Laboratório de Eletricidade e Eletrônica - E1 - IFSP - Eng. Eletrônica

Prévia do material em texto

Engenharia Eletrônica 
 
 
Laboratório de Eletricidade II – LE2 
Laboratório de Eletrônica I – LO1 
 
Professores: Alberto Akio SHIGA e WAGNER de Aguiar 
 
 
Experimento: 01 
 
Título: OSCILOSCÓPIO 
 
Data da Realização: ____/____/____ 
 
Data Limite de Entrega: ____/____/____ 
 
GRUPO: _______________ 
 
 
 
Turma: T4 – 1º semestre de 2015 
 Engenharia Eletrônica 
 
 
 
2 
1. Objetivos: 
 
Verificar, experimentalmente a utilização do osciloscópio na obtenção de medidas de 
tensão e corrente. 
 
INTRODUÇÃO TEÓRICA: 
Osciloscópio 
 
O osciloscópio é um instrumento que permite a visualização de sinais elétricos, 
possibilitando medir tensões contínuas, alternadas, períodos, frequências e 
defasagem com alto grau de precisão. O funcionamento se baseia em um feixe de 
elétrons que, defletido, choca-se contra uma tela fluorescente, esta, sensibilizada 
emite luz formando uma figura. A figura formada na tela pode ser comparada com 
outra, considerada ideal. 
A dependência com o tempo do feixe se resolve fazendo o feixe de elétrons serem 
defletido em um eixo de coordenadas similares ao sistema cartesiano, o que nos 
leva a construções gráficas bidimensionais, sendo o eixo ‘x’ correspondente ao 
período do sinal (tempo) e o eixo ‘y’ correspondente á amplitude. O resultado é a 
variação da tensão de entrada dependente do tempo. 
Dispositivos de registros em função do tempo existem há muito tempo, entretanto, o 
osciloscópio é um equipamento de resposta muito mais rápida que os registradores 
eletromecânicos, pois permite resposta da ordem de microssegundos. 
A parte principal de um osciloscópio é o tubo de raios catódicos. Este tubo 
necessita, entretanto, usar uma série de circuitos auxiliares capazes de controlar o 
feixe desde sua geração. Até o ponto onde este incidirá sobre a tela. 
Todo osciloscópio de serviço está composto das seguintes partes: 
 Fonte de alimentação; 
 Tubo de raios catódicos; 
 Base de tempo; 
 Amplificador Horizontal; 
 Amplificador Vertical. 
Osciloscópio de raios catódicos (CRO) 
 
 
Figura 1 - Diagrama em corte de um osciloscópio CRO típico. 
 
 Engenharia Eletrônica 
 
 
 
3 
1. Eletrodos de deflexão por tensão 
2. Acelerador de elétrons 
3. Raio de elétrons 
4. Bobina de foco 
5. Lado interior de tela revestido com fósforo 
 
Descrição dos controles 
 
 
 
 Engenharia Eletrônica 
 
 
 
4 
 
 
 Engenharia Eletrônica 
 
 
 
5 
 
 
 Engenharia Eletrônica 
 
 
 
6 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Modos de operação 
 
Ajuste os controles relativos às posições de acordo com a seguinte tabela: 
 
 
 
Ligue a chave POWER e o LED acenderá. Depois de um curto período de pré-
aquecimento, o traço aparecerá na tela. Ajuste o INTENSITY e o FOCUS para fazê-
lo, mais nítido. 
 
Calibração das pontas de prova: 
 
Conecte a ponta de prova no CH1 e no PROBE ADJUST.Ajuste em “POSIÇÃO-X” e 
“POSIÇÃO-Y” para que seja mostrada a forma de onda conforme as figuras 4-1, 4-2 
ou 4-3. 
 
 Engenharia Eletrônica 
 
 
 
7 
 
Ajuste o VOLTS/ DIV para 10 mVe atenue a ponta para 10 X, então a forma de onda 
mostrada na figura 4-1 deverá aparecer na tela, se houver qualquer excesso ou 
queda, faça a compensação no ponto de ajuste mostrado na figura 4-4. 
Depois destes ajustes o instrumento estará em estado normal de funcionamento e 
pronto para ser usado. 
 
 
Medição. 
 
Vp-p =V/DIV xH(DIV) 
Vrms = Vp-p/2 V¨2 
X10 
 
Medição de Tensão 
 
O controle VARIÁVEL deverá estar na posição “calibrado” (gire até o fim no sentido 
horário). Posicione a chave VOLTS / DIV de acordo com a amplitude do sinal a ser 
medido. 
Uma vez que existam partes DC e AC no sinal medido, os testes devem ser feitos de 
acordo com os seguintes passos: 
 
Medição de Tensão AC 
 
Para medir somente a parte AC do sinal, selecione o modo AC de acoplagem (6). 
Ajuste VOLTS/DIV para mostrar uma forma de onda no meio da tela. Então ajuste o 
LEVEL para fazer com que a forma de onda fique estável. Ajuste Posição-Y e 
Posição-X para visualizar melhor a forma de onda, como mostrado na figura 4-5. 
Com o valor indicado por VOLTS /DIV e a distância mostrado, verticalmente no eixo, 
calcule o valor da tensão pela seguinte fórmula: 
Se a ponta de prova estiver em X10, então o valor calculado deverá ser multiplicado 
por 10. 
 
 
 
 Engenharia Eletrônica 
 
 
 
8 
 
Medição da tensão DC 
 
Para medir tensão DC, primeiro selecione o VOLTS/DIV adequado, então selecione 
o modo de acoplagem GND (6) e ajuste a Posição-Y para fazer o traço ficar na 
posição adequada (nível 0 da tensão), então selecione o modo de acoplagem DC. 
Com a distância vertical do traço em relação à posição Y, leia o valor da tensão do 
sinal mostrado como na figura 4-6. 
 
 
 
 Medição de Tempo 
 
Para medir o ciclo do sinal ou o fator de tempo entre dois pontos, siga os passos 
descritos no item “Medição de Tensão”. Depois que a forma de onda estiver 
sincronizada, o valor do tempo é igual o valor indicado pelo SEC /DIV multiplicado 
pelo número de divisões entre os dois pontos selecionados. Para medir apenas uma 
parte do sinal, acione o botão (26) para aumentar 5 vezes. Ajuste Posição-X para 
posicionar adequadamente a parte a ser medida. Então o valor encontrado deve ser 
dividido por 5. Calcule os intervalos de tempo com a seguinte fórmula: 
Intervalo de tempo (S) = [Distância entre dois pontos (DIV) x fator de Tempo de 
Varredura (TIME /DIV)]/ Fator de amplificação horizontal (X5 MAG). 
Exemplo 1: Na Figura 4-7, a distância horizontal entre os ponto A e B é de 8 DIV, o 
fator de tempo de varredura é ajustado para 2 ms/div, a amplificação horizontal é X1, 
então: 
Intervalo de Tempo = 8DIV x2ms /DIV/1= 16ms 
 
 
 Engenharia Eletrônica 
 
 
 
9 
 
 
 
Exemplo 2: Na figura 4-8, a distância horizontal de 10% da inclinação de elevação 
(ponto A) para 90% (ponto B) é 1,8 DIV, a taxa de varredura é de 1u s/DIV, o fator 
de amplificação é de 5X, então o Tempo de Elevação= 1,8 DIV x 1us / 5 = 0.36 us 
 
Medição de Freqüência 
 
Para medir a freqüência do sinal, primeiramente meça o ciclo como descrito no item 
anterior, e depois calcule a freqüência usando a seguinte fórmula: 
F (Hz)= 1/T (S) 
 
Diferença de tempo ou fase entre dois sinais relativos 
 
Conforme a freqüência dos sinais relativos, selecione a taxa de varredura adequada 
e ajuste o modo Vertical para ALT ou CHOP (12), a fonte de disparo (Trigger) para 
CH1. Ajuste o Nível (21) para ter uma forma de onda estável. Calcule a diferença de 
tempo com a diferença horizontal entre os dois pontos das duas formas de onda: 
Diferença de tempo = Distância Horizontal (DIV) X Fator de Tempo de Varredura 
(SEC/ DIV) / Fator de amplificação horizontal (X5 se a tecla 23 estiver pressionada). 
Na figura 4-9, o fator de tempo de varredura (SEC/DIV) é ajustado em 50us/DIV, o 
fator de amplificação é ajustado em X1(tecla X5 MAG solta), a distância horizontal 
entre os dois sinais medidos é de 1,5 DIV, então: 
Diferença de tempo = 1,5 DIV x 50 us /DIIV/ l = 75 us 
 
 Engenharia Eletrônica 
 
 
 
10 
 
 
Para medir a diferença de fase entre dois sinais, primeiro pegue as formas de ondas 
estáveis utilizando o método acima, então ajuste o VOLTS /DIV e o VARIÁVEL dos 
dois canais para tornar igual à amplitude deles. Ajuste o SEC /DIV para que, a 
distância horizontal do ciclo medido, apareça por inteiro na tela. Quando isto 
acontecer o ângulo de cada divisão (DIV) será: 360º / (distânciahorizontal de um 
ciclo). A diferença de fase de dois sinais relativos será então: o ângulo de cada 
divisão (DIV) multiplicado pela distância horizontal existente entre os dois sinais. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Engenharia Eletrônica 
 
 
 
11 
Medição de sinal de TV 
 
Há um circuito para a separação de sinais sincronizados TV-V dentro do OS-21. 
Para medir sinais de TV-V selecione a chave COUPLING para TV (31). Ajuste, 
então, o LEVEL para obter uma sincronização estável do sinal. 
Para medir sinais de TV-H, selecione a chave COUPLING para o modo NORM (31). 
 
Modo X-Y 
 
Em alguns casos especiais, a rotação do traço deve ser controlada por sinais 
externos ou o eixo X deve ser encarado como uma entrada para o sinal medido, tal 
como: sinal de varredura EXT, a observação da Figura de Lissajous, etc. 
 
Operação do Modo X-Y: 
 
Gire a chave SEC /DIV no sentido anti-horário até o final, para a posição X-Y. Entre 
com o sinal do eixo X pelo CH1 e do eixo Y pelo CH2. O aumento da sensibilidade 
do eixo X é controlado por X5 MAG e o sinal modulação, poderá ser observado 
através do eixo Z, na parte de trás. Se for pressionada a chave SLOPE a 
intensidade aumentará com sinais negativos e diminuirá com sinais positivos. 
 
 
Gerador de funções 
 
Um gerador de funções é um aparelho eletrônico utilizado para gerar sinais elétricos 
de formas de onda, frequências (de alguns Hz a dezenas de MHz) e amplitude 
(tensão) diversas. São muito utilizados em laboratórios de eletrônica como fonte de 
sinal para teste de diversos aparelhos e equipamentos eletrônicos. 
Um gerador de funções deve poder gerar sinais senoidais, triangulares, quadrados, 
dente-de-serra, com sweep (frequência variável), todos com diversas frequências e 
amplitudes. Normalmente ele possui um frequencímetro acoplado e diversos botões 
de ajuste e seleção, além de conectores para saída do sinal. 
Seu uso é muito ligado à utilização do osciloscópio, com o qual se pode verificar as 
suas formas de onda. 
Seu funcionamento é baseado em circuitos eletrônicos osciladores, filtros e 
amplificadores. 
Alguns circuitos integrados que podem ser usados na montagem de geradores de 
função: 
 ICL8038 (Intersil - funções seno, quadrado, triângulo, sweep) 
 MAX038 (Maxim - funções seno, quadrado, triângulo, sweep) 
 XR2206 (Exar - funções seno, quadrado, triângulo, sweep) 
 NE566 (National - funções quadrado, triângulo) 
 
De forma resumida, as formas de onda estudadas, de acordo com o site: 
http://pt.wikipedia.org/wiki/Forma_de_onda, são, 
 
 
 
 Engenharia Eletrônica 
 
 
 
12 
 
Formas de onda básicas 
 
 
Figura 3 - A partir do topo, onda senoidal, quadrada, triangular e dente de 
serra 
Onda senoidal 
 
A onda senoidal ou sinusoidal obedece a uma função seno ou cosseno e é a forma 
de onda mais simples. Todas as outras formas de onda, mesmo as mais complexas, 
podem ser decompostas em conjuntos de ondas senoidais através da aplicação das 
séries de fourier. Por essa razão as ondas senoidais possuem dezenas de 
aplicações. Podem ser usadas na síntese musical como elemento básico da síntese 
aditiva. Em eletrônica, é a forma de onda utilizada como onda portadora na maior 
parte das modulações de rádio. 
 
Onda quadrada 
 
Também chamada de trem de pulsos Forma de onda caracterizada pela alternância 
entre um estado de amplitude nula e outro estado de amplitude máxima, sendo que 
cada um destes estados tem duração igual. Quando o tempo em um dos estados é 
maior do que no outro, chamamos esta onda de onda retangular ou pulso. Este tipo 
de onda é utilizado sobretudo para a modulação por largura de pulso - PWM. 
 Engenharia Eletrônica 
 
 
 
13 
Também pode ser usada como elemento básico da síntese subtrativa em 
sintetizadores analógicos. Em informática as ondas quadradas, retangulares ou 
trens de pulso são utilizados para a transmissão serial de informações em redes de 
computadores. 
 
Onda triangular 
 
Caracterizada por uma ascendência linear até a amplitude máxima da onda, seguida 
imediatamente por uma descendência linear até a amplitude mínima. Os tempos de 
subida e descida podem ser iguais ou diferentes. As ondas triangulares são usadas 
como freqüência intermediária de controle na modulação PWM principalmente em 
acionamentos elétricos. Também podem ser utilizadas como elementos básicos na 
síntese subtrativa. 
 
Onda dente de serra 
 
Nos casos extremos em que os tempos de subida ou de descida de uma onda 
triangular são iguais à zero, temos ondas dente de serra descendente ou 
ascendente, respectivamente. As aplicações são semelhantes às das ondas 
triangulares. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Engenharia Eletrônica 
 
 
 
14 
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL: 
 
Com o osciloscópio e o gerador de funções devidamente instaladas (com os cabos 
BNC conectados nas saídas corretas), regula-se a frequência e o tipo de onda no 
gerador de funções e conectamos os cabos onde poderemos observar a forma de 
onda no osciloscópio. 
Ajustando as escalas de tempo e tensão no osciloscópio, os dados eram anotados e 
comparados com cálculos teóricos. 
 
1 - Ajustar a fonte de tensão com o voltímetro para os valores especificados na 
tabela abaixo e efetuar as medições com o osciloscópio, anotando os valores 
obtidos, na tabela abaixo. Desenhe a forma de onda para as tensões 8 e 15 volts. 
 
 
 
 
 
 
 
Tabela 1 - 
 
 8 Vdc 15 Vdc 
 
 
 
 
 
 
 
 
V(v) V/Div T/Div V medido 
2 
5 
8 
10 
15 
 Engenharia Eletrônica 
 
 
 
15 
Ajuste o gerador de sinais para as freqüências especificadas nas tabelas abaixo, 
com amplitude máxima para as formas de onda senoidal, quadrada e triangular. 
Meça cada freqüência com o osciloscópio, anotando respectivamente a posição da 
varredura e o numero de divisões ocupadas pelo período, efetue as medições 
solicitadas. 
 
F. gerador V/Div T/Div T f 
100 Hz 
5 kHz 
Tabela 2 - Onda senoidal 
 100 Hz 5 kHz 
 
 
F. gerador V/Div T/Div T F 
250 Hz 
1200 kHz 
Tabela 3 - Onda quadrada 
 
 250 Hz 1200 kHz 
 
 
 Engenharia Eletrônica 
 
 
 
16 
F. gerador V/Div T/Div T f 
600 Hz 
10 kHz 
Tabela 4 - Onda triangular 
 
 600 Hz 10 kHz 
 
 
 
Ajustar o gerador de sinais para 60 Hz, onda senoidal. Utilizando o multímetro na 
escala Vac, ajuste a saída do gerador para os valores da tabela. Efetue as medições 
solicitadas. 
 
Vef (v) Vp Vpp Vef (calculado) 
1 
3 
5 
Tabela 5 – Tensões calculadas 
 
 
 1 Vdc 3 Vdc 
 
 
 Engenharia Eletrônica 
 
 
 
17 
Figuras de Lissajous e medidas de defasagem 
 
Objetivo: Observar, experimentalmente as figuras de Lissajous. Medir a defasagem 
entre dois sinais, utilizando o osciloscópio. 
 
As figuras de Lissajous provêm da sobreposição de dois movimentos sinusoidais 
(harmónico-simples) desfasados de 90º. A figura de Lissajous mais simples, que 
corresponde a uma reta a 45º, diz respeitoa dois movimentos com a mesma 
frequência, a mesma amplitude e a mesma fase. Conforme o desfasamento entre os 
dois movimentos, esta figura tomará uma das formas representadas na figura 
abaixo. 
 
 
 
Com o osciloscópio no modo X-Y poder-se-ão observar as figuras de Lissajous. 
Estas figuras permitem a determinação da menor diferença de fase na distorção de 
um sinal, para além da razão entre frequências. 
 
Quando se aplicam aos dois canais do osciloscópio dois sinais com frequências 
diferentes. As figuras obtidas são mais complexas. Estas figuras de Lissajous 
permitem, por simples observação, determinar a razão entre as duas frequências. 
Na figura abaixo estão representados alguns exemplos. 
 
 
 Engenharia Eletrônica 
 
 
 
18 
 
A razão entre frequências é determinada a partir de: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Lista de material: 
 
- Osciloscópio 
- Gerador de sinais 
- Transformador 110 V/12 V 
- Capacitor 0,1µF 
- Resistores 4,7kΩ, 47kΩ, 150kΩ, 470kΩ e 1MΩ. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Engenharia Eletrônica 
 
 
 
19 
Procedimento experimental: 
 
1 – Ligue a entrada vertical do osciloscópio o gerador de sinais ajustado para onda 
senoidal e amplitude máxima, e a entrada horizontal o transformador, conforme a 
figura abaixo. 
 
 
 
 
2 – Varie a frequência do gerador de sinais, conforme o quadro abaixo. Anote a 
figura de Lissajous e determine a relação de freqüências. 
 
fH(Hz) fV(Hz) Figuras NH NV NH/NV 
 
 
15 
 
 
 
20 
 
 
 
24 
 
 
 
30 
 
 
 
40 
 
60 
 
60 
 
 
 
90 
 
 
 
120 
 
 
 
150 
 
 
 
180 
 
 
 
240 
 
 
 
H Rede V 
 Engenharia Eletrônica 
 
 
 
20 
3 – Monte o circuito da figura abaixo e ajuste o gerador para 60 Hz, com amplitude 
máxima e onda senoidal. 
 
 
4 – Anote os valores de 2a e 2b de acordo com o capacitor e resistores indicados 
abaixo. 
 
C (µF) R 2a 2b 2a/2b Δθ 
 
 
4,7kΩ 
 
 
 
47kΩ 
 
0,1 
 
150kΩ 
 
 
 
470kΩ 
 
 
 
1MΩ 
 
 
V 
H 
R 
60 Hz 
C