o trac¸o
fique no meio da tela;
8. Ajuste o brilho (bota˜o 2 do painel) e foco (bota˜o 3 do painel) colocando os cursores
no meio;
Caso na˜o tenha conseguido o sinal na tela pec¸a ajuda ao professor.
9. Varie a posic¸a˜o da chave seletora de base de tempo no sentido anti-hora´rio (bota˜o 19
do painel) e observe o que acontece com o trac¸o na tela. Depois retorne para a posic¸a˜o
em que estava.
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Oscilosco´pio
• Parte II: Amplitude e Per´ıodo de um Sinal Oscilato´rio
Vamos usar o oscilosco´pio para observar o comportamento de sinais oscilato´rios. Os
fenoˆmenos oscilato´rios sa˜o de importaˆncia fundamental na f´ısica e na engenharia. Pode-
mos encontrar exemplos de oscilac¸o˜es em sistemas mecaˆnicos, nas cordas de instrumentos
musicais e em colunas de ar de instrumentos de sopro. A corrente ele´trica alternada de
que nos servimos tambe´m e´ oscilato´ria, e oscilac¸o˜es da corrente em circuitos ele´tricos teˆm
inu´meras aplicac¸o˜es importantes.
Para comerc¸armos a estudar os fenoˆmenos oscilato´rios, empregando o oscilosco´pio,
vamos considerar o comportamento de uma tensa˜o alternada (figura 3), ou seja, uma
tensa˜o varia´vel no tempo segundo a expressa˜o:
v(t) = V cos(ωt+ ϕ)
sendo V a amplitude da seno´ide ou tensa˜o de pico em volts, ω e´ a frequeˆncia angular em
radianos por segundo (rad/s) e ϕ e´ a fase inicial da tensa˜o alternada medida em radianos.
Lembrando que a frequeˆncia angular e´ relacionada com o per´ıodo (T ) do sinal atrave´s da
relac¸a˜o:
ω =
2pi
T
e a relac¸a˜o entre a frequeˆncia do sinal e o seu per´ıodo e´ dada por:
f =
1
T
sendo que o per´ıodo e´ dado em segundos (s) e a frequeˆncia em Hertz (Hz).
Período (T)
V
a
l
o
r
 
d
e
 
P
i
c
o
 
a
 
P
i
c
o
 
(
V
p
p
)
 
 
V
a
l
o
r
 
d
e
 
P
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c
o
 
(
V
p
)
R
e
f
e
r
ê
n
c
i
a
 
0
 
V
o
l
t
s
Figura 3: Representac¸o˜es da amplitude e per´ıodo.
5
Oscilosco´pio
• Medic¸a˜o da Amplitude
Para gerar os sinais oscilato´rios no´s utilizaremos um aparelho chamado de gerador
de a´udio. No´s ja´ o deixamos conectado com oscilosco´pio. A parte frontal do aparelho e´
simples e rapidamente voceˆ entendera´ como manusea´-lo. Mas, se voceˆ estiver com dificul-
dade na˜o hesite em consultar o seu professor. A forma de realizac¸a˜o da medic¸a˜o e´ fa´cil:
o valor de pico, ou seja, a amplitude, e´ determindo atrave´s doproduto entre o nu´mero de
diviso˜es (contados a partir da refereˆncia) pelo valor do seletor de ganho vertical (bota˜o 9
do oscilosco´pio). Por exemplo, admita que na figura abaixo, o seletor de ganho estivesse
selecionado em 0,2 V/DIV. Note que o valor ma´ximo do sinal esta´ a treˆs diviso˜es do valor
de refereˆncia, portanto, o valor de pico sera´:
Vp = (nu´mero de diviso˜es) ×(valor do seletor de ganho vertical) = 3 ×0,2 = 0,6V
 
 
3
 
d
i
v
i
s
õ
e
s
R
e
f
e
r
ê
n
c
i
a
 
0
 
V
o
l
t
s
Figura 4: Determinac¸a˜o da amplitude.
1. O trac¸o ja´ deve estar na tela do seu oscilosco´pio. Caso tenha acontecido algo de errado
refac¸a o procedimento da primeira parte;
2. Vamos acertar a posic¸a˜o de refereˆncia na tela. Para isso coloque a chave AC-GND-
DC (bota˜o 7 do oscilosco´pio) na posic¸a˜o GND;
3. Coloque o trac¸o no meio da tela. Fac¸a isso usando o cursor POSITION (bota˜o 6 do
oscilosco´pio);
4. Coloque a chave AC-GND-DC (bota˜o 7 do oscilosco´pio) na posic¸a˜o AC;
6
Oscilosco´pio
5. Ligue o gerador de a´udio e coloque uma frequencia de 10 kHz. Ajuste tambe´m o con-
trole de posic¸a˜o horizontal de forma conveniente afim de que seja poss´ıvel a observac¸a˜o
de um ciclo do sinal;
6. Coloque o atenuador do gerador em 0 dB e o controle de amplitude em 40%;
7. No quadriculado abaixo (representando a tela do oscilosco´pio) reproduza a forma de
onda que voceˆ esta´ observando e anote a posic¸a˜o da chave de ganho vertical (GV) (bota˜o
9 do oscilosco´pio), o nu´mero de diviso˜es da tela (ND) e a tensa˜o de pico (Vp);
GV = ............. ND = ............. Vp = .............
8. Coloque o controle de amplitude no gerador de a´udio em 60% e repita o mesmo
procedimento do item anterior;
GV = ............. ND = ............. Vp = .............
7
Oscilosco´pio
9. Coloque o controle de amplitude no gerador de a´udio em 80% e repita o mesmo
procedimento do item 7.
GV = ............. ND = ............. Vp = .............
• Medic¸a˜o do per´ıodo e da frequeˆncia
O me´todo utilizado para determinar o per´ıodo e´ muito semelhante ao executado para
a medic¸a˜o da amplitude, pore´m, cotaremos as diviso˜es relativas ao tempo (eixo x) a
ser lido no sinal e multiplicaremos esse valor pela sensilibidade do seletor de varredura
horizontal do oscilosco´pio. Para que o tempo seja determinado com precisa˜o, deveremos
reproduzir na tela do oscilosco´pio o menor nu´mero de per´ıodos poss´ıveis. Por exemplo,
admita que na figura abaixo, o seletor de base de tempo estivesse selecionado em 0,5
ms/DIV:
T = (nu´mero de diviso˜es) ×(valor da chave seletora de varredura horizontal) = 6 ×0,5
= 3 ms
f = 1/T = 333,3 Hz
1. Se precisar fac¸a os ajustes ba´sicos ja´ explicados;
2. Ajuste o gerador de a´udio em 2 Vpp e mantenha este valor para todas as medic¸o˜es
daqui por diante;
8
Oscilosco´pio
 
 
6 divisões
 
Figura 5: Determinac¸a˜o do per´ıodo.
3. Para as frequeˆncias que sera˜o mencionadas abaixo, atue na chave seletora da base de
tempo (bota˜o 19) ate´ conseguir o menor nu´mero poss´ıvel de ciclos;
4. Coloque uma frequeˆncia de 300 Hz no gerador de a´udio;
5. No quadriculado abaixo (representando a tela do oscilosco´pio) reproduza a forma de
onda que voceˆ esta´ observando e anote a posic¸a˜o da base de tempo (BT) (bota˜o 19), o
nu´mero de diviso˜es da tela (ND), o per´ıodo (T ) e a frequeˆncia (f);
BT = ............. ND = ............. T = ............. f = .............
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Oscilosco´pio
6. Coloque uma frequeˆncia de 25 kHz no gerador de a´udio e repita o mesmo procedimento
do item anterior;
BT = ............. ND = ............. T = ............. f = .............
7. Coloque uma frequeˆncia de 150 kHz no gerador de a´udio e repita o mesmo procedimento
do item 5.
BT = ............. ND = ............. T = ............. f = .............
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Oscilosco´pio
Teste seu conhecimento !
Considere que o sinal abaixo foi observado na tela do oscilosco´pio. O ganho vertical
estava na posic¸a˜o de 5 mV/Div e a base de tempo em 1 ms/Div. Escreva a expressa˜o
para v(t) = V cos(ωt), ou seja, determinando a tensa˜o de pico e a frequeˆncia angular voceˆ
podera´ escrever a expressa˜o para v(t).
 
 
 
0 V
11