Na natureza tudo se movimenta na forma de ondas senoidais, seja uma onda do mar, um terremoto, estampido, explosão, sons através do ar ou a frequência natural de um corpo em movimento.
Energia, partículas vibrantes e outras forças invisíveis enchem preenchem nosso universo. Mesmo a luz – parte partícula, parte onda – tem sua frequência fundamental a qual pode ser observada na forma da cor.
Sensores podem converter estas forças em sinais elétricos que você pode observar e estudar com um osciloscópio.
Os osciloscópios capacitam os cientistas, engenheiros, técnicos, educadores e outros a “ver” eventos que se alteram com o tempo.
Os osciloscópios são ferramentas indispensáceis para qualquer que projete, fabrique ou repare equipamentos eletrônico.
No mundo de alterações rápidas de hoje, os engenheiros precisam das melhores ferramentas disponíveis para resolver os desafios de suas medidas de forma rápida e precisa.
Como os olhos do engenheiro, os osciloscópios são a chave para se vencer os desafios das medidas de hoje.
A utilidade de um osciloscópio não está limitada ao mundo da eletrônica.
Com transdutores apropriados, um osciloscópio pode medir qualuer tipo de fenômeno.
Um transdutor é um dispositivo que gera um sinal elétrico em resposta a um estímulo físico, como por exemplo som, esforço mecânico, pressão, luz ou calor.
Um microfone é um transdutor que converte som em um sinal elétrico.
A figura 1 mostra um exemplo de ddos cientificos que podem ser reunidos por um osciloscópio (uma definção mais completa de transdutor é "um dispositivo que converte uma forma de energia em outra”).
Osciloscópios são usados por todos, do físico aos técnicos reparadores de televisores. Um engenheiro automotivo usa um osciloscópio para medir as vibrações do motor.
Um pesquisador médico usa um osciloscópio para medir as ondas cerebrais.
As possibilidades são ilimitadas.
Os conceitos aprsentados nesta série de artigos vão lhe proporcionar um excelente ponto de partida para entender os princípios básicos do osciloscópio e de sua operação.
O glossário que daremos no final desta série lhe proporcionará as definições para os termos que não lhe sejam familiares.
O vocabulário, os os testes de multipla escolha sobre a teoria do osciloscópio e seus controles tornam esta série um material de grande utilidade didática.
Nenhum conhecimento de matemática ou de eletrônica é necessário.
Depois de ler esta série você será capaz de:
Descrever como um osciloscópio funciona.
Descrever a diferença entre armazenamento digital e analógico, fósforo digital e osciloscópios de amostragem digital.
Descrever os tipos de formas de onda elétricas
Entender os controles básicos de um osciloscópio
Realizar medidas simples com o osciloscópio
O manual fornecido com o seu osciloscópio lhe dará mais informações específicas sobre como usar este instrumento em seu trabalho.
Alguns fabricantes de osciloscópios também fornecem uma grande quantideade de “applications notes” para ajudar a otimizar o uso do seu osciloscípios na realização de medidas específicas.
Se você precisar de assistência adicional ou se tem comentários ou questões a respeito desta série, contate o represente da Tektronix ou visite o site http://www.tektronix.com.
Integridade do Sinal
O significado da Integridade do Sinal
O ponto chave para todo bom osciloscópio é sua habilidade em reconstruir com pecisão uma forma de onda – indicada como integridade do sinal.
Um osciloscópio é análogo a uma câmera que captura os imagens de sinais que podem ser então observadas e interpretadas.
Dois ítens chave repousam no coração da integridade de um sinal.
Quando você tira uma foto é ela um retrato preciso do que realmente ocorreu?
A foro é clara ou confusa?
Quantas fotos precisas você pode tirar por segundo?
Tomadas em conjunto os diferentes sistemas e capacidades de performance de um osciloscópio contribuem para sua habilidade em fornecer a integridade de sinal a mais alta possível.
As pontas de prova também afetam a integridade do sinal do sistema de medida.
A integridade do sinal tem um impacto em muitas disciplinas de projetos eletrônicos.
Mas, até há poucos anos atrás, não era um problema muito grande para os projetistas de equipamentos digitais.
Eles poderiam confiar que seus projetos lógicos agiriam como circuitos Booleanos mesmo onde havia ruído, e mesmo sinais indeterminados que ocorriam em projetos de alta velocidade – algo com que os projetistas de RF devem se preocupar.
Os sistemas digitais comutavam devagar e a estabilidade dos sinais era perfeitamente previsível.
No entanto as velocidades de clock dos processadores, desde então, foram multiplicadas em diversas ordem de magnitudes em aplicações tais como gráficos 3D, video servidores I/O necessitando de uma larga faixa passante.
Muitos dos equipamentos de telecomunicações de hoje baseados em tecnologia digital e similares necessitam de amplas larguras de faixas.
Isso ocorre com a TV digital de alta definição, por exemplo, Os microprocessadores mais recentes manuseiam dados em velocidades de até 2, 3 e mesmo 5 GS/s (giga amostras por segundo), enquanto que alguns dispositivos de memória usam clocks de 400 MHz assim como sinais de dados com tempos de subida de 200 ps.
De importância semelhante é observar que aumentar a velocidade são colocados em cheque os Cis comuns usados em automóveis, VCRs, controladores de máquina, para enumerar apenas algumas poucas aplicações.
Um procssador rodando com um clock de 20 MHz pode ter sinais com tempos de crescimento similares ao de processador de 800 MHz.
Os projetistas cruzaram os limiares de performance o que significa, com efeito, qque praticamente qualquer projeto é um projeto de alta frequência.
Sem medidas de precaução, os problemas de alta velocidade podem afetar os projetos digitais convencionais.
Se um circuito está experimentando falhas intermitentes ou se ele apresenta erros nos extremos de tensão e temperatura, existe uma chance de que o problema reside na integridade perdida de algum sinal.
Isso pode afetar o tempo de lançamento do produto, a confiablidade, compatibilidade com EMI e mais.
Por que a integridade do sinal é um problema?
Vamos examinar algumas das causas específicas da degradação do sinal nos projetos digitais atuais.
Por que esses problemas são muito mais comuns nos projetos atuais do que nos projetos mais antigos?
A resposta está na velocidade.
Nos “velhos lentos dias” manter a integridade de um sinal digital em níveis aceitáveis significava ter cuidado com detalhes como por exemplo a distribuição do sinal de clock, o projeto do trajeto do sinal de clock, margens de ruídos, efeitos de carga, efeitos de linha de transmissão, terminações de barramento, desacoplamento e distribuição de energia.
Todas essas regras ainda se aplicam, mas...
Os temos dos ciclos de barramento são até mil vezes mais rápidos do que eles eram 20 anos atrás! Transições que levavam microsegundos, agora são medidas em nanosegundos.
Para chegar a este aumento, as velocidades das frontes dos sinais foram aceleradas: elas são 100 vezes mais rápidas do que eram duas décadas atrás.
Isso parece bom, no entanto, certas realidades físicas pegaram as tecnologias de circuito impresso de modo a se adaptarem.
O tempo de propagação dos barramentos inter-chip permaneceram praticamente inalterados durante décadas.
As geometrias enconlheram, mas certamente ainda há uma necessidade de proporcionar as placas de circuito impresso uma realidade para os dispositivos integrados, conectores, componentes passivos e certamente para as linhas do barramento.
A esta realidade acrescenta –se a distância e distância significa tempo de propagação – o inimigo da velocidade.
É importante lembrar que a velocidade das frontes – tempo de crescimento – de um sinal digital pode carregar componentes de frequências muito mais alta do que as geradas pela repetição do sinal.
É por este motivo que alguns projetistas, deliberadamente procuram dispositivos integrados que tenham tempos de crescimento mais lentos.
O modelo de circuito amontoado sempre foi a base da maioria dos cálculos usados para prever o limiar de um sinal num circuito.
Mas quando as velocidades de frontes são e quatro e seis vezes as das trajetórias dos sinais, o modelo simples amontoado não se aplica.
As linhas das placas de circuito impresso de apenas seus polegadas de comprimento tornam-se linhas de transmissão quando excitadas com sinais tendo tempos de transição abaixo de quatro a seis nanosegundos.
Com efeito, novos percursos para os sinais são criados.
Estas conexões intangíveis não estão nos diagramas, mas apesar disso proporcionam um meio para que os sinais influenciem uns os outros de modo imprevisíveis.
Ao mesmo tempo, os percursos de sinais pretendidos, não trabalham da formam como se espera.
Planos de terra a planos de energia, assim como trilhas de sinais descritas acima, tornam-se indutivas e funcionam como linhas de transmissão; desacoplamento da fonte torna-se muito menos eficiente.
A EMI aumenta com as frontes rápidas produzindo sinais de comprimentos de onda mais curtos relativamente ao comprimento do barramento.
A modulação cruzada aumenta.
Além disso, as velocidades de transição rápidas requerem geralmente maiores correntes para serem produzidas.
Correntes mais altas tendem a causar repiques de terra, principalmente em barramentos amplos nos quais os sinais são comutados de uma vez.
Além disso, as altas correntes aumentam a quantidade de energia magnética irraduada e com ela a modulação cruzada.
Analisando a Origem Analógica dos Sinais Digitais
O que têm todas estas características em comum? Elas são fenômenos analógicos clássicos.
Para resolver os problemas de integridade do sinal, os projetistas de digital precisam pular para o domínio digital.
E dando este pulo, eles precisam de ferramentas que possa lhes mostrar como os sinais analógicos e digitais interagem.
Erros digitais, podem ter suas raizes em problemas da integridade do sinal analógico.
Para trilhar a causa das falhas digitais, é também necessário usar um osciloscóipio que possa mostrar as formas de onda em detalhes, transições e ruídos, possam detectar e mostrar transientes e possam ajudá-lo a medir precisamente as relações de temporização tais como tempos de fixação e manutenção.
Entendendo cada dos sistemas dentro do seu osciloscópio e como aplicá-los pode contribuir com uma efetiva aplicação desse instrumento para vencer seu desafio específico de medida.
O Osciloscópio
O que é um osciloscópio e como ele funciona? Este ítem responde a estas questões fundamentais.
O osciloscópio é basicamente um dispositivo de aprsentação gráfica – ele desenha um gráfico de um sinal elétrico.
Na maioria das aplicações, o gráfico mostra como sinais mudam com o tempo: o eixo vertical (Y) representa tensão e o eixo horizontal (X) representa tempo, A intensidade ou brilho do traço é algumas vezes chamada de eixo Z (veja figura abaixo).
Este simples gráfico pode lhe dizer muitas coisas sobre o sinal tais como:
Os valores de tempo e tensão de um sinal
A frequência de um sinal periódico (oscilante)
As “partes móveis” de um circuito representadas pelo sinal
A frequência em que uma parte determinada de um sinal está ocorrendo relativamente a outraspartes
Quando um componente com problemas está distorcendo o sinal
Quanto do sinal é correntre contínua (DC) e quanto é alternada (AC)
Quanto do sinal é ruído e quando o ruído muda com o tempo.
Entendendo as Formas de Onda e As medidas de Formas de onda
O termo genérico ara designar um padrão que se repete com o tempo é onda – ondas sonoras, ondas cerebrais, ondas oceânicas e ondas de tensão são todos padrões repetitivos.
Um osciloscópio mede ondas de tensão. Um ciclo de uma ondaé a porção da onda que se repete.
Uma forma de onda é uma representação gráfico representação gráfica de uma onda. Uma forma de onda de uma tensão mostra tempo no eixo horizontal e tensão no eixo vertical.
Os formatos das ondas revelam uma grande uantidade de informações sobre o sinal.
Cada vez que você vê uma alteração na forma de onda você sabe que a tensão mudou.
Cada vez que houver uma linha horizontal reta você sabe que não houve alteração naquele intervalo de tempo.
Linhas retas diagonais significam uma alteração linea – subida ou descida da tensão numa velocidade constante.
Ângulos agudos numa forma de onda indicam súbitas alterações. A figura 3 mostra algumas formas de onda comuns.
Tipos de Ondas
Podemos classificar a maior parte das ondas nestes tipos:
Ondas senoidais
Ondas quadradas e retangulares
Ondas triangulares e dente-de-serra
Degraus e pulsos
Sinais periódicos e não periódicos
Sinais síncronos e assíncronos
Ondas complexas
Ondas Senoidais
As ondas senoidais são a forma de onda fundamental por diversas razões.
Elas têm propriedades matemáticas harmônicas – é a mesma forma senoidal que você deve ter estudado nos cursos médios de trigonometria .
A tensão na tomada da sua parede varia segundo uma forma de onda senoidal.
Sinais de prova produzidos por um circuito oscilador de um gerador de sinais também são sinais senoidais.
A maioria das fontes de energia AC produzem sinais senoidais (AC significa alternating current ou corrente alternada, apesar que a tensão também alterna. DC significa Direct Current ou corrente continua oiu uma corrente e tensão invariáveis, tais como a produzida por uma bateria).
A onda senoidal amortecida é um caso especial que você pode observar num circuito que oscila, mas que decresce com o tempo.
Na figura 5 temos exemplo de ondas senoidais comuns e amortecidas.
Ondas Quadradas e Retangulares
A onda quadrada é uma outra forma comum de onda. Basicamente uma onda quadrada é uma tens~!ao que liga e desliga (ou vai ao nível alto e baixo) em intervalos regulares.
É a onda padrão para amplificadores de teste – bons amplificadores aumenta a amplitude de uma onda quadrada com um mínimo de distorção.
Televisores, radio e circuitos de computadores também usam ondas quadradas para sinais de temporização.
Ondas Dente-de-Serra e Triangulares
As ondas dente-de-serra e triangulares resultam de circuitos projetados para controlar tensões linearmente, como os da varredura horizontal de um osciloscópio analógico ou para a varredura de um televisor.
As transições entre os níveis de tensão de tais ondas mudam de uma forma constante. Estas transições são chamadas de rampas. A figura 7 mostra exemplos de ondas dente-de-serra e triangulares.
Degraus e Pulsos
Sinais como transições e pulsos que ocorrem raramente, ou não periodicamente, são chamados de single-shot ou disparo único ou sinais transientes.
Uma transição indica uma súbita mudança da tensão, semelhante a que observamos quando acionamos um interruptor de energia elétrica.
Um pulso indica mudanças súbitas na tensão, semlhante as que observamos quando ligamos e desligamos novamente um interruptor de energia.
Um pulso também pode representar um bit de informação trafegando através do circuito de um computador ou pode significar uma falha ou defeito num circuito.
Um conjunto de pulsos trafegando em conjunto cria um trem de pulsos.
Componente digitais num computador se comuinicam usando pulsos.
Os pulsos também são comuns em equipamentos de raios X e de comunicações.
A figura 8 mostra exemplos de transições, pulsos e um trem de pulsos.
Sinais periódicos e não periódicos
Sinais repetitivos são ditos sinais periódicos enquanto que sinais que mudam constantemente mas não da mesma forma, são chamados de sinais não periódicos.
Uma imagem estacionária é análoga a um sinal periódico enquanto que uma imagem em movimento pode ser comparada a um sinal não-periódico.
Sinais Síncronos e Assíncronos
Quando existe uma relação de temporização entre dois sinais, tais sinais são ditos síncronos ou sincronizados.
Clock, sinais de dados e endereçamento num computador são exemplos de sinais síncronos.
Assíncrono é o termo usado para descrever ossinais entre os quais não existe uma relação de temporização.
Como não existe uma correlação de tempo entre o acionar de uma tecla num computador e o clock dentro dele, estes sinais podem ser considerados assíncronos.
Ondas Complexas:
Algumas formas de onda combinam as características de senoides, retangulares e quadrados, transições e pulsos resultando em formas finais que desafiam muitos osciloscópios.
A informação sobre o sinal pode estar embutida na forma de variações de amplitude, fase e/ou frequência.
Por exemplo, enquanto o sinal na figura 9 é um sinal ede vídeo composto comum, ele é composto de muitos ciclos de formas de onda de frequências mais altas embutidas num envelope de frequência mais baixa.
Neste exemplo, é normalmente mais importante entender os níveis relativos e de temporização dos passos.
Para visualizar este sinal, é preciso dispôr de um osciloscópio que captura o envolope de baixa frequência e o mistura em com as componentes de frequências mais altas em uma intensidade de tal forma que possamos ver a combinação final como uma imagem que possa ser interpretada visualmente.
Os fósforos dos osciloscópios analógico e digitais são mais apropriados para visualizar ondas complexas tais como sinais de vídeo, ilustrados na figura 9.
As suas telas proporcionam a informação necessária sobre a frequência do evento e uma gradação de intensidade que é essencial para entender o que realmente a forma de onda está fazendo.
No parte 2 veremos como são medidas as formas de onda e os tipos de osciloscópio.
