Medidas de Formas de Onda
Muitos termos técnicos são usados para descrever os tipos de medida que você pode fazer com seu osciloscópio. Esta parte do artigo descreve algumas das medidas mais comuns e termos.
Frequência e Período
Se um sinal se repete ele tem uma frequência. A frequência é medida em Hertz (Hz) e é igual ao número de vzes que o sinal se repete em um segundo, também indicada como ciclos por segundo.
Um sinal repetitivo também tem um período – o intervalo de tempo que demora para que o sinal complete um ciclo.
Período e frequência são recíprocos de tal forma que 1/período é igual a frequência e 1/frequência é igual ao período.
Por exemplo, a onda senoidal na figura 1 tem uma frequência de 3 Hz e um período de 1/3 segundo.
Tensão
Tensão é a quantidade de potencial elétrico – ou intensidade de sinal – entre dois pontos de um circuito.
Usualmente, um destes pontos é terra ou zero volts, mas não sempre.
Você pode precisar medidr a tensão entre o pico máximo e o pico mínimo de uma forma de onda, indicada como tensão pico-a-pico.
Amplitude
Amplitude incica a quantidade de tensão entre dois pontos de um circuito.
A amplitude normalmente indica a tensão máxima de um sinal medida a partir do terra ou zero volts.
A forma de onda mostrada na figura 2 em uma amplitude de 1 V e uma tensão pico-a-pico de 2 V.
Fase
Fase é melhor explicada observando-se uma onda senoidal.
O nível de tensão de ondas senoidais são baseadas em movimento circular.
Dado que um circulo tem 360 graus, um ciclo de uma onda senoidal é 360 graus, como mostrado na figura 11.
Usando graus pode-se indicar o ângulo de fase de uma onda senoidal quando se deseja desver quanto do período se passou.
O Deslocamento de Fase descreve a diferença na temporização entre dois sinais similares.
A forma de onda na figura 3 etiquetada como “corrente” se diz estar 90 graus fora de fase em relação a forma de onda etiquetada como “tensão” já que as ondas alcançam pontos similares nos seus ciclos em exatamente ¼ de um ciclo (360/4 = 90 graus).
Deslocamentos de fase são muito comuns em eletrônica.
Medidas de Forma de Onda com Osciloscópios Digitais
Os modernos osciloscópios digitais têm funções que tornam as medidas de formas de onda mais fáceis.
Eles possuem botões no painel frontal e/ou funções baseadas em menus nas telas a partir das quais pode-se selecionar medidas totalmente automáticas.
Essas medidas incluem amplitude, período, tempos de subida e descida e muito mais.
Muitos instrumentos digitais também proporcionam recursos para calcular valores médios e RMS, ciclos ativos e outras operações matemáticas.
Medidas automaizadas aparecem na tela como valores alfanuméricos. T
Tipicamente estas leituras são mais precisas do que é possível obter tomando-se como referência as quadrículas da tela.
Algumas das medidas de forma de onda automatizadas disponíveis em alguns osciloscópios digitais de fósforo incluem:
Período
Frequência
Largura positiva
Largura negativa
Tempo de subida
Tempo de descida
Amplitude
Relação de extinção
Potência óptica média
Ciclo ativo positivo
Ciclo ativo negativo
retardo
Fase
Largura de burst
Pico-a-pico
Medio
Ciclo médio
Área do ciclo
Nível alto
Nível baixo
Mínimo
Máximo
Sobrepulso positivo
Sobrepulso negativo
RMS
Ciclo RMS
Os tipos de Osciloscópio
Os equipamentos eletrônicos podem ser classificados em duas categorias: analógicos e digitais.
Equipamentos analógicos operam com tensões que variam continuamente enquanto que equipamentos digitais trabalham com números binários discretos que representam amostragens de tensão.
Um toca-discos convencional é um dispositivo analógico enquanto que um CD player é um dispositivo digital.
Os osciloscópios podem ser classificados de maneira similar – como tipos analogicos ou digitais.
Para muitas aplicações tanto um osciloscópio analógico como digital servem.
Entretanto, cada tipo tem características únicas que os possibilita fazer mais ou menos em uma aplicação específica.
Os osciloscópios digitais podem também ser classificados em osciloscópios de armazenamento digital (DSOs), osciloscópios de fósforo digital (DPOs) e osciloscópios de amostragem.
Osciloscópios Analógicos
Fundamentalmente um osciloscópio analogico opera pela aplicação da tensão a ser medida diretamente ao eixo vertical de um feixe de elétrons que se movimenta da esquerda para a direita na tela do osciloscópio – usualmente um tubo de ráios catódicos ou TRC.
A parte de trás da tela é tratada com um fósforo luminoso que brilha quando o feixe de elétrons incide nela.
A tensão de sinal defleta o feixe para cima e para baixo ao mesmo tempo em que ele se move horizontalmente através da tela taçando a forma de onda nela.
Com tanto mais frequência o feixe incide numa área particular da tela mais ela brilha.
O TRC limita a faixa de frequências que podem ser mostradas por um osciloscópio analogico.
Em frequências muito baixas, o sinal aparece como um brilhante ponto que se move varagosamente ficando difícil distinguí-lo como uma forma de onda.
Em frequências altas, a velocidade de gravação do TRC (writing speed) determina o limite.
Quando a frequência do sinal excede a velocidade de gravação do TRC, o traço se torna muito fraco, difícil de ver.
Os osciloscópios analógicos mais rápidos podem mostrar sinais com frequências de até aproximadamente 1 GHz.
Quando você conecta a ponta de prova de um osciloscópio num circuito, a tensão de sinal viaja através da ponta até o sistema vertical do osciloscópio. A figura 13 ilustra como um osciloscópio mostra um sinal medido.
Dependendo de como você ajusta a escala vertical (controle volts/div) um atenuador reduz a intensidade da tensão de sinal e um amplificador aumenta a tensão de sinal.
A seguir, o sinal passa diretamente para as placas de deflexão vertical do TRC.
A tensão aplicada a estas placas de deflexão faz com que o ponto brilhante se mova através da tela.
O ponto brilhante é criado por um feixe de elétrons que bate no fósforo luminoso dentro do CRT. Uma tensão positiva faz com que o ponto se mova para cima enquanto que uma tensão negativa faz c om que ele se mova para baixo.
O sinal também passa pelo sistemas de gatilho (trigger) de modo a dar a partida ou disparar a varredura horizontal.
A varredura horizontal é a ação do sistema horizontal que faz com que o ponto brilhante se mova através da tela.
Disparar a varredura horizontal faz com que a base de tempo horizontal mova o ponto brilhante da esquerda para a direita num intervalo específico de tempo.
Muitas varreduras em sequência rápida fazem com que o movimento do ponto luminoso se finda formando uma linha sólida.
Nas velocidades mais altas, o ponto luminoso pode varrer a tela até 500 000 vezes por segundo.
Conjuntamente, a ação da varredura horizontal e a deflexão vertical traçam um grafico do sinal na tela.
O gatiho (trigger) é necessário para estabilizar a repetição do sinal – ele assegura que a varredura começa sempre no mesmo ponto do sinal que se repete, resultando numa imagem clara como mostra a figura 5.
Além disso, os osciloscópios analógicos possuem controles de foco e intensidade que podem ser ajustado para criar imagens claras e aguçadas.
As pessoas ainda preferem os osciloscópios analógicos quando é importante mostrar sinais que variam rapidamente em “tempo real”- ou quando eles ocorrem.
O display baseado em fósforo químico tem uma caracteristica conhecida como gradação de intensidade que torna o traço mais brilhante quando os destaques do sinal se tornam mais frequentes.
Esta gradação de intensidade torna mais fácil distinguir os detalhes do sinal simplesmente observando os níveis de intensidade do traço.
Osciloscópios Digitais
Em contraste com um osciloscópio analógico, um osciloscópio digital usa um conversor analógico para digital (ADC) para converter a tensão medida em informação digital.
Ele toma a forma de onda como uma série de amostras e armazena estas amostras até acumular o suficiente para descrever a forma de onda.
O osciloscópdio digital remonta então a forma de onda com estes dados e a apresenta na tela do display (veja figura abaixo).
Os osciloscópios digitais podem ser classificados em osciloscópios de armazenamento digital (DSOs), osciloscópios de fósforo digital (DPOIs) e osciloscópios de amostragem.
A abordagem digital significa que o osciloscópio pode mostrar qqualquer frequência dentro de sua faixa com estabilidade, brilho e definição.
Para sinais repetitivos, a largura de faixa para os componentes de entrada do osciloscópio são especificadas como para o ponto de –3 dB.
Para pulsos isolados e eventos transientes, como pulsos e degraus, a faixa passante pode ser limitada para a taxa de amostragem do osciloscópio.
Na parte de Taxa de Amostragem, temos os termos de Performance e Considerações onde é feita uma discussão mais detalhada deste problema.
Osciloscópio de Armazenamento Digital
Um osciloscópio digital convencional é conhecido como um osciloscópio de armazenamento digital (DSO).
Sua imagem tipicamente reside numa tela do tipo raster como também fósforo luminoso.
Os osciloscópios de armazenamento digital (DSO) lhes permitem capturar e visualizar eventos que podem ocorrer somente uma vez – conhecidos como transientes.
Como a informação sobre a forma de onda existe na forma digital, como uma série de valores binários armazenados, ela pode ser armazenada, analisado e também procesada dentro do próprio osciloscópio ou fora por um computador externo.
A forma de onda não precisa ser continua; ela pode ser apresentada mesmo depois que o sinal desaparece.
Diferentemente dos osciloscópios analógicos os osciloscópios de armazenamento digital proporcional um armazenamento permanente do sinal e um processamento intenso da forma de onda.
No entanto, os DSO, tipicamente, não são muito bons para observação de formas de onda em tempo real; não expressando níveis de variação com a intensidade de um sinal em tempo real.
Alguns dos subsistemas que formam os DSOs são similares a dos osciloscópios analógicos.
Entretanto, os DSOs contém subsistemas adicionais de processamento de dados que são usados para colher e mostrar dados da forma de onda inteira.
Um DSO emprega uma arquitetura de processamento serial para capturar e mostrar sinais na tela, como mostrado na figura 16.
Uma descrição de como este processamento ocorre é dada a seguir.
Arquitetura de Procesamento Serial
Como num osciloscópio analógico, o primeiro estágio de entrada de um DSO é um amplificador vertical. Controles verticais permitem ajustar a amplitude e a faixa posições deste estágio.
Em seguida, temos o conversor analógico/digital (ADC) no sistema hirozintal que faz a amostragem do sinal em pontos discretos no tempo e converte a tensão nestes pontos em valors digitais denominados pontos de amostragem.
Este processo é chamado de digitalização do sina.
O clock do sistema horizontal de amostragem determina também quando o ADC toma uma amostra.
Esta velocidade é chamada de taxa de amostragem e é expressa em amostras por segundo (samples per second) – S/s.
Os pontos amostrados pelo ADC são armazenados na memória de aquisição como pontos de forma de onda.
Diversos pontos de amostragem devem ser tomados para formar uma forma de onda. Juntos, os pontos formam a gravação da forma de onda, chamado de comprimento da gravação.
O sistema de gatilho determinam os pontos de partida e término da gravação.
No percurso do sinal de um DSO temos um microprocessador através do qual os sinais medidos passam no seu caminho para o display.
Este microprocessador processa o sinal, coordena as atividades do display, gerencia os paineis do controle frontal e mais.
O sinal passa então para a memória do display e depois é mostrado na tela do osciloscópio.
Dependendo das capacidades do seu osciloscópio, pontos adicionais de processsamento da amostra podem ocorrer, melhorando a qualidade da imagem.
Pre-disparo (pre-trigger) também podem ser disponíveis, habilitando-o a ver eventos antes do ponto de disparo.
A maioria dos osciloscópios digitais atuais também possuem recursos para a medida paramétrica automática simplificando o processo de medida.
Um DSO proporcional alta performance em pulsos isolados, como instrumento multi-canal (veja figura abaixo).
Os DSOs são ideais paea baixas taxas de reptição, pulsos isolados, alta velocidade, aplicações de projetos multi-canal.
No mundo real do projeto digital o engenheiro frequentemente examina quatro ou mais sinais simultaneamente, o que torna o DSO um companheiro importante.
Na terceira parte deste artigo falaremos dos osciloscópios de fósforo digital.
