ABC do OSCILOSCÓPIO. princípio de funcionamento e estado da tecnologia. mário ferreira alves

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1 ABC d OSCILOSCÓPIO princípi de funcinament e estad da tecnlgia mári ferreira alves mjf@isep.ipp.pt v3 fev.2007

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3 PEFÁCIO Nas últimas décadas, ser human tem vind a depender cada vez mais de sistemas eléctrics, electrónics e cmputacinais. Na primeira metade d sécul XX a electricidade era apenas utilizada cm fnte de energia facilmente transprtável para bter utras frmas de energia úteis (e.g. iluminaçã, frça mtriz, aqueciment) ns lcais necessáris. Entretant, apareciment ds dispsitivs semicndutres e prgramáveis a partir de meads d sécul XX marcu um imprtante pnt de viragem a diverss níveis, pis cmeçu a ser pssível utilizar sistemas eléctrics e electrónics para acções de cntrl. Mais recentemente, a enrme evluçã das Tecnlgias de Infrmaçã e Cmunicaçã (TIC) fazem que algumas visões n passad passem a ser paradigmas na actualidade, nmeadamente da ubiquidade ds sistemas cmputacinais, nde se precniza a incrpraçã de dispsitivs inteligentes (cm capacidade sensrial, de armazenament, de prcessament e de cmunicaçã) em tda e qualquer entidade passível de ser mnitrizada/cntrlada. Actualmente, muit dificilmente ns dams cnta da quantidade e cmplexidade das TIC que incrpram s sistemas que ns rdeiam, mesm n dia-a-dia - desde s electrdméstics a autmóvel, passand pels telefnes móveis e sistemas de dmótica. Neste cntext, papel d Engenheir assume particular relevância a nível da cncepçã destes sistemas, mas também a nível da sua instalaçã, teste, validaçã, manutençã e actualizaçã/evluçã. É neste cntext que as ferramentas de teste/diagnóstic de sistemas eléctrics e electrónics ganham particular imprtância, salientand-se s multímetrs e s scilscópis cm s mais versáteis, pdend ser utilizads num sem númer de aplicações. Saliente-se que embra estes equipaments sirvam para medir grandezas eléctricas, pderems utilizá-ls para analisar qualquer utra grandeza (nã eléctrica), desde que estejams prvids ds transdutres e circuits de cndicinament de sinal adequads. Enquant que multímetr se limita a apresentar a indicaçã de um u mais parâmetrs característics (e.g. valr eficaz, valr de pic, frequência) de uma dada grandeza (e.g. tensã, crrente), quand é necessária uma análise mais aprfundada da grandeza mensuranda, nmeadamente a nível d seu cmprtament tempral, trna-se fundamental a utilizaçã de um scilscópi. Na sua frma mais básica, scilscópi é um instrument de mediçã que permite analisar visualmente um u mais sinais eléctrics em temp-real, permitind medir e cmparar diverss parâmetrs destes sinais. A aquisiçã de cmpetências a nível d funcinament e utilizaçã d scilscópi trna-se entã fundamental para aluns de curss de engenharia. N cas particular d ISEP, salientam-se s curss de Engenharia Electrtécnica e Mecânica actualmente em funcinament, nde este tema é abrdad n âmbit de diversas disciplinas sb a respnsabilidade d Grup de Disciplinas de Ciências Básicas da Electrtecnia. Saliente-se que dmíni desta ferramenta pr parte ds aluns assume uma imprtância imediata para sustentar s trabalhs labratriais e prjects que fazem parte d seu percurs na escla. Neste cntext, e da experiência adquirida pel autr na leccinaçã desta matéria, apnta-se cm temp necessári e suficiente para alun ser capaz de cnhecer e utilizar as funcinalidades básicas de um scilscópi cerca de seis

4 hras. Destas, três a quatr hras deverã ser dedicadas a uma expsiçã ds cnceits fundamentais e da frma de utilizar scilscópi, essencialmente utilizand aulas teóricas. Cmplementarmente, cnsidera-se brigatóri alun utilizar um scilscópi durante pel mens uma aula prática (duas hras), familiarizand-se cm equipament assciad tal cm pntas de prva e geradres de sinais. Esta aprendizagem experimental endereça scilscópi cm um fim. É também imprtante que alun cnslide seu cnheciment a lng de uma u mais aulas práticas subsequentes, nde passa a utilizar scilscópi cm um mei, n âmbit de trabalhs prátics. Este dcument é uma evluçã de [1] e apresenta princípi de funcinament d scilscópi, sintetizand s aspects fundamentais relacinads cm a sua utilizaçã e sumariand estad actual da tecnlgia, tant n que respeita a scilscópis analógics cm a scilscópis de amstragem (cnhecids cm scilscópis digitais ). O mdel d ensin superir está neste mment a ser alterad n sentid da harmnizaçã precnizada pel Acrd de Blnha. As licenciaturas em Engenharia vã ser reduzidas para 3 ans, precnizand-se uma diminuiçã da carga hrária presencial. Desta frma, é necessári criar mecanisms para facilitar a autnmia de estud a alun. É neste cntext que ganham particular imprtância ferramentas que permitam as aluns a aquisiçã de cnheciments sem necessidade de deslcaçã a um labratóri, já que temp para efectuar as experiências presencialmente vai ser menr. Neste cntext, surgem dis tips de ferramentas cmputacinais ptencialmente interessantes: s simuladres de scilscópi e s scilscópis baseads em placas de sm. Os simuladres de scilscópi representam virtualmente um scilscópi n PC, nrmalmente incluind um geradr de sinais (também virtual) para servir de fnte de sinal. Os scilscópis baseads em placas de sm utilizam placas de sm cnvencinais (existentes na quase glbalidade ds PCs) para a entrada/saída de sinais, implementand nrmalmente um scilscópi de dis canais e um geradr de sinais. É esta a mtivaçã para que este dcument apresente uma breve referência a algumas destas ferramentas. Este dcument está estruturad em 6 secções. A primeira intrduz alguns cnceits e terminlgia relevantes neste cntext. A Secçã 2 endereça princípi de funcinament ds scilscópis analógics e de amstragem, bem cm apresenta algumas das características que pdem e devem pesar aquand da aquisiçã destes equipaments. As questões relacinadas cm a interligaçã entre scilscópi e s circuits sb teste sã abrdadas na Secçã 3, enquant que a Secçã 4 apresenta uma descriçã ds cmands mais habitualmente encntrads ns scilscópis analógics e de amstragem. Na Secçã 5 apresentam-se algumas técnicas para efectuar medições de tensã e de temp. Finalmente, a Secçã 6 abrda estad actual da tecnlgia, apresentand as características mais relevantes de diverss tips e mdels de scilscópis dispníveis n mercad.

5 ÍNDICE 1. INTODUÇÃO O QUE É E PAA QUE SEVE UM OSCILOSCÓPIO? ASPECTO EXTEIO DE UM OSCILOSCÓPIO MEDIÇÃO DE GANDEZAS NÃO ELÉCTICAS E NÃO PEIÓDICAS? SIGNIFICADO DE ANALÓGICO E DIGITAL INSTUMENTOS EAIS E VITUAIS PINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO E CAACTEÍSTICAS PINCIPAIS OSCILOSCÓPIOS ANALÓGICOS E DE AMOSTAGEM PINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO OSCILOSCÓPIO ANALÓGICO PINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO OSCILOSCÓPIO DE AMOSTAGEM MÉTODOS DE AMOSTAGEM CAACTEÍSTICAS MAIS ELEVANTES INTELIGAÇÃO ENTE O OSCILOSCÓPIO E OS CICUITOS EM ANÁLISE CONCEITOS INTODUTÓIOS SOBE LIGAÇÕES DE MASSA E TEA PONTAS DE POVA COMPENSAÇÃO DO CICUITO DE ATENUAÇÃO COMANDOS FUNDAMENTAIS CONSIDEAÇÕES INICIAIS COMANDOS DO ECÃ COMANDOS DO SISTEMA VETICAL COMANDOS DO SISTEMA HOIZONTAL COMANDOS DO SISTEMA DE SINCONISMO TÉCNICAS DE MEDIÇÃO O ECÃ AJUSTE INICIAL DOS COMANDOS MEDIÇÃO DE TENSÃO MEDIÇÃO DE PEÍODO E FEQUÊNCIA MEDIÇÃO DE TEMPO DE SUBIDA MEDIÇÃO DE DESFASAMENTO SINCONIZAÇÃO DE FOMAS DE ONDA COMPLEXAS ESTADO DA TECNOLOGIA TIPOS DE OSCILOSCÓPIOS ACTUAIS E EMEGENTES OSCILOSCÓPIOS DE BAIXO CUSTO OSCILOSCÓPIOS TOPO DE GAMA OSCILOSCÓPIOS BASEADOS EM COMPUTADO SIMULADOES DE OSCILOSCÓPIOS EFEÊNCIAS APÊNDICES APÊNDICE A PINCÍPIO DO EFEITO HALL APÊNDICE B COMPENSAÇÃO DO CICUITO DE ATENUAÇÃO: POVA APÊNDICE C ANÁLISE DE SINAIS DE VÍDEO APÊNDICE D MÉTODO ELÍPTICO PAA MEDIÇÃO DE DESFASAMENTO: POVA Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia 1/68

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7 1. INTODUÇÃO 1.1. O que é e para que serve um scilscópi? Basicamente, um scilscópi é um instrument de mediçã que representa graficamente sinais eléctrics n dmíni tempral. N md de funcinament usual, um scilscópi mstra cm é que um u mais sinais eléctrics variam n temp (Figura 1). Neste cas, eix vertical (YY) representa a amplitude d sinal (tensã) e eix hrizntal (XX) representa temp. A intensidade (u brilh) d ecrã é pr vezes denminada de eix ds ZZ. a) Visualizaçã de um sinal b) Visualizaçã de dis sinais Figura 1: Ecrã de scilscópi [13] Uma representaçã gráfica deste tip permitirá a análise de diversas características de um sinal, nmeadamente: Amplitude (de tensã): valres máxim (pic psitiv), mínim (pic negativ), pic-a-pic e eficaz, diferenciais de amplitude, cmpnentes cntínua e alternada. Temp: períd, frequência, diferenciais de temp num sinal e entre dis sinais, atrass, desfasament entre dis sinais, temps de subida. Existência de interferências (ruíd) cntinuadas, perturbações transitórias. Cmparaçã entre entrada e saída de sistemas, nmeadamente para analisar ganhs, desfasaments, filtragens, rectificações, permitind prjectar e depurar s mesms sistemas. A utilizaçã d md XY facilita alguns tips de análises. Neste md de funcinament, eix ds XX deixa de representar temp, passand a ser estimulad pr um sinal de entrada. Desta frma, a frma de nda visualizada n ecrã será a representaçã de um sinal de entrada em funçã de utr sinal de entrada. Tal cm se verá na Secçã 5.6, md XY é muit interessante para a mediçã de desfasaments entre sinais sinusidais. Os scilscópis de amstragem (cnhecids cm digitais ) autmatizam uma série de medições e incrpram muitas funcinalidades adicinais as scilscópis analógics, tal cm verems a lng deste dcument. Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia 3/68

8 1.2. Aspect exterir de um scilscópi Quant a seu aspect exterir, s scilscópis pdem dividir-se fundamentalmente em scilscópis prtáteis e de bancada (Figura 2). a) Oscilscópis prtáteis [2] [3] b) Oscilscópis de bancada [4] [5] Figura 2: Exempls de scilscópis Cmeçam também agra a vulgarizar-se s scilscópis baseads em cmputadres pessais (PCs), que nã apresentam nenhum aspect exterir característic: u se baseiam em placas embebidas n própri PC, u existe um módul exterir ( caixa preta de aquisiçã de sinais) que interliga circuit em teste cm PC (nrmalmente através de USB, Ethernet, S-232 u GPIB). O painel frntal de um scilscópi típic (Figura 3) englba ecrã (assinalad a vermelh) e um cnjunt de cmands dividids em grups, rganizads segund a sua funcinalidade. Existe um grup de cmands para cntrl d eix ds YY (amplitude d sinal, a verde), utr para cntrl d eix ds XX (temp, a castanh) e utr ainda para cntrlar s parâmetrs d ecrã (indicads a azul). Existe também um cnjunt de terminais de entrada e saída de sinais (amarel). Figura 3: Painel frntal de um scilscópi analógic típic [6] Estes grups de cmands existem para permitir a visualizaçã e análise de sinais de características diversas, nmeadamente cm uma gama significativa de amplitudes e frequências. 4/68 Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia

9 1.3. Mediçã de grandezas nã eléctricas e nã periódicas? O scilscópi é utilizad em inúmeras aplicações, tã variadas cm a reparaçã de electrdméstics, a manutençã autmóvel, a análise de vibrações u a análise de redes de cmunicaçã de dads. Pr princípi, scilscópi é um instrument de mediçã adequad para medir/analisar sinais periódics. N entant, s scilscópis de amstragem permitem analisar sinais transitóris (nã periódics), tais cm s apresentads na Figura 4. a) Tensã as terminais de um sensr de psiçã angular restátic b) Tensã numa bateria de autmóvel antes, durante e após arranque d mtr térmic Figura 4: Exempls de sinais nã periódics [7] Outr aspect a salientar é que scilscópi nã se limita à mediçã de grandezas eléctricas. Cm transdutr aprpriad, scilscópi pderá utilizarse para visualizar e medir qualquer tip de grandeza física. Um transdutr eléctric é um dispsitiv que transfrma a variaçã de uma grandeza nã eléctrica (e.g. pressã, humidade, luz) na variaçã de uma grandeza eléctrica (e.g. resistência, indutância, capacidade, frça electrmtriz). O Vcabulári Internacinal de Metrlgia [8] define genericamente transdutr cm dispsitiv que faz crrespnder, segund uma lei determinada, uma grandeza de saída a uma grandeza de entrada. Veja-se exempl da Figura 4a, nde um scilscópi é utilizad para analisar cmprtament de um transdutr de psiçã angular d tip restátic (resistência variável) Significad de analógic e digital É prática crrente distinguir s scilscópis cm analógics e digitais. De frma a evitar ambiguidades na terminlgia utilizada neste dcument, é fundamental esclarecer alguns cnceits genérics relacinads cm s instruments de mediçã, cnceits estes que s leigs descnhecem e que raramente sã clars mesm para especialistas nas áreas de electrtecnia/electrónica. Neste cntext, é fundamental a cnsulta d Vcabulári Internacinal de Metrlgia [8], editad na língua prtuguesa pel Institut Prtuguês da Qualidade. Um instrument de mediçã é um dispsitiv destinad à execuçã da mediçã, islad u em cnjunt cm utrs equipaments suplementares. Se um Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia 5/68

10 instrument de mediçã envlve tecnlgia eléctrica u electrónica, u seja, se inclui circuits cm cmpnentes eléctrics (resistências, bbinas, cndensadres, etc.) e/u electrónics (díds, transístres, tirístres, etc.), ele é denminad de instrument de mediçã eléctric/electrónic. Quand se classifica um instrument de mediçã cm analógic u digital deve ter-se em cnta a frma de apresentaçã d sinal de saída u da indicaçã e nã princípi de funcinament d instrument: Num instrument de mediçã analógic, sinal de saída u indicaçã é uma funçã cntínua d valr da mensuranda u d sinal de entrada. Um instrument de mediçã digital apresenta sinal de saída u a indicaçã sb a frma digital (numérica). Cnsequentemente, é errad distinguir entre scilscópis analógics e digitais, pis tds s scilscópis têm uma indicaçã analógica, u seja, tds mstram a evluçã d sinal de entrada a lng d temp, devend pr iss ser denminads de instruments analógics. Os scilscópis nrmalmente cnhecids cm digitais devem ser referenciads cm scilscópis de amstragem. Estes cmplementam a indicaçã analógica cm um cnjunt de indicações digitais (e.g. períd, frequência, cmpnente cntínua e alternada). É prtant imprtante distinguir entre a indicaçã e princípi de funcinament ds instruments de mediçã. Nte-se que existem instruments de mediçã digitais cm princípi de funcinament puramente mecânic, tal cm um cntadr de água, nde existe uma indicaçã digital (a quantidade de metrs cúbics cnsumids) e uma indicaçã analógica ( caudal de água). Da mesma frma, muitas vezes tems indicações analógicas em instruments de tecnlgia digital, tal cm gráfics de barras e diagramas sinóptics numa interface gráfica de um cmputadr. É também imprtante eliminar uma pssível cnfusã cm s cnceits de electrónica analógica e electrónica digital. O que distingue um circuit eléctric de um circuit electrónic é que segund envlve a utilizaçã de dispsitivs baseads em semicndutres, tais cm transístres, díds e tirístres, além da eventual utilizaçã de dispsitivs eléctrics (resistências, cndensadres, indutâncias, etc.). Figura 5: Multímetr cm indicações analógica e digital [9] A electrónica analógica distingue-se da electrónica digital, pis num circuit digital a infrmaçã é em algum síti cnvertida para digital (apenas dis níveis lógics). Devems entã efectuar uma distinçã clara entre tip de indicaçã (analógica u digital) e princípi de funcinament analógic u digital de um instrument de mediçã eléctric/electrónic. Pr exempl, um cntadr de energia eléctrica tradicinal nã cntém nenhuma electrónica digital, n entant a indicaçã (quantidade de kw.h) é digital. Analgamente, um multímetr digital (u seja, cm electrónica digital) pderá dar uma indicaçã analógica (veja-se exempl 6/68 Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia

11 da Figura 5, nde existe uma indicaçã analógica - uma barra n mstradr de cristais líquids que aumenta u diminui cm valr da grandeza medida). Nte-se que em determinads sistemas é imprtante ter indicações analógicas, prque a percepçã da quantidade e da tendência crescente u decrescente da grandeza mensuranda é muit mais rápida d que n cas das indicações digitais. Nmeadamente em sistemas crítics, nde a crrência de uma falha pde riginar cnsequências catastróficas para pessas, bens u mei ambiente, a grande mairia ds instruments sã analógics. Pr exempl, num autmóvel velcímetr e cnta-rtações sã sempre analógics (salv raras excepções), pis a mair precupaçã d autmbilista deve ser cnduzir autmóvel em segurança, pel que apenas lhe interessa ter uma ideia aprximada d valr da velcidade (se vai a mais u mens de 90 km/h, pr exempl) e d regime de rtaçã d mtr (se já atingiu vermelh, pr exempl). Send instruments analógics cndutr cnsegue ter essa percepçã mais rapidamente de que se a indicaçã fsse digital Instruments reais e virtuais Os instruments de mediçã em geral, e s scilscópis em particular, pdem classificar-se cm reais e virtuais, de acrd cm a distribuiçã espacial das suas cmpnentes: Os instruments de mediçã reais sã instruments chave-na-mã, incrprand num só equipament tds s blcs da cadeia de instrumentaçã e cntrl necessáris a seu funcinament (mediçã de uma dada grandeza), desde a transduçã até à indicaçã. Os instruments de mediçã virtuais englbam alguns u tds s blcs da cadeia de instrumentaçã e cntrl num cmputadr. Sã também chamads de instruments baseads em cmputadr. Os scilscópis virtuais u baseads em cmputadr cmeçam a ter alguma aceitaçã n mercad, para alguns tips de aplicaçã. Estes pdem ter várias arquitecturas pssíveis (Figura 6): Placa de aquisiçã de dads (I/O) interna (Figura 6a) Os scilscópis deste tip baseiam-se nrmalmente numa placa específica para efeit, mas para algumas aplicações mens exigentes pde utilizar-se a placa de sm. Além de permitirem a entrada de sinais, pr vezes dispnibilizam também a geraçã de sinais. Módul de aquisiçã de dads (I/O) extern (Figura 6b) O cmputadr cmunica cm um dispsitiv de aquisiçã de dads extern, através de uma interface de cmunicaçã (e.g. USB, S-232, Paralel). É frequente dispnibilizarem a geraçã de sinais. Cmputadr cm interface de scilscópi real (Figura 6c) O cmputadr cmunica cm um scilscópi real, através de uma interface de cmunicaçã (e.g. USB, S-232, GPIB, Ethernet). O cmputadr irá funcinar cm uma interface de alt nível relativamente a Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia 7/68

12 scilscópi real, apresentand um cnjunt de funcinalidades reduzid (só um subcnjunt das funcinalidades), idêntic u acrescid (eventualmente adicinand utras ptencialidades, tais cm análise frequencial, cres, cursres e base de dads). Placa I/O Placa Cm. (USB, S-232,...) Placa I/O Placa Cm. (USB,Ether,GPIB) Oscilscópi a) Placa I/O interna b) Módul I/O extern c) PC - Oscilscópi Figura 6: Arquitecturas de scilscópis virtuais Analisems agra algumas vantagens e incnvenientes ds scilscópis reais e virtuais quant a algumas características imprtantes: Cust Os custs de um scilscópi virtual devem ser analisads e cmparads cm equivalente real (se existir). Se em terms de manutençã nã haverá diferenças significativas entre s dis tips de scilscópi, já em terms de custs de aquisiçã e eventuais custs de desenvlviment mesm pderá nã suceder. Em terms de custs de aquisiçã é precis ter em cnta que é necessári um cmputadr, eventualmente cm hardware específic (placa de aquisiçã de dads u GPIB, pr exempl) e ferramentas de sftware (Visual Basic, LabWindws, etc.) se estiver previst desenvlviment da aplicaçã de instrumentaçã virtual. Neste cas, é também necessári avaliar esfrç labral inerentes a desenvlviment desta aplicaçã. Saliente-se que se se pretenderem algumas funcinalidades específicas (e.g. análise/prcessament de dads u interface cm utilizadr) para um scilscópi real, iss pde ter custs elevads u ser mesm impssível. Pel cntrári, iss pderá ser levad a cab através da utilizaçã de um cmputadr (instrument virtual). Flexibilidade (Capacidade de Alteraçã e Evluçã) Quem cncebe um scilscópi virtual pde adaptar as funcinalidades de análise/prcessament de dads e de interface cm utilizadr a cada aplicaçã e utilizadr em cncret. É muit mais fácil alterar/evluir sftware (instrument virtual) d que hardware (instrument real). A actualizaçã/evluçã de um scilscópi virtual é ptencialmente mais simples, tant em terms da capacidade de análise/prcessament de dads (pr exempl, adicinar análise espectral a um scilscópi virtual), cm em terms de temp de execuçã ( hardware ds cmputadres evlui muit mais depressa d que seu preç). 8/68 Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia

13 Interface de Utilizaçã Um scilscópi virtual pde ser persnalizad de frma a ser utilizad em aplicações específicas. Pr exempl, s scilscópis reais cm muitas ptencialidades sã nrmalmente de utilizaçã alg cmplexa para alguns tips de utilizadres. Esses scilscópis cmplexs pdem ser transfrmads em instruments (virtuais) mais amigáveis, através de uma interface cm utilizadr mais ergnómica (mais funcinal e simples de utilizar, na língua de rigem d utilizadr, etc.). Ambiente de Utilizaçã Se um scilscópi virtual fr desenvlvid num sistema perativ cnhecid, utilizadr adapta-se mais facilmente à aplicaçã que representa instrument virtual (funcinament similar das janelas, das funções, ds menus, das caixas de diálg, etc.). Quem cncebe scilscópi virtual pde também utilizar vulgares ferramentas de desenvlviment de aplicações, tais cm Visual Basic, Visual C++, LabWindws, LabView u Excel, para desenvlver móduls de sftware (principais u adicinais). Armazenament de Infrmaçã Inerente à utilizaçã de um cmputadr está a pssibilidade de armazenament e psterir leitura de infrmaçã (sinais, parâmetrs de cnfiguraçã, etc.), pssivelmente num frmat cmum, utilizand pr exempl um sistema de gestã de bases de dads. Os scilscópis (reais) de amstragem mderns dispõem também de funcinalidades de armazenament de infrmaçã, mas serã sempre mais limitadas d que as pssíveis num cmputadr e essas funcinalidades reflectem-se n seu cust de aquisiçã. espsta tempral A análise de certas grandezas que variam muit depressa, em temp-real (a análise/prcessament d sinal tem de ser feit à medida que sinal acntece, nã a psteriri), implica que a instrumentaçã utilizada tenha uma grande velcidade de aquisiçã, prcessament e eventualmente até de visualizaçã. Um instrument virtual pderá nã ter capacidade de desempenh suficiente para atingir esses bjectivs (devid, pr exempl, as atrass nas cmunicações entre instruments e cmputadr). Os scilscópis reais pdem ter larguras de banda acima de 1 GHz, enquant que s scilscópis baseads em cmputadr limitam-se a algumas centenas de MHz. Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia 9/68

14 10/68 Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia

15 2. PINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO E CAACTEÍSTICAS PINCIPAIS 2.1. Oscilscópis analógics e de amstragem Os scilscópis pdem ser classificads de acrd cm diverss parâmetrs. N entant, uma característica que permite distinguí-ls lg à partida é a tecnlgia utilizada: analógica u digital. Os scilscópis de tecnlgia exclusivamente analógica (dravante designads pr scilscópis analógics ) funcinam aplicand (quase) directamente sinal medid a ecrã. Ns scilscópis de tecnlgia digital, sã retiradas amstras d sinal riginal, amstras estas que sã cnvertidas para um frmat digital (binári) através da utilizaçã de um cnversr analógic/digital (ADC Analg t Digital Cnverter). Esta infrmaçã digital é armazenada numa memória e seguidamente recnstruída e representada n ecrã (tal cm num cmputadr). Estes scilscópis sã designads neste dcument cm scilscópis de amstragem. Na língua inglesa, s scilscópis analógics sã nrmalmente designads pr AT (Analg eal-time) e s scilscópis de amstragem pr DSO (Digital Strage Oscillscpes). Existem ainda uns scilscópis de amstragem cm uma arquitectura ligeiramente mdificada s DPO (Digital Phsphre Oscillscpes), que pela sua especificidade e pel fact de ser exclusiva de um fabricante (Tektrnix) nã sã abrdads neste dcument. Antes de s scilscópis de amstragem adquirirem as ptencialidades actuais, s scilscópis analógics eram preferids quand era necessári visualizar sinais cm variações muit rápidas (altas frequências) em temp-real (a mesm temp que crrem). N entant, actualmente scilscópi analógic está praticamente bslet, só se utilizand em situações em que baix cust é um requisit fundamental (e.g. para fins didáctics). Mesm nestas situações, cmeçam a aparecer n mercad scilscópis de amstragem cm muit mais funcinalidades que s analógics, pr preçs cada vez mais próxims. Existem ainda alguns mdels que cmbinam as duas funcinalidades visualizaçã em md analógic u md de amstragem (pr vezes denminads de cmbiscpes). Os scilscópis de amstragem permitem armazenament e psterir visualizaçã das frmas de nda, nmeadamente de acnteciments que crrem apenas uma vez (regimes transitóris). Eles permitem ainda prcessar a infrmaçã digital d sinal u enviar esses dads para um cmputadr para serem prcessads e/u armazenads. Cm prcessament entende-se pr exempl uma filtragem d sinal u uma análise espectral d sinal (n dmíni das frequências). Para facilitar a utilizaçã d scilscópi, nmeadamente crrect manuseament ds seus cmands, é necessári cnhecer um puc melhr seu princípi de funcinament. Tal cm fi referid atrás, s scilscópis analógics funcinam de maneira diferente ds de amstragem. Cntud, alguns ds blcs interns sã idêntics. Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia 11/68

16 2.2. Princípi de funcinament d scilscópi analógic A Figura 7 apresenta um diagrama de blcs nde sã visíveis s principais blcs cnstituintes de um scilscópi analógic: sistema vertical, sistema de visualizaçã (tub de rais catódics CT), sistema hrizntal (base de temp) e sistema de sincrnism (trigger). Figura 7: Diagrama de blcs de um scilscópi analógic [10] Dependend de cm utilizadr ajusta a atenuaçã/amplificaçã vertical (cmand nrmalmente designad pr VOLTS/DIV ), sinal riginal é atenuad u amplificad. Seguidamente, sinal é aplicad às placas hrizntais (u de deflexã vertical) d tub de rais catódics (CT - Cathde ay Tube), nde existe um cátd que emite um feixe de electrões a alta velcidade em direcçã a ecrã. Este últim tyem uma camada de fósfr, material que quand atingid pr electrões gera dis fenómens: flurescência e fsfrescência. A flurescência é a característica que fósfr tem de se iluminar, quand atingid pr electrões a alta velcidade. A fsfrescência é a sua capacidade de manter essa luminsidade durante um cert temp. O camp eléctric criad pelas duas placas hrizntais prvca a deflexã vertical d feixe de electrões, para cima u para baix cnsante a tensã aplicada a estas. Se a placa de baix fr ligada à massa, uma tensã psitiva aplicada à utra placa leva a uma deflexã para cima. Uma tensã negativa faz feixe deflectir-se para baix. Se apenas existissem as duas placas hrizntais apenas era pssível deslcar feixe de electrões para cima e para baix. Ora, para visualizarms um sinal n dmíni ds temps, é necessári cm que estendê-l hrizntalmente n ecrã, prgressivamente e prprcinalmente a temp. Ist é cnseguid recrrend a duas placas deflectras verticais, de md a permitir desvi hrizntal d feixe da esquerda para a direita, cm é habitual para a visualizaçã de sinais n dmíni ds temps. Para deslcar feixe de electrões da esquerda para a direita de md a simular temp, é necessári aplicar uma tensã em frma de rampa (Figura 8), que aumente prgressivamente de 0 (que crrespnda a ter feixe n extrem 12/68 Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia

17 esquerd d ecrã) até um determinad valr (X) de tensã (feixe n extrem direit d ecrã). u h X 0 t Figura 8: Tensã em frma de rampa (dente de serra) A mair u menr inclinaçã desta rampa vai influenciar um menr u mair temp de varriment, respectivamente. Entende-se varriment (sweep) cm a acçã de deslcament d feixe da esquerda para a direita d ecrã. O temp de varriment é prtant temp que feixe demra a deslcar-se d extrem esquerd até a extrem direit d ecrã. O sistema que permite representar temp n scilscópi designa-se nrmalmente de base de temp e cmand que permite regular a velcidade de varriment é nrmalmente denminad pr TIME/DIV (temp pr divisã). Dad que a fsfrescência d fósfr tem uma duraçã limitada, nã basta desenhar uma vez sinal, ist é, nã basta fazer um varriment apenas, pis s nsss lhs deixariam de visualizar qualquer sinal passad puc temp (décims de segund). Este fact impediria a análise ds sinais, trnand scilscópi num instrument sem qualquer interesse (a mens que se ftgrafasse ecrã, técnica que era utilizada para registar regimes transitóris ns scilscópis analógics, mas que deixu de se utilizar cm apareciment ds scilscópis de amstragem). O que se faz para evitar este fenómen é repetir desenh d sinal cm varriments cnsecutivs. Pr iss sinal em frma de rampa se repete a lng d temp, resultand numa frma de nda denminada de dente de serra (Figura 8). Obviamente que, e cnsiderand apenas s scilscópis analógics, se s sinais a serem visualizads nã frem periódics, nã é pssível repetir a mesma imagem, nã se cnseguind uma visualizaçã estabilizada d sinal. Mais ainda, mesm para um sinal periódic, é necessári que em cada varriment feixe de electrões percrra exactamente mesm traject n ecrã, de md a que se btenha uma imagem estabilizada. Veja-se exempl da Figura 9, nde pel fact de s sinais aplicads a eix vertical (u v ) e hrizntal (u h ) nã estarem sincrnizads, em cada varriment sinal vai ser desenhad em sítis diferentes, que implica uma visualizaçã nã estabilizada d sinal. Pr esta razã, é necessári existir um sistema que faça cm que s sinais de entrada sejam desenhads sempre ns mesms pnts d ecrã. N fund, um sistema que cntrle iníci de cada rampa aplicada às placas verticais. Este sistema é nrmalmente designad cm sistema de sincrnism (trigger). Este sistema, após cada varriment, cmpara sinal aplicad a sistema vertical (u v ) cm um valr de tensã (trigger level) e uma inclinaçã (trigger slpe, psitiva u negativa), e faz disparar a rampa ns temps adequads. Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia 13/68

18 Ecrã d scilscópi (sinal nã sincrnizad) u v t u h X 0 t Figura 9: Varriments cnsecutivs levam a visualizaçã nã sincrnizada Cnsidere-se exempl apresentad na Figura 10, uma evluçã d exempl apresentad na Figura 9, mas cm sistema de sincrnism em funcinament. Este sistema vai impr temps de espera a cada varriment, de frma a que sinal seja sempre desenhad em sbrepsiçã, n ecrã. Ecrã d scilscópi (sinal sincrnizad) u v t u h X 0 Temps de espera impsts pel sistema de sincrnism t Figura 10: Sistema de sincrnism garante crrecta visualizaçã d sinal Para uma crrecta visualizaçã de um sinal periódic, nível de trigger deverá estar cmpreendid entre s valres máxim e mínim d sinal. O nível bem cm a inclinaçã a esclher vã depender d tip de sinal e das características em análise, mas nrmalmente sã esclhids adaptativamente, u seja, utilizadr vai reguland nível (e a inclinaçã) até bter n ecrã a imagem mais adequada para efectuar a sua análise. 14/68 Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia

19 Em cnclusã, para utilizar um scilscópi analógic na visualizaçã de um sinal, é essencialmente necessári prceder a três acções de cmand: O ajuste da atenuaçã/amplificaçã d sinal. O cmand de VOLT/DIV permite regular a amplitude d sinal aplicad às placas hrizntais (de deflexã vertical), dependend da amplitude d sinal riginal. O ajuste da velcidade de varriment. O cmand TIME/DIV permite ajustar temp pr divisã representad hrizntalmente n ecrã, dependend da frequência d sinal riginal. O ajuste d nível e inclinaçã de dispar (trigger) da base de temp. Os cmands d sistema de sincrnism permitem a estabilizaçã de um sinal periódic u a visualizaçã de uma única transiçã (single sht). Adicinalmente, ajuste ds cmands de fcagem e intensidade (eix ds ZZ) permite a btençã de uma imagem nítida e cm a visibilidade pretendida Princípi de funcinament d scilscópi de amstragem Alguns ds blcs que cmpõem s scilscópis analógics encntram-se também ns scilscópis de amstragem. Cntud, estes últims cntêm sistemas adicinais para aquisiçã e prcessament de dads (Figura 11) antes de efectuar a representaçã d sinal (u sinais) n ecrã. Figura 11: Diagrama de blcs de um scilscópi de amstragem [10] Tal cm num scilscópi analógic, quand se liga um scilscópi de amstragem a um dad circuit, s cmands d sistema vertical permitem ajustar a amplitude da frma de nda. Seguidamente, um cnversr analógic/digital (Analg t Digital Cnverter, na Figura 11) reclhe um cnjunt de amstras (samples) d sinal e cnverte s seus valres de tensã para uma palavra de códig digital. O sistema hrizntal pssui um relógi que determina a frequência cm que cnversr analógic/digital adquire e cnverte as amstras d sinal - a frequência de amstragem. As amstras sã armazenadas em memória cm pnts cnstituintes da frma de nda d sinal. Uma amstra é cnstituída pr váris dígits bináris (bits - Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia 15/68

20 binary digits) e pderá ter um cmpriment de 8 bits (crrespndend a 2 8 = 256 níveis diferentes de tensã) u 10 bits (1024 níveis), pr exempl. O cnjunt de amstras que representa uma frma de nda denmina-se de regist. O sistema de sincrnism e a base de temp determinam iníci e fim deste regist, resultand num dad cmpriment d regist (recrd length). Depis deste regist ser armazenad em memória, é enviad para ecrã. Dependend das capacidades d scilscópi, pderá haver prcessament adicinal das amstras, levand a um melhrament da imagem btida n ecrã. O pré-dispar (pretrigger) pderá também estar dispnível, permitind a visualizaçã de events antes d pnt de dispar. De frma análga as scilscópis analógics, para efectuar a análise de um sinal é necessári ajustar adequadamente s cmands d sistema vertical, d sistema hrizntal e d sistema de sincrnism Métds de amstragem O métd de amstragem define cm é que um scilscópi de amstragem efectua a aquisiçã das amstras. Para sinais de variaçã lenta (de baixa frequência), nã há dificuldade pr parte d scilscópi em adquirir a quantidade de amstras suficiente para cnstruir uma imagem de qualidade. Cntud, para sinais de variaçã rápida (de alta frequência) e dependend da frequência de amstragem máxima de cada scilscópi, este pderá nã adquirir númer suficiente de amstras. Pdem entã distinguir-se s seguintes métds de amstragem: Amstragem em temp-real (real-time sampling). O scilscópi adquire as amstras num únic cicl de aquisiçã e depis pderá utilizar interplaçã para melhr cnstruir a imagem. A interplaçã é uma técnica de prcessament que permite estimar a frma de nda a partir de alguns pnts (pr aprximaçã plinmial). Este md é md de funcinament pr defeit. Amstragem em temp-equivalente (equivalent-time sampling). O scilscópi adquire amstras em váris cicls de aquisiçã, cnstruind uma imagem d sinal a lng d temp (há medida que sinal se vai repetind). Este md sóp pde ser utilizad para analisar sinais periódics. Estes métds sã sucintamente descrits seguidamente. 16/68 Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia

21 Amstragem em temp-real Pr defeit, s scilscópis de amstragem utilizam a amstragem em tempreal. Neste md de amstragem, scilscópi adquire as amstras à medida que sinal é recebid (Figura 12). Para sinais transitóris (nã periódics), é brigatóri utilizar este md de amstragem. Figura 12: Amstragem em temp-real [11] A partir de uma determinada frequência d sinal em análise, scilscópi nã cnsegue adquirir um númer suficiente de amstras em cada cicl de aquisiçã para que a frma de nda apareça cntínua, recrrend-se nrmalmente a interplaçã para interligar essas amstras. A Figura 13 exemplifica a diferença entre uma frma de nda visualizada sem interplaçã e cm interplaçã. a) Visualizaçã sem interplaçã b) Visualizaçã cm interplaçã Figura 13: A interplaçã n melhrament da imagem visualizada [11] A frma de interplaçã mais simples e mens pesada cmputacinalmente é a interplaçã linear. Esta simplesmente interliga s pnts através de linhas rectas. Este métd funcina bem cm impulss e sinais digitais, mas pde levar a distrçã em sinais sinusidais. Nte-se que a interplaçã linear é um cas particular da interplaçã plinmial. A aumentar grau d plinómi, vai bterse uma frma de nda mais aprximada da riginal, mas também vai aumentar trabalh cmputacinal (para cálcul ds pnts intermédis). Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia 17/68

22 A interplaçã sinusidal interliga s pnts de amstragem através de curvas (partes de sinusóides). Send ideal para a visualizaçã de sinais sinusidais, este métd pderá prduzir sbreamrteciment (versht) u subamrteciment (undersht) quand visualizams impulss. Este prcess é, pr exempl, equivalente a utilizad ns leitres de discs cmpacts. A Figura 14 dá um exempl da aplicaçã destes dis tips de interplaçã. Figura 14: Interplações linear e sinusidal [11] Cm a interplaçã sinusidal, sã calculads s pnts de md a preencher temp entre as amstras reais. Utilizand este prcess, um sinal que é amstrad apenas algumas vezes num cicl de aquisiçã pde ser representad cm qualidade. Amstragem em temp-equivalente Alguns scilscópis de amstragem ferecem a pssibilidade de utilizar a amstragem em temp-equivalente, n cas de se estarem a analisar sinais cm frequências superires à largura de banda d scilscópi. Este md de amstragem cnstrói uma imagem de um sinal repetitiv capturand uma parcela da sua infrmaçã em cada cicl de aquisiçã (Figura 15). Figura 15: Amstragem em temp-equivalente [11] Cm se pde bservar, em cada cicl de aquisiçã sã guardadas algumas amstras d sinal. A fim de alguns cicls de aquisiçã, sinal pde ser cmpletamente (re)cnstruíd e desenhad. As amstras pdem ser reclhidas aleatriamente (cas da Figura 15) u sequencialmente. 18/68 Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia

23 2.5. Características mais relevantes É imprtante ter cnheciment das características mais relevantes de um scilscópi e que pr cnsequência devem ser analisadas aquand da sua aquisiçã. A esclha de cada uma das características deve tmar em cnta a utilizaçã (as necessidades das aplicações) e a relaçã cust/benefíci. Cnsideram-se entã as seguintes características cm as mais imprtantes Características ds scilscópis analógics e de amstragem Largura de Banda (BandWidth) Esta é prventura a característica mais imprtante de um scilscópi e aquela que mais influencia seu preç. A especificaçã da largura de banda diz-ns qual a frequência máxima ds sinais que pdems analisar. A largura de banda pderá variar desde a rdem ds 20 a 30 Mhz (scilscópis de baixa gama, cm preçs na rdem ds 500) até alguns Ghz (scilscópis de alta gama, que pderã custar mais de 50000). Pr cnvençã, a largura de banda de um scilscópi é a frequência em que a amplitude d sinal desenhad é reduzida para 70.7% da amplitude d sinal (sinusidal) de entrada. Esta reduçã de 70.7% equivale a -3 db, na escala lgarítmica. Além de vir especificada n manual d aparelh e pr ser uma característica muit imprtante, a largura de banda vem nrmalmente escrita n painel frntal d scilscópi. Númer de Canais O númer de canais de entrada define númer de frmas de nda que pdem ser visualizadas a mesm temp n ecrã de um scilscópi. A mair parte ds scilscópis dispõe de dis canais de entrada, mas existem alguns scilscópis que dispõem de quatr canais de entrada (e mesm mais), que permite, em determinadas situações, analisar mais facilmente um dad sistema. Temp de Subida (ise Time) O temp de subida é um utr md de descrever a frequência útil de utilizaçã de um scilscópi. O valr desta grandeza é uma medida mais adequada de perfrmance quand a utilizaçã se refere à mediçã de impulss e degraus. Um scilscópi nã cnsegue desenhar crrectamente impulss cm temps de subida inferires a temp de subida (mínim) especificad n manual d scilscópi. Valres típics rndam algumas dezenas de nansegunds para scilscópis de baixa gama até algumas centenas de picsegunds para scilscópis de gama elevada. Sensibilidade Vertical (Vertical Sensivity) A sensibilidade vertical caracteriza pder de amplificaçã d amplificadr vertical. Esta grandeza é nrmalmente expressa em mv/div. A tensã mais pequena que um scilscópi cmum pde detectar é, tipicamente, 1-2 mv/div. Além de vir especificada n manual d aparelh, esta característica vem escrita n cmand de amplificaçã vertical. É também cmum s cnstrutres Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia 19/68

24 apresentarem nas especificações ds scilscópis valr máxim de Vlt/DIV suprtad, que nrmalmente anda na rdem ds Vlt/DIV. A utilizaçã de pntas de prva atenuadras u amplificadras alarga leque de amplitudes ds sinais a analisar. Exactidã d Sistema Vertical (Gain r Vertical Accuracy) O valr desta grandeza indica a exactidã d sistema vertical (u ds sistemas verticais, n cas de scilscópis de mais d que um canal) quand se efectuam medições de tensã. É nrmalmente express em terms percentuais, definind uma incerteza relativa (típic: 1-3%) sbre valr medid u sbre alcance. Exactidã d Sistema Hrizntal (Time Base r Hrizntal Accuracy) O valr desta grandeza indica a exactidã d sistema hrizntal quand se efectuam medições de temp. É também express cm uma incerteza relativa, em percentagem. Este valr é muit dependente da largura de banda (e da frequência de amstragem) d scilscópi, pel que scilscópis de alta largura de banda pderã ter incertezas na rdem de 10 ppm (partes pr milhã 0,001%) e scilscópis de baixa largura de banda terã incertezas na rdem ds 2-3% Características exclusivas ds scilscópis de amstragem Frequência de Amstragem (Sample ate) Ns scilscópis de amstragem, a frequência de amstragem indica quantas amstras sã adquiridas pr segund. A máxima frequência de amstragem de um scilscópi é nrmalmente expressa em Mega/Giga amstras pr segund (MS/s u GS/s). Quant mair a frequência máxima de amstragem de um scilscópi, mair a exactidã cm que ele representa s detalhes de um sinal cm variações rápidas. A frequência mínima de amstragem pderá também ser relevante na mediçã de sinais cm variações muit lentas, durante lngs períds de temp. Tipicamente, a frequência de amstragem muda quand se regula cmand de TIME/DIV, de md a manter um númer cnstante de pnts n regist d sinal. Outr aspect imprtante é que a frequência de amstragem vai impr um dad limite na frequência ds sinais em análise. O Terema de Nyquist diz que para recnstruir crrectamente um sinal, este deve ser amstrad a uma frequência pel mens dupla da sua mair cmpnente frequencial. Cntud, este terema assume um cmpriment de regist infinit e um sinal puramente repetitiv. Dad que s scilscópi têm um cmpriment de regist limitad e mesm s sinais periódics apresentam sempre pequenas variações (e.g. ruíd, pics), a amstragem a apenas uma frequência dupla da mair cmpnente frequencial de um sinal nã é suficiente. Na prática, a frequência de amstragem deve ser pel mens 5 vezes superir à mair cmpnente frequencial d sinal em análise. A análise frequencial (u espectral) de sinais é um assunt cmplex que nã se enquadra n cntext deste dcument. N entant, deve salientar-se que qualquer sinal periódic (u nã periódic) pde ser btid pel smatóri (u integral) pnderad (amplitudes e fases distintas) de um cnjunt de sinusóides (análise de Furier), send que estas vã definir as cmpnentes frequenciais d 20/68 Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia

25 sinal (também denminads de harmónics). Desta frma, um sinal nã sinusidal pderá ter cmpnentes frequenciais muit superires à sua frequência fundamental. Pr exempl, uma nda quadrada pura de 100 khz é smatóri pnderad de um númer infinit de sinusóides 100 khz, 300 khz, 500 khz, etc. esluçã Vertical u d Cnversr Analógic/Digital (Vertical r ADC eslutin) Este parâmetr ds scilscópis de amstragem representa a resluçã, em bits, d cnversr A/D (e prtant d própri scilscópi digital), definind a qualidade cm que s sinais (analógics) sã cnvertids para valres digitais. O valr desta grandeza influencia a exactidã na mediçã de tensã. Valres típics rndam s 8-11 bits ( níveis distints de tensã). Cmpriment d egist (ecrd Length) O cmpriment d regist de um scilscópi de amstragem indica quantas amstras d sinal sã armazenadas pel scilscópi para uma dada imagem. O cmpriment máxim d regist depende da memória d scilscópi. Dad que scilscópi apenas cnsegue armazenar um númer finit de amstras, tem de haver um cmprmiss entre detalhe e cmpriment d regist. Pdem, pr exempl, esclher-se mais amstras durante um pequen períd de temp (a memória enche-se rapidamente) u mens amstras durante mais temp. Alguns scilscópis permitem a evluçã da memória de md a aumentar cmpriment d regist, em aplicações em que iss se mstre necessári. Valres típics andam na rdem de alguns kbytes, para scilscópis de baixa gama até algumas dezenas de MBytes para scilscópis de gama alta. Ecrã O avanç tecnlógic n dmíni ds ecrãs ds scilscópis de amstragem traz esta característica à cnsideraçã aquand da sua aquisiçã. A dimensã d ecrã (nrmalmente definida em milimetrs u plegadas), a sua resluçã (definida em pixels) e suprte de uma u mais cres pderã influenciar muit a facilidade e a qualidade da análise de sinais. Nte-se que um scilscópi cm um ecrã de grande dimensã, cm ba resluçã e cntraste e cm a pssibilidade de atribuir uma cr diferente a cada um ds sinais em análise (nmeadamente ns scilscópis de 4 canais) permite muit mais facilmente a análise de sinais. Ecrãs plicrmátics de 10,4 plegadas (cerca de 25 cm) de diagnal e resluçã de 800x600 pixels sã um exempl. efira-se que algumas das marcas adptam ecrãs cm capacidade táctil (tuch-screen), n sentid de facilitar a interface cm utilizadr. Cnectividade A capacidade de cmunicaçã ds scilscópis de amstragem fi sem dúvida uma das razões para estes serem preferids as analógics. As interfaces de cmunicaçã mais cmuns sã: S-232 (cmunicaçã série), USB (Universal Serial Bus), GPIB (General Purpse Interface Bus, IEEE-488) e Ethernet (100 Mbit/s e 1 Gbit/s). Estas pderã ser dispnibilizadas de série u aparecer cm móduls adicinais, exigind a sua aquisiçã separadamente. Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia 21/68

26 22/68 Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia

27 3. INTELIGAÇÃO ENTE O OSCILOSCÓPIO E OS CICUITOS EM ANÁLISE 3.1. Cnceits intrdutóris A interligaçã entre qualquer instrument de mediçã e sistema sb mediçã é fundamental e desempenha um papel prepnderante na qualidade da mediçã. Para garantir a mediçã mais exacta pssível, devem evitar-se s errs grsseirs e minimizar s errs sistemátics. O efeit de carga é um exempl de um err sistemátic e representa a alteraçã que um instrument de mediçã intrduz n sistema sb mediçã, resultand que valr da grandeza medid nã crrespnde a riginal, i.e. sem a influência d instrument de mediçã. O fact de qualquer scilscópi ter uma impedância interna nã infinita vai prvcar que, quand se liga (em paralel) a um dad bipl de um circuit, vá alterar esse mesm circuit. Este efeit de carga prvca que sinal medid pel scilscópi nã seja igual a sinal riginal que se pretende medir. É neste cntext que s circuits que interligam scilscópi e s circuits sb análise nrmalmente designads de pntas de prva sã de extrema imprtância, pis pdem reduzir efeit de carga d scilscópi (u aumentá-l, em cas de mau dimensinament u má utilizaçã). Este assunt é abrdad na Secçã 3.3. Para uma utilizaçã adequada ds instruments de mediçã, mais particularmente d scilscópi, é também fundamental que se tenha uma nçã clara d que é a massa de um equipament e d que representa a ligaçã u nã ligaçã da massa à Terra. Entende-se pr massa de um equipament cm qualquer element metálic susceptível de ser tcad. Esta está em regra islada ds cndutres activs (fase/neutr em instalações de crrente alternada, psitiv/negativ em instalações de crrente cntínua), mas pde ficar acidentalmente em tensã. A Terra representa a massa cndutra de referência (da Terra), cuj ptencial eléctric é, em qualquer pnt, cnvencinalmente, igual a zer. N cas cncret d scilscópi, sã imprtantes as seguintes cnsiderações: A massa d scilscópi é a carcaça u parte da carcaça d aparelh que é nrmalmente ligada a um terceir terminal na ficha de alimentaçã de crrente alternada (fase, neutr e massa). Se a tmada de alimentaçã tiver ligaçã de Terra, a massa d scilscópi fica ligada à Terra. Se scilscópi tiver mais d que um canal, tds s canais partilham a mesma massa. Existem scilscópis cm classe dupla de islament cuja massa nã é susceptível de ser tcada (nã está ligada à carcaça), nã dispnibilizand a sua ligaçã à Terra (a ficha de alimentaçã apenas tem dis terminais). A massa destes scilscópis fica prtant cm um ptencial flutuante. Existem ainda scilscópis cm massas independentes para cada canal. Ist significa que é pssível ligar as massas de diferentes canais a ptenciais eléctrics diferentes. Muitas vezes estes scilscópis têm baterias que permitem a sua utilizaçã sem estarem ligads à rede de energia, facilitand pr iss a sua mbilidade. Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia 23/68

28 Uma pnta de prva tem (nrmalmente) uma ligaçã de sinal e uma ligaçã de massa. N cas de scilscópis cm mais d que um canal e cm a massa partilhada, nã vale a pena ligar mais d que uma pnta de prva à massa d circuit. A Secçã 3.2. endereça alguns aspects imprtantes sbre a temática das ligações de massa e Terra Sbre ligações de massa e Terra Prquê ligar a massa d scilscópi à Terra? Pr regra e ns scilscópis que permitem, a massa d scilscópi deve ser ligada à Terra, cm medida de segurança. Se a massa de um scilscópi nã estiver ligada à Terra e qualquer element dessa massa ficar acidentalmente em tensã, utilizadr pderá sfrer um chque eléctric. Pr utr lad, se a massa estiver ligada à Terra, a crrente é veiculada directamente para a Terra, em vez de percrrer crp d utilizadr (até à Terra). Mais ainda, se a instalaçã eléctrica a que scilscópi está ligad dispuser de um relê diferencial de prtecçã, qualquer cntact acidental à massa prvca dispar d respectiv disjuntr (e cnsequentemente a abertura d circuit), prtegend s utilizadres de pssíveis chques eléctrics. Cm s scilscópis de classe dupla de islament esta questã nã se clca, pis a ligaçã da massa (ds canais) à Terra nã se efectua aquand da ligaçã da ficha de alimentaçã d scilscópi à tmada de alimentaçã. Prquê nã ligar a massa d scilscópi à Terra? Dad que tensã eléctrica significa diferença de ptencial entre dis pnts de um circuit eléctric, para efectuar uma mediçã de tensã, é necessári que scilscópi tenha acess a dis ptenciais eléctrics. Um ds ptenciais é btid pel terminal de sinal da pnta de prva (retractable hk tip, na Figura 20). O utr é btid através d terminal de massa da pnta de prva (alligatr clip grund lead, na Figura 20). Devem ter-se em cnta, n entant, algumas excepções em que a massa de um scilscópi deve ser desligada da Terra. Este prcediment é necessári quand querems efectuar a mediçã de uma diferença de ptencial entre dis pnts de um circuit em que nenhum deles é a massa. Veja-se exempl prátic d circuit apresentad na Figura 16. Imaginems que se pretende analisar e cmparar a tensã as terminais da resistência U AB e a tensã as terminais d paralel indutância/capacitância U BC. Cm para medir U AB é necessári clcar a massa d scilscópi n pnt B, e tend em cnsideraçã que pnt B nã é a Terra (pnt C), entã frçsamente a massa d scilscópi nã pde estar ligada à Terra. A mediçã da tensã U BC é feita a cntrári, u seja, é medida a tensã inversa (U CB ). N entant, a mair parte ds scilscópis permite inverter a plaridade das entradas (pel mens de um ds canais), pel que essa funcinalidade permitiria bter sinal pretendid (U BC ). 24/68 Oscilscópi: princípi de funcinament e estad da tecnlgia