Instrumentação e Análise de Sinais

Fonte: My Solutions
Revisão em 12h14min de 5 de fevereiro de 2026 por Ist23437 (discussão | contribs) (→‎Introdução)
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Objectivo do trabalho

Pretende-se com este trabalho introduzir os principais [instrumentos eléctricos] utilizados em laboratório de Física Experimental, desenvolvendo competências básicas de medição, observação e análise de sinais eléctricos. O objectivo central é compreender como medir e interpretar grandezas eléctricas em regimes contínuo (DC) e alternado (AC), bem como reconhecer as limitações e o comportamento não ideal dos dispositivos reais.

Introdução

A instrumentação eléctrica é omnipresente na Física Experimental, sendo fundamental em áreas tão diversas como a física de partículas e nuclear, nanotecnologias e matéria condensada, lasers e fotónica, fusão nuclear, e muitas outras. A grande maioria das experiências laboratoriais envolve, de forma directa ou indirecta, a geração, medição e análise de sinais eléctricos. Por essa razão, é importante adquirir familiaridade e confiança na utilização dos principais instrumentos eléctricos de laboratório, bem como na interpretação crítica das medições realizadas.

Nesta experiência são utilizados os seguintes instrumentos:

  • Osciloscópio digital – permite observar sinais eléctricos dependentes do tempo, medir amplitudes, períodos e frequências, analisar formas de onda e estudar relações de fase entre sinais.
  • Gerador de funções – utilizado para produzir sinais eléctricos controlados, com diferentes formas de onda (sinusoidal, quadrada, triangular), frequências e amplitudes, servindo como fonte de excitação para o estudo de circuitos e dispositivos eléctricos.
  • Multímetro – instrumento versátil destinado à medição de grandezas eléctricas como tensões contínuas (DC), tensões alternadas (AC) e resistências eléctricas, sendo essencial para a caracterização quantitativa de componentes e sistemas.
  • Fonte de alimentação – fornece tensões ou correntes controladas a um circuito, operando tipicamente em modos de tensão constante (CV) ou corrente constante (CC), permitindo estudar o comportamento de dispositivos reais sob diferentes condições de alimentação.

Para informações gerais sobre o funcionamento e aplicação em laboratório destes e outros instrumentos, consulte a página [[http://www.mysolutions.tecnico.ulisboa.pt/wiki/index.php?title=Instrumentos_el%C3%A9ctricos_e_de_medi%C3%A7%C3%A3o Instrumentos eléctricos e de medição ]] Para especificações detalhadas e guia de funcionamento dos equipamentos específicos usados em LIFE, deverá ler atentamente (e antes da sessão de laboratório) as instruções de [Instrumentos eléctricos - guias].

      1. Segurança e boas práticas

Embora os instrumentos utilizados operem em regimes de baixa tensão e corrente (tipicamente inferiores a 30 V e 1 A), devem ser respeitadas algumas precauções básicas:

  • Verificar sempre as ligações antes de ligar a alimentação do circuito
  • Evitar curto-circuitos, em particular nas saídas da fonte de alimentação e do gerador de funções
  • Começar as medições com tensões e correntes baixas, aumentando-as gradualmente
  • Não alterar ligações com a fonte de alimentação ligada
  • Utilizar correctamente as escalas e terminais do multímetro
  • Evitar o aquecimento excessivo de componentes (por exemplo, lâmpadas ou resistências)

O cumprimento destas regras garante não só a segurança dos utilizadores, mas também a integridade dos equipamentos e a fiabilidade das medições realizadas.

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Se quiseres, posso **encurtar ainda mais** (estilo “caixa de texto” de 10–12 linhas), ou alinhar exactamente a terminologia com o regulamento de segurança do Técnico.

Material


Procedimento

  1. Ligar dois cabos nos conectores adequados para leitura de tensão ou resistência.
  2. Colocar o multímetro no modo de leitura de tensão DC, seleccionando a escala mais elevada.
  3. Ligar as outras extremidades dos cabos aos terminais de uma bateria.
  4. Ajustar a escala do multímetro até obter um valor.
  5. Efectuar outra medida usando uma escala diferente. Comparar os valores medidos e as respectivas incertezas (absolutas e relativas).
  6. Desligar os cabos da bateria, mantendo ligados no multímetro.
  7. Colocar o multímetro no modo de leitura de resistência, seleccionando a escala mais elevada.
  8. Ligar as outras extremidades dos cabos aos terminais de uma caixa de resistência.
  9. Ajustar a escala do multímetro até obter um valor.
  10. Efectuar outra medida usando uma escala diferente. Comparar os valores medidos e as respectivas incertezas (absolutas e relativas).
  11. Comparar os valores obtidos com o valor tabelado da resistência, obtido através de leitura conforme descrito abaixo. Calcular o desvio relativo e absoluto.

Leitura dos valores de resistências

Tabela do código de cores de resistências.

Os códigos de cores das resistências são um método padrão para indicar o valor da resistência eléctrica, a sua tolerância e, em alguns casos, o coeficiente de temperatura. Cada resistência é marcada com faixas coloridas que representam números e multiplicadores (ver figura).

  1. Identificar o número de faixas: Normalmente, as resistências têm 4, 5 ou 6 faixas coloridas. O número de faixas determina como interpretar as cores.
  2. Ler as faixas da esquerda para a direita: Segure a resistência de forma que o grupo de faixas coloridas mais próximas esteja à esquerda. A última faixa, geralmente um pouco mais afastada, indica a tolerância.
  3. Converter as cores em números: Cada cor corresponde a um número de 0 a 9, um multiplicador (potência de 10) ou a tolerância. As primeiras faixas representam os dígitos significativos do valor da resistência.
  4. Interpretar as faixas principais:
    • Primeiras faixas: Representam os dígitos do valor da resistência.
    • Faixa do multiplicador: Indica por quanto multiplicar os dígitos significativos para obter o valor da resistência em ohms (Ω).
    • Faixa da tolerância: Mostra a precisão da resistência, indicando o desvio máximo permitido do valor nominal.
  5. Valor da resistência: Combine os números das faixas principais e aplique o multiplicador. Por exemplo, se as faixas forem vermelha, violeta e laranja, o valor será 27 (vermelho = 2, violeta = 7) multiplicado por \(10^3\), resultando em 27.000 ohms ou 27 kΩ.
  6. Tolerância: A faixa mais afastada indica a tolerância do componente. Por exemplo, uma faixa dourada representa uma tolerância de ±5%, enquanto uma faixa prateada representa ±10%.
  7. Para resistências de precisão (5 ou 6 faixas): As primeiras três faixas representam os dígitos significativos, a quarta faixa é o multiplicador, a quinta é a tolerância, e a sexta (se houver) indica o coeficiente de temperatura, usado para aplicações mais específicas.

Medições com a craveira

Material

Introdução

Para se medir o comprimento de um objecto com uma craveira, procede-se da seguinte maneira:

  • Determine ou leia a natureza do nónio \(a\).
  • Coloque o objecto a medir entre as mandíbulas da craveira, comprimindo-as até ficarem bloqueadas pelo objecto.
  • Na escala da régua principal, leia o número \(D\) da divisão que fica situada à esquerda da linha de fé do nónio (valor 0 da escala do nónio).
  • Na escala do nónio, identifique qual a divisão \(d\) que coincide com uma das divisões da escala da régua principal. Se nenhum traço do nónio coincidir exactamente com um da régua, considera-se coincidente o que estiver mais próximo.
  • A medida do comprimento do objecto é dada pela combinação das duas leituras: \(D+a\times d\)
Medição usando o nónio.

No exemplo ilustrada na figura do lado temos:

  • Natureza do nónio: \(a = 1/10 = 0,1\,\mathrm{mm}\)
  • Linha à esquerda do zero do nónio: \(D = 2\,\mathrm{mm}\)
  • Traço coincidente: \(d=6\)
  • Comprimento do objecto: \(D+a\times d=2+6\times 0,1 = 2,6\,\mathrm{mm}\)

Procedimento

  1. Analise a craveira e leia ou determine a natureza do respectivo nónio, bem como a incerteza associada às medições que irá realizar.
  2. Usando a craveira, determine as dimensões (largura \(L\), comprimento \(W\), altura \(H\)) de uma amostra de rocha em forma de paralelepípedo.
  3. Determine o volume \(V=L\times W\times H\) e a respectiva incerteza
  4. Use a balança digital para determinar a massa \(M\) da rocha
  5. Determine a densidade \(\rho=M/V\) da rocha e a incerteza associada. A partir do valor obtido, tente determinar de que rocha se trata:
    • Grés: \(\rho\approx2,1-2,6\,\mathrm{g/cm}^3\)
    • Mármore: \(\rho\approx2,4-2,7\,\mathrm{g/cm}^3\)
    • Xisto: \(\rho\approx2,7-2,9\,\mathrm{g/cm}^3\)

Medições com o osciloscópio

Material

Fundamentos do osciloscópio

Medição de tensão AC: definições.
  1. Ligue o gerador de funções. Seleccione uma função sinusoidal com amplitude 1 V e frequência 600 Hz.
  2. Ligue a saída do gerador de funções à entrada CH1 do osciloscópio. Neste, ajuste as escalas verticais, horizontais e o trigger para estabilizar a imagem obtida, dentro dos limites do écran.
  3. Experimente alterar os parâmetros das escalas de tempo (horizontal) e tensão (vertical). Observe como é afectada a dimensão do sinal observado (e a consequente incerteza na medição)
  4. Experimente alterar os parâmetros do trigger. Observe como é afectada a posição horizontal do sinal observado.
  5. Obtenha no écran um ciclo (i.e. um único período) da onda. Seleccione as escalas horizontal e vertical de modo a conseguir observar a maior onda possível, dentro dos limites do écran.
  6. Utilize a escala graduada do osciloscópio para medir a amplitude da onda – tensão de pico \(V_{PK}\), pico-a-pico \(V_{PP}\) e eficaz \(V_{RMS}\) – e o período da onda observada, bem com as suas incertezas. Determine a frequência e compare com o valor do gerador de funções.
  7. Altere a escala horizontal de modo a observar 4 períodos completos. Determine novamente o valor do período e compare a precisão com a da medida anterior.
  8. Altere a escala vertical para o valor imediatamente a seguir, diminuindo a amplitude da onda observada. Determine novamente o valor da amplitude pico a pico e compare a precisão com a da medida anterior.
  9. Repita os ponto 5 a 8, mas agora utilizando os cursores no ecrã e as ferramentas de medição integradas para realizar as mesmas medições (amplitude, período e frequência). Compare os valores obtidos entre os diversos métodos.

Fundamentos do gerador de funções

  1. Ligue o gerador de funções à entrada CH1 do osciloscópio. Seleccione uma onda sinusoidal com frequência de 1 kHz e amplitude de 2 V pico-a-pico. Ajuste o osciloscópio de modo a visualizar um ciclo completo.
  2. Explore as diferentes formas de onda (quadrada, triangular, dente de serra) e observe as suas formas no osciloscópio.
  3. Ajuste o ciclo de trabalho (duty cycle) de uma onda quadrada e observe como afecta a forma de onda.
  4. Assegure-se de que percebe a diferença entre ajustar os parâmetros do sinal (no gerador) e os parâmetros de leitura (no osciloscópio)

Sinais com componentes AC e DC

O osciloscópio pode funcionar em modo AC (corrente alternada), significando que é introduzida uma capacidade em série na entrada que elimina a componente DC do sinal, permitindo visualizar com melhor resolução sinais com uma componente DC (de direct current) significativa.

  1. Ligue o gerador de funções à entrada CH1 do osciloscópio e seleccione a entrada para DC. Seleccione uma onda sinusoidal com a anterior frequência de 1 kHz e amplitude de 2 V pico-a-pico. Ajuste o osciloscópio de modo a visualizar alguns ciclos completos.
  2. Introduza uma componente DC no gerador de funções e observe a influência no osciloscópio.
  3. Seleccione agora a entrada para medir sinais AC e analise o impacto na resolução da medida da componente AC do sinal.

Sobreposição e interferência de sinais

Figuras de Lissajous: variação com a razão entre frequências (eixo vertical) e a diferença de fase (eixo horizontal).
  1. Para este exercício são necessários dois geradores de funções, pelo que será necessário realizar em conjunto com outro grupo.
  2. Ligue um dos geradores de funções à entrada CH1 do osciloscópio. Seleccione uma onda sinusoidal com frequência de 1 kHz e amplitude de 2 V pico-a-pico. Ajuste o osciloscópio de modo a visualizar um ciclo completo, de forma estável.
  3. Ligue o outro gerador de funções à entrada CH2. Seleccione uma onda sinusoidal idêntica à anterior. Ajuste o osciloscópio de modo a visualizar os dois canais.
  4. Altere a fonte de trigger de CH1 para CH2 e observe o resultado na imagem observada.
  5. Utilize a função matemática do osciloscópio para visualizar a soma dos dois sinais. Observe como as variações de fase entre os sinais afectam a forma de onda resultante.
  6. Coloque o osciloscópio no modo XY. A forma de activar depende do modelo de equipamento.
  7. Obtenha a figura de Lissajous correspondente a dois sinais com frequências (aproximadamente) iguais. Observe como a figura evolui à medida que a diferença de fase entre sinais varia.
  8. Experimente obter figuras de Lissajous para diferentes combinações de frequências: 2:1, 3:1, 3:2, etc (ver figura).
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