Lição 7 - O Osciloscópio virtual

Escrito por Newton C Braga

Na lição 6, disponível neste site, aprendemos como utilizar instrumentos geradores de sinais para testes, tomando como ponto de partida o gerador de funções e também fontes de sinais constantes da caixa de ferramentas usadas para essa finalidade. Vimos como ajustar esses instrumentos e conectá-lo na entrada de nosso amplificador para testá-lo de forma completa. Nessa lição vamos aprender como usar o osciloscópio do Multisim 11, ligando-o na saída de nosso amplificador, aprendendo a ajustar seus controles e finalmente chegando ao ponto em que podemos fazer a simulação do nosso circuito. Esse será o assunto dessa nossa lição do curso de simulação e projeto usando o Multisim 11 (Agora Produto da National Instruments - www.ni.com).

Dando prosseguimento ao nosso curso, partimos justamente do diagrama da figura 1, que corresponde ao ponto em que paramos na lição anterior, onde o gerador de funções estava ligado à entrada do amplificador que desenvolvemos, tendo por base o amplificador operacional 741.

 

O gerador de funções está ligado ao circuito.
O gerador de funções está ligado ao circuito.

 

Conforme explicamos, os testes também poderiam prosseguir usando o circuito em que substituímos o gerador de funções por uma fonte de sinal mais simples, ajustada para fornecer 20 mV com 1 kHz de sinal senoidal.

 

Osciloscópios do MultiSim 9

Na barra de instrumentos do lado direito da área de trabalho do MulsiSim 11, o leitor pode contar com 4 osciloscópios diferentes mostrados na figura 2.

 

Quatro tipos de osciloscópio.
Quatro tipos de osciloscópio.

 

Basta deixar o curso por um instante sobre cada um deles para que abra uma janela que identifique o instrumento, conforme mostra a mesma figura.

O primeiro osciloscópio é o mais simples de usar e consiste num osciloscópio de duplo traço com as mesmas características de um osciloscópio real.

O segundo, consiste num osciloscópio de quatro traços também com as características e recursos de um osciloscópio convencional real.

Depois temos o terceiro osciloscópio que é uma versão virtual do osciloscópio Tektronix modelo TDS-2024, que tem o painel mostrado na figura 3.

 

O osciloscópio da Tektronix dentro do MultiSIM.
O osciloscópio da Tektronix dentro do MultiSIM.

 

Finalmente, temos um osciloscópio Agilent modelo 54622D. Este osciloscópio também tem características que correspondem ao modelo real.

Para obter o painel desse osciloscópio, assim como os demais, basta clicar sobre o seu ícone, arrastá-lo e colocá-lo na área de trabalho. Depois é só clicar no seu símbolo na área de trabalho, para que seu painel funcional de controle seja maximizado.

 

Partindo para o uso do Osciloscópio

Conforme salientamos, no nosso projeto de amplificador com o 741 vamos usar o osciloscópio mais simples do NI Muitisim 11, observando tanto o sinal de entrada como o sinal de saída.

Inicialmente, clicamos sobre o ícone do osciloscópio e o puxamos até a área de trabalho. Depois, conforme mostra a figura 4, fazemos a ligação do canal A a saída do amplificador e também colocamos a conexão à terra, como mostrado na figura.

 

Fazemos a ligação do canal A a saída do amplificador.
Fazemos a ligação do canal A a saída do amplificador.

 

Veja que em alguns casos, quando existe um terra virtual no circuito, podemos deixar o terminal de terra do osciloscópio livre que ele assume esse terra virtual.

O passo seguinte consiste em ligarmos ao canal B a entrada do circuito para podermos comparar o sinal de entrada com o sinal de saída.

Essa ligação é feita conforme mostra a mesma figura, não esquecendo também o leitor de manter os dois terras como na saída.

 

Ajustando o Osciloscópio

Para podermos visualizar as formas de onda da entrada e saída do circuito precisamos ajustar diversos pontos, como em qualquer osciloscópio real.

Veja que na entrada temos um sinal de 20 mV de amplitude, e prevendo que o ganho será 10, na saída teremos um sinal de 200 mV de amplitude. Também será preciso levar em conta o ajuste da base de tempo que deve permitir a observação de sinais de 1 kHz.

Clicando então no osciloscópio ligado ao circuito na área de trabalho, temos a abertura de sua imagem ampliada com o acesso a todos os controles, conforme mostra a figura 5.

 

Acessando os controles do osciloscópio.
Acessando os controles do osciloscópio.

 

A tela inicialmente aparece com o fundo negro, com o traço correspondente aos sinais em vermelho ou outra cor que o leitor queira programar. Clicando em "reverse" durante a simulação, a imagem na tela será invertida, ou seja, teremos um traço escuro sobre fundo branco, conforme mostrado na figura 5..

Observe que temos nesta tela a área da base de tempo (timebase) com a escala (scale) onde podemos ajustar o tempo por divisão para os dois sinais que serão apresentados simultaneamente.

Em Channel A e B temos os ajustes dos canais A e B, que correspondem a "scale" ou escala, onde ajustamos de forma independente o número de volts por divisão que corresponderá à imagem apresentada.

O posicionamento Y é outro ajuste importante, pois permite que a imagem da forma de onda observada apresentada seja deslocada para cima ou para baixa, de modo que os dois sinais não tenham o mesmo zero de referência e suas imagens fiquem superpostas. Veremos mais adiante como usar esses ajustes.

Em Trigger temos os ajustes da condição de disparo do circuito de varredura, inclusive com a possibilidade de se escolher a varredura externa e ajustar o ponto do sinal em que ocorre o disparo para o sincronismo da imagem.

Finalmente temos a opção Y/X que permite visualizar sinais que sejam aplicados simultaneamente no eixo vertical e horizontal como , por exemplo, no caso de Figuras de Lissajous, AC ou DC.

Essas são as funções básicas que usaremos na visualização de nosso projeto.

 

Ajustando o Canal A

O canal A do osciloscópio está ligado à saída do amplificador de teste, e pelo tipo de sinal aplicado à sua entrada, podemos esperar na saída um sinal com a amplitude de 200 mV (pico a pico) e uma freqüência de 1 kHz.

Um ajuste para 200 mV por divisão em DC será, portanto suficiente para termos uma imagem que ocupe duas divisões da tela.

Como esse ajuste é feito é mostrado na figura 6. Inicialmente vamos manter a posição da imagem em 0, ou seja, Y position = 0. Use as setas para cima e para baixa para encontrar a posição de 200 mV por divisão.

 

Ajustando o Canal B e a Base de Tempo

Da mesma forma precisamos agora ajustar o canal B. Como esse canal corresponde à entrada, onde aplicamos um sinal de 20 mV de amplitude, para uma boa visualização, 20 mV por divisão estarão de bom tamanho.

É claro que um pouco mais (500 mV ) ou um pouco menos (100 mV) permitem obter uma imagem menor ou maior, conforme o leitor queira.

Como temos uma frequência de 1 kHz, para visualizar um ciclo completo por divisão, podemos fazer o ajuste da base de tempo para 1 ms/div conforme mostra a mesma figura em (B). É claro que usando 500 ms por divisão teremos uma forma de onda mais "esticada" e com 2 ms por divisão dois ciclos completos por divisão.

 

Observe então que os pontos ajustados são:

a) Scale - 50 us/div

b) X position - 0

c) Channel A Scale - 1 mV/div

d) Y position channel A- -1,2 V

e) Channel B Scale - 200 mV/div

f) Y position channel B - +1,2 V

g) Y/T

h) OC e OC

i) Reverse

 

Ligando o Circuito

Com tudo pronto para a simulação, basta clicar na chave I/O mantendo o osciloscópio maximizado. A imagem obtida na tela do osciloscópio será a mostrada na figura 6.

 

Forma de onda obtida ao ligar o circuito.
Forma de onda obtida ao ligar o circuito.

 

Para colocar um sinal acima e outro abaixo, em relação ao eixo horizontal, de modo que possamos visualizá-los melhor atuamos sobre o posicionamento Y, dos dois canais.

Assim, conforme mostra a mesma figura, colocamos o canal A em -1.4 de modo que o sinal de saída se desloque para a parte inferior da tela. Da mesma forma, ajustamos o "Y position" do canal B em 1.4 de modo que o sinal de entrada passe a ser apresentado na parte superior da tela.

Com isso, podemos fazer uma análise completa desses sinais, observando eventuais distorções, o deslocamento de fase, medir a sua amplitude e até a freqüência.

Atue sobre os controles de "Scale" e "time" de modo a observar como eles atuam. Os ajustes podem ser feitos durante a simulação (com I/O ligado) sem problemas.

Observe então que o sinal retangular aplicado à entrada é o de maior amplitude observado na parte interior da imagem. O sinal triangular na parte superior mostra a resposta de freqüência baixa do amplificador operacional que distorce esse sinal. Podemos, com essa imagem, observar tanto o sinal de saída como o de entrada.

Veja que o ajuste de tempo (timebase) é muito importante para se ter uma boa visão do sinal. Vamos dar como exemplo na figura 7 o que ocorre quando escolhemos um tempo muito longo e depois na figura 8 um tempo muito curto.

 

Encolhendo um tempo muito longo.
Encolhendo um tempo muito longo.

 

Nessa figura temos a escolha de ma base de tempo de 500 us por divisão, caso em que cada divisão vai mostrar 5 ciclos completos do sinal.

 

alongando um tempo muito curto.
alongando um tempo muito curto.

 

Com 5 us por divisão, conforme mostra a figura 138, precisaríamos de 20 divisões para ver um único ciclo completo, o que evidentemente não permite ver a forma de onda completa na tela do osciloscópio.

Da mesma forma, se atuarmos sobre a amplitude de forma indevida podemos ter uma imagem grande demais ou pequena demais, conforme mostra a figura 9.

Na imagem obtida na tela do osciloscópio observamos o sinal de entrada com a amplitude exagerada e o sinal de saída com a amplitude pequena demais para permitir uma boa observação.

 

Ampliando ou reduzindo o tempo.
Ampliando ou reduzindo o tempo.

 

 

Conclusão

Com o que vimos o leitor já pode ter uma boa idéia de como usar o osciloscópio de duplo traço na observação das formas de onda de um circuito.

Da mesma forma, quando usar o osciloscópio de quatro traços será possível observar as formas de onda simultaneamente em quatro pontos de um mesmo circuito.

Veja que alterações de componentes, ajustes do gerador de funções e do osciloscópio podem ser feitos durante a simulação (não é preciso desligar a chave I/O). Isso facilita testes e modificações de valores.