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MEDIDAS ELÉCTRICAS
Ficha Tema: OSCILOSCÓPIO Tópicos:
I - Sinais e sua medição Tipos de Sinais Características dos sinais alternados II- Osciloscópio Constituição do osciloscópio Diagrama de blocos do osciloscópio Painel frontal do osciloscópio e a função dos seus controles Entradas e controles do vertical Medidas com osciloscópio (Período, frequência e fase) III – Exercícios de Aplicação
I - SINAIS E SUA MEDIÇÃO
Os sinais eléctricos representam a informação na forma eléctrica. Os sinais podem ser:
Não Periódicos: Aqueles que possuem valores diferentes em instantes diferentes.
Figura 1- Sinal não periódico
Periódicos: Aqueles em que se verifica uma repetição da sua forma ciclicamente ao fim de um período de tempo definido.
Figura 2- Sinais periódicos
Periódicos Alternados Puros.
Estas distinguem-se das ondulatórias porque têm um valor médio nulo. O conjunto de valores assumidos em cada um dos sentidos é designado de alternância, assim temos alternâncias
positivas e alternâncias negativas. Ao conjunto de duas alternâncias consecutivas chama-se ciclo.
Figura 3- Sinais periódicos Puros 1.1.1 CARACTERÍSTICAS DOS SINAIS ALTERNADOS
Período (T) - é o intervalo de tempo que denota a repetição da forma de onda em igualdade de condições; é o intervalo de tempo para descrever "um ciclo completo"; ele pode ser medido entre quaisquer dois pontos que correspondem ao mesmo estado em ciclos sucessivos.
Frequência (f) - é o número de ciclos completos contidos na unidade de tempo. Como cada ciclo se realiza no intervalo de tempo T (período), podemos dizer que a frequência é o número de períodos necessários para preencher a unidade de tempo. A unidade de tempo no Sistema Internacional de Unidades é o segundo (s) e a unidade de frequência nesse sistema, é o hertz (Hz): 1 hertz = 1 ciclo por segundo.
Amplitude - em electrónica, a amplitude de tensão de uma onda sinodal é medida de três modos distintos, cada qual com sua finalidade específica, assim temos:
Amplitude de pico (Vp): corresponde ao valor máximo da tensão sinodal em função do tempo. No gráfico cartesiano V x t é a medida vertical, do eixo dos tempos (t) até a crista (ou vale) da onda.
Amplitude pico-a-pico (Vpp): corresponde ao dobro da amplitude de pico é a medida vertical entre os valores máximos positivo e negativo da onda; Vpp = 2.Vp.
Com os osciloscópios é possível visualizarmos sinais de elevada frequência, o que não acontece com muitos aparelhos de medida de correntes, que se tornam inoperantes nessas circunstâncias. Com osciloscópio é possível realizar as seguintes funções:
Medir frequência de um sinal; Medir o desfasamento entre dois sinais; Medir tensões e correntes alternadas; Medir tensões e correntes alternadas, e Analise, verificação, ajustes na reparação de equipamentos electrónicos
2.1 CONSTITUIÇÃO DO OSCILOSCÓPIO
Um osciloscópio analógico básico é constituído, para além do tubo de raios catódicos, pelos seguintes circuitos:
Atenuador; Pré-Amplificador; Amplificador Vertical; Circuito de Disparo; Base de Tempo; Gerador de Rampa; Amplificador Horizontal; e Tubo dos raios catódicos
2.1.1 DIAGRAMA DE BLOCOS DO OSCILOSCÓPIO
A figura 3 abaixo mostra o diagrama de blocos de um osciloscópio analógico básico
Figura 6 - Diagrama de blocos de um osciloscópio analógico básico
Cada uma das etapas apresentadas no diagrama de blocos cumpre uma função. Estas etapas podem ser divididas em dois grupos, as que correspondem à deflexão vertical e as que correspondem à deflexão horizontal.
As etapas correspondentes à deflexão vertical são três :
Atenuador Pré - amplificador vertical Amplificador vertical As etapas correspondentes à deflexão horizontal são quatro:
Base de tempo. Gerador de rampa. Amplificador horizontal. Circuito de disparo.
2.1.1.1 Osciloscópio digital
Um osciloscópio digital tem etapas parecidas com as do osciloscópio analógico, embora funcione de forma totalmente diferente.
2.2 PAINEL FRONTAL DO OSCILOSCÓPIO E A FUNÇÃO DOS SEUS CONTROLES
A C G M D D CV O L T S^ / D I V. V O L T S^ / D I V. A C G M D D C (^125)
- 5- 2 - 1 5 02 01 0m v (^125)
- 5- 2 - 1 5 02 01 0m v
C H 1 I N V^ C H 2 C H 2
F I N E F I N E P O S I T IO NC A L P O S I T IO N^ C A L
M O D E C H 1 C H 2 D U A L
A U T O + N O R M A L -^ L E V E L C H 1 M O D EC H 2 L IN E E X T S O U R C E
T R IG G E RI N P U T
2
21 21 3 0 1
3 0 2 01 0^3 2 01 0
H S W E E P 3 V A R I A B L E P O S I T IO N P U L L = 1 0
P O W E R O N F O C U S / O F F
S C A L EA L L U M
C A L 1 V p p
Figura 8: Painel frontal do osciloscópio e a função dos seus controles
A figura a baixo ilustra a tela (display) do osciloscópio
Eixo dos tempos
Figura 9: Tela (Display) do osciloscópio
2.2.1 FUNÇÕES DOS CONTROLES DO OSCILOSCÓPIO
A figura 9 mostra o painel frontal do osciloscópio, onde encontramos todos os seus botões e controles. Cada botão ou controle do osciloscópio desempenha uma função específica, conforme detalhado a seguir:
2.2.1.1 CONTROLES DE AJUSTE DO TRAÇO OU PONTO NA TELA
Brilho ou luminosidade ( brightness ou intensity ) É o controle que ajusta a luminosidade do ponto ou traço. Em alguns osciloscópios, este controle está acoplado à chave liga-desliga do equipamento. Deve-se evitar o uso de brilho excessivo, pois a tela do osciloscópio pode ser danificada.
Foco ( focus)
É o controle que ajusta a nitidez do ponto ou traço luminoso. O foco deve ser ajustado de forma a se obter um traço fino e nítido na tela. Os ajustes de brilho e foco são ajustes básicos que são realizados sempre que se utiliza o osciloscópio.
Iluminação da reticula ( scale illumination )
Permite iluminar as divisões traçadas na tela.
2.2.1.2 CONTROLES E ENTRADA DE ACTUAÇÃO VERTICAL
A Figura abaixo destaca o grupo de controles de atuação vertical em um modelo de osciloscópio
VOLTS / DIV. AC GMD DC (^125) -5-2^ -1^502010 mv INV CH2 CH
FINE POSITION^ CAL
AUTO + NORMAL -^ LEVEL CH1 CH2^ MODE LINE EXT SOURCE
TRIGGERINPUT
2
21 21 (^301) 2010 3 H SWEEP^33020 10 VARIABLE POSITION PULL = 10
POWER ON / OFF FOCUS SCALEALLUM CAL 1 Vpp
Chave de selecção do modo de entrada (CA-CC OU AC-DC)
Esta chave é seleccionada de acordo com o tipo de forma de onda a ser observada. Em alguns osciloscópios esta chave tem 3 posições (CA - 0 - CC ou CA - GND - CC). A posição adicional “0” ou “GND” é usada para a realização de ajustes do osciloscópio em algumas situações.
1 ms
H SW E EP. (^5 2 1). 5
. 2 . (^1). 2 . 1 20
20 50 50
10
m S
S S
Figura 11: Chave selectora da base de tempo (H.SWEEP).
Através desta chave selectora pode-se expandir ou comprimir horizontalmente a figura na tela, conforme ilustrado na Fig.12.
1 ms/div.
2 ms/div. (^) 0,5 ms/div.
Figura 12: Expansão e compressão de uma forma de onda.
Ajuste fino de ganho vertical (FINE - VARIABLE OU VERNIER )
Tem a mesma função da chave selectora de ganho vertical: aumentar ou diminuir a amplitude da figura na tela. Enquanto a chave selectora provoca variações de amplitude em passos (proporções definidas), o ajuste fino permite variar linearmente a amplitude.
Posição horizontal (X POSITION)
Permite movimentar o sinal projectado na tela do osciloscópio ao longo do eixo X, isto é, para direita ou para esquerda sem interferir na forma do sinal projectada na tela.
2.2.1.4 ENTRADAS E CONTROLES DO VERTICAL
O sinal visualizado na tela do osciloscópio é uma projecção do sinal proveniente do exterior e aplicado à entrada vertical.
Os osciloscópios de duplo traço dispõem de dois grupos de controles verticais:
Um grupo para o CANAL 1 (CH1). Um grupo para o CANAL 2 (CH2). Cada canal vertical controla um dos sinais na tela (amplitude e posição vertical).
Figura 12: Detalhes do grupo dos canais 1 e 2.
Os grupos de controle verticais dos canais geralmente são iguais como ilustrado na Fig.13. Cada canal dispõe de:
Entrada vertical (1A e 2A). Chave selectora CA-0-CC (1B e 2B). Chave selectora de ganho vertical (1C e 2C). Ajuste fino de ganho vertical (1D e 2D). Posição vertical (1E e 2E).
A C G M D D CV O L T S^ / D I V. V O L T S^ / D I V. A C G M D D C (^125)
- 5- 2 - 1 5 02 01 0m v (^125)
- 5- 2 - 1 5 02 01 0m v
C H 1 I N V^ C H 2 C H 2
F I N E F I N E
P O S I T I O NC A L P O S I T I O N^ C A L
M O D E C H 1 C H 2 D U A L
1B
2B
1A 2A
1D (^) 2D
1C 1E (^) 2E 2C Figura 13: Grupo de Controle Vertical dos Canais.
Ponta de prova 1:1. Ponta de prova 10:1.
A ponta de prova 1:1 caracteriza-se por aplicar à entrada do osciloscópio a mesma tensão ou forma de onda que é aplicada à ponta de medição, como ilustrado na Fig.15.
10V
10V
Pontos de medição (^) Ponta de prova 1 : 1^ Ao osciloscópio
Figura 15: Ponta de prova 1:1.
A ponta de prova 10:1 é divisora de tensão, entregando ao osciloscópio a décima parte da tensão aplicada à ponta de medição, como pode ser visto na Fig.16.
10V
1V
Pontos de medição (^) Ponta de prova 10 : 1
Ao osciloscópio
Figura16: Ponta de prova 10:1.
As pontas de prova 10:1 são usadas para permitir que o osciloscópio seja utilizado para medições ou observações de sinais com tensões ou amplitudes 10 vezes maiores que o seu limite de medição normal.
Por exemplo, um osciloscópio que permite a leitura de tensões de até 50V com ponta de prova 1:1 pode ser utilizado em tensões de até 500V com uma ponta de prova 10:1. Existem pontas de prova que dispõem de um botão através do qual se pode seleccionar a opção 10:1 ou 1:1, conforme mostrado na Fig.17.
10 : 1 1 : 1
Figura 17: Ponta de prova com opção de selecção 1:1 e 10:1.
2.3 MEDIÇÃO DE FREQUÊNCIA COM OSCILOSCÓPIO
O osciloscópio pode ser utilizado para determinação da frequência de um sinal eléctrico. Isto é possível devido ao facto de que o período de um sinal CA pode ser determinado através de um osciloscópio.
Frequência (f): é o número de ciclos completos em 1s. Período (T): é o tempo necessário para que ocorra um ciclo completo de um fenómeno repetitivo.
2.3.1 Relação entre Período e Frequência
A frequência e o período de um fenómeno estão intimamente relacionados. O relacionamento entre as duas grandezas é expresso pela equação:
T
f ^1 (1)
A equação mostra que quando a frequência aumenta o período diminui e vice-versa. Uma vez conhecido o período de um sinal a equação permite que se determine sua frequência. Através da observação de sinais eléctricos na tela do osciloscópio pode-se determinar o seu período e, portanto, calcular a sua frequência.
2.3.2 Determinação do Período de um Sinal
O sinal alternado cujo período se deseja determinar é aplicado a um dos canais do osciloscópio, projectado na tela e sincronizado.
O ajuste da base de tempo através da chave selectora possibilita a compreensão ou expansão da forma de onda na tela de forma que se obtenha uma figura adequada a observação e leitura do período.
Quanto menor o número de ciclos projectados na tela, mais precisa pode ser a leitura de período com o osciloscópio
O ideal é conseguir projectar apenas um ciclo da CA na tela, com auxílio apenas da chave selectora da base de tempo, uma vez que o ajuste fino tem que estar calibrado
Com a CA projectada na tela deve-se estabelecer um ponto na figura que será considerado como início do ciclo e posicioná-lo exactamente sobre uma das divisões do eixo horizontal.
Exemplo 1:
Determinar o período e a frequência da CA sinodal da figura abaixo.
5 divisões
H SWEEP.
(^5 2 1). 5
. 2 . (^1). 2 . 1 20
20 50 50
10
mS
S S
Solução: Como o período (T) é o número de divisões multiplicado pelo tempo de 1 divisão, tem-se que :
T = 5,0 1ms = 5 ms. Com o período determinado, pode-se calcular a frequência (f) do sinal através da Eq. (1) :
200 Hz
1 ^1
T
f
Em resumo, a determinação de frequência é feita segundo os procedimentos a seguir:
Posicionar o ajuste fino de base de tempo em CALIBRADO. Projectar a CA na tela e sincronizar. Obter o menor número possível de ciclos na tela. Determinar o período. Calcular a frequência (f=1/T).
2.4 MEDIÇÃO DE ÂNGULO DE FASE POR FIGURAS DE LISSAJOUS
Figuras de Lissajous é o nome dado as figuram que aparecem na tela do osciloscópio quando se aplicam sinais nas entradas verticais e horizontal do osciloscópio, desligando a varredura horizontal interna.
Fig.20 Exemplos de figuras de Lissajous.
Através das figuras de Lissajous é possível determinar a relação de fase entre duas CA de mesma frequência usando um osciloscópio de traço simples.
2.4.1 Conexão do Osciloscópio ao Circuito
Para se determinar o ângulo de fase, os dois sinais (de mesma frequência) são aplicados às entradas vertical e horizontal, mantendo-se a chave de varredura horizontal na posição “externa”.
Entrada vertical
Entrada horizontal
Terra do osciloscópio
R
C
Figura 21 -Determinação do ângulo de fase.
O resistor R no circuito da Figura 21 converte as variações de corrente em variações de tensão.
Após a colocação dos dois sinais, há a formação de uma figura de Lissajous na tela, como pode ser visto na Figura 22.
Onde: é o ângulo de defasagem Y0 e Ym são leituras da tela arcsen = função arco cujo seno é… Através das figuras de Lissajous não é possível determinar qual é o sinal adiantado ou atrasado por que isto depende da ordem de ligação dos sinais no osciloscópio. A seguir é mostrada uma tabela com alguns valores de seno, e um exemplo de determinação do ângulo de fase por figura de Lissajous.
Ângulo (^0) 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Seno 0 0,17 0,34 0,5 0,64 0,71 0,77 0,87 0,94 1
Exemplos 2:
Determinar o ângulo de fase pelo método das figuras de Lissajous
Solução :
Y
arcsenY
m
^0
= arcsen (0,75)
3. Exercícios
1. De acordo com a figura abaixo calcular a frequência nas seguintes situações.
a) Chave seletora de ganho horizontal na posição 0,5 mS
b) Chave seletora de ganho horizontal na posição 50 μS
2. Um osciloscópio foi usado para visualizar o sinal num circuito e, com base na leitura
pretende-se calcular a Vef, Vp e Vpp quando a chave seletora de ganho vertical está nas
seguintes posições.
a) 0,2V b) 5V
- Determine o desfasamento entre dois sinais aplicados ao osciloscópio, sabendo que visualizou-se a seguinte forma de onda:
