SINAIS E SISTEMAS MECATRÓNICOS

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Brenda Castilho Barateiro
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1 SINAIS E SISTEMAS MECATRÓNICOS Laboratório #1: Introdução à utilização de aparelhos de medida e geração de sinal: multímetro, osciloscópio e gerador de sinais Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Outubro 2011 Realizar na aula de laboratório: 6ª Semana Duração: 1,5 horas. Relativamente à matéria em questão nesta aula de laboratório, o aluno deverá ser capaz de: 1. Utilizar correctamente o multímetro digital, nomeadamente nas funções de voltímetro, amperímetro e frequencímetro; 2. Utilizar correctamente o osciloscópio nos modos com e sem componente contínua do sinal; 3. Utilizar correctamente o gerador de sinais, i.e., especificar a forma da onda, a amplitude pico a pico, média e frequência; 4. Ligar os aparelhos de medida de forma correcta num circuito, interpretar correctamente as leituras efectuadas, e comparar leituras efectuadas com aparelhos diferentes; Índice 1. Breve descrição dos instrumentos disponíveis Multímetro digital Osciloscópio Gerador de sinais Trabalho Experimental Lista de Material Necessário Procedimentos do trabalho Anexo Código de Cores para Resistências Anexo Ligações e utilização da Bread-Board

Figura 2 Bases para trabalho O voltímetro é um instrumento de medida para a medição da tensão eléctrica, o que implica que o mesmo seja colocado em paralelo no circuito a

2 1. Breve descrição dos instrumentos disponíveis No laboratório (Figura 1) existem instrumentos de medida e de geração de sinal. Figura 1 Bancada do laboratório As diversas montagens serão efectuadas sobre uma base adequada, mostrada na figura 2. Figura 2 Bases para trabalho O voltímetro é um instrumento de medida para a medição da tensão eléctrica, o que implica que o mesmo seja colocado em paralelo no circuito a medir. O amperímetro é um instrumento de medida da amplitude da corrente eléctrica, o que implica que o mesmo seja colocado em série no circuito a medir. Quer o voltímetro quer o amperímetro estão disponíveis na base de montagem (figura 2) e no multímetro (figura 3). 2

1.1. Multímetro digital O multímetro digital, Figura 3, é um instrumento de medida multifuncional que congrega diversos instrumentos: voltímetro, amperímetro, ohmímetro ou frequencímetro, dispondo de

3 1.1. Multímetro digital O multímetro digital, Figura 3, é um instrumento de medida multifuncional que congrega diversos instrumentos: voltímetro, amperímetro, ohmímetro ou frequencímetro, dispondo de um mostrador com virgula flutuante. Figura 3 Multimetro digital È importante notar que as ligações para as funções de voltímetro e amperímetro são distintas. É importantíssimo não trocar a posição das ligações e/ou não trocar as funções. O cabo preto é sempre colocado na entrada COM (Terra), escolhendo para a outra cabo a entrada adequada à medição pretendida; V, Ω, A ou µa Osciloscópio O osciloscópio, Figura 6 e 7, é um instrumento de medida que permite visualizar em tempo real a amplitude de uma tensão eléctrica, revelando-se de extrema importância para a visualização de sinais em tensão. 1 È importante para a compreensão e depuração do circuito associar as cores dos fios as funções. Tradicionalmente o preto é associado a terra. O vermelho ao cabo activo (ou alimentação). Aproveite as cores dos fios presentes para facilitar a compreensão do circuito. 3

O osciloscópio tem duas entradas (canal A, ou X e canal B, ou Y com fichas BNC 2 - Figura 4 e Figura 5), que permitem visualizar simultaneamente dois sinais em função do tempo.

Figura 4 Ficha BNC Figura 5 T BNC A escala de tempo 3 é acertada para ambos os sinais com o selector normalmente mais á direita.

4 O osciloscópio tem duas entradas (canal A, ou X e canal B, ou Y com fichas BNC 2 - Figura 4 e Figura 5), que permitem visualizar simultaneamente dois sinais em função do tempo. Para cada uma delas, pode-se ajustar independentemente a gama de medida (expressa em V/div, ou seja, Volts por divisão) e/ou a posição do zero (na vertical). Figura 4 Ficha BNC Figura 5 T BNC A escala de tempo 3 é acertada para ambos os sinais com o selector normalmente mais á direita. Normalmente a posição extrema deste selector fornece o gráfico x-y do sinal, i.e., o sinal do canal Y em função do sinal do canal X. 2 "Bayonette Neill-Concelman", tipo de fichas comummente utilizadas em vídeo, áudio e redes de computadores. Serão também utilizados alguns conectores múltiplos, designados comummente por T s 3 Alguns dos osciloscópios permitem alterar a base de tempo de apenas um dos canais, pelo que dever-se-á ter cuidado para não a alterar. Alguns dos osciloscópios Phillips possuem ainda um acerto fino de calibração para a base de tempo. Este deve estar na posição desligado (após o click ). 4

Figura 6 Osciloscópio Philips Figura 7 Osciloscópio (Goldstar)

Assumindo por exemplo um sinal sinusoidal, Figura 8, o botão de

seja graficamente em y, enquanto que o botão de Base de Tempo,

5 Figura 6 Osciloscópio Philips Figura 7 Osciloscópio (Goldstar) O osciloscópio é um aparelho de visualização. Assumindo por exemplo um sinal sinusoidal, Figura 8, o botão de Amplitude permite enquadrar no monitor o sinal em altura, ou seja graficamente em y, enquanto que o botão de Base de Tempo, ajusta visualmente a escala do x. Figura 8 Exemplo de visualização no osciloscópio 5

1.3. Gerador de sinais O gerador de sinais 4, Figura 8 e Figura 9, é o instrumento que nos permite gerar sinais em tensão contínuos, DC 5, ou variantes no tempo; sinais sinusoidais, triangulares,

Figura 8 Gerador de sinais (Goldstar) Figura 9 Gerador de sinais (Phillips) Trabalho Experimental Na geração de sinais variantes no tempo, ou seja em que é possível alterar a frequência, tal pode ser

6 1.3. Gerador de sinais O gerador de sinais 4, Figura 8 e Figura 9, é o instrumento que nos permite gerar sinais em tensão contínuos, DC 5, ou variantes no tempo; sinais sinusoidais, triangulares, quadrados. A forma do sinal é seleccionada através de um dos 4 botões agrupados no centro do aparelho A saída (Output) está disponível numa ficha BNC. Figura 8 Gerador de sinais (Goldstar) Figura 9 Gerador de sinais (Phillips) Trabalho Experimental Na geração de sinais variantes no tempo, ou seja em que é possível alterar a frequência, tal pode ser feito através do botão normalmente mais à esquerda (com a ajuda do selector de gamas). No caso de o gerador não fornecer uma informação visual da frequência, deve utilizar-se o Multímetro no circuito, na sua função de frequencímetro. 4 Na base para montagens existe um gerador de sinais, no entanto deve-se utilizar, normalmente, o gerador existente na bancada, excepto se explicitamente indicado. 5 Se tiver dificuldades em colocar o gerador de sinais em modo DC, ou mesmo no modo de DC offset (acrescentar um valor DC ao sinal alterno), contacte o docente de laboratório. 6

7 1.4. Lista de Material Necessário Base para montagens. Multímetro digital e respectivas pontas Gerador de sinais Osciloscópio Resistências de 470Ω, 1kΩ, e 4.7kΩ Procedimentos do trabalho 1. Com o auxílio do Multímetro meça o valor de cada uma das resistências (compare com o código de cores apresentado no Anexo) e anote-o na Tabela 1. Para medir o valor de uma resistência no multímetro digital insira as pontas do multímetro nas entradas COM e V-Ω e seleccione a função ohmímetro Ω com o selector. 2. Efectue a montagem do circuito que se apresenta na Figura 5. Registe na Tabela os valores de corrente e tensão, medidos para cada uma das resistências. A alimentação do circuito é feita a partir dos +5V da base. Compare os diversos valores obtidos para as resistências. Figura 5 Circuito para medição de corrente e tensão (AM Amperímetro, VM - Voltímetro) R nominal 470Ω 1kΩ 4.7kΩ R medida I(mA) U(V) U/I 7

8 3. Ligue um cabo do tipo BCN-pontas ao canal A do osciloscópio. Junte as pontas do cabo (o mesmo efeito pode ser obtido comutando o selector do canal para GND) e ajuste a posição do traço no ecrã (este deve aparecer coincidente com o eixo dos xx s, i.e., perfeitamente horizontal). Note que sempre que efectuar medições com o osciloscópio deve previamente verificar a horizontalidade do traço e a posição do zero. 4. Seguidamente, segure a ponta do cabo BNC-pontas de cor encarnada com uma das mãos e ajuste as gamas e posições até ver no ecrã uma onda com uma componente sinusoidal mais marcada. Meça a frequência da onda principal e indique as razões que possam estar na origem desta. 5. Ligue um cabo BNC-BNC entre o gerador de sinais e o canal A do osciloscópio. Ligue o gerador e gere um sinal sinusoidal de 10Vpp e média nula a 100Hz. Acerte as gamas e posições até ver nitidamente dois períodos estáveis no ecrã. 6. Coloque um T BNC na saída do gerador. Comute o multímetro na função de voltímetro ac, ligue um cabo BNC-pontas às entradas COM e V-Ω. Meça a tensão fornecida pelo gerador de sinais. Comente face ao valor fornecido no ponto anterior de 5V de amplitude, ou seja 10 Vpp numa sinusóide. Comute agora o multímetro para a função de frequencimetro (para tal, comute o selector para a posição de voltímetro, carregando de seguida na tecla Hz) e anote o valor lido. Compare as indicações fornecidas pelos diferentes aparelhos. 7. Mantendo o T-BNC no gerador de sinais ligue, a partir deste, cabos BNC-BNC aos canais A e B do osciloscópio. Ajuste o selector do canal A em dc e o do canal B em ac. Ajuste o gerador de sinais para fornecer um sinal sinusoidal de amplitude 2Vpp. Altere a frequência para 2 khz. Visualize no osciloscópio a forma da onda resultante. De seguida, altere o valor da componente contínua para 2 Vdc e -2 Vdc. Repare que existe um período de adaptação na imagem do ecrã. Indique quais as diferenças encontradas entre os dois canais. 8. Mantendo as ligações do ponto anterior ajuste o gerador de sinais para fornecer um sinal com a forma de onda quadrada, de 5Vpp, média nula e frequência 10 khz. Acerte as gamas e posições até ver nitidamente dois períodos estáveis no ecrã. Repita o procedimento anterior alterando a frequência para 1kHz e 100 Hz e 10 Hz. Se baixar as frequências para a gama dos Hz que se passa? Existirá alguma relação entre o que verificou e os resultados do ponto 7? 8

encontram-se ligados de acordo com as linhas azuis

9 2. Anexo Código de Cores para Resistências 3. Anexo Ligações e utilização da Bread-Board Os pontos encontram-se ligados de acordo com as linhas azuis Os circuitos integrados montam-se como indicado na figura. 9

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