Universidade Federal do Pará Instituto de Tecnologia Faculdade de Engenharia Química Laboratório Básico III Professor: Daniel Dani el Rodrigues
RELATÓRIO REFERENTE AO ESTUDO DOS EQUIPAMENTOS OSCILOSCÓPIO E GERADOR DE FUNÇÕES
Equipe: Henrique Fernandes Figueira Brasil Brasil 09025000801 09025000801 Luana Cristina Lopo Ramos 0902500330 090250033011 Raimunda Nonata Consolaçã Cons olaçãoo e Branco Branc o 09025002901
BELÉM/PA 04 de abril de 2011
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1.
OBJETIVO O presente trabalho tem como objetivo nos familiarizar com a utilização do
osciloscópio e do gerador de funções, os quais serão utilizados principalmente para circuitos de corrente alternada (AC). Os experimentos relacionados a esses instrumentos foram realizados no Laboratório de Física-Ensino da Universidade Federal do Pará, sob supervisão do professor Daniel Rodrigues. A partir de então foi proposto um conhecimento mais aprofundado sobre o assunto, ass unto, o qual se encontra neste nest e trabalho.
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2.
DESENVOLVIMENTO 2.1.
OSCILOSCÓPIO
O osciloscópio é basicamente um analisador gráfico, ele é um instrumento que permite obter os valores instantâneos de sinais elétricos rápidos numa tela plana e caracterizá-los quantitativamente, tais como a diferença de potencial (ddp) em função do tempo, ou em função de outra ddp. Sem dúvida, a aplicação mais comum de um osciloscópio é na observação de sinais alternados. Existem diversas formas de sinais alternados, muitos deles com forma bastante complexa. Os sinais senoidais ou cossenoidais, entretanto, possuem algumas características de fácil análise. Basicamente são três as características deste tipo de sinal, são elas: a mplitude, mplitude, frequência e fase. fas e. Assim, o osciloscópio irá fornecer uma representação visual de qualquer forma de onda aplicada aos seus terminais de entrada (canais). Um tubo de raios catódicos, semelhante a um tubo de televisão, fornece uma tela de visualização mostrando a forma do sinal aplicado à face do tubo, deixando uma amostra do sinal que é aplicado aos seus canais. O osciloscópio pode ser de dois tipos: analógico e digital. Devido às nossas aulas serem somente com o osciloscópio digital, iremos falar somente sobre esse tipo de osciloscópio.
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Para descrever um osciloscópio, primeiramente temos que falar sobre a tela desse equipamento. Observa-se que existem algumas marcas na tela que a dividem tanto na vertical como na horizontal, formando o que se chama de reticulado ou retícula. A separação entre duas linhas consecutivas do reticulado constituem o que se chama de divisão. Normalmente, o reticulado possui 10 divisões horizontais por 8 verticais de mesmo tamanho (cerca de 1 cm), o que forma uma tela mais larga que alta. Nas linhas centrais, tanto na horizontal como na vertical, cada divisão ou quadro possui algumas marcas que a dividem em 5 partes iguais.
Figura 2 - Imagem da tela de um osciloscópio
Para explicarmos o funcionamento do osciloscópio devemos falar também sobre tensão. Geralmente, quando falamos de tensão, queremos expressar a diferença de potencial elétrico, expressado em volts, entre dois pontos de um circuito. Como normalmente um dos pontos é 0 volts, então simplificamos falando da tensão no ponto A, por exemplo. As tensões podem também ser medidas de pico a pico (entre o valor máximo e o mínimo do sinal). O osciloscópio é um dispositivo utilizado para medir tensão de forma direta. Outras medidas podem ser realizadas a partir desta por simples cálculo (por exemplo, as de intensidade de corrente ou de potência). Os cálculos para sinais de corrente alternada podem ser complicados, mas sempre o primeiro passo para medir outras grandezas será iniciar pela tensão. A amplitude, ou os valores máximo positivo e máximo negativo da tensão são definidos com a tensão de pico V P e ±VP, respectivamente. Assim, poderá ser medido no osciloscópio o valor de pico (V p) e o valor de pico a pico (Vpp). Na figura abaixo é apresentado o diagrama representativo da forma de dependência da tensão (em
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Figura 3 - Diagrama de dependência da tensão AC em função do tempo, indicando também o valor de pico (Vp) e o valor de pico a pico (V pp)
Realizar a medida de tensões com um osciloscópio é fácil, feita simplesmente através da contagem do número de divisões verticais que o sinal ocupa na tela. Ajustando o sinal com o comando de posicionamento horizontal podemos utilizar as subdivisões do reticulado para realizar uma medida mais precisa, sabendo que uma subdivisão equivale geralmente a 1/5 do que representa uma divisão completa. É importante que o sinal ocupe o máximo espaço da tela para que realizemos medidas confiáveis. De maneira semelhante à medição da tensão, outra medida que podemos fazer com o osciloscópio é o período e para isso utiliza-se a escala horizontal do aparelho. A frequência é uma medida indireta e pode ser feita calculando-se o inverso do período. Do mesmo modo que ocorria com as tensões, a medida de períodos será mais precisa se o tempo referente ao objeto de medida ocupar a maior parte da tela. Se centralizarmos o sinal utilizando o comando de posicionamento vertical poderemos utilizar as subdivisões para realizar uma medida mais precisa. Por fim, o formato senoidal de corrente e tensão em correntes alternadas pode ser descrita matematicamente pela expressão: expressão: ]
Sendo, V(t) a função (tensão ou corrente) no domínio do tempo, V p a amplitude ou valor máximo (valor de pico), a frequência angular em radianos por segundo, t é o
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2.2.
GERADOR DE FUNÇÕES
Gerador de funções ou gerador de sinais é um aparelho eletrônico que gera voltagens variáveis como funções do tempo e é utilizado para calibrar e reparar circuitos eletrônicos. É um equipamento que fornece tensões elétricas com diversas formas de onda chamadas de sinais elétricos, elétricos, com amplitudes amplitudes e frequências variáveis. As ondas geradas são periódicas, de período T dado em segundos, frequência f (dada em Hz) e amplitude V0, assemelhando-se a uma onda. É por esse motivo que cada função de voltagem gerada é denominada de forma de onda. São três as principais formas de onda geradas: quadrada, senoidal e triangular.
Figura 4 - Formas de ondas geradas pelo gerador de funções
A voltagem gerada pode ter valores positivos ou negativos em relação a uma referência que é denominada de GND ou terra. A amplitude V 0 da forma de onda corresponde ao valor máximo, em módulo, da voltagem gerada em relação à referência (terra). Várias são as informações que podem ser obtidas a partir da análise das formas de ondas fornecidas pelo gerador de funções, como frequência f, período T, amplitude V0 e tensão pico a pico, que é máximo valor máximo de amplitude do sinal que o gerador pode fornece. Na figura 5 mostra-se um gráfico de duas formas de onda, quadrada e senoidal, que foram geradas com uma frequência f =1kHz (1kHz = 10 3 Hz), período T =1ms (1ms = 10 -3s ), amplitude V 0 =1V e tensão pico a pico = 2V.
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Figura 5 - Formas de onda quadrada e senoidal com período T =
1
ms e amplitude V 0 =1 V
O painel do gerador de funções possui uma série de dispositivos de controle que servem para ajustar o equipamento de acordo com o trabalho que se deseja realizar. A figura abaixo mostra um desenho esquemático do painel do gerador de funções com seus principais componentes enumerados.
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(5) Sinal de sincronismo: sinal complementar gerado com amplitude fixa, usualmente menor que 5V, e a mesma frequência do sinal de saída. Em situações normais ele não é utilizado. Em alguns casos, quando a amplitude do sinal de saída é muito pequena, e não conseguimos observar o sinal no osciloscópio, temos a opção de usar o sinal de sincronismo como sinal externo para sincronizar o osciloscópio e o gerador; (6) Botões seletores seletor es de função: serve para selecionar selecionar o tipo de onda a ser s er gerada; (7) Seletor de faixa de frequência: permitem selecionar a faixa de frequência do sinal gerado que seja adequada a dequada ao experimento experimento a ser realizado; (8) Chave de ajuste da frequência: esta chave permite variar continuamente a frequência de 0,2 a 2,0 vezes o valor da faixa de frequência selecionada pelos botões do item (7); (9) Botão de inversão: esta chave multiplica o sinal gerado por menos um; (10) Seletor de faixa de amplitude: esta chave limita a amplitude do sinal de saída gerado a 1V. 1 V. Sendo assim, podemos afirmar que o uso do gerador de funções está intimamente ligado ao do osciloscópio, pois este permite a visualização do sinal em sua tela, fornecendo dados importantes acerca do circuito que está sendo s endo analisado. Abaixo se encontra uma fotografia do osciloscópio e do gerador de funções usados em nossas aulas:
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3. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS Utilizando um gerador de funções (modelo VC2002), um osciloscópio (MO2025) e um cabo BNC, foram realizados quatro experimentos para praticar o ajuste do gerador e leitura do osciloscópio. Em cada experimento foi dado o valor da tensão de pico (V p) e da frequência de onda ( f ). ). Primeiramente, fez-se o ajuste de frequência no gerador através do botão range para a determinação da faixa a ser utilizada, seguindo as informações contidas na tabela abaixo: Faixa 1 2 3 4 5 6 7
Intervalo de freqüência (Hz) [0,2 ± 4] [4 ± 40] [40 ± 400] [400 ± 4k] [4k ± 50k] [30k ± 300k] [200k ± 2M]
Após a determinação da faixa requerida, ajustou-se o valor da freqüência no gerador utilizando o botão FADJ . Posteriormente, após ajuste no osciloscópio para melhor visualização da onda, utilizou-se o botão AADJ do gerador para ajustar a amplitude da onda de acordo com o que foi proposto. Quando necessário, ajustou-se a escala vertical no osciloscópio, através do botão VOLT/DIV , para uma melhor segurança quanto ao valor ajustado. Finalmente, fez-se o ajuste da escala horizontal de tempo no osciloscópio, através do botão SEC/DIV , para uma melhor visualização do período (T) da onda senoidal.
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Utilizando a função ] , temos: ] ]
Experimento 2
Vp = 3,6 Vac f = 1 kHz Tobservado = 1 ms
Portanto, ]
Experimento 3
Vp = 500 mV ac f = 100 kHz
Tobservado = 10 s
Portanto, ]
Experimento 4
Vp = 200 mVac f = 1 MHz
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4. CONCLUSÃO A partir do estudo dessa parte da física laboratorial, tivemos acesso a dois instrumentos importantes: o gerador de funções e o osciloscópio. O gerador de funções funciona semelhantemente a uma bateria, porém sua ddp pode variar com o tempo. Já o osciloscópio funciona como o voltímetro, podendo medir ddp's variáveis com o tempo. Uma das grandes dificuldades que os técnicos enfrentam na reparação de circuitos eletrônicos é esta: os fenômenos que ocorrem nos componentes eletrônicos são abstratos, ou seja, tudo acontece sem que se possa ver. Consequentemente, toda a reparação é feita também ta mbém a partir de raciocínios, de forma abstrata. Daí a importância do osciloscópio para o técnico, acoplado com um gerador de funções. É com ajuda desses instrumentos que variações de tensão em um componente do circuito são transformadas em figuras, isto é, em formas de ondas mostradas em uma tela. Isso torna possível a análise do comportamento do componente analisado dentro do circuito a ser reparado.
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5. BIBLIOGRAFIA y
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8ª
Edição, Rio de
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