OSCILOSCÓPIOS 1
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7-10 TÉCNICAS E APLICAÇÕES Osciloscópio: equipamento bastante versátil. Limitações depende fundamentalmente do usuário. 7.10.1 Medições de Frequência Osciloscópio: não é um medidor preciso de frequência. Usado para estimar o valor da frequência ou quando a forma de onda for tão complexa que um frequencímetro não opera de forma confiável. 3
7.10.2 Medição de Ângulo de Fase e Tempo de Atraso O osciloscópio é o instrumento mais indicado para medições de tempo e ângulo de fase. 4
7.10.2 Medição de Ângulo de Fase e Tempo de Atraso 5
7.10.2 Determinação das Características de Modulação Percentagem de Modulação = [(A-B)/(A+B)] x 100% A: amplitude máxima B: amplitude mínima 6
TIPOS DE OSCILOSCÓPIOS Bancada Portáteis Baseados em PC Placas conectadas no próprio PC ou um módulo de aquisição de dados (USB, RS- 232, GPIB ou Ethernet) 7
Bancada 8
Bancada 9
Portátil 10
Placa de Aquisição de Dados 11
TIPOS DE INSTRUMENTOS Instrumento de medição analógico: o sinal de saída ou indicação é uma função contínua do valor do mensurando ou do sinal de entrada. Instrumento de medição digital: apresenta o sinal de saída ou indicação sob a forma digital (numérica). Distinção clara: tipo de indicação e princípio de funcionamento de um instrumento. 12
TIPOS DE OSCILOSCÓPIOS Osciloscópio analógicos: sinais periódicos. Osciloscópio digitais: sinais transitórios (periódicos e não periódicos). 13
TIPOS DE OSCILOSCÓPIOS 14
OSCILOSCÓPIOS ANALÓGICOS E DE AMOSTRAGEM Os osciloscópios analógicos eram preferidos quando era necessário visualizar sinais com variações muito rápidas em tempo real. Atualmente, estão praticamente obsoletos, só se justificando quando o baixo custo é um requisito fundamental. Modelos que combinam as duas funcionalidades: combiscopes. 15
OSCILOSCÓPIOS ANALÓGICOS E DIGITAIS Osciloscópios analógicos: Analog Real Time (ART) Osciloscópios digitais: Digital Storage Oscilloscopes (DSO) 16
Vantagens dos osciloscópios digitais: 1. Armazenamento e posterior vizualização das formas de onda (transitórios); 2. Possibilitam processar a informação digital do sinal ou enviar dados para um computador. 17
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO OSCILOSCÓPIO DIGITAL 18
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO OSCILOSCÓPIO DE AMOSTRAGEM Seguidamente, um conversor AD recolhe um conjunto de amostras (samples) do sinal e converte seus valores de tensão para uma palavra de código digital. O sistema horizontal possui um clock que determina a frequência com que o conversor AD adquire e converte as amostras do sinal (frequência de amostragem). 19
As amostras são armazenadas em memória como pontos constituintes da forma de onda do sinal. Normalmente uma amostra é constituída por 8 bits (256 níveis de tensão), 10 bits (1024 níveis de tensão) ou 11 bits (2048 níveis). O conjunto de amostras que representa uma forma de onda é denominada de registro. O sistema de sincronismo e a base de tempo determinam o início e o fim deste registro, resultando num comprimento deste registro (record length). Depois deste registro ser armazenado em memória, é enviado para a tela. 20
MÉTODOS DE AMOSTRAGEM Amostragem em Tempo Real (real-time sampling) 21
MÉTODOS DE AMOSTRAGEM Interpolação 22
MÉTODOS DE AMOSTRAGEM Interpolações senoidal e linear 23
2.5 CARACTERÍSTICAS RELEVANTES DOS OSCILOSCÓPIOS ANALÓGICOS E DIGITAIS Escolha: utilização x custo/benefício. Largura de Banda (Bandwidth): Talvez a característica mais importante. Faixas de 20/30 MHz a 30 GHz. Tempo de subida: é uma medida mais adequada do desempenho para medição de impulsos e degraus. Valores típicos: dezenas de ns até centenas de ps. Número de Canais: 2, 4 ou 8 canais. 24
2.5 CARACTERÍSTICAS RELEVANTES DOS OSCILOSCÓPIOS ANALÓGICOS E DE AMOSTRAGEM Sensibilidade Vertical (Vertical Sensitivity): mv/div. Valores típicos: 1-2 mv/div a 5V/Div (até 2-100 V/Div). Exatidão do Sistema Vertical (Gain or Vertical Accuracy): Incerteza relativa: 1-3%. Exatidão do Sistema Horizontal (Time Base or Horizontal Accuracy): Incerteza relativa: 2-3% (baixa largura de banda), 0,001% (alta largura de banda). 25
Características Exclusivas dos Osciloscópios de Amostragem 26
Frequência de Amostragem (Sample Rate) Indica quantas amostras são adquiridas por segundo. Expressa em MS/s ou GS/s. Quanto maior a frequência máxima de amostragem de um osciloscópio, maior a exatidão com que ele representa os detalhes de um sinal com variações rápidas. A frequência mínima de amostragem é importante quando se precisa medir sinais lentos, durante longos períodos de tempo. A frequência de amostragem muda quando se ajusta o comando Time/Div. 27
Frequência de Amostragem (Sample Rate) Teorema de Nyquist: para reconstruir um sinal este deve ser amostrado a uma frequência pelo menos 2 vezes maior que o componente de maior frequência do sinal. Na prática, a frequência de amostragem deve ser pelo menos 5 vezes superior à maior componente de frequência do sinal em análise. 28
Resolução Vertical (Vertical or ADC Resolution) Representa a resolução, em bits, do conversor A/D definindo a qualidade com que os sinais analógicos são convertidos para valores digitais. O valor dessa grandeza influencia a exatidão na medição de tensão. Valores típicos: 8 a 11 bits (256 a 2048 níveis distintos de tensão). 29
Comprimento do Registro (Record Length) Indica quantas amostras do sinal são armazenadas pelo osciloscópio para se formar uma dada imagem. O comprimento máximo do registro depende da memória do osciloscópio. Compromisso entre detalhe e comprimento do registro: mais amostras durante um pequeno período de tempo ou menos amostras durante período mais longo. Alguns osciloscópios: permitem a atualização de sua memória. Valores típicos: alguns kb a dezenas de Mb. 30
TELA DO OSCILOSCÓPIO Avanço tecnológico das telas (ecrãs, displays). Dimensão (mm ou polegadas), Resolução (pixels), Suporte de cores. Exemplo: telas policromáticas de 10,4 polegadas (26,4 cm), resolução de 800 x 600 pixels. 31
CONECTIVIDADE Osciloscópios de amostragem: maior capacidade de comunicação. Interfaces mais comuns: RS-232, GPIB, USB, Ethernet (100 Mb/s e 1 Gb/s). 32
Tektronix TDS 220 33
BW = 100 MHz (TDS 220) Taxa de amostragem: 1 GS/s Extensão do registro: 2500 pontos Cursores com leitura e cinco medidas automatizadas Display de LCD de alto contraste e alta resolução com compensação de temperatura Configuração e armazenamento de forma de onda 34
Autoset para configuração rápida. Pode medir o valor médio e de pico de um sinal. Base de tempo dual. Capacidade de trigger de vídeo. Portas de comunicação: Centronics, GPIB e RS-232. Display com persistência variável. 35
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OSCILOSCÓPIOS TEKTRONIX 38
PONTAS DE PROVAS AGILENT 39
PONTAS DE PROVAS AGILENT 40
TIPOS DE OSCILOSCÓPIOS Instrumentos reais: incorporam num só equipamento todos os blocos da cadeia de instrumentação e controle necessários ao seu funcionamento, desde a transdução até a indicação. Instrumentos virtuais: englobam alguns ou todos os blocos da cadeia de instrumentação num computador. São também chamados de instrumentos baseados em computador. 41
OSCILOSCÓPIOS VIRTUAIS Começam a ter aceitação no mercado. Tipos: 1) Placa de aquisição de dados (I/O) interna: baseiam-se numa placa específica de aquisição de dados, mas para algumas aplicações pode-se utilizar a placa de som. 2) Módulo de aquisição de dados (I/O) externo: o computador comunica com um dispositivo de aquisição de dados externo, através de uma interface de comunicação (USB, GPIB, RS-232). 3) Computador como interface de osciloscópio real: o computador comunica com um osciloscópio real através de uma interface de comunicação (USB, GPIB, RS-232). 42
OSCILOSCÓPIOS VIRTUAIS - arquiteturas 43
OSCILOSCÓPIOS VIRTUAIS - arquiteturas 44
OSCILOSCÓPIOS REAIS x OSCILOSCÓPIOS VIRTUAIS Custo Flexibilidade (Capacidade de alteração e evolução) Armazenamento de informação Resposta temporal 45
3. INTERLIGAÇÃO ENTRE O OSCILOSCÓPIO E OS CIRCUITOS EM ANÁLISE Interligação entre o instrumento de medição e o sistema sob medição: fundamental e papel preponderante na qualidade da medição. Evitar: erros grosseiros e os sistemáticos. Efeito de carga: erro sistemático. O sinal medido pelo osciloscópio pode não ser igual ao original que se pretende medir. Pontas de prova (circuitos que interligam o osciloscópio e o circuito sob análise): extremamente importantes. 46
3. INTERLIGAÇÃO ENTRE O OSCILOSCÓPIO E OS CIRCUITOS EM ANÁLISE Fundamental: noção clara do que é a massa de um equipamento e do que representa a ligação ou não ligação da massa à Terra. Massa de um equipamento: qualquer elemento metálico suscetível de ser tocado. Está, em regra, isolada dos condutores ativos (fase/neutro em instalações de corrente alternada, positivo/negativo, em instalações de corrente contínua). Terra: massa condutora de referência, geralmente com potencial elétrico zero. 47
3. INTERLIGAÇÃO ENTRE O OSCILOSCÓPIO E OS CIRCUITOS EM ANÁLISE A massa do osciloscópio é a carcaça ou parte da carcaça do aparelho, que é normalmente ligada a um terceiro terminal da tomada de alimentação (fase, neutro e terra). Se a tomada de alimentação tiver ligação de Terra, a massa do osciloscópio fica ligada à Terra. Se o osciloscópio tiver mais que um canal, geralmente todos os canais partilham a mesma massa. 48
3. INTERLIGAÇÃO ENTRE O OSCILOSCÓPIO E OS CIRCUITOS EM ANÁLISE Osciloscópios com massas independentes para cada canal: é possível ligar as massa dos canais a potenciais elétricos diferentes. Ponta de prova (normalmente): ligação de sinal e ligação de massa. Osciloscópio com massa compartilhada: só é necessário ligar um terminal negativo de uma ponta de prova à massa do circuito. 49
3. INTERLIGAÇÃO ENTRE O OSCILOSCÓPIO E OS CIRCUITOS EM ANÁLISE Porque ligar a massa do osciloscópio à Terra Como medida de segurança. Porque não ligar a massa do osciloscópio à Terra? Exemplos: Figuras 16 e 17. 50
3. INTERLIGAÇÃO ENTRE O OSCILOSCÓPIO E O CIRCUITO EM ANÁLISE 51
3. INTERLIGAÇÃO ENTRE O OSCILOSCÓPIO E OS CIRCUITOS EM ANÁLISE 2 V2-V3 V1-V4 (massas independentes) 52
ESTADO DA TECNOLOGIA Osciloscópios analógicos: estão caindo em desuso, devido surgimento de osciloscópios de amostragem com muito mais potencialidades e custos aproximados. Utilizados quando existem restrições orçamentárias. Em termos de aprendizado, talvez seja melhor começar com o osciloscópio analógico. 53
Função autoset: osciloscópios de amostragem com utilização mais simples que a dos analógicos. Fabricantes importantes: Tektronix, Agilent e Lecroy. 54
Aplicações especiais: 1. Análises de barramentos de comunicação em computadores 2. Análise da integridade dos sinais em redes de comunicação. Larguras de banda extremamente elevadas, adequadas para analisar sinais de altas frequências como os existentes numa rede Gigabit Ethernet. 55
Osciloscópios virtuais (baseados em PC): mercado em franca expansão. Número crescente de modelos e fabricantes, tantos de módulos de I/O externos como de placas de I/O internas. Soluções não comerciais: osciloscópios baseados em placas de som, mas que possuem fortes limitações. Simuladores de osciloscópios: utilizados para demonstrações. 56