abc do osciloscopio

abc do osciloscopio

(Parte 1 de 6)

2ª Edição

Mário Ferreira Alves malves@dee.isep.ipp.pt Departamento de Engenharia Electrotécnica Março de 1998

O osciloscópio é, provavelmente, o instrumento de medição mais versátil. De facto, apesar deste instrumento permitir apenas a visualização e análise de grandezas eléctricas, a sua aplicação não se limita a este tipo de grandezas. A utilização do transdutor adequado permite utilizar o osciloscópio para a análise de sinais não eléctricos, tais como temperatura, pressão, luminosidade, etc.

O facto do osciloscópio ser utilizado em inúmeras aplicações motivou a disponibilização deste texto, originalmente desenvolvido para a cadeira de Instrumentação e Medidas I, do 1º ano do Bacharelato de Electrónica Industrial, para qualquer pessoa que pretenda adquirir um conhecimento básico deste instrumento.

O leitor deverá ter, necessariamente, um conhecimento básico de electricidade, de modo a estar apto a apreender os conceitos aqui tratados.

O ‘ABC do Osciloscópio’ baseia-se fundamentalmente num trabalho sobre osciloscópio elaborado pela Tektronics ([Tektronics, 1997a]), disponível na W (World Wide Web) da Internet. Esta é, na opinião do autor, uma das melhores referências sobre osciloscópio, conseguindo conciliar uma linguagem de fácil compreensão (incluindo inúmeras figuras elucidativas) com conceitos teóricos fundamentais. Desta forma, consegue, ao mesmo tempo, dar uma perspectiva de âmbito eminentemente prático e abordar assuntos extremamente importantes e não explorados noutras referências (tais como o estudo de massa e terra, por exemplo).

Note-se que a maior parte da bibliografia consultada, tal como [Helfrick, 1991] ou [Jones, 1991] (dois dos livros de instrumentação mais utilizados), aborda o osciloscópio de uma forma muito pouco prática. Do meu ponto de vista, o leitor fica com muito poucos conhecimentos práticos da utilização do osciloscópio.

É importante que o leitor compreenda que a leitura deste texto não é suficiente para se saber utilizar um osciloscópio. É fundamental a componente laboratorial, isto é, a utilização (real) de um ou mais osciloscópios.

Para o leitor mais interessado, aconselha-se uma “visita” às páginas W dos diversos fabricantes de osciloscópios (e outros instrumentos de medição), nomeadamente a Tektronix http://www.tek.com a Fluke http://www.fluke.com a Lecroy http://www.lecroy.com e a Yokogawa http://www.yokogawa.co.jp

Embora os osciloscópios digitais tenham muito mais funcionalidades que os analógicos, os seus princípio de funcionamento, modo de utilização, comandos e métodos de medição são bastante parecidos. Por esta razão, o funcionamento deste tipo de osciloscópio é explicado conjuntamente com o osciloscópio digital.

Agradeço aqui aos meus colegas do Grupo de disciplinas de Ciências Básicas de Electrotecnia pelo bom ambiente criado, tanto a nível profissional como a nível pessoal. Quero agradecer particularmente ao Eng. Mesquita Guimarães pela confiança em mim depositada ao me atribuir a regência da Cadeira de Instrumentação e Medidas I e ao Eng. Marinho Sousa, que me ensinou o b-a-ba do laboratório de medidas eléctricas.

1. INTRODUÇÃO7
1.1. APLICAÇÕES9
1.2. GRANDEZAS ELÉCTRICAS MENSURÁVEIS10
2. OSCILOSCÓPIO ANALÓGICO VS. DIGITAL13
2.1. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO OSCILOSCÓPIO ANALÓGICO16
2.2. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO OSCILOSCÓPIO DIGITAL19
2.3. MÉTODOS DE AMOSTRAGEM (NOS OSCILOSCÓPIOS DIGITAIS)20
2.4. CARACTERÍSTICAS RELEVANTES23
3. INTERLIGAÇÃO ENTRE O OSCILOSCÓPIO E OS CIRCUITOS26
3.1. CONCEITO DE MASSA E TERRA26
3.2. PONTAS DE PROVA27
3.3. COMPENSAÇÃO DO CIRCUITO DE ATENUAÇÃO (OU DA PONTA DE PROVA)30
4. DESCRIÇÃO DOS COMANDOS3
4.1. COMANDOS DO ÉCRAN (EIXO DOS Z)3
4.2. COMANDOS DO SISTEMA VERTICAL (EIXO DOS Y)3
4.3. COMANDOS DO SISTEMA HORIZONTAL (EIXO DOS X)38
4.4. COMANDOS DO SISTEMA DE SINCRONISMO40
5. TÉCNICAS DE MEDIÇÃO46
5.1. O ÉCRAN46
5.2. AJUSTE INICIAL DOS COMANDOS47
5.3. MEDIÇÃO DE TENSÃO48
5.4. MEDIÇÃO DE PERÍODO E FREQUÊNCIA50
5.5. MEDIÇÃO DE TEMPO DE SUBIDA51
5.6. MEDIÇÃO DE DESFASAMENTO52
5.7. SINCRONIZAÇÃO DE FORMAS DE ONDA COMPLEXAS54
5.8. SINCRONIZAÇÃO DE DUAS FORMAS DE ONDA54
6. REFERÊNCIAS56
7. APÊNDICES58
7.1. PRINCÍPIO DO EFEITO HALL58
7.2. ANÁLISE DE SINAIS DE VÍDEO58

ÍNDICE 7.3. MÉTODO ELÍPTICO PARA MEDIÇÃO DE DESFASAMENTO........................................................................59

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 (Y) representa a amplitude do sinal (tensão) e o eixo horizontal (X) representa o tempo. A intensidade (ou brilho) do écran é por vezes chamada de eixo dos Z (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 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.).

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 Z): 1 - Interruptor de Alimentação 3 - Focagem do feixe 4 - Rotação do traço 5 - Intensidade do feixe

• Comandos do Sistema Vertical (eixo dos Y): 8 (9) - Terminal de ligação do canal 1 (2) 10 (1) - 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 X): 2 - 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)

27 - Terminal de ligação da fonte de sincronismo externa 28 - Nível e inclinação de disparo 29 - Modo do sistema de sincronismo (AUTO, NORM, TV-V, TV-H) A utilização destes comandos será explicada mais à frente, em ‘4. Descrição dos Comandos’.

1.1. Aplicações

O osciloscópio é utilizado por diversos profissionais, num sem número de aplicações, tão variadas como a reparação de televisores, a análise do funcionamento das unidades electrónicas de controlo dos automóveis, a análise de vibrações (de um motor, por exemplo), o projecto de circuitos de condicionamento de sinal (para sistemas de instrumentação, por exemplo) ou sistemas biomédicos.

Figura 3: Medição de luminosidade por intermédio de um transdutor (célula fotoeléctrica) ([Tektronics, 1997a])

A utilidade do osciloscópio não se limita ao mundo da electricidade/electrónica. Com o transdutor apropriado, o osciloscópio poderá utilizar-se para visualizar e medir qualquer tipo de grandeza física. Um transdutor é um dispositivo que cria um sinal eléctrico a partir de um estímulo de outro tipo de grandeza, tal como som, luz ou calor (caso da célula fotoeléctrica apresentada na Figura 3).

Embora os osciloscópios digitais permitam analisar sinais transitórios (que só acontecem um vez), tal como os apresentados na Figura 4 (degrau (step) e impulso (pulse)), o osciloscópio é, por princípio, um instrumento de medição adequado a medir (analisar) sinais periódicos.

Figura 4: Sinais não periódicos (degrau e impulso) ([Tektronics, 1997a])

Os sinais periódicos, também denominados de ondas, representam a variação de grandezas que se repetem (periodicamente) no tempo. São exemplos típicos as ondas sinusoidais (sine wave) e sinusoidais amortecidas (damped sine wave),

Figura 5: Ondas sinusoidal e sinusoidal amortecida ([Tektronics, 1997a]) as ondas quadradas (square wave) e rectangulares (rectangular wave):

Figura 6: Ondas quadrada e rectangular 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.

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 referirnos 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).

O desfasamento (ou diferença de fase) representa o atraso (no tempo ou em fase) entre dois sinais da mesma frequência. Na Figura 1, a tensão diz-se 90º em avanço relativamente à corrente, dado que a onda de tensão chega ao seu máximo (por exemplo) exactamente 1/4 de período antes do máximo da onda da corrente (360º / 4 = 90º).

Figura 1: Desfasamento entre duas ondas ([Tektronics, 1997a])

O desfasamento é extremamente importante na análise de certos circuitos eléctricos e electrónicos.

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.

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.

Um instrumento de medição que começa a estar vulgarizado é o scopemeter. Este instrumento, do qual não vejo qualquer tradução para português “minimamente feliz”, integra as funcionalidades de um osciloscópio digital com as funcionalidades de um multímetro digital, num formato portátil. São exemplos o Fluke 123 Scopemeter (Figura 15) e o Fluke’98 Scopemeter ([Fluke, 1997e]), este último dedicado a teste/diagnóstico automóvel .

Figura 15: Exemplo de um scopemeter ([Fluke, 1997f])

O aparelho representado na Figura 15 pesa apenas 1,1 Kg e custa, nos EUA, 1000 dólares (cerca de 170 contos).

Para se poderem compreender melhor os comandos do osciloscópio, é necessário conhecer um pouco melhor o princípio de funcionamento destes aparelhos. Tal como foi referido atrás, os osciloscópios analógicos funcionam de maneira diferente dos digitais. Contudo, alguns dos blocos internos são idênticos. Os osciloscópios analógicos envolvem conceitos mais simples, sendo explicados antes dos digitais.

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])

(Parte 1 de 6)

Comentários