Universidade Federal de Pernambuco CCEN - Departamento de Física Física Experimental 2

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1 Universidade Federal de Pernambuco CCEN - Departamento de Física Física Experimental 2 Prática 3: Material suplementar (Osciloscópio) 1 Introdução O osciloscópio é um instrumento de medida que nos fornece em sua tela a forma de uma tensão em função do tempo. Inicialmente, descreveremos o seu princípio de funcionamento. Na sequência, o aluno terá o seu primeiro contato com o mesmo, aprendendo a fazer os ajustes necessários para visualizar um sinal de um gerador de funções (equipamento eletrônico que fornece diferentes formas de tensão, com valores de tensão e frequências ajustáveis). Por último, o aluno fará o estudo das tensões em um circuito e também medirá a capacitância de um capacitor utilizando o osciloscópio. 2 Princípio de funcionamento (osciloscópios analógicos) Sabemos que um elétron de trajetória perpendicular a um campo elétrico uniforme sofrerá uma deexão na direção do campo. A forma de conseguir um campo elétrico uniforme é através de um capacitor de placas paralelas e o elétron pode ser obtido de uma placa aquecida. A ilustração desta situação é dada na gura 1. Este é o princípio básico para entender o funcionamento do osciloscópio (deexão dos elétrons pelo campo elétrico). Elétron Terminal positivo (+) Terminal positivo (-) Anteparo Figura 1: Deexão de um elétron por um campo elétrico uniforme. O osciloscópio é um tubo onde existem placas destinadas a deetir um feixe de elétrons que incidirá em uma tela fosforescente, sobre a qual a trajetória do elétron é traçada. A gura que aparecerá no anteparo (tela fosforescente) corresponderá à forma da tensão aplicada em uma de suas placas (entrada do osciloscópio) ou a uma combinação das tensões aplicadas nas suas placas (guras de Lissajous). Este tubo possui um nome especíco: TUBO DE RAIOS CATÓDICOS (CRT). Cátodo Cilindros de Wehnelt Grade Ánodo Placas de deflexão vertical Canhão de elétrons Foco Feixe de elétrons Placas de deflexão horizontal Feixe de elétrons defletidos Figura 2: Esquema simplicado de um tubo de raios catódicos. Na gura 2 é mostrado o esquema simplicado de um CRT. O CRT inclui: canhão de elétrons, cilindros de Wehnelt, duas placas de deexão (vertical e horizontal) e a tela fosforescente. O canhão de elétrons não passa

2 de um lamento, idêntico ao de uma lâmpada incandescente, que ao ser ligado aquece uma placa próxima ao lamento fazendo com que a mesma emita elétrons, isto ocorre devido à alta temperatura atingida pela placa. Estes elétrons são acelerados pelo campo elétrico (muito intenso) que se estabelece, entre o canhão de elétrons (cátodo) e o ânodo. O feixe de elétrons, assim produzido, passa em seguida entre duas placas verticais e duas horizontais, sendo deetido pelos campos elétricos existentes entre estas nas placas, e então incidirá sobre uma tela fosforescente apresentando uma trajetória cuja forma depende da tensão aplicada em cada par de placas. A grade, veja a Fig. 2, entre o canhão de elétrons e o ânodo serve para controlar a intensidade do feixe de elétrons que é emitido pelo canhão de elétrons. Quanto maior for o potencial (campo elétrico) aplicado na grade em relação ao potencial do cátodo, maior será o número de elétrons que passa pela grade, ou seja, ajustando este potencial estaremos controlando a intensidade do feixe. Filamento Catodo Cilindros de Wehnelt Tela fosforescente Elétrons Campo elétrico Ponto luminoso Figura 3: Ilustração de como os cilindros de Wehnelt focalizam o feixe de elétrons. Após a grade temos os cilindros de Wehnelt, cuja função é colimar o feixe tornando assim a imagem mais nítida na tela. Esta focalização do feixe é obtida aplicando-se uma diferença de potencial entre os dois cilindros. A conguração do campo elétrico entre os cilindros é tal que os elétrons, ao penetrarem no interior dos mesmos, tendem a se deslocarem para o centro, como mostra a Fig. 3. Este dispositivo funciona como uma lente para o feixe de elétrons, cujo foco deve ser ajustado para se formar exatamente sobre a tela fosforescente do osciloscópio. Uma tensão aplicada a qualquer par de placas (vertical ou horizontal) cria um campo elétrico que desvia o feixe, mudando assim a posição na tela. Esta deexão é proporcional à tensão aplicada. Deste modo, obtemos a leitura da tensão medindo-a na tela. Se colocarmos um sinal nas placas de deexão horizontal, com a forma mostrada na gura 4(b), o feixe se deslocará da esquerda para a direita com a mesma frequência do sinal. (A)Sinal de interesse (B) Varredura (C)Pulsos de apagamento (D)Imagem vista na tela Figura 4: Formas de tensões discutidas no texto. A forma de onda responsável pelo movimento horizontal do feixe de elétrons (feixe luminoso que varre a tela) é uma forma de onda dente-de-serra vista na gura 4(b). Esta forma de onda, que é aplicada nas placas de deexão horizontal, é gerada internamente pelo circuito gerador-de-varredura e tem o seu período controlado pelo operador do osciloscópio. A frequência de varredura é tal que permite sincronizar o período da varredura com o período da forma de onda aplicada nas placas de deexão vertical. Por exemplo, quando aplicamos um sinal tipo onda

3 quadrada, nas placas de deexão vertical (Figura 4(a)), o período de varredura deve ser ajustado para um múltiplo do período da forma de onda quadrada. O período da varredura mostrada na Figura 4(b) é duas vezes o período da onda quadrada. Desta forma será mostrado dois períodos da forma de onda quadrada na tela do osciloscópio, como mostrado na gura 4(d). Ao terminar a varredura, o feixe apaga e volta para a posição inicial. Isto ocorre pois pulsos de apagamento são gerados em fase com a varredura. 3 Sincronismo de varredura Ao conectarmos a saída do gerador de funções a uma das entradas do osciloscópio, este pode mostrar dois sinais de tensões diferentes na mesma tela. Ao conectar o sinal no osciloscópio o mesmo pode não aparecer parado na tela. Isto acontece se o início da varredura do osciloscópio não estiver sincronizado com o sinal de entrada. Fazer o sinal car parado na tela é sincronizar a varredura do osciloscópio com o sinal de entrada. Para que o osciloscópio sincronize os sinais (entrada e varredura) é necessário dar ao mesmo alguma informação para que ele inicie a varredura no instante correto, de modo que o sinal apareça parado na tela. Esta informação é dada por um dos modos de sincronismo; no osciloscópio que temos em sala são: V. MODE, CH1, CH2, LINE e EXT. Selecione CH1 ou CH2, dependendo de qual dos canais é aquele ao qual o sinal está ligado. Depois de selecionado o modo de sincronismo, existe no osciloscópio um circuito que gera, de acordo com o modo selecionado, um sinal em forma de GATILHO. A função deste GATILHO é iniciar a VARREDURA. Figura 5: Sinal de gatilho e sinal de varredura. Uma outra informação tem que ser dada ao circuito de sincronismo para que ele saiba quando deve ser iniciada a varredura, ou melhor, em que instante do sinal ele deve gerar o sinal de GATILHO (trigger) que dispara a VARREDURA. Este é o ajuste de nível, que se dá através de um botão de controle que nos permite selecionar o nível de tensão V g e assim determinar em que ponto do sinal queremos que seja iniciada a VARREDURA. Observe que o nível de tensão V g é atingido em vários pontos da senoide, onde o sinal é crescente ou decrescente, podemos escolher o sinal de GATILHO para qualquer nível de sinal. Observe também que o V g deve estar no intervalo da tensão pico-a-pico do sinal. Ajuste o botão do nível para que o sinal que parado na tela. Na Fig. 5, mostramos o sinal aplicado, o sinal de GATILHO gerado internamente e o sinal de VARREDURA. 4 Acoplamentos AC e DC A impedância de um osciloscópio pode ser representada por uma resistência e um capacitor em paralelo, é o que chamamos de circuito equivalente. Na Fig. 6 mostramos este circuito com o amplicador das placas verticais. O sinal de entrada, vindo do gerador de funções, pode ter uma componente alternada (AC) e uma componente contínua (DC). Para termos na saída do gerador de funções uma componente DC, além da componente AC, é necessário mudarmos a posição do botão DC OFFSET no gerador. Esta componente pode ser positiva ou negativa dependendo da posição do botão do DC OFFSET. Em algumas aplicações deseja-se medir apenas a componente AC do sinal de entrada. O osciloscópio possui uma chave seletora que determina se o sinal mostrado na sua tela terá componente DC ou não, quando ele estiver mostrando apenas o sinal AC diz-se que está no ACOPLAMENTO AC e quando estiver mostrando o sinal AC e o sinal DC diz-se que está no ACOPLAMENTO DC. O osciloscópio anula a componente contínua colocando

4 Figura 6: Circuito equivalente de um dos canais de entrada do osciloscópio. um capacitor em série com a sua entrada. Lembrando que a impedância capacitiva é dada por X C = 1/ωC onde ω é a frequência angular do sinal em rad/s e C a capacitância do capacitor. Uma componente DC possui uma frequência nula e consequentemente a impedância capacitiva para a esta componente será innita. Portanto, após o capacitor, não existirá componente DC e o osciloscópio mostrará em sua tela apenas a componente AC do sinal. Uma observação a respeito das características físicas do osciloscópio é que, se o sinal de entrada tiver uma frequência baixa ele será atenuado pelo próprio capacitor que corta a componente DC. Existe uma frequência na qual os osciloscópios começam a atenuar o sinal AC, chamada frequência de corte que para a maioria dos osciloscópios é da ordem de 10 Hz. Na Fig. 7 vemos um sinal com componentes AC e DC e o sinal mostrado na tela, de acordo com o acoplamento escolhido. Figura 7: Sinal de entrada e as respectivas saídas, exemplicando os dois tipos de acoplamento. 5 Osciloscópios Digitais Algumas partes funcionais (blocos) de um osciloscópio digital são os mesmas dos osciloscópios analógicos. Entretanto, os osciloscópios digitais não usam feixes de eletrons para visualização de sinais. Estes osciloscopios possuem sistemas adicionais que permitem o armazenamento e o processamento de dados referentes a um sinal em uma memória, antes de o visualizar na tela do osciloscópio. A Fig. 8 mostra o diagrama de blocos de um osciloscópio digital. Tal como num osciloscópio analógico, quando se liga um osciloscópio digital a um dado circuito, o sistema vertical permite ajustar a amplitude do sinal. Em seguida, um conversor analógico/digital (Analog to Digital Converter) amostra o sinal (com uma determinada frequência de amostragem) e converte o valor de tensão continua de cada amostra para um formato digital. O sistema horizontal possui um relógio (sample clock) que determina a frequência com que o conversor analógico/digital adquire e converte uma amostra do sinal. Este processo determina a velocidade de amostragem, que é medida em amostras por segundo.

5 Figura 8: Diagrama de blocos de um osciloscópio digital (Tektronics) As amostras são armazenadas numa memória como pontos constituintes da forma de onda do sinal. Uma amostra é constituída por vários dígitos binários (bits - binary digits) e pode ter um comprimento de, por exemplo, oito bits (correspondendo a 28 = 256 níveis diferentes de tensão). O conjunto de amostras que representa uma forma de onda denomina-se de registro. O sistema de sincronismo determina o início e m deste registro, denindo um número de amostras denominado de comprimento do registro. Depois deste registro ser armazenado na memória, ele é enviado para a tela do osciloscópio, que vai permitir a visualização da forma temporal do sinal. 5.1 Métodos de Amostragem (nos Osciloscópios Digitais) O método de amostragem dene como é que um osciloscópio digital faz a aquisição das amostras. Para sinais de variação lenta (baixa frequência), não há diculdade em adquirir a quantidade de amostras suciente para construir uma imagem de qualidade. No entanto, para sinais de variação rápida (alta frequência) e dependendo da frequência de amostragem máxima de cada osciloscópio em particular, o osciloscópio poderá não adquirir o número suciente de amostras. Tem-se basicamente dois métodos de amostragem nesses casos: i) Amostragem em tempo-real (real-time sampling). O osciloscópio adquire o máximo número de amostras num único ciclo de aquisição (como indicado na Fig. 9) e depois poderá utilizar interpolação para melhor reconstruir a imagem. A interpolação é uma técnica de processamento que permite estimar a forma de onda baseado em alguns pontos apenas. ii) Amostragem em tempo-equivalente (equivalent-time sampling). O osciloscópio adquire amostras em vários ciclos de aquisição, onde uma pequena parte do sinal é capturada em cada ciclo. Amostragem em tempo-real (com ou sem interpolação). Figura 9: Amostragem em tempo real (Tektronics) Normalmente os osciloscópios digitais utilizam a amostragem em tempo real. Nesse modo de amostragem o osciloscopio adquire a quantidade suciente de amostras necessárias para reconstruir o sinal. Entretanto, para

6 sinais com variação temporal mais rápida que sua velocidade de amostragem, os osciloscópios podem utilizar a interpolação de pontos para melhor visualizar os sinais. Basicamente, existem dois tipos de interpolação: 1. Interpolação linear: Simplesmente conecta os pontos amostrados com linhas retas. 2. Interpolação senoidal: Conecta os pontos amostrados através de partes de senoides. Com a interpolação senoidal, são calculados os pontos de modo a preencher o tempo entre as amostras reais. Usando este processo, um sinal que é amostrado apenas algumas vezes num ciclo de aquisição pode ser representado com grande qualidade na tela. O osciloscópio adquire amostras em vários ciclos de aquisição, onde uma pequena parte do sinal é capturada em cada ciclo de aquisição. A Fig. 10 abaixo ilustra estes dois tipos de interpolação. Figura 10: Interpolação linear e senoidal (Tektronics) Amostragem em tempo-equivalente Este modo de amostragem constrói uma imagem de um sinal capturando uma parcela da sua informação em cada ciclo de aquisição. Como se pode observer na Fig. 11 abaixo, em cada ciclo de aquisição é guardada um pequena informação sobre o sinal. Ao m de alguns ciclos de aquisição (quatro, no caso da gura), o sinal pode ser completamente reconstruído e visualizado. Figura 11: Amostragem em tempo equivalente (Tektronics)

7 6 Controles e indicadores Na gura 12 é mostrada a parte frontal do osciloscópio utilizado na bancada. Botão Entry Controles de configuração e arquivo Controles horizontais Controles de operação Teclas virtuais Funções matemáticas Controles verticais Formas de onda de referência Controles de disparo Controles do menu Figura 6 Painel frontal Figura 12: Painel frontal de um osciloscópio, Modelo DSO1052B da Agilen. Figura 13: Osciloscópio, Modelo DSO1052B da Agilent. Referência: [1] ABC do Osciloscópio, Mário Ferreira Alves, Departamento de Engenharia Electrotécnica, Instituto Politécnico do Porto, 1998.