UFU - Universidade Federal de Uberlândia

Femec – Faculdade de Engenharia Mecânica

Curso de bacharelado em Engenharia Mecatrônica

Prof. Dr. Carlos Alberto Gallo

Segundo Relatório de Eletrônica Básica para Mecatrônica:

Osciloscópio

Álex de Sousa Vieira 98768Murillo Candido de Sousa 98781

Uberlândia - MG

Abril/2011

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO.....................................................................................................

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2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS................................................................................

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2.1. Osciloscópio analógico.................................................................................. 4

2.1.1 Fonte de alimentação................................................................................... 5

2.1.2 Tubo de raios catódicos................................................................................ 5

2.1.3 Base de tempo.............................................................................................. 6

2.1.4 Amplificadores............................................................................................. 6

2.2 Osciloscópios digitais..................................................................................... 7

2.2.1 Display de Cristal Líquido........................................................................... 7

3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL..................................................................... 8

3.1. Medida de tensão contínua............................................................................ 8

3.1.1 Medidas de tensões contínuas positivas....................................................... 8

3.1.2 Medidas de tensões contínuas negativas...................................................... 9

3.2 Medidas de tensão alternada........................................................................... 9

3.3 Medidas de frequência.................................................................................... 10

4. Conclusão......................................................................................................... 12

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...................................................................... 13

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1. Introdução

O osciloscópio é um instrumento de medida eletrônico que permite observar, numa tela plana, gráficos bidimensionais, úteis à analise e quantificação de fenômenos elétricos, possibilitando medir tensões contínuas, alternadas, períodos, freqüências e defasagem com elevado grau de precisão. O osciloscópio é um instrumento muito corrente no laboratório de Física, de Eletricidade e Eletrônica. O osciloscópio trata-se de um tubo de raios catódicos e foi inventado por Ferdinand Braun, físico alemão, em 1897, porém passou a ser comercialmente viável após a utilização do tubo de raios catódicos feita por Welhnet em 1905.

Apesar de esse aparelho permitir apenas a visualização e a análise de tensões elétrica, a sua aplicação não se limita ao mundo da eletrônica. O osciloscópio permite observar muitos fenômenos e medir muitas grandezas, desde que se use um aparelho que transforma um estímulo físico, tal como o som, a luz, o calor, a pressão e outros, em sinal elétrico, aparelho este chamado de transdutor. O eixo horizontal representa o tempo e o vertical a tensão, normalmente.

A impedância padrão de um osciloscópio (resistência interna) é de 1MΩ, dez vezes menor que a de um multímetro digital. Através do uso de uma ponta de prova multiplicadora por (x10), a impedância é multiplicada por 10, indo para 10MΩ. Essa ponta de prova faz com que a leitura também seja multiplicada por dez. Assim, a escala de 1V passa a valer 10V com o uso dessa ponteira especial.

Os osciloscópios são classificados basicamente de acordo com a frequência máxima que são capazes de mostrar com precisão em seu visor. Um osciloscópio de 25MHz até consegue mostrar de maneira clara formas de onda com freqüências acima de 25MHz em sua tela, porém a amplitude do sinal será apresentada menor do que o seu valor real, impedindo uma leitura mais precisa dos valores apresentados.

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2. Fundamentos Teóricos

O osciloscópio é um instrumento utilizado para visualização de voltagens que variam com o tempo. Ele é utilizado para determinação de amplitudes e freqüências de sinais de voltagem, bem como para comparação de sinais diferentes.

Os osciloscópios podem ser analógicos ou digitais, onde os analógicos funcionam através de um tubo de raios catódicos, enquanto os digitais retiram amostras do sinal original, as quais são convertidas para um formato digital através da utilização de um conversor analógico/digital. Esta informação digital é armazenada numa memória, reconstruída e representada na tela.

2.1. Osciloscópio analógico

O funcionamento do osciloscópio analógico se baseia em um feixe de elétrons que, defletido, choca-se contra uma tela fluorescente, esta, sensibilizada emite luz formando uma figura.

A dependência com o tempo do feixe se resolve fazendo o feixe de elétrons ser defletido em um eixo de coordenadas similar ao sistema cartesiano, o que nos leva a construções gráficas bidimensionais. Por via de regra, o eixo X corresponde a deflexão do feixe com velocidade ou taxa de deslocamento constante em relação ao tempo. O eixo Y é defletido como resposta a um sinal de entrada, como por exemplo, uma tensão aplicada à entrada vertical. O resultado é a variação da tensão de entrada dependente do tempo.

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.

Figura 1: Osciloscópio analógico

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O osciloscópio analógico é composto das seguintes partes:

Fonte de alimentação;

Tubo de raios catódicos;

Base de tempo;

Amplificadores.

2.1.1 Fonte de alimentação

A fonte de alimentação possui a função de fornecer os níveis de tensão c.c. necessárias à operação de cada circuito do osciloscópio. Sendo assim, a fonte fornece as seguintes tensões ao osciloscópio: Baixa tensão para o filamento do TRC, baixa tensão para o filamento das válvulas do osciloscópio, baixa tensão para o filamento das válvulas, ou válvulas retificadoras de alta tensão, alta tensão para os ânodos das válvulas do osciloscópio, alta tensão para os ânodos do TRC e tensão muito alta para o ânodo final dos tubos de raios catódicos.

Utiliza-se para a obtenção destas tensões, transformadores os quais devem reduzir ao máximo o campo de dispersão magnética, já que de outra forma este campo poderia influir desfavoravelmente sobre o traço luminoso na tela do tubo de raios catódicos. As diversas tensões exigidas pelos circuitos são conseguidas por meio de divisores de tensão.

2.1.2 Tubo de raios catódicosO tubo de raios catódicos é o componente de saída e de visualização do osciloscópio analógico. A imagem observada resulta do embate do feixe elétrico em uma tela constituída de material fosforescente e fluorescente.

Figura 2: Tubo de raios catódicos

O feixe é gerado num cátodo aquecido, com grande quantidade de elétrons livres que são conduzidos em direção à grelha e depois acelerados por um ânodo, ambos com potenciais positivos em relação ao cátodo. O feixe é concentrado por elétrons de focagem e conduzido

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para a tela. A energia contida nesta massa de elétrons, ao colidir na tela, é parcialmente convertida em energia luminosa formando um ponto luminoso. A tela é constituída por uma superfície revestida por fósforo, que é um elemento que absorve a energia cinética dos elétrons, convertendo-a em energia luminosa.

2.1.3 Base de tempo

O circuito de base de tempo é determinado pelas placas de deflexão horizontal. Sendo assim, esse circuito determina que o deslocamento do feixe na direção horizontal será dependente do tempo.

A tensão aplicada nas placas horizontais é variável e tem a forma de dente de serra. Durante o passar do tempo a tensão aumenta de valor progressivamente até atingir um ponto máximo, onde logo em seguida cai bruscamente para o seu valor inicial. O tempo transcorrido desde que se inicia a elevação de tensão até o valor máximo é denominado tempo de varredura e é igual ao tempo que o ponto leva para ir da esquerda para a direita. O tempo que vai do valor máximo até o valor inicial leva o nome de retorno.

2.1.4 Amplificadores

O objetivo do amplificador horizontal é proporcionar aos sinais procedentes do circuito de base de tempo, uma amplitude suficiente para o desvio do feixe de elétrons a toda a largura da tela.

O amplificador horizontal deve amplificar tanto os sinais em dente de serra procedentes da base de tempo, como os sinais procedentes do exterior aplicados à entrada X que possui a maioria dos osciloscópios. O sinal horizontal a amplificar deriva-se geralmente da base de tempo, do exterior ou da rede (60Hz). Para sua seleção, recorre-se a um comutador de duas ou três posições que se intercala entre o amplificador horizontal e as fontes de sinais. A amplificação dos sinais em dente de serra deve ultrapassar amplamente as bordas da tela, o que permite observar com nitidez frações da curva.

Um osciloscópio deve ser capaz de analisar sinais elétricos dos valores mais diversos. Normalmente, a sensibilidade de desvio do feixe no TRC, costuma ser de 20V/cm de altura, e de 30V/cm de altura quando for corrente alternada. É lógico pensar que quando o sinal aplicado a entrada vertical for da ordem de milivolts (mV), o desvio vertical mal será notado.

Portanto, é preciso ter entre entrada de sinal e as placas defletoras verticais um circuito amplificador que ele a um valor adequado o sinal que se quer analisar.

A sensibilidade de deflexão do osciloscópio é uma das características essenciais que valorizam o aparelho. Logo, quanto maior a sensibilidade a deflexão, melhor será o aparelho.

Geralmente, o amplificador vertical de um osciloscópio consta das seguintes partes:

Atenuador;

Seguidor Catódico;

Amplificador.

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2.2 Osciloscópios digitais

Neste tipo de osciloscópio, o sinal analógico de entrada é inicialmente convertido para o domínio digital através de um conversor analógico/digital de alta velocidade, onde as taxas de amostragem podem variar de alguns Hz até GHz dependendo do conversor utilizado e da base de tempo selecionada, sendo em seguida armazenado em uma memória digital. Após o disparo (sincronismo horizontal) e um processamento matemático opcional, o sinal é apresentado em um display digital de modo semelhante aos monitores de vídeo de computadores.

Os dados armazenados na memória sob a forma de uma matriz tensão × tempo podem sofrer um processamento matemático (operações algébricas, média, estatística, FFT, etc.) e são transferidos para a memória de vídeo, sendo em seguida apresentados no display, que pode ser colorido ou monocromático e do tipo TRC (tubo de raios catódicos), cristal líquido, plasma, etc. O tipo e as características do display não interferem na qualidade de aquisição do sinal.

Principais Vantagens dos Osciloscópios Digitais:

Visualização e armazenagem do sinal por tempo indefinido;

Captura de sinais não periódicos e eventos únicos no tempo;

Visualização do sinal antes do disparo (pre-trigger);

Processamento matemático do sinal (processadores rápidos de última geração);

Possibilita medidas diversas no sinal de forma mais precisa e direta;

Visualização estática de sinais na tela independente de sua freqüência ou repetição.

2.2.1 Display de Cristal Líquido

Uma célula de cristal líquido compõe-se de duas placas de vidro com um pequeno espaçamento entre elas, contendo em suas superfícies internas eletrodos constituídos por camadas condutoras e transparentes gravadas com as configurações desejadas para a exibição da informação. As superfícies que estão em contato com o cristal líquido, são tratadas de forma a provocar a ancoragem das moléculas do cristal líquido paralelamente às suas faces e segundo uma direção bem determinada.

O alinhamento molecular pode, por exemplo, ser produzido por uma camada muito fina de óxido de silício ou de fluoreto de magnésio depositada a vácuo, segundo um ângulo oblíquo, sendo controlável tanto a direção como o ângulo de ancoragem das moléculas, ou de forma mais simples recobrindo a superfície do vidro com um filme orgânico polimérico, tratado mecanicamente numa direção determinada, por exemplo, por atrito com fibras vegetais ou animais.

Quando o material está com sua estrutura não perturbada, ele permite a passagem de

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luz pelo seu meio. Quando se aplica uma tensão de maneira a fazer com que as moléculas de óxido de silício, por exemplo, colocadas na superfície das placas de vidro se movam, a estrutura cristalina é perturbada e as características ópticas do material se modificam, bloqueando a luz. Quando cessa o movimento das moléculas de óxido de silício, a estrutura cristalina se recompõe, e o material volta a permitir a passagem de luz. Percebe-se, portanto, que podem existir dois tipos de displays de cristal líquido, um reflexivo, que trabalha com iluminação frontal (e possui uma superfície refletora por trás) e o transmissivo, que apresenta uma iluminação na sua parte traseira.

Estes dispositivos, por exigirem apenas tensão para mover as moléculas de óxido de silício, consomem muito pouca energia do sistema de controle, mas apresentam como desvantagem um tempo de vida menor (por degeneração do cristal líquido), bem como menor confiabilidade e maior sensibilidade à radiação ultravioleta encontrada em ambientes abertos (origem solar).

3. Procedimento Experimental

Os procedimentos feitos em aula, para a utilização do osciloscópio, e as medições nele realizadas serão descritas a seguir. O material utilizado é: osciloscópio, bateria de 9 V, gerador de funções e multímetro.

3.1 Medidas de Tensões Contínuas

O osciloscópio se comporta como um voltímetro de alta impedância, o que lhe confere grande sensibilidade à tensão e assim alta precisão na representação desses sinais. Como este equipamento trabalha com escalas, as medições são feitas multiplicando-se o valor indicado na posição da chave seletora de ganho vertical, escolhida de forma a ocupar a maioria tela, pelo valor apontado pelo traço na vertical em relação à origem.

O experimento é feito com o uso de osciloscópio, fonte de tensão C.C. (bateria de 9 V) e um multímetro (para conferência de valores). A questão do sinal da tensão fica a cargo da conexão do terra ao pólo da fonte: caso o terra esteja ligado ao pólo negativo, obtém-se uma tensão positiva; caso contrário, obtém-se uma tensão negativa e o traço observado na tela é deslocado para baixo do eixo.

3.1.1 Medida de Tensão C.C. Positiva

O procedimento de medida de tensão de corrente contínua foi feito de acordo com o seguinte roteiro:

Ligar o osciloscópio e fazer os ajustes básicos de resoluções da tela (brilho, foco, etc.);

Ajuste da chave base de tempo para 1 ms/div;

Ajuste do traço de referência no centro da tela;

Conexão da ponta de prova em um dos canais (CH1 ou CH2);

Posicionamento da chave de ganho vertical em 2 V/div (escala mais apropriada);

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Medição da tensão da bateria de 9 V, utilizando o multímetro;

Conexão da ponta de prova nos pólos de saída da bateria, de modo que o terra esteja ligado ao pólo negativo e a entrada de sinal da ponta de prova ligada ao pólo positivo;

Medição do número de divisões, na vertical, atingido em relação ao traço.

A Tabela 1 mostra os valores obtidos. É importar observar que o valor no osciloscópio a tensão é o valor medido na escala vezes o ganho vertical

Tabela 1 – Tensão de C.C. Positiva

Tensão Medida Multímetro (V)

Leitura do Osciloscópio Tensão Medida no Osciloscópio(V)

4 2 2 x 2 = 4

3.1.2 Medida de Tensão C.C. Negativa

O processo é idêntico ao de medição de tensão positiva, excetuando-se ao modo como a ponta de prova é conectada aos pólos de saída da bateria. Nesse caso, conecta-se o pólo positivo no terra da ponta de prova e o pólo negativo na entrada de sinal da ponta de prova. A Tabela 2 mostra as leituras obtidas no osciloscópio.

Tabela 2 – Tensão de C.C. Negativa

Leitura do Osciloscópio Tensão Medida no Osciloscópio (V)

-2 -2 x 2 = -4

3.2 Medidas de Tensão Alternada

A principal utilidade do osciloscópio é mesmo na medição de sinais alternados, que são em sua maioria periódicos. A forma gráfica de representação desses sinais expõe as principais características dos sinais alternados, que são: amplitude, frequência e fase. A amplitude é o parâmetro necessário para medir a tensão.

Para efetuar a leitura é necessário além do osciloscópio, um gerador de função ou varivolt, e um multímetro. Os procedimentos seguidos são:

Realização dos ajustes básicos da tela (brilho, foco, etc.);

Posicionamento da chave seletora de base tempo em 5ms/div;

Conexão da ponta de prova no canal selecionado (CH1 ou CH2);

Ligação o gerador de função à rede elétrica;

Posicionamento do cursor de gerador de função obtendo saída mínima (praticamente nula);

Posicionamento da chave seletora de modo de entrada para a posição AC;

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Escolha da chave seletora de ganho vertical em 5 V/div;

Conexão da ponta de prova nos bornes do varivolt;

Movimentação do cursor do varivolt até a metade do cursor total;

Leitura das tensões de pico e de pico a pico.

Os valores que podem ser obtidos no osciloscópio são: tensão de pico (Vp) e tensão de pico a pico (Vpp); sendo que a relação entre elas é de acordo com a equação (1).

(1)

Através desses valores do osciloscópio é possível obter o valor eficaz da tensão (V ef). Esse valor eficaz da tensão é o que se obtém ao medir tensão alternada com um multímetro e é calculado segundo a relação da equação (2).

(2)

Os valores obtidos no gerador de função e no osciloscópio estão apresentados na Tabela 3.

Tabela 3 – Tensões Alternadas

Tensão Medida no Multímetro (V)

Tensão de Pico a Pico no Osciloscópio

(Vpp)

Tensão de Pico no Osciloscópio

(Vp)

Tensão de Eficaz Calculada (Vef)

6,45 V 18,30 V 9,15 V 6,45 V

3.3 Medidas de Frequência

Os sinais alternados possuem a característica da frequência (f), que é calculada como sendo o inverso do período (T) e está representada na equação 3.

(3)

O osciloscópio possui o eixo de tempo e isto torna possível calcular o período desse sinal alternado e a partir daí a sua frequência. Para a realização dessa medição são necessários: osciloscópio e gerador de função.

O período é calculado através do produto do número de divisões horizontais de um ciclo e do tempo de uma divisão. Os procedimentos para os cálculos do período e, consequentemente, da frequência são:

Acionamento do osciloscópio e ajustagem básica da tela;

Posicionamento da chave seletora de ganho vertical em 5 V/div;

Posicionamento da chave de modo de sincronismo no canal 1 (CH1);

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Posicionamento da chave de modo de entrada em A.C.;

Conexão da ponta de prova do canal ao varivolt;

Ajustagem, no gerador de função, de uma frequência de 1 kHz, senoidal;

Atuação na chave seletora de base de tempo até atingir o menor número possível de ciclos completos na tela (medida que verifica maior precisão na mensura);

Realização da leitura do período na tela do osciloscópio.

Para a frequência no varivolt de 1 kHz, a leitura do período obtida foi de T=1ms, o que resulta em uma frequência de 1 kHz, e confere maior confiança nos resultados. Uma série de freqüências ajustadas estão calculadas na Tabela 4. É importante observar que o osciloscópio apresenta maior precisão em relação ao gerador de função.

Tabela 4 – Períodos e Frequências Medidas

Leitura no Gerador de Funções

Período (T) Frequência Hz (com osciloscópio)

800 Hz 1,25 ms 8002000 Hz 500 µs 200025000 Hz 40 µs 25000

15 Hz 66 ms 15,02150 Hz 6,7 ms 149

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4. Conclusão

A série de medidas realizadas e os dados calculados foram satisfatórios e revelam o bom funcionamento do osciloscópio e a coerência dos seus gráficos. A larga utilidade dos osciloscópios, em indústrias e laboratórios, torna necessário seu entendimento e compreensão aos alunos. A prática realizada aproximou bem o aluno do equipamento, para que na vida prática ele já esteja ambientado ao equipamento.

A variedade de funções exercidas pelo osciloscópio foi explicitada didática e praticamente por meio dos experimentos realizados.

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4. Bibliografia

[1]GALLO, Carlos Alberto. Apostila 2º Laboratório de Eletrônica Básica para Mecatrônica: Osciloscópio.

[2] Osciloscopio.pdf. Disponível em:

<http://www.ceset.unicamp.br/~leobravo/TT%20305/O%20Osciloscopio.pdf> Acessado em: 08 abril. 2011 às 14:45hrs.

[3] Display.doc. Disponível em:

<http://www.pcs.usp.br/~jkinoshi/experiencia3.doc> Acessado em: 08 abril. 2011 às 15:25hrs.

[4] Osciloscopio.pdf. Disponível em:

<http://omnis.if.ufrj.br/~fisexp3/Roteiros/Aula2_wania.pdf>Acessado em: 08 abril. 2011 às 16:45hrs.

[5] Osciloscopio.pdf. Disponível em:

<http://www.if.ufrj.br/teaching/oscilo/intro.html> Acessado em: 08 abril. 2011 às 16:50hrs.

[6] Funcionamento do osciloscopio.pdf. Disponível em:

<http://www.del.ufms.br/tutoriais/oscilosc/oscilosc.htm> Acessado em: 08 abril. 2011 às 17:00hrs.

[7] Osciloscopio.pdf. Disponível em:

<http://www.fct.unl.pt/universalidade-dos-saberes/area-da-fisica/electromagnetismo/guioes/tpol-osc-gs-univsab.pdf> Acessado em: 09 abril. 2011 às 13:45hrs.

[8] Instrumentação.pdf. Disponível em:

<http://www.ee.pucrs.br/~jorgef/instrumentacao/AULA7_INSTRUMENTACAO.pdf>

[9] Osciloscópio I.pdf. Disponível em:

<http://pt.scribd.com/doc/22983739/Osciloscopio-I> Acessado em: 09 abril. 2011 às 14:30hrs.

[10] Uso do Osciloscopio.pdf. Disponível em:

<http://java.icmc.usp.br/books/iec/html/individual_assignments_osciloscope.html> Acessado em: 09 abril. 2011 às 14:45hrs.

[11] Osciloscopio.pdf. Disponível em:

<http://www.fisica.ufs.br/CorpoDocente/egsantana/elecmagnet/movimiento/osciloscopio/osciloscopio.htm> Acessado em: 09 abril. 2011 às 15:00hrs.

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