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Introdução ao osciloscópio Para estudantes universitários de Engenharia Elétrica e Física

Scope Fundamentals Portuguese

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Introduo ao osciloscpio

Para estudantes universitrios de Engenharia Eltrica e Fsica

1Introduo ao osciloscpioSeja bem-vindo a esta apresentao sobre os princpios bsicos do osciloscpio para estudantes universitrios de Engenharia Eltrica e Fsica. O osciloscpio uma ferramenta essencial para se tomar medidas de tenso e tempo dos circuitos eltricos analgicos e digitais da atualidade. Quando voc finalmente concluir o seu programa de Engenharia Eltrica ou Fsica e ingressar na indstria de eletrnica, provavelmente descobrir que o osciloscpio aquela ferramenta de medio que voc utiliza mais do que qualquer outro instrumento para testar, verificar e depurar seus projetos. Mesmo durante seu programa de EE ou Fsica nesta universidade especificamente, o osciloscpio ser a ferramenta de medida que voc utilizar com mais frequncia em diversos laboratrios de circuitos para testar e verificar seus projetos e trabalhos. Aps assistir a esta apresentao sobre os princpios bsicos dos osciloscpios e aps concluir as aulas prticas usando o Tutorial e o Guia de laboratrio do osciloscpio, voc ter uma melhor compreenso do que um "scope" e como se deve utiliz-lo de forma eficiente.PautaO que um osciloscpio?Noes bsicas de teste (modelo de baixa frequncia)Realizar medies de tenso e tempoConfigurar a escala das formas de onda na tela adequadamenteCompreender o disparo do osciloscpioA teoria de operao e especificaes de desempenho do osciloscpioTestes revisitados (modelo dinmico/CA e efeitos de carregamento)Recursos tcnicos adicionais

PautaComearemos esta apresentao definindo o que um osciloscpio. Depois conversaremos a respeito do seguinte:Noes bsicas de testeRealizar mediesConfigurar a escala das formas de ondaCompreender o disparoTeoria de operao e especificaesModelagem de pontas de prova dinmica e carregamento de pontas de provaRecursos tcnicos adicionais2O que um osciloscpio?O osciloscpio converte sinais eltricos de entrada em um trao visvel na tela - por ex., converte eletricidade em luz.O osciloscpio, de forma dinmica, representa sinais eltricos com variao no tempo em duas dimenses (normalmente tenso vs. tempo).O osciloscpio utilizado por engenheiros e tcnicos para testar, verificar e depurar projetos eletrnicos. O osciloscpio o principal instrumento que voc utilizar nos laboratrios de EE/Fsica para testar experimentos designados. os.ci.los.c.pio

O que um osciloscpio?O osciloscpio um instrumento eletrnico que converte sinais eltricos (principalmente tenso) em um trao visvel na tela/visor. Em outras palavras, converte eletricidade em luz.

Esse instrumento representa de forma dinmica sinais eltricos com variao no tempo em duas dimenses. A tenso representada no eixo "Y" (ou vertical) do visor do osciloscpio, enquanto o tempo representado no eixo "X" (ou horizontal). A tenso resultante versus diagrama do tempo mostra uma "imagem" do sinal de entrada e costuma ser referida como "forma de onda". Como as caractersticas do sinal de entrada mudam, possvel ver atualizaes contnuas/dinmicas do grfico da forma de onda no visor do osciloscpio.

O osciloscpio o principal instrumento que os engenheiros eltricos usam para testar e verificar seus projetos eletrnicos. Esse instrumento tambm ser o principal instrumento que voc utilizar nos laboratrios de EE/Fsica para testar experimentos designados.3Apelidos carinhosos (como so chamados)Scop" Terminologia mais comumente usada (em ingls)DSO Digital Storage Oscilloscope (osciloscpio de armazenamento digital)Osciloscpio digitalOsciloscpio digitalizadorOsciloscpio analgico Tecnologia de osciloscpio mais antiga, porm ainda em uso hoje em dia.CRO Cathode Ray Oscilloscope (osciloscpio de raios catdicos). Muito embora a maioria dos osciloscpios no utilize mais tubos de raios catdicos para exibir formas de onda, australianos e neozelandeses ainda os chamam de CROs ("crows", em ingls).O-ScopeMSO Mixed Signal Oscilloscope (osciloscpio de sinais mistos, inclui canais analisadores lgicos de aquisio)

Apelidos carinhosos (como so chamados)Existe uma variedade de nomes diferentes para os osciloscpios, porm o termo mais comum usado hoje em dia simplesmente "scope". Voc tambm ouvir pessoas chamando-o de "DSO", que significa digital storage oscilloscope (osciloscpio de armazenamento digital), "osciloscpio digital" e "osciloscpio digitalizador". Esses trs ltimos termos referem-se mais nova tecnologia digital usada nesses instrumentos para captar e armazenar formas de onda digitalmente.Os osciloscpios com tecnologia mais antiga costumam ser chamados de "osciloscpios analgicos". Esse o tipo de osciloscpio que seu professor deve ter usado durante os estudos universitrios.Se por acaso voc for da Austrlia ou Nova Zelndia, o osciloscpio costuma ser chamado de CRO - pronuncia-se crow - uma abreviatura de Cathode Ray Oscilloscope (osciloscpio de raios ctodos). Embora a maioria dos mais recentes osciloscpios digitais da atualidade utilize principalmente tecnologias de exibio digital em tela plana para exibir formas de onda em vez da tecnologia de tubos de raios ctodos, australianos e neozelandeses chamam-nos carinhosamente de "CROs". O-Scope um outro termo comum. E por ltimo, voc algumas vezes ouvir o termo "MSO", que significa mixed signal oscilloscope (osciloscpio de sinais mistos). Um MSO basicamente um DSO com canais analisadores lgicos de aquisio adicionais.

4Noes bsicas de testeAs pontas de prova so usadas para transferir o sinal do dispositivo sendo submetido ao teste para as entradas BNC do osciloscpio.

Existem muitos tipos diferentes de pontas de prova utilizados em diversos e especiais propsitos (aplicaes de alta frequncia, aplicaes de alta tenso, corrente etc.).

O tipo de ponta de prova mais comumente utilizado chamado de "Ponta de prova passiva 10:1 divisora de tenso".Noes bsicas de testePara medir sinais eltricos em um osciloscpio preciso testar o sinal desejado nos conectores BNC de entrada do osciloscpio. Se voc quiser medir a sada do gerador, normalmente necessrio conectar a sada do gerador diretamente na entrada do osciloscpio usando um cabo SMA ou BNC de 50 . Mas se voc quiser medir as caractersticas de um sinal em um determinado ponto do circuito/projeto, normalmente necessrio usar uma "ponta de prova" com o osciloscpio para se obter isso. Existem muitos tipos diferentes de pontas de prova utilizados em diversos e especiais propsitos, como aplicaes de alta frequncia, aplicaes de alta tenso e medies de corrente. Contudo, o tipo mais comum de ponta de prova de osciloscpio usado para testar uma grande variedade de sinais chamado de "ponta de prova passiva 10 para 1 divisora de tenso". Esse o tipo de ponta de prova que voc utilizar na maioria dos experimentos eltricos de laboratrio atribudos a voc.5Ponta de prova passiva 10:1 divisora de tensoPassiva: No inclui elementos ativos, como transistores ou amplificadores. 10 para 1: Reduz a amplitude do sinal fornecido na entrada BNC do osciloscpio por um fator de 10. Alm disso, aumenta a impedncia de entrada em 10X.

Nota: Todas as medies devem ser realizadas em relao ao terra!

Modelo de ponta de prova passiva 10:1Ponta de prova passiva 10:1 divisora de tensoAqui mostramos um modelo eltrico de ponta de prova passiva 10:1 divisora de tenso conectada entrada de um osciloscpio. O termo "passiva" significa que a ponta de prova no inclui circuitos ativos, como transistores e amplificadores. Em outras palavras, a ponta de prova consiste totalmente em componentes/elementos passivos, que incluem resistncia, capacitncia e indutncia.10:1, pronunciado 10 para 1, significa que a ponta de prova reduz a amplitude do sinal de entrada por um fator de 10 por meio de uma rede divisora de tenso resistiva. A impedncia de entrada (Z de ponta de prova + osciloscpio) do sistema de medio do osciloscpio tambm aumentada por um fator de 10.Por fim, observe que todas as medies que usam esse tipo de ponta de prova devem ser realizadas em relao ao terra. Em outras palavras, necessrio conectar a ponta de entrada da ponta de prova ao ponto de teste desejado e depois deve-se conectar o fio terra/clipe de aterramento da ponta de prova ao terra do circuito. Com esse tipo de ponta de prova, no possvel medir a tenso em dois componentes de circuito mdio. Esse tipo de medio diferencial requer uma ponta de prova ativa diferencial e especial. Observe tambm que nunca se deve tentar completar um circuito usando uma ponta de prova de osciloscpio.6

Modelo de baixa frequncia/CCModelo de baixa frequncia/CC: Simplificao para um resistor de 9-M em srie com o terminal de entrada de 1-M do osciloscpio.Fator de atenuao de ponta de prova:Alguns osciloscpios, como os 3000 srie X da Agilent, detectam automaticamente pontas de prova 10:1 e ajustam todas as configuraes verticais e as medies de tenso relacionadas ponta de prova.Alguns osciloscpios, como os 1000 srie da Agilent, requerem entrada manual de um fator de atenuao de ponta de prova 10:1.Modelo dinmico/CA: Ser abordado posteriormente e durante o laboratrio N4.

Modelo de ponta de prova passiva 10:1Modelo de baixa frequncia/CCNo caso de aplicaes de medies de baixa frequncia ou de CC, nosso modelo de ponta de prova de osciloscpio pode ser significativamente simplificado por meio da remoo de todos os elementos capacitivos mostrados no modelo do slide anterior. O que sobra somente um resistor de 9 M prximo ponta de prova em srie com o terminal de entrada padro de 1 M do osciloscpio. Usando a Lei de Ohm, possvel ver se o nvel de tenso do sinal no BNC de entrada do osciloscpio ser 1/10 do nvel de tenso na ponta de prova.

Vosciloscpio = Vponta x 1M/(1M + 9M)

A maior parte dos osciloscpios hoje tem fatores de atenuao de ponta de prova que compensam automaticamente medies de tenso, por isso sero relatados em relao ponta de prova. Alguns osciloscpios, como os 3000 srie X da Agilent, detectam automaticamente se uma ponta de prova 10:1 foi conectada. E alguns osciloscpios mais bsicos, como os 1000 srie da Agilent, requerem que o usurio insira manualmente o fator de atenuao de ponta de prova. Depois que o fator de atenuao de ponta de prova detectado automaticamente pelo osciloscpio ou inserido manualmente pelo usurio, o osciloscpio fornece leituras compensadas de todas as medies de tenso. Por exemplo, quando voc conecta uma ponta de prova 10:1 a uma fonte de alimentao de 5 V CC, o osciloscpio na verdade "v" um sinal de 0,5 V CC em seu BNC de entrada. Porm com o fator de atenuao de ponta de prova 10:1, o osciloscpio mostrar que est "vendo" um sinal de 5 V CC na ponta de prova.

Ns vamos tratar posteriormente de um modelo dinmico/CA mais preciso de uma ponta de prova passiva 10:1 divisora de tenso. Isso tambm ser abordado com mais detalhes durante o laboratrio N4.7Compreender o visor do osciloscpiorea de exibio da forma de onda mostrada com linhas de grade (ou divises).Os espaos verticais das linhas de grade esto relacionados configurao de volts/diviso.Os espaos horizontais das linhas de grade esto relacionados configurao de segundos/diviso.Tempo

VoltsVertical = 1 V/divHorizontal = 1 s/div1 Div1 DivCompreender o visor do osciloscpioAo utilizar uma ponta de prova para obter um sinal no osciloscpio, possvel configurar a escala vertical e horizontal para iniciar as medies. Conforme mencionado anteriormente, o osciloscpio exibe formas de ondas captadas em um formato X versus Y. A tenso (amplitude do sinal) mostrada no eixo Y, e o tempo mostrado no eixo X. A rea de exibio da forma de onda dividida por linhas de grade alguma vezes denominadas "divises". No eixo vertical, h 8 divises verticais. Cada diviso vertical, ou espaamento entre linhas de grade horizontais, igual configurao de volts/diviso do osciloscpios, que exibida no canto superior esquerdo do visor. Neste exemplo, como a escala vertical do osciloscpio est configurada como 1 V/div, a tenso delta entre cada linha de grade horizontal de 1 volt. E a amplitude mxima pico a pico que o osciloscpio pode medir nessa configurao (1 V/div) 8 Vpp (8 divises x 1 V/div).No eixo horizontal, h 12 divises horizontais. Cada diviso horizontal, ou espao entre cada linha de grade vertical, igual configurao de segundos/diviso do osciloscpio. Isso exibido prximo ao canto superior direito do visor do osciloscpio. Neste exemplo, como a escala horizontal do osciloscpio est configurada como 1 s/div, a tenso delta entre cada linha de grade vertical de 1 s. E o tempo mximo que pode ser medido na tela do osciloscpio 12 s (12 divises x 1 s/div).8Realizar medies por estimativa visualPerodo (T) = 5 divises x 1 s/div = 5 s, Freq = 1/T = 200 kHz.V p-p = 6 divises x 1 V/div = 6 V p-pV mx. = +4 divises x 1 V/div = +4 V, V mn. = ?Indicador de nvel de terra (0,0 V)A tcnica de medio mais comum

V p-pVertical = 1 V/divHorizontal = 1 s/divV mx.PerodoRealizar medies por estimativa visualH diversas maneiras de realizar medies de tenso e tempo na forma de onda mostrada, mas o mtodo mais comum a estimativa visual. Os engenheiros que esto familiarizados com seus osciloscpios podem fazer estimativas rpidas para determinar a amplitude e o tempo dos sinais. Neste exemplo, como o perodo do sinal de entrada se repete a cada 5 divises e como a escala horizontal est definida como 1 s/div, podemos determinar rapidamente que o perodo (T) desse sinal aproximadamente 5 s (5 divises x 1 s/div) e portanto a frequncia 200 kHz (Freq = 1/T).Para determinar a amplitude pico a pico desse sinal, podemos observar que essa forma de onda se expande verticalmente cerca de 6 divises de 1 V/div, portanto a amplitude pico a pico de aproximadamente 6 Vpp (6 divises x 1 V/div). Para medir a tenso de pico absoluta do sinal, devemos primeiro localizar o cone/indicador de terra no lado esquerdo da retcula. Este ponto define o nvel 0 V. Podemos ento ver que a amplitude de pico positiva (Vmx.) desse sinal aproximadamente 4 divises acima do indicador de terra e, portanto, a tenso de pico positiva desse sinal aproximadamente +4 V acima do terra (+4 divises x 1 V/div). Agora, determine a amplitude de pico negativa (Vmn.) desse sinal. 9Realizar medies usando cursoresPosicionamento manual dos cursores A e B nos pontos de medio desejados.O osciloscpio automaticamente multiplica pelos fatores de escala vertical e horizontal para fornecer medies delta e absolutas.

Realizar medies usando cursoresUm mtodo mais preciso e exato de realizar medies de tenso e tempo o uso dos cursores A e B do osciloscpio. Quando os cursores so ativados, possvel ver marcadores/cursores horizontais e verticais que exibem automaticamente a tenso e o tempo da localizao dos cursores. Para medir a tenso pico a pico dessa forma de onda, simplesmente ajuste os cursores A e B colocando-os na parte superior e na parte inferior da forma de onda. Para medir o perodo e a frequncia dessa forma de onda, ajuste os cursores A e B em dois locais consecutivos da forma de onda, em que a forma de onda cruza um nvel especfico de tenso/limite. 10Realizar medies usando medies paramtricas automticas do osciloscpioSelecione paramtricas automticas com uma leitura continuamente atualizada.

Realizar medies usando as medies paramtricas automticas do osciloscpioAlm de usar os cursores do osciloscpio, ajustados pelo usurio, para realizar medies, um mtodo ainda mais rpido para realizar medies utilizar as medies paramtricas automticas. A maior parte dos mais avanados osciloscpios de armazenamento digital atualmente tm a capacidade de medir automaticamente parmetros de tenso e tempo, como Vmn., perodo, frequncia, tempo de subida, tempo de descida, etc.11

Principais controles de configurao do osciloscpioEscala horizontal (s/div)Posio horizontalPosio verticalEscala vertical (V/div)BNCs de entradaNvel de disparoOsciloscpio DSO1000 srie da AgilentPrincipais controles de configurao do osciloscpioAntes de realizar qualquer tipo de medio no osciloscpio, deve-se primeiro configurar os controles de escala vertical e horizontal a fim de configurar adequadamente a escala da forma de onda no visor do osciloscpio. Os controles principais incluem os controles de escala vertical, os controles de escala horizontal e o boto de controle de nvel de disparo. Os controles de escala vertical para cada canal de entrada do osciloscpio esto localizados prximos parte inferior do painel frontal, no lado direito bem acima dos BNCs de entrada. O boto maior controla a configurao vertical de volts/diviso, e o boto menor controla a posio vertical (ou deslocamento).Os controles de escala horizontal do osciloscpio esto localizados prximos parte superior do painel frontal. O boto maior controla a configurao segundos/diviso, e o boto menor controla a posio horizontal (ou retardo).O boto de controle do nvel de disparo est localizado abaixo dos controles de escala horizontal. Discutiremos o disparo do osciloscpio com mais detalhes depois. 12

Configurar a escala das formas de onda adequadamenteAjuste o boto V/div at que a forma de onda preencha a maior parte da tela verticalmente.Ajuste o boto de posio vertical at que a forma de onda esteja centralizada verticalmente.Ajuste o boto s/div at que apenas alguns ciclos sejam exibidos na horizontal.Ajuste o boto de nvel de disparo at que o nvel seja definido prximo ao meio da forma de onda na vertical. - Muitos ciclos sendo exibidos.- Amplitude escalonada muito baixa.Condio de configurao inicial (exemplo)Condio de configurao idealNvel de disparoConfigurar a escala da forma de onda no osciloscpio um processo interativo para fazer ajustes no painel frontal at que a "imagem" desejada seja exibida na tela.

Configurar a escala das formas de onda adequadamenteConfigurar a escala da forma de onda no osciloscpio normalmente um processo interativo. Por exemplo, suponhamos que na escala inicial podemos ver que a forma de onda est escalonada com uma amplitude relativamente baixa e com muitos ciclos na tela, conforme mostra a figura esquerda. Nesse caso, podemos ver que a amplitude da forma de onda mostrada somente cerca de 1 diviso superior. Gire o boto de volt/diviso para aumentar a escala da forma de onda. Se voc girar o boto na direo errada, a escala vertical da forma de onda ficar menor. Simplesmente gire-o na outra direo at que a forma de onda seja escalonada, de maneira que a altura da forma de onda cubra mais da metade da tela. Observe que se voc pressionar o boto V/div, ser possvel ajustar a configurao V/div com uma granularidade de ajuste muito mais "fina", para preencher boa parte da tela com a forma de onda, com o objetivo de realizar medies mais precisas e exatas.Se o sinal de entrada tiver um deslocamento CC (a forma de onda ser deslocada para cima ou para baixo do centro da tela), talvez depois seja necessrio girar o boto de posio vertical para centralizar a forma de onda na tela.Para configurar a escala horizontal adequadamente, gire o boto segundos/diviso algumas vezes chamado de controle de base de tempo at que alguns ciclos da forma de onda sejam exibidos na tela. Mas se voc deseja ver somente uma borda rpida em um sinal digital, defina a configurao segundos/diviso com um valor baixo para ver apenas a borda ascendente ou descendente rpida com um grau alto de resoluo horizontal.Por fim, talvez seja necessrio ajustar o nvel de disparo para obter uma exibio estvel. Ao girar o boto de nvel de disparo, um indicador de nvel de disparo horizontal (similar ao cursor de tenso) aparecer para mostrar o nvel de disparo real. A configurao do nvel de disparo adequado tipicamente por volta de 50% da amplitude vertical do sinal. Uma maneira rpida de definir o nvel de disparo como 50% em um sinal de entrada repetitivo simplesmente pressionar o boto de nvel de disparo. Discutiremos os disparos com mais detalhes em breve.Observe que aps o ajuste dos controles vertical, horizontal e de nvel de disparo, talvez seja necessrio voltar e reajustar algumas das configuraes at que voc veja a imagem que quer ver.Observe que outra maneira rpida e fcil de configurar a escala do osciloscpio em sinais de entrada repetitivos simples usar o recurso Escala automtica do osciloscpio. Contudo, a funo Escala automtica nem sempre funciona em sinais mais complexos. E se voc utilizar esse recurso do osciloscpio, talvez nunca aprenda a usar de forma eficiente um osciloscpio quando forem exigidos ajustes manuais. Alm disso, seu professor possui a habilidade de desabilitar o recurso Escala automtica baixando um comando para o osciloscpio.Nota para o professor: Voc pode desabilitar o recurso Escala automtica baixando o comando :AUToscale DISable via USB ou conexo de rede local (LAN). Aps baixar esse comando para o osciloscpio, o recurso Escala automtica ser permanentemente desabilitado at que voc baixe o comando "habilitar" (:AUToscale ENABle).

13Compreender o disparo do osciloscpioPense no "disparo" do osciloscpio como "tirar fotografias sincronizadas".Uma "imagem" da forma de onda consiste em muitas amostras digitais consecutivas.As "fotografias" devem estar sincronizadas em um ponto nico na forma de onda que se repete.O disparo de osciloscpio mais comum baseia-se em sincronizar aquisies (tirar fotografias) em uma borda ascendente ou descendente de um sinal em um nvel de tenso especfico. O disparo costuma ser a funo menos compreendida de um osciloscpio, porm um dos recursos mais importantes a ser entendido.Uma fotografia do momento da chegada de uma corrida de cavalos anloga ao disparo do osciloscpio.

Compreender o disparo do osciloscpioO disparo costuma ser a funo menos compreendida de um osciloscpio, porm um dos recursos mais importantes a ser entendido, principalmente se voc precisar monitorar sinais muito complexos. possvel pensar no disparo do osciloscpio como "tirar fotografias sincronizadas". E uma imagem da forma de onda, na verdade, consiste em muitas amostras digitais consecutivas e individuais. Ao monitorar um sinal de entrada repetitivo, que algo tpico, o osciloscpio realiza aquisies repetitivas (ou tira fotografias repetitivas) para mostrar uma foto "em tempo real" de seu sinal de entrada. Essas fotografias repetitivas do osciloscpio devem estar sincronizadas em um ponto nico no sinal de entrada, a fim de mostrar uma forma de onda estvel no visor do osciloscpio. Embora alguns osciloscpios tenham vrios modos de disparo avanados para se escolher, o tipo mais comum de disparo aquele que realiza o disparo do osciloscpio quando o sinal de entrada cruza um nvel de limite de tenso especfico, em uma direo positiva ou negativa. Ns chamamos isso de "disparo de borda". Em outras palavras, o osciloscpio dispara (tira fotografias) quando o sinal de entrada muda de um nvel de tenso mais baixo para um nvel de tenso mais alto (disparo de borda ascendente) ou quando o sinal de entrada muda de um nvel de tenso mais alto para um nvel de tenso mais baixo (disparo de borda descendente).Uma fotografia do momento da chegada de uma corrida de cavalos anloga ao disparo do osciloscpio. Para registrar com preciso a chegada da corrida, o obturador da cmera deve estar sincronizado para quando o focinho do cavalo vencedor cruzar a linha de chegada frente.

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Exemplos de disparoLocal padro de disparo (tempo zero) em DSOs = centro da tela (horizontalmente)nico local de disparo em osciloscpios analgicos mais antigos = lado esquerdo da tela

Ponto de disparoPonto de disparoNo disparado(tirar fotografia sem sincronia)Disparo = Borda ascendente a 0,0 VDisparo = Borda descendente a +2,0 VNvel de disparo definido acima da forma de ondaTempo positivoTempo negativoExemplos de disparoNesse slide, mostramos trs exemplos de disparo de osciloscpio. Na figura esquerda, o nvel de disparo do osciloscpio est definido acima da forma de onda. Nesse caso, o sinal de entrada nunca cruza o nvel do limite de disparo em nenhuma direo. Usando o modo de disparo "Auto" padro, o osciloscpio tira fotografias sem sincronia do sinal de entrada e ns observamos o que parece ser uma forma de onda instvel. Este, na verdade, no um exemplo de disparo. Ao utilizar o modo de disparo "Auto", o osciloscpio gera disparos "automticos" sem sincronia se um evento de disparo real no ocorrer aps um perodo de tempo esgotado especfico. Embora nossa forma de onda no esteja sincronizada e parea instvel, pelo menos podemos ver como a forma de onda est escalonada verticalmente. Se tivssemos utilizado o modo de disparo "Normal" do osciloscpio como nvel de disparo definido acima da forma de onda, o osciloscpio no tiraria nenhuma fotografia e no seria possvel observar nenhuma forma de onda, estvel ou instvel.Na figura do meio, o osciloscpio foi configurado para disparar em bordas ascendentes do sinal de entrada, com o nvel de disparo definido em aproximadamente 50%. Nesse caso, possvel ver uma borda ascendente do sinal de entrada, exatamente no centro da tela. Esse o local de disparo padro do osciloscpio. Na figura direita, o osciloscpio foi configurado para disparar em bordas descendentes do sinal de entrada, com um nvel superior de disparo definido (+2,0 V) que est mais prximo ao pico positivo da forma de onda. Nesse caso, possvel ver uma borda ascendente do sinal de entrada, exatamente no centro da tela. Novamente, esse o ponto de disparo.Embora o local padro de disparo em todos os osciloscpios digitais seja no centro da tela (horizontalmente), possvel reposicionar o local de disparo para a esquerda ou direita, ajustando o boto de retardo horizontal algumas vezes chamado de boto de posio horizontal. Os osciloscpios analgicos com tecnologia mais antiga conseguem disparar somente no lado esquerdo da tela. Isso significa que os osciloscpios analgicos so capazes de mostrar apenas partes das formas de onda que ocorrem aps o evento de disparo algumas vezes denominadas "dados de tempo positivo". Porm DSOs so capazes de mostrar partes das formas de onda tanto antes (tempo negativo ou dados pr-disparo) quanto aps (dados de tempo positivo) o evento de disparo. Pode ser til observar dados pr-disparo para analisar os dados da forma de onda que podem ter acarretado uma condio de erro de disparo especfico. 15

Teoria de operao do osciloscpioDiagrama de blocos do DSOAmarelo = Blocos especficos do canalAzul = Blocos do sistema (suporta todos os canais)Teoria de operao do osciloscpioNo corao de todos os osciloscpios de armazenamento digital (DSOs) esto o conversor analgico para digital (ADC) e a memria de aquisio. Esses so os componentes do osciloscpios que essencialmente tiram fotografias das formas de onda. O ADC toma um sinal de entrada analgico e depois converte o valor de tenso analgico de um ponto particular no tempo em um valor binrio digital. Isso costuma ser atingido com 8 bits de resoluo vertical na maior parte dos DSOs da atualidade. Em outras palavras, os DSOs tpicos conseguem resolver os valores de tenso de sinais de entrada dentro de 1 parte em 256.Os blocos Atenuador, Deslocamento CC e Amplificador realizam uma pr-configurao de escala no sinal de entrada a fim de escalonar o sinal de entrada para que fique dentro da margem dinmica fixa do ADC. Ao ajustar o boto V/div, sero definidas as redes divisoras de tenso especficas no bloco atenuador para possivelmente reduzir a amplitude do sinal de entrada, e tambm definir o ganho do amplificador. Ao ajustar o boto de posio vertical, o deslocamento CC mudar. Novamente, o objetivo trazer o sinal de entrada que pode ter uma quantidade especfica de deslocamento CC para ficar dentro da margem dinmica fixa do ADC.Os blocos disparo e base de tempo controlam o momento e a velocidade com que o ADC adquirir as amostras (as fotografias so tiradas). O sinal do disparo, na verdade, diz ao bloco base de tempo quando necessrio parar de obter as aquisies (fotografias). Por exemplo, se o osciloscpio possui uma profundidade de memria de 1.000 pontos (ou amostras por aquisio) e se o osciloscpio foi configurado para disparar exatamente no centro da tela, o bloco base de tempo permitir que os blocos ADC/memria coletem amostras da entrada continuamente para preencher, no mnimo, metade da memria. Depois que o evento de disparo ocorrer, o bloco base de tempo permitir que os blocos ADC/memria obtenham 500 amostras adicionais antes da interrupo da amostragem. Nesse caso, as primeiras 500 amostras na memria de aquisio representam dados da forma de onda antes do evento de disparo, ao mesmo tempo que as 500 ltimas amostras na memria de aquisio representam dados da forma de onda aps o evento de disparo. Quando um ciclo de aquisio concludo, as amostras armazenadas na memria de aquisio devem ser processadas para a exibio. DSOs mais antigos simplesmente usavam o sistema de CPU do osciloscpio para ler os dados fora da memria de aquisio uma amostra por vez , processar dados e depois rearmazenar os dados amostrados na memria de exibio. Esse processo consumia muito tempo e s vezes resultava em taxas lentas de atualizao de forma de onda principalmente ao processar registros de memria profundos. Muitos dos DSOs mais novos atualmente usar DSPs personalizados e dedicados para processar/filtrar digitalmente dados e depois distribuir de forma eficiente os dados da forma de onda na memria de exibio, melhorando assim o rendimento e as taxas de atualizao da forma de onda.16Especificaes de desempenho do osciloscpioTodos os osciloscpios exibem uma resposta de frequncia passa-baixa.A frequncia em que a onda senoidal de entrada atenuada por 3 dB define a largura de banda do osciloscpio.-3 dB se iguala a ~ -30% de erro de amplitude (-3 dB = 20 log ).Resposta de frequncia gaussiana do osciloscpio

"Largura de banda" a especificao mais importante do osciloscpio

Especificaes de desempenho do osciloscpioO osciloscpio possui muitas especificaes diferentes, porm a mais importante a largura de banda. A frequncia de entrada mais alta que um osciloscpio pode captar e medir com preciso baseia-se na especificao de largura de banda do osciloscpio. Porm um osciloscpio no pode fazer medies precisas em sinais da mesma frequncia que a frequncia da largura de banda. Todos os osciloscpios exibem uma resposta de frequncia passa-baixa tipicamente chamada de resposta gaussiana. Uma resposta de frequncia gaussiana aproxima-se intimamente de um filtro passa-baixa unipolar. Talvez voc tenha apresentado respostas similares a esta em algumas de suas aulas de EE e as conhea como diagramas de Bode. medida que a frequncia de um sinal de entrada aumenta, o osciloscpio comea a atenuar o sinal de entrada e depois comea a fazer medies imprecisas. A frequncia na qual um sinal de entrada de onda senoidal atenuado por 3 dB a largura de banda do osciloscpio. Mas 3 dB de atenuao equivalente a aproximadamente 30% de atenuao com base na frmula de 20 log (Vo/Vi). 17Selecionar a largura de banda corretaLB requerida para aplicaes analgicas: frequncia de onda senoidal 3X mais alta.LB requerida para aplicaes digitais: frequncia de clock digital 5X mais alta.Determinao de LB mais precisa, com base em velocidades de borda de sinal (consulte a nota sobre aplicaes de "Largura de banda" no final da apresentao)Resposta usando um osciloscpio com LB de 100 MHzEntrada = Clock digital de 100 MHz

Resposta usando um osciloscpio com LB de 500 MHzSelecionar a largura de banda corretaComo as ondas senoidais de entrada so atenuadas por aproximadamente 30% (-3 dB) na frequncia de largura de banda do osciloscpio, nunca se deve usar um osciloscpio de uma largura de banda especfica para testar sinais com a mesma frequncia. Em aplicaes de medio analgica/RF pura (ondas senoidais), recomendvel que a largura de banda do osciloscpio seja trs vezes maior do que a frequncia de onda senoidal de entrada mais alta que voc deseja medir. Em 1/3 da largura de banda do osciloscpio, os sinais costumam ser minimamente atenuados.Em aplicaes digitais, que na realidade so mais comuns hoje em dia, a largura de banda do osciloscpio deve ser, no mnimo, cinco vezes maior do que a taxa de clock mais alta do seu sistema. Se voc lembra de algumas aulas de EE, todos os sinais incluindo os sinais de clock digitais so compostos de ondas senoidais mltiplas. Se a largura de banda do seu osciloscpio for, no mnimo, cinco vezes maior do a taxa de clock mais alta, ento ser possvel captar at a quinta harmnica com atenuao mnima.Este slide mostra dois osciloscpios com larguras de banda diferentes que captam o mesmo sinal de clock digital de 100 MHz. A figura esquerda mostra com o que um clock digital de 100 MHz se parece quando captado por um osciloscpio com largura de banda de 100 MHz. As harmnicas maiores desse sinal foram atenuadas para um grau tal, que tudo o que praticamente permanecer ser o componente de frequncia fundamental desse sinal de clock (onda senoidal de 100 MHz). A figura direita mostra com o que o mesmo sinal de clock de 100 MHz se parece quando captado por um osciloscpio com largura de banda de 500 MHz. O osciloscpio com largura de banda de 500 MHz capaz no somente de captar o componente de frequncia fundamental de 100 MHz, mas tambm a terceira e a quinta harmnica, com razovel preciso.Observe que o fator 5X para aplicaes digitais , na verdade, apenas uma recomendao prtica. Na verdade, h um mtodo mais preciso de determinar a largura de banda apropriada com base no contedo de frequncia real em bordas de alta velocidade independentemente da taxa de clock. Se voc estiver interessado em aprender sobre esse mtodo mais preciso, consulte a nota de aplicao no final desta apresentao intitulada "Avaliar as larguras de banda de osciloscpios para suas aplicaes". 18

Outras especificaes importantes do osciloscpioTaxa de amostragem (em amostras/s) Deve ser 4X LBProfundidade de memria Determina as formas de onda mais compridas que podem ser captadas ainda durante a amostragem taxa de amostra mxima do osciloscpio.Nmero de canais Tipicamente 2 ou 4 canais. Os modelos MSO adicionam de 8 a 32 canais de aquisio digital com resoluo de 1 bit (alta ou baixa).Taxa de atualizao de forma de onda Taxas de atualizao mais rpidas melhoram a probabilidade de detectar problemas de circuito que no ocorrem com frequncia.Qualidade da exibio Tamanho, resoluo, nmero de nveis de gradao de intensidade.Modos de disparo avanados Larguras de pulso com qualificao de tempo, Padro, Vdeo, Serial, Violao de pulso (velocidade de borda, tempo de configurao/reteno, tempo de execuo) etc.Outras especificaes importantes do osciloscpioEmbora a largura de banda seja a especificao de osciloscpio mais importante, h outras especificaes que voc deve considerar, caso voc tenha de escolher e comprar um osciloscpio. Elas so:Taxa de amostra deve ser, no mnimo, 4X a largura de banda do osciloscpioProfundidade de memria determina a extenso de uma forma de onda captadaNmero de canais A maioria dos osciloscpios vem em modelos de 2 e 4 canais. Porm modelos MSO adicionam canais de temporizao de lgica de aquisio para monitorar e testar conjuntos mais complexos de sinais digitais.Taxa de atualizao da forma de onda Taxas de atualizao mais rpidas significam tirar fotografias mais rapidamente, o que pode melhorar a probabilidade do osciloscpio de captar eventos pouco frequentes, como falhas.Qualidade da exibio consiste em tamanho da tela, resoluo e nmero de nveis de gradao de intensidade. A gradao de intensidade pode ser uma caracterstica importante de uma qualidade de exibio de osciloscpio, a fim de exibir e fazer julgamentos intuitivos sobre rudos e instabilidades aleatrias.Modos de disparo avanados - permite que o osciloscpio sincronize em sinais mais complexos, como sinais de barramento serial.19Testes revisitados - Modelo de teste dinmico/CACosciloscpio e Ccabo so capacitncias inerentes/parasitas (no projetados intencionalmente)Cponta e Ccomp so projetados intencionalmente para compensar Cosciloscpio e Ccabo.Com compensao de ponta de prova adequadamente ajustada, a atenuao dinmica/CA em razo de reatncias capacitivas dependentes de frequncia deve corresponder atenuao divisora de tenso resistiva projetada (10:1).

Modelo de ponta de prova passiva 10:1Em que Cparalelo a combinao paralela de Ccomp + Ccabo + Cosciloscpio

Testes revisitados Modelo de teste dinmico/CAAnteriormente discutimos o modelo esttico/CC de uma ponta de prova passiva padro 10:1. No modelo esttico/CC, ns simplificamos significativamente o modelo eliminando os elementos/componentes capacitivos. Isso nos deixou com uma simples rede divisora de tenso com 2 resistores. Vamos tratar agora do modelo dinmico/CA da ponta de prova/osciloscpio e levar em conta os efeitos dos elementos capacitivos desse modelo. Ccabo, que a capacitncia do cabo da ponta de prova, e Cosciloscpio, que a capacitncia na entrada do BNC do osciloscpio, so capacitncias inerentes (ou parasitas) nesse modelo de ponta de prova. Isso significa que esses elementos no foram projetados intencionalmente mas so apenas um fato infeliz da vida. Cponta e Ccomp, que significam o capacitor de compensao varivel, foram projetados intencionalmente para compensar os elementos capacitivos naturais/inerentes. Quando Ccomp ajustado adequadamente, a reatncia capacitiva de Cponta em relao combinao paralela de Ccomp + Ccabo + Cosciloscpio deve ter a mesma proporo de atenuao que a atenuao decorrente dos componentes resistivos no modelo. Em outras palavras, XC-ponta deve ser 9X aquele do XC-paralelo. Isso estabelecer a mesma reduo 10:1 em amplitude de sinais recebida no BNC de entrada do osciloscpio sob condies dinmicas/CA como a rede resistiva sob condies CC.Note tambm que quando XC-ponta exatamente 9X aquele de XC-paralelo, a constante de tempo RC de Rponta e Cponta ser igual constante de tempo RC de Rosciloscpio e Cparalelo. 20Compensar as pontas de provaConecte as pontas de prova do Canal 1 e Canal 2 ao terminal "Comp de ponta de prova.Ajuste os botes V/div e s/div para exibirem ambas as formas de onda na tela.Usando uma chave de fenda pequena com lmina lisa, ajuste o capacitor de compensao de ponta de prova varivel (Ccomp) em ambas as pontas de prova para uma resposta plana (quadrada). Compensao adequadaCanal 1 (amarelo) = sobrecompensadoCanal 2 (verde) = subcompensado

Compensar as pontas de provaPara compensar suas pontas de prova, primeiramente conecte as pontas de prova de seu osciloscpio ao terminal "Comp de ponta de prova" no painel frontal do osciloscpio. Quando os sinais de treinamento no esto ativados, sempre haver uma onda quadrada de 1 kHz presente nesse terminal para ser usada na compensao de ponta de prova. Em seguida, configure o osciloscpio para que exiba alguns ciclos desse sinal no visor do osciloscpio. Se suas pontas de prova estiverem compensadas de forma adequada, observe uma onda quadrada quase perfeita em cada canal do osciloscpio conforme mostrado na figura esquerda. Se suas pontas de prova no estiverem compensadas de forma adequada, voc perceber uma distoro na forma de onda, conforme mostrado na figura direita. Para corrigir essa distoro, ajuste o capacitor de compensao varivel em cada ponta de prova usando uma chave de fenda pequena com lmina lisa at que sejam observadas formas de onda livres de distoro (onda quadrada perfeita). Depois que as pontas de prova estiverem adequadamente compensadas, no necessrio repetir esse processo da prxima vez que voc usar esse osciloscpio com essas pontas de prova em questo. Contudo, bastante til conectar ocasionalmente suas pontas de prova ao terminal de compensao de ponta de prova para se certificar de que ainda esto adequadamente ajustadas. 21Carregar pontas de provaO modelo de entrada do osciloscpio e da ponta de prova pode ser simplificado a um nico resistor e capacitor.

Qualquer instrumento (no somente os osciloscpios) conectado a um circuito torna-se parte do circuito sendo submetido ao teste e afeta os resultados medidos... principalmente em frequncias mais altas. Carregar implica os efeitos negativos que o osciloscpio/ponta de prova pode causar no desempenho do circuito.

CCargaModelo de carregamento ponta de prova + osciloscpio RCarga Carregar pontas de provaAlm de compensar de forma adequada suas pontas de prova passivas 10:1 a fim de obter as medies mais precisas no osciloscpio, outra questo que deve ser considerada o carregamento da ponta de prova. Em outras palavras, conectar a ponta de prova e o osciloscpio a seu dispositivo sob teste (DUT) mudar o comportamento do seu circuito? Quando voc conecta qualquer instrumento em seu circuito, o instrumento em si (incluindo a ponta de prova) torna-se parte de seu DUT e pode "carregar" ou mudar o comportamento de seus sinais de alguma forma. Para determinar o grau de carregamento da ponta de prova/osciloscpio, nosso modelo de ponta de prova/osciloscpio pode ser simplificado a um nico resistor e capacitor, conforme mostrado neste slide. Vamos agora calcular os calores de Rcarga e Ccarga.22AtribuiesSupondo-se que Cosciloscpio = 15pF, Ccabo = 100pF e Cponta = 15pF, calcule Ccomp se adequadamente ajustado. Ccomp = ______Usando o valor calculado de Ccomp, calcule CCarga. CCarga = ______Usando o valor calculado de CCarga, calcule a reatncia capacitiva de CCarga a 500 MHz. XC-Carga = ______

C Carga = ?

AtribuiesSuponha estas condies:Cosciloscpio = 15 pFCcabo = 100 pFCponta = 15 pF

Rcarga simplesmente a combinao em srie de Rponta (9 M) e Rosciloscpio (1 M), que 10 M.Determine Ccomp (supondo compensao adequada) usando as equaes de reatncia capacitivas apresentadas anteriormente. Lembre-se de que a reatncia de Cponta deve ser 9X a reatncia de Cparalelo. Observe que isso tambm o mesmo que equacionar a constante de tempo RC da combinao paralela de Rponta e Cponta com a combinao paralela de Rosciloscpio e Cparalelo. Cparalelo simplesmente a combinao paralela de Ccomp + Ccabo + Cosciloscpio.

Usando o valor calculado de Ccomp, determine Ccarga. Ccarga ser a combinao em srie de Cponta e Cparalelo.

Aps determinar Rcarga e Ccarga, possvel ento incluir esses dois componentes paralelos no modelo de seu circuito sob teste para determinar se h uma diferena simulada/calculada no desempenho do sinal com ou sem esses componentes de carregamento adicionais.

Agora, determine a reatncia capacitiva de Ccarga a 500 MHz.

Voc acredita que essa quantidade de reatncia (carregamento) de capacitncia poderia afetar o comportamento de alguns sinais sob teste nessa frequncia?

Observe que para aplicaes de alta frequncia, usar uma ponta de prova passiva 10:1 pode NO ser a melhor soluo para medies precisas em razo do carregamento de ponta de prova. Uma melhor soluo seria usar uma ponta de prova ativa. Pontas de prova ativas tipicamente tm capacitncia de entrada muito mais baixas para aplicaes de alta frequncia. Porm o conflito da ponta de prova ativa que ela custa mais do que a ponta de prova passiva padro 10:1.23Usar o Tutorial e Guia de laboratrio do osciloscpioTrabalho para casa Leia as sees abaixo antes de sua primeira sesso de laboratrio sobre osciloscpios:Seo 1 IntroduoTestes do osciloscpioFamiliarizar-se com o painel frontalApndice A Diagrama de bloco do osciloscpio e teoria de operaoApndice B Tutorial de largura de banda do osciloscpio

Aulas prticas de laboratrio com osciloscpiosSeo 2 Osciloscpio bsico e WaveGen Aulas de medio em laboratrio (7 aulas de laboratrio individuais)Tutorial e Guia de laboratrio do osciloscpioFaa o download em www.agilent.com/find/1000EDU

Usar o Tutorial e Guia de laboratrio do osciloscpioO Tutorial e Guia de laboratrio do osciloscpio pode ser baixado gratuitamente em www.agilent.com/find/1000EDU. Antes de iniciar sua primeira aula de laboratrio para familiarizao com o osciloscpio, leia a Seo 1, o Apndice A e o Apndice B do Tutorial e Guia de laboratrio do osciloscpio. Durante sua primeira sesso de laboratrio para familiarizao com o osciloscpio, conclua a Seo 2 do guia de laboratrio. Essa seo do guia consiste em 7 aulas prticas de laboratrio individuais para medio. Voc deve concluir essas 7 aulas prticas em menos de 2 horas.24Recursos tcnicos adicionais disponibilizados pela Agilent TechnologiesNota de aplicaoPublicao NAvaliar os princpios bsicos do osciloscpio5989-8064ENAvaliar as larguras de banda dos osciloscpios para suas aplicaes5989-5733ENProbe Loading Experiment5990-9175ENAvaliar taxas de amostra do osciloscpio vs. fidelidade de amostragem5989-5732ENAvaliar osciloscpios para obter as melhores taxas de atualizao de formas de onda5989-7885ENAvaliar osciloscpios para obter a melhor qualidade de exibio5989-2003ENAvaliar as caractersticas de rudos verticais no osciloscpio5989-3020ENAvaliar osciloscpios para depurar projetos de sinal misto5989-3702ENPgina 25http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/xxxx-xxxxEN.pdfInserir N da pub. em lugar de xxxx-xxxxRecursos tcnicos adicionais disponibilizados pela Agilent TechnologiesSe voc estiver interessado em saber mais sobre osciloscpios e suas medies, possvel baixar esses documentos gratuitamente pela URL citada neste slide. Simplesmente insira o nmero da publicao em lugar de xxxx-xxxx. Como alternativa, possvel acessar o site da Agilent em www.agilent.com e depois inserir o nmero da publicao na caixa com o mecanismo de pesquisa da Agilent. 25Pgina 26Perguntas e respostasP&R

26Perguntas e respostas