abc do osciloscopio, Notas de estudo de Engenharia Mecânica

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ABC DO

OSCILOSCÓPIO

2ª Edição

Mário Ferreira Alves ([email protected])

Departamento de Engenharia Electrotécnica Março de 1998

ÍNDICE

• ABC do Osciloscópio 5/
• 1. INTRODUÇÃO ...........................................................................................................................................
  • 1.1. APLICAÇÕES ............................................................................................................................................
  • 1.2. GRANDEZAS ELÉCTRICAS MENSURÁVEIS ..............................................................................................
• 2. OSCILOSCÓPIO ANALÓGICO VS. DIGITAL ....................................................................................
  • 2.1. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO OSCILOSCÓPIO ANALÓGICO ...........................................................
  • 2.2. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO OSCILOSCÓPIO DIGITAL..................................................................
  • 2.3. MÉTODOS DE AMOSTRAGEM (NOS OSCILOSCÓPIOS DIGITAIS) ...............................................................
  • 2.4. CARACTERÍSTICAS RELEVANTES ...........................................................................................................
• 3. INTERLIGAÇÃO ENTRE O OSCILOSCÓPIO E OS CIRCUITOS ...................................................
  • 3.1. CONCEITO DE MASSA E TERRA..............................................................................................................
  • 3.2. PONTAS DE PROVA ................................................................................................................................
  • 3.3. COMPENSAÇÃO DO CIRCUITO DE ATENUAÇÃO (OU DA PONTA DE PROVA) ............................................
• 4. DESCRIÇÃO DOS COMANDOS ...........................................................................................................
  • 4.1. COMANDOS DO ÉCRAN (EIXO DOS ZZ) ..................................................................................................
  • 4.2. COMANDOS DO SISTEMA VERTICAL (EIXO DOS YY) ..............................................................................
  • 4.3. COMANDOS DO SISTEMA HORIZONTAL (EIXO DOS XX) .........................................................................
  • 4.4. COMANDOS DO SISTEMA DE SINCRONISMO ...........................................................................................
• 5. TÉCNICAS DE MEDIÇÃO ......................................................................................................................
  • 5.1. O ÉCRAN ...............................................................................................................................................
  • 5.2. AJUSTE INICIAL DOS COMANDOS ...........................................................................................................
  • 5.3. MEDIÇÃO DE TENSÃO ............................................................................................................................
  • 5.4. MEDIÇÃO DE PERÍODO E FREQUÊNCIA...................................................................................................
  • 5.5. MEDIÇÃO DE TEMPO DE SUBIDA............................................................................................................
  • 5.6. MEDIÇÃO DE DESFASAMENTO ...............................................................................................................
  • 5.7. SINCRONIZAÇÃO DE FORMAS DE ONDA COMPLEXAS.............................................................................
  • 5.8. SINCRONIZAÇÃO DE DUAS FORMAS DE ONDA .......................................................................................
• 6. REFERÊNCIAS..........................................................................................................................................
• 7. APÊNDICES ...............................................................................................................................................
  • 7.1. PRINCÍPIO DO EFEITO HALL ....................................................................................................................
  • 7.2. ANÁLISE DE SINAIS DE VÍDEO................................................................................................................
  • 7.3. MÉTODO ELÍPTICO PARA MEDIÇÃO DE DESFASAMENTO........................................................................

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1. INTRODUÇÃO

O osciloscópio é um instrumento (de medição) que permite visualizar graficamente sinais eléctricos. Na maioria das aplicações, o osciloscópio mostra como é que um sinal eléctrico varia no tempo. Neste caso, o eixo vertical (YY) representa a amplitude do sinal (tensão) e o eixo horizontal (XX) representa o tempo. A intensidade (ou brilho) do écran é por vezes chamada de eixo dos ZZ (Figura 1).

Figura 1: Eixos X-Y-Z num osciloscópio ([Tektronics, 1997a])

Um gráfico deste tipo poderá dizer-nos diversas coisas acerca de um sinal, nomeadamente:

• Permite determinar valores de tensão e temporais de um sinal.
• Permite determinar a frequência de um sinal periódico.
• Permite determinar a componente contínua (CC) e alternada (CA) de um sinal.
• Permite detectar a interferência de ruído num sinal e, por vezes, eliminá-lo.
• Permite comparar dois sinais num dado circuito, nomeadamente a entrada e a saída, permitindo tirar as mais variadas conclusões, tais como se um dado componente está avariado.

Outras potencialidades surgem na utilização do modo ‘xy’, bem como nos osciloscópios digitais, que incorporam muitas funcionalidades adicionais.

O osciloscópio tem um aspecto que se assemelha a um televisor, exceptuando a grelha inscrita no écran e a grande quantidade de comandos. O painel frontal do osciloscópio tem os comandos divididos em grupos, organizados segundo a sua funcionalidade. Existe um grupo de comandos para o controlo do eixo vertical (amplitude do sinal), outro para o controlo do eixo horizontal (tempo) e outro ainda para controlar os parâmetros do écran (intensidade, focagem, etc.).

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O osciloscópio utilizado no Laboratório de Instrumentação e Medidas Eléctricas ([Hitachi, 1990]), representado na Figura 2, é um exemplo clássico de um osciloscópio analógico.

Figura 2: Osciloscópio do laboratório ([Hitachi, 1990])

Relativamente ao mesmo osciloscópio, podem caracterizar-se os seguintes blocos funcionais:

• Comandos do Écran (eixo dos ZZ):

1 - Interruptor de Alimentação 3 - Focagem do feixe

4 - Rotação do traço 5 - Intensidade do feixe

• Comandos do Sistema Vertical (eixo dos YY):

8 (9) - Terminal de ligação do canal 1 (2) 10 (11) - Acoplamento de entrada do canal 1 (2) (AC, GND, DC)

12 (13) - Ganho vertical do canal 1 (2) 14 (15) - Ganho vertical (ajuste contínuo) e amplificação de 5 X do canal 1 (2) 16 (17) - Posicionamento vertical do canal 1 (2) 18 - Modo do sistema vertical (CH1, CH2, ALT, CHOP, ADD)

20 (21) - Balanceamento DC do canal 1 (2)

• Comandos do Sistema Horizontal (eixo dos XX): 22 - Velocidade de varrimento (Time/Div)

23 - Velocidade de varrimento (ajuste contínuo) 24 - Posicionamento horizontal do sinal e zoom de 10 X

• Comandos do Sistema de Sincronismo:

25 - Fonte do sistema de sincronismo (INT, LINE, EXT) 26 - Fonte do sistema de sincronismo (CH1, CH2, VERT MODE)

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e as ondas triangulares ( triangle wave ) e de dente de serra ( sawtooth wave ):

Figura 7: Ondas dente de serra e triangular ([Tektronics, 1997a])

Quanto à proveniência destes tipos de ondas, os exemplos da Figura 8 são elucidativos. Podem ver-se a forma sinusoidal da tensão disponível numa tomada de energia, os impulsos (digitais) que circulam no interior de um computador, os sinais eléctricos do sistema eléctrico de um automóvel (do sistema de ignição, por exemplo) e a onda em dente de serra utilizada para fazer o varrimento horizontal num televisor.

Figura 8: Fontes de sinais ([Tektronics, 1997a])

1.2. Grandezas Eléctricas Mensuráveis

A nível das grandezas (eléctricas) que podem ser medidas através de um osciloscópio, as mais comuns são as seguintes:

Período e Frequência

Se um sinal se repete no tempo, ele tem uma frequência de repetição. Esta frequência (f) é medida em Hertz (Hz) e é igual ao número de vezes que o sinal se repete por segundo (número de ciclos por segundo). Analogamente, um sinal periódico tem um período (T), que é o tempo que o sinal leva a completar um ciclo.

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O período e a frequência são inversos um do outro, isto é, f = 1/ T. A Figura 9 serve como exemplo, onde a onda sinusoidal tem um período de 1/3 de segundo, correspondendo a uma frequência de 3 Hz.

Figura 9: Período e frequência ([Tektronics, 1997a])

Amplitude (de tensão)

Com um osciloscópio podem medir-se amplitudes de sinais, nomeadamente amplitudes de pico e pico-a-pico. A forma de onda apresentada na Figura 10 tem uma amplitude (de pico) de 1 V e uma amplitude pico-a-pico de 2 V.

Figura 10: Fase de uma onda sinusoidal ([Tektronics, 1997a])

Desfasamento

Para entender o que é o desfasamento entre duas ondas, é necessário apreender o conceito de fase. É importante salientar que este conceito apenas se aplica a ondas sinusoidais. Olhando para a Figura 10 pode considerar-se que como o sinal é sinusoidal, a cada instante de tempo pode corresponder um ângulo (de 0º a 360º). Isto facilita a analise de ondas sinusoidais, no sentido em que o ângulo de fase não depende da frequência do sinal. Podemos então referir- nos a ângulos de fase para descrever em que parte do período é que o sinal se encontra (20º, 60º, 180º, por exemplo), em vez de nos referirmos a tempo (1,35 ms ou 4,2 s, por exemplo).

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2. OSCILOSCÓPIO ANALÓGICO VS. DIGITAL

Os equipamentos electrónicos podem ser divididos em analógicos ou digitais. Enquanto que o equipamento analógico trabalha com tensões continuamente variáveis, o equipamento digital apenas distingue dois níveis diferentes de tensão (dois níveis lógicos, 0 e 1) que podem ser combinados sequencialmente (010010...) de modo a representarem o valor de uma amostra de sinal (2, 4, 8, 16 bits cada amostra). Por exemplo, um gira-discos é um aparelho analógico enquanto que um leitor de discos compactos é um aparelho digital.

Figura 12: Visualização Osciloscópios analógicos e digitais ([Tektronics, 1997a])

Os osciloscópios também podem ser analógicos ou digitais. Os osciloscópios analógicos funcionam aplicando (quase) directamente a tensão medida a duas placas (placas horizontais) que criam um campo eléctrico, provocando o desvio (vertical, dado que as placas são horizontais) de um feixe de electrões que se desloca para o écran. Isto permite observar o valor da amplitude do sinal no eixo vertical (Figuras 12 e 16).

Os osciloscópios digitais retiram amostras do sinal original (Figuras 12 e 20), amostras estas que são convertidas para um formato digital (binário) através da utilização de um conversor analógico/digital. Esta informação digital é armazenada numa memória e seguidamente reconstruída e representada no écran (tal como num computador).

Em muitas aplicações, pode utilizar-se tanto um osciloscópio analógico como um digital. Contudo, cada um deles possui características particulares, tornando-os mais ou menos adequados para uma dada tarefa.

Os osciloscópios analógicos eram normalmente preferidos quando era necessário visualizar sinais com variações muito rápidas (altas frequências) em tempo-real (ao mesmo tempo que ocorrem). O desenvolvimento dos osciloscópios digitais fez com que os osciloscópios analógicos tivessem vindo a ser ultrapassados.

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Os osciloscópios digitais permitem o armazenamento e posterior visualização das formas de onda, nomeadamente de acontecimentos que ocorrem apenas uma vez. Eles permitem ainda processar a informação digital do sinal ou enviar esses dados para um computador para serem processados e/ou armazenados. Como processamento entende-se por exemplo uma filtragem do sinal ou uma análise espectral do sinal (no domínio das frequências).

Figura 13: Exemplo de um osciloscópio analógico ([Fluke, 1997c])

É um facto que o osciloscópio analógico (Figura 13) está a ficar obsoleto. De facto, começam a aparecer no mercado osciloscópios digitais (Figura 14) com muito mais funcionalidades que os analógicos, por preços cada vez mais competitivos. Mais ainda, a utilização de software , tanto pelo fabricante, como pelo utilizador, permite “personalizar” os osciloscópios digitais, munindo-os de funções específicas para cada aplicação.

Figura 14: Exemplos de osciloscópios digitais ([Tektronics, 1997f] e [Yokogawa, 1997])

A empresa Fluke têm também a marca registada do Combiscope ([Fluke, 1997d]), um aparelho que combina as funcionalidades de um osciloscópio analógico com um digital.

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2.1. Princípio de 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 16 mostra um diagrama de blocos básico, traduzindo o modo como um osciloscópio analógico desenha um sinal medido:

Figura 16: 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 electrões a alta velocidade em direcção ao écran. Este último é constituído por pequenos elementos de fósforo (pixels - picture elements) que, quando atingidos por electrões, geram dois fenómenos: fluorescência e fosforescência. A fluorescência é a característica que o fósforo tem de se iluminar, quando atingido por electrões a alta velocidade. A fosforescência é a sua capacidade de manter essa luminosidade durante um certo tempo.

O campo eléctrico criado pelas duas placas horizontais provoca a deflexão do feixe de electrões 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 deflectir-se para baixo.

Obviamente que, se apenas existissem as duas placas horizontais, apenas era possível deslocar o feixe de electrões 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 deflectoras, 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).

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Obviamente que, para deslocar o feixe de electrões da esquerda para a direita de modo a simular o tempo, é necessário aplicar uma tensão em forma de rampa (Figura 17), que aumente progressivamente de 0 (que corresponda a ter o feixe no extremo esquerdo do écran) até um valor X de tensão (feixe no extremo direito do écran).

X

0

uh

t Figura 17: Tensão em forma de rampa ou dente de serra

A maior ou menor inclinação desta rampa vai influenciar um menor ou maior tempo de “varrimento”, respectivamente. Entende-se varrimento ( sweep ) como a acção 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 facto 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 fenómeno 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 (Figura 17).

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 electrões percorra exactamente o mesmo trajecto no écran, de modo a que se obtenha uma imagem estabilizada no écran.

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Em conclusão, para utilizar um osciloscópio analógico na visualização de um sinal, é necessário proceder a três acções 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.

2.2. Princípio de Funcionamento do Osciloscópio Digital

Alguns dos blocos que compõem um osciloscópio digital são os mesmos que nos osciloscópios analógicos. Contudo, os osciloscópios digitais contêm sistemas adicionais para processamento de dados (Figura 20). Com estes sistemas adicionais, os osciloscópios digitais adquirem os dados referentes a um sinal antes de o desenharem no écran.

Figura 20: Diagrama de blocos de um osciloscópio digital ([Tektronics, 1997a])

Tal como num osciloscópio analógico, quando se liga um osciloscópio digital a um dado circuito, o sistema vertical permite ajustar a amplitude da forma de onda.

Seguidamente, um conversor analógico/digital ( Analog to Digital Converter , na Figura 20) amostra o sinal (com uma determinada frequência de amostragem) e converte o valor de tensão de cada amostra para um formato digital. O sistema horizontal possui um relógio ( sample clock ) que determina a frequência com que o conversor analógico/digital adquire e converte uma amostra do sinal - a frequência de amostragem.

As amostras são armazenadas em memória como pontos constituintes da forma de onda do sinal. Uma amostra é constituída por vários dígitos binários ( bits - binary digits ) e poderá ter um comprimento de, por exemplo, oito bits (correspondendo a 2^8 = 256 níveis diferentes de

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tensão). O conjunto de amostras que representa uma forma de onda denomina-se de registo. O sistema de sincronismo determina o início e fim deste registo, definindo um número de amostras denominado de comprimento do registo. Depois deste registo ser armazenado em memória, é enviado para o écran.

Um ponto da forma de onda pode ser constituído por mais do que uma amostra. O conjunto de pontos da forma de onda forma um registo de forma de onda. O número de pontos da forma de onda utilizados para fazer um registo de forma de onda é chamado o comprimento do registo. O sistema de sincronismo determina o início e fim deste registo. Depois deste registo ser armazenado em memória, é enviado para o écran.

Dependendo das capacidades do osciloscópio, poderá haver processamento adicional das amostras, levando a um melhoramento da imagem obtida no écran. O pré-disparo ( pretrigger ) poderá também estar disponível, permitindo a visualização de eventos antes do ponto de disparo.

Tal como nos osciloscópios analógicos, para efectuar uma medição é necessário ajustar adequadamente o sistema vertical, o sistema horizontal e o sistema de sincronismo.

2.3. Métodos de Amostragem (nos Osciloscópios Digitais)

O método de amostragem define como é que um osciloscópio digital faz a aquisição das amostras. Para sinais de variação lenta (de baixa frequência), não há dificuldade por parte do osciloscópio em adquirir a quantidade de amostras suficiente para construir uma imagem de qualidade. Contudo, para sinais de variação rápida (de alta frequência) e dependendo da frequência de amostragem máxima de cada osciloscópio em particular, o osciloscópio poderá não adquirir o número suficiente de amostras. Podem então distinguir-se os seguintes métodos de amostragem:

• Amostragem em tempo-real ( real-time sampling ). O osciloscópio adquire algumas amostras num único ciclo de aquisição e depois poderá utilizar interpolação para melhor construir a imagem. A interpolação é uma técnica de processamento que permite estimar a forma de onda baseado em alguns pontos apenas (por aproximação polinomial).
• Amostragem em tempo-equivalente ( equivalent-time sampling ). O osciloscópio adquire amostras em vários ciclos de aquisição, construindo uma imagem do sinal ao longo do tempo (há medida que o sinal se vai repetindo).

Amostragem em Tempo-Real (com ou sem Interpolação)

Por defeito, os osciloscópios digitais utilizam a amostragem em tempo-real. Neste modo de amostragem, o osciloscópio adquire a maior quantidade possível de amostras à medida que o sinal é recebido (Figura 21). Para sinais transitórios (respostas de sistemas a impulsos ou degraus, por exemplo), é obrigatório este modo de amostragem.

Figura 21: Amostragem em tempo-real ([Tektronics, 1997a])