Física Laboratorial Ano Lectivo 2004/05 OSCILOSCÓPIO

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1 1. Introdução OSCILOSCÓPIO O osciloscópio (fig. 1) é o mais útil e versátil dos instrumentos utilizados para testes de circuitos electrónicos, uma vez que nos permite visualizar a evolução de uma diferença de potencial (d.d.p.) em função do tempo ou de uma outra d.d.p, em qualquer ponto de um circuito. Para além das aplicações óbvias em muitos laboratórios de investigação, pode ainda constatar-se a utilização do osciloscópio em situações tão diversas como no apoio ao diagnóstico médico e à mecânica de automóveis. Figura 1 Fotografia de um osciloscópio 2. Princípio de funcionamento Na figura 2 pode observar-se um diagrama de blocos ilustrando as 4 principais componentes de um osciloscópio: o tubo de raios catódicos (cathode ray tube CRT), o gerador de base de tempo e os amplificadores de deflexão vertical e horizontal. Figura 2 Principais componentes de um osciloscópio. O interruptor S liga o amplificador de deflexão horizontal ao gerador de base de tempo (terminal A) ou a um sinal externo (terminal B) Tubo de Raios Catódicos A componente fundamental do osciloscópio é o CRT, cujo funcionamento se baseia no facto de 19 um feixe de electrões, por serem partículas carregadas ( 1.6 x10 C ) e devido ao baixo valor da 31 sua massa ( 9.11x10 kg ), poder ser facilmente acelerado e a sua trajectória alterada por acção de campos eléctricos fracos. Um CRT típico, esquematicamente representado na figura 3, é constituído por: um tubo de vidro fechado (A) em que se fez vácuo, um canhão de electrões composto por um filamento metálico (B), cujo aquecimento provoca a emissão de electrões de um outro metal que constitui o cátodo (C), um conjunto de eléctrodos Departamento de Física da FCTUC 1/11

2 que controlam a intensidade (ou brilho) do feixe (D) (o Wehnelt), a sua focagem (F) e aceleração (E), 2 pares de placas metálicas paralelas que permitem desviar o feixe de electrões tanto na vertical (G) como na horizontal (H), um écran (I), revestido por um depósito de material fluorescente (J), cujos pontos se tornam luminosos quando atingidos pelo feixe de electrões. um revestimento condutor (K). Figura 3 Tubo de raios catódicos (CRT) Ainda relativamente ao canhão de electrões esclareçamos melhor o conjunto de tensões envolvidas: o cátodo funciona por emissão termoiónica. Para isso é aquecido por um filamento alimentado com corrente alternada e é revestido por um óxido fortemente emissivo. Permite uma emissão praticamente constante de electrões. O Wehnelt é um eléctrodo cilíndrico que se encontra a um potencial baixo e negativo relativamente ao cátodo (-10 a -50V) que regula a intensidade do feixe de electrões. Quanto mais negativo fôr este potencial mais repulsivo é o campo eléctrico entre o Wehnelt e o cátodo e portanto menor a intensidade do feixe electrónico. O ânodo acelerador está a uma tensão positiva constante (da ordem de 1500V) que acelera os electrões. O ânodo de focagem tem uma tensão regulável que permite focar o feixe sobre o alvo. A tensão aplicada no ânodo de focagem (da ordem de 500V) determina a localização (segundo o eixo de abcissas) do ponto de convergência dos electrões no feixe. Uma tensão de focagem incorrecta produzirá uma mancha (em vez de um ponto) no ecrã. As placas G e H são placas de defexão que permitem produzir desvios verticais e horizontais do feixe. Quando se aplica uma diferença de potencial a qualquer um dos pares de placas G ou H, passa a existir entre elas um campo eléctrico que vai actuar sobre os electrões numa direcção perpendicular às placas, provocando o desvio do feixe. Esse desvio é proporcional à diferença de potencial entre as placas. O par G provoca desvios verticais do feixe e o par H provoca desvios horizontais. A combinação dos deslocamentos verticais e horizontais permite colocar o ponto luminoso em qualquer posição do écran. (A luminosidade resulta da absorção e posterior emissão energética na sequência do embate do feixe de electrões no material fluorescente que reveste o écran.) Fazendo variar o valor da d.d.p. aplicada a cada par de placas deflectoras, o ponto luminoso movimenta-se. Devido à persistência da luminosidade do ponto, se o movimento for suficientemente rápido fica uma curva desenhada no écran, como está ilustrado na fig. 4. Departamento de Física da FCTUC 2/11

3 Figura 4 As d.d.p. aplicadas às placas deflectoras devem produzir um sinal de tamanho adequado no ecrã. Por um lado, interessa que o ponto luminoso se situe sempre nos limites do écran e, como os deslocamentos são proporcionais às diferenças de potencial aplicadas às placas, conclui-se que existe um valor máximo para a d.d.p. a partir do qual o ponto desaparece do écran. Por outro lado, convém que as d.d.p. aplicadas não sejam demasiado pequenas, de modo a que a imagem tenha um tamanho que proporcione uma fácil leitura no écran e possibilite extrair as informações necessárias Sinal de entrada Precisamente para possibilitar o controle do tamanho do sinal no écran, sobretudo quando o sinal de entrada é de pequena amplitude, existe um amplificador de ganho variável (fig. 2) entre as placas verticais e a entrada do osciloscópio. O sinal eléctrico que se pretende observar é, portanto, amplificado antes de ser aplicado às respectivas placas. Como a deflexão vertical do feixe de electrões é proporcional à tensão de entrada do osciloscópio, os deslocamentos verticais observáveis no écran traduzem as tensões medidas. Ao seleccionar, no painel frontal do osciloscópio, um determinado valor para a amplificação (diz-se seleccionar o ganho do amplificador vertical ), o utilizador fixa a relação entre o deslocamento vertical do ponto luminoso e a tensão de entrada Gerador de Base de Tempo Se aplicarmos às placas horizontais uma diferença de potencial que cresça linearmente com o tempo, o feixe vai deslocar-se com velocidade constante de um lado para o outro do écran (diz-se que o feixe varreu o écran). Sendo o deslocamento proporcional ao tempo decorrido desde o início do varrimento, é possível graduar a escala horizontal do osciloscópio em unidades de tempo por centímetro: a cada posição do ponto luminoso no écran corresponderá um intervalo de tempo entre o início do varrimento e o momento em que o feixe se encontra nesse ponto. Quando o feixe atinge o outro extremo do écran é necessário fazê-lo voltar ao ponto de origem o mais rapidamente possível para iniciar um novo varrimento. Estas funções são realizadas pelo bloco designado por gerador de base de tempo (fig. 2) que é assim designado por permitir observar a variação de um sinal em função do tempo. Figura 5 Onda em dente de serra. O gerador de base de tempo é, normalmente, um circuito que produz à sua saída uma onda em dente de serra (fig. 5). Como os sinais a observar podem apresentar frequências muito diferentes a base de tempo deverá funcionar numa gama suficientemente ampla de velocidades de varrimento. Um bom osciloscópio deverá ter desde a velocidade de varrimento muito elevada, que permita observar detalhadamente sinais de alta frequência, até velocidade de varrimento baixa que permita ver no ecrã, de forma completa, um sinal muito lento. O sinal eléctrico produzido pelo gerador de base de tempo (dente de serra) é aplicado às placas horizontais para produzir o varrimento. Departamento de Física da FCTUC 3/11

4 O tempo T, na figura, é o tempo que o feixe leva a efectuar um varrimento; T é o tempo necessário para o ponto luminoso regressar à posição de origem. Os osciloscópios inibem o feixe durante o tempo T de modo a que a linha de retorno do feixe não apareça no écran. Na figura 6 podemos observar como é produzido um varrimento do feixe de electrões ao longo do écran do osciloscópio. O sinal a medir é aplicado, através da entrada e do amplificador respectivo, às placas de deflexão vertical, definindo em cada instante a posição vertical do ponto luminoso. Por outro lado, as placas de deflexão horizontal recebem, também via amplificador, a onda gerada pela base de tempo, de modo definir a posição horizontal do ponto, proporcional ao tempo decorrido. A imagem do osciloscópio é formada por varrimentos sucessivos. Devido à persistência luminosa, o utilizador observa uma imagem que é a resultante das imagens de vários varrimentos. Figura 6 Varrimento do écran do osciloscópio Sistema de trigger ou disparo Por vezes as imagens correspondentes aos diferentes varrimentos não coincidem no écran, daí resultando uma imagem confusa como a ilustrada na figura 7. Isto acontece porque, quando se inicia cada varrimento, o sinal de entrada está num ponto de amplitude diferente da do varrimento anterior, como se pode ver na referida figura. Para evitar este problema é necessário que o varrimento seja sempre iniciado quando o sinal de entrada tiver a mesma amplitude e declive, de modo a que as imagens dos varrimentos sucessivos sejam iguais. Esta é a função do circuito chamado trigger (disparo). Diz-se então que a base de tempo está sincronizada. Figura 7 Base de tempo não sincronizada. Departamento de Física da FCTUC 4/11

5 Na figura 8 vê-se a imagem obtida seleccionando uma amplitude de trigger de cerca de metade da amplitude máxima do sinal e um declive negativo. Repare-se que, após o fim de um varrimento, a base de tempo espera que o sinal retome o valor e declives iniciais para iniciar um novo dente de serra; deste modo, a imagem obtida é a sobreposição de imagens iguais. Logo a imagem visível é estável e bem definida Modo Y-t e X-Y Figura 8 Base de tempo sincronizada. Até agora, considerou-se o modo de funcionamento do osciloscópio em que o sinal de entrada é aplicado às placas verticais e a tensão em dente de serra gerada pela base de tempo é aplicada às placas horizontais. Tal modo de funcionamento designa-se por Y-t. Para além do funcionamento Y-t, o osciloscópio também permite funcionar aplicando às placas horizontais uma outra tensão externa e compondo os dois sinais como está ilustrado na figura 9, sem intervenção da base de tempo. Este modo de funcionamento, em que se elimina a dependência temporal de dois sinais externos, designa-se por X-Y. Figura 9 Composição da tensão aplicada às placas verticais (V y ) e às placas horizontais (V x ) em modo de funcionamento X-Y Departamento de Física da FCTUC 5/11

6 MODELOS DE OSCILOSCÓPIO Seguidamente serão apresentados os painéis frontais de dois modelos de osciloscópio que serão utilizados nas aulas. Em qualquer deles, do lado esquerdo, pode observar-se o écran do tubo de raios catódicos, onde se encontra desenhada uma grelha graduada de modo a facilitar as medidas. São osciloscópios com 2 canais de entrada, permitindo observar simultaneamente os 2 sinais eléctricos em função do tempo, utilizando a tensão em dente de serra fornecida pelo gerador de base de tempo (Modo de funcionamento Y-t). Para permitirem a observação simultânea dos dois sinais em função do tempo, estes osciloscópios possuem 2 amplificadores verticais e um circuito comutador que alterna muito rapidamente os dois sinais na entrada nas placas de deflexão vertical. Como alternativa, o osciloscópio permite também observar um dos sinais de entrada não em função do tempo mas em função do outro sinal de entrada. Neste caso uma dessas entradas substitui a tensão da base de tempo passando a funcionar como canal x (Modo de funcionamento X-Y). 1. Osciloscópio OX MHz Metrix. (Laboratório de Electricidade) Descrição do painel frontal. Figura 10 Painel frontal do osciloscópio OX 520 da Metrix Departamento de Física da FCTUC 6/11

7 1 - LED indicador de osciloscópio ligado. 40 Botão on/off. Serve para ligar/desligar o osciloscópio. 2 - Controle de focagem. Permite focar o traço produzido no écran. 3 - Rotação de traço. Serve para alinhar o traço produzido no écran com as linhas horizontais da grelha. 4 - Controle de intensidade. É utilizado para ajustar o brilho do traço. Brilho excessivo pode danificar o écran, para além de ser prejudicial à vista Entrada do canal 1. Ficha de ligação do sinal. Funciona como canal X em modo X-Y Entrada do canal 2. Ficha de ligação do sinal. Funciona como canal Y em modo X-Y. 28, 30, 34, 35 - Comutadores de acoplamento de entrada. Estes comutadores seleccionam o acoplamento entre os sinais de entrada e as placas de deflexão vertical. São possíveis três modos de acoplamento: DC ( Direct Currect corrente contínua), AC ( Alternate Current corrente alternada) e GND ( Ground terra). DC - o sinal é ligado directamente aos amplificadores de deflexão vertical. AC - o sinal é ligado aos amplificadores através de um condensador, o que faz com que a componente contínua do sinal seja eliminada, sendo apenas mostrada a componente variável no tempo. GND - o sinal fica desligado dos amplificadores de deflexão vertical. Permite-nos localizar a linha horizontal de referência, em relação à qual se deverão realizar todas as medições. 31, 36 - Comutador de selecção Volts/Div. Trata-se de um botão que permite seleccionar o ganho do amplificador de deflexão vertical. Existe um comutador para cada canal de entrada. O valor seleccionado neste comutador corresponde ao valor, em tensão, a que corresponde cada divisão da grelha. Se, por exemplo, o botão Volts/Div indicar 2 V e um sinal sinusoidal ocupar 3 divisões da grelha, pico a pico, então o sinal tem uma tensão de 6 V pico a pico. 32, 37 - Comutador de selecção Volts/Div ajuste contínuo. Este botão deve estar completamente rodado no sentido dos ponteiros do relógio (posição CAL calibrado). Quando o botão é puxado, a sensibilidade é 5 vezes superior. 6, 11 - Controle de posição. Permite ajustar, na vertical, a posição da imagem no osciloscópio Controle de posição. Permite ajustar, na horizontal, a posição da imagem no osciloscópio. 5, 7, 8, 9, 10, 12 - Comutador de selecção de Modo. É utilizado para seleccionar o modo de operação do sistema de deflexão vertical. São possíveis cinco modos: Departamento de Física da FCTUC 7/11

8 CH1 Só aparece no écran o sinal aplicado à entrada 1. CH2 Só aparece no écran o sinal aplicado à entrada 2. ALT No écran surgem os sinais aplicados às duas entradas do osciloscópio. As duas entradas são alternadamente mostradas em varrimentos sucessivos. CHOP No écran surgem os sinais aplicados às duas entradas. A entrada dos amplificadores verticais comuta rapidamente (250kHz neste osciloscópio) entre os 2 canais. ADD - No écran surge a soma algébrica dos dois sinais Comutador de selecção Time/Div. Permite controlar a velocidade de varrimento da Base de Tempo. O valor indicado por este comutador (tempo por divisão) indica quanto vale cada divisão horizontal na grelha. Se, por exemplo, o comutador indicar 10µs por divisão e um sinal eléctrico ocupar, na horizontal, 4 divisões, então o sinal tem uma duração de 40µs Comutador de selecção Time/Div - ajuste contínuo. Este botão deve estar completamente rodado no sentido dos ponteiros do relógio (posição CAL calibrado). Quando o botão é puxado, a sensibilidade é 10 vezes superior. 22, 23, 25, 26, 27 - Comutador de selecção da fonte de trigger. Com este comutador, podemos seleccionar qual é o sinal que actua como fonte para o disparo da Base de Tempo. Iremos utilizar sempre o modo de trigger interno, em que a fonte de disparo será o sinal de entrada 1 ou 2. É possível usar-se um sinal externo, introduzido através da entrada Controle de nível de trigger. Permite ajustar a amplitude de trigger. É ainda utilizado para definir o declive de trigger : posição normal declive positivo; se puxarmos o botão para fora declive negativo. 13, 15, 16, 18 - Comutador de selecção do modo trigger. Estão disponíveis 3 modos: AUTO Neste modo, quando existe um sinal em condições de disparar a base de tempo, esta funciona como base de tempo sincronizada, ou seja, disparada pelo sinal de trigger. Não existindo tal sinal, a Base de Tempo trabalha em modo livre, ou seja, inicia um varrimento logo que terminar o anterior. Este é o modo trigger mais útil. NORM Só ocorre varrimento se na entrada existir um sinal que possibilite o funcionamento da Base de Tempo no modo sincronizado. TV(V) e TV(H) Utilizados quando se pretende observar sinais de televisão Ponto de calibração 0.5 V. Neste terminal está disponível uma onda quadrada de 0.5 V pico a pico e 1kHz de frequência. É muito útil para o utilizador verificar se está a trabalhar, ou não, com pontas de prova divisórias por 10 (Estas pontas atenuam a tensão do sinal a medir por um factor de 10) Terminal GND. Trata-se do terminal de terra do osciloscópio. Departamento de Física da FCTUC 8/11

9 2. Osciloscópio V-212 Hitachi. (Laboratório de Óptica e Fenómenos Ondulatórios) Descrição do painel frontal. Figura 11 Painel frontal do osciloscópio V-212 da Hitachi Denshi, Ltd.. 1 Botão on/off. Serve para ligar/desligar o osciloscópio. 2 Led indicador de osciloscópio ligado 3 Controle de focagem. Permite focar o traço produzido no écran. 4 Rotação de traço. Serve para alinhar o traço produzido no écran com as linhas horizontais da grelha. 5 Controle de intensidade. É utilizado para ajustar o brilho do traço. Brilho excessivo pode danificar o écran, para além de ser prejudicial à vista. 8 Entrada do canal 1. Ficha de ligação do sinal. Funciona como canal X em modo X-Y. 9 Entrada do canal 2. Ficha de ligação do sinal. Funciona como canal Y em modo X-Y. 10, 11 Comutadores de acoplamento de entrada. Este comutador selecciona o acoplamento entre os sinais de entrada e as placas de deflexão vertical. São possíveis três modos de acoplamento: DC ( Direct Currect corrente contínua), AC ( Alternate Current corrente alternada) e GND ( Ground terra). DC o sinal é ligado directamente aos amplificadores de deflexão vertical. AC o sinal é ligado aos amplificadores através de um condensador, o que faz com que a componente contínua do sinal seja eliminada, sendo apenas Departamento de Física da FCTUC 9/11

10 mostrada a componente variável no tempo. GND o sinal fica desligado dos amplificadores de deflexão vertical. Permite-nos localizar a linha horizontal de referência, em relação à qual se deverão realizar todas as medições. 12, 13 Comutador de selecção Volts/Div. Trata-se de um botão que permite seleccionar o ganho do amplificador de deflexão vertical. Existe um comutador para cada canal de entrada. O valor seleccionado neste comutador corresponde ao valor, em tensão, a que corresponde cada divisão da grelha. Se, por exemplo, o botão Volts/Div indicar 2 V e um sinal sinusoidal ocupar 3 divisões da grelha, pico a pico, então o sinal tem uma tensão de 6 V pico a pico. 14, 15 Comutador de selecção Volts/Div ajuste fino. Quando puxado, este botão aumenta 5 vezes o ganho segundo o eixo vertical. 16, 17 Controle de posição. Permite ajustar, na vertical, a posição da imagem no osciloscópio. 18 Comutador de selecção de Modo. É utilizado para seleccionar o modo de operação do sistema de deflexão vertical. São possíveis cinco modos: CH1 Só aparece no écran o sinal aplicado à entrada 1. CH2 Só aparece no écran o sinal aplicado à entrada 2. ALT No écran surgem os sinais aplicados às duas entradas do osciloscópio. As duas entradas são alternadamente mostradas em varrimentos sucessivos. CHOP No écran surgem os sinais aplicados às duas entradas. A entrada dos amplificadores verticais comuta rapidamente (250kHz neste osciloscópio) entre os 2 canais. ADD - No écran surge a soma algébrica dos dois sinais. 22 Comutador de selecção Time/Div. Permite controlar a velocidade de varrimento da Base de Tempo. O valor indicado por este comutador (tempo por divisão) indica quanto vale cada divisão horizontal na grelha. Se, por exemplo, o comutador indicar 10µs por divisão e um sinal eléctrico ocupar, na horizontal, 4 divisões, então o sinal tem uma duração de 40µs. 23 Comutador de selecção Time/Div - ajuste contínuo. Este botão deve estar completamente rodado no sentido dos ponteiros do relógio (posição CAL calibrado). 24 Permite movimentar o feixe na direcção X. Quando o botão é puxado, a sensibilidade em Tempo/Div é aumentada 10 vezes. 25 Comutador de selecção da fonte de trigger. Com este comutador, podemos seleccionar qual é o sinal que actua como fonte para o disparo da Base de Tempo. Iremos utilizar sempre o modo INT, em que a fonte de disparo será o sinal de entrada 1 ou 2. Esta ultima escolha é feita através do comutador Entrada para utilização de um sinal externo de trigger. Departamento de Física da FCTUC 10/11

11 28 Controle de nível de trigger. Permite ajustar a amplitude de trigger. É ainda utilizado para definir o declive de trigger : posição normal declive positivo; se puxarmos o botão para fora declive negativo. 29 Comutador de selecção do modo trigger. Estão disponíveis 3 modos: AUTO Neste modo, quando existe um sinal em condições de disparar a base de tempo, esta funciona como base de tempo sincronizada, ou seja, disparada pelo sinal de trigger. Não existindo tal sinal, a Base de Tempo trabalha em modo livre, ou seja, inicia um varrimento logo que terminar o anterior. Este é o modo trigger mais útil. NORM Só ocorre varrimento se na entrada existir um sinal que possibilite o funcionamento da Base de Tempo no modo sincronizado. TV(V) e TV(H) Utilizados quando se pretende observar sinais de televisão. 31 Ponto de calibração 0.5 V. Neste terminal está disponível uma onda quadrada de 0.5 V pico a pico e 1kHz de frequência. É muito útil para o utilizador verificar se está a trabalhar, ou não, com pontas de prova divisórias por 10 (Estas pontas atenuam a tensão do sinal a medir por um factor de 10). 32 Terminal GND. Trata-se do terminal de terra do osciloscópio. Departamento de Física da FCTUC 11/11