relatório - equipamentos osciloscópio e gerador de funções

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Este relatório tem como objetivo nos familiarizar com a utilização do osciloscópio e do gerador de funções.

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Page 1: Relatório - Equipamentos Osciloscópio e Gerador de Funções

Universidade Federal do ParáInstituto de Tecnologia

Faculdade de Engenharia QuímicaLaboratório Básico III

Professor: Daniel Rodrigues

RELATÓRIO REFERENTE AO ESTUDO DOS EQUIPAMENTOS OSCILOSCÓPIO E GERADOR DE

FUNÇÕES

Equipe:

Henrique Fernandes Figueira Brasil 09025000801

Luana Cristina Lopo Ramos 09025003301

Raimunda Nonata Consolação e Branco 09025002901

BELÉM/PA04 de abril de 2011

Page 2: Relatório - Equipamentos Osciloscópio e Gerador de Funções

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, o qual se encontra neste trabalho.

Page 3: Relatório - Equipamentos Osciloscópio e Gerador de Funções

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: amplitude, frequência e fase.

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.

Figura 1 – Imagem frontal de um osciloscópio

Page 4: Relatório - Equipamentos Osciloscópio e Gerador de Funções

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 VP e –VP, respectivamente. Assim, poderá ser

medido no osciloscópio o valor de pico (Vp) e o valor de pico a pico (Vpp). Na figura

abaixo é apresentado o diagrama representativo da forma de dependência da tensão (em

corrente alternada) em função do tempo.

Page 5: Relatório - Equipamentos Osciloscópio e Gerador de Funções

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 (Vpp)

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:

V (t )=V p . sen(wt+Ø 0)

Sendo, V(t) a função (tensão ou corrente) no domínio do tempo, Vp a amplitude

ou valor máximo (valor de pico), ω a frequência angular em radianos por segundo, t é o

tempo em segundos e Ø0 o ângulo de fase, em radianos.

2.2. GERADOR DE FUNÇÕES

Page 6: Relatório - Equipamentos Osciloscópio e 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, com 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 V0 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 = 103 Hz),

período T =1ms (1ms = 10-3s ), amplitude V0 =1V e tensão pico a pico = 2V.

Page 7: Relatório - Equipamentos Osciloscópio e Gerador de Funções

Figura 5 - Formas de onda quadrada e senoidal com período T = 1 ms e amplitude V0 =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.

Figura 6 - Painel do gerador de funções

(1) Botão liga-desliga: serve para ligar e desligar o aparelho;

(2) Chave de controle da amplitude de sinal: esta chave controla a amplitude em

volts do sinal de voltagem gerado;

(3) Chave de controle de sinal contínuo: esta chave permite adicionar um certo

valor de voltagem que não varia com o tempo. Esta voltagem constante é denominada

de voltagem DC (do inglês “direct current”);

(4) Sinal de saída: sinal gerado pelo gerador. O sinal gerado tem frequência

variando de fração de Hz até MHz (106 Hz) e amplitude variando de 0 a 10V. Junto

dessa chave há informação sobre a voltagem pico-a-pico;

Page 8: Relatório - Equipamentos Osciloscópio e Gerador de Funções

(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 de função: serve para selecionar o tipo de onda a ser gerada;

(7) Seletor de faixa de frequência: permitem selecionar a faixa de frequência do

sinal gerado que seja adequada ao 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.

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 analisado.

Abaixo se encontra uma fotografia do osciloscópio e do gerador de funções

usados em nossas aulas:

Figura 7 - Gerador de funções e osciloscópio

Page 9: Relatório - Equipamentos Osciloscópio e Gerador de Funções

3. PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS

Utilizando um gerador de funções (modelo VC2002), um osciloscópio (MO-

2025) 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 (Vp) 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 Intervalo de freqüência (Hz)1 [0,2 – 4]2 [4 – 40]3 [40 – 400]4 [400 – 4k]5 [4k – 50k]6 [30k – 300k]7 [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.

Utilizando os dados encontrados, calculou-se a frequência angular (ω) e a função

de onda foi determinada. Para o cálculo desta função poderia ser utilizado o valor de f,

mas para fins experimentais, utilizou-se T.

Experimento 1

Vp = 2 Vac

f = 200 Hz

Tobservado = 5 ms

ω=2 πT

∴ω= 2π

5. 10−3∴ω=400 π

Page 10: Relatório - Equipamentos Osciloscópio e Gerador de Funções

Utilizando a função V ( t )=Vp . sen (ωt+Ø ), temos:

V ( t )=2. sen (400 π t+Ø )

Experimento 2

Vp = 3,6 Vac

f = 1 kHz

Tobservado = 1 ms

ω=2 πT

∴ω= 2 π

1. 10−3∴ω=2000 π

Portanto,

V ( t )=3,6. sen (2000 π t+ Ø)

Experimento 3

Vp = 500 mVac

f = 100 kHz

Tobservado = 10 μs

ω=2 πT

∴ω= 2π

10. 10−6∴ω=200.000 π

Portanto,

V ( t )=500.10−3 . sen(200.000 πt+Ø )

Experimento 4

Vp = 200 mVac

f = 1 MHz

Tobservado = 1 μs

ω=2 πT

∴ω= 2π

1. 10−6∴ω=2.000 .000π

Portanto,

V ( t )=200.10−3 . sen(2.000 .000 πt+Ø )

Page 11: Relatório - Equipamentos Osciloscópio e Gerador de Funções

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 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.

Page 12: Relatório - Equipamentos Osciloscópio e Gerador de Funções

5. BIBLIOGRAFIA

HALLIDAY, David; RESNIK, Robert; WALKER, Jearl. Fundamentos de Física,

Volume 3: Eletromagnetismo,  8ª Edição, Rio de Janeiro:  LTC,  2009.

http://msomeletronica.com.br/apostilas/eletronica_basica/

gerador_de_funcoes.pdf, acessado em 27 de março de 2011.

http://omnis.if.ufrj.br/~fisexp3/Roteiros/Aula3.pdf, acessado em 27 de março de

2011.

http://www.apuzzo.hpg.ig.com.br/osc/osc_5.htm, acessado em 27 de março de

2011.

http://www.deetc.isel.ipl.pt/electronica/leic/fae/pratica/

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http://www.del.ufms.br/tutoriais/oscilosc/oscilosc.htm, acessado em 26 de março

de 2011.

http://www.eletronicadidatica.com.br/equipamentos/gerador_funcoes/

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http://www.notapositiva.com/pt/trbestbs/fisica/11osciloscopio.htm, acessado em

26 de março de 2011.

http://www.prof2000.pt/users/labcom/antigo/comunicacoes/curtasdist/AL21/

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