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ABC do OSCILOSCÓPIO princípio de funcionamento e estado da tecnologia mário ferreira alves mjf@isep.ipp.pt | v3 fev.2007

Nas últimas décadas, o ser humano tem vindo a depender cada vez mais de sistemas eléctricos, electrónicos e computacionais. Na primeira metade do século X a electricidade era apenas utilizada como fonte de energia “facilmente transportável” para obter outras formas de energia úteis (e.g. iluminação, força motriz, aquecimento) nos locais necessários. Entretanto, o aparecimento dos dispositivos semicondutores e programáveis a partir de meados do século X marcou um importante ponto de viragem a diversos níveis, pois começou a ser possível utilizar sistemas eléctricos e electrónicos para acções de controlo. Mais recentemente, a enorme evolução das Tecnologias de Informação e Comunicação (TIC) fazem que algumas visões no passado passem a ser paradigmas na actualidade, nomeadamente o da ubiquidade dos sistemas computacionais, onde se preconiza a incorporação de dispositivos “inteligentes” (com capacidade sensorial, de armazenamento, de processamento e de comunicação) em toda e qualquer entidade passível de ser monitorizada/controlada.

Actualmente, muito dificilmente nos damos conta da quantidade e complexidade das TIC que incorporam os sistemas que nos rodeiam, mesmo no dia-a-dia - desde os electrodomésticos ao automóvel, passando pelos telefones móveis e sistemas de domótica. Neste contexto, o papel do Engenheiro assume particular relevância a nível da concepção destes sistemas, mas também a nível da sua instalação, teste, validação, manutenção e actualização/evolução. É neste contexto que as ferramentas de teste/diagnóstico de sistemas eléctricos e electrónicos ganham particular importância, salientando-se os multímetros e os osciloscópios como os mais versáteis, podendo ser utilizados num sem número de aplicações. Saliente-se que embora estes equipamentos sirvam para medir grandezas eléctricas, poderemos utilizá-los para analisar qualquer outra grandeza (não eléctrica), desde que estejamos providos dos transdutores e circuitos de condicionamento de sinal adequados.

Enquanto que o multímetro se limita a apresentar a indicação de um ou mais parâmetros característicos (e.g. valor eficaz, valor de pico, frequência) de uma dada grandeza (e.g. tensão, corrente), quando é necessária uma análise mais aprofundada da grandeza mensuranda, nomeadamente a nível do seu comportamento temporal, torna-se fundamental a utilização de um osciloscópio. Na sua forma mais básica, o osciloscópio é um instrumento de medição que permite analisar visualmente um ou mais sinais eléctricos em tempo-real, permitindo medir e comparar diversos parâmetros destes sinais.

A aquisição de competências a nível do funcionamento e utilização do osciloscópio torna-se então fundamental para alunos de cursos de engenharia. No caso particular do ISEP, salientam-se os cursos de Engenharia Electrotécnica e Mecânica actualmente em funcionamento, onde este tema é abordado no âmbito de diversas disciplinas sob a responsabilidade do Grupo de Disciplinas de Ciências Básicas da Electrotecnia. Saliente-se que o domínio desta ferramenta por parte dos alunos assume uma importância imediata para sustentar os trabalhos laboratoriais e projectos que fazem parte do seu percurso na escola.

Neste contexto, e da experiência adquirida pelo autor na leccionação desta matéria, aponta-se como tempo necessário e suficiente para o aluno ser capaz de conhecer e utilizar as funcionalidades básicas de um osciloscópio cerca de seis horas. Destas, três a quatro horas deverão ser dedicadas a uma exposição dos conceitos fundamentais e da forma de utilizar o osciloscópio, essencialmente utilizando aulas “teóricas”. Complementarmente, considera-se obrigatório o aluno utilizar um osciloscópio durante pelo menos uma aula “prática” (duas horas), familiarizando-se com equipamento associado tal como pontas de prova e geradores de sinais. Esta aprendizagem experimental endereça o osciloscópio como “um fim”. É também importante que o aluno consolide o seu conhecimento ao longo de uma ou mais aulas práticas subsequentes, onde passa a utilizar o osciloscópio como “um meio”, no âmbito de trabalhos práticos.

Este documento é uma evolução de [1] e apresenta o princípio de funcionamento do osciloscópio, sintetizando os aspectos fundamentais relacionados com a sua utilização e sumariando o estado actual da tecnologia, tanto no que respeita a osciloscópios analógicos como a osciloscópios de amostragem (conhecidos como osciloscópios “digitais”).

O modelo do ensino superior está neste momento a ser alterado no sentido da harmonização preconizada pelo Acordo de Bolonha. As licenciaturas em Engenharia vão ser reduzidas para 3 anos, preconizando-se uma diminuição da carga horária presencial. Desta forma, é necessário criar mecanismos para facilitar a autonomia de estudo ao aluno. É neste contexto que ganham particular importância ferramentas que permitam aos alunos a aquisição de conhecimentos sem necessidade de deslocação a um laboratório, já que o tempo para efectuar as experiências presencialmente vai ser menor. Neste contexto, surgem dois tipos de ferramentas computacionais potencialmente interessantes: os simuladores de osciloscópio e os osciloscópios baseados em placas de som. Os simuladores de osciloscópio representam virtualmente um osciloscópio no PC, normalmente incluindo um gerador de sinais (também virtual) para servir de fonte de sinal. Os osciloscópios baseados em placas de som utilizam placas de som convencionais (existentes na quase globalidade dos PCs) para a entrada/saída de sinais, implementando normalmente um osciloscópio de dois canais e um gerador de sinais. É esta a motivação para que este documento apresente uma breve referência a algumas destas ferramentas.

Este documento está estruturado em 6 secções. A primeira introduz alguns conceitos e terminologia relevantes neste contexto. A Secção 2 endereça o princípio de funcionamento dos osciloscópios analógicos e de amostragem, bem como apresenta algumas das características que podem e devem pesar aquando da aquisição destes equipamentos. As questões relacionadas com a interligação entre o osciloscópio e os circuitos sob teste são abordadas na Secção 3, enquanto que a Secção 4 apresenta uma descrição dos comandos mais habitualmente encontrados nos osciloscópios analógicos e de amostragem. Na Secção 5 apresentam-se algumas técnicas para efectuar medições de tensão e de tempo. Finalmente, a Secção 6 aborda o estado actual da tecnologia, apresentando as características mais relevantes de diversos tipos e modelos de osciloscópios disponíveis no mercado.

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1. INTRODUÇÃO3
1.1. O QUE É E PARA QUE SERVE UM OSCILOSCÓPIO?3
1.2. ASPECTO EXTERIOR DE UM OSCILOSCÓPIO4
1.3. MEDIÇÃO DE GRANDEZAS NÃO ELÉCTRICAS E NÃO PERIÓDICAS?5
1.4. SIGNIFICADO DE “ANALÓGICO” E “DIGITAL”5
1.5. INSTRUMENTOS “REAIS” E “VIRTUAIS”7
2. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO E CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS1
2.1. OSCILOSCÓPIOS ANALÓGICOS E DE AMOSTRAGEM1
2.2. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO OSCILOSCÓPIO ANALÓGICO12
2.3. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO OSCILOSCÓPIO DE AMOSTRAGEM15
2.4. MÉTODOS DE AMOSTRAGEM16
2.5. CARACTERÍSTICAS MAIS RELEVANTES19
3. INTERLIGAÇÃO ENTRE O OSCILOSCÓPIO E OS CIRCUITOS EM ANÁLISE23
3.1. CONCEITOS INTRODUTÓRIOS23
3.2. SOBRE LIGAÇÕES DE MASSA E TERRA24
3.3. PONTAS DE PROVA26
3.4. COMPENSAÇÃO DO CIRCUITO DE ATENUAÇÃO30
4. COMANDOS FUNDAMENTAIS3
4.1. CONSIDERAÇÕES INICIAIS3
4.2. COMANDOS DO ECRÃ35
4.3. COMANDOS DO SISTEMA VERTICAL35
4.4. COMANDOS DO SISTEMA HORIZONTAL39
4.5. COMANDOS DO SISTEMA DE SINCRONISMO41
5. TÉCNICAS DE MEDIÇÃO45
5.1. O ECRÃ45
5.2. AJUSTE INICIAL DOS COMANDOS46
5.3. MEDIÇÃO DE TENSÃO47
5.4. MEDIÇÃO DE PERÍODO E FREQUÊNCIA49
5.5. MEDIÇÃO DE TEMPO DE SUBIDA50
5.6. MEDIÇÃO DE DESFASAMENTO50
5.7. SINCRONIZAÇÃO DE FORMAS DE ONDA COMPLEXAS53
6. ESTADO DA TECNOLOGIA5
6.1. TIPOS DE OSCILOSCÓPIOS ACTUAIS E EMERGENTES5
6.2. OSCILOSCÓPIOS DE BAIXO CUSTO56
6.3. OSCILOSCÓPIOS TOPO DE GAMA58
6.4. OSCILOSCÓPIOS BASEADOS EM COMPUTADOR59
6.5. SIMULADORES DE OSCILOSCÓPIOS61
REFERÊNCIAS63
APÊNDICES65
APÊNDICE A – PRINCÍPIO DO EFEITO HALL65
APÊNDICE B – COMPENSAÇÃO DO CIRCUITO DE ATENUAÇÃO: PROVA6
APÊNDICE C – ANÁLISE DE SINAIS DE VÍDEO67

ÍNDICE APÊNDICE D – MÉTODO ELÍPTICO PARA MEDIÇÃO DE DESFASAMENTO: PROVA..................................68

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1. INTRODUÇÃO

1.1. O que é e para que serve um osciloscópio?

Basicamente, um osciloscópio é um instrumento de medição que representa graficamente sinais eléctricos no domínio temporal.

No modo de funcionamento usual, um osciloscópio mostra como é que um ou mais sinais eléctricos variam no tempo (Figura 1). 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 ecrã é por vezes denominada de eixo dos Z.

a) Visualização de um sinal b) Visualização de dois sinais

Figura 1: Ecrã de osciloscópio [13]

Uma representação gráfica deste tipo permitirá a análise de diversas características de um sinal, nomeadamente:

• Amplitude (de tensão): valores máximo (pico positivo), mínimo (pico negativo), pico-a-pico e eficaz, diferenciais de amplitude, componentes contínua e alternada.

• Tempo: período, frequência, diferenciais de tempo num sinal e entre dois sinais, atrasos, desfasamento entre dois sinais, tempos de subida.

• Existência de interferências (ruído) continuadas, perturbações transitórias.

• Comparação entre entrada e saída de sistemas, nomeadamente para analisar ganhos, desfasamentos, filtragens, rectificações, permitindo projectar e depurar os mesmos sistemas.

A utilização do modo ‘XY’ facilita alguns tipos de análises. Neste modo de funcionamento, o eixo dos X deixa de representar o tempo, passando a ser estimulado por um sinal de entrada. Desta forma, a forma de onda visualizada no ecrã será a representação de um sinal de entrada em função de outro sinal de entrada. Tal como se verá na Secção 5.6, o modo XY é muito interessante para a medição de desfasamentos entre sinais sinusoidais.

Os osciloscópios de amostragem (conhecidos como “digitais”) automatizam uma série de medições e incorporam muitas funcionalidades adicionais aos osciloscópios analógicos, tal como veremos ao longo deste documento.

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1.2. Aspecto exterior de um osciloscópio

Quanto ao seu aspecto exterior, os osciloscópios podem dividir-se fundamentalmente em osciloscópios portáteis e de bancada (Figura 2).

Figura 2: Exemplos de osciloscópios

Começam também agora a vulgarizar-se os osciloscópios baseados em computadores pessoais (PCs), que não apresentam nenhum aspecto exterior característico: ou se baseiam em placas embebidas no próprio PC, ou existe um módulo exterior (“caixa preta” de aquisição de sinais) que interliga o circuito em teste com o PC (normalmente através de USB, Ethernet, RS-232 ou GPIB).

O painel frontal de um osciloscópio típico (Figura 3) engloba o ecrã (assinalado a vermelho) e um conjunto de comandos divididos em grupos, organizados segundo a sua funcionalidade. Existe um grupo de comandos para o controlo do eixo dos Y (amplitude do sinal, a verde), outro para o controlo do eixo dos X (tempo, a castanho) e outro ainda para controlar os parâmetros do ecrã (indicados a azul). Existe também um conjunto de terminais de entrada e saída de sinais (amarelo).

Figura 3: Painel frontal de um osciloscópio analógico típico [6]

Estes grupos de comandos existem para permitir a visualização e análise de sinais de características diversas, nomeadamente com uma gama significativa de amplitudes e frequências.

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1.3. Medição de grandezas não eléctricas e não periódicas?

O osciloscópio é utilizado em inúmeras aplicações, tão variadas como a reparação de electrodomésticos, a manutenção automóvel, a análise de vibrações ou a análise de redes de comunicação de dados. Por princípio, o osciloscópio é um instrumento de medição adequado para medir/analisar sinais periódicos. No entanto, os osciloscópios de amostragem permitem analisar sinais transitórios (não periódicos), tais como os apresentados na Figura 4.

a) Tensão aos terminais de um sensor de posição angular reostático b) Tensão numa bateria de automóvel antes, durante e após o arranque do motor térmico

Figura 4: Exemplos de sinais não periódicos [7]

Outro aspecto a salientar é que o osciloscópio não se limita à medição de grandezas eléctricas. Com o transdutor apropriado, o osciloscópio poderá utilizarse para visualizar e medir qualquer tipo de grandeza física. Um transdutor eléctrico é um dispositivo que transforma a variação de uma grandeza não eléctrica (e.g. pressão, humidade, luz) na variação de uma grandeza eléctrica (e.g. resistência, indutância, capacidade, força electromotriz). O Vocabulário Internacional de Metrologia [8] define genericamente transdutor como “dispositivo que faz corresponder, segundo uma lei determinada, uma grandeza de saída a uma grandeza de entrada”. Veja-se o exemplo da Figura 4a, onde um osciloscópio é utilizado para analisar o comportamento de um transdutor de posição angular do tipo reostático (resistência variável).

1.4. Significado de “analógico” e “digital”

É prática corrente distinguir os osciloscópios como “analógicos” e “digitais”. De forma a evitar ambiguidades na terminologia utilizada neste documento, é fundamental esclarecer alguns conceitos genéricos relacionados com os instrumentos de medição, conceitos estes que os leigos desconhecem e que raramente são claros mesmo para especialistas nas áreas de electrotecnia/electrónica. Neste contexto, é fundamental a consulta do Vocabulário Internacional de Metrologia [8], editado na língua portuguesa pelo Instituto Português da Qualidade.

Um instrumento de medição é um dispositivo destinado à execução da medição, isolado ou em conjunto com outros equipamentos suplementares. Se um

Osciloscópio: princípio de funcionamento e estado da tecnologia 5/68 instrumento de medição envolve tecnologia eléctrica ou electrónica, ou seja, se inclui circuitos com componentes eléctricos (resistências, bobinas, condensadores, etc.) e/ou electrónicos (díodos, transístores, tirístores, etc.), ele é denominado de instrumento de medição eléctrico/electrónico.

Quando se classifica um instrumento de medição como analógico ou digital deve ter-se em conta a forma de apresentação do sinal de saída ou da indicação e não o princípio de funcionamento do instrumento:

• Num instrumento de medição analógico, o sinal de saída ou indicação é uma função contínua do valor da mensuranda ou do sinal de entrada.

• Um instrumento de medição digital apresenta o sinal de saída ou a indicação sob a forma digital (numérica).

Consequentemente, é errado distinguir entre osciloscópios “analógicos” e “digitais”, pois todos os osciloscópios têm uma indicação analógica, ou seja, todos mostram a evolução do sinal de entrada ao longo do tempo, devendo por isso ser denominados de instrumentos analógicos. Os osciloscópios normalmente conhecidos como “digitais” devem ser referenciados como “osciloscópios de amostragem”. Estes complementam a indicação analógica com um conjunto de indicações “digitais” (e.g. período, frequência, componente contínua e alternada).

É portanto importante distinguir entre a indicação e o princípio de funcionamento dos instrumentos de medição. Note-se que existem instrumentos de medição digitais com princípio de funcionamento puramente mecânico, tal como um contador de água, onde existe uma indicação digital (a quantidade de metros cúbicos consumidos) e uma indicação analógica (o caudal de água). Da mesma forma, muitas vezes temos indicações analógicas em instrumentos de tecnologia digital, tal como gráficos de barras e diagramas sinópticos numa interface gráfica de um computador.

É também importante eliminar uma possível confusão com os conceitos de electrónica analógica e electrónica digital. O que distingue um circuito eléctrico de um circuito electrónico é que o segundo envolve a utilização de dispositivos baseados em semicondutores, tais como transístores, díodos e tirístores, além da eventual utilização de dispositivos eléctricos (resistências, condensadores, indutâncias, etc.).

Figura 5: Multímetro com indicações analógica e digital [9]

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