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Kit de Treinamento Educacional

para Osciloscópios 1000 da Série

X

Guia de

Laboratório e

Tutorial para

estudantes dos

cursos de

Engenharia

Elétrica e Física

Avisos

© Keysight Technologies, Inc. 2008-

Nenhuma parte deste manual pode ser reproduzida de qualquer forma ou por qualquer meio (incluindo armazenamento eletrônico e recuperação ou tradução para uma língua estrangeira) sem acordo prévio e consentimento por escrito da Keysight Technologies, Inc., conforme regido pelas leis americanas e internacionais de direitos autorais.

Número de peça do manual

54611-

Ed ição

March 1, 2017

Available in electronic format only

Publicado por: Keysight Technologies, Inc. 1900 Garden of the Gods Road Colorado Springs, CO 80907 USA

Garantia

O material deste documento é fornecido “como está” e está sujeito a al terações sem aviso prévio em ed ições futuras. Além d isso, até onde permitido pelas leis vigentes, a Keysight se isenta de todas as garantias, sejam expressas ou implícitas, relacionadas a este manual e às informações aqui contidas, incluindo as garantias implícitas de comercialização e adequação a um propósito em particular, mas não se limitando a elas. A Keysight não deve ser responsabilizada por erros ou por danos incidentais ou consequentes relacionados ao fornecimento, uso ou desempenho deste documento ou das informações aqui contidas. Caso a Keysight e o usuário tenham outro acordo por escrito com termos de garantia que cubram o material deste documento e que sejam conflitantes com estes termos, devem prevalecer os termos de garantia do acordo em separado.

Licenças de tecnologia

O hardware e/ou o software descritos neste documento são fornecidos com uma licença e podem ser usados ou copiados apenas em conformidade com os termos de tal licença.

Direitos restritos do governo dos

EUA

O Software é um “software para computador comercial”, conforme definido pelo Regulamento de Aquisição Federal ("FAR") 2.101. Conforme o FAR 12.212 e 27.405-3 e o Suplemento do FAR do Departamento de Defesa ("DFARS") 227.7202, o governo dos EUA adquire o software para computador comercial sob os mesmos termos por meio dos quais o software é normalmente fornecido ao público. Da mesma forma, a Keysight fornece o Software aos clientes do governo dos EUA sob sua licença comercial padrão, incorporada a seu Acordo de Licença do Usuário Final (EULA), cuja cópia pode ser encontrada em www.keysight.com/find/sweula. A licença estabelecida no EULA representa a autoridade exclusiva por meio da qual o governo dos EUA pode usar, modificar, distribuir ou divulgar o Software. O EULA e a licença estabelecida nele não requerem ou permitem que, entre outras coisas, a Keysight: (1) Forneça informações técnicas relacionadas ao software para computador comercial ou à documentação do software para computador comercial que normalmente não são fornecidas ao público; ou (2) renuncie aos, ou de outra forma forneça, direitos governamentais, além desses direitos normalmente fornecidos ao público, para usar, modificar, reproduzir, transferir, executar, exibir ou divulgar o software para computador comercial ou a documentação do software para computador comercial. Nenhum requisito governamental adicional além dos já estabelecidos no EULA se aplica, exceto no caso de esses termos, direitos ou licenças serem explicitamente requeridos por todos os fornecedores do software para computador comercial, conforme o FAR e os DFARS, e serem previstos especificamente por escrito em qualquer outra parte do EULA. A Keysight não é obrigada a atualizar, revisar ou, de outra forma, modificar o Software. No que se refere a quaisquer dados técnicos definidos pelo FAR 2.101 e de acordo com o FAR 12.211 e 27.404.2 e DFARS 227.7102, o governo dos EUA não adquire nada além dos Direitos Limitados definidos no FAR 27. ou DFAR 227.7103-5 (c), aplicável a qualquer dado técnico.

Avisos de segurança

CAUTION

Um aviso de CUIDADO indica perigo. Ele chama a atenção para um procedimento, prática ou algo semelhante que, se não forem corretamente realizados ou cumpridos, podem resultar em avarias no produto ou perda de dados importantes. Não prossiga após um aviso de CUIDADO até que as condições indicadas sejam completamente compreendidas e atendidas.

WARNING

Um aviso de ADVERTÊNCIA ind ica perigo. Ele chama a atenção para um procedimento, prática ou algo semelhante que, se não forem corretamente realizados ou cumpridos, podem resul tar em ferimentos pessoais ou morte. Não prossiga após um AVISO até que as cond ições ind icadas sejam completamente compreendidas e atend idas.

Os laboratórios práticos "Avançados" apresentados no Capítulo 3 deste documento são opcionais. Os alunos podem fazer alguns ou todos esses laboratórios, se eles estiverem interessados em saber mais sobre como usar alguns dos recursos de medição mais avançados do osciloscópio. Os professores também podem querer atribuir os laboratórios específicos que eles achem importantes para os alunos. Observe que este guia de laboratório foi feito para flexibilidade em seu uso.

Atenciosamente,

Johnnie Hancock Gerente do Programa de Educação em Osciloscópios Keysight Technologies

Índice

Guia de Laboratório e Tutorial —Visão geral / 3 Algumas palavras para os professores de Engenharia Elétrica/Física / 3

1 Introdução

Usar as pontas de prova do osciloscópio / 9

Conhecer o painel frontal / 12

2 Aula de medição em laboratório com osciloscópio básico e WaveGen

Laboratório nº1: Fazendo medições de ondas senoidais / 16

Laboratório nº2: Noções básicas de disparo do osciloscópio / 22

Laboratório nº 3: Disparando em sinais com ruído / 28

Laboratório nº 4: Documentar e salvar os resultados dos testes no osciloscópio / 33

Laboratório nº 5: Compensar as pontas de prova 10:1 passivas / 38 Calcular a quantidade adequada de compensação capacitiva / 41 Carregamento de ponta de prova / 42

Laboratório nº 6: Usar o gerador de funções integrado WaveGen / 44

3 Laboratórios de medições avançadas com osciloscópio

Laboratório nº 7: Disparar uma rajada digital usando a espera de disparo / 48

Laboratório nº 8: Disparando, capturando e analisando um evento infrequente / 52

Laboratório nº 9: Capturando um evento singular / 56

Laboratório nº 10: Executando medições paramétricas automáticas em formas de onda digitais / 58

Laboratório nº 11: Usando a base de tempo do Zoom do osciloscópio para executar medições controladas / 64

Laboratório nº 12: Usar análise de FFT no osciloscópio / 68

Laboratório nº 13: Usando o detector de pico para superar a subamostragem / 70

Laboratório nº 14: Usar a memória segmentada para captar mais formas de onda / 73

4 Resumo

Publicações afins da Keysight / 80

7

Kit de Treinamento Educacional para Osciloscópios 1000 da Série X

Guia de Laboratório e Tutorial

1 Introdução

Usar as pontas de prova do osciloscópio / 9 Conhecer o painel frontal / 12

Osciloscópios são ferramentas críticas para medições de tensão e intervalos, nos circuitos elétricos analógicos e digitais dos dias de hoje. Quando você terminar a faculdade de Engenharia Elétrica e começar a trabalhar na indústria de eletrônicos, você provavelmente irá descobrir que um osciloscópio é uma ferramenta de medição que você vai usar mais do que qualquer outro instrumento, para testar, verificar e depurar seus projetos. Mesmo na faculdade ou no curso de física da sua universidade particular, um osciloscópio é a ferramenta de medição que você mais irá usar nos laboratórios de circuitos, para testar e verificar suas tarefas e projetos. Infelizmente, muitos estudantes nunca aprendem realmente a usar um osciloscópio. Eles usam um modelo que é, geralmente, feito de botões para girar e apertar aleatoriamente, até que uma imagem parecida com o que estão procurando apareça magicamente na tela. Esperamos que, após você terminar esta série de laboratórios breves, você terá uma compreensão melhor do que é um osciloscópio e como usar um com mais eficiência.

Para começar, o que é um osciloscópio? Um osciloscópio é um instrumento de medição eletrônica que monitora, sem interferir, sinais de entrada e os exibe graficamente em um formato simples de tensão versus tempo. O tipo de osciloscópio que o seu professor usava na faculdade era, provavelmente, um totalmente baseado em tecnologia analógica. Esses osciloscópios mais antigos, normalmente chamados analógicos, tinham largura de banda limitada (o que é discutido no Apêndice B), não faziam medições automáticas e também precisavam de que o sinal de entrada fosse repetitivo e contínuo.

O tipo de osciloscópio que você irá usar nesta série de laboratórios e provavelmente durante o resto dos seus estudos universitários, é chamado de osciloscópio de armazenamento digital; às vezes, nos referimos a ele simplesmente como DSO. Os DSOs de hoje conseguem captar e mostrar sinais repetitivos e singulares e, frequentemente, incluem um conjunto de medições automáticas e recursos de análise que devem permitir que você caracterize seus projetos e experiências estudantis com mais rapidez e precisão do que o seu professor conseguia fazer na época de faculdade.

1 Introdução

Para saber mais sobre os aspectos fundamentais dos osciloscópios, baixe a nota de aplicação da Keysight intitulada Avaliar os princípios básicos do osciloscópio. Essa publicação é listada na seção ““Publicações afins da Keysight” deste documento, com instruções sobre como fazer o download. Se você estiver interessado principalmente em conhecer a teoria do funcionamento de um osciloscópio, consulte o Apêndice A deste documento.

O melhor jeito de aprender rapidamente como usar um osciloscópio e entender o que ele pode fazer por você é, primeiro, conhecer alguns dos controles mais importantes de um osciloscópio, depois simplesmente começar a usar um, para medir alguns sinais básicos, como ondas senoidais. Os osciloscópios Keysight Technologies InfiniiVision 1000 X-Series, mostrados na Figure 1, podem gerar um conjunto de diversos sinais de treinamento analógicos e digitais. Nós utilizaremos muitos desses sinais nesta série de breves laboratórios, para ajudar você a aprender como usar este importantíssimo instrumento de medição de sinais eletrônicos: o osciloscópio.

Figure 1 Osciloscópios Keysight InfiniiVision 1000 X-Series

1 Introdução

componente que não esteja aterrado, você deverá usar a função matemática de subtração do osciloscópio ao medir os sinais nas duas extremidades do componente relacionado ao aterramento através de dois canais do osciloscópio ou você poderá usar uma ponta de prova ativa diferencial especial. Observe também que nunca se deve completar um circuito usando o osciloscópio.

A Figure 3 mostra o modelo elétrico de uma ponta de prova 10:1 passiva conectada a um osciloscópio através da seleção de entrada padrão de 1 MΩ, necessária ao se usar esse tipo de ponta de prova. Observe que muitos osciloscópios de largura de banda maior também têm uma opção de terminação de entrada de 50 Ω que pode ser selecionada pelo usuário e que geralmente é usada em terminações de ponta de prova ativas e/ou quando há entrada de sinal diretamente de uma fonte de 50 Ω através de um cabo coaxial BNC de 50 Ω.

Apesar de o modelo elétrico da ponta de prova passiva e do osciloscópio incluírem tanto capacitância inerente/parasita (não incluída no projeto), bem como redes de capacitância de compensação incluídas no projeto intencionalmente, vamos ignorar esses elementos capacitivos por ora e analisar o comportamento do sinal ideal desse sistema de ponta de prova/osciloscópio em condições de baixa entrada de CC e baixa frequência.

Após removermos todos os componentes capacitivos de nosso modelo elétrico de ponta de prova/osciloscópio, o que resta é apenas um resistor de extremidade de ponta de prova de 9 MΩ em série com a impedância de entrada de 1 MΩ do osciloscópio. A resistência líquida de entrada da extremidade da ponta de prova é, dessa forma, de 10 MΩ. Usando a Lei de Ohm, você pode ver que o nível de tensão recebido na entrada do osciloscópio é de 1/10 do nível de tensão na extremidade da ponta de prova (Vosciloscópio = V (^) ponta de prova x (1 MΩ/10 MΩ).

Isso significa que, com uma ponta de prova 10:1 passiva, a faixa dinâmica do sistema de medição do osciloscópio foi estendida. Em outras palavras, você pode medir sinais com amplitude 10X maior em comparação com os sinais que você poderia medir com uma ponta de prova 1:1. Além disso, a impedância de entrada

Figure 3 Esquema simplificado de uma ponta de prova 10:1 passiva conectada à impedância de entrada de 1 MΩ do osciloscópio

Introdução 1

do sistema de medição (ponta de prova + osciloscópio) de seu instrumento é aumentada de 1 MΩ para 10 MΩ. Isso é muito bom, já que uma impedância de entrada mais baixa poderia carregar o dispositivo sob teste (DUT) e possivelmente alterar os níveis de tensão reais dentro de seu DUT, o que não é muito bom. E, apesar de a impedância de entrada líquida de 10 MΩ ser grande, sem dúvida, você deve se lembrar de que essa quantidade de impedância de carga deve ser considerada em relação à impedância do dispositivo a que você está aplicando as pontas de prova. Por exemplo, um circuito simples de um amplificador operacional com um resistor de feedback de 100 MΩ pode gerar leituras falsas em um osciloscópio.

Caso esteja usando um osciloscópio Keysight 1000 X-Series, é necessário inserir manualmente o fator de atenuação de ponta de prova (10:1). Assim que o osciloscópio souber qual é o fator de atenuação da ponta de prova, o osciloscópio oferecerá leituras compensadas de todas as configurações verticais, para que todas as medições de tensão sejam referenciadas para o sinal de entrada não atenuado na extremidade da ponta de prova. Por exemplo, se você aplicar a ponta de prova a um sinal de 10 Vpp, o sinal recebido na entrada do osciloscópio será de apenas 1 Vpp, na verdade. Mas, como o osciloscópio sabe que você está usando uma ponta de prova 10:1 divisora, ele relatará que está vendo um sinal de 10 Vpp ao fazer medições de tensão.

Quando chegarmos ao Laboratório 5 (Compensando suas pontas de prova 10: passivas), nós voltaremos a esse modelo de pontas de prova passivas e lidaremos com os componentes capacitores. Esses elementos no modelo elétrico da ponta de prova/osciloscópio irão afetar o desempenho dinâmico/CA do sistema combinado de osciloscópio e ponta de prova.

Introdução 1

Outra variável muito importante na configuração do osciloscópio é o controle/botão de nível de disparo mostrado na Figure 6. Esse botão de controle fica à direita dos botões de controle vertical, logo abaixo da seção chamada Disparo. O disparo é, provavelmente, o aspecto menos compreendido de um osciloscópio, mas é um dos recursos mais importantes para se conhecer nele. Nós iremos tratar dos disparos do osciloscópio em mais detalhes, quando chegarmos aos laboratórios práticos.

Ao ler as instruções dos laboratórios a seguir, sempre que você vir uma palavra em negrito dentro de colchetes, como [Help] , trata-se de uma tecla (ou botão) do painel frontal localizada no lado direito do osciloscópio. Quando a tecla é pressionada, um menu único com seleções de "tecla" associadas com aquela função em particular o painel frontal será ativada. "Softkeys" são as seis teclas/botões localizados à direita do visor do osciloscópio. As funções dessas teclas mudam de acordo com o menu que está ativo.

Agora, localize o botão de controle Entrada mostrado na Figure 7. É o botão logo à direita do visor do osciloscópio, na área sombreada. Nós vamos usar muito esse botão para mudar as muitas variáveis e seleções de configuração que não têm

Figure 5 Controles verticais do osciloscópio (eixo Y)

Figure 6 Controle de nível de disparo do osciloscópio

1 Introdução

botões dedicados nos controles do painel frontal. Sempre que você vir a seta verde curva ( ) na seleção de uma softkey; será uma indicação de que o botão Entrada controla essa variável. Observe que esse botão também é usado para definir o nível de intensidade da forma de onda. Então, vamos começar a fazer medições com o osciloscópio!

Figure 7 Controle de entrada geral do osciloscópio

2 Aula de medição em laboratório com osciloscópio básico e WaveGen

Laboratório nº1: Fazendo medições de ondas senoidais

Nesta primeira aula, você aprenderá como utilizar os controles de escala horizontal e vertical do osciloscópio a fim de configurar o osciloscópio adequadamente para que exiba uma onda senoidal repetitiva. Além disso, você aprenderá como fazer algumas medições simples de tensão e tempo nesse sinal. 1 Conecte uma ponta de prova do osciloscópio entre o BNC de entrada do canal 1 e o terminal de saída denominado "Demo", como mostrado na Figure 8. Conecte esse clipe de aterramento da ponta de prova ao terminal central (terra).

2 Pressione a tecla [Defaul t Setup] Configuração Padrão na seção superior direita do painel frontal.

A Configuração Padrão colocará o osciloscópio em uma configuração predefinida de fábrica. Não apenas definirá os fatores de escala X e Y do osciloscópio com os valores predefinidos, mas também desativará quaisquer modos especiais de operação que algum de seus colegas de classe pode ter usado.

Figure 8 Conectar ponta de prova entre a entrada do canal 1 e o terminal de saída de sinal de treinamento

Aula de medição em laboratório com osciloscópio básico e WaveGen 2

3 Pressione a tecla [Help] Ajuda no painel frontal (próxima aos controles verticais do canal 2).

4 Pressione a softkey Sinais de Treinamento à direita do visor do osciloscópio.

5 Pressione o menu de softkeys Sinais de Treinamento e, utilizando o botão Entrada , selecione o sinal Senoidal (topo da lista) e pressione a softkey Saída para ativá-lo.

Deve haver uma onda senoidal presente no terminal Demo, mas ela ainda não é reconhecível com os fatores de escala padrão do osciloscópio. Nós ajustaremos agora as configurações vertical e horizontal do osciloscópio para que expanda e centralize essa forma de onda no visor.

6 Gire o botão V/div do canal 1 em sentido horário até ser possível ver a forma de onda exibida cobrindo mais da metade da tela. A configuração correta deve ser 500 mV/d iv , que é exibida como “500 mV/” no lado esquerdo superior do visor.

7 Gire o botão s/div (o botão grande na seção Horizontal) no sentido horário, até que seja possível observar mais de dois períodos de uma onda senoidal no visor. A configuração correta deve ser 1,000 μs/d iv , que é exibida como “1. μs/”, próximo ao centro da parte superior da tela. O visor do seu osciloscópio deve estar parecido com Figure 9. De agora em diante, iremos nos referir a esta simplesmente como a configuração da "base de tempo" do osciloscópio.

8 Gire o botão de posição Horizontal para mover a forma de onda para a esquerda e para a direita.

9 Pressione o botão de posição Horizontal para defini-lo de volta a zero (0, segundo no centro da tela).

Figure 9 Configuração inicial para exibir o sinal de treinamento da onda senoidal

Aula de medição em laboratório com osciloscópio básico e WaveGen 2

14 Ajuste o botão de posição vertical do canal 1 (botão menor abaixo da tecla "1" iluminada) até que os picos negativos das ondas senoidais cruzem com uma das retículas principais (ou linhas de grade).

15 Em seguida, ajuste o botão de posição horizontal (botão menor próximo à parte superior do painel frontal) até que um dos picos positivos das ondas senoidais cruzem com o eixo vertical central que possui as marcas indicadoras da divisão secundária.

16 Agora, estime a tensão pico a pico dessa onda senoidal contando o número de divisões (principais e secundárias) do pico negativo da onda senoidal até o pico positivo; depois, multiplique pela configuração V/div (que deve ser de 500 mV/div).

Vamos agora utilizar a função “cursores” do osciloscópio para fazer essas mesmas medições de tensão e tempo; mas sem ter de contar as divisões e depois multiplicar pelos fatores de escala. Primeiro, localize visualmente o botão "Cursores" na seção Medição do painel frontal, conforme mostrado na Figure 10.

17 Pressione o botão Cursores; gire esse botão até que "X1" fique em destaque; depois, pressione novamente para selecionar (se você não pressionar o botão uma segunda vez após girar o cursor até "X1", o tempo se esgotará, e então o cursor X1 será selecionado automaticamente, e o menu será fechado).

18 Gire o botão Cursores até que o cursor X1 (marcador de tempo nº 1) cruze com uma borda ascendente de uma onda senoidal em um nível de tensão em particular. Dica: Alinhe o cursor em um ponto da forma de onda em que cruze com uma das linhas de grade horizontais.

19 Pressione o botão Cursores novamente; gire esse botão até que "X2" esteja em destaque; depois, pressione-o novamente para selecionar.

20 Gire o botão Cursores até que o cursor X2 (marcador de tempo nº2) cruze com a próxima borda ascendente da onda senoidal no mesmo nível de tensão.

21 Pressione o botão Cursores novamente; gire esse botão até que "Y1" esteja em destaque; depois, pressione-o novamente para selecionar.

Vp-p = _____________

Figure 10 Botão dos cursores de medição

2 Aula de medição em laboratório com osciloscópio básico e WaveGen

22 Gire o botão Cursores até que o cursor Y1 (marcador de tensão nº1) cruze com os picos negativos das ondas senoidais. 23 Pressione o botão Cursores novamente; gire esse botão até que "Y2" esteja em destaque; depois, pressione-o novamente para selecionar. 24 Gire o botão Cursores até que o cursor Y2 (marcador de tensão nº2) cruze com os picos positivos das ondas senoidais. 25 Qual é o período, a frequência e a tensão pico a pico desse sinal (a leitura do cursor está no lado direito do visor)?

O método mais comum utilizado para medir tempo e tensão em um osciloscópio é o método “contagem de divisão” que utilizamos primeiro. Embora as divisões devam ser contadas e depois multiplicadas pelas configurações do osciloscópio, engenheiros familiarizados com seus osciloscópios podem estimar rapidamente os parâmetros de tensão e tempo dos sinais... e algumas vezes uma estimativa aproximada é tudo o que se precisa para saber se um sinal é válido ou não.

Os cursores fornecerão uma medição um pouco mais precisa e eliminarão as suposições da medição. A maior parte dos osciloscópios atualmente fornece uma maneira ainda mais precisa e rápida de realizar muitas medições paramétricas automaticamente. Nós voltaremos a usar as medições paramétricas automáticas

Figure 11 Usar as medições de cursor do osciloscópio

ΔX = _____________

1/ΔX = _____________

ΔY(1) = _____________