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Osciloscópios: Introdução

Osciloscópios: Introdução

No mundo da eletrônica, é essencial para a realização de projetos, conserto de equipamentos eletrônicos, engenharia eletrônica, cursos de eletro-eletrônica, se ter na bancada, um osciloscópio. Neste blog vamos fazer uma introdução ao osciloscópio. O que é, para que serve? Esse material foi cedido pela Tektronix, uma das marcas líderes de osciloscópios e equipamentos de teste e medição do mundo. Uma ótima leitura!


Na Natureza, tudo se movimenta na forma de ondas senoidais, seja uma onda do mar, terremoto, estampido, explosão, sons através do ar ou a frequência natural de um corpo em movimento. Energia, partículas vibrantes e outras forças invisíveis preenchem nosso universo. Mesmo a luz – em parte partícula, em parte onda – tem sua frequência fundamental que pode ser observada pela cor. Sensores podem converter essas forças em sinais elétricos que você poderá observar e estudar com um Osciloscópio. Os Osciloscópios capacitam os cientistas, engenheiros, técnicos, educadores e outros profissionais do mundo da eletrônica a “ver” e analisar eventos que se alteram com o tempo. Na verdade, os Osciloscópios são ferramentas indispensáveis para qualquer um que projete, fabrique ou repare equipamentos eletrônicos. No mundo de alterações rápidas em que vivemos, os engenheiros precisam das melhores ferramentas disponíveis para resolver os desafios de suas medidas de forma rápida e precisa. Representando 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 qualquer tipo de fenômeno. Lembrando que 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 dados científicos que podem ser reunidos por um Osciloscópio.


Os Osciloscópios são usados por todos, desde os físicos aos técnicos reparadores de televisores. Um engenheiro automotivo também usa um Osciloscópio para medir as vibrações de um motor. Um pesquisador médico emprega um Osciloscópio para medir as ondas cerebrais. As possibilidades são ilimitadas.

INTEGRIDADE DO SINAL


O ponto chave de todo bom osciloscópio consiste na sua habilidade em reconstruir com precisão uma forma de onda – indicada como integridade do sinal. Um osciloscópio é análogo a uma câmera que captura as imagens de sinais que podem ser então observadas e interpretadas. Dois itens-chave repousam no coração da integridade de um sinal.

  • Quando você tira uma fotografia, ela é um retrato preciso do que realmente ocorreu?
  • A foto é clara ou confusa?
  • Quantas fotografias precisas você pode tirar por segundo?

Tomados em conjunto, os diferentes sistemas e capacidades de performance de um osciloscópio contribuem para sua capacidade em fornecer a integridade de sinal 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. Entretanto, até há poucos anos atrás, isso não era um problema significativo para os projetistas de equipamentos digitais. Eles podiam confiar que seus projetos lógicos agiriam como circuitos Booleanos inclusive onde houvesse ruído, ou mesmo sinais indeterminados, que ocorriam em projetos de alta velocidade – assunto 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 foram multiplicadas em diversas ordem de magnitude desde então, em aplicações tais como gráficos 3D e vídeo servidores I/O necessitando de uma larga faixa passante. Muitos dos equipamentos de telecomunicações atuais baseados em tecnologia digital e similares precisam de amplas larguras de faixas. Isso acontece com a TV digital de alta definição, por exemplo. Os microprocessadores mais recentes operam dados em velocidades de até 2, 3 ou mesmo 5 GS/s (giga-amostras por segundo), enquanto que alguns dispositivos de memória utilizam clocks de 400 MHz, assim como sinais de dados com tempos de subida de 200ps. Igualmente importante, vale observar que, ao aumentar a velocidade, são colocados em cheque os CIs comuns usados em automóveis, VCRs, controladores de máquina, só para enumerar apenas algumas poucas aplicações. Um processador rodando com um clock de 20 MHz pode ter sinais com tempos de crescimento similares ao de um processador de 800 MHz. Os projetistas cruzaram os limiares de performance, o que significa, com efeito, que praticamente qualquer projeto tornou-se 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 resida na integridade perdida de algum sinal. Isso pode afetar o tempo de lançamento do produto, sua confiabilidade, a compatibilidade com EMI e mais.

Por que a integridade do sinal é um problema?

Examinemos algumas das causas específicas da degradação do sinal nos projetos digitais atuais. Por que esses problemas são muito mais frequentes nos projetos atuais do que nos projetos mais antigos? A resposta está na VELOCIDADE. Antigamente, 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 tempos dos ciclos de barramento são hoje até mil vezes mais RÁPIDOS do que eles eram 20 anos atrás! Transações que levavam microssegundos, agora são medidas em nanossegundos. Para chegar a este aumento, as velocidades das fontes dos sinais foram aceleradas, sendo agora 100 vezes mais rápidas do que eram duas décadas atrás. Isso parece bom, todavia, certas realidades físicas impactaram as tecnologias de circuito impresso de modo a se adaptarem. O tempo de propagação dos barramentos interchips permaneceu praticamente inalterado durante décadas. As geometrias encolheram, mas certamente ainda há necessidade de proporcionar às 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 ela significa tempo de propagação – o inimigo da velocidade. É importante lembrar que a velocidade das fontes – tempo de crescimento – de um sinal digital poderá carregar componentes de frequências muito mais altas do que as geradas pela repetição do sinal. É por esse 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 em um circuito. No entanto, quando as velocidades das fontes são de quatro a seis vezes as das trajetórias dos sinais, o modelo simples amontoado não se aplica. As linhas das placas de circuito impresso de apenas seis polegadas de comprimento tornam-se linhas de transmissão quando excitadas com sinais que possuem tempos de transição abaixo de quatro a seis nanossegundos. Com efeito, novos percursos para os sinais são criados. Essas conexões intangíveis não estão nos diagramas, mas, apesar disso, proporcionam um meio para que os sinais influenciem uns aos outros de modo imprevisível. Simultaneamente, os percursos pretendidos dos sinais não ocorrem da forma que seria de esperar. Planos de terra e planos de energia, assim como as trilhas de sinais descritas acima, tornam-se indutivas e funcionam como linhas de transmissão; o desacoplamento da fonte torna-se muito menos eficiente. A EMI aumenta com as fontes 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 exigem 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 irradiada e com ela a modulação cruzada.

Analisando a Origem Analógica dos Sinais Digitais O que todas essas características têm em comum? Elas são fenômenos analógicos clássicos. Para resolver os problemas de integridade do sinal, os projetistas precisam pular para o domínio digital. E ao dar esse pulo, eles necessitam de ferramentas que possam lhes mostrar como os sinais analógicos e digitais interagem. Erros digitais podem ter suas raízes em problemas relacionados à integridade do sinal analógico. Para trilhar a causa das falhas digitais, também é necessário usar um osciloscópio capaz de mostrar as formas de onda em detalhes, as transições e ruídos, bem como detectar e mostrar transientes que possam ajudá-lo a medir precisamente as relações de temporização, tais como tempos de fixação e manutenção. Entender cada um dos sistemas dentro do seu osciloscópio e como empregá-los poderá contribuir com uma efetiva aplicação desse instrumento para vencer seu desafio específico de medida.

O OSCILOSCÓPIO



O que é um osciloscópio e como funciona?


Este item responde a estas questões fundamentais. O Osciloscópio é basicamente um dispositivo de apresentação gráfica – ele desenha um gráfico de um sinal elétrico. Na maioria das aplicações, o gráfico mostra como os 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 a figura 2). Este simples gráfico poderá 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 determinada parte de um sinal está ocorrendo relativamente a outras partes;
  • Quando um componente com problemas está distorcendo o sinal;
  • Quanto do sinal é corrente contínua (DC) e quanto é alternada (AC);
  • Quanto do sinal é constituído de ruído e quando o ruído muda com o tempo.

Entendendo as Formas de Onda e as Medidas de Formas de Onda

O termo genérico para designar um padrão que se repete com o tempo é onda – ondas sonoras, ondas cerebrais, ondas oceânicas e ondas de tensão são todas padrões repetitivos. Um Osciloscópio mede ondas de tensão. Um ciclo de uma onda é a porção da onda que se repete. Uma forma de onda é uma representação gráfica de uma onda. A forma de onda de uma tensão mostra tempo no eixo horizontal e tensão no eixo vertical. Os formatos das ondas revelam uma grande quantidade de informações sobre o sinal. Cada vez que o leitor vê uma alteração na forma de onda, ele sabe que a tensão mudou. Cada vez que surgir uma linha horizontal reta, ele sabe que não houve alteração naquele intervalo de tempo. Linhas retas diagonais significam uma alteração linear – subida ou descida da tensão numa velocidade constante. Ângulos agudos numa forma de onda indicam súbitas alterações. A figura 3 ilustra algumas formas de onda.

TIPOS DE ONDAS


Podemos classificar a maior parte das ondas nos seguintes 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 consistem na 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 senoidais. A maioria das fontes de energia AC produzem sinais senoidais (AC significa Alter nating Current ou corrente alternada, apesar de que a tensão também alterna. DC significa Direct Current ou corrente contínua ou uma corrente e tensão invariáveis, tais como a produzida por uma bateria). A onda senoidal amortecida é um caso especial que você pode observar em um circuito que oscila, mas que decresce com o tempo. Na figura 5 temos exemplos 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 tensão que liga e desliga (ou vai ao nível alto e baixo) em intervalos regulares. É a onda padrão para amplificadores de teste – bons amplificadores aumentam a amplitude de uma onda quadrada com um mínimo de distorção. Televisores, rádio e circuitos de computadores também usam ondas quadradas para sinais de temporização. A figura 6 mostra exemplos de ondas quadradas e retangulares.


Ondas Dente-de-Serra e Triangulares


As ondas dente-de-serra e triangulares resultam de circuitos projetados para controlar tensões linearmente, tais como os da varredura horizontal de um osciloscópio analógico ou para a varredura de um televisor. As transições entre os níveis de tensão dessas ondas mudam de uma forma constante. Essas 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 singleshot ou disparo único ou ainda sinais transientes. Uma transição indica uma súbita mudança da tensão, semelhante à que observamos quando acionamos um interruptor de energia elétrica. Um pulso indica mudanças súbitas na tensão, parecidas às 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. Componentes digitais num computador se comunicam usando pulsos. Os pulsos também são comuns em equipamentos de Raios X e de Comunicações. A figura 8 apresenta exemplos de transições, pulsos e um trem de pulsos.


Sinais Periódicos e não Periódicos


Sinais repetitivos são conhecidos como 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 sinais 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, esses sinais podem ser considerados assíncronos.

Ondas Complexas


Algumas formas de onda combinam as características de senóides, retângulos 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 freqüência. Por exemplo, enquanto o sinal na figura 9 é um sinal de vídeo composto comum, ele é formado por muitos ciclos de formas de onda de frequências mais altas embutidas num envelope de frequência mais baixa. Neste exemplo, é importante entender os níveis relativos e de temporização dos passos. Para visualizar esse sinal, é preciso dispor de um osciloscópio que captura o envolope de baixa frequência e o mistura com as componentes de frequências mais altas em uma intensidade tal que possamos ver a combinação final como uma imagem a ser interpretada visualmente. Os fósforos dos osciloscópios analógicos e digitais são mais apropriados para visualizar ondas complexas tais como os 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.



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