Osciloscópios, Parte Um

Uma introdução a essa complexa ferramenta educacional com diversas aplicações.

Nesta primeira parte de uma série de dois artigos, vamos analisar o osciloscópio como uma ferramenta educacional. Ele é uma porta de entrada maravilhosa para o mundo da eletrônica, e parece não haver fim para as múltiplas camadas de interação de partículas elementares que ele pode revelar.

Ao tirar um osciloscópio novo da caixa, a primeira reação pode ser: “O que eu estava pensando? Como é que eu me meti nisso? Tantos botões e menus enigmáticos!” Mas não se preocupe. O manual de instruções, impresso ou online, esclarece muita coisa, e as dúvidas restantes desaparecem uma a uma à medida que se realizam exercícios, primeiro os mais básicos e depois os mais complexos.

Objetivos de aprendizagem

Após ler este artigo, você deverá ter aprendido sobre:
♦ A história do osciloscópio
♦ Os principais componentes de um visor de osciloscópio
♦ A finalidade dos eixos X e Y
♦ Inovações importantes no desenvolvimento de osciloscópios
♦ Desvantagens da conversão de TV e do osciloscópio baseado em computador

O osciloscópio digital moderno consiste em pontas de prova; canais analógicos (geralmente dois ou quatro); conversão analógico-digital; processamento e memória; e, finalmente, um visor (atualmente predominantemente em tela plana). Tipicamente, existem dois eixos, X e Y, que se cruzam no centro da tela. Um ponto de luz se move vertical e horizontalmente pela tela para formar o traço, que é uma representação gráfica da tensão aplicada na entrada do instrumento.

Em sua aplicação mais comum, o osciloscópio é configurado de forma que a posição em relação ao eixo Y represente a tensão e a posição em relação ao eixo X represente o tempo. Cruzando os eixos em ângulos retos, encontram-se linhas (conhecidas como "divisões") que permitem medir o nível de tensão do sinal em intervalos de tempo específicos. O traçado assim constituído pode ser dinâmico ou estático, mas, de qualquer forma, transmite uma imensa quantidade de informações sobre o sinal que está sendo investigado.

História

Para entender como o osciloscópio funciona, é instrutivo analisar sua história, particularmente em relação a dois marcos importantes: o disparo e o osciloscópio de armazenamento digital. Os primeiros osciloscópios envolviam a captura de formas de onda por meio da medição de tensões em vários pontos ao longo da circunferência de um rotor giratório. Um registro permanente na forma de uma imagem gráfica era feito desenhando-a à mão em papel. Obviamente, a resposta de frequência era limitada pela velocidade e resistência do(s) artista(s).

As inovações subsequentes em osciloscópios foram incrementais. O primeiro grande avanço envolveu o uso de um galvanômetro, que movia uma caneta sobre uma tira de papel enrolada em um tambor. Ele girava a uma taxa constante controlada por um relógio, que fornecia a base de tempo. Métodos subsequentes semelhantes também envolviam partes móveis e, como essas máquinas eram mecânicas (em oposição a eletrônicas), a inércia de repouso impunha um limite severo à resposta de frequência.

Desvios

Equipamentos híbridos, nos quais a luz refletida por um espelho vibratório criava imagens de formas de onda em papel fotográfico, permitiram que a resposta de frequência dos osciloscópios chegasse a 10 kHz na década de 1920. Mais tarde, nesse mesmo século, duas inovações substanciais tornaram possíveis os osciloscópios usados ​​universalmente hoje em dia.

A primeira dessas inovações foi o disparo, introduzido por Howard Vollum e Jack Murdock, fundadores da Tektronix. Em 1946, eles lançaram o osciloscópio de varredura disparada Tektronix Modelo 511, que permitia a exibição estável e coerente de uma forma de onda recorrente. Esse recurso possibilitava a sobreposição de múltiplas imagens de formas de onda na tela do osciloscópio, substituindo o borrão de luz sem sentido resultante da falta de sincronização. Não era necessário um sinal de varredura de frequência constante para a estabilidade da imagem.

Outro desenvolvimento significativo ocorreu antes da década de 1980, quando Walter LeCroy, fundador da LeCroy Corp., apresentou o osciloscópio digital de armazenamento. Um conversor analógico-digital, em conjunto com chips de memória, permite que os osciloscópios modernos registrem e armazenem uma representação digital de qualquer tipo de forma de onda elétrica. Esse desenvolvimento possibilitou a criação de telas planas. Juntamente com o disparo eficiente, a digitalização criou uma plataforma de trabalho extremamente útil para engenheiros, técnicos e estudantes visualizarem diversos fenômenos eletrônicos e solucionarem muitos problemas que surgem em pesquisa, desenvolvimento e manutenção.

Tipos

"Técnico em eletrônica" é um termo amplo que pode incluir o engenheiro eletricista que idealiza, projeta e pode ser chamado para solucionar problemas em novas inovações. Há também o "profissional de reparos", cuja descrição de trabalho inclui diagnosticar e reparar sistemas e equipamentos elétricos com defeito. Essa tarefa pode variar de muito simples (como rearmar um disjuntor desarmado ou substituir um cabo de alimentação desgastado) a muito difícil (como solucionar problemas em um controlador de movimento de elevador que desliga em intervalos irregulares sem motivo aparente). Outra categoria é a do inventor independente ou hobbista. Essas pessoas variam de inovadores brilhantes que ocasionalmente estão na vanguarda de tecnologias totalmente novas a excêntricos delirantes que quebram mais do que consertam.

Qualquer pessoa que utilize um osciloscópio avançado pode se beneficiar muito. A triste realidade, porém, é que um instrumento de ponta custa muito mais do que muitos de nós podemos pagar. (O Agilent mais caro custa aproximadamente US$ 500,000.) Mas a boa notícia é que os osciloscópios de gama média são muito mais acessíveis. Muitos fornecedores oferecem financiamento para atrair compradores. Não é difícil imaginar que o aumento da renda justificará o investimento. Caso contrário, existem outras opções de baixo custo, e vamos analisá-las uma a uma, começando pela mais barata.

TV

Uma antiga TV portátil em preto e branco pode ser convertida em um osciloscópio funcional. O custo dos materiais é de aproximadamente US$ 1, considerando que se possa obter uma TV adequada gratuitamente e que a solda, o fluxo de solda, os fios, os terminais de vedação e as pontas de prova do voltímetro já estejam disponíveis.

Antes de começar, lembre-se de que as TVs armazenam altas voltagens perigosas nos capacitores eletrolíticos associados às suas fontes de alimentação. (Altas voltagens são necessárias para o circuito de deflexão que direciona o feixe de elétrons para longe do centro da tela.) Além disso, o próprio tubo de raios catódicos (CRT) pode armazenar energia elétrica. Existe também a capacitância distribuída por todo o aparelho. O chassi deve ser removido do gabinete e essas voltagens perigosas devem ser descarregadas para o potencial de terra antes de começar a trabalhar no aparelho. Se você tiver alguma dúvida sobre o procedimento, consulte um profissional para ajudá-lo nesta etapa do projeto. E lembre-se de que, se a TV for religada, o processo de descarga terá que ser repetido.

Duas grandes bobinas de cobre envolvem o núcleo do tubo de raios catódicos. Elas possibilitam a deflexão vertical e horizontal do feixe de elétrons. (Em um osciloscópio, elas são chamadas de placas de deflexão, mas o princípio é o mesmo.) Siga os fios de uma dessas bobinas até o ponto onde terminam em uma placa de circuito impresso e desconecte-os. Recoloque a TV em seu gabinete e ligue-a. Se houver uma linha horizontal, os fios da bobina de deflexão vertical foram desconectados; se houver uma linha vertical, os fios da bobina horizontal foram desconectados. Se necessário, dessolde a bobina vertical da placa de circuito impresso e deixe os fios longos o suficiente para passar por um orifício com ilhós no gabinete da TV. Esses fios serão conectados à fonte de alimentação externa a ser medida. Em seguida, desconecte os fios da bobina horizontal da placa de circuito impresso e mova-os até os terminais da bobina de deflexão vertical.

Nada mais é necessário para um osciloscópio caseiro. Infelizmente, ele é muito limitado em comparação com os instrumentos oferecidos pelos fabricantes. Como só pode exibir corrente contínua (CC) ou corrente alternada (CA) de baixa frequência, seu valor se restringe a projetos educacionais.

Baseado em PC

Outro tipo de osciloscópio é um instrumento que se conecta a um computador pessoal (PC), utilizando sua capacidade de processamento de dados e geração de imagens para exibir a tensão de uma fonte de alimentação externa ou do circuito em teste. O osciloscópio baseado em PC (PCO) consiste em uma placa especializada para aquisição de sinais. Ele pode assumir diferentes formatos, geralmente sendo um dispositivo externo com porta USB ou paralela. Outro tipo de PCO consiste em uma placa instalada no computador. Em termos de hardware, há uma interface elétrica que fornece isolamento e controle automático de ganho, alguns conversores analógico-digitais e memória buffer, ou um processador de sinal digital interno. As interfaces de exibição e controle são fornecidas pelo computador, e é por esse motivo que o custo de um PCO é muito menor do que o de um osciloscópio convencional.

Como era de se esperar, existem algumas desvantagens significativas em optar por um osciloscópio de computador (PCO), apesar da funcionalidade surpreendente de alguns dos melhores instrumentos. A principal desvantagem é que o computador é uma fonte de alimentação e ruído eletromagnético. Se o PCO for usado para examinar sinais de baixa intensidade, obter uma boa resolução pode ser problemático, exigindo blindagem extensa. Outra dificuldade é que as taxas de transferência para o computador certamente serão limitadas pelo elo mais fraco da cadeia, um gargalo inerente ao cabeamento. Além disso, o computador exigirá um software que habilite o osciloscópio, que pode ou não ser compatível com o sistema operacional. Obviamente, computadores compatíveis geralmente não têm a mesma vida útil de osciloscópios dedicados de alta qualidade. No geral, o PCO é valioso como ferramenta educacional para entusiastas e estudantes. É útil para algumas medições de baixa frequência, mas faltam velocidade e precisão. Para pesquisa séria e manutenção de instalações, o PCO é uma ideia que ainda não se concretizou (e provavelmente nunca se concretizará).

Usados

Outra opção de baixo custo é comprar um osciloscópio usado. O problema é que, mesmo que o osciloscópio pareça funcionar, pode-se constatar posteriormente que algumas funções não estão totalmente operacionais. Se você conseguir encontrar peças e tiver a experiência necessária para consertá-lo, ótimo, mas quando for necessária a recalibração de fábrica, essa opção pode não estar disponível. Portanto, essa alternativa não é recomendada.

New

Por fim, se o custo não for um obstáculo, considere comprar um novo. Existem inúmeros fabricantes, alguns voltados para o mercado de baixo custo, enquanto outros investiram e continuam investindo em pesquisa e desenvolvimento, buscando oferecer qualidade e funcionalidade de alto nível. Os principais fabricantes são Tektronix, LeCroy e Agilent (recentemente desmembrada e transformada na Keysight Technologies, mas mantendo essencialmente a mesma linha de produtos). Esses fornecedores oferecem osciloscópios de alta qualidade, muito avançados e duráveis, que devem ser valiosos por muitos anos.

 Recursos e funcionalidade

Um osciloscópio de domínio misto (MDO) é capaz de exibir sinais elétricos em mais de um domínio. O domínio associado a uma função, como os estudantes de cálculo bem sabem, é o conjunto de entradas permitidas para essa função. A tela do osciloscópio consiste em uma linha horizontal, o eixo X, ao longo da qual as entradas estão localizadas. No centro da tela, o eixo Y, ao longo do qual as saídas estão localizadas, cruza o eixo X.

O cenário mais comum é observar unidades de tempo referenciadas ao eixo X, onde as variáveis ​​independentes são representadas. A amplitude (tensão) é referenciada ao eixo Y. Diversas amplitudes compõem as variáveis ​​dependentes. As relações entre os pontos no eixo X e os pontos no eixo Y são determinadas pela função.

Às vezes, o domínio (eixo X) não representa o tempo. Em vez disso, pode ser definido em termos de frequência (com os valores de Y ainda representando a amplitude). Isso resulta em uma representação gráfica diferente do mesmo sinal elétrico. É possível converter entre os dois domínios, e o procedimento para isso é conhecido como Transformada de Fourier, descrita em 1822 por Joseph Fourier. Na época, o protocolo era aplicável a fenômenos não elétricos, como a ação de ondas em um corpo d'água e a mecânica acústica. Atualmente, o foco principal é a área elétrica.

Os cálculos matemáticos para realizar a Transformada de Fourier são extremamente complexos, mas em meados da década de 1960, surgiu um algoritmo conhecido como Transformada Rápida de Fourier (FFT), que acelera consideravelmente o processo. Esse procedimento permite realizar as mesmas conversões de ida e volta entre os dois domínios com cálculos menos trabalhosos. Felizmente, a FFT pode ser invocada instantaneamente pressionando uma sequência simples de botões em um analisador de espectro, e um sinal elétrico pode ser visualizado imediatamente em qualquer um dos domínios. Essa funcionalidade é muito útil para obter informações sobre o funcionamento interno de diversos tipos de equipamentos eletrônicos para fins de manutenção, bem como para pesquisa e desenvolvimento.

encalhe

Antes de ligar ou conectar um osciloscópio de bancada a um sinal, precisamos detalhar o conceito de aterramento tanto do instrumento quanto do circuito em análise. Se isso não for compreendido completamente, há uma grande probabilidade de o usuário realizar uma conexão incorreta e danificar ou destruir o osciloscópio e/ou o componente que está sendo medido.

Primeiramente, e mais fundamentalmente, o osciloscópio (a menos que seja do tipo portátil, alimentado por bateria e isolado da terra) deve estar corretamente aterrado sempre que for ligado. Essa conexão de aterramento é feita conectando-o a uma tomada padrão de três pinos com aterramento de equipamento. Isso pressupõe, é claro, que o condutor de aterramento do equipamento esteja intacto e conectado corretamente na entrada de energia elétrica e que todo o sistema tenha uma conexão de baixa impedância com a terra. Uma boa ferramenta para verificar se a fiação está polarizada corretamente (e, de fato, aterrada) é o analisador de circuitos (Figura 2).

O objetivo da ligação de aterramento do equipamento é garantir que o chassi do osciloscópio, assim como o de qualquer ferramenta ou aparelho, não permaneça energizado devido a uma falha de aterramento, resultando em risco de choque elétrico. Em segundo lugar, o equipamento elétrico em teste deve estar totalmente isolado do aterramento ou, se alimentado por corrente alternada da rede elétrica, deve (assim como o osciloscópio) ser alimentado por dois condutores, sendo um deles aterrado. Caso contrário, não é seguro conectar o osciloscópio ao equipamento em teste.

Além disso, o fio de referência de terra que faz parte da ponta de prova deve ser conectado a um ponto no circuito em teste que esteja no potencial de terra, deixando a ponta de prova livre para contatar pontos dentro do circuito. É essencial que o terra do sinal do circuito em teste e o terra do equipamento osciloscópio, proveniente da rede elétrica, estejam em potenciais muito próximos. Se essas condições não forem atendidas (ou seja, equivalência de ambos os terras e conexão correta do fio de referência de terra da ponta de prova do osciloscópio), haverá uma corrente de falha elevada que, no mínimo, queimará o fio de referência de terra da ponta de prova e, possivelmente, danificará o osciloscópio e/ou o equipamento em teste. Isso ocorrerá instantaneamente quando o fio de referência de terra entrar em contato com um ponto no circuito que não esteja no potencial de terra. Na verdade, ocorrerá mesmo antes que a ponta de prova entre em contato com o equipamento.

Existem algumas exceções ao protocolo de aterramento acima. O osciloscópio pode ser isolado da terra serrando-se o plugue de aterramento do cabo de alimentação. Embora esse expediente possa evitar os problemas mencionados anteriormente, ele contraria o Código Elétrico Nacional e demonstra uma indiferença depravada à vida humana, pois desativa as funções de proteção do aterramento do equipamento. Isso cria as condições para um desastre futuro.

Como mencionado anteriormente, o risco em questão não representa um problema quando o trabalho está totalmente isolado do solo. Um exemplo óbvio seria a forma de onda (uma linha reta horizontal) de uma bateria de 9 V. Como nenhum dos lados está no potencial de terra, é seguro conectar o fio de referência de terra da sonda tanto ao polo positivo quanto ao negativo.

Um osciloscópio portátil, alimentado por bateria (Figura 3), pode ser conectado à fiação ponto a ponto dentro de um equipamento elétrico aterrado. Como ambos os lados do instrumento estão isolados da terra, não haverá risco de curto-circuito à terra, independentemente da forma como as pontas de prova forem conectadas.

Com um osciloscópio de bancada aterrado e a necessidade de realizar uma medição ponto a ponto em equipamentos aterrados (como medir a tensão do barramento CC de um inversor de frequência), é permitido usar uma ponta de prova diferencial (Figura 4). As pontas de prova diferenciais combinam as funções de duas pontas de prova em uma só. As pontas de prova de terminação única medem uma tensão em relação a um ponto de aterramento. Em contraste, as pontas de prova diferenciais medem a diferença de tensão entre dois pontos de teste. Não há o risco de arco elétrico causado pela conexão do fio terra da ponta de prova a uma tensão de sinal que flutua em relação ao plano de aterramento. Características importantes a serem observadas são alta largura de banda, ampla faixa dinâmica e de offset, e baixo ruído.

Conclusão

Este artigo examinou algumas informações básicas sobre osciloscópios, particularmente como eles se desenvolveram ao longo do último século. No próximo e último artigo desta série, serão apresentados alguns exercícios que ilustram o uso de um osciloscópio, com referência ao Tektronix MDO3104. Algumas conexões simples demonstrarão como o osciloscópio pode ser usado para representar formas de onda e ilustrar vários fenômenos eletrônicos que são invisíveis ao multímetro.

Perguntas de reforço de aprendizagem

Utilize as questões de reforço de aprendizagem abaixo para estudar para o Exame de Avaliação de Educação Continuada, disponível online em www.elevatorbooks.com ou na página 139 desta edição.
♦ Qual é o principal risco ao remover uma TV de seu móvel?
♦ Qual foi a grande contribuição da Tektronix para o desenvolvimento do osciloscópio?
♦ Qual foi a grande contribuição de LeCroy para o desenvolvimento do osciloscópio?
♦ O que é um PCO e quais são algumas de suas desvantagens?
♦ O que é um MDO?