UFU - Universidade Federal de Uberlândia Femec – Faculdade de Engenharia Mecânica Curso de bacharelado em Engenharia Mecatrônica Prof. Dr. Carlos lberto !allo
Segundo Relatório de Eletrônica Básica para Mecatrônica: Osciloscópio
"le# de $ousa %ieira %ieira Murillo Candido de $ousa
&'()' &'('*
Uberlândia - M! Abril/2011
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO.....................................................................................................
+
2. TEÓRICOS................................................................................
,
FUNDAMENTOS
.*. scilosc/0io anal/gico.................................................................................. , .*.* Fonte de alimenta12o...................................................................................
3
.*. 4ubo de raios cat/dicos................................................................................ 3 .*.+ 5ase de tem0o..............................................................................................
)
.*., m0lificadores.............................................................................................
)
. scilosc/0ios digitais.....................................................................................
(
..* Dis0la6 de Cristal 789uido...........................................................................
(
3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL..................................................................... ' +.*. Medida de tens2o cont8nua............................................................................
'
+.*.* Medidas de tens:es cont8nuas 0ositivas....................................................... ' +.*. Medidas de tens:es cont8nuas negativas...................................................... & +. Medidas de tens2o alternada........................................................................... & +.+ Medidas de fre9u;ncia.................................................................................... *<
. C!"#l$%&!......................................................................................................... * '. R EFER(NCIAS )I)LIO*RÁFICAS...................................................................... *+
1. I"+r!,$-&! oscilosc/0io = um instrumento de medida eletrônico 9ue 0ermite observar> numa tela 0lana> gr?ficos bidimensionais> @teis A analise e 9uantifica12o de fenômenos el=tricos> 0ossibilitando medir tens:es cont8nuas> alternadas> 0er8odos> fre9B;ncias e defasagem com elevado grau de 0recis2o. oscilosc/0io = um instrumento muito corrente no laborat/rio de F8sica> de Eletricidade e Eletrônica. oscilosc/0io trata-se de um tubo de raios cat/dicos e foi inventado 0or Ferdinand 5raun> f8sico alem2o> em *'&(> 0or=m 0assou a ser comercialmente vi?vel a0/s a utilia12o do tubo de raios cat/dicos feita 0or elhnet em *&<3. 0esar de esse a0arelho 0ermitir a0enas a visualia12o e a an?lise de tens:es el=trica> a sua a0lica12o n2o se limita ao mundo da eletrônica. oscilosc/0io 0ermite observar muitos fenômenos e medir muitas grandeas> desde 9ue se use um a0arelho 9ue transforma um est8mulo f8sico> tal como o som> a lu> o calor> a 0ress2o e outros> em sinal el=trico> a0arelho este chamado de transdutor. ei#o horiontal re0resenta o tem0o e o vertical a tens2o> normalmente. im0edância 0adr2o de um oscilosc/0io resist;ncia interna = de *MG> de vees menor 9ue a de um mult8metro digital. trav=s do uso de uma 0onta de 0rova multi0licadora 0or #*<> a im0edância = multi0licada 0or *<> indo 0ara * a escala de *% 0assa a valer *<% com o uso dessa 0onteira es0ecial. s oscilosc/0ios s2o classificados basicamente de acordo com a fre9u;ncia m?#ima 9ue s2o ca0aes de mostrar com 0recis2o em seu visor. Um oscilosc/0io de 3MI at= consegue mostrar de maneira clara formas de onda com fre9B;ncias acima de 3MI em sua tela> 0or=m a am0litude do sinal ser? a0resentada menor do 9ue o seu valor real> im0edindo uma leitura mais 0recisa dos valores a0resentados.
+
2. F$","+!% Tri#!% oscilosc/0io = um instrumento utiliado 0ara visualia12o de voltagens 9ue variam com o tem0o. Ele = utiliado 0ara determina12o de am0litudes e fre9B;ncias de sinais de voltagem> bem como 0ara com0ara12o 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. O%#il!%#i! "li#! funcionamento do oscilosc/0io anal/gico se baseia em um fei#e de el=trons 9ue> defletido> choca-se contra uma tela fluorescente> esta> sensibiliada emite lu formando uma figura. de0end;ncia com o tem0o do fei#e se resolve faendo o fei#e de el=trons ser defletido em um ei#o de coordenadas similar ao sistema cartesiano> o 9ue nos leva a constru1:es gr?ficas bidimensionais. Por via de regra> o ei#o J corres0onde a defle#2o do fei#e com velocidade ou ta#a de deslocamento constante em rela12o ao tem0o. ei#o K = defletido como res0osta a um sinal de entrada> como 0or e#em0lo> uma tens2o a0licada A entrada vertical. resultado = a varia12o da tens2o de entrada de0endente do tem0o. 0arte 0rinci0al de um oscilosc/0io = o tubo de raios cat/dicos. Este tubo necessita> entretanto> usar uma s=rie de circuitos au#iliares ca0aes de controlar o fei#e desde sua gera12o at= o 0onto onde este incidir? sobre a tela.
,
Fi$r 14 O%#il!%#i! "li#!
oscilosc/0io anal/gico = com0osto das seguintes 0artesL •
Fonte de alimenta12o
•
4ubo de raios cat/dicos
•
5ase de tem0o
•
m0lificadores.
2.1.1 F!"+ , li"+-&! fonte de alimenta12o 0ossui a fun12o de fornecer os n8veis de tens2o c.c. necess?rias A o0era12o de cada circuito do oscilosc/0io. $endo assim> a fonte fornece as seguintes tens:es ao oscilosc/0ioL 5ai#a tens2o 0ara o filamento do 4NC> bai#a tens2o 0ara o filamento das v?lvulas do oscilosc/0io> bai#a tens2o 0ara o filamento das v?lvulas> ou v?lvulas retificadoras de alta tens2o> alta tens2o 0ara os ânodos das v?lvulas do oscilosc/0io> alta tens2o 0ara os ânodos do 4NC e tens2o muito alta 0ara o ânodo final dos tubos de raios cat/dicos. Utilia-se 0ara a obten12o destas tens:es> transformadores os 9uais devem reduir ao m?#imo o cam0o de dis0ers2o magn=tica> H? 9ue de outra forma este cam0o 0oderia influir desfavoravelmente sobre o tra1o luminoso na tela do tubo de raios cat/dicos. s diversas tens:es e#igidas 0elos circuitos s2o conseguidas 0or meio de divisores de tens2o.
2.1.2 T$b! , ri!% #+,i#!% tubo de raios cat/dicos = o com0onente de sa8da e de visualia12o do oscilosc/0io anal/gico. imagem observada resulta do embate do fei#e el=trico em uma tela constitu8da de material fosforescente e fluorescente.
Fi$r 24 T$b! , ri!% #+,i#!%
3
fei#e = gerado num c?todo a9uecido> com grande 9uantidade de el=trons livres 9ue s2o conduidos em dire12o A grelha e de0ois acelerados 0or um ânodo> ambos com 0otenciais 0ositivos em rela12o ao c?todo. fei#e = concentrado 0or el=trons de focagem e conduido 0ara a tela. energia contida nesta massa de el=trons> ao colidir na tela> = 0arcialmente convertida em energia luminosa formando um 0onto luminoso. tela = constitu8da 0or uma su0erf8cie revestida 0or f/sforo> 9ue = um elemento 9ue absorve a energia cin=tica dos el=trons> convertendo-a em energia luminosa.
2.1.3 )% , +! circuito de base de tem0o = determinado 0elas 0lacas de defle#2o horiontal. $endo assim> esse circuito determina 9ue o deslocamento do fei#e na dire12o horiontal ser? de0endente do tem0o. tens2o a0licada nas 0lacas horiontais = vari?vel e tem a forma de dente de serra. Durante o 0assar do tem0o a tens2o aumenta de valor 0rogressivamente at= atingir um 0onto m?#imo> onde logo em seguida cai bruscamente 0ara o seu valor inicial. tem0o transcorrido desde 9ue se inicia a eleva12o de tens2o at= o valor m?#imo = denominado tem0o de varredura e = igual ao tem0o 9ue o 0onto leva 0ara ir da es9uerda 0ara a direita. tem0o 9ue vai do valor m?#imo at= o valor inicial leva o nome de retorno.
2.1. Ali5i#,!r% obHetivo do am0lificador horiontal = 0ro0orcionar aos sinais 0rocedentes do circuito de base de tem0o> uma am0litude suficiente 0ara o desvio do fei#e de el=trons a toda a largura da tela. am0lificador horiontal deve am0lificar tanto os sinais em dente de serra 0rocedentes da base de tem0o> como os sinais 0rocedentes do e#terior a0licados A entrada J 9ue 0ossui a maioria dos oscilosc/0ios. sinal horiontal a am0lificar deriva-se geralmente da base de tem0o> do e#terior ou da rede ) recorre-se a um comutador de duas ou tr;s 0osi1:es 9ue se intercala entre o am0lificador horiontal e as fontes de sinais. am0lifica12o dos sinais em dente de serra deve ultra0assar am0lamente as bordas da tela> o 9ue 0ermite observar com nitide fra1:es da curva. Um oscilosc/0io deve ser ca0a de analisar sinais el=tricos dos valores mais diversos. Oormalmente> a sensibilidade de desvio do fei#e no 4NC> costuma ser de <%cm de altura> e de +<%cm de altura 9uando for corrente alternada. Q l/gico 0ensar 9ue 9uando o sinal a0licado a entrada vertical for da ordem de milivolts mV)> o desvio vertical mal ser? notado. Portanto> = 0reciso ter entre entrada de sinal e as 0lacas defletoras verticais um circuito am0lificador 9ue ele a um valor ade9uado o sinal 9ue se 9uer analisar. sensibilidade de defle#2o do oscilosc/0io = uma das caracter8sticas essenciais 9ue valoriam o a0arelho. 7ogo> 9uanto maior a sensibilidade a defle#2o> melhor ser? o a0arelho. !eralmente> o am0lificador vertical de um oscilosc/0io consta das seguintes 0artesL •
tenuador )
•
$eguidor Cat/dico
•
m0lificador.
2.2 O%#il!%#i!% ,ii+i% Oeste ti0o de oscilosc/0io> o sinal anal/gico de entrada = inicialmente convertido 0ara o dom8nio digital atrav=s de um conversor anal/gicodigital de alta velocidade> onde as ta#as de amostragem 0odem variar de alguns I at= !I de0endendo do conversor utiliado e da base de tem0o selecionada> sendo em seguida armaenado em uma mem/ria digital. 0/s o dis0aro sincronismo horiontal e um 0rocessamento matem?tico o0cional> o sinal = a0resentado em um dis0la6 digital de modo semelhante aos monitores de v8deo de com0utadores. s dados armaenados na mem/ria sob a forma de uma matri tens2o R tem0o 0odem sofrer um 0rocessamento matem?tico o0era1:es alg=bricas> m=dia> estat8stica> FF4> etc. e s2o transferidos 0ara a mem/ria de v8deo> sendo em seguida a0resentados no dis0la6> 9ue 0ode ser colorido ou monocrom?tico e do ti0o 4NC tubo de raios cat/dicos> cristal l89uido> 0lasma> etc. ti0o e as caracter8sticas do dis0la6 n2o interferem na 9ualidade de a9uisi12o do sinal. Princi0ais %antagens dos scilosc/0ios DigitaisL •
%isualia12o e armaenagem do sinal 0or tem0o indefinido
•
Ca0tura de sinais n2o 0eri/dicos e eventos @nicos no tem0o
•
%isualia12o do sinal antes do dis0aro 0re-trigger
•
Processamento matem?tico do sinal 0rocessadores r?0idos de @ltima gera12o
•
Possibilita medidas diversas no sinal de forma mais 0recisa e direta
•
%isualia12o est?tica de sinais na tela inde0endente de sua fre9B;ncia ou re0eti12o.
2.2.1 Di%l6 , Cri%+l L78$i,! ma célula de cristal líquido comp!e"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 con#guraç!es dese$adas para a e%ibição da informação. &s superfícies que estão em contato com o cristal líquido, são tratadas de forma a provocar a ancoragem das moléculas do cristal líquido paralelamente 's suas faces e segundo uma direção bem determinada. O alin(amento molecular pode, por e%emplo, ser produzido por uma camada muito #na de ó%ido de silício ou de )uoreto de magnésio depositada a v*cuo, segundo um +ngulo oblíquo, sendo control*vel tanto a direção como o +ngulo de ancoragem das moléculas, ou de forma mais
(
simples recobrindo a superfície do vidro com um #lme org+nico polimérico, tratado mecanicamente numa direção determinada, por e%emplo, por atrito com #bras vegetais ou animais.
Suando o material est? com sua estrutura n2o 0erturbada> ele 0ermite a 0assagem de lu 0elo seu meio. Suando se a0lica uma tens2o de maneira a faer com 9ue as mol=culas de ó%ido de silício, por e%emplo, colocadas na su0erf8cie das 0lacas de vidro se movam> a estrutura cristalina = 0erturbada e as caracter8sticas /0ticas do material se modificam> blo9ueando a lu. Suando cessa o movimento das mol=culas de ó%ido de silício> a estrutura cristalina se recom0:e> e o material volta a 0ermitir a 0assagem de lu. Percebe-se> 0ortanto> 9ue 0odem e#istir dois ti0os de dis0la6s de cristal l89uido> um refle#ivo> 9ue trabalha com ilumina12o frontal e 0ossui uma su0erf8cie refletora 0or tr?s e o transmissivo> 9ue a0resenta uma ilumina12o na sua 0arte traseira. Estes dis0ositivos> 0or e#igirem a0enas tens2o 0ara mover as mol=culas de ó%ido de silício> consomem muito 0ouca energia do sistema de controle> mas a0resentam como desvantagem um tem0o de vida menor 0or degenera12o do cristal l89uido> bem como menor confiabilidade e maior sensibilidade A radia12o ultravioleta encontrada em ambientes abertos origem solar.
3. Pr!#,i"+! E9ri"+l s 0rocedimentos feitos em aula> 0ara a utilia12o do oscilosc/0io> e as medi1:es nele realiadas ser2o descritas a seguir. material utiliado =L oscilosc/0io> bateria de & %> gerador de fun1:es e mult8metro.
3.1 M,i,% , T"%:% C!"+7"$% oscilosc/0io se com0orta como um volt8metro de alta im0edância> o 9ue lhe confere grande sensibilidade A tens2o e assim alta 0recis2o na re0resenta12o desses sinais. Como este e9ui0amento trabalha com escalas> as medi1:es s2o feitas multi0licando-se o valor indicado na 0osi12o da chave seletora de ganho vertical> escolhida de forma a ocu0ar a maioria tela> 0elo valor a0ontado 0elo tra1o na vertical em rela12o A origem. e#0erimento = feito com o uso de oscilosc/0io> fonte de tens2o C.C. bateria de & % e um mult8metro 0ara confer;ncia de valores. 9uest2o do sinal da tens2o fica a cargo da cone#2o do terra ao 0/lo da fonteL caso o terra esteHa ligado ao 0/lo negativo> obt=m-se uma tens2o 0ositiva caso contr?rio> obt=m-se uma tens2o negativa e o tra1o observado na tela = deslocado 0ara bai#o do ei#o.
3.1.1 M,i, , T"%&! C.C. P!%i+i; 0rocedimento de medida de tens2o de corrente cont8nua foi feito de acordo com o seguinte roteiroL •
7igar o oscilosc/0io e faer os aHustes b?sicos de resolu1:es da tela brilho> foco> etc.
•
Huste da chave base de tem0o 0ara * msdiv '
•
Huste do tra1o de refer;ncia no centro da tela
•
Cone#2o da 0onta de 0rova em um dos canais CI* ou CI
•
Posicionamento da chave de ganho vertical em %div escala mais a0ro0riada
•
Medi12o da tens2o da bateria de & %> utiliando o mult8metro
•
•
Cone#2o da 0onta de 0rova nos 0/los de sa8da da bateria> de modo 9ue o terra esteHa ligado ao 0/lo negativo e a entrada de sinal da 0onta de 0rova ligada ao 0/lo 0ositivo Medi12o do n@mero de divis:es> na vertical> atingido em rela12o ao tra1o.
4abela * mostra os valores obtidos. Q im0ortar observar 9ue o valor no oscilosc/0io a tens2o = o valor medido na escala vees o ganho vertical Tbl 1 < T"%&! , C.C. P!%i+i;
4ens2o Medida Mult8metro % ,
7eitura do scilosc/0io
4ens2o Medida no scilosc/0io% #T,
3.1.2 M,i, , T"%&! C.C. N+i; 0rocesso = id;ntico ao de medi12o de tens2o 0ositiva> e#cetuando-se ao modo como a 0onta de 0rova = conectada aos 0/los de sa8da da bateria. Oesse caso> conecta-se o 0/lo 0ositivo no terra da 0onta de 0rova e o 0/lo negativo na entrada de sinal da 0onta de 0rova. 4abela mostra as leituras obtidas no oscilosc/0io. Tbl 2 < T"%&! , C.C. N+i;
7eitura do scilosc/0io
4ens2o Medida no scilosc/0io %
-
- # T -,
3.2 M,i,% , T"%&! Al+r", 0rinci0al utilidade do oscilosc/0io = mesmo na medi12o de sinais alternados> 9ue s2o em sua maioria 0eri/dicos. forma gr?fica de re0resenta12o desses sinais e#0:e as 0rinci0ais caracter8sticas dos sinais alternados> 9ue s2oL am0litude> fre9u;ncia e fase. am0litude = o 0arâmetro necess?rio 0ara medir a tens2o. Para efetuar a leitura = necess?rio al=m do oscilosc/0io> um gerador de fun12o ou varivolt> e um mult8metro. s 0rocedimentos seguidos s2oL •
Nealia12o dos aHustes b?sicos da tela brilho> foco> etc.
•
Posicionamento da chave seletora de base tem0o em 3msdiv
•
Cone#2o da 0onta de 0rova no canal selecionado CI* ou CI &
•
•
7iga12o o gerador de fun12o A rede el=trica Posicionamento do cursor de gerador de fun12o obtendo sa8da m8nima 0raticamente nula
•
Posicionamento da chave seletora de modo de entrada 0ara a 0osi12o C
•
Escolha da chave seletora de ganho vertical em 3 %div
•
Cone#2o da 0onta de 0rova nos bornes do varivolt
•
Movimenta12o do cursor do varivolt at= a metade do cursor total
•
7eitura das tens:es de 0ico e de 0ico a 0ico.
s valores 9ue 0odem ser obtidos no oscilosc/0io s2oL tens2o de 0ico % 0 e tens2o de 0ico a 0ico % 00 sendo 9ue a rela12o entre elas = de acordo com a e9ua12o *. * trav=s desses valores do oscilosc/0io = 0oss8vel obter o valor efica da tens2o % ef . Esse valor efica da tens2o = o 9ue se obt=m ao medir tens2o alternada com um mult8metro e = calculado segundo a rela12o da e9ua12o . s valores obtidos no gerador de fun12o e no oscilosc/0io est2o a0resentados na 4abela +. Tbl 3 < T"%:% Al+r",%
4ens2o Medida no Mult8metro %
4ens2o de Pico a Pico no scilosc/0io % 00
4ens2o de Pico no scilosc/0io % 0
4ens2o de Efica Calculada %ef
)>,3 %
*'>+< %
&>*3 %
)>,3 %
3.3 M,i,% , Fr8$="#i s sinais alternados 0ossuem a caracter8stica da fre9u;ncia f> 9ue = calculada como sendo o inverso do 0er8odo 4 e est? re0resentada na e9ua12o +. + oscilosc/0io 0ossui o ei#o de tem0o e isto torna 0oss8vel calcular o 0er8odo desse sinal alternado e a 0artir da8 a sua fre9u;ncia. Para a realia12o dessa medi12o s2o necess?riosL oscilosc/0io e gerador de fun12o. 0er8odo = calculado atrav=s do 0roduto do n@mero de divis:es horiontais de um ciclo e do tem0o de uma divis2o. s 0rocedimentos 0ara os c?lculos do 0er8odo e> *<
conse9uentemente> da fre9u;ncia s2oL •
cionamento do oscilosc/0io e aHustagem b?sica da tela
•
Posicionamento da chave seletora de ganho vertical em 3 %div
•
Posicionamento da chave de modo de sincronismo no canal * CI*
•
Posicionamento da chave de modo de entrada em .C.
•
Cone#2o da 0onta de 0rova do canal ao varivolt
•
Hustagem> no gerador de fun12o> de uma fre9u;ncia de * I> senoidal
•
•
tua12o na chave seletora de base de tem0o at= atingir o menor n@mero 0oss8vel de ciclos com0letos na tela medida 9ue verifica maior 0recis2o na mensura Nealia12o da leitura do 0er8odo na tela do oscilosc/0io.
Para a fre9u;ncia no varivolt de * I> a leitura do 0er8odo obtida foi de 4T*ms> o 9ue resulta em uma fre9u;ncia de * I> e confere maior confian1a nos resultados. Uma s=rie de fre9B;ncias aHustadas est2o calculadas na 4abela ,. Q im0ortante observar 9ue o oscilosc/0io a0resenta maior 0recis2o em rela12o ao gerador de fun12o. Tbl < Pr7!,!% Fr8$="#i% M,i,%
7eitura no !erador de Fun1:es '<< I <<< I 3<<< I *3 I *3< I
Per8odo 4 *>3 ms 3<< Vs ,< Vs )) ms )>( ms
Fre9u;ncia I com oscilosc/0io '<< <<< 3<<< *3>< *,&
**
. C!"#l$%&! s=rie de medidas realiadas e os dados calculados foram satisfat/rios e revelam o bom funcionamento do oscilosc/0io e a coer;ncia dos seus gr?ficos. larga utilidade dos oscilosc/0ios> em ind@strias e laborat/rios> torna necess?rio seu entendimento e com0reens2o aos alunos. 0r?tica realiada a0ro#imou bem o aluno do e9ui0amento> 0ara 9ue na vida 0r?tica ele H? esteHa ambientado ao e9ui0amento. variedade de fun1:es e#ercidas 0elo oscilosc/0io foi e#0licitada did?tica e 0raticamente 0or meio dos e#0erimentos realiados.
*
. )ibli!r5i
W*X!77> Carlos lberto. 0ostila Y 7aborat/rio de Eletrônica 5?sica 0ara MecatrônicaL scilosc/0io. WX scilosco0io.0df. Dis0on8vel emL Zhtt0L[[[.ceset.unicam0.br\leobravo44]<+<3]<scilosco0io.0df ^ cessado emL <' abril. <** As *,L,3hrs. W+X Dis0la6.doc. Dis0on8vel emL Zhtt0L[[[.0cs.us0.br\Hinoshie#0eriencia+.doc^ cessado emL <' abril. <** As *3L3hrs. W,X scilosco0io.0df. Dis0on8vel emL Zhtt0Lomnis.if.ufrH.br\fise#0+Noteirosula_[ania.0df ^cessado emL <' abril. <** As *)L,3hrs. W3X scilosco0io.0df. Dis0on8vel emL Zhtt0L[[[.if.ufrH.brteachingoscilointro.html^ cessado emL <' abril. <** As *)L3
W**X scilosco0io.0df. Dis0on8vel emL Zhtt0L[[[.fisica.ufs.brCor0oDocenteegsantanaelecmagnetmovimientooscilosco0iooscil osco0io.htm^ cessado emL <& abril. <** As *3L<
*,
