E01 - O Osciloscópio

E01 - O OSCILOSCÓPIO

OBJETIVOS:

• Identificar os principais comandos do osciloscópio. • Saber injetar sinais no osciloscópio.

• Aprender a realizar medidas de tensão. • Medidas de frequências e períodos. • Fazer adição e subtração de sinais. MATERIAIS: Osciloscópio TDS1002B Gerador de Sinais Placa CIDEPE

Pilha seca Multímetro

digital

Conectores BNC

No texto que se segue, optamos por manter a terminologia original inglesa para facilitar a localização dos elementos, pois assim estão grafados nos instrumentos.

1- RESUMO DO MANUAL DE OPERAÇÃO DO OSCILOSCÓPIO.

O manual completo de operação do osciloscópio pode ser consultado no arquivo Manual do

Osciloscópio.

1.1- SEGURANÇA

Nestas aulas de laboratório, usaremos o osciloscópio TEKTRONIX 1002B.

Inicialmente, devemos atentar para alguns procedimentos de segurança e utilização.

• Usar apenas os cabos apropriados fornecidos. • Conectar e desconectar os cabos apropriadamente.

• Conecte o cabo com a ponta de prova, primeiro ao osciloscópio antes de conectá-lo ao

circuito.

• Desconecte a ponta do circuito antes de desconectá-lo do osciloscópio. • Não obstrua as fendas de ventilação. Não coloque nada sobre o aparelho.

1.2- BOTÕES DE CONTROLE

Figura 1. Painel frontal do osciloscópio TDS 1002B.

1.3- ÁREA DA TELA

Além de mostrar as formas de ondas, a tela também apresenta muitos detalhes sobre a forma de onda e ajustes dos controles do osciloscópio.

Figura 2. A área da Tela

2-

Status do Trigger indica o seguinte:

O osciloscópio está adquirindo dados do pré-trigger. Todos os triggers são ignorados nesse estado

Todos os dados do pré-trigger foram adquiridos e o osciloscópio está pronto para aceitar um trigger.

O osciloscópio viu um trigger e está adquirindo dados post- trigger O osciloscópio terminou de adquirir dados da forma de onda O osciloscópio completou a aquisição de uma sequência única.

O osciloscópio está no modo automático e está adquirindo formas de onda na ausência de triggers.

O osciloscópio está adquirindo e mostrando formas de onda no modo scan.

3-

O marcador mostra a posição horizontal do trigger.

Gire o knob HORIZONTAL POSITION para ajustar a posição do marcador.

4-

A leitura mostra o tempo no centro do reticulado. O tempo do trigger é zero.

5-

O marcador mostra o nível do trigger.

6-

Os marcadores mostram os pontos de referência das formas de onda. Se não há marcador

o canal correspondente não estará sendo mostrado.

7-

Uma seta indica que o a forma de onda está invertida.

8-

As leituras mostram os fatores de escala vertical dos canais.

9-

Um ícone BW indica que o canal está limitado em largura de banda.

10-

A leitura mostra a base de tempo principal.

11-

A leitura mostra a base de tempo da janela se ela estiver em uso.

12-

A leitura mostra a fonte de trigger usada.

13-

O ícone mostra o tipo de trigger selecionado.

15-

A área da tela mostra mensagens de ajuda.

Algumas mensagens são mostradas por apenas 3 segundos.

Essa área de mensagens mostra os seguintes tipos de informações:

Instruções para acessar outro menu, tal como quando você aperta o botão MEASURE: For TRIGGER HOLD OFF, go to HORIZONTAL MENU

Sugestões do que você poderia desejar fazer em seguida, tal como quando você aperta o botão MEASURE

Push an option button to change it’s measurement,

Informação sobre a ação realizada pelo osciloscópio, tal como quando se aperta o botão DEFAULT SETUP:

Default setup recalled.

Informação sobre a forma de onda, tal como quando você aperta o botão AUTOSET Square wave or pulse detected on CH1

16- A leitura mostra data e hora.

17- A leitura mostra a frequência do trigger.

1.4- SISTEMA DE AJUDA

O osciloscópio possui um sistema de ajuda que cobre todas as características do aparelho e que pode mostrar vários tipos de informações:

Quando se aperta um botão do painel frontal, aparece ao lado direito da tela um menu com as diversas opções que poderão ser selecionadas apertando o botão da opção correspondente.

O sistema de ajuda pode ser alcançado apertando-se o botão HELP do painel frontal.

1.5- VERIFICANDO O FUNCIONAMENTO

Antes de usar o osciloscópio verifique o seu funcionamento como segue:

1.5.1-

Ligue o osciloscópio, pressionando o botão ON/OFF. Depois de algum tempo (cerca de 30 segundos) o osciloscópio apresentará uma tela inicial Espere ainda alguns segundos até que o osciloscópio mostre na tela uma tela reticulada.

1.5.2-

Pressione o botão DEFAULT SETUP. Após alguns segundos aparece uma mensagem na parte inferior informando que o display foi restaurado. A atenuação por default da ponta de prova é 10X.

1.5.3-

Ajuste a chave da ponta de prova para 10X e conecte ao canal 1 (CH1).

1.5.4-

Conecte a ponta de prova e o fio de referência aos terminais do PROBE COM.

1.5.5-

Pressione o botão AUTOSET Dentro de segundos você verá uma onda quadrada com 5V pico a pico e frequência de 1 kHz.

1.5.6-

Caso necessite usar o CH2 continue com os próximos procedimentos.

1.5.7-

Pressione duas vezes o botão CH1 MENU no painel frontal para remover o canal.

1.5.8-

Pressione o botão CH2 MENU para ver o canal 2.

2- ENTENDENDO AS FUNÇÕES DO OSCILOSCÓPIO.

Para usar o osciloscópio de maneira efetiva, precisamos entender as seguintes funções: • Ajuste do Osciloscópio;

• Engatilhamento;

• Adquirir sinais (formas de onda);

• Escalas e posicionamento das formas de onda; • Medidas das formas de onda.

A Figura 3 mostra o diagrama de blocos das várias funções do osciloscópio e relações de umas com as outras

Figura 3. Diagrama de blocos do osciloscópio.

2.1- AJUSTE DO OSCILOSCÓPIO.

Usando o Auto Ajuste (AUTOSET)

Toda vez que você aperta o botão AUTOSET, a função autoset obtém uma visualização estável. Ele ajusta automaticamente a escala vertical e horizontal e o gatilho (trigger). AUTOSET pode ainda mostrar automaticamente várias medidas dependendo do tipo do sinal.

Usando AUTORANGE

AUTORANGE é uma função contínua que você pode habilitar ou desabilitar. A função ajusta os valores para traçar o sinal quando este exibe uma grande mudança ou quando você muda fisicamente a ponta de prova para outro ponto do circuito.

2.2- O GATILHAMENTO

(Triggering)

O trigger determina quando o osciloscópio começa a adquirir dados e mostrar na tela. Quando ajustado apropriadamente, o osciloscópio converte telas instáveis ou em branco em formas de onda compreensíveis.

Quando você aperta o botão RUN/STOP ou SINGLE SEQ para iniciar uma aquisição, o osciloscópio realiza os seguintes passos:

1. Adquire dados suficientes para preencher uma porção da forma de onda à esquerda do ponto de engatilhamento. Isto é chamado de pré-engatilhamento.

2. Continua a adquirir dados esperando a ocorrência das condições de trigger. 3. Detecta a condição de trigger.

4. Continua a adquirir dados até que a gravação da forma de onda esteja completa. 5. Mostra a forma de onda recém adquirida.

NOTA: Para trigger em Edge ou Pulse, o osciloscópio conta a razão em que ocorrem os eventos de trigger e determina a frequência do trigger. O osciloscópio mostra a frequência no canto inferior direito da tela.

Fonte

Você pode usar as opções do Trigger Source para selecionar o sinal que o osciloscópio usa como trigger. A fonte pode ser a voltagem AC da linha (apenas com Edge triggers) ou qualquer outro sinal conectado ao canal BNC ou no EXT TRIG BNC.

Tipos

O osciloscópio fornece três tipos de triggers: Edge, Vídeo e Pulse Width. Modos

Você pode selecionar o modo de trigger Auto ou Normal para definir como o osciloscópio adquire os dados quando ele não detecta uma condição de trigger.

Acoplamento

Você pode usar as opções de Acoplamento do trigger que parte do sinal passará para o circuito de trigger. Isso pode ajudar a obter uma figura estável da forma de onda.

Para usar o acoplamento do trigger, aperte o botão TRIG MENU, selecione um trigger Edge ou Pulse, e selecione a opção de acoplamento.

NOTA: O acoplamento do trigger afeta apenas o sinal passado para o sistema de trigger. Ele não afeta a largura da banda ou acoplamento do sinal mostrado na tela.

Para ver o sinal condicionado passado para o circuito do trigger aperte e segure o botão TRIG VIEW.

Posição

O controle da posição horizontal estabelece o tempo entre o trigger e o centro da tela. Declividade e Nível

Os controles de declividade e nível ajudam a definir o trigger. A opção de declividade (Apenas no tipo Edge) determina se o osciloscópio encontra o ponto de trigger na subida ou na descida do sinal. O botão TRIGGER LEVEL determina em que ponto da declividade ocorre o trigger.

2.3- ADQUIRINDO SINAIS

Quando você adquire um sinal, o osciloscópio o digitaliza e mostra a forma de onda. O modo de aquisição define como o sinal é digitalizado e os ajustes na base de tempo afeta a escala de tempo e nível de detalhes na aquisição.

2.3.1- MODOS DE AQUISIÇÃO

Há três modos de aquisição: Amostragem (Sample), Detecção de pico (PeakDetect) e Média (Average).

• Amostragem (Sample)

Nesta modalidade, o osciloscópio faz amostragem do sinal em intervalos iguais para construir a forma de onda. Entretanto, esse modo não adquire variações rápidas no sinal que podem ocorrer entre as amostragens.

• Detecção de Pico (Peak Detect)

Nesta modalidade o osciloscópio acha os valores máximo e mínimo do sinal que entra dentro de cada intervalo de amostragem e usa esses valores para mostrar a forma de onda. Dessa forma o osciloscópio pode adquirir e mostrar picos estreitos.

• Média

Nesta modalidade, o osciloscópio adquire várias formas de onda tira a média mostra a forma de onda resultante. Você pode usar esse método para reduzir ruídos aleatórios.

2.4- BASE DE TEMPO

O osciloscópio digitaliza as formas de onda tomando o valor do sinal de entrada em pontos discretos. A base de tempo permite que você controle a frequência em que os valores são digitalizados.

Para ajustar a base de tempo da escala horizontal que se ajusta aos seus propósitos use o botão SEC/DIV.

2.5- AJUSTE DA ESCALA E POSIÇÃO DAS ONDA

S

Você pode mudar o gráfico da forma de onda ajustando a escala e a posição. Quando se muda a escala, o gráfico vai aumentar ou diminuir de tamanho. Quando se muda a posição o gráfico se move para cima ou para baixo, para a esquerda ou para a direita. O indicador do canal (localizado

à direita do retículo) identifica cada forma de onda da tela. O indicador aponta para o nível de referência fundamental da onda.

2.5.1- ESCALA VERTICAL E POSIÇÃO

Você pode mover a posição vertical da forma de onda para cima e para baixo. Para comparar dados você pode sobrepor as formas de onda. Você pode mudar a escala vertical fazendo que ela se contraia ou expanda com relação ao nível de referência.

2.5.2- ESCALA HORIZONTAL E POSIÇÃO.

Você pode ajustar a posição horizontal para ver a forma de onda antes, depois ou ambos com relação ao trigger Na realidade você estará mudando o tempo entre o trigger e o centro da tela. Você pode mudar a escala horizontal girando o botão SEC/DIV.

Dicas BASICAS para obtenção das medidas:

- Para que a figura fique num tamanho adequado, ajuste os botões de Volts/Div. E Sec/Div. Este ajuste pode ser realizado também pressionando o botão AUTORANGE ou o botão AUTOSET. - Note que o valor da escala Volt/Div aparece na parte inferior esquerda da tela após CH1 e

informações sobre a figura na parte inferior da tela.

- Para obter valores das medidas, pressione o botão Measure.

2.5.3 - MEDIDAS DE TENSÃO ALTERNADA.

Uma onda alternada é um sinal elétrico que varia no tempo e assume uma série de valores positivos, zeros e negativos. A Figura 5 mostra uma onda que alterna entre valores positivos e negativos durante sua passagem pelo zero, e que se repete em iguais intervalos de tempo sendo, portanto, periódica. A onda senoidal é a mais comum e fundamental dentre as ondas alternadas, porque todos os demais tipos de ondas alternadas (quadrada, triangular, dente de serra, etc.) podem ser decompostas em ondas senoidais.

2.5.3.1- VALOR EFICAZ ou RMS PARA ONDA SENOIDAL

O valor eficaz ou RMS ("root mean square") de uma corrente senoidal corresponde ao valor de corrente alternada 𝐶𝐴 capaz de dissipar em um resistor R uma potência média equivalente à potência dissipada por uma corrente 𝐶𝐶 sobre o mesmo resistor. Desta forma,

𝑃𝑐𝑎 = 1 𝑇∫ 𝑅𝑖(𝑡) 2_𝑑𝑡 𝑇 0 (1)

Supondo que a onda da Figura 5 seja dada por:

𝑉 (𝑡)= 𝑉₁𝑠𝑒𝑛(𝜔𝑡) (2) Seu valor eficaz é obtido da seguinte forma:

Isto é: 𝑽_𝒓𝒎𝒔𝟐

₌

𝑽𝟏 𝟐

𝟐

→ 𝑽𝒓𝒎𝒔= 𝑽𝟏 √𝟐 (𝟑)

2.5.3.2- VALOR EFICAZ ou RMS PARA ONDA QUADRADA.

Para uma corrente em onda quadrada como na Figura 6 isto é, sem parte negativa, temos:

Figura 6- Onda quadrada

Logo, 𝑖_𝑟𝑚𝑠 é dado por:

𝑖_𝑟𝑚𝑠= 𝑖₁√(𝑡𝑥− 𝑡0)

De maneira similar o valor rms para uma tensão com forma de onda triangular é dada por: 𝑉𝑟𝑚𝑠 = 𝑉₁ √3 (5)

3 – PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL

 PARTE A

1- Medir a tensão da pilha fornecida usando o osciloscópio e o multímetro digital. Compare os valores medidos, assim como, às incertezas estimadas para cada equipamento. Realizar pelo menos 5 medições afim de se obter um valor médio.

2- Utilizando o osciloscópio medir a tensão RMS (𝑉𝑅𝑀𝑆), a tensão pico a pico (𝑉𝑝𝑝) e a tensão média

(𝑉_m) do gerador de sinal (ajuste para ONDA SENOIDAL, frequência = 100Hz e amplitude do sinal para o seu valor máximo). Discutir os resultados obtidos.

- Salvar a imagem da tela do osciloscópio em uma memória USB para colocá-la no relatório (o osciloscópio suporta apenas memórias com capacidade inferior a 2Gb).

3- Medir o valor da tensão RMS (𝑉𝑅𝑀𝑆) da onda utilizada no item 2, utilizando o multímetro digital.

Compare com o valor 𝑉_𝑅𝑀𝑆 medido no item 2. Explicar o porquê caso os resultados sejam diferentes.

4- Utilizando o osciloscópio medir a tensão RMS (VRMS), a tensão pico a pico (Vpp) e a tensão

média (Vm) do gerador de sinal (ajuste para ONDA QUADRADA, frequência = 100 Hz e

amplitude do sinal para o seu valor máximo). Discutir os resultados obtidos.

5- Utilizando o osciloscópio medir a tensão RMS (VRMS), a tensão pico a pico (Vpp) e a tensão

média (Vm) do gerador de sinal (ajuste para ONDA TRIANGULAR, frequência = 100 Hz e

amplitude do sinal para o seu valor máximo). Discutir os resultados obtidos.

 PARTE B

1. MEDIDAS DE FREQUÊNCIAS E PERÍODOS:

1.1- Usando o gerador de funções, injete no canal CH1 uma onda senoidal de 200Hz com amplitude de 4Vpp. Caso a onda não esteja simétrica, ajuste-a utilizando o botão DADJ (a onda será simétrica quando este botão está indicando a posição vertical).

1.2- Meça e tabele as tensões pico a pico, de pico e eficaz, o período e a frequência da onda, todas com seus respectivos desvios.

1.3- Mude a frequência do gerador para 430Hz, depois para a frequência de 1350Hz. Observe se a tensão de pico muda com a variação da frequência.

Relate esses valores com seus respectivos desvios. 2. ADIÇÃO E SUBTRAÇÃO DE SINAIS.

2.2- Injete simultaneamente o mesmo sinal no canal CH1 e no canal CH2 e aperte o botão CH2 MENU e então o botão AUTOSET. Você deverá ver agora duas senóides correspondentes ao CH1 e CH2.

2.3- Aperte o botão MATH MENU e escolha a operação (+) . Observe que em ESCALA VERTICAL você vê que a escala correspondente à soma que está na posição central é o dobro da escala vertical de CH1 e CH2. Meça o valor de pico para cada uma das figuras.

Selecionando a operação diferença (−), a diferença entre as ondas será apresentada na parte central com a escala vertical o dobro das de CH1 e CH2.