Relatório 8 - Osciloscópio

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Universidade Federal de Campina Grande – UFCG
Centro de Ciências e Tecnologia – CCT
Unidade Acadêmica de Física
Laboratório de Óptica, Eletricidade e Magnetismo
OSCILOSCÓPIO
Aluno: Ítalo Barros Meira Ramos			Matrícula: 113111294
Turma: 05			Professor: Douglas Vitoreti		Nota:
28/07/2014
Campina Grande - PB 
Objetivos
- Objetivo Geral:
	Com esta experiência pretende-se familiarizar-se com o manuseio e ajuste dos controles de um osciloscópio. Conhecer o princípio físico de funcionamento de um osciloscópio e utilizá-lo para medir tensão, período e frequência. Além de determinar as características de um sinal ondulatório.
Introdução Teórica
O osciloscópio é um equipamento que permite ao técnico observar as variações de tensão elétrica em forma de figura em uma tela. Através do osciloscópio, é possível pesquisar e analisar defeitos em circuitos eletrônicos e elétricos. Na sua tela, as imagens são formadas unicamente pelo movimento rápido de um ponto na horizontal e vertical, como em um aparelho de televisão. Quando o movimento do ponto é rápido, a imagem que se observa na tela é uma linha. As imagens se formam na tela do osciloscópio mediante movimentos simultâneos no sentido vertical e horizontal. 
 A figura a seguir mostra um modelo de osciloscópio de traço simples com o painel de controle e entrada de sinal em primeiro plano. 
Tubo de Raios Catódicos com Tela Fosforescente
O tubo de raios catódicos é o elemento essencial do osciloscópio. Este consiste numa ampola de vidro fechada no interior da qual se encontram, sob vácuo (cerca de 10-3 mbar), os seguintes componentes:
· Canhão eletrônico;
· Sistema de desvio magnético ou eletrostático;
· Anteparo fosforescente em sulfureto de zinco.
A Fig. 2 mostra o diagrama simplificado do tubo de raios catódicos.
Canhão Eletrônico
O canhão eletrônico é o dispositivo que produz e controla o feixe de elétrons que, mostrado na Fig. 3, podem ser subdivididos em três partes principais:
Cátodo emissor de elétrons
Este é constituído pelo filamento F que quando aquecido, pela passagem de corrente elétrica, promove a emissão de elétrons do cátodo C por efeito termiônico. Os raios catódicos são obtidos em vasos fechados a pressões inferiores a cerca de 10-3mbar, encerrando dois eletrodos, aos quais se aplica um potencial suficientemente elevado. Estes raios são formados por elétrons e, por isso, podem ser manipulados por intermédio de campos elétricos e magnéticos. Os elétrons, por terem uma pequena massa (9,11 x 10-31 kg), são muito sensíveis a pequenas ddp, justificando assim o seu uso na construção de osciloscópios. 
A eficiência de produção de elétrons pode ser substancialmente aumentada quando é aplicado o fenômeno da emissão termiônica ao cátodo. Sabe-se que os metais incandescentes emitem espontaneamente elétrons, mesmos na ausência de um campo elétrico, os quais formam uma nuvem eletrônica em torno do corpo incandescente. Assim, quando se aquece o cátodo forma-se em torno deste uma nuvem eletrônica. Se ao cátodo for aplicada uma diferença de potencial, relativamente ao ânodo, o campo elétrico resultante arrastará os elétrons no sentido do ânodo, formando-se assim um feixe eletrônico (ou feixe de raios catódicos).
Grelha de Comando (cilindro de Wehnelt):
A grelha W quando é polarizada negativamente em relação ao eletrodo A2 (ânodo) forma e acelera o feixe de elétrons. A intensidade do feixe, brilho, é controlada através da ddp entre a grelha e o ânodo: quanto maior for a ddp maior é o número de elétrons no feixe, ou seja, mais brilhante é o feixe.
Sistema de aceleração e focagem:
Constituído pelos eletrodos G e A1, posicionados entre a grelha W e o ânodo, limitam a seção do feixe, ou seja, a focagem, por um ou mais diafragmas e imprimem-lhe ainda uma certa aceleração. O eletrodo G permite eliminar a interação entre os comandos de brilho e de focagem.
Materiais necessários
Osciloscópio; 
Gerador de ondas quadradas e senoidais; 
Painel com plugs de conexão e cabos de ligação; 
Fonte de tensão DC; 
Pilha fotovoltaica de f.e.m de 1,5V; 
Multímetro analógico; 
Multímetro digital; 
Resistores; 
Capacitores; 
Potenciômetro. 
 Metodologia
Medidas de tensão:
Ligou-se o gerador de sinal e manipulou-se o controle da saída para a posição desejada. Mediu-se com o multímetro a tensão de saída do gerador de sinal. (Nos foi sugerido: 10/√2 = 7,07 V (Corrente alternada) – 1 kHz);
Ligou-se o osciloscópio e aguardou-se a inicialização;
Pressionou-se ‘’DEFAULT SETUP’’ para retornar às configurações de fábrica do instrumento;
Conectou-se a ponta de prova ao compensador de ponta de prova, assim, apareceu um sinal quadrado de 3Vpp – 1 kHz. Certificou-se que a ponta de prova se encontrava na posição x1 para confirmar que o osciloscópio estava calibrado;
Pressiou-se “AUTO” para ajustar o sinal do osciloscópio automaticamente;
Desenhou-se a forma de onda do ajuste e anotou-se a amplitude e frequência:
Amplitude: 1,6 V
Frequência: 1 kHz
Desconectou-se a ponta de prova do compensador de ponta de prova;
Mediu-se a tensão senoidal, quadrática e triangular e para isso conectou-se a saída do gerador à entrada do osciloscópio e pressionou-se “AUTO” para visualização do sinal;
Mediu-se a tensão pico a pico e a tensão de pico com o osciloscópio, através do número de divisões o qual o sinal ocupa na tela do osciloscópio. Fez-se a conversão para tensão eficaz. Comparou-se com o valor obtido no multímetro e foi preenchida a Tabela I e desenhada cada forma de onda do sinal (Figuras IV – a, IV – b e IV – c);
Pressionou-se “MEASURE” para configurações de medições automáticas;
Pressionou-se um “Botão de Opção” em seguida pressionou-se o botão opção respectivo a “TENSÃO” e novamente e navegou-se até a opção ValPico;
Pressionou-se o “BOTÃO MENU”. Pressionou-se o “MEASURE”;
Refez-se os passos para os demais “Botões Opção”, utilizando as medidas Vrms, Vmax, Vmin e preencheu-se a Tabela II;
Pressionou-se “MEASURE” para exibir os valores.
Medidas do período e da frequência de uma forma de onda:
Pressionou-se “CURSORS”;
Por meio dos botões de opção selecionou-se a opção “MANUAL”, através do segundo botão opção selecionou-se “TEMPO”. Selecionou-se a “FONTE” para CH1;
Selecionou-se o cursor A por meio do botão de opção, o ajuste por meio do botão de funções múltiplas, em seguida selecione o cursor B e o ajuste de maneira a obter 1 período do sinal;
Anotou-se o valor da frequência e do período na tabela III e os demais parâmetros.
Medidas do período e da frequência de uma forma de onda:
Montou-se um circuito indicado na figura V (Observando a polaridade do osciloscópio). Antes de energizar o circuito certificou-se com o professor se a montagem estava correta para três resistores iguais;
Mediu-se a tensão na saída do gerador com o multímetro (10 V), para um sinal de 1 kHz;
Por meio dos botões de opção selecionou-se a opção “MANUAL”, através do segundo botão opção selecionou-se “TENSÃO”;
Selecionou-e o cursor A, ajustou-se o cursor com o botão Multi-Função de modo a permanecer na referência de 0 V. Em seguida, selecionou-se o curso VB, o ajuste de modo a coincidir com o pico do sinal apresentado na tela do osciloscópio;
Mediu-se a tensão em cada resistor com o auxílio do osciloscópio no medo Vrms e preencheu-se a tabela IV;
Desenharam-se as formas de sinais na figura VI.
 
Resultados e Discussões
 Tabela – I: Medidas de Tensão
	Sinal
	Volt/Div
	Nº Div (VPP)
	(VPP)
	Nº Div (VP)
	(VP)
	Vrms
	Valor (Multímetro)
	Desvio %
	Senoidal
	5
	4
	20
	2
	10
	7,07
	7,01
	0,84%
	Triangular
	5
	4
	20
	2
	10
	5,77
	5,53
	4,15%
	Quadrada
	5
	4
	20
	2
	10
	10,0
	11,22
	12,2%
Tabela – II: Medidas OsciloscópioDigital
	Sinal
	ValPico
	Vmáx
	Vmín
	Vrms
	Vrms (calculado)
	Desvio %
	Senoidal
	19,8
	10,40
	- 9,4
	6,80
	7,0
	3,9%
	Triangular
	19,6
	10,20
	- 9,4
	5,60
	5,66
	6,42%
	Quadrada
	24,0
	13,0
	- 12
	9,8
	12,0
	7,4%
 Tabela – III: Medida do Período e da Frequência de uma Forma de Onda.
	Sinal
	Nº Div (h)
	M (µs)
	Tcal (s)
	Fcal (Hz)
	Tosc. (s)
	fosc. (Hz) 
	fgerador (Hz)
	Desvio %
	Senoidal
	4
	250
	0,001
	1000
	0,00974
	1026
	1027
	2,5%
	Triangular
	4
	250
	0,001
	1000
	0,00978
	1021
	1023
	2,05%
	Quadrada
	4
	250
	0,001
	1000
	0,00974
	1027
	1027
	2%
Tabela – IV: Medidas de Tensão com Osciloscópio
	Tensão
	Fonte Senoidal (V)
	Fonte Triangular (V)
	Fonte Quadrada (V)
	VR1
(V)
	VR2
(V)
	VR3
(V)
	Osciloscópio
	6,20
	5,20
	9,20
	2,0
	1,60
	2,72
	Multímetro
	6,44
	5,07
	10,21
	2,092
	1,654
	3,207
	Desvio %
	3,87%
	2,5%
	10,98%
	4,6%
	3,38%
	17,90%
Observação: O cálculo dos desvios percentuais referentes a todas as tabelas encontram-se em anexo.
Com o auxílio da teoria foi possível medir a tensão VPP e VP observando a distribuição do sinal no osciloscópio, sempre tendo em vista a quantidade volt/divisão. A tensão VRMS foi obtida dividindo VP por √2 para o sinal senoidal, por √3 para o sinal triangular, e para o sinal quadrado VRMS = VP. 
Para as duas frequências impostas pelo osciloscópio pela tela, foi possível medir a largura de cada ciclo. Observando o fator tempo/divisão calculou-se o período de cada ciclo, tendo a frequência como o inverso. 
Ao modificarmos a amplitude do sinal de alimentação do circuito, vimos que o valor de pico e de tempo também muda tanto para VC quanto para VR. E ao colocar no lugar do resistor um potenciômetro percebemos que quando o potenciômetro está no mínimo o osciloscópio esboça o sinal de ondas quadradas e a medida do aumentamos o potenciômetro o valor de pico diminui e o de tempo aumenta. 
Conclusão
Vimos que o osciloscópio é essencial para o conhecimento de gráficos visíveis de diferenças de potencial. Os valores obtidos para as tensões foram satisfatórios, uma vez que os desvios calculados não foram significativos. Os níveis de tensão apresentam diferenças devido a erros sistemáticos presentes no circuito, como a resistência nos cabos, na bancada, a introdução dos instrumentos.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
HALLIDAY, David, 1916 – Fundamentos de Física, volume 4: óptica e física moderna / Halliday, Resnick, Jearl Walker; tradução e revisão técnica Ronaldo Sérgio de Biasi. – Rio de Janeiro: LTC, 2009;
SAMPAIO, José Luiz, Física: volume único / José Luiz Sampaio, Caio Sérgio Calçada. – 2ª ed. – São Paulo: Atual, 2005;
Apostila de Física Experimental II.
Anexos
Desvios Percentuais (%):
Tabela I:
S: 
T: 
Q:
Tabela II:
S: 
T: 
Q:
Tabela II:
S: 
T: 
Q:
Tabela IV:
S: 
T: 
Q:
R1: 
R2: 
R3: