Osciloscópios Digitais de Fósforo
Os osciloscópios digitais de fósforo (Digital Phospor Oscilloscopes ou DPO) oferecem uma nova abordagem em termos de arquitetura de osciloscópios.
Esta arquititetura possibilita um DPO a fornecer capacidades únicas de aquisição e apresentação para reconstrução de precisa de um sinal.
Enquanto um DSO usa uma arquitetura de processamento serial para capturar, apresentar e mostrar os sinais, um DPO emprega uma arquitetura de processamento paralelo para realizar estas funções, como mostrado na figura abaixo.
A arquitetura do DPO dedica um único hardware ASIC para adquirir as imagens das formas de onda, possibilitando assim taxas de velocidade elevadas nesta função e com isso resultando numa visualização do sinal de alto nível.
Esta performance aumenta a probabilidade de se detectar eventos transitórios que ocorram em sistemas digitais como, pulsos, glitches e erros de transição. Damos a seguir a descrição desta arquitetura.
Arquitetura de Processamento Paralelo
O primeiro estágio de um DPO (entrada) é similar ao de um osciloscópio analógico - um amplificador vertical - e seu segundo estágio é similar ao de um DSO - um ADC.
Mas, o DPO difere significativamente dos seus predecessores a partir da conversão analógica para digital.
Para cada osciloscópio - analógico, DSO e DPO - existe sempre um tempo de manuseio do sinal durante o qual o instrumento processa os dados mais recentemente capturados, resseta o sistema e então expera pelo próximo evento disparado.
Durante este tempo, o osciloscópio fica cego para a atividade do sinal. A probabilidade de se visualizar um evento que não seja frequente ou que tenha uma baixa taxa de repetição aumenta com este tempo de manuseio.
Deve ser notado que é impossível determinar a probabilidade de captura simplesmente observando-se a taxa de atualização da imagem.
Se você levar em conta somente esta taxa de atualização, é fácil enganar-se acreditando que o osciloscópio está capturando todas as informações pertinentes à forma de onda quando na realidade não está.
O osciloscópio de armazenamento digital processa as formas de onda capturadas serialmente.
A velocidade do seu microprocessador é um gargalo no processo porque ela limita a velocidade de captura.
O DPO rastreia a forma de onda digitalizada numa base de fósforo digital.
A cada 1/30 segundos - tão rápida como a percepção do olho humano - uma tomada rápida da imagem é armazenada na base de dados e enviada diretamente ao sistema de imagem.
Esta rasterização direta da forma de onda e cópia direta para a memória de imagem da base de dados remove o gargalo do processamento de dados inerente a outras arquiteturas.
O resultado é um "tempo vivo" melhorado para atualização da imagem.
Os detalhes do sinal, eventos intermitentes e características dinâmicas do sinal são capturadas em tempo real.
O processador do DPO trabalha em paralelo com o sistema de aquisição para o gerenciamento da imagem, automação de medidas e controle instrumental de tal forma que a velocidade de aquisição do osciloscópio não é afetada.
Um DPO facilmente emula os melhores atributos de imagem de um osciloscópio analógico, apresentando o sinal em três dimensões: tempo, amplitude e distribuição da amplitude através do tempo.
Diferentemente da reliância do fósforo químico do osciloscópio analógico, um DPO usa um fósforo digital puramente eletrônico que é realmente uma base de dados continuamente atualizada.
Esta base de dados tem uma célula de informação separada para cada pixel na tela do osciloscópio.
Cada vez que a forma de onda é capturada - em outras palavras, cada vez que o osciloscópio dispara - ela é mapeada na base de dados de fósforo digital.
Cada célula que representa uma locação da tela e é tocada pela forma de onda é reforçada com informação sobre intensidade, enquanto que outras células não. Assim a intensidade da informação é construída nas células enquanto a forma de onda passa por elas.
Quando a base de fósforo digital é ligada ao display do osciloscópio, a imagem revela áreas de onda de intensidade reforçada na proporção em que a freqüência de ocorrência do sinal acontece em cada ponto - muito das características de gradação de imagem encontradas num osciloscópio analógico.
O DPO também permite que a imagem de uma frequ6encia que varie fora do normal apareça na tela com cores contrastantes, o que não ocorre com um osciloscópio analógico.
Com um DPO, é fácil ver a diferença entre uma forma de onda que ocorre praticamente em cada disparo e uma que ocorre apenas, digamos no centésimo disparo.
Os osciloscópios de fósforo digital (DPOs) quebram a barreira entre as tecnologias de osciloscópio digital e analógico.
Eles são igualmente úteis para a visualização tanto de altas como baixas frequências, formas de onda repetitivas, transientes e variações de sinais em tempo real.
Somente um DPO proporciona o eixo Z (intensidade) em tempo real o que está ausente nos DSOs convencionais.
Um DPO é ideal para aqueles que precisam do melhor projeto para uso geral e ferramenta de manutenção numa ampla faixa de aplicações. Veja figura a seguir.
Um DPO é excelente para testes de telecomunicações, debug digital ou de sinais intermitente, projeto de sinais ditais repetitivo e aplicações de temporização.
Osciloscópios de Amostragem Digital
Quando medindo sinais de alta freqüência, o osciloscópio pode não ser capaz de coletar amostras suficientes em uma varredura.
Um osciloscópio de amostragem digital é a ferramenta ideal para capturar de modo preciso sinais cujos componentes de freqüência são muito mais altos do que a velocidade de amostragem do osciloscópio (veja figura abaixo).
O osciloscópio é capaz de medir sinais de até uma ordem de magnitude mais rápido do que qualquer outro osciloscópio.
Ele pode alcançar faixa passante e temporização de alta velocidade dez vezes mais alta do que outros osciloscópios para sinais repetitivos. Osciloscópios equivalentes de tempo sequencial são disponíveis com faixas passantes de até 50 GHz.
Em contraste com as arquiteturas de fósforo digital e de armazenamento digital, a arquitetura do osciloscópio de amostragem digital inverte a posição do atenuador/amplificador e a ponte de amostragem como mostrado na figura a seguir.
O sinal de entrada é amostrado antes de ser feita qualquer amplificação ou atenuação. Uma amplificador de baixa faixa passante podem então ser utilizado depois da ponte de amostragem porque o sinal já foi convertido para um sinal de freqüência mais baixa pela porta de amostragem, resultando assim num instrumento de faixa muito mais ampla.
A desvantagem desta alta faixa passante, entretanto, é que o osciloscópio tem sua faixa dinâmica limitada.
Desde que não existe nenhum amplificador/atenuador na entrada da porta de amostragem, não existem recursos para escalar a entrada.
A ponte de entrada deve ser capaz de manusear toda a faixa dinâmica da entrada em todos os tempos.
Entretanto, a faixa dinâmica da maioria dos osciloscópios de amostragem digital está limitada a 1 V pico-a-pico.
Os osciloscópios de armazenamento digital e de fósforo digital por outro lado, podem manusear sinais de 50 a 100 volts.
Além disso, diodos de proteção não podem ser colocados no circuito de entrada da ponte de amostragem pois isso limitaria a faixa passante.
Isso reduza a tensão de entrada segura de um osciloscópio de amostragem para algo em torno de 3 V, quando comparado com os 500 V disponíveis nos outros osciloscópios.
Os Sistemas e Controles de Um Osciloscópio
Um osciloscópio básico consiste em quatro sistemas diferentes - o sistema vertical, o sistema horizontal, o sistema de gatilhamento e o sistema de display (imagem).
Entender cada um destes sistemas deve capacitá-lo a aplicar eficientemente o osciloscópio na resolução das seus desafios específicos de medida. Veja eu cada sistema contribui para a habilidade do osciloscópio de reconstruir precisamente um sinal.
Esta seção descreve brevemente os sistemas básicos e controles encontrados nos osciloscópios analógicos e digitais.
Alguns controles diferem entre os osciloscópios analógicos e digitais e seu osciloscópio provavelmente pode ter controles adicionais não descritos aqui.
O painel frontal de um osciloscópio é dividido em três seções principais denominadas vertical, horizontal e disparo.
Seu osciloscópio deve ter outras seções dependendo do modelo e do tipo - analógico ou digital - como mostrado na figura abaixo.
Veja se você pode localizar estes controles nas seções do painel frontal da figura acima e também no seu osciloscópio, como você vai ver através desta seção.
Quando usando um osciloscópio, você precisa ajustar três funções básicas para acomodar o sinal que entra.
A atenuação ou amplificação do sinal. Use o controle volts/div para ajustar a amplitude do sinal para a faixa desejada de medida.
A base de tempo. Use o controle sec/div para fixar a quantidade de tempo por divisão representada horizontalmente na tela.
O disparo (triggering) do osciloscópio. Use o nível de disparo (trigger level) para estabilizar um sinal repetitivo ou para disparar com um evento único.
Sistema Vertical e Controles
Os controles verticais podem ser usados para posicionar e escalar a forma de onda verticalmente.
Os controles verticais também podem ser usados para fixar o acoplamento de entrada e outros condicionamentos do sinal, descritos mais tarde nesta seção.
Os controles verticais são:
Terminação
1 M ohm
50 ohm
Acoplamento (coupling)
DC
AC
GND
Limite de Faixa Passante (Bandwidth Limit)
20 MHz
250 MHz
Full
Posição (position)
Offset
Inversão (invert) - On/off
Escala (scale)
1 - 2 -5
Variável
Zoom
Posição e Volts por Divisão
O controle de posicionamento vertical permite-lhe mover a forma de onda para cima e para baixo exatamente para a posição que você a deseja na tela.
O ajuste de volts por divisão (normalmente escrito como volts/div) varia o tamanho da forma da onda na tela.
Um bom osciloscópio de uso geral pode apresentar na tela níveis de sinais de aproximadamente 4 milivolts a 40 volts.
O ajuste volts/div é um fator de escala.
Se o ajuste volts/div é 5 volts, então cada uma das oito divisões verticais representa 5 volts e a tela inteira pode apresentar um sinal de 40 V do fundo ao extremo superior, assumindo uma gratícula com 8 divisões maiores.
Se o ajuste é 0,5 Volts/div então a tela pode apresentar 4 Volts do fundo ao topo, e assim por diante.
A tensão máxima que você pode colocar na tela é dada pelo ajuste volts/div multiplicado pelo número de divisões verticais.
Note que a ponta de prova que você usa, x1 ou x10 também influencia no fator de escala. Você deve dividir a escala volts/div pela fator de atenuação da ponta do prova se o osciloscópio não o fizer por você.
Mesmo a escala volts/div tem também um controle de ganho variável ou fino para escalar um sinal apresentado na tela de modo a ocupar um certo número de divisões. Use este controle para verificar sinais na medida dos tempos de subida.
Acoplamento de Entrada
Acoplamento (coupling) refere-se ao método usado praa conectar um sinal elétrico de um circuito para outro.
Neste caso, o acoplamento de entrada é a conexão do circuito em teste ao osciloscópio.
O acoplamento pode ser ajustado para DC, AC ou terra (GND). Um acoplamento DC mostra todo um sinal de entrada.
Um acoplamento AC bloqueia a componente DC de um sinal de modo que você vê apenas a forma de onda centralizada em torno de zero volts.
A figura a seguir mostra esta diferença.
O acoplamento AC é útil quando o sinal inteiro (corrente alternada + corrente contínua) é grande demais para caber no ajuste volts/div.
O ajuste GND (ground ou terra) desconecta o sinal de entrada do sistema vertical, o que lhe permite ver onde o ponto de zero volts está localizado na tela.
Com a entrada aterrada e o modo de auto-disparo (auto-trigger) você ve uma linha horizontal na tela que representa o nível de zero volts.
Comutando de DC para terra e de volta novamente temos um meio interessante de medir níveis de tensão de sinais em relação à terra.
Limite de Faixa Passante (limit bandwitdth)
Muitos osciloscópios tem um circuito que limita a faixa passante do sinal.
Pela limitação da faixa passante você pode reduzir o ruído que algumas vezes aparece na forma de onda na tela, resultando assim numa imagem de sinal mais limpa.
Note que, quando se elimina o ruído, a faixa passante também pode reduzir ou eliminar componentes de alta freqüência do sinal.
Modos Alternados e Chaveados de Imagem
Múltiplos canais podem ser apresentados na tela de osciloscópios analógicos utilizando-se um modo alternado ou "chop mode" (chaveado) –
Muitos osciloscópios digitais podem apresentar múltiplos canais simultaneamente sem a necessidade de se usar modos alternados ou chaveados).
Modo alternado - desenha na tela cada canal alternadamente - o osciloscópio completa a varredura no canal 1 e depois outra varredura no canal 2, retornando então ao canal 1 e assim por diante.
Use este modo com sinais de média para alta velocidade quando a escala sec/div está ajustada para 0,5 ms ou mais rápida.
Modo chop - faz com que o osciloscópio projete pequenas partes de cada sinal comutando os para frente e para trás.
A taxa de comutação é muito rápida para você perceber, assim a forma de onda parece como um todo.
Você tipicamente usará este modo com sinais lentos que necessitem velocidade de varredura de 1 ms por divisão ou menos.
A figura abaixo mostra a diferença entre os dois tipos de sinais,
Também é útil ver os sinais dos dois modos para se assegurar que se tem a melhor imagem.
Sistema Horizontal e Controles
O sistema horizontal de um osciloscópio está mais proximamente associado com a sua aquisição de um sinal de entrada - taxa de amostragem e comprimento amostrado estão entre as considerações a serem notadas.
Os controles horizontais são usados para posicionar e escalar a forma de onda horizontalmente.
Os controles horizontais comuns são:
principal (main)
retardo (delay)
XY
Escala (scale)
1 - 2 - 5
Variável
Separação de traço
Comprimento amostrado (Record Length)
Resolução
Taxa de amostragem (sample rate)
Posição de disparo (trigger position)
Zoom
Controles de Aquisição
Os osciloscópios digitais possuem ajustes que lhe permitem controlar como o sistema de z\aquisição processa um sinal.
Dê uma olhada nas opções do osciloscópio digital enquanto lê esta descrição. A figura abaixo mostra um exemplo de menu de aquisição.
Modos de Aquisição
Os modos de aquisição controlam como os pontos da forma de onda são produzidos a partir dos pontos de amostragem.
Os pontos de amostragem são os valores digitais derivados diretamente do conversor analógico-para-digital (ADC).
O intervalo de amostragem refere-se ao tempo entre estes pontos de amostragem.
Os pontos da forma de onda são os valores digitais armazenados na memória e apresentados na tela para reconstruir a forma de onda.
A diferença de valores de tempo entre os pontos de forma de onda é dito o intervalo de forma de onda ou "waveform interval".
O intervalo de amostragem e o intervalo de forma de onda, devem ou não devem ser os mesmos.
Este fato deve-se a existência de diversos modos diferentes de aquisição nos quais um ponto da forma de onda é compreendido entre diversos pontos de amostragem sequencialmente adquiridos.
Adicionalmente, os pontos de forma de onda podem ser criados de uma composição de pontos de amostragem obtidas de aquisições múltiplas o que proporciona um outro conjunto de modos de aquisição. Uma descrição dos modos mais comuns de aquisição é dada a seguir:
Tipos de Modos de Aquisição
Modo de amostragem - este é o modo mais simples de aquisição. O osciloscópio cria um ponto da forma de onda salvando um ponto de amostragem em cada intervalo da forma de onda.
Modo de detecção de pico - O osciloscópios salva o valor mínimo e valor máximo dos pontos amostrados tomados durante dois intervalos de forma de onda e usa estas amostras como os dois pontos correspondentes de forma de onda. Os osciloscópios digitais com o modo de detecção de pico rodam o ADC a uma velocidade de amostragem rápida, mesmo com as bases de tempo ajustadas para valores muito lentos (os ajustes das bases de tempo lentos são trasladados para longos intervalos de formas de onda) e são capazes de capturar mudanças rápidas de sinais que podem ocorrer entre os pontos da forma de onda no modo de amostragem (figura abaixo). O modo de detecção de pico é particularmente útil para se visualizar pulsos estreitos muito separados (figura abaixo).
Modo de Alta resolução (Hi Res Mode) - como no modo de detecção de pico, o modo de alta resolução é um meio de se obter mais informações nos casos em que o ADC pode amostrar mais rápido do que os ajustes da base de tempo requerem. Neste caso, diversas amostragem tomadas entre um intervalo da forma de onda tem sua média considerada em conjunto para produzir um ponto da forma de onda. O resultado é uma diminuição do ruído e um aumento da resolução nos sinais de baixa velocidade.
Modo Envelope - O modo envelope é similar ao modo de detecção de pico. Entretanto, no modo envelope, os pontos mínimos e máximo da forma de onda para aquisições múltiplas são combinados de modo a formar a forma da onda que mostrea uma acumulação min/max ao longo do tempo. O modo de detecção de pico é usado para adquirir os dados que são combinados para formar o envelope forma de onda.
Modo médio (Average Mode) - no modo médio, o osciloscópio csalva um ponto de amostragem em cada intervalo da forma de onda como no modo de amostragem. Entretanto, os pontos da forma de onda de aquisições sucessivas são considerados em média para em conjunto produzir a forma de onda apresentada. O modo médio reduz o ruído sem perda da faixa passante, mas requer um sinal repetitivo.
Alguns termos originais em inglês foram mantidos entre parêntesis, por aparecerem normalmente nos painéis de controle e manuais de osciloscópios na forma indicada)
