Observando formas de ondas digitais (INS021)

 

* Como visualizar e analisar as formas de onda dos PCs.

* Como visualizar as formas de onda dos controles digitais de máquinas industriais

* Como usar o osciloscópio no service de equipamentos digitais.

Estes temas, de grande importância para o técnico que pretende entrar na área de service de equipamentos de informática e controles digitais, será abordado de forma básica neste artigo que, na verdade, é uma iniciação ao uso do osciloscópio. Se o leitor pretende saber mais sobre eletrônica digital, principalmente a usada em microprocessadores e microcontroladores, deve ler com atenção este artigo.

 

 

 

Diferentemente dos equipamentos analógicos como televisores, rádios e amplificadores, nos circuitos digitais como os usados nos computadores e controles de máquinas temos praticamente um único tipo de sinal, com uma forma de onda única: retangular.

Se sabemos que a forma de onda é retangular, então, argumentará o leitor, por que é necessário observá-la com um osciloscópio para sabermos se tudo está bem?

Na verdade, se a forma de onda é fixa, existem outros parâmetros destes sinais que não são, e são justamente a sua observação é que nos permite saber se algo vai mal ou não num circuito que os use.

Para podermos usar o osciloscópio com eficiência no diagnóstico de circuitos digitais precisamos de alguns conhecimentos básicos que serão justamente abordados neste artigo. Estes conhecimentos estão relacionados com os seguinte temas.

 

a) O que devemos observar nas formas de onda dos equipamentos digitais.

b) Que tipo de osciloscópio e que ajustes devemos fazer neste instrumento para observar as formas de onda desejadas.

c) Em que pontos dos circuitos digitais devemos conectar o osciloscópio e como devemos fazer isso.

 

Se bem que a maioria dos leitores tenha um osciloscópio ou saiba como usar um, como a finalidade de nosso artigo é ensinar a todos os leitores, mesmo os que sejam inexperientes de todo, daremos nossa explicações a partir do começo. Isso significa que, mesmo que possamos parecer excessivamente primários nos detalhes para os que já sejam "entendidos" a reciclagem é interessante e sempre existem pequenas coisas que podem ter escapado aos mais avançados quando estudaram o assunto.

 

a) AS FORMAS DE ONDA

* Formas de onda observáveis e não observáveis

Num circuito digital como, por exemplo, o de um computador, devemos separar dois tipos de sinais retangulares que podem ser ou não analisados com facilidade com um osciloscópio. Estes sinais são mostrados na figura 1.

 

O primeiro sinal possui frequência fixa, ou seja, repete-se segundo um padrão constante regular que nos permite associá-lo a uma frequência determinada. Este é o sinal de clock ou resultado da divisão do sinal de clock de um computador que pode ter frequências que vão de 10 a 120 MHz, conforme o tipo de computador considerado.

O segundo sinal, entretanto, consiste em transições irregulares do nível alto para o nível baixo que corresponde às operações que a máquina faz e que portanto não pode ser associado a uma frequência fixa.

A frequência deste sinal pode ser nula se o nível lógico do circuito permanecer por um segundo ou mais estacionário, e pode ser dada pelo limite do clock do computador se ele realizar uma série de operações muito rápidas, uma por ciclo do clock do mesmo aparelho, conforme mostra a figura 2.

 

 

Ora, o osciloscópio é um aparelho que se destina a visualização de fenômenos periódicos, de tal maneira que ele usar um clock interno próprio cuja finalidade é paralisar a imagem de modo a poder fazer sua projeção na tela.

Isso significa que este processo só funciona se o sinal observado tiver uma frequência fixa ou no máximo, tiver variações pequenas de frequência.

Assim, se formos observar os sinais de um clock no osciloscópio ou de uma saída que tenha uma frequência fixa, conseguimos obter uma imagem estacionária definida, como mostra a figura 3.

 

 

No entanto, se o sinal observado corresponder a uma série de operações realizadas pela máquina e que portanto não seguem um padrão regular, as imagens obtidas em cada ciclo do clock do osciloscópio se sobrepõem e o que obtemos será uma imagem indefinida, conforme mostra a figura 4.

 

 

Para o técnico que pretende usar o osciloscópio no diagnóstico de equipamentos digitais saber diferenciar os sinais que podem ou não ser observados com um osciloscópio comum é importante, e esta é uma primeira diferença.

Existem, entretanto, osciloscópios especiais de armazenamento digital que podem registrar o que ocorre num determinado intervalo de tempo a partir de um pulso de comando, e estes sim, como mostra a figura 5 podem armazenar em mais de um canal as transições de níveis lógicos que ocorrem num circuito.

 

 

No entanto, o custo algo elevado de tais osciloscópios fazem com que eles ainda não sejam acessíveis à maioria dos técnicos. Mesmo porque, a maioria dos técnicos possuem osciloscópios dos tipos comuns que são antes projetados para reparos em equipamentos analógicos como televisores, rádios, etc.

Em suma, com o osciloscópio comum é possível fazer a observação dos sinais retangulares de frequência fixa que existem em determinados pontos de um equipamento digital.

Observamos que nos equipamentos de controle industrial, a presença de sinais de frequência fixa é mais frequente do que nos computadores que operam praticamente com sinais aleatórios em relação ao padrão, o que torna muito mais útil o osciloscópio no seu diagnóstico.

 

* Frequência e Transições

As formas de onda ideais que deveriam ser encontradas nos circuitos digitais são as retangulares, conforme vimos, com transições abruptas que teoricamente deveriam ser infinitamente rápidas.

No entanto, na prática, os circuitos possuem velocidades limitadas e isso significa que dependendo de suas características, podem ocorrer deformações.

Assim, conforme mostra a figura 6, o tempo de subida da tensão de um sinal está longe de ser nulo, o que leva a uma certa inclinação do sinal observado, o mesmo ocorrendo com a sua descida.

 

 

Assim, quando usamos as velocidades maiores de resposta de um osciloscópio, na observação de sinais de frequências muito elevadas, estes tempos podem se tornar bem visíveis o que nos leva a imagens que na realidade são trapezoidais.

Nestas imagens podemos observar alguns tempos importantes que podem significar o bom funcionamento de um aparelho.

Assim, na figura 7 temos a indicação de alguns tempos para um sinal retangular simples.

 

 

Se o osciloscópio for de duplo traço ou duplo feixe, é possível obter algumas informações importantes como por exemplo o tempo que demora para um circuito responde a um sinal de clock, conforme mostra a figura 8.

 

 

Estes tempos estão intimamente associados à frequência máxima de operação do circuito que, conforme sabemos pode estar entre 10 MHz e 120 MHz para os computadores e circuitos de controle industriais típicos.

Assim, Para um clock de 100 MHz temos um tempo de subida ou descida típico de 10 ns (nanossegundos) indo para 50 ns o mesmo tempo num circuito de 20 MHz.

Estes tempos podem ser facilmente observados com um osciloscópio comum que alcance a frequência desejada.

 

* Amplitude

Os circuitos digitais usados em microcomputadores e controles de máquinas industriais são em sua maioria de tecnologia TTL e CMOS, o que significa que as tensões usadas estarão numa faixa de 3 a 15 Volts. O valor mais comum, entretanto é o de 5V que encontramos em todos os circuitos TTL de microcomputadores e 3V que podem aparecer nos "lap tops" e outros equipamentos de baixo consumo que sejam alimentados por bateria.

Isso significa que, conforme mostra a figura 9, a amplitude dos sinais observados terão estes valores.

 

 

Haverá uma diferença de tensão de 5 Volts (para os TTL) entre o nível baixo e o nível alto, de qualquer forma de onda ou sinal ou transição observada num osciloscópio nos circuitos convencionais.

Evidentemente, existem setores como portas que eventualmente podem excitar circuitos de maior potência ou ainda servir para transmissão de dados que podem ter outras tensões de sinal, mas certamente num diagrama as informações sobre seus valores serão dados. Estas tensões, entretanto, não constituem-se em regra.

Esta ordem de grandeza das amplitudes dos sinais encontrados em tais circuitos indicam que qualquer osciloscópio comum pode ser usado na sua observação.

 

* Ciclo ativo

Os sinais de clock costumam ter ciclos ativos de 50% ou seja, para cada ciclo completo, metade do tempo temos o nível alto e metade temos o nível baixo, conforme mostra a figura 10.

 

 

No entanto, dependendo dos pontos dos circuitos considerados, os sinais podem ter ciclos ativos diferentes, conforme mostra a figura 11, e isso pode ser tanto observado como medido pelo osciloscópio.

 

 

Existem casos em que se faz o ajuste deste ciclo de determinada forma para que a máquina ou dispositivo funcione apropriadamente e isso só pode ser observado num osciloscópio.


 

b) O OSCILOSCÓPIO

O osciloscópio comum de simples ou duplo traço se presta perfeitamente para a observação das formas de onda (visualizáveis) encontradas nos circuitos digitais tanto dos computadores como de controles industriais.

Na figura 12 temos o painel de um osciloscópio comum onde destacamos os principais controles que devem ser usados na observação dos sinais.

 

 

Assim, depois de ligar o osciloscópio e deixá-lo estabilizar termicamente por alguns minutos, fazemos o ajuste de brilho e foco. O brilho dará a luminosidade ideal para o ambiente em que estamos trabalhando e o foco nos levará a uma imagem com contornos bem definidos.

No controle de sensibilidade fazemos o ajuste de acordo com a intensidade do sinal a ser observado.

Por exemplo, se estamos trabalhando com circuitos TTL de 5V de amplitude de um microcomputador, ao ajustar o osciloscópio para uma sensibilidade de 2 V/div (volts por divisão), isso significa que o sinal ocupará duas divisões e meia conforme mostra a figura 13, quando observado. Um ajuste no posicionamento vertical permite levar o traço inferior do sinal ao zero da tela que é dado como referência (eixo horizontal).

 

 

Veja então que, tendo o número de volts por divisão a observação da imagem nos permite medir com boa precisão a amplitude de um sinal.

O sincronismo é o interno e a frequência de varredura vai depender da frequência que esperamos para o sinal observado. Normalmente, esta varredura é dada por tempos.

Assim, se ajustarmos a varredura para 1 us por divisão horizontal, isso significa que um sinal de 1 MHz, terá um ciclo inteiro ocupando uma divisão, conforme mostra a figura 14.

 

 

Um sinal de 500 kHz terá cada ciclo ocupando duas divisões.

Evidentemente, devemos escolher um tempo de varredura que nos permita visualizar o sinal de uma forma cômoda, ou seja, de tal forma que possamos ter a imagem simultânea de 1 a 5 ciclos, conforme mostra a figura 15.

 

 

Se varredura for muito rápida, o sinal não será visto "por inteiro" em um de seus ciclos e se for muito lenta, os sinais estarão "juntos demais" a ponto de não podemos observar detalhes, conforme mostra a figura 16.

 

 

Obtida uma imagem estacionária (atuamos sobre o controle de disparo - trigger) se a imagem não estabilizar, podemos medir a amplitude, ciclo ativo, frequência ou tempo, além de verificar visualmente as transições (tempo de subida e descida), detectando anormalidades como variações e deformações do sinal.

A leitura do manual do osciloscópio permite encontrar os melhores pontos de ajuste segundo o fabricante e até usar algumas funções próprias como por exemplo geradores de sinais retangulares internos para provas TTL que existem em alguns tipos, ou ainda funções que permitem "congelar" as imagens para observar as transições individualmente.


 

c) COMO LIGAR O OSCILOSCÓPIO NOS CIRCUITOS ANALISADOS

* Ajustes e conexões

Saber ajustar o osciloscópio para observar uma determinada forma de onda não é o que mais preocupa a maioria dos técnicos, mas sim, saber onde ligar o osciloscópio no aparelho que está sendo analisado.

Nos microcomputadores (PCs) e equipamentos digitais de controle de máquinas um primeiro problema a ser encontrado é a distância entre os terminais dos componentes que torna bastante crítica a introdução das pontas de prova dos equipamentos de medida.

Um descuido e a ponta de prova ou de entrada dos sinais encosta em dois terminais ao mesmo tempo, com sérias consequências para a integridade do aparelho analisado, conforme mostra a figura 17.

 

 

De fato, se os dois terminais estiverem com sinais no mesmo nível (alto ou baixo) ou ainda sincronizados, não existe em qualquer instante uma diferença de tensão entre eles e com isso não há circulação de correntes. No entanto, se eles estiverem em níveis diferentes, ou não sincronizados, a interligação representa um curto com sérias consequências para o circuito que pode queimar-se, conforme mostra a figura 18.

 

 

Assim, devem ser usadas pontas especiais que permitam acessar somente o ponto desejado, sem colocar em contacto pontos adjacentes o que causaria curtos de consequências imprevisíveis para o aparelho analisado.

Pontas especiais para este tipo de equipamento são encontradas nos osciloscópios comuns.

Outro ponto importante a ser considerado é que a entrada de sinais do osciloscópio tem dois fios de conexão. Um corresponde à entrada de sinal propriamente dita e o outro é o terra.

O fio terra ou retorno de sinal deve ser ligado ao ponto de 0V ou terra do aparelho analisado.

Nos computadores este fio pode ser identificado a partir do cabo de conexão da fonte de alimentação, conforme mostra a figura 19.

 

 

A conexão dos dois fios deve ser firme para que não ocorram instabilidades na imagem. Por exemplo, uma conexão mal feita pode levar a deformações do sinal do tipo que impede sua estabilização ou ainda a sobreposição de ruídos como o da rede de alimentação que resulta em imagens onduladas ou sem definição.

 

* Pontos de conexão

Evidentemente, não adianta tentar ligar a ponta em pontos aleatoriamente num circuito para se ter uma idéia do que está ocorrendo em caso de anormalidade. Devemos ligar a entrada do osciloscópio em pontos do circuito em que conhecemos a forma de onda do sinal ali existente.

Isso implica na posse de um diagrama, de um manual ou mesmo na possibilidade de identificar partes do circuito analisado.

Na figura 20 temos um exemplo da observação da forma de onda do clock de um microprocessador conhecido.

 

 

Neste ponto, sabemos que a forma de onda é retangular e que deve ter a frequência do cristal usado.

Um artifício interessante que pode ser usado no diagnóstico de circuitos deste tipo consiste em forçá-lo a gerar sinais de frequências fixas nas saídas que desejamos analisar.

Isso pode ser interessante na análise dos cabos de transmissões de dados, nas portas seriais e paralelas que fazem a conexão de periféricos e em casos semelhantes.

Um programa apropriado pode gerar este sinal e com ele o osciloscópio se torna muito mais útil.

 

 

CONCLUSÃO

O osciloscópio sempre foi e ainda é o instrumento de maior utilidade na bancada de qualquer técnico. Com os circuitos digitais do tipo encontrado nos computadores se tornando mais populares, o osciloscópio moderno se adapta rapidamente a um novo tipo de sinal que deve ser analisado.

Assim, se bem que os osciloscópios comuns ainda sejam muito úteis no diagnóstico de muitos tipos de falhas em equipamentos digitais e até mesmo indispensáveis em muitos casos, a possibilidade de se obter tipos próprios para este trabalho e até a possibilidade de se usar o computador para visualizar formas de onda de outros computadores são cada dia mais comuns.

 

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