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XYZ do osciloscópio (Parte 4) (INS249)

Iniciando e Parando o Sistema de Aquisição

Uma das grandes vantagens dos osciloscópios digitais é sua habilidade de armazenar formas de onda para uma visualização posterior.

Para esta finalidade, eles possuem um ou mais botões no painel frontal que permitem ligar e parar o sistema de aquisição de tal forma que você pode analisar as formas de onda como quiser.

Além disso, você pode querer que o osciloscópio pare automaticamente de capturar depois de um ciclo completo de aquisição ou depois de um conjunto de aquisições tenha conseguido uma forma de onda envolvente.

Este recurso normalmente chamado varredura simples ou sequência simples e seus controles normalmente são encontrados com outros controles de aquisição ou com os controles de disparo.

 

Amostragem

Amostragem é o processo de converter uma porção de um sinal de entrada em um número discreto de valores elétricos com a finalidade de armazenamento, processamento e/ou apresentação.

A magnitude de cada ponto amostrado é igual a amplitude do sinal de entrada no instante em que o sinal é amostrado.

A amostragem pode ser comparada a tirar instantâneos.

Cada instantâneo corresponde a um ponto específico da forma de onda.

Estes instantâneos podem ser arranjados em uma ordem apropriada no tempo de modo a reconstruir o sinal de entrada.

Num osciloscópio digital, um conjunto de ponto amostrado é construído na tela com a amplitude medida no eixo vertical e o tempo no eixo horizontal como ilustrado na figura abaixo.

 

Amostragem básica. Os pontos amostrados são interligados por interpolação de modo a produzir uma forma de onda continua.)
Amostragem básica. Os pontos amostrados são interligados por interpolação de modo a produzir uma forma de onda continua.)

 

 

A forma de onda de entrada na figura 28 aparece como uma série de traços na tela. Se os traços são bem espaçados e difíceis de interpretar como uma forma de onda eles podem ser interligados usando um processo denominado interpolação.

A interpolação conecta os traços com linhas ou vetores.

Diversos métodos de interpolação são disponíveis e podem ser usados para produzir uma precisa representação de um sinal contínuo de entrada.

 

Controles de Amostragem

Alguns osciloscópios digitais lhe proporcionam a possibilidade de escolher entre os métodos de amostragem - tanto amostragem em tempo real como amostragem em tempo equivalente.

Os controles de aquisição disponíveis nestes osciloscópios lhe permitem selecionar o método de aquisição a ser usado com os sinais.

Note que esta escolha não faz diferença para os ajustes lentos da base de tempo e apenas tem um efeito quando o ADC não pode amostrar de forma suficiente rápida para encher o tempo de aquisição com os pontos da forma de onda em apenas uma passagem.

 

Métodos de Amostragem

Apesar de haver uma certa quantidade de tecnologias de amostragem implementadas, nos osciloscópios digitais atuais dois principais métodos são usados: amostragem em tempo real e amostragem e tempo equivalente.

A amostragem em tempo equivalente pode ser dividida ainda em duas subcategorias: aleatória e sequencial.

Cada método tem vantagens próprias, dependendo do tipo de medida que está sendo realizada.

 

Amostragem em Tempo Real

A amostragem em tempo real é ideal para sinais cuja faixa de freqüências é menor do que metade da máxima freqüência de amostragem do osciloscópio.

Aqui, o osciloscópio pode adquirir pontos mais do que suficientes em apenas uma varredura da forma de onda para construir uma imagem precisa, como mostrado na figura abaixo.

 

Método de amostragem em tempo real
Método de amostragem em tempo real

 

 

A amostragem em tempo é real é o único meio de se capturar trajnsientes rápidos, pulsos únicos com um osciloscópio digital.

A amostragem em tempo real representam o maior desafio para os osciloscópios digitais porque a taxa de amostragem necessária para a digitalização precisa de eventos transientes como mostra a figura abaixo.

 

De modo a capturar este pulso de 10 ns em tempo real, a taxa de amostragem deve ser alta o suficiente para definir precisamente as bordas
De modo a capturar este pulso de 10 ns em tempo real, a taxa de amostragem deve ser alta o suficiente para definir precisamente as bordas

 

 

Estes eventos ocorrem apenas uma vez, e devem ser amostrado ao mesmo tempo em que eles ocorrem.

Se a taxa de amostragem não for rápida o suficiente, componentes de alta freqüência podem ser "dobrados para baixo" passando para baixas frequências e causando com isso deformações no display.

Além disso, a amostragem em tempo real é mais complicada pela quantidade de memória de alta velocidade necessária para armazenar a forma de onda uma vez que ela seja digitalizada. Sugerimos verificar as seções Taxa de Amostragem e Tempo de aquisição na parte Performance e Considerações, para mais detalhes sobre o assunto discutido aqui.

 

Amostragem em Tempo Real com Interpolação

Os osciloscópios digitais tomam amostragem discretas do sinal que devem ser apresentado na tela.

No entanto, ele pode ser difícil de visualizar um sinal representadas por traços, especialmente por que podem haver apenas poucos traços para representar porções de alta freqüência do sinal.

Para ajudar na visualização dos sinais, os osciloscópios digitais possuem normalmente modos de displays com interpolação.

Em termos simples, a interpolação "interliga os traços" de tal forma que um sinal que seja amostrado apenas umas poucas vezes em cada ciclo possa ser apresentado na tela de forma precisa.

Usando a amostragem em tempo real com interpolação, o osciloscópios coleta uns poucos pontos do sinal numa única passagem no modo em tempo real e usa a interpolação para encher os intervalos entre os traços. Interpolação é uma técnica de processamento usado para estimar como a forma de onda deve ser baseada em poucos pontos.

A interpolação linear conecta os pontos amostrados com linhas retas.

Esta abordagem é limitada para se reconstruir sinais eu tenha curvas agudas como sinais quadrados, como ilustrado na figura a seguir.

 

Interpolação linear e sem x/x
Interpolação linear e sem x/x

 

 

A interpolação seno x/x é mais versátil pois conecta os pontos amostrados com curvas, como mostrado também na figura 31.

A interpolação sem x/x é um processo matemático nos quais os pontos são calculados para preencher no tempo entre as amostragens reais.

Esta forma de interpolação deixa ela mesma ficar curvada e com formas arredondadas do sinal, que são mais comuns no mundo real do que com sinais puros retangulares e pulsos.

Consequentemente, a interpolação sen x/x é o método preferido para aplicações em que a taxa de amostragem é de 3 a 5 vezes a faixa passante do sistema.

 

Amostragem em Tempo Equivalente

Quando medindo sinais de altas frequências, o osciloscópio pode não ser capaz de coletar amostras suficientes em uma varredura.

A amostragem por tempo equivalente pode ser usada para capturar de forma precisa sinais cujas frequências excedem metade da taxa de amostragem do osciloscópio, como ilustrado na figura a seguir.

 

lguns osciloscópios usam a amostragem por tempo equivalente para capturar e apresentar sinais repetitivos  muito rápidos
lguns osciloscópios usam a amostragem por tempo equivalente para capturar e apresentar sinais repetitivos muito rápidos

 

 

Digitalizadores de tempo equivalente (amostradores) tiram vantagem do fato de que a maioria dos eventos que ocorrem naturalmente e mesmo produzidos pelo homem são repetitivos.

A amostragem por tempo equivalente constrói uma imagem de um sinal repetitivo capturando uma pequena parcela de informação em cada repetição.

A forma de onda vagarosamente aparece como uma sequência de luzes, acendendo uma a uma. Isso permite ao osciloscópio capturar de forma precisa sinais cujas componentes de freqüência seja muito mais alta do que a taxa de amostragem que ele usa.

Existem dois métodos de amostragem por tempo equivalente.

A amostragem por tempo equivalente aleatório que permite apresentar o sinal de entrada antes do ponto de disparo sem o uso de uma linha de retardo.

 

Amostragem por tempo equivalente sequencial que proporciona uma precisão e resolução de tempo muito maior.

Ambas requerem que o sinal de entrada seja repetitivo.

 

Amostragem por Tempo Equivalente Aleatória

Os digitalizadores de tempo equivalente (amostradores) utilizam um clock interno que roda assincronamente em relação ao sinal de entrada e ao sinal de disparo, como ilustrado na figura abaixo.

 

Na amostragem por tempo equivalente aleatório, o clock roda sem sincronismo com relação ao sinal de entrada e ao sinal de disparo
Na amostragem por tempo equivalente aleatório, o clock roda sem sincronismo com relação ao sinal de entrada e ao sinal de disparo

 

 

As amostragens são tomadas continuamente, independente da posição do disparo e mostradas na tela baseadas na diferença de tempo entre a amostragem e o disparo.

Apesar das amostras serem tomadas sequencialmente no tempo, elas são aleatórias em relação ao disparo - daí o nome " de amostragem por tempo equivalente aleatório".

Os pontos de amostragem aparecem aleatoriamente ao longo da forma de onda quando apresentados na tela do osciloscópio.

A habilidade de adquirir e mostrar amostragens antes dos pontos de disparo é a vantagem chave deste tipo de técnica de amostragem, eliminando a necessidade de sinais externos de pré-disparo ou ainda de linha de retardos.

Dependendo da taxa de amostragem e do tempo que a janela da tela corresponda, a amostragem aleatória podem também possibilitar que mais de uma amostragem seja feita por evento de disparo.

Entretanto, em velocidades maiores de varredura, a janela de aquisição se estreita ate que o digitalizador não consiga fazer uma amostragem em cada disparo.

É nestas varreduras rápidas que medidas de temporização muito precisas são feitas e onde a extraordinária resolução de tempo do sistema equivalente de amostragem por tempo equivalente é mais benéfica.

O limite da faixa passante para a amostragem por tempo equivalente é menor do que a obtida pela amostragem por tempo sequencial.

 

Amostragem Sequencial Por Tempo Equivalente

O amostrador sequencial de tempo equivalente adquire uma amostra por disparo, independentemente do ajuste de tempo por divisão ou da velocidade de varredura, como ilustrado na figura a seguir.

 

Na amostragem sequencial por tempo equivalente uma simples amostra é tomada para cada disparo reconhecido depois de um certo intervalo de tempo que é incrementado após cada ciclo
Na amostragem sequencial por tempo equivalente uma simples amostra é tomada para cada disparo reconhecido depois de um certo intervalo de tempo que é incrementado após cada ciclo

 

 

Quando um disparo é detectado, uma amostrada é tomada após um intervalo de tempo muito curto, porém definido.

Quando o disparo seguinte ocorre, um pequeno incremento do tempo - delta t - é acrescentado a este retardo e o digitalizador toma uma nova amostra.

Este processo é repetido muitas vezes com um "delta t" acrescentado após cada aquisição até que a janela de tempo seja preenchida.

Os pontos amostrados aparecem da esquerda para a direita em sequência ao longo da forma de onda quando aparecem na tela do osciloscópio.

Tecnologicamente falando, é mais fácil gerar um "delta t" muito curto e preciso do que medir precisamente as posições vertical e horizontal de uma amostragem relativamente ao ponto de disparo, como se requer nos amostradores aleatórios.

Este retardo de tempo medido precisamente fornece aos amostradores sequencial uma resolução de tempo descasada.

Desde que, com a amostragem sequencial, a amostra é tomada depois de que o nível de disparo é detectado, o ponto de disparo não pode ser apresentado na tela sem uma linha de retardo analógica, o eu por sua vez, reduz a faixa passante do instrumento.

Se um pré-disparo externo puder ser fornecido, a faixa passante não será afetada.

 

Posição e Segundos Por Divisão

O controle de posicionamento horizontal movimenta a forma de onda para a esquerda e para a direita de modo a colocá-la exatamente onde voce a deseja na tela.

O ajuste de segundos por divisão (normalmente escrito como sec/div ou s/div) permite-lhe selecionar a velocidade na qual a forma de onda é desenhada na tela (também conhecido como ajuste de base de tempo ou velocidade de varredura).

Este ajuste é um fator de escala. Se o ajuste é 1 ms, cada divisão horizontal representa 1 ms e a tela na sua totalidade representa 10 ms ou 10 divisões.

A mudanças dos ajustes de sec/div lhe permite observar intervalos de tempo mais curtos ou mais longos de um sinal de entrada.

Como a escala vertical volts/div, a escala horizontal sec/div pode ter temporizações variáveis o que lhe permite ajustar o tempo horizontal entre valores discretos.

 

Seleções da Base de Tempo

Seu osciloscópio tem uma base de tempo (time base) que normalmente é indicada como base principal de tempo.

Muitos osciloscópios também possuem o que é denominado uma base de tempo com retardo (delayed time base) - uma base de tempo com uma varredura que pode começar (ou ser disparada para iniciar) tendo por referência um tempo pré-determinado em relação ao tempo principal da base de varredura.

Usando uma base de tempo com retardo pode-se observar eventos mais claramente e visualizar-se eventos que não são visíveis somente com a varredura da base de tempo principal.

A base de tempo com retardo requer o ajuste do retardo de tempo e o possível uso do modo com disparo além de outros ajustes não descritos aqui.

Veja o manual do seu osciloscópio para mais informações de como usar estes recursos.

 

Zoom

Seu osciloscópio pode ter o recurso especial da ampliação que lhe permite observar na tela uma parte de uma forma de onda ampliada.

A operação num osciloscópio de armazenamento digital (DSO) é realizada sobre os dados digitais armazenados.

 

Modo XY

Muitos osciloscópios analógicos tem um modo XY que permite apresentar um sinal de entrada antes do sinal da base de tempo no eixo horizontal. Este modo de operação abre uma nova área para a adoção de técnicas de medida de deslocamento de fase, explicada na seção Técnicas de medida desta série de artigos.

 

Eixo Z

Um osciloscópio de fósforo digital (DPO) tem uma grande densidade de amostra na tela e uma habilidade inata de capturar informações sobre intensidades.

Com este eixo de intensidade (eixo Z), o DPO é capaz de proporcional uma imagem tridimensional em tempo real semelhante a que pode ser obtida em osciloscópios analógicos.

Quando olhamos para o traço da forma de onda de um DPO podemos ver áreas mais brilhantes - as áreas onde o sinal ocorre mais frequentemente.

Este display torna fácil distinguir a forma de onda do sinal básico dos sinais que ocorrem apenas de vez em quando - o sinal principal vai aparecer muito mais brilhante.

Uma aplicação da entrada do eixo Z é a criação de uma "marca" mais brilhante no sinal em intervalos regulares conhecidos para servir de referência.

 

Modo XYZ

Alguns DPOs podem usar uma entrada Z para criar uma imagem XY com graduação de intensidade.

O DPO amostra o valor instantâneo do dado na entrada Z e usa este valor para salientar uma parte específica do sinal.

Uma vez que as amostras tenham sido salientadas, elas podem acumular as intensidades resultantes e serem apresentadas no displays de forma draduada.

O modo XYZ é especialmente útil para se mostrar na tela padrões polares comumente empregados no teste de dispositivos de comunicação sem fio - um diagrama constelação, por exemplo.

 

Sistema de Disparo e Controles

A função disparo de um osciloscópio sincroniza a varredura horizontal no ponto correto do sinal e é essencial para clarificar a caracterização do sinal.

Os controles de disparo possibilitam que você estabilize uma forma de onda repetitiva e capture pulsos isolados de uma forma de onda.

O disparo faz com que formas de onda repetitivas apareçam estáticas na tela do osciloscópio pela repetição colocação da mesma porção do sinal de entrada na tela.

Imagine a confusão que poderia resultar na tela se cada varredura começasse num ponto diferente do sinal, como ilustrado na figura abaixo.

 

 

Imagem sem o uso do disparo (trigger)
Imagem sem o uso do disparo (trigger)

 

 

O disparo pela fronte do sinal está disponível tanto em osciloscópios analógicos como digitais e é o tipo mais comum.

Além disso, para o disparo pelo limiar oferecido tanto por osciloscópios analógicos como digitais em muitos osciloscópios digitais dispõe-se de uma boa quantidade de ajustes de disparo não oferecidos pelos tipos analógicos.

Estes disparos respondem a condições específicas do sinal de entrada, tornando-o mais fácil a sua detecção.

Por exemplo, um pulso que seja mais estreito do que deveria ser.

Esta condição seria impossível de detectar com um disparo pelo limiar de tensão sozinho.

Circuitos avançados de disparo possibilitam a você isolar eventos específicos de seu interesse de modo a otimizar a velocidade de amostragem e o tempo de registro.

Capacidades avançadas de disparo, em alguns osciloscópios, dão ao operador um controle altamente seletivo.

O operador pode fazê-lo disparar com pulsos definidos pela amplitude (como, por exemplo, de marca), selecionado pelo tempo (largura de pulso, taxa de crescimento, fixação-e-manutenção, e tempo fora) e delinear pelo estado lógico ou padrão (disparo lógico).

Controles opcionais de disparo em alguns osciloscópios são projetados especificamente para examinar sinais de comunicações.

A interface intuitiva com o usuário disponível em alguns osciloscópios também permitem um ajuste rápido dos parâmetros de disparo com uma ampla gama de flexibilidade no ajuste de teste de modo a maximizar a produtividade.

Quando você está usando mais de quatro canais para disparar com sinais, um analisador lógico é a ferramenta ideal.

 

 

Neste quadro temos os diversos modos de disparo dos osciloscópios conforme explicamos:

 

1 - Disparo por taxa de crescimento (Slew Rate) - Sinais de alta freqüência com taxas de crescimento mais rápidas do que o esperado ou necessária podem irradiar energia causadora de problemas. O disparo pela taxa de crescimento ultrapassa a fronte convencional de disparo pela adição de um elemento de tempo e permite-lhe disparar seletivamente em frontes rápidas ou lentas.

 


 

 

 

2. Disparo por "Glitch "- O disparo pelo "glitch permite lhe disparar com pulsos digitais quando eles são mais estreitos ou mais longos do que um valor definido pelo limite de tempo. Este controle de disparo o habilita a examinar as causas de alterações de sinal e os seus efeitos em outros sinais.

 


 

 

 

3 - Disparo pela largura de pulso - Usando o disparo pela largura de pulso, você pode monitorar um sinal indefinidamente e disparar na primeira ocorrência de um pulso cuja duração (largura de pulso) esteja fora dos valores permitidos.

 

4 - Sem tempo (time out) - a disparo fora de tempo ou sem temporização, permite lhe disparar em um evento sem esperar pelo pulso de disparo terminar, tomando-se por base uma base de tempo especificada.

 


 

 

 

5 - Disparo no modo Runt Pulse - no modo runt pulse é possível capturar e examinar pulsos que cruzam um limiar lógico mas não ambos.

 


 

 

 

6 - Disparo Lógico - O disparo lógico permite-lhe disparar em qualquer combinação lógica dos canais de entrada disponíveis. Esta modalidade é especialmente útil na verificação da operação de lógica digital.

 


 

 

 

7. Disparo por ajuste e manutenção (Setup-and-Holding) - somente o modo por ajuste e manutenção lhe permite capturar deterministicamente uma única violação do ajuste e do tempo de manutenção que poderia certamente estar faltando pelo uso dos outros modos de disparo. Este modo de disparo torna mais fácil capturar detalhes de qualidade e temporização específicos de sinais quando um sinal sincronizado de dados falha ao ser comparado com as especificações de ajuste e manutenção.

 


 

 

 

8 - Disparo por Comunicação - opcionalmente disponível em certos modelos de osciloscópios este modo de disparo se destinam a aquisição de uma ampla variedade de sinais de comunicação do tipo Alternate Mark Inversion (AMI) . Code Mark Inversion (CMI) e Non Return to Zero (NRZ)

 


 

 

 

 

Posição de Disparo

O controle de posição horizontal de disparo somente é disponível nos osciloscópios digitais.

O controle da posição de disparo pode ser localizado na seção de controle horizontal de seu osciloscópio. Ele realmente representa a posição horizontal do disparo no registro da forma de onda.

Variando a posição do disparo horizontal você pode capturar o que um sinal faz antes de um evento de disparo, o que é conhecido com visão pre-trigger.

Desta forma, ele determina o comprimento do sinal visível, antes e depois de um ponto de disparo.

Os osciloscópios digitais podem fornecer visão pré-disparo (pretrigger) porque eles constantemente processam o sinal de entrada, quer um sinal de disparo tenha ou não sido recebido.

Um rápido fluxo de dados flui através do osciloscópio: o disparo meramente diz ao osciloscópio para salvar os dados presentes na memória.

Em contraste, os osciloscópio analógicos apenas mostram o sinal - ou seja, colocam-no no TRC - depois de receber o disparo.

Por isso, a visão pre-trigger não está disponível nos osciloscópios analógicos, com exceção de uma pequena parcela pre-trigger proporcionada por uma linha de retardo no sistema vertical.

A visão pre-disparo ou pre-trigger é valiosa como ferramenta de diagnóstico. Se um problema ocorre de modo intermitente, você pode disparar quando o problema ocorre, registrar os eventos que lhe interessam e possível encontrar a causa.

 

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