Osciloscopio

O osciloscópio é um instrumento de medição muito versátil, ele não se limita apenas na visualização e leitura de grandezas elétricas, utilizando o transdutor adequado este instrumento pode ser usado na leitura de sinais não elétricos, tais como temperatura , luminosidade, pressão, é um instrumento de medida destinado a visualizar um sinal elétrico. Como muitas grandezas físicas são medidas através de um sinal elétrico, e o osciloscópio é um instrumento muito sensível à tensão, permite obter os valores instantâneos de sinais elétricos rápidos, a medição de tensões e correntes elétricas, frequências e diferenças de fase e de oscilações. Por tudo isto, este é um aparelho muito utilizado por cientistas, médicos, mecânicos, etc.

Os osciloscópios podem ser classificados em digitais ou analógicos. Num osciloscópio digital, o sinal analógico de entrada é inicialmente convertido para o domínio digital através de um conversor A/D rápido, sendo em seguida armazenado em uma memória digital. Após o disparo (sincronismo horizontal) e um processamento matemático, o sinal é apresentado em um display digital de modo semelhante aos monitores de vídeo de computadores.

Nos osciloscópios analógicos, o sinal é formado no seu display a partir de um feixe de elétrons que incide numa tela fosforescente, e que são defletidos na direção vertical diretamente pela tensão do sinal que se deseja medir, e, na horizontal, a partir de uma base de tempo interna. Cita-se que, embora a estrutura interna do osciloscópio digital seja essencialmente distinta do analógico, sua utilização e principais funções não são muito diferentes. Assim, uma compreensão da operação do osciloscópio analógico constitui um ótimo recurso pedagógico, auxiliando o entendimento futuro do osciloscópio digital. Enfatiza-se a importância de um estudo prévio de técnicas de processamento de sinais, a fim de se beneficiar de forma mais eficiente da totalidade dos recursos do osciloscópio digital. Cita-se, por exemplo, o problema do mau uso da freqüência de amostragem de sinais, o que pode causar o fenômeno conhecido como aliasing.

Hoje em dia, existe uma grande variedade de fabricantes de osciloscópios analógicos e, portanto, a quantidade de marcas e modelos é numerosa. Porém, não existem diferenças fundamentalmente significativas em seus princípios de funcionamento e operação. As diferenças, quando existem, referem-se à quantidade de canais disponíveis, ao número de feixes de elétrons gerados no tubo, à freqüência máxima de operação ou a certas funções específicas anunciadas pelos fabricantes como um recurso adicional. Com isto, o aprendizado da operação de um dado modelo de osciloscópio permite a migração para outro modelo sem grandes dificuldades.

Geralmente os osciloscópios analógicos, que utilizam diretamente um múltiplo da tensão de entrada para produzir o desvio do feixe de elétrons, dos osciloscópios digitais ou numéricos que, antes de tudo, transformam a tensão de entrada em números, utilizando um código binário. Irei então abordar primeiramente o osciloscópio analógico, e em seguida explicar em que difere o osciloscópio numérico do primeiro.

Funcionamento do osciloscópio analógico.

Quando se liga uma ponta de prova de um osciloscópio a um circuito, o sinal de tensão adquirido é introduzido no “sistema vertical” do osciloscópio. A Figura mostra um diagrama de blocos básico, traduzindo o modo como um osciloscópio analógico desenha um sinal medido:

Figura Diagrama de blocos de um osciloscópio analógico ([Tektronics, 1997a]).

Dependendo de como se ajusta a escala vertical (controlo de ‘Volts/Div’), um atenuador reduz a amplitude do sinal ou um amplificador aumenta essa amplitude. Seguidamente, o sinal é aplicado às placas horizontais (ou de deflexão vertical) do tubo de raios catódicos (CRT - Cathode Ray Tube).

Nota: O CRT tem este nome pois existe um cátodo que emite um feixe de elétrons a alta velocidade em direção ao écran. Este último é constituído por pequenos elementos de fósforo (pixels - picture elements) que, quando atingidos por elétrons, geram dois fenômenos: fluorescência e fosforescência. A fluorescência é a característica que o fósforo tem de se iluminar, quando atingido por elétrons a alta velocidade. A fosforescência é a sua capacidade de manter essa luminosidade durante um certo tempo.

O campo elétrico criado pelas duas placas horizontais provoca a deflexão do feixe de elétrons para cima ou para baixo, consoante a tensão a estas aplicada. Se a placa de baixo for ligada à massa, uma tensão positiva aplicada à outra placa leva a uma deflexão para cima. Uma tensão negativa faz o feixe defletir-se para baixo.

Obviamente que, se apenas existissem as duas placas horizontais, apenas era possível deslocar o feixe de elétrons para cima e para baixo. Ora, para visualizarmos um sinal no domínio dos tempos, é necessário como que “estendê-lo” no écran, progressivamente e proporcionalmente ao tempo. Isto é conseguido à custa de mais duas placas defletoras, mas estas verticais, de modo a permitir o desvio do feixe para a esquerda e para a direita (ou da esquerda para a direita, no caso de uma visualização de um sinal no tempo).

Obviamente que, para deslocar o feixe de elétrons da esquerda para a direita de modo a simular o tempo, é necessário aplicar uma tensão em forma de rampa.

A maior ou menor inclinação desta rampa vai influenciar um menor ou maior tempo de “varrimento”, respectivamente. Entende-se varrimento (sweep) como a ação de deslocamento do feixe da esquerda para a direita do écran. Tempo de varrimento é portanto o tempo que o feixe demora a deslocar-se do extremo esquerdo até ao extremo direito do écran. O sistema que permite simular o tempo designa-se normalmente de base de tempo.

Dado que a fosforescência do fósforo tem uma duração temporal curta, não basta desenhar uma vez o sinal, isto é, não basta fazer um varrimento apenas, pois os nossos olhos deixariam de visualizar qualquer sinal passado pouco tempo (décimos de segundo). Este fato impediria a análise dos sinais, tornando o osciloscópio num instrumento sem qualquer interesse (a menos que se fotografe o écran, técnica que tem vindo a desaparecer, dada a cada vez maior utilização dos osciloscópios digitais). O que se faz para evitar este fenômeno é repetir o desenho do sinal com varrimentos consecutivos.

Por isso o sinal em forma de rampa se repete ao longo do tempo, resultando numa forma de onda denominada de dente de serra. Obviamente que, e está a falar-se apenas dos osciloscópios analógicos, se os sinais a serem visualizados não forem periódicos, não é possível repetir a mesma imagem, não se conseguindo uma visualização estabilizada do sinal. Mais ainda, mesmo para um sinal periódico, é necessário que, em cada varrimento, o feixe de elétrons percorra exatamente o mesmo trajeto no écran, de modo a que se obtenha uma imagem estabilizada no écran. Por esta razão, é necessário existir um sistema que faça com que os sinais de entrada sejam desenhados sempre nos mesmos pontos do écran. No fundo, pretende-se um sistema que controle o início do sinal em forma de rampa que é aplicado às placas verticais. Este sistema é normalmente designado como o sistema de sincronismo ou sistema de disparo.

Em conclusão, para utilizar um osciloscópio analógico na visualização de um sinal, é necessário proceder a três ações de comando:

• O ajuste da atenuação/amplificação do sinal. O comando de Volt/Div permite ajustar a amplitude do sinal aplicado às placas horizontais (de deflexão vertical), dependendo da amplitude do sinal original.

• O ajuste da velocidade de varrimento. O comando Sec/Div permite ajustar o tempo por divisão representado horizontalmente no écran, dependendo da frequência do sinal original.

• O ajuste do nível e inclinação de disparo (trigger) da base de tempo. Os comandos do sistema de sincronismo permitem a estabilização de um sinal periódico ou a visualização de uma única transição (sinais transitórios). Adicionalmente, o ajuste dos comandos de focagem e intensidade (eixo dos ZZ) permite a obtenção de uma imagem nítida e com a visibilidade pretendida.

Osciloscópios analógicos com armazenamento

Uma capacidade extra disponível em alguns osciloscópios analógicos é chamada de 'armazenamento'.

Esta permite que a imagem do traço que normalmente decai em uma fração de segundo permaneça na tala por vários minutos ou mais tempo. Um circuito elétrico então pode ser deliberadamente ativado para armazenar e apagar o traço da tela. O armazenamento é realizado utilizando o princípio da emissão secundária. Quando o raio de elétrons de escrita ordinário passa sobre um ponto na superfície de fósforo, ele não apenas faz o fósforo se iluminar momentaneamente, além disso, a energia cinética do elétron atinge elétrons livres da superfície de fósforo. Isto pode deixar uma rede de cargas positivas. Os osciloscópios com armazenamento provêem um ou mais aceleradores de elétrons, (chamados de "flood guns") que produzem um fluxo de elétrons de baixa energia que percorre toda a tela de fósforo. Os elétrons da flood gun são desenhados mais nitidamente nas áreas da tela de fósforo onde o acelerador de elétrons deixou uma rede de cargas positivas: desta forma, os elétrons das flood guns re-iluminam o fósforo nas áreas carregadas positivamente da tela.

Se a energia dos elétrons da flood gun estiver corretamente balanceada, cada elétron liberado pela flood gun atinge um elétron secundário da tela de fósforo, assim preservando a rede de cargas positivas nas áreas iluminadas de tela de fósforo. Desta forma, a imagem originalmente feita pelo raio de escrita pode ser mantida por um longo tempo. Eventualmente, pequenos desbalanceamentos na taxa de emissão secundária podem fazer com que a tela inteira seja alimentada positivamente (se ilumine) ou que se alimente negativamente (apagando a imagem). São estes desbalanceamentos que limitam o tempo máximo de armazenamento possível.

Alguns osciloscópios utilizam uma forma de armazenamento estritamente binária (on/off) conhecida como "armazenamento biestável". Outros permitem uma série constante de ciclos de limpeza curtos e incompletos que criam a impressão de um fósforo com "persistência variável". Certos osciloscópios também permitem o desligamento parcial ou total das flood guns, permitindo a preservação (invisível) da imagem armazenada para posterior visualização. (A alimentação positiva ou negativa ocorre somente quando as flood guns estão ligadas ("on"), com as flood guns desligadas, apenas os defeitos nas cargas podem degradar a imagem armazenada).

Osciloscópios com armazenamento digital

O osciloscópio com armazenamento digital (DSO) é atualmente o tipo preferido da maioria das aplicações industriais, apesar de osciloscópios analógicos CRO simples ainda serem utilizados por hobbistas. O osciloscópio digital substitui o método utilizado no osciloscópio de armazenamento analógico por uma memória digital, que é capaz de armazenar as informações por quanto tempo forem necessárias sem degradação. Isto também permite um processamento complexo do sinal por circuitos de processamento de sinal digital de altas velocidades.

A entrada vertical, ao invés de controlar o amplificador vertical, é digitalizado por um conversor analógico-digital para criar um conjunto de informações que é armazenado na memória de um microprocessador.

O conjunto de informações é processado e então enviado para a tela, que nos osciloscópios mais antigos era um tubo de raios catódicos, porém atualmente pode ser também um LCD. Osciloscópios com o LCD colorido são comuns. O conjunto de dados pode ser enviado através de uma LAN ou WAN para processamento ou arquivamento. A imagem da tela pode ser diretamente gravada no papel através de uma impressora ou plotter, sem a necessidade de uma câmera para osciloscópios. O próprio software de análise de sinal pode extrair muitas características úteis como tempo de subida, largura de pulso e amplitude, espectros de frequência, histogramas e estatísticas, mapas de persistência, e um grande número de parâmetros úteis para profissionais de campos especializados como as telecomunicações, análises de drives de disco e eletrônica de potência.

Sem dúvida, um osciloscópio digital é mais versátil que o analógico: armazenam a forma de onda em memória para futuro processamento, permitem registrar transitórios elétricos, podem executar o cálculo do espectro do sinal, etc. Mesmo assim, ainda se encontram aplicações específicas onde o osciloscópio analógico é mais vantajoso. Por exemplo, como não existem os problema inerentes aos osciloscópios digitais, como o tempo de atraso entre a aquisição do sinal, o seu processamento e a sua apresentação na tela, o osciloscópio analógico pode ser útil na sintonia fina de certos processos analógicos executados em tempo real, quando o operador tem que interagir com a informação proporcionada pela imagem na tela do CRO e o ajuste do processo. Um caso típico refere-se à calibração de receptores de radiodifusão, quando da sintonia dos núcleos de ferrita dos filtros e amplificadores de radiofreqüência (isto será estudado em Princípios de Comunicação). Portanto, os osciloscópios analógicos ainda devem conviver com os digitais, pelo menos enquanto esses processos analógicos não forem substituídos por equivalentes digitais.

Osciloscópio baseado em computador

Apesar de a maioria das pessoas pensarem no osciloscópio como um instrumento dentro de uma caixa, um novo tipo de "osciloscópio" está surgindo, o qual consiste de um conversor analógico-digital externo (algumas vezes com sua própria memória ou com habilidade de processamento de dados) conectado a um PC que provê o display, interface de controle, armazenamento em disco, rede e muitas vezes a alimentação elétrica. A viabilidade destes Osciloscópios baseados em PC esta no seu uso comum e no baixo custo dos PCs padrão. Isto torna o instrumento particularmente prático para o mercado educacional, onde os PCs são comuns porém os investimentos em equipamentos são comumente baixos.

As vantagens dos osciloscópios baseados em PC incluem:

• Custo reduzido (considerando que o usuário já possua um PC).

• Fácil exportação de dados para softwares comuns do PC como processadores de texto e planilhas.

• Habilidade de controlar o instrumento através de um programa no PC.

• Uso das funções de rede e armazenamento do computador, que aumentam o custo em um osciloscópio comum.

• Portabilidade mais fácil quando utilizado em uma laptop.

Este tipo de instrumento também possui desvantagens, entre elas:

• Necessidade de instalar o software no PC.

• Tempo levado pelo boot do PC, quando comparado ao tempo praticamente instantâneo de início de atividades de um osciloscópio padrão (apesar de alguns osciloscópios modernos serem PCs ou máquinas similares).

• Portabilidade reduzida em uma desktop.

• O inconveniente de usar parte da tela do PC como display.

Tipos de pontas de prova

• A maior parte dos osciloscópios trazem como acessório, por defeito, duas pontas de prova passivas (de tensão) com atenuação de 10 vezes (10X).

• Estas são adequadas a aplicações genéricas de teste e diagnóstico. Para medições mais específicas existem outros tipos de pontas de prova, nomeadamente as pontas de provas ativas (de tensão) e as pontas de prova de corrente, também denominadas de pinças amperimétricas.

As pontas de prova mais comuns podem então classificar-se da seguinte forma:

• Passivas tipo divisor de impedância com atenuação (por vezes regulável);

• 1X – dezenas de mV até dezenas de V

• 10X – centenas de mV até centenas de V

• alta tensão: 100X, 1000X

• Tensão

• Ativas com pré-amplificação do sinal de entrada;

• Maior impedância de entrada implica menor

• Efeito de carga, sem implicar atenuação;

• Permitem maior comprimento do cabo;

• Gama de tensões admissível 0,5 V - 10 V

• Passivo tipo transformador de intensidade;

• Apenas para correntes alternadas;

• Correntes de alguns A até alguns kA

• Largura de banda 1 Hz – 1 GHz

• Corrente

• Ativas usam sensor de Efeito Hall;

• Para qualquer tipo de forma de onda;

• Correntes de alguns A até alguns kA

• Largura de banda 0 Hz – 100 MHz

Referências Bibliográficas

Apostila básica sobre Osciloscópio, disponível em: <http://www.ebah.com.br/content/ABAAAesWQAH/apostila-basica-sobre-osciloscopio?part=2> acesso em 24 de setembro de 2013.

A editar osciloscópio, disponível em: <http://pt.wikipedia.org/w/index.php?title=Oscilosc%C3%B3pio&action=edit&section=8> acesso em 20 de setembro de 2013.

SOARES, David. Osciloscópios analógicos e digitais. Como funcionam?, disponível em: <http://www.ifi.unicamp.br/leb/f329-09s2/Osciloscopios.pdf> acesso em 20 de setembro de 2013.

Osciloscópio, disponível em: <http://www.camacho.eng.br/Scope.htm> acesso em 20 de setembro de 2013.