Departamento de Matemática e Ciências Experimentais

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1 Departamento de Matemática e Ciências Experimentais Física e Química A -.º Ano Actividade Prático-Laboratorial AL. Física Assunto: Osciloscópio Questão-problema Perante o aumento da criminalidade tem-se especulado sobre a possibilidade de formas de identificação alternativas à impressão digital. Uma dessas formas poderia ser pela voz. Utilizando um osciloscópio, propor um método que permita concretizar a identificação individual desse modo. Objetivos - Familiarizar os alunos com o osciloscópio, realizando algumas medições com ele, e obter uma resposta à questão problema. Questões pré-laboratoriais Um osciloscópio é um aparelho que mostra sinais elétricos num ecrã. Um feixe de eletrões é emitido por um filamento aquecido dentro de um tubo sem ar e bate no ecrã, produzindo aí uma cintilação. A amplitude e o período de um sinal podem medir-se diretamente no ecrã do osciloscópio. A amplitude indica a tensão (diferença de potencial, d.d.p.) do sinal elétrico recolhido, pelo que o osciloscópio pode ser utilizado como voltímetro. É possível observar-se simultaneamente dois sinais que entram por canais diferentes, e compararem-se amplitudes e períodos. O osciloscópio mede tensões em circuitos com correntes contínuas (sigla DC, do inglês direct current), ou tensões variáveis no tempo como nos circuitos com corrente alternada (sigla AC, do inglês alternating current) usada em nossas casas. Figura

2 . Uma fonte de tensão é ligada a um canal do osciloscópio. Devido à tensão aplicada, o feixe de eletrões do osciloscópio é puxado para cima ou para baixo. Maior afastamento em relação à linha inicial significa uma maior tensão aplicada. A escala da tensão é controlada por um botão com a indicação VOLT / DIV, que indica o valor da tensão correspondente à maior divisão da escala vertical do ecrã. Por exemplo, se o botão se encontrar em 0 mv e a deflexão vertical for de 4. divisões, a tensão será: tensão = número de divisões na escala vertical x tensão / divisão tensão = 4. x 0 mv = 4 mv Note que, para se medir uma tensão, a ligação entre a fonte de tensão e o osciloscópio tem de ser feita em paralelo. Explique porquê?. Ligou-se uma fonte de tensão contínua (que produz corrente contínua) ao osciloscópio. A «linha de base», que estava centrada no ecrã, deu um «salto», vertical, correspondente a.5 divisões, utilizando a escala V / divisão. Qual é a tensão fornecida pela fonte?. Em seguida fez-se o mesmo tipo de ligação mas a uma fonte de tensão alternada (que produz uma corrente alternada), observando-se um sinal sinusoidal. A tensão é variável no tempo e dada por V = V máx sin( t), onde V máx é a amplitude da onda observada no ecrã. Fez-se a medição da distância pico a pico, isto é, do máximo ao mínimo, para minimizar erros Vpp experimentais, figura e obteve-se 4.6 divisões para uma escala de 5 mv / divisão, Vmáx. Qual é o valor de V máx? Figura

3 4. Ao associar em paralelo a fonte de tensão alternada anterior a um voltímetro, verifica-se que o valor registado no voltímetro não coincide com o valor lido no osciloscópio, V máx, mas é inferior. A tensão medida no voltímetro é denominada tensão eficaz. A tensão eficaz, V ef do voltímetro, relaciona-se com a tensão máxima, V máx do osciloscópio, através Vmáx da expressão Vef. Qual seria o valor lido num voltímetro que medisse a tensão fornecida pela fonte de tensão alternada da alínea anterior? A expressão V = V rnáx sin ( t) caracteriza o sinal sinusoidal observado no ecrã do osciloscópio. Como determinar a frequência? Após estabilizar um sinal no ecrã, podemos medir um intervalo de tempo a partir da escala horizontal e do botão BASE DE TEMPO do osciloscópio (TIME / DIV), que indica o tempo que o feixe de eletrões demora a percorrer a maior divisão da escala horizontal (pode ser expresso em s, ms ou s). O tempo mede-se da seguinte forma: tempo = número de divisões na escala horizontal x tempo / divisão. Por exemplo, se dois ciclos completos da onda corresponderem 5 divisões na escala horizontal e se a base desse tempo indicar ms / div, o tempo é 5 x ms = 0 ms. Este é o tempo de dois ciclos completos, isto é, dois períodos. Logo, T = 5 ms e f = 00 Hz. Considere um sinal, figura, onde um ciclo corresponde a.6 divisões e a base de tempo indica 0 s/div. Figura Tenha em conta os pontos e 4 anteriores. Qual é o período e a frequência do sinal? Escreva a expressão V = V máx sin ( t) para este sinal, substituindo os valores da amplitude e da frequência angular. Comandos Fundamentais do Osciloscópio O painel frontal de um osciloscópio típico (Figura 4) engloba o ecrã (assinalado a vermelho) e um conjunto de comandos divididos em grupos, organizados segundo a sua funcionalidade. Existe um grupo de comandos para o controlo do eixo dos YY (amplitude do sinal, a verde), outro para o controlo do eixo dos XX (tempo, a castanho) e outro ainda para controlar os parâmetros do ecrã (indicados a azul). Existe também um conjunto de terminais de entrada e saída de sinais (amarelo).

4 Estes grupos de comandos existem para permitir a visualização e análise de sinais de características diversas, nomeadamente com uma gama significativa de amplitudes e frequências. Figura 4 Comandos do ecrã Comandos do Sistema Horizontal (base de tempo) TIME/DIV Ajuste discreto (e calibrado) da velocidade de varrimento. POWER Interruptor de ligar / desligar. SWP VAR Ajuste contínuo (descalibrado) da INTENSITY Intensidade do traço. velocidade de varrimento. FOCUS Focagem do feixe. POSITION Desloca o sinal na horizontal. TRACE ROTATION Rotação do traço. (rodar botão) PULL X0 MAG Multiplicador horizontal de 0 vezes (puxar botão) x0. Comandos/entradas do sistema vertical (CH e CH) Comandos/entradas do sistema de sincronismo (trigger) TRIG IN Terminal de ligação de uma fonte de sincronismo externa. INPUT Terminal de ligação do sinal. SOURCE Fonte do sistema de sincronismo (INT, AC/GND/DC Acoplamento de entrada. LINE, EXT). VOLTS/DIV Ganho vertical (ajuste discreto) INT TRIG Fonte de sincronismo interna (CH, POSITION Posicionamento vertical CH, VERT MODE). (PULL INVERT) (inversão da polaridade só MODE Sistema de sincronismo (AUTO, NORM, CH). TV-V, TV-H). MODE Modo de visualização (CH, LEVEL Nível de Trigger. CH, ALT, CHOP, ADD). (rodar botão) PULL (-) SLOPE Inclinação de Trigger. (puxar botão) 4

5 Trabalho Laboratorial Material e equipamento Osciloscópio Fonte de tensão contínua Fonte de tensão alternada Multímetro Microfone Fios de ligação Ponta de prova a Parte Pré-ajuste dos comandos Pré-ajuste dos comandos do ecrã POWER = ON INTENSITY = Meio da escala FOCUS = Meio da escala Pré-ajuste dos comandos do sistema horizontal TIME/DIV = Meio da escala SWP/VAR = Desligado Posição de "calibrado" POSITION = Meio da escala Pré-ajuste dos comandos do sistema vertical MODE = CH Modo de visualização AC-GND-DC = GND Para ajustar a posição do traço POSITION = Meio do ecrã AC-GND-DC = DC Para visualizar o sinal sem filtragem da componente DC VAR/PULL x5 GAIN = Desligado Posição de "calibrado" VOLTS/DIV = Meio da escala Pré-ajuste dos comandos do sistema de sincronismo MODE = AUTO SOURCE = INT LEVEL = Meio da escala INT TRIG = CH 5

6 ª Parte Medição de tensões contínuas. Medição da tensão aos terminais da fonte de alimentação.. Regule o botão do multímetro para que funcione como voltímetro... Coloque o multímetro em DC... Ligue a fonte de alimentação e regule a tensão para 0 V..4. Ligue o multímetro, em paralelo, à fonte de alimentação em DC..5. Verifique se a tensão lida no multímetro é a mesma que a da fonte de alimentação..6. Registe o valor lido pelo voltímetro..7. Desligue o voltímetro e retire-o da fonte de alimentação. Quadro medição da tensão no voltímetro Ensaio V ef / V V ef / V. Medição da tensão no osciloscópio.. Verifique se o sinal (linha de base) se encontra em cima da linha horizontal da escala... Ligue a ficha BNC da ponta de prova ao CH do osciloscópio... Verifique o fator de amplificação da ponta de prova (X0 ou X)..4. Ligue a ponta de prova à fonte de alimentação..5. Coloque o comando AC-GND-DC em DC..6. Se necessário ajuste o botão VOLT / DIV na escala vertical para maior facilidade de leitura..7. Verifique o "salto" do sinal..8. Meça no eixo vertical do ecrã a diferença de potencial e registe esse valor..9. Compare a diferença de potencial lida no osciloscópio com a do voltímetro. Quadro medição da tensão no osciloscópio Ensaio V máx / V V máx / V V ef / V 6

7 ª Parte Medição de tensões alternadas. Medição da tensão aos terminais da fonte de alimentação.. Regule o botão do multímetro para que funcione como voltímetro... Coloque o multímetro em AC... Ligue a fonte de alimentação e regule a tensão para 0 V..4. Ligue o multímetro, em paralelo, à fonte de alimentação em AC..5. Verifique se a tensão lida no multímetro é a mesma que a da fonte de alimentação..6. Registe o valor lido pelo voltímetro..7. Desligue o voltímetro e retire-o da fonte de alimentação. Quadro medição da tensão no voltímetro Ensaio V ef / V V ef / V. Medição da tensão no osciloscópio.. Pré-ajuste os comandos... Ligue a entrada BNC da ponta de prova ao CH do osciloscópio... Coloque o fator de amplificação da ponta de prova em X ou X0..4. Ligue a ponta de prova à fonte de alimentação em AC..5. Coloque o comando AC-GND-DC em AC..6. Posicione o sinal na escala de modo a facilitar a leitura..7. Meça a tensão pico a pico (V pp ) e registe esse valor..8. Calcule o valor da tensão eficaz..9. Compare o valor da tensão eficaz com o valor lido no multímetro em..0. Meça o período do sinal e registe esse valor... Escreva a expressão V = V máx sin ( t) para este sinal. Quadro 4 medição da tensão no osciloscópio Ensaio V pp / V V pp / V V máx / V V ef / V T / s T / s V = 7

8 4ª Parte Registo de voz e som do diapasão. Ligue um microfone ao CH do osciloscópio.. Utilizando a voz, emita um som correspondente a uma das letras (a, e, i, o, u) e o nome de um elemento do grupo. Todos os elementos do grupo devem emitir as mesmas letras e o mesmo nome.. Utilize um diapasão e registe o sinal emitido por ele. 4. Registe as suas observações. Registo de Observações NOME: SOM : SOM : SOM (Diapasão): Pós-Laboratório A partir das conclusões que retirou das observações efetuadas, discuta em grupo uma forma de identificação, em alternativa à impressão digital, de modo a dar resposta à questão problema. Prof. Luís Perna 8