EEL211 LABORATÓRIO DE CIRCUITOS ELÉTRICOS I LABORATÓRIO N O 2: OSCILOSCÓPIO E GERADOR DE FUNÇÕES

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1 EEL211 LABORATÓRIO DE CIRCUITOS ELÉTRICOS I LABORATÓRIO N O 2: OSCILOSCÓPIO E GERADOR DE FUNÇÕES 1 OSCILOSCÓPIO O osciloscópio é a janela através da qual observamos o mundo eletrônico. O painel frontal do osciloscópio está organizado em quatro seções: Display Vertical Horizontal Trigger Os controles do DISPLAY atuam diretamente no TRC - Tubo de Raios Catódicos. Estes controles como BRILHO (ou INTENSIDADE) e FOCO afetam o display (traço) mas não a forma de onda. Os controles da seção VERTICAL definem a escala de tensão do eixo vertical ou o V/DIV (volt por divisão) e a posição do traço (Vertical Position). Nos osciloscópios de dois canais podemos selecionar apenas um canal (CH1 ou CH2) ou ambos (BOTH ou DUAL). CH = Canal (Chanel) É bom frisar que o osciloscópio atua como VOL- TÍMETRO, devendo apresentar altíssima impedância de entrada, 1MΩ típico. Os controles da seção HORIZONTAL (varredura) definem a base de tempo do eixo horizontal SEC/DIV ou TIME/DIV (segundo por divisão) e o posicionamento horizontal. O osciloscópio com o HORIZONTAL ligado à varredura, desenha a forma de onda de TENSÃO em função do TEMPO. No modo X-Y o osciloscópio desenha a forma de onda de Y em função de X, muito útil para verificar linearidade de um amplificador e defasagem entre dois sinais. Os comandos da seção TRIGGER permitem o sincronismo da varredura com o sinal observado, ou seja, permitem que a forma de onda observada fique parada na tela do osciloscópio. O acoplamento DC (Direct Coupling ou Direct Current) permite observar o sinal exatamente como ela é, com a componente alternada e a componente contínua. Deve ser o modo de utilização PRE- FERENCIAL. O acoplamento AC (AC Coupling) deve ser utilizado apenas quando queremos suprimir a componente contínua, quando o sinal (alternado) é muito pequeno em relação à componente contínua. Neste acoplamento um capacitor é adicionado em série que poderá provocar distorção e deslocamento de fase no sinal observado. Atenção: Nos osciloscópios digitais 1) A tela está dividida em 12 divisões horizontais. 2) O ponto de Trigger está posicionada no centro da tela. 3) Informar o osciloscópio a atenuação das pontas de prova utilizada 1X ou 10X 4) Não abuse da função AUTO SETUP ou AUTO SCALE. Utilize o osciloscópio corretamente. Figura 1 Osciloscópio Analógico UNIFEI-IESTI Kazuo Nakashima, Egon Luiz Muller Jr. Ismael Noronha 1

2 Pinça Garra JACARÉ = GND TERRA NEUTRO FASE TOMADA ABNT NBR14136 Figura 2 Pinça da Ponta de Prova Procedimento para utilização. Ligar o osciloscópio. Conector BNC Para obter uma leitura confiável espere pelo menos 15 minutos para o aparelho atingir a temperatura ideal de operação. Pré ajustar os controles. DISPLAY INTENSITY FOCO 4) Mude a chave AC-GND-DC de CH1 para posição GND e em seguida posicione o traço até o centro da tela, no reticulado com subdivisões. Esta posição será o ZERO volt. Atuar no botão VERTICAL POSITION. Atenção: Nos osciloscópios digitais esta posição ZERO é indicada na lateral esquerda da tela com 0V. 5) Mude a chave AC-GND-DC para posição DC. Deverá aparecer uma onda quadrada na tela. Se necessário ajuste o controle TRIGGER LE- VEL até conseguir parar a onda (quadrada) na tela. ATENÇÃO: Observe nos oscilogramas as seguintes informações importantíssimas As escalas utilizadas A posição 0 V. O sinal ~ indica acoplamento AC O sinal > indica que a ponta de prova está na posição descalibrada. ATENÇÃO: Dependendo do fabricante ou modelo do osciloscópio a forma de onda do Probe Adjust poderá ser diferente. Amplitude Vpp Freqüência Hz VERTICAL MODE: CH1 POSITION: central V/DIV:.5 (0,5V) V/DIV VAR: CAL (calibrado) AC-GND-DC: GND HORIZONTAL POSITION: (central) MAG : X1 SEC/DIV:.5m (0,5ms) SEC/DIV VAR: CAL (calibrado) TRIGGER SLOPE: + ou LEVEL: no centro MODE: P-P AUTO SOURCE: CH1 (ou INT - CH1) Figura 3 Oscilograma do Probe Adjust Calibrar pontas de prova 1) Conectar a ponta de prova de CH1 (a pinça ou a garra jacaré vermelha) na saída PROBE AD- JUST do osciloscópio. 2) Mudar, se for o caso, a chave X1-X10 da ponta de prova para posição X1 (sem atenuação) 3) Ajustar o V/DIV de CH1 em 0.5 V/DIV, CALI- BRADO (o botão VAR ou CAL no sentido horário até sentir um click). Mude o seletor HORIZONTAL para 0.2mSEC/DIV. Medindo o período novamente, obtemos o mesmo resultado. A leitura do tempo agora é mais precisa. Mude o seletor VERTICAL/CH1 para 0.2V/DIV e verifique que a onda aumentou (verticalmente). Medindo novamente, obteremos o mesmo resultado porém com mais precisão. Desenhar a forma de onda observada e medir a amplitude e o período T. UNIFEI-IESTI Kazuo Nakashima, Egon Luiz Muller Jr.& Ismael Noronha 2

3 O sinal é o mesmo, mudamos apenas a escala da medição (fizemos apenas um zoom da forma de onda). ATENÇÃO: Quanto maior a forma de onda na tela do osciloscópio (menor escala utilizada) maior será a precisão da leitura. No osciloscópio digital fazer a medição desta onda utilizando a função MEASURE nas escalas 0.2V/DIV e 5V/DIV. Conferir com a medição VISUAL. Figura 5 Acoplamento AC Mude a chave TRIGGER/SLOPE para Figura 4 Mesma onda com zoom Para verificar o estado da ponta de prova de CH2, mude VERTICAL MODE para CH2, ligue a ponta de prova de CH2 na saída PROBE AD- JUST e repita a experiência. A onda observada provavelmente não está parada na tela. Mude TRIGGER SOURCE para posição CH2. OBS: Uma vez confirmado os resultados, podemos utilizar o osciloscópio. Estes procedimentos devem ser repetidos toda vez que você ligar um osciloscópio. ATENÇÃO: verifique sempre Todos ajustes na posição CAL (calibrado). Sempre que possível use acoplamento DC (AC- GND-DC). Verifique a posição 0V (VERTICAL POS). Ajuste os comandos do TRIGGER (SOURCE, MODE, LEVEL) Mude a chave AC-GND-DC para AC. O deslocamento vertical é provocado pelo componente contínua presente na forma de onda. Figura 6 SLOPE (-) 2) FONTE DE ALIMENTAÇÃO DC Tensão contínua (dc) Com o auxílio do osciloscópio meça o valor da tensão da fonte de alimentação contínua. Ligar GND com GND. Com CH1 em 5V/DIV (CAL) e a chave AC- GND-DC em GND posicionar o traço no centro da tela, sobre o reticulado com subdivisões. Voltando o acoplamento de CH1 para DC, você deverá estar observando um traço contínuo três divisões acima. Isto significa que esta tensão é 3 DIV x 5V/DIV= 15V, constante ao longo do tempo. UNIFEI-IESTI Kazuo Nakashima, Egon Luiz Muller Jr.& Ismael Noronha 3

4 3 - GERADOR DE FUNÇÕES Figura 7 Observação da tensão de uma fonte de corrente contínua. Gerador de funções é uma fonte de tensão alternada com ajuste de forma de onda (senoidal, triangular e quadrada), amplitude (20mV a 20V pico a pico), freqüência (2Hz a 2MHz), simetria (duty de 0,1 a 0,9) e nível contínuo (componente contínua ou OFF SET) e é muito utilizado para verificar o desempenho de circuitos e equipamentos eletrônicos. Leia o Manual de Operação do aparelho utilizado. Ligue o gerador de funções conforme a Figura 9. Ligar GND com GND. Se a garra jacaré não estiver disponível, utilize um cabo com pino banana-jacaré ligado ao GND do osciloscópio. ATENÇÃO: Verifique se estes aparelhos utilizam tomada de três pinos. Se os dois aparelhos utilizam esta tomada de três pinos o GND dos dois aparelhos já estarão interligados, portanto se você ligar a saída do gerador de funções (garra jacaré vermelha) na garra jacaré preta do osciloscópio (GND) a saída do Gerador de Funções será curto-circuitada. GERADOR DE SINAIS SENO 200Hz 8Vpp Main output CH1 CH2 GND Figura 8 Oscilograma de uma tensão contínua. Mudando o acoplamento de CH1 para AC, o traço voltará para posição central (zero). O traço deslocou para baixo 15V. Este deslocamento que ocorre na mudança da chave da posição DC para posição AC, indica a presença de componente contínua. Se não houver deslocamento, significa que não existe componente contínua. Volte a chave para posição DC e ajuste a fonte DC para 10V olhando para a tela dos osciloscópio e em seguida confirme o valor através do multímetro. Repita para 5V ATENÇÃO: SEMPRE que possível utilize o acoplamento DC. vermelho preto preto=gnd Figura 9 Gerador de Funções e Osciloscópio. Ajustes do Gerador de Funções: Forma de onda: SENO Freqüência: 200Hz Amplitude: 8Vpp OFF SET (Nível continuo): 0V DUTTY (simetria): CAL ou 50% Ajustes do OSCILOSCÓPIO: VERTICAL MODE para CH1; CH1 em 1V/DIV, DC,CAL; HORIZONTAL em 2mSEC/DIV, MAG X1, CAL; TRIGGER SOURCE em INT-CH1: TRIGGER MODE em PP-AUTO. UNIFEI-IESTI Kazuo Nakashima, Egon Luiz Muller Jr.& Ismael Noronha 4

5 Mude o acoplamento AC-GND-DC de CH1 para a posição GND. Posicione o traço horizontal do osciloscópio para o meio da tela através do ajuste de posição (VERTICAL CH1 POSITION). Volte a chave AC-GND-DC para DC. Neste instante você deverá estar observando uma forma de onda senoidal na tela do osciloscópio. Complete o ajuste da onda senoidal. Valor médio e eficaz (onda senoidal) Se medirmos a tensão deste sinal através do multímetro na escala AC, deveremos encontrar o valor de 2,82 V. Para uma onda senoidal V = V / 2 RMS P Uma vez que o valor médio é zero, o valor eficaz ou RMS será igual ao valor eficaz da componente alternada Vac (rms) 2 2 RMS = dc + ac V V V TEORICO MEDIDO ACV~ 2,828 V rms-ac DCV= 0 V Av V RMS 2,828 V RMS Tensão ac+dc Figura 10- Oscilograma de uma onda senoidal de 200 Hz e 8 V pp. No gerador de funções, ajustar a frequência em 200 Hz (4 ciclos completos na tela) e amplitude em 8V pico a pico (toda tela pico a pico). Amplitude=8 DIV x 1V/DIV = 8Vp-p Período T=2,5 DIV x 2mSEC/DIV=5ms. f=1/t= 1/5ms=200Hz Mude a base de tempo para 1ms/DIV, um período completo desta mesma onda de 200Hz ocupará agora 5 divisões horizontais. Continua indicando um período de 5 ms. O período T= 5 DIV x 1mSEC/DIV = 5 ms. f=1/t= 1/5ms=200Hz Mude a escala para 2V/DIV. A onda ocupará apenas 4 divisões verticais. A leitura continua indicando 8 V pico a pico. Amplitude = 4 DIV x 2V/DIV = 8V Figura 12- Oscilograma de uma onda senoidal de 200 Hz e 8 V pp, Off Set=0 Figura 11- Oscilograma de uma onda senoidal de 200 Hz e 8 V pp. Ajuste o OFF SET do gerador de funções de tal forma que a onda fique deslocada para cima em 2 V, ou seja, uma divisão acima. ATENÇÃO: Um erro muito comum cometido por principiantes é ajustar o VERTCAL POSITION no osciloscópio para obter a forma de onda abaixo. Você não está alterando a onda, e sim a posição na tela do osciloscópio. Verificar SEMPRE a posição 0V. UNIFEI-IESTI Kazuo Nakashima, Egon Luiz Muller Jr.& Ismael Noronha 5

6 Faça um ajuste da onda quadrada produzida pelo Gerador de Funções com maior precisão possível atuando na Amplitude, Frequência, Simetria (Duty) e Off Set. QUADRADO 100Hz 10V PP 5V DC 0V Figura 13- Oscilograma de uma onda senoidal de 200 Hz e 8 V pp, Off Set=+2V Medir esta tensão com multímetro na escala AC (ac coupled) e depois na escala DC. TEORICO MEDIDO ACV~ 2,828 V rms-ac DCV= 2,000 V Av V RMS 3,464 V RMS CH1:5V/DIV CH2:5V/DIV H:2mSEC/DIV P(t) 20W/DIV Na escala AC, a maioria dos multímetros utiliza acoplamento AC, ou seja, bloqueia a componente contínua. Mude o acoplamento de CH1 para AC. Esta onda senoidal pura, agora simétrica em relação ao eixo X, é a onda que o multímetro mede na escala ACV, V rms. Este valor é sempre menor ou igual que o valor eficaz total, ac+dc, V RMS =3,464 V. No osciloscópio digital fazer a medição desta onda utilizando a função MEASURE. Conferir com a medição VISUAL. V Ave = V AVG Leitura do osciloscópio digital Previsto DC coupled 2,0 3,464 AC coupled 0, Onda quadrada (ac+dc) Medido V Ave V rms V Ave V rms Ajustar o gerador de funções conforme apresentado nos oscilogramas da Figura 14 com os ajustes do osciloscópio em 5V/DIV e 2mSEC/DIV. 0 Figura 14 - Onda quadrada: 10Vpp, Off Set=+5V, d=0,5. Medir o valor médio Vdc e o valor eficaz Vac utilizando multímetros True RMS e Average Sensing, ambos AC-Coupled na escala AC. DCV ACV DC AC+DC AC AC? Teórico 5,00 7,07 5,00 5,55 Leitura Multímetros Previsto True RMS ac 5,00 5,00 Medido DC AC DC AC Av Sense ac 5,00 5,55?? ATENÇÃO: Ondas NÃO senoidais são medidos corretamente apenas pelos multímetros True RMS.? Leitura com erro sistemático UNIFEI-IESTI Kazuo Nakashima, Egon Luiz Muller Jr.& Ismael Noronha 6

7 Para compreender o significado do valor eficaz (RMS), desenhe a forma de onda da potência p(t) se esta tensão for aplicada em um resistor de 1 Ω. Observe a escala e a posição ZERO no oscilograma da Figura 14. Em seguida calcule, utilizando o gráfico de p(t), o valor médio desta potência. Compare este valor com a potência calculada através da fórmula. P = Ave 2 RMS V R No osciloscópio digital fazer a medição desta onda utilizando a função MEASURE. Conferir com o resultado VISUAL. Mude o seletor TRIGGER SOURCE para CH2 (ou INT CH2). Agora você estará observando a onda quadrada parada na tela do osciloscópio (ajuste TRIGGER LEVEL se necessário). Agora é a onda senoidal que não está sincronizada. Mude a chave TRIGGER SOURCE para posição VERTICAL MODE. Neste modo de sincronismo o trigger é disparado alternadamente pelo sinal do canal CH1 e do canal CH2. TRIGGER SOURCE: VERT MODE LEVEL - SQR:1kHz SIN:750 Hz Leitura Osciloscópio Digital Previsto Medido V Ave V rms V Ave V rms DC coupled 5,0 7,07 AC coupled 0,0 5,00 ATENÇÃO: Devido ao processo de cálculo utilizado, os osciloscópios digitais podem apresentar erros sistemáticos na medição de ondas estreitas com fator de forma e fator de crista elevados. Este erro pode ser minimizado aumentando a base de tempo (SEC/DIV ou TIME/DIV) de forma a observar pelo menos 10 ciclos completos na tela. Trigger Em seguida iremos estudar a função trigger do osciloscópio, provavelmente a função mais complicada. Para entender a função do trigger do osciloscópio vamos observar dois sinais independentes simultaneamente através do osciloscópio. Ajuste o Gerador de Funções para SENO e frequência em aproximadamente 750 Hz utilizando o canal CH1. Mude o comando VERTICAL MODE para BOTH (ou DUAL). Mude a escala de CH2 para 0.5V/DIV-DC-CAL e ligue CH2 na saída PROBE ADJUST. Você deverá estar observando a onda senoidal (através de CH1) parada na tela do osciloscópio e uma onda quadrada movendo horizontalmente. A varredura está sincronizada com o sinal proveniente de CH1 (TRIGGER SOURCE CH1). Ajuste a frequência da onda senoidal. Figura 15- Trigger no modo VERT ATENÇÃO: Não utilizar este modo quando for medir a relação de fase entre dois sinais. Montar o circuito capacitivo RC da Figura 16 no Proto Board. 1 (CH1) + E - + VR - + VC - Figura 16 Circuito RC 1kΩ 2 (CH2) 100nF 3 (GND) Ajuste o Gerador de Funções E para SENO, 20 Vpp, 1kHz utilizando o canal CH1: 5V/DIV, CAL, DC. Observe a tensão no capacitor C através do canal CH2: 5V/DIV, CAL, DC Ajuste o Trigger em Source:CH1, Mode:AUTO, Slope:+ UNIFEI-IESTI Kazuo Nakashima, Egon Luiz Muller Jr.& Ismael Noronha 7

8 Observe que a tensão no capacitor é uma onda senoidal porem com amplitude e fase diferente. Este ângulo de fase é um item importante do comportamento deste circuito. Se o VERTICAL MODE do Trigger for utilizado esta defasagem não poderá ser observada. t 0,5 DIV o φ = 360 = 36 T 5 DIV o φ =32,14 Teorico o ATENÇÃO: Para obter um leitura ou medição mais precisa, a amplitude do sinal deve ser maior que 1DIV pico a pico. Quanto maior a amplitude na tela do osciloscópio, maior será a precisão na leitura. Figura 17- Formas de onda E(t) e V C (t) - senoidal Mude a forma de onda para QUADRADO, 20 Vpp, 1kHz Figura 17- Formas de onda E(t) e V C (t) - quadrado A forma de onda da tensão no capacitor é diferente da forma de onda da tensão de excitação (tensão de entrada). Aumente a frequência para 10kHz. A amplitude da tensão no capacitor diminuiu. Para medir a amplitude desta tensão com maior precisão diminua o V/DIV de CH2 para 2V/DIV. ATENÇÃO: Arrumar a bancada e banquetas. Itajubá, MG, julho de 2016 UNIFEI-IESTI Kazuo Nakashima, Egon Luiz Muller Jr.& Ismael Noronha 8