UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEAR CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECNICA LABORATRIO DE VIBRAES MECNICAS

Handerson Rodrigues

Raiane Costa de Oliveira

Fortaleza, setembro de 2014

Manual Bsico de Aquisio e Tratamento de Sinais

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Sumrio

1. Introduo ................................................................................................................ 3

1.1. Principais comandos do osciloscpio .............................................................. 4

2. Aquisio De Sinais ................................................................................................. 5

2.1. Montagem ......................................................................................................... 5

2.2. Softwares Tektronix .......................................................................................... 7

2.2.1. Instrument Manager ................................................................................... 7

2.2.2. Wavestar .................................................................................................... 9

2.2.3. Wavestar for Osciloscopes ........................................................................ 9

2.3. Visualizao ...................................................................................................... 9

2.3.1. Tabela ......................................................................................................... 9

2.3.2. Sinal .......................................................................................................... 11

3. Medies ................................................................................................................ 12

4. Trigger .................................................................................................................... 14

4.1. Menu Trigger ................................................................................................... 14

5. MATLAB: Visualizao e Medidas ........................................................................ 15

5.1. Preparao do arquivo no formato .txt ........................................................ 15

5.2. Interface do programa .................................................................................... 16

5.3. Atribuio de Valores...................................................................................... 17

5.4. Grficos ........................................................................................................... 17

5.5. FFT .................................................................................................................. 20

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1. Introduo

O osciloscpio um instrumento de medio que permite visualizar

graficamente sinais eltricos. Na maioria das aplicaes, o osciloscpio mostra como

que um sinal eltrico varia no tempo. O eixo vertical (YY) representa a amplitude

do sinal (tenso) e o eixo horizontal (XX) representa o tempo.

Um grfico, obtido a partir da aquisio de um sinal, permite:

Determinar valores de tenso e temporais de um sinal.

Determinar a frequncia de um sinal peridico.

Determinar a corrente contnua (CC) e alternada (CA) de um sinal.

Detectar a interferncia de rudo num sinal e, por vezes, elimin-lo.

Comparar dois sinais num dado circuito, comparando a sua entrada e

sada, permitindo a sua anlise.

Os osciloscpios tambm podem ser analgicos ou digitais. Os osciloscpios

analgicos funcionam aplicando quase diretamente a tenso medida a duas placas

horizontais que criam um campo elctrico, provocando o desvio vertical, dado que as

placas so horizontais, de um feixe de eltrons que se desloca para o cran, o que

permite a observao do valor da amplitude do sinal no eixo vertical. J os

osciloscpios digitais retiram amostras do sinal original, amostras estas que so

convertidas para um formato digital atravs da utilizao de um conversor

analgico/digital, esta informao digital , ento, armazenada numa memria e

seguidamente reconstruda e representada no cran.

O osciloscpio a ser retratado nesta apostila um osciloscpio de

armazenagem digital Tektronix da srie TDS1000.

Figura 1.1 - Osciloscpio Tektronix TDS1002.

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1.1. Principais comandos do osciloscpio

A) AUTOSET: Ajusta, automaticamente, o sinal da melhor forma possvel no

osciloscpio.

B) RUN/STOP: A funo Stop permite a paralizao do sinal na tela do

instrumento; j a funo Run permite que o sinal volte a correr normalmente.

C) AJUDA: Acessa o menu Ajuda no osciloscpio.

D) MEDIDAS: Acessa o menu Medidas no osciloscpio e permite fazer medies

diretamente no aparelho.

E) CURSORES: Permite o ajuste dos cursores verticais, para determinar

medidas de tenso, e horizontais, para determinar medidas de tempo.

F) POSITION (vertical): Permite o ajuste do sinal no eixo vertical.

G) POSITION (horizontal): Permite o ajuste do sinal no eixo horizontal.

H) VOLTS/DIV: Permite ajustar a escala da tenso, no eixo vertical.

I) SEC/DIV: Permite ajustar a escala do tempo, no eixo horizontal.

J) TRIG MENU: Acessa o menu para a configurao da funo trigger.

Figura 1.2 Comandos osciloscpio.

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2. Aquisio De Sinais

2.1. Montagem

O sinal adquirido pelo acelermetro, que transforma deslocamento em

diferena de potencial. Sua fixao pode ser feita de quatro modos: atravs de

parafuso, cera de abelha, m e contato.

Figura 2.2 - Acelermetro.

O sinal de sada do acelermetro condicionado e amplificado pelo

condicionador de sinal. A sensibilidade do condicionador deve ser ajustada de

acordo com a sensibilidade do acelermetro, presente na caixa transparente.

A montagem do circuito para a aquisio feita da seguinte maneira:

1) Conecta-se uma ponta do acelermetro onde se deseja obter o sinal. A outra

ponta do acelermetro conectada ao condicionador de sinal atravs da porta

de entrada Input.

Figura 2.3 - Condicionador de sinal.

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2) Conecta-se uma ponta do cabo da Figura 2.3 porta de sada Output do

condicionador de sinal, enquanto a outra ponta conectada porta de entrada

dos canais no osciloscpio, transmitindo, assim, o sinal para esse instrumento.

3) Por fim, para a transmisso dos dados do sinal adquirido para o computador,

utiliza-se o cabo da Figura 2.4, conectando uma ponta ao osciloscpio e, a

adaptao USB ao computador.

Figura 2.4 - Cabo de conexo condicionador de sinal-osciloscpio.

Figura 2.5 - Cabo de conexo osciloscpio-computador.

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2.2. Softwares Tektronix

2.2.1. Instrument Manager

Com esse recurso conectamos o osciloscpio ao PC para ter acesso s

informaes coletadas pelo osciloscpio.

Caso o equipamento no seja reconhecido pelo PC, devemos adicionar o

equipamento. Para realizar esse processo basta abrir o Instrument Manager e

selecionar o comando indicado na figura.

Na janela que abrir, selecionamos o tipo de instrumento que iremos conectar.

No caso, o tipo ser TEK TDS 1000 series, pois o osciloscpio de modelo TDS

1002.

Figura 2.5 Tela inicial.

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Em seguida, escolha a porta em que o osciloscpio foi conectado. Caso no

saiba, verificar no Gerenciador de Propriedades -> Portas (COM & LTP). O nmero

no final dessa opo indica a porta que dever ser escolhida no Instrument

Manager. Por exemplo, na figura a seguir a porta do osciloscpio a COM5.

Para finalizar, escolha o nome do osciloscpio e clique em avanar. Agora o

osciloscpio deve ser reconhecido pelo PC.

Figura 2.6 Escolha do modelo.

Figura 2.7 Verificao da porta.

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2.2.2. Wavestar

O WAVESTAR fornecido pela Tektronix. Atravs dele o sistema operacional

reconhece devidamente o osciloscpio. Com isso podemos salvar os dados

coletados pelo osciloscpio em um arquivo diretamente no PC para, posteriormente,

estudar essa onda em outro software.

2.2.3. Wavestar for Osciloscopes

Esse o software que vai efetivamente importar os dados de sada para o

computador. O aparelho conectado encontra-se sob a aba principal Local, lado

esquerdo da tela, e identificado pelo nome escolhido na instalao no Instrument

Manager.

2.3. Visualizao

Para a visualizao dos dados, abrimos o WaveStar For Osciloscopes. Nele

seguimos o caminho: Local -> Nome_do_instrumento -> Data -> Waveforms ->

Canal.

2.3.1. Tabela

A visualizao em forma de tabela feita com a criao de um novo arquivo de

dados. Isso pode ser feito pelo caminho: File -> New Datasheet -> Waveforme

Tabular ou Ctrl + N -> Waveforme Tabular.

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Feito o processo anterior aparecer uma tabela na tela. Para a aquisio dos

dados em determinado instante ou a ligao dinmica com o canal, pressiona-se o

boto direito do mouse sobre o canal desejado e arrasta-se at a rea da tabela

(isto vale para as outras opes de Datasheet).

Agora os dados j esto tabulados. A exportao dos dados feita pelo caminho

File -> Export -> Datasheet -> Formato. Geralmente salvo no formato texto,

txt, pois o mais compatvel com os mais diversos softwares. Na janela que abri em

seguida podemos escolher o local em que esse arquivo ser salvo e o seu nome.

Figura 2.8 Escolha da Datasheet.

Figura 2.9 Visualizao do Waveform Tabular.

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2.3.2. Sinal

Outra opo interessante a visualizao da tela do osciloscpio no computador.

Para tanto, deve-se seguir o seguinte caminho: File -> New Datasheet -> YT Sheet

ou Ctrl + N -> YT Sheet. Aps esse procedimento um grfico ser mostrado na tela

(Figura 2). Para plotar o grfico (Figura 3) clique com o boto direito do mouse

sobre o grfico e escolha a opo link.

Figura 2.10 Grfico YT Sheet.

Figura 2.11 Visualizao do grfico YT Sheet.

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3. Medies

No osciloscpio, podem ser realizadas medies automticas para a maior

parte dos sinais exibidos.

Para acessar as medies automticas, pressione o boto MEDIDAS no

osciloscpio, aparecero onze tipos de medidas diferentes, sendo possvel realizar

at cinco medidas de uma nica vez. Para isso o canal da onda, no qual se deseja

fazer a medio, deve estar ativo.

Para efetuar uma medio, pressione o boto MEDIDAS, com isso aparecer

a opo Origem, na qual o canal da onda deve ser escolhido. Em seguida, escolha o

tipo de medio a ser feita na opo Tipo. Pressione o boto Voltar para retornar ao

menu MEDIDAS e exibir as medies selecionadas.

Figura 3.6 - Menu MEDIDAS - Medida 1.

Figura 3.7 - Menu MEDIDAS.

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Tipos de medies Definio

Frequncia Calcula a frequncia da forma de

onda, medindo o primeiro ciclo.

Perodo Calcula o perodo de tempo do

primeiro ciclo.

Mdia Calcula a tenso da mdia aritmtica

de todo o registro

Pico-a-pico

Calcula a diferena absoluta entre os

picos mximo e mnimo de toda a

forma de onda

Ciclo RMS

Calcula a medio RMS efetiva do

primeiro ciclo completo da forma de

onda.

Mnimo Examina o registro de todos os 2500

pontos e exibe o valor mnimo

Mximo Examina o registro de todos os 2500

pontos e exibe o valor mximo

Tempo de subida

Mede o tempo entre os pontos de

10% a 90% da primeira borda de

subida da forma de onda.

Tempo de descida

Mede o tempo entre os pontos de

90% a 10% da primeira borda de

descida da forma de onda.

Largura positiva

Mede o tempo entre a primeira borda

de subida e prxima borda de descida

no nvel de 50% da forma de onda

Largura negativa

Mede o tempo entre a primeira borda

de descida e prxima borda de subida

no nvel de 50% da forma de onda

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4. Trigger

Trigger o procedimento que sincroniza a frequncia externa, processada

pelo osciloscpio, com a frequncia interna dele. Como consequncia, vemos uma

onda parada na tela do equipamento, facilitando as medidas realizadas no

osciloscpio.

Para realizar o trigger preciso que o cursor do trigger, localizado esquerda

na tela, esteja no interior da onda em que se deseja realizar o trigger. Ou seja, o

osciloscpio TEK TDS 1002 capaz de realizar o trigger em uma onda por vez,

mesmo se for mostrado duas ou mais ondas na tela.

4.1. Menu Trigger

Quando clicamos em Auto Set o equipamento seleciona as melhores

configuraes de visualizao e trigger referentes ao (s) sinal (is) de entrada. Porm

essas configuraes podem ser alteradas manualmente atravs do Menu Trigger.

As seguintes opes so esto disponveis no menu:

Tipo: Altera o modo como s frequncias so sincronizadas.

Origem: Altera o canal em que se deseja realizar o trigger

Inclinao: Altera a forma como a onda ser mostrada na tela. Ou seja,

se o ponto de inicio da onda na tela ser na subida ou na decida do sinal.

Modo: Altera

Acoplamento: Altera o tipo de corrente aplicada sobre o sinal (continua

ou alternada).

Se o canal indicado na Origem do menu trigger estiver diferente do canal em

que se deseja realizar o trigger ou o cursor do trigger estiver fora da onda, o

equipamento ser incapaz de realizar o trigger.

A diferena entre o Acoplamento utilizando a corrente continua (CC) e a

alternada (CA) que no Acoplamento CA passa somente sinais CA, os sinais CC

so barrados por um capacitor. No Acoplamento CC passam os dois sinais juntos.

Em uma aplicao mais geral usa-se a seguinte configurao:

Tipo: Borda

Origem: Canal na qual se deseja realizar o trigger

Inclinao: Subida

Modo: Auto

Acoplamento: CC

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5. MATLAB: Visualizao e Medidas

O MATLAB (MATrix LABoratory) um sistema interativo que integra anlise

numrica, clculo com matrizes, processamento de sinais e construo de grficos

em ambiente fcil de usar onde problemas e solues so expressos somente como

eles so escritos matematicamente, ao contrrio da programao tradicional.

O foco nesse capitulo apresentar um dos possveis mtodos para a leitura

e interpretao dos dados extrados pelo osciloscpio, bem como as funes

bsicas para a interpretao do sinal.

5.1. Preparao do arquivo no formato .txt

Antes de exportar os dados necessrio preparar o arquivo obtido no

osciloscpio, pois o este possui um padro diferente do MATLAB o que pode

ocasionar um erro de interpretao pelo software.

O arquivo criado pelo osciloscpio possui duas colunas em que a primeira

referente tenso e a segunda ao tempo. Se fossemos importar diretamente os

dados do arquivo no software, dois erros poderiam aparecer. Um erro seria

ocasionado pelas unidades. O osciloscpio fornece os dados com suas respectivas

unidades com os devidos mltiplos e submltiplos, informaes no compreendida

pelo MATLAB. O segundo erro seria pelo separador decimal utilizado,

comprometendo a ordem de grandeza dos dados. No osciloscpio o separador um

ponto e no MATLAB uma vrgula.

Alterar a unidade fica mais fcil em um arquivo Microsoft Word. Abra um novo

arquivo Word e cole todos os dados contidos no arquivo texto, fornecido pelo

osciloscpio (use os atalhos Ctrl + A, Ctrl + C e Ctrl + V para selecionar, copiar e

colar todos os dados).

No documento Word deixe todos dados de uma coluna com o mesmo

submltiplo. Os submltiplos mais comuns so o micro- e o mili-. Usando o atalho

Ctrl + F localize os dados que precisem ser alterados.

Para substituir um texto no documento Word, utilize o atalho Ctrl + U. Na

janela que aparecer preencha o campo Localizar: com o texto a ser substitudo e o

campo Substituir por: com o texto substituto. Os textos a serem substitudos so: o

ponto (.) pela vrgula (,) e as unidades (V, mV, uV, S, mS) por espao em branco ( ).

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necessrio separar os dados de cada coluna em dois arquivos de texto

diferentes. Utilize o Microsoft Excel nessa parte. Copie e cole os dados do Word no

Excel. Eles devem aparecer em duas colunas. Selecione uma coluna, Ctrl+C e

Ctrl+V em uma nova planilha. Faa o mesmo com a outra coluna, mas salvando em

outra planilha.

5.2. Interface do programa

Na imagem abaixo podemos identificar:

A) Menu: local onde podemos escolher diretamente os comandos a

serem utilizados.

B) Barra de Endereo: local onde est salvo o arquivo utilizado.

C) Workspace: espao destinado s variveis que esto salvas na

memria, onde possvel visualizar o nome, valor e classe da mesma.

D) Command History: lista de comandos realizados, organizados por

data de execuo, permitindo o comando ser realizado novamente com

duplo clique.

E) Command Window: local onde as operaes podem ser diretamente

feitas.

F) Current Folder: visualiza todos os arquivos presentes na pasta

indicada na Barra de Endereo.

G) New Script: local onde as operaes podem ser feitas.

Figura 5.1 Tela Inicial do Matlab.

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Recomenda-se que ao iniciar o programa alterar o endereo em que o arquivo

ser salvo na Barra de Endereo. Para isso, clique na lupa no lado direito. Nessa

pasta coloque tambm os arquivos com os dados de cada coluna no formato texto

(isso facilitar durante a importao os dados).

Quando usamos o Command Window, o MATLAB executa a ao depois de

cada linha escrita, fazendo com que a operao fique mais lenta. Outro recurso para

fazer as operaes pelo Editor. Nele o MATLAB executa a ao ao final do cdigo

ou quando o usurio determinar. Para usar esse recurso basta clicar em New Script

ou File -> New -> Script.

5.3. Atribuio de Valores

A sintaxe para atribuir o valor h uma varivel com os dados salvos no excel

:

Nome_Variavel= xlsread('Nome_do_Arquivo.xlsx')

O nome de uma varivel valida com posto por uma ou mais letras

acompanhadas ou no de um nmero. Perceba que o nome do arquivo est

acompanhado da extenso do Excel e dentro de aspas simples.

Vale lembrar que ao importar esses dados eles iro preencher uma matriz. No

nosso caso, cada varivel ser uma matriz coluna. Para obter a componente abcissa

devemos traspor a nossa matriz coluna atravs do comando:

Nome_Variavel=Nome_Variavel

5.4. Grficos

Os principais tipos de grficos e seus respectivos comandos esto listados na

tabela abaixo. As sintaxes desses comandos so:

Nome_Comando(Nome_Variavel1, Nome_Variavel2,Modificao)

Tipos Definies

plot / plot3 Linear X-Y / linear X-Y-Z

semilogx / semilogy Eixo X logartmico/eixo Y logartmico, respectivamente.

polar Diagrama polar

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As modificaes so opes de personalizao do grfico. Pode ter at trs

caracteres (entre apstrofos) construdos a partir dos caracteres mostrados na

tabela abaixo:

Smbolo Cor Smbolo Estilo da linha

y Amarelo . Pontilhado

m Magenta Crculo

c Ciano x

r Vermelho +

g Verde * Asterisco

b Azul - Linha cheia

w Branco : Dois pontos

k Preto -. Trao-ponto

-- Linha pontilhada

Aps a utilizao de algum desse comando o grfico dever aparecer em

outra janela. O grfico dever aparecer imediatamente se o cdigo for feito no

Command Window. Porm se o Editor, New Script, for usado tecla F5 dever ser

clicada para aparecer o grfico.

Na janela que aparecer podemos as seguintes funes:

A) File: Opes de arquivo.

B) Salve Figure: Salva o arquivo.

C) Edit Plot: Movimenta os grficos pela tela.

D) Zoom: Amplia ou diminui a visualizao.

E) Pan: Movimenta a rea do grfico.

F) Data Cursor: Indica os pares ordenados de cada ponto.

Figura 5.2 Menu Grfico.

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Para salvar o arquivo basta clicar em File -> Save As. Na janela que abrir

em seguida escolha o local, o nome e o tipo de arquivo. O formato .fig o formato

padro do MatLab, alm dele esto disponvel os formatos jpeg e png.

Para adicionar ttulos e rtulos usamos as seguintes funes:

title('Ttulo','Propriedade1', 'Valor1', 'Propriedade2', 'Valor2')

xlabel('Rtulo do eixo-X','Propriedade1, 'Valor1')

ylabel('Rtulo do eixo-Y')

zlabel('Rtulo do eixo-Z')

As escalas dos eixos so estabelecidas automaticamente. Para alterar o

ajuste inicial assumido, usa-se o comando abaixo em seguida ao comando plot.

axis ([x_min,x_max,y_min,y_max])

Onde x_min e x_max so, respectivamente, os limites mnimo e mximo

das abcissas. E y_min e y_max so, respectivamente, os limites mnimo e

mximo das ordenadas. Outras formas de alterar a escala so:

Tipos Definies

axis(auto) Ajuste automtico dos eixos

axis(axis) Fixa os limites de eixos nos valores atuais

axis(equal) Estabelece incrementos iguais para os eixos

axis(normal) Restaura o padro normal

axis(off) Apaga todos os rtulos e marcas dos eixos

axis(image) Ajusta "razo de aspecto" e limites dos eixos para representar

imagens com pixels quadrados.

A tela pode ser particionada em at quatro janelas, permitindo, deste modo,

mostrar vrios grficos simultaneamente. O comando para isso :

subplot(r,c,p)

A tela particionada em r por c janelas e p a janela atual. Por exemplo,

subplot (2,1,2) particiona a tela em duas janelas na vertical e coloca o grfico

corrente na segunda janela.

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5.5. FFT

A Transformada Rpida de Fourier (em ingls Fast Fourier Transform, ou

FFT) um algoritmo eficiente para se calcular a Transformada Discreta de Fourier

(DFT) e a sua inversa. O FFT de grande importncia em uma vasta gama de

aplicaes, de processamento digital de sinais para a resoluo de equaes

diferenciais parciais a algoritmos para multiplicao de grandes inteiros.

Na anlise de sinais ele usado para determinar as frequncias de todas as

ondas que interferem no sinal. Com esse resultado podemos separar as ondas que

efetivamente interferem na onda dos rudos.

Os comandos para realizar o FFT so:

N=Numero_de_Dados;

dt=Diferena_Entre_Dois_Dados_Adjacentes_do_Eixo_X;

ds=1/dt;

df=1/(N*dt);

t=0:dt:(N-1)*dt;

Hz=0:df:(N-1)*df;

Tffs=abs(1/N*fft(v));

stem(Hz(1:N/2),Tffs(1:N/2));

O resultado que aparecer na tela ser um grfico onde cada pico a

frequncia de cada onda que interfere no sinal.

Para determinar o sinal usamos a equao da onda. Normalmente usam-se

as trs maiores ondas no mltiplas para caracterizar um sinal. As demais ondas

so classificadas como rudos ou interferncias.

y=A*sin(2* *f*t)

Onde t o tempo, obtido pelo osciloscpio, A a amplitude e f a

frequncia, ambos obtidos pelo grfico FFT atravs do comando Data Cursor. Em

seguida usa-se o comando plot para visualizar a onda.