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Ainda o osciloscópio (INS198)

Apesar do desenvolvimento de ferramentas de análise de circuitos poderosas como as placas de diagnósticos para PC ou ainda as interfaces de simulação, o osciloscópio ainda é o instrumento básico de laboratório onde se aprende as principais técnicas de diagnóstico. Mesmo na oficina de desenvolvimento de projetos ou reparação existem casos em que o osciloscópio comum é mais fácil de ser usado e até mais conveniente do que um osciloscópio virtual. Desta forma, entender o osciloscópio, tanto o real como o virtual é de extrema importância para todos os praticantes da eletrônica. Neste artigo damos uma visão do princípio de funcionamento dos dois tipos de osciloscópio para os leitores que ainda não conhecem muito deste instrumento.

 

A observação da forma de onda num ponto de um circuito é um dos recursos mais importantes para o diagnóstico de defeitos deste circuito ou ainda para se obter uma otimização de seu funcionamento.

Se bem que hoje seja possível simular o funcionamento dos circuitos num computador com a visualização das formas de onda em qualquer ponto, isso nem sempre pode ser feito, principalmente quando estamos trabalhando com um circuito real.

Assim, a presença de um instrumento que permita visualizar formas de onda num circuito é algo que deve permanecer nos laboratórios, oficinas ou na bancada do praticante de eletrônica por muito tempo.

O instrumento que permite visualizar as formas de onda de um circuito é o osciloscópio e hoje podemos contar basicamente com duas versões deste equipamento: comum e virtual.

O osciloscópio comum é um aparelho dedicado, que tem somente como função a visualização de formas de onda e nos modelos mais complexos (e caros) algumas funções instrumentais adicionais como a presença de memórias, voltímetros, frequencímetros, etc.

Na figura 1 temos um osciloscópio de baixo custo do tipo que normalmente é encontrado nas bancadas das escolas técnicas, oficinas de reparação e em laboratórios de desenvolvimento de projetos.

 

Um osciloscópio comum para oficina ou laboratório
Um osciloscópio comum para oficina ou laboratório

 

O osciloscópio virtual, por outro lado, nada mais é do que uma interface que transforma os sinais dos quais se deseja observar as formas de onda (ou realizar medidas) em sinais digitais que possam ser processados por um computador e os aplica a este computador, conforme mostra a figura 2.

 

Osciloscópio virtual. Deve ser usado uma interface de entrada para os sinais.
Osciloscópio virtual. Deve ser usado uma interface de entrada para os sinais.

 

O computador roda então um software que interpreta as informações captadas, gerando a imagem da forma de onda do sinal original e ainda dando informações adicionais como a sua frequência, amplitude, e até permitindo a aplicação de "zoom" para análise detalhada de pequenos trechos do sinal onde podem se manifestar transientes ou descontinuidades, conforme mostra a figura 3.

 

A função
A função "zoom" permite observar detalhes de um sinal

 

Para o leitor que estuda em escola técnicas, faz um curso de engenharia ou mesmo trabalha com instrumentação num laboratório, o ponto de partida para o estudo das formas de onda é saber como funciona o osciloscópio comum e é isso que pretendemos explicar nas linhas seguintes.

 

COMO FUNCIONA O OSCILOSCÓPIO

O componente principal do osciloscópio comum é o TRC ou Tubo de Raios Catódicos, que tem a estrutura interna mostrada na figura 4.

 

Estrutura de um tubo de raios catódicos.
Estrutura de um tubo de raios catódicos.

 

No interior de um tubo de vidro em que existe o vácuo, são colocados diversos eletrodos ou placas de metal conectadas a terminais externos onde podem ser aplicados sinais.

Quando fazemos circular uma corrente pelo filamento ele se aquece e também o catodo que, submetido a um potencial negativo, pode emitir elétrons.

Estes elétrons são dirigidos de tal forma por eletrodos adicionais que formam um estreito feixe que é disparado em direção à tela. Este disparo se deve a presença de um elevado potencial positivo que atrai estes elétrons.

Na trajetória do feixe de elétrons são colocados eletrodos de deflexão que consiste em placas de metal, sendo um par vertical e um par horizontal.

Quando aplicamos tensões de controle no par de placas dispostas horizontalmente, podemos modificar a trajetória do feixe de elétrons, de modo que ele se deflexiona no sentido vertical, conforme mostra a figura 5.

 

A deflexão é feita pela ação dos campos entre as placas defletoras.
A deflexão é feita pela ação dos campos entre as placas defletoras.

 

Dizemos que estes são os eletrodos de deflexão vertical.

Da mesma forma, se aplicarmos uma tensão de controle nos eletrodos dispostos verticalmente, podemos deslocar o feixe de elétrons no sentido horizontal. Estes são os eletrodos de deflexão horizontal.

Veja então que combinando os sinais aplicados nos dois eletrodos podemos deflexionar o feixe de elétrons de modo que ele incida em qualquer ponto da tela.

Ora, a tela é recoberta por uma camada de fósforo, o que significa que, quando o feixe de elétrons nela incide, um ponto luminoso é produzido. Concluímos então que, controlando os sinais aplicados nos eletrodos de deflexão vertical e horizontal podemos levar o ponto luminoso para qualquer ponto da tela ou ainda movimentar-se gerando qualquer tipo de imagem.

É justamente partindo deste fato que podemos elaborar um circuito que nos permita visualizar uma forma de onda num circuito.

 

Fazemos isso da seguinte maneira:

Se aplicarmos o sinal que desejamos observar diretamente nas placas de deflexão vertical, o que este sinal vai fazer é movimentar o feixe de elétrons para cima e para baixo de acordo com sua amplitude gerando assim uma linha vertical no meio da tela, conforme mostra a figura 6.

 

Somente com a deflexão vertical o feixe traça uma linha na tela.
Somente com a deflexão vertical o feixe traça uma linha na tela.

 

 

Evidentemente, este traço vertical não corresponde à forma de onda.

 

Para termos a forma de onda precisamos deslocar o feixe também na horizontal de modo a termos uma referência em relação ao tempo.

O que fazemos então é aplicar um sinal nas placas de deflexão horizontal que desloque o sinal também na horizontal para poder "traçar" a imagem forma desejada. Este sinal é denominado "varredura" e é gerado nos próprios circuitos internos do osciloscópio, conforme veremos mais adiante.

Assim, conforme mostra a figura 7, à medida que o feixe sobe e desce, de acordo com as variações do sinal a ser observado ele também se desloca da esquerda para a direita, traçando a imagem do sinal.

 

A combinação das deflexões faz com que o feixe de elétrons trace a imagem do sinal.
A combinação das deflexões faz com que o feixe de elétrons trace a imagem do sinal.

 

 

Veja que, para obter a imagem fiel o tipo de sinal que desloca o feixe da esquerda para a direita deve ter uma forma de onda especial: dente de serra.

O que ocorre é que o movimento produzido pelo feixe na tela é resultado da combinação das formas de movimento que representam os sinais aplicados às placas e demonstra-se que a combinação de um sinal dente de serra com um sinal qualquer resulta na imagem do sinal qualquer.

 

NA PRÁTICA

Na prática não podemos aplicar qualquer sinal nas placas de deflexão, pois dependendo de sua intensidade e de sua frequência a imagem pode não aparecer do modo como desejamos.

Se, por exemplo, quisermos observar um sinal que varie lentamente por ter baixa frequência e usarmos para a varredura ou deflexão horizontal um sinal "muito rápido" só haverá tempo do feixe traçar um pedaço da imagem, conforme mostra a figura 8.

 

Varredura muito rápida. Parte do sinal é cortada.
Varredura muito rápida. Parte do sinal é cortada.

 

Por outro lado, se o sinal que desejamos observar tiver uma amplitude muito pequena ou muito grande, o feixe pode, ou realizar um movimento de tão pequena amplitude que não vemos nada ou ainda sair totalmente da imagem cortando parte da imagem que desejamos ver, conforme mostra a figura 9.

 

Ganhos e freqüências devem  ser compatíveis para obtenção de uma imagem.
Ganhos e freqüências devem ser compatíveis para obtenção de uma imagem.

 

Com a finalidade de se adequar as características do sinal a ser observado com o sinal que deve ser gerado para varredura horizontal e assim se obter uma boa imagem, o osciloscópio deve ser dotado de certos circuitos.


OS CIRCUITOS DO OSCILOSCÓPIO

Na figura 10 temos um diagrama de blocos de um osciloscópio básico comum.

 

Diagrama de blocos de um osciloscópio.
Diagrama de blocos de um osciloscópio.

 

Conforme já salientamos na introdução os osciloscópios podem ter as mais diversas configurações internas, com circuitos mais circuitos que o modelo básico e que visam aplicações específicas.

Para efeito didático vamos tomar um osciloscópio "mínimo", ou seja, apenas com os circuitos básicos que nos permita entender o seu princípio de funcionamento.

Além da fonte de alimentação que deve gerar baixas tensões para os circuitos de entrada e varredura (sincronismo) e altas tensões para acelerar feixe de elétrons, temos os seguintes blocos importantes:

 

a) Amplificador de entrada

Deve-se usar um amplificador que tenha o ganho conhecido e mais do que isso, possa operar sem distorções com todos os sinais que o osciloscópio deve trabalhar. Deve-se usar um amplificar com características de linearidade numa ampla faixa de frequência.

 

O ganho conhecido normalmente é selecionado por meio de componentes de realimentação fixos que podem ser selecionados por meio de uma chave no painel do osciloscópio.

Assim, estes ganhos são dados em termos de volts por divisão (V/div) o que pode ser entendido facilmente: a tela do osciloscópio normalmente, para efeitos de medida é quadriculada, de modo que as linhas horizontais e verticais sirvam de referência para a análise da forma de onda projetada.

Assim, quando ajustamos o amplificador de entrada de um osciloscópio de modo que o ganho seja de 1 volt por divisão, isso significa que cada divisão na tela passa a representar 1 volt. Assim, conforme mostra a figura 11, um sinal que tenha uma amplitude tal que ocupe uma divisão e meia é um sinal de 1,5 volt de amplitude.

 

Medindo a amplitude de um sinal com o osciloscópio.
Medindo a amplitude de um sinal com o osciloscópio.

 

Este fato permite usar o osciloscópio não só para se visualizar uma forma de onda mas também para medir sua amplitude.

 

b) Circuito de varredura

Conforme explicamos, a escolha da velocidade com que o ponto percorre a tela no sentido horizontal também é importante, pois ela deve ser da mesma ordem que pelo menos um ciclo do sinal a ser observado para que tenhamos sua imagem completa.

Assim, a frequência do sinal que determina a varredura horizontal deve também ter a possibilidade de variação numa faixa relativamente ampla de frequências.

 

Esta faixa deve estar relacionada com a frequência máxima que podemos observar e que, portanto, o amplificador de entrada deve responder com fidelidade.

Existe então um oscilador "dente de serra" interno, de grande linearidade, para não deformar a imagem obtida, com frequências que podem ser selecionadas numa chave externa.

Esta chave é graduada em termos de microssegundos ou nanossegundos por divisão, pois da mesma forma que a escala de ganhos (vertical) é ajustada em termos de tensão, a escala horizontal é ajustada em termos de tempo, conforme sugere a figura 12.

 

A posição da chave determina o tempo que corresponde a cada divisão.
A posição da chave determina o tempo que corresponde a cada divisão.

 

Quando menor o tempo selecionado, mais rápida é a varredura e sinais de maior frequência podem ser observados.

Vamos supor que o tempo escolhido seja de 1 ms. Isso significa que uma frequência de 1 kHz de um sinal observado vai preencher uma divisão justamente com um ciclo, conforme mostra a figura 13.

 

Observando um sinal de 1 kHz
Observando um sinal de 1 kHz

 

Podemos então usar as divisões neste sentido para a medida de frequência, tomando como referência a posição da chave seletora dos tempos.

 

c) Circuito de gatilhamento (trigger)

Os sinais que são observados são dinâmicos, ou seja, estamos observando uma forma de onda de um sinal que está sendo constantemente produzido.

Assim, na realidade o que aparece na tela não é a imagem de um ciclo do sinal, mas sim a imagem de ciclos que se sucedem indefinidamente e que se superpõem mantendo fixa a imagem. Se fosse só um ciclo observado, ele apareceria e uma fração de segundo desapareceria.

Veja, entretanto que para que essa imagem de ciclos que se sucedem se mantenha fixa é preciso que cada um que seja projetado esteja exatamente sobre o anterior.

Se os ciclos tiverem uma pequena diferença de posição na projeção, cada um que vier será deslocado um pouco em relação ao anterior e ocorre a produção de uma imagem múltipla, conforme mostra a figura 14.

 

Varredura e freqüência do sinal não coincidem.
Varredura e freqüência do sinal não coincidem.

 

Isso significa que não basta ter uma frequência de varredura compatível com a frequência do sinal a ser observado, mas deve haver um certo sincronismo entre elas.

Para que cada ciclo comece exatamente no mesmo ponto do anterior, o sinal de varredura deve estar perfeitamente sincronizado com este sinal.

Existe então um circuito de disparo que faz isso reconhecendo o sinal do ciclo (ou passagem por zero) disparando com ele o oscilador de varredura que então passa a operar de maneira sincronizada, conforme mostra a figura 15.

 

Um circuito dispara o oscilador de modo que ele fique sincronizado com o sinal.
Um circuito dispara o oscilador de modo que ele fique sincronizado com o sinal.

 

O gatilhamento do circuito não precisa ser feito exatamente no final de um ciclo ou semiciclo. Se fizermos este gatilhamento a cada 3 ou 4 ciclos do sinal, por exemplo, podemos observar a imagem de diversos ciclos completos do sinal, conforme mostra a figura 16.

 

Gatilhamento com freqüência de 1/3 do sinal observado.
Gatilhamento com freqüência de 1/3 do sinal observado.

 

É exatamente isso que ocorre com o osciloscópio comum, que possui recursos de gatilhamento não necessariamente no final de um semiciclo ou de um ciclo, mas sim no final de um determinado número de ciclos que seja o mais próximo do tempo ajustado na seleção de varredura quando comparado com a frequência do sinal observado.

 

O OSCILOSCÓPIO NA PRÁTICA

Na prática os osciloscópio podem ter muitos outros recursos, conforme já explicamos.

Uma possibilidade interessante, disponível praticamente em todos os osciloscópios é a de se usar a varredura horizontal externa. O osciloscópio tem então uma entrada externa para o eixo X ou entrada horizontal onde podemos usar como referência uma fonte de sinal externa.

Uma aplicação para esta entrada consiste em se usar um gerador de sinais senoidal para a medida de frequências através das figuras de Lissajous.

Figuras de Lissajous são geradas quando sinais senoidais se combinam e suas frequências estão em relações numéricas que podem ser representadas por frações simples como 1/2, 2/3, 3/4, 2/5, etc.

Na figura 17 temos algumas figuras que podem ser obtidas desta forma e que servem para a medida de frequências (e fases) de sinais com boa precisão.

 

Figuras de Lissajous no osciloscópio.
Figuras de Lissajous no osciloscópio.

 

Outros recursos, encontrados nos osciloscópios mais avançados consiste no uso de um sistema de memórias para congelamento da imagem, possibilitando assim a análise de transientes. Este recurso é especialmente interessante quando se trabalha na análise de fontes, ou ainda circuitos digitais que, na verdade, não geram formas de onda definidas, mas sim trens de pulsos que variam.

Na eletrônica digital a presença do osciloscópio é extremamente importante já que pode-se analisar as formas dos sinais com muita facilidade.

O recurso do duplo traço ou do traço múltiplo possibilita a visualização das formas de diversos sinais ao mesmo tempo. Com isso é possível fazer a verificação de retardos, diferenças de fases e outras características importantes.

 

O OSCILOSCÓPIO VIRTUAL

A possibilidade de se visualizar formas de onda de um sinal (ou diversos) usando o PC abre caminho para um novo tipo de instrumento: o osciloscópio virtual.

A idéia básica do osciloscópio virtual é a mesma do osciloscópio comum: projetar numa tela a imagem correspondente à forma de onda de um sinal. No entanto, a maneira que se faz isso é diferente.

Para se aproveitar o circuito de processamento digital dos sinais do PC e o monitor de vídeo, o sinal a ser observado tem de ser convertido para a forma digital.

Isso é feito por meio de uma interface de aquisição de dados que tem como elemento básico um conversor analógico-digital de alta velocidade, conforme mostra a figura 18.

 

O osciloscópio virtual
O osciloscópio virtual

 

Assim, o osciloscópio virtual consiste num conversor A/D com os mesmos recursos de entrada de um osciloscópio comum, como um circuito que determina o tempo de amostragem de modo que se possa ter a amostragem do sinal numa velocidade apropriada, conforme sua frequência, e circuitos de amplificação que levem o sinal às intensidade que o conversor precisa para trabalhar. O circuito de chaveamento ou gatilhamento também é importante para se garantir que tenhamos os ciclos de amostragens coincidindo com os ciclos do sinal ou seus múltiplos.

Para projetar a imagem o PC deve rodar um software apropriado que processa os sinais e realiza cálculos como por exemplo a determinação de um valor rms ou ainda a determinação da frequência.

Hoje já se pode contar com osciloscópios para PC de diversas marcas a preços acessíveis. Muitos podem ser acoplados a um laptop ou notebook o que leva a um conjunto de uso totalmente portátil com a vantagem de haver a possibilidade de se gravar as formas de ondas observadas em disquetes num trabalho de campo, por exemplo, para posterior análise detalhada num laboratório.

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