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Osciloscópio, ponteiras manual de bom uso.
Tipologia: Resumos
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©2011 Tektronix, Inc.
Este documento pode ser reimpresso, modificado e distribuído no todo ou em parte para fins limitados de treinamento de usuários ou usuários em potencial dos osciloscópios e instrumentação da Tektronix. É necessário que toda e qualquer reprodução inclua uma cópia desta página contendo esta notificação.
Introdução ao guia do instrutor de experimentos em
laboratório
O objetivo deste Guia do Instrutor é fornecer respostas para cada exercício.
As observações do instrutor estão em texto azul negrito.
Introdução ao experimento em laboratório
Visão geral das pontas de prova do osciloscópio
As pontas de prova do osciloscópio fornecem uma conexão física e elétrica entre uma fonte de sinal e um osciloscópio. A maioria das pontas de prova consiste em uma cabeça da ponta de prova, um medidor ou dois cabos flexíveis e um conector que se encaixa na entrada do osciloscópio.
A cabeça da ponta de prova permite segurar a ponta de prova enquanto conecta a extremidade da ponta de prova ao ponto de teste. Geralmente, essa extremidade da ponta de prova tem um gancho acionado por mola que permite conectar a ponta de prova ao ponto de teste. A cabeça da ponta de prova contém também uma conexão de “aterramento” que fornece um ponto de referência para medições de tensão. (Lembre-se de que as medições de tensão são feitas sempre em relação ao ponto de referência.) Para muitas pontas de prova, esse aterramento da ponta de prova é um fio preto com uma garra jacaré para fácil conexão aos pontos de teste do aterramento.
Figura 1: Usando pontas de prova em um circuito.
Conectar uma ponta de prova a um circuito pode afetar a operação do circuito, e um osciloscópio somente pode exibir e medir o sinal que a ponta de prova envia à entrada do osciloscópio. É necessário que a ponta de prova exerça impacto mínimo no circuito sob teste e mantenha fidelidade de sinal adequada para as medições desejadas; caso contrário, o resultado poderá ser incorreto ou falso.
A ponta de prova ideal transmite qualquer sinal da extremidade da ponta de prova à entrada do osciloscópio com absoluta fidelidade de sinal, significando que o sinal na entrada do osciloscópio será idêntico ao sinal original da extremidade da ponta de prova. Para fidelidade absoluta, o circuito da ponta de prova da ponta até o osciloscópio deve ter uma atenuação zero, largura de banda infinita e fase linear ao longo de todas as frequências. Infelizmente, é impossível fabricar a ponta de prova ideal. A próxima seção discutirá as principais considerações de desempenho das pontas de prova reais.
Resposta: a
Resposta: a, b, d
A atenuação é a razão da amplitude do sinal de entrada da ponta de prova até a amplitude do sinal de saída, geralmente medida em CC. Muitas pontas de prova são chamadas de pontas de prova “10X”, significando que o sinal aplicado ao osciloscópio é 1/10º da amplitude do sinal de entrada real. É, portanto, importante que o osciloscópio saiba a atenuação da ponta de prova e a leve em conta em suas medições.
As pontas de prova reais têm largura de banda finita. A largura de banda é a frequência na qual a amplitude de uma onda senoidal exibida diminui em 3 dB ou cerca de 30%.
Amplitude
3-dB para baixo
Largura de banda da operação
Operação fora da faixa
Figura 5: Nas frequências além do ponto 3 dB, as amplitudes do sinal se tornam atenuadas no menu e os resultados da medição podem ser imprevisíveis.
Para assegurar um erro de amplitude de onda senoidal não superior a 3%, a largura de banda da combinação de osciloscópio e ponta de prova deve ser pelo menos cinco vezes aquela do circuito que está sendo testado. Isso também é conhecido como “regra de cinco vezes”.
Exemplo: Se o sinal de interesse for de 100 MHz, a largura de banda do osciloscópio e a largura de banda da ponta de prova devem ser ambas maiores do que 500 MHz.
Carregamento da ponta de prova
O carregamento da ponta de prova é uma medida de como a ponta de prova afeta o dispositivo sob teste (DUT). O DUT pode ser moldado como uma fonte de sinal (Es) com resistência de entrada (Ri) e uma carga (RL) conectada. A ponta de prova pode ser moldada como um resistor (Rp) e um capacitor (Cp).
R (^) i Ponto de teste
Vs RL RP CP
Figura 6: Diagrama do circuito equivalente do DUT com a ponta de prova conectada.
Para simplificar ainda mais a análise, o equivalente Thevenin do DUT pode ser usado no diagrama do circuito.
R (^) D Ponto de teste
Figura 7: Diagrama do circuito simplificado usando equivalente Thevenin do DUT.
Uma ponta de prova ideal tem impedância infinita para que não drene nenhuma corrente do sinal do dispositivo. Se a ponta de prova não carregar o dispositivo então ele não alterará a operação do circuito atrás do ponto de teste, nem alterará o sinal visto no ponto de teste. Na prática, é impossível fabricar uma ponta de teste com carga zero. O objetivo, entretanto, deve sempre ser minimizar a quantidade de carga através da escolha da ponta de prova adequada.
O valor da impedância do dispositivo influencia o efeito do carregamento da ponta de prova. Por exemplo, com uma impedância do dispositivo baixa, uma ponta de prova 10X com impedância alta terá um efeito de carregamento desprezível. Entretanto, para impedâncias de dispositivo altas, o sinal no ponto de teste pode ser alterado significativamente devido à ponta de prova. Essa alteração no sinal se deve ao fato de a impedância da ponta de prova estar conectada em paralelo à impedância do dispositivo. Para minimizar esse efeito do carregamento, você pode usar uma ponta de prova com impedância mais alta (por exemplo, uma ponta de prova ativa) ou medir o sinal no ponto de teste em que a impedância é mais baixa (por exemplo, emissores de transistores e fontes FET têm impedâncias mais baixas do que os coletores de transistores e drenos FET).
Por exemplo, se a impedância do dispositivo for de cerca de 100 Ω e a resistência de entrada da ponta de prova for 1 MΩ, o impacto da resistência da entrada da ponta de prova será mínimo. E, se a frequência do sinal for baixa, o impacto da capacitância da entrada da ponta de prova também será mínimo.
Na CC, a impedância reativa da capacitância de entrada da ponta de prova é infinita e não acrescenta carga sobre o DUT. Isso significa que a carga da ponta de prova é inteiramente devida aos efeitos da resistência da entrada da ponta de prova.
De modo ideal, Vmeas = VD. Na prática, o divisor de tensão entre o dispositivo sob teste e a resistência de entrada da ponta de prova reduzirá a tensão medida. Para minimizar esse efeito da carga resistiva, você pode usar uma ponta de prova com resistência mais alta ou medir o sinal no ponto de teste em que a resistência de entrada é menor.
P D
P Meas D
R (^) D Ponto de teste
Figura 8: Efeitos da resistência de entrada (R (^) p ).
À medida que a frequência do sinal aumenta, a impedância reativa da capacitância da ponta de prova diminui e tem efeito dominante sobre a carga da ponta de prova. Consequentemente, a carga capacitiva aumenta os tempos de subida e de queda nas formas de onda com transição rápida e diminui a amplitude dos detalhes da alta frequência nas formas de onda. Para minimizar esse efeito de carga capacitiva, você pode usar uma ponta de prova de capacitância mais baixa (por exemplo, uma ponta de prova ativa) ou medir o sinal no ponto de teste em que a impedância é menor.
R (^) D Ponto de teste
Figura 9: Efeitos da capacitância de entrada (C (^) p ).
As luzes fluorescentes e os motores dos ventiladores são apenas duas das muitas fontes de ruído em nosso ambiente. Essas fontes podem induzir seu ruído aos cabos elétricos e circuitos próximos, fazendo com que o ruído seja acrescentado aos sinais. Devido à suscetibilidade ao ruído induzido, um pedaço de fio simples não é a escolha ideal para uma ponta de prova do osciloscópio.
Em vez disso, a maioria das pontas de prova dos osciloscópios é fabricada com cabos coaxiais ou “coax” que consistem em um fio de sinal cercado por uma rede metálica tecida que é a conexão de aterramento. Essa conexão de aterramento fornece algum isolamento do fio.
A ponta de prova do osciloscópio ideal é completamente imune a todas as fontes de ruído. Como resultado, o sinal fornecido ao osciloscópio não tem mais ruído do que o que apareceu no sinal no ponto de teste. Na prática, usar um isolamento ao longo da ponta de prova permite que as pontas de prova alcancem níveis altos de imunidade ao ruído para a maioria dos níveis de sinais comuns. O ruído, entretanto, pode ainda ser um problema para determinados sinais de nível baixo. Em particular, o ruído de modo comum pode representar um problema para as diferentes medições, conforme será discutido mais tarde.
Exercício
Resposta: a
Vmeas = _________________
Resposta: Vmeas = (5 V) x [10 MΩ/(10 MΩ + 1 MΩ)] = 4,55 V
Diferentes tipos de pontas de prova
Pontas de prova com tensão passiva consistem em componentes passivos: fios, conectores, resistores e capacitores. Não há componentes ativos – transistores ou amplificadores – na ponta de prova e, portanto, não é necessário fornecer energia à ponta de prova.
Um esquema simplificado de uma ponta de prova passiva será semelhante ao seguinte:
Dica Cabo Caixa de compensação
Figura 11: Esquema da ponta de prova passiva.
As vantagens das pontas de prova passivas são: Relativamente baratas Mecanicamente resistentes Faixa dinâmica ampla Resistência de entrada alta
A principal desvantagem das pontas de prova passivas é: Capacitância de entrada alta
As pontas de prova com tensão passiva geralmente são especificadas por largura de banda e fatores de atenuação como, por exemplo, 1X ou 10X. O fator de atenuação representa a taxa de entrada até a amplitude do sinal de saída.
As pontas de prova mais comuns fornecem pelo menos a mesma largura de banda do osciloscópio e têm fator de atenuação 10X. Esse é um bom equilíbrio entre a largura de banda, a carga capacitiva da ponta de prova e a sensibilidade para a maioria das aplicações.
As pontas de prova com tensão ativa incluem os componentes ativos como, por exemplo, transistores e amplificadores e exigem energia para operar. Um esquema simplificado de uma ponta de prova ativa será semelhante ao seguinte:
Dica Cabo
Figura 13: Esquema da ponta de prova ativa.
Comparadas às pontas de prova passivas, as vantagens das pontas de prova ativas são:
Capacitância de entrada baixa Ampla largura de banda Resistência de entrada alta Melhor fidelidade de sinal
Comparadas às pontas de prova passivas, as principais desvantagens das pontas de prova ativas são:
Custo mais alto Faixa dinâmica limitada Menos resistente mecanicamente
As pontas de prova ativas têm uma capacitância de entrada muito baixa. Como resultado, a ponta de prova pode manter uma impedância de entrada alta sobre uma ampla faixa de frequências. A impedância de entrada alta de cada ponta de prova ativa permite medições nos pontos de teste de impedância desconhecida com muito menos risco de efeitos da carga. Com uma carga baixa, as pontas de prova com tensão ativa podem ser usadas em circuitos com impedância alta que seriam seriamente carregados pelas pontas de prova passivas. Além disso, as pontas de prova ativas são menos sensíveis aos efeitos da indutância em terminais de aterramento longos.
Entretanto, os componentes ativos têm uma faixa de tensão de entrada máxima mais limitada devido às limitações no amplificador e em suas alimentações elétricas.
Compare as especificações destas pontas de prova ativas e passivas:
Ponta de prova passiva Ponta de prova ativa TPP0201 TAP Atenuação 10X 10X
Largura de banda CC para 200 MHz CC para 1 500 MHz Capacitância da entrada 12 pF (tip) ≤1 pF
Resistência de entrada 10 MΩ 1 MΩ Tensão de entrada máxima 300 VRMS CATII ±8 V
Figura 14: Ponta de prova ativa Tektronix TAP1500.
Como você pode ver, o formato da ponta de prova (especialmente de sua ponta) também é muito diferente do de uma ponta de prova passiva. Esse fator de formato menor e os acessórios tornam mais fácil ter a extremidade da ponta de prova e o aterramento muito mais próximos aos componentes menores, montados na superfície. Observe também a caixa maior que se conecta ao osciloscópio. Essa caixa contém o circuito da alimentação elétrica necessário para alimentar o circuito ativo da ponta de prova.
Resposta: Ponta de prova ativa TAP1500.
Faixa dinâmica limitada Menos resistente mecanicamente
Conforme você pode ver nas figuras 16 e 17, o formato da extremidade da ponta de prova e até mesmo dos acessórios foi especialmente projetado para que as duas entradas coincidam. A ponta de prova com fator de formato menor na figura 16 foi projetada para altas frequências e conexão com dispositivos microeletrônicos, enquanto a ponta de prova mostrada na figura 17 foi projetada para altas-tensões e conexão com componentes de alimentação de energia maiores.
Figura 16: Pontas de prova diferenciais Tektronix TDP0500 e TDP1000.
Figura 17: Ponta de prova diferencial de alta-tensão Tektronix P5205.
As pontas de prova de tensão podem ser usadas para medir o fluxo da corrente ao longo do circuito medindo-se a queda de tensão (geralmente uma medição diferencial) ao longo de uma resistência conhecida (que talvez tenha que ser acrescentada ao circuito). Você então precisa dividir a tensão pelo valor da resistência para obter a corrente.
Há um modo melhor de fazer medições de corrente – uma ponta de prova de corrente. O fluxo da corrente por meio de um condutor faz com que se forme um campo de fluxo eletromagnético ao redor do condutor. As pontas de prova de corrente foram projetadas para detectar a força nesse campo e convertê-la em uma tensão correspondente para medição por um osciloscópio. Isso permite exibir e analisar as formas de onda da corrente com um osciloscópio. Quando usadas em combinação com recursos de medição de tensão do osciloscópio, as pontas de prova de corrente permitem também fazer uma variedade de medições de energia.
Há basicamente dois tipos de pontas de prova de corrente para osciloscópios. As pontas de prova de corrente CA, que geralmente são pontas de prova passivas e as pontas de prova de corrente CA/CC, que geralmente são pontas de prova ativas. Os dois tipos usam o mesmo princípio da ação do transformador para detectar corrente alternada (CA) em um condutor. As pontas de prova CA/CC têm um dispositivo adicional, conhecido como dispositivo de efeito Hall, para detectar CC – uma vez que a CC não provoca alteração no campo de fluxo e, portanto, não pode provocar a ação do transformador.
Há também basicamente dois fatores de formato para as pontas de prova de corrente, o núcleo dividido e o núcleo fixo. Com a ponta de prova de corrente de núcleo fixo, o condutor a ser medido deve ser alimentado por meio do condutor do transformador na ponta de prova e então reconectado ao dispositivo. A vantagem da ponta de prova de núcleo fixo é sua resposta de alta frequência para uma medição muito rápida, pulsos de corrente com amplitude baixa e sinais CA. As pontas de prova de corrente de núcleo dividido, como as outras mostradas abaixo, permitem que a ponta de prova envolva o condutor. Essas pontas de prova oferecem conexão significativamente mais simples para a maioria dos circuitos.
Outro recurso importante de algumas pontas de prova de corrente é o escalonamento automático. Com pontas de prova de corrente como, por exemplo, as mostradas abaixo, a ponta de prova se comunica com os fatores de escalonamento adequados e as unidades para que o osciloscópio exiba as formas de onda e as medições com as unidades corretas (por exemplo, amperes).
Como você pode ver nas figuras abaixo, as pontas de prova de núcleo dividido foram projetadas para se encaixar ao redor do condutor. A ponta de prova de corrente com fator de formato menor foi
projetada para correntes de até 30 ARMS / 50 A (^) pico e frequências ≥120 MHz, enquanto a outra ponta de prova mostrada foi projetada para correntes mais altas (até 150 ARMS / 500 A (^) pico) com frequências de até 20 MHz e conexão com condutores muito maiores.
Figura 18: Ponta de prova de corrente Tektronix TCP0030.
Figura 19: Ponta de prova de corrente Tektronix TCP0150.
Exercício
Resposta: Ponta de prova diferencial.
Resposta: Ponta de prova de corrente.
Resposta: Prova ativa
