Curso - O Osciloscópio

TUBO DE RAIOS CATÓDICOS - MANUSEIO DO OSCILOSCÓPIO - MEDIDA DE TENSÃO CONTÍNUA - MEDIDA DE TENSÃO ALTERNADA -  MEDIDA DE FREQÜÊNCIA - MEDIDA DE ÂNGULO DE FASE - MEDIDA DE RESISTÊNCIA PELO MÉTODO DA PONTE

A seguir  faremos uma breve descrição de um osciloscópio e como funciona. Na Fig01 temos a tela de um osciloscópio básico de um canal. Para dois canais alguns dos controles serão duplicados.

O elemento no qual a imagem é formada é chamado de Tubo de Raios Catódicos (TRC)

Tubo de Raios Catódicos (TRC) .

É  a  parte do osciloscópio onde a imagem a ser vista é formada. Consiste de um tubo de vidro dentro do qual é feito vácuo. A figura02 mostra um corte de um TRC típico.

Fig02: Tubo de Raios Catódicos ( TRC)

A seguir mostraremos  os principais controles e ajustes dos mesmos em um osciloscópio e instruções para utilização.

MANUSEIO DO OSCILOSCÓPIO

O manuseio de um osciloscópio analogico é muito simples e basicamente consiste em ajustar alguns controles de forma que a forma de onda apareça estavel na tela.A primeira coisa que deveremos aprender é identificar os controles. A figura a seguir mostra o aspecto geral de um osciloscopio de dois canais. Observar que a posição dos controles no painel pode diferir de um osciloscopio para outro.

A seguir a descrição dos principais controles do osciloscopio.

Chave liga-desliga: Liga a  força AC ao osciloscopio

Controle de brilho e controle de foco : Controla a intesidade do brilho do feixe bem como o seu foco.

Entradas verticais: nas entrada (duas no caso do osciloscopio de dois canais) serão colocados os cabos os quais serão ligados ao circuito externo. A seguir exmplos de pontas de prova que são usadas.

Chave    seletora do modo de entrada: Os modos de entrada podem ser: GND (é usado para estabelecer o zero de referencia), AC (entre a entrada  e o amplificador verical é interposto um capacitor, portanto se a forma de onda tiver uma componente continua a mesma não será mostrada) e DC ( O acoplamento é direto, neste caso caso o sinal tenha uma componente DC a mesma será mostrado)

Chave seletora de ganho vertical: Seleciona um valor de ganho vertical. Na figura a seguir a chave seletora esta selecionando 1V por divisão.

Controle de posição vertical (Y pos): Desloca o traço na vertical

Chave seletora da base de tempo: A base de tempo determina a escala no eixo X (eixo de tempo). Em alguns casos pode ter um controle de calibração.

Controle de posição horizontal (X POS)

entrada de sincronismo externo;

Obtendo o Traço

 Uma das primeiras ações , apos ligar o osciloscopio, é posicionar os dois traços na tela, para isso proceda como a seguir:

1 - Posicione a chave seletora de base de tempo em 1ms/div

2 - Coloque o controle de posição horizontal aproximadamente na metade do curso;

3 - Selecione REDE (ou LINE) na chave seletora de sincronismo;

4 - Selecione DUAL (ou CHOPPER) na seletora de modo vertical;

5 - Posicione os controles verticais dos dois canais aproximadamente na metade do cursor;

6 - Ligue o osciloscópio e ajuste os controles de brilho e de foco até obter um traço fino e nítido;

Aguarde aproximadamente 1minuto para que o osciloscópio atinja a condição normal de trabalho. Deverão aparecer dois traços horizontais na tela (canais 1 e 2). Caso isso não aconteça use um controle de posição vertical de cada vez até localizar cada um dos traços.

7 - Movimente o controle de posição horizontal e observe o que acontece na tela;

8 - Mude a posição da chave seletora de base de tempo no sentido anti-horário e observe o que acontece com o traço na tela.

Operando com um ou dois canais

l -Para trabalhar somente com um dos canais selecione CH1 (voce verá somente um traço) ou CH2

2 - Para trabalhar com os dois canais selecione DUAL (voce verá os dois traços)

A seguir mostraremos as aplicações do osciloscopio

MEDIDA DE TENSÃO CONTÍNUA

Em circuitos em que o terra é conectado ao pólo negativo da fonte de alimentação as tensões lidas são positivas, de forma que o traço na tela se desloca para cima da posição ade referência. Em caso contrário, ou seja, quando o terra é conectado ao pólo positivo o traço se desloca para baixo da referência na tela porque as tensões lidas são negativas.

Determinar valores de tensão contínua com o osciloscópio.

EQUIPAMENTO

Osciloscópio:

Fonte de tensão C.C.;

Multímetro.

MEDIÇÃO DE TENSÕES C.C.

Procedimento :

Ligue o osciloscópio e realize os ajustes básicos já

Selecione REDE ou LINE na chave de fonte de sincronismo;

Ajuste a chave de base de tempo para 1ms/div;

Ajuste o traço no centro da tela (será a referência);

Conecte a ponta de prova em um dos canais (CH1 ou CH2) e posicione a chave de entrada,  CA-GND-CC em GND para estabelecer o zero de referencia. Em seguida coloque a chave em CC no canal selecionado;

Posicione a chave de ganho vertical em 5V/div;

Ligue a fonte de C.C. e ajuste para 10V de saída. Use o multímetro para efetuar o ajuste inicial. 

Fig03: Osciloscópio em medida CC - chave de entrada em O (GND) - Estabelecendo a referencia zero

Conecte a ponta de prova do osciloscópio nos bornes de saída da fonte de modo que agarra de terra seja conectada ao borne negativo.

Faça a leitura da tensão no osciloscópio  de acordo com:

tensão medida  = nº de divisões (N) x posição da chave seletora de ganho vertical (pos)

V = _____ x _____ = _____V (Verifique com o multímetro se a tensão lida confere).

Fig04: Osciloscópio em medida CC - chave de entrada em CC  e 5V/Div

- Ajuste, com o osciloscópio , uma tensão de 10V, (Chave seletora de ganho vertical 20 V/div.);

Posicione o seletor de ganho vertical para 20V/div;

Ajuste a posição de referência do traço. 

Fig05: Osciloscópio em medida CC - chave de entrada em CC  e 20V/Div

OBSERVAÇÃO : Como se vê, dependendo do valor a se medir, existe uma posição da chave seletora de ganho vertical em que se torna mais fácil a leitura. Sempre que se for realizar alguma leitura de tensão deve-se procurar colocar a chave seletora de ganho vertical em um valor mais alto e depois ir ajustando até que a leitura se torne mais fácil de realizar. Este cuidado é válido para todos os instrumentos sob risco de se danificar o aparelho.

Ajuste as tensões abaixo e preencha a tabela abaixo:

- Desligue o osciloscópio.

MEDIDA DE TENSÃO ALTERNADA

FUNDAMENTO TEÓRICO

Sem dúvida a aplicação mais comum de osciloscópio é na observação de sinais alternados.

Existem diversas formas de sinais alternados, muitos deles com forma bastante complexa. Os sinais senoidais ou cossenoidais, entretanto, possuem algumas características de fácil análise. Basicamente são três as características deste tipo de sinal, são elas: amplitude, freqüência e fase.

Para se efetuar a medida de uma tensão alternada, ou seja, a medida, de sua amplitude, deve-se proceder da seguinte maneira:

1. Aplica-se a tensão à entrada vertical do osciloscópio;

2. Situa-se o seletor de varredura na freqüência igual ou submúltiplo da tensão a se medir. Se a freqüência de varredura é várias vezes inferior, temos na tela tantos ciclos quantas vezes seja superior a freqüência do sinal em relação à de varredura.

3. Estabiliza-se a imagem através do sincronismo.

4. Quando se medem tensões alternadas mediante um osciloscópio, deve-se ter em mente que na sua tela aparecem valores máximos, ou de pico. Se para calibração considerou-se uma tensão alternada de valor eficaz conhecido, a proporção de alturas dará o valor eficaz da tensão média mediante a expressão:

Se a tensão medida for a de "pico a pico", quer dizer a tensão entre o máximo valor positivo e o máximo negativo, temos:

OBJETIVO

- Fazer leitura de tensão alternada com o osciloscópio.

- EQUIPAMENTOS

Osciloscópio;

Transformador com secundário com center tap ;

Multímetro.

MEDIÇÃO DE TENSÃO ALTERNADA

- Procedimento:

- Faça os ajustes básicos do traço (brilho, foco, etc) posicionando a chave seletora de base de tempo em 5ms/div.

- Conecte a ponta de prova no canal selecionado;

- Conecte o transformador  à rede elétrica.

- Posicione a chave seletora de modo de entrada para a posição AC.

- Passe a chave seletora de ganho vertical para 5V/div.

- Passe a chave seletora de modo de entrada para a posição AC.

- Selecione REDE na chave de sincronismo.

- Conecte a ponta de prova ao secundário do trafo entre center tap e uma extremidade.

Fig05: Osciloscópio em medida CA 

DETERMINAÇÃO DAS TENSÕES DE PICO A PICO E EFICAZ

Determine a tensão de pico a pico, a tensão de pico e a tensão eficaz da CA na tela.

Vpp = _____V; Vp = _____V; Vef = _____V;

Meça a tensão CA eficaz na saída do trafo  com o multímetro (não esqueça de colocar em AC).

Vef = _____V;

Repita os procedimentos acima colocando o osciloscópio entre os terminais do secundário 

Determine a tensão de pico a pico, a tensão de pico e a tensão eficaz da CA na tela.

Vpp = _____V; Vp = _____V; Vef = _____V;

Meça a tensão CA eficaz na saída do trafo  com o multímetro (não esqueça de colocar em AC).

Vef = _____V;

Fig07: Osciloscópio em medida CA - Chave de entrada em AC

OBS: A cada ajuste pelo osciloscópio confira com o multímetro.

Desligue o osciloscópio;

Retire a alimentação do trafo.

MEDIDA DE FREQÜÊNCIA COM O OSCILOSCÓPIO

O osciloscópio pode ser utilizado para determinação de freqüência de um sinal elétrico, porque o período de uma CA é conhecido através do osciloscópio.

Outra maneira de se determinar freqüência com osciloscópio é através das "Figuras de Lissajour" .

RELAÇÃO ENTRE PERÍODO E FREQÜÊNCIA

Freqüência (f) é o número de ciclos completos de um fenômeno repetitivo que ocorrem na unidade de tempo, ou seja, freqüência é o número de ciclos completos por segundo. Sua unidade é o Hertz (Hz) .

Período (T) é o tempo necessário para que ocorra um ciclo completo de um fenômeno repetitivo, ou seja, período é o tempo de ocorrência de 1 ciclo, sua unidade é o segundo (s).

A freqüência e o período estão intimamente relacionados. A relação entre estas duas grandezas é dada pela equação

f=1/T  ou T=1/f

Esta equação mostra que , período e freqüência são inversamente proporcionais e uma vez conhecido o período se conhece a freqüência por cálculo.

DETERMINAÇÃO DO PERÍODO DE UM SINAL

O eixo horizontal do Osciloscópio é denominado de "eixo dos tempos" porque através de suas divisões pode-se determinar o período de formas de ondas alternada (o valor de cada divisão horizontal é dado pela chave seletora de base de tempo).

Para que o período de uma C.A. seja determinado com precisão é necessário se reproduzir na tela o menor número possível de ciclos, Isto é conseguido com o ajuste na chave seletora de ajuste de tempo. O ideal é se projetar na tela apenas um ciclo da C.A., entretanto, isto nem sempre é possível.

Com o sinal  projetado na tela deve-se então estabelecer um ponto na figura que será considerado como início do ciclo e posicioná-lo exatamente sobre uma das divisões do eixo horizontal.

Com o início do ciclo posicionado verifica-se o número de divisões do eixo horizontal ocupado pelo ciclo completo. Conhecendo-se o tempo de cada divisão horizontal e o número de divisões horizontais ocupados por um ciclo da C.A. pode-se determinar o período da C.A.:

PERÍODO = Nº de divisões horizontais de 1 ciclo X Tempo de uma divisão

OBS: O número de divisões horizontais é obtido na tela do osciloscópio e o tempo de uma divisão da tela é dado pela posição da chave seletora da base de tempo.

OBJETIVOS

Determinar freqüência com osciloscópio.

EQUIPAMENTOS

Osciloscópio;

Gerador de Funções.

PROCEDIMENTO:

Ligue o osciloscópio e proceda aos ajustes básicos posicionando o traço no meio da tela.

Posicione a chave seletora de ganho vertical em 5 V\div.

Posicione a chave de modo de sincronismo em REDE;

Posicione a chave de modo de entrada em A.C.;

Conecte a ponta de prova do canal selecionado ao gerador de funções;

Ajuste no gerador de funções uma freqüência de 1 Khz, senoidal.

Atue na chave seletora de base de tempo até conseguir o menor número possível de ciclos;

Atuando no controle horizontal, estabeleça um ponto que será considerado como início do ciclo da figura projetada na tela (o ponto deverá estar exatamente sobre a linha horizontal);

Conte quantas divisões horizontais ocupa um ciclo na tela;

Verifique qual a posição da chave seletora de base de tempo;

Calcule período da C.A. projetada na tela.

T= _____s

Calcule a freqüência:

f = _____Hz f= 1\T

Fig08: Medindo período

Ajuste as freqüências abaixo pelo osciloscópio e confira com o mostrador do gerador de funções. Observe que a leitura do osciloscópio é muito mais precisa que a do gerador de funções.

MEDIDA DE ÂNGULO DE FASE

Cada componente eletrônico tem características próprias que influenciam o seu comportamento nos circuitos. Assim, cada componente reage de forma diferente quando ligado em C.C. ou C.A., ocasionando reações diferentes no circuitos.

RELAÇÃO DE FASE ENTRE TENSÃO E CORRENTE

Quando uma carga puramente resistiva é aplicada a uma fonte de C.A. se observam dois aspectos:

Tensão e corrente estão em fase;

A queda da tensão é proporcional a corrente circulante (o que também ocorre em C.C.).

Devido a estas características do resistor, ele pode ser utilizado como um recurso para a conversão de variações de onda de corrente através do osciloscópio.

A Medida do ângulo de fase pode ser feita com osciloscópio de duplo traço ou traço simples.

Quando se utiliza o duplo traço cada uma das C.A. é aplicada a um canal e a relação de fase é medida com o auxílio das divisões horizontais da tela.

A única exigência que se faz para se poder medir este ângulo de fase é que as CA's tenham mesma freqüência, porque neste caso a defasagem é variável.

Quando se usa o osciloscópio traço simples o ângulo de fase é dado por Figura de Lissajour.

MEDIÇÃO DO ÂNGULO DE FASE

OBJETIVOS

observar isoladamente as senóides de tensão e corrente em um resistor:

Observar simultaneamente as senóides de tensão e corrente em um resistor, determinando o ângulo de fase;

Determinar a relação de fase entre tensão e corrente nos capacitores, usando o osciloscópio duplo traço.

EQUIPAMENTOS

Gerador de sinais;

Osciloscópio.

LISTA DE MATERIAIS

Resistor de 10K - 1 / 4W

Resistor de 560 - 1 / 4W

Capacitor 0,010F - 250V

OBSERVAÇÃO DA TENSÃO NO RESISTOR

Monte o circuito abaixo

Ligue o gerador de seletora de modo de entrada de modo de entrada em C.A. ;

Posicione a chave seletora de ganho vertical em 1V/div;

Posicione para o canal 1 (CH 1 );

Posicione a chave seletora da base de tempo em 0,1 ms/div;

Posicione a chave seletora de modo de sincronismo em AUTO;

Conecte a ponta de prova sobre o resistor R 1 ;

Centralize a figura na tela.

Obs: A figura na tela é uma projeção da tensão no resistor R 1 .

OBSERVAÇÃO DA CORRENTE

O Resistor R 2 é utilizado para converter as variações de corrente no circuito em variação de tensão. Normalmente, o resistor utilizado para esta função tem uma resistência de 10% da Resistência do circuito.

Para esta observação será utilizado o canal 2.

Posicione a chave de modo de entrada vertical para canal 2 (CH 2 ); Posicione a chave de fonte de sincronismo para canal 2 (CH 2 ). 

Posicione a chave de fonte de sincronismo para canal 2 (CH 2 );

Conecte a ponta de prova do canal 2 sobre o resistor R 2 ;

OBS :; Os demais controles não devem ser alterados.

A figura na tela representa a corrente no resistor R 1 . Desconsiderando a pequena diferença provocada pela introdução de R 2 no circuito.

OBS : Para se obter as duas formas de onda na tela basta mudar a chave de modo de operação vertical para DUAL ou (CHOPPER) e em seguida conectar novamente a ponta de prova ao resistor R 1 (conforme a 1º figura a da página 28). Não é necessário ligar as duas garras de terra ao circuito. Inverta o sinal de entrada do canal 2.

DETERMINAÇÃO DO ÂNGULO DE FASE ENTRE TENSÃO E CORRENTE NOS CAPACITORES

Monte o circuito abaixo

Conecte o gerador ao circuito ( ele deve estar ajustado para 1Khz, 8Vpp, senoidal);

Conecte o osciloscópio ao circuito conforme a figura;

Confira se o comando de inversão do canal 2 está ativado (este comando serve para corrigir a inversão ocasionada pela forma de ligação da ponta de prova do canal 2.

Identifique na tela quais são as senoides da tensão no capacitor (Vc) e da corrente (Ic).

Verifique qual a relação de fase entre tensão e corrente nos capacitores.

Desconecte o Osciloscópio do circuito.

MEDIDA DE RESISTÊNCIA PELO MÉTODO DA PONTE

A medida de uma resistência pelo método da ponte consiste em utilizar uma ponte de Wheatstone e um osciloscópio para efetuar sua calibração.

A ponte de Wheatstone é composta por duas resistências variáveis de valores conhecidos (R1 e R2), uma resistência fixa R3, também de valor conhecido e a resistência Rx cujo valor se deseja conhecer.

A medição se realiza como se segue:

1 . Ajuste o osciloscópio de forma que, na ausência de sinal o traço( chave de entrada em GND)  se acha sobre o eixo horizontal do meio da  tela.

2 . Aplica-se entre os pontos A e B da ponte uma tensão contínua de valor qualquer, pelo que, se a ponte não está equilibrada, entre os pontos C e D aparecerá uma tensão que deslocará verticalmente o traço na tela.

3 . Ajusta-se a resistências RV até que o traço se situe de novo sobre o eixo horizontal na tela, sempre no menor ganho vertical possível ( para garantir que a tensão medida é nula )

4 . Calcula-se o valor da resistência desconhecida Rx, a partir da fórmula da ponte de Wheatstone.

FIGURAS DE LISSAJOUS

Uma figura de Lissajour é uma imagem formada sobre a tela de um osciloscópio quando se aplicam simultaneamente tensões senoidais (em geral de freqüências distintas) às placas defletoras horizontais e verticais. Uma das principais aplicações das figuras de Lissajour é a determinação de uma freqüência desconhecida comparando-a com outra, conhecida.

Fig09: Medindo freqüências   por comparação - Figura de Lissajour

Não interessa de que freqüência se trate, sempre que uma seja desconhecida se conhecemo uma delas podemos determinar a desconhecida.

Uma característica que têm em comum todas as figuras é que o diagrama toca as linhas horizontais e verticais em um certo nº de pontos. A relação entre o número de pontos de tangencia é igual à relação de ambas as freqüências. Por exemplo, digamos que o diagrama toque a linha horizontal em dois pontos, na vertical toque em 1 ponto, e ainda que a freqüência aplicada na vertical seja de 120 Hz. A determinação da freqüência aplicada na horizontal será dada por:

f(h) = 120 x 1/2 = 60 Hz.

O número de pontos de tangencia sobre as linhas horizontais e verticais é mais facilmente contado quando a figura de Lissajour é estável (não se move) e quando é simétrica. Na figura 2 representa-se várias figuras de Lissajour e suas respectivas relações. A menos que a tela do osciloscópio seja muito grande as figuras de lissajour com relação acima de 10:1 são difíceis de discernir.

Fig10: Figuras de Lissajour

Outra aplicação interessantes nas figuras de Lissajour é na determinação do ângulo de fase  pois os diagramas são formados pela aplicação de tensões senoidais às placas defletoras que têm a mesma freqüência e amplitude, mas com diferenças de fase. As imagens só podem ser obtidas se a amplitude da voltagem às placas defletoras verticais é a mesma que a da voltagem aplicada ás placas horizontais. Se umas delas difere, a imagem nunca será circular, mas sempre elíptica. Por conseguinte, se utilizarmos estas imagens para medir a diferença de fase entre as voltagens senoidais devemos nos assegurar de que ambas tenham a mesma amplitude, de modo a podermos calibrar a tela.

Fig11: Figuras de Lissajour

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