Osciloscópios: Tudo Que Você Precisa Saber (e Mais um Pouco)

O universo físico está repleto de forças invisíveis, tais como energia e partículas vibratórias, que se deslocam sob a forma de ondas senoidais. Essas ondas podem assumir a forma de ondas oceânicas, terremotos, estrondos sônicos, explosões, som propagando-se pelo ar ou ainda a frequência natural de um objeto em movimento. Inclusive a luz, que é composta tanto por partículas quanto por ondas, possui uma frequência fundamental manifestada como cor.

Essas forças podem ser traduzidas em sinais elétricos por meio de sensores. Esses sinais podem então ser observados e estudados utilizando uma ferramenta extremamente valiosa, o osciloscópio. Com a capacidade de visualizar eventos temporais, osciloscópios são instrumentos indispensáveis para profissionais como cientistas, engenheiros, técnicos e educadores.

Na Raisa, distribuidora de linhas de osciloscópios das marcas Tektronix, Rigol e Rohde&Schwarz, nós entendemos a importância de equipamentos de alta qualidade. Em um mundo que está sempre evoluindo, oferecemos as melhores ferramentas para que engenheiros possam superar os desafios de medição de maneira eficaz e precisa.

O uso de osciloscópios não se limita ao setor eletrônico. Com o sensor correto, esses dispositivos são capazes de medir uma ampla gama de fenômenos. Os sensores são aparelhos que geram sinais elétricos em resposta a estímulos físicos como som, tensão mecânica, pressão, luz ou calor.

A versatilidade dos osciloscópios é demonstrada por sua ampla gama de usuários, desde físicos até técnicos de reparo. Esses equipamentos são utilizados em diferentes campos, como engenharia automotiva e pesquisa médica, entre muitos outros.

O objetivo deste guia é introduzir os conceitos básicos e operações dos osciloscópios. Com a ajuda de um glossário e exercícios de múltipla escolha, você será capaz de compreender a teoria e os controles dos osciloscópios, mesmo sem conhecimento prévio de matemática ou eletrônica.

Após a leitura deste guia, você será capaz de entender como os osciloscópios funcionam, diferenciar entre vários modelos de osciloscópios, identificar os diferentes tipos de formas de onda elétricas, familiarizar-se com os controles básicos do osciloscópio e realizar medições simples.

Para obter informações mais específicas sobre como utilizar o osciloscópio em seu trabalho, você pode consultar o manual fornecido com o seu equipamento. Além disso, a Raisa oferece uma série de notas de aplicação para ajudá-lo a otimizar o uso do osciloscópio para suas medições específicas.

Em caso de necessidade de assistência adicional, comentários ou perguntas sobre o material neste guia, entre em contato com o seu representante na Raisa ou visite nosso site.

Integridade do Sinal

A Importância da Integridade do Sinal

A chave para qualquer bom sistema de osciloscópio é sua capacidade de reconstruir precisamente uma forma de onda – denominada integridade do sinal. Um osciloscópio é análogo a uma câmera que captura imagens de sinais que podemos então observar e interpretar. Dois problemas-chave residem no cerne da integridade do sinal. Quando você tira uma foto, ela representa com precisão o que realmente aconteceu? A imagem é nítida ou desfocada? Quantas dessas imagens precisas você pode capturar por segundo?

Juntos, os diferentes sistemas e capacidades de desempenho de um osciloscópio contribuem para sua capacidade de proporcionar a mais alta integridade do sinal possível. As sondas também afetam a integridade do sinal de um sistema de medição.

A integridade do sinal impacta muitas disciplinas de design eletrônico. Mas até alguns anos atrás, não era um grande problema para designers digitais. Eles podiam confiar em seus projetos lógicos para agir como circuitos booleanos. Sinais ruidosos e indeterminados eram algo que ocorria em projetos de alta velocidade – algo com que os designers de RF se preocupavam. Os sistemas digitais mudavam lentamente e os sinais se estabilizavam de forma previsível.

As taxas de clock dos processadores aumentaram em ordens de magnitude. Aplicações de computador, como gráficos 3D, vídeo e I/O do servidor, exigem largura de banda extensa. Muito do equipamento de telecomunicações de hoje é baseado em tecnologia digital e também requer largura de banda massiva. O mesmo acontece com a TV digital de alta definição. A atual geração de dispositivos microprocessadores manipula dados em taxas de até 2, 3 e até 5 GS/s (gigasamples por segundo), enquanto alguns dispositivos de memória DDR3 usam clocks superiores a 2 GHz, bem como sinais de dados com tempos de subida de 35 ps.

Importante salientar que os aumentos de velocidade se estenderam aos dispositivos IC comuns utilizados em automóveis, eletrônicos de consumo e controladores de máquinas, para citar apenas algumas aplicações. Um processador executando com uma taxa de clock de 20 MHz pode ter sinais com tempos de subida similares aos de um processador de 800 MHz. Os designers ultrapassaram um limite de desempenho que significa, na prática, que praticamente todos os projetos são de alta velocidade.

Sem algumas medidas preventivas, problemas de alta velocidade podem surgir em projetos digitais convencionais. Se um circuito apresentar falhas intermitentes ou encontrar erros em extremos de tensão e temperatura, é provável que existam alguns problemas de integridade do sinal ocultos. Isso pode afetar o tempo de lançamento no mercado, a confiabilidade do produto, a conformidade com EMI e muito mais. Esses problemas de alta velocidade também podem afetar a integridade de um fluxo de dados em série em um sistema, exigindo algum método de correlação de padrões específicos nos dados com as características observadas de formas de onda de alta velocidade.

Por que a Integridade do Sinal é um Problema?

Vamos analisar algumas das causas específicas da degradação do sinal nos projetos digitais atuais. Por que esses problemas são muito mais comuns hoje do que em anos anteriores?

A resposta é velocidade. Nos “velhos tempos”, manter uma integridade do sinal digital aceitável significava prestar atenção a detalhes como distribuição de clock, design do caminho do sinal, margens de ruído, efeitos de carga, efeitos de linha de transmissão, terminação de barramento, desacoplamento e distribuição de energia. Todas essas regras ainda se aplicam, mas…

Os tempos de ciclo do barramento estão até mil vezes mais rápidos do que há 20 anos! Transações que costumavam levar microssegundos agora são medidas em nanossegundos. Para alcançar essa melhoria, as velocidades de borda também foram aceleradas: elas estão até 100 vezes mais rápidas do que há duas décadas.

Isso é tudo muito bom; no entanto, certas realidades físicas impediram que a tecnologia da placa de circuito acompanhasse o ritmo. O tempo de propagação dos barramentos entre chips permaneceu praticamente inalterado ao longo das décadas. As geometrias diminuíram, é claro, mas ainda é necessário fornecer espaço na placa de circuito para dispositivos IC, conectores, componentes passivos e, é claro, os traços do barramento. Esse espaço na placa de circuito resulta em distância, e a distância significa tempo – o inimigo da velocidade.

É importante lembrar que a velocidade de borda – tempo de subida – de um sinal digital pode carregar componentes de frequência muito mais altos do que sua taxa de repetição pode implicar. Por esse motivo, alguns designers procuram deliberadamente dispositivos IC com tempos de subida relativamente “lentos”.

O modelo de circuito lumped sempre foi a base da maioria dos cálculos usados para prever o comportamento do sinal em um circuito. Mas quando as velocidades de borda são mais de quatro a seis vezes mais rápidas do que o atraso do caminho do sinal, o simples modelo lumped não se aplica mais.

Traços na placa de circuito com apenas seis polegadas se tornam linhas de transmissão quando conduzidos com sinais que exibem taxas de borda abaixo de quatro a seis nanossegundos, independentemente da taxa de ciclo. Na prática, novos caminhos de sinal são criados. Essas conexões intangíveis não estão nos esquemas, mas ainda assim fornecem um meio para que os sinais influenciem uns aos outros de maneiras imprevisíveis.

Às vezes, até mesmo os erros introduzidos pela combinação de sonda/instrumento podem fornecer uma contribuição significativa para o sinal sendo medido. No entanto, aplicando a fórmula “raiz quadrada da soma dos quadrados” ao valor medido, é possível determinar se o dispositivo em teste está se aproximando de uma falha de tempo de subida/queda. Além disso, as ferramentas recentes de osciloscópio usam técnicas de filtragem especiais para desvincular os efeitos do sistema de medição no sinal, exibindo tempos de borda e outras características do sinal.

Ao mesmo tempo, os caminhos de sinal pretendidos não funcionam como deveriam. Planos de terra e planos de alimentação, assim como os traços de sinal descritos acima, se tornam indutivos e atuam como linhas de transmissão; o desacoplamento da fonte de alimentação é muito menos eficaz. A EMI aumenta à medida que as velocidades de borda mais rápidas produzem comprimentos de onda mais curtos em relação ao comprimento do barramento. O diafonia aumenta. Além disso, as velocidades de borda mais rápidas geralmente exigem correntes mais altas para serem produzidas. Correntes mais altas tendem a causar rebound no terra, especialmente em barramentos largos nos quais muitos sinais são alternados ao mesmo tempo. Além disso, correntes mais altas aumentam a quantidade de energia magnética irradiada e, com ela, a diafonia.

Visualizando as Origens Analógicas dos Sinais Digitais

O que todas essas características têm em comum? São fenômenos analógicos clássicos. Para resolver problemas de integridade do sinal, os designers digitais precisam adentrar o domínio analógico. E para dar esse passo, eles precisam de ferramentas que possam mostrar como os sinais digitais e analógicos interagem.

Erros digitais muitas vezes têm suas raízes em problemas de integridade do sinal analógico. Para rastrear a causa da falha digital, muitas vezes é necessário recorrer a um osciloscópio, que pode exibir detalhes da forma de onda, bordas e ruídos; detectar e exibir transitórios; e ajudar a medir com precisão os relacionamentos de tempo, como tempos de setup e hold. Os osciloscópios modernos podem ajudar a simplificar o processo de solução de problemas, disparando em padrões específicos em fluxos de dados paralelos ou em série e exibindo o sinal analógico que corresponde no tempo a um evento específico.

Entender cada um dos sistemas dentro do seu osciloscópio e como aplicá-los contribuirá para a aplicação eficaz do osciloscópio para enfrentar o desafio específico de medição.

Osciloscópio

O que é um osciloscópio e como ele funciona? Esta seção responde a essas perguntas fundamentais.

Para um artigo mais amplo, clique aqui.

O osciloscópio é basicamente um dispositivo de exibição de gráficos – ele desenha um gráfico de um sinal elétrico. Na maioria das aplicações, o gráfico mostra como os sinais mudam ao longo do tempo: o eixo vertical (Y) representa a tensão e o eixo horizontal (X) representa o tempo. A intensidade ou brilho da exibição é às vezes chamada de eixo Z, como mostrado na Figura 2. Nos osciloscópios DPO, o eixo Z pode ser representado por um gradiente de cores na exibição, como visto na Figura 3.

Este simples gráfico pode fornecer muitas informações sobre um sinal, tais como:

• Os valores de tempo e tensão de um sinal
• A frequência de um sinal oscilante
• As “partes móveis” de um circuito representadas pelo sinal
• A frequência com que uma determinada porção do sinal ocorre em relação a outras porções
• Se um componente com mau funcionamento está distorcendo o sinal
• Quanta parte do sinal é corrente contínua (DC) ou corrente alternada (AC)
• Quanta parte do sinal é ruído e se o ruído está mudando com o tempo.

Entendendo Formas de Onda e Medidas de Formas de Onda

O termo genérico para um padrão que se repete ao longo do tempo é uma onda – ondas sonoras, ondas cerebrais, ondas do oceano e ondas de tensão são todos padrões repetitivos. Um osciloscópio mede ondas de tensão. Lembre-se, como mencionado anteriormente, que fenômenos físicos, como vibrações ou temperatura, ou fenômenos elétricos, como corrente ou potência, podem ser convertidos em tensão por um sensor. Um ciclo de uma onda é a parte da onda que se repete. Uma forma de onda é uma representação gráfica de uma onda. Uma forma de onda de tensão mostra o tempo no eixo horizontal e a tensão no eixo vertical.

As formas de onda revelam muitas informações sobre um sinal. Sempre que você observa uma mudança na altura da forma de onda, você sabe que a tensão mudou. Sempre que há uma linha horizontal plana, você sabe que não há mudança durante esse período de tempo. Linhas retas e diagonais indicam uma mudança linear – aumento ou diminuição da tensão em uma taxa constante. Ângulos acentuados em uma forma de onda indicam uma mudança súbita. A Figura 4 mostra formas de onda comuns e a Figura 5 exibe fontes de formas de onda comuns.

Tipos de Ondas

Você pode classificar a maioria das ondas nos seguintes tipos:

• Ondas senoidais
• Ondas quadradas e retangulares
• Ondas dente de serra e triângulares
• Formas de onda de degrau e pulsos
• Sinais periódicos e não periódicos
• Sinais síncronos e assíncronos
• Ondas complexas

Ondas Senoidais

A onda senoidal é a forma de onda fundamental por várias razões. Ela possui propriedades matemáticas harmoniosas – é a mesma forma de onda seno que você pode ter estudado na aula de trigonometria. A tensão na tomada da sua parede varia como uma onda senoidal. Sinais de teste produzidos pelo circuito oscilador de um gerador de sinais são frequentemente ondas senoidais. A maioria das fontes de energia CA produzem ondas senoidais. (CA significa corrente alternada, embora a tensão também alterne. CC significa corrente contínua, o que significa uma corrente e tensão constantes, como a produzida por uma bateria.)

A onda senoidal amortecida é um caso especial que você pode ver em um circuito que oscila, mas se reduz ao longo do tempo.

Ondas Quadradas e Retangulares

A onda quadrada é outra forma de onda comum. Basicamente, é uma tensão que liga e desliga (ou vai alta e baixa) em intervalos regulares. É uma onda padrão para testar amplificadores – bons amplificadores aumentam a amplitude de uma onda quadrada com distorção mínima. Circuitos de televisão, rádio e computador muitas vezes usam ondas quadradas para sinais de temporização.

A onda retangular é como a onda quadrada, exceto que os intervalos de tempo alto e baixo não têm o mesmo comprimento. É especialmente importante ao analisar circuitos digitais.

Ondas Dente de Serra e Triangulares

Ondas dente de serra e triangulares resultam de circuitos projetados para controlar tensões de forma linear, como a varredura horizontal de um osciloscópio analógico ou a varredura raster de uma televisão. As transições entre os níveis de tensão dessas ondas mudam em uma taxa constante. Essas transições são chamadas de rampas.

Formas de Onda de Degrau e Pulsos

Sinais como degraus e pulsos que ocorrem raramente ou de forma não periódica são chamados de sinais de único disparo ou transitórios. Um degrau indica uma mudança repentina na tensão, semelhante à mudança de tensão que você veria ao ligar um interruptor de energia.

Um pulso indica mudanças súbitas na tensão, semelhantes às mudanças de tensão que você veria ao ligar e desligar um interruptor de energia. Um pulso pode representar um bit de informação viajando por um circuito de computador ou pode ser uma falha ou defeito em um circuito. Um conjunto de pulsos viajando juntos cria um trem de pulsos. Componentes digitais em um computador se comunicam entre si usando pulsos. Esses pulsos podem ser na forma de um fluxo de dados serial ou várias linhas de sinal podem ser usadas para representar um valor em um barramento de dados paralelo. Os pulsos também são comuns em equipamentos de raios-X, radares e comunicações.

Sinais Periódicos e Não Periódicos

Sinais repetitivos são chamados de sinais periódicos, enquanto sinais que mudam constantemente são conhecidos como sinais não periódicos. Uma imagem parada é análoga a um sinal periódico, enquanto uma imagem em movimento pode ser equiparada a um sinal não periódico.

Sinais Síncronos e Assíncronos

Quando existe uma relação de temporização entre dois sinais, esses sinais são chamados de síncronos. Os sinais de relógio, dados e endereço dentro de um computador são um exemplo de sinais síncronos.

Assíncrono é um termo usado para descrever os sinais entre os quais não existe relação de temporização. Porque não há correlação de tempo entre o ato de tocar uma tecla em um teclado de computador e o relógio dentro do computador, esses são considerados assíncronos.

Ondas Complexas

Algumas formas de onda combinam as características de ondas senoidais, quadradas, degraus e pulsos para produzir formas de onda complexas. As informações do sinal podem ser incorporadas na forma de variações de amplitude, fase e/ou frequência. Por exemplo, embora o sinal na Figura 6 seja um sinal de vídeo composto comum, ele é composto por muitos ciclos de formas de onda de frequências mais altas incorporadas em um envelope de frequência mais baixa.

Nesse exemplo, geralmente é mais importante entender os níveis relativos e os relacionamentos de tempo dos degraus. Para visualizar esse sinal, você precisa de um osciloscópio que capture o envelope de baixa frequência e misture as ondas de alta frequência em uma forma de graduação de intensidade, para que você possa ver sua combinação geral como uma imagem que pode ser interpretada visualmente. Osciloscópios de fósforo digital são mais adequados para visualizar ondas complexas, como sinais de vídeo, ilustrados na Figura 6. Suas exibições fornecem as informações necessárias sobre a frequência de ocorrência ou graduação de intensidade, essenciais para entender o que a forma de onda realmente representa.

Alguns osciloscópios permitem exibir certos tipos de formas de onda complexas de maneiras especiais. Por exemplo, dados de telecomunicações podem ser exibidos como um padrão de olho (eye pattern) ou um diagrama de constelação (constellation diagram).

Os sinais de dados digitais de telecomunicações podem ser exibidos em um osciloscópio como um tipo especial de forma de onda chamada padrão de olho (eye pattern). O nome vem da semelhança da forma de onda com uma série de olhos, como visto na Figura 7. Os padrões de olho são produzidos quando os dados digitais de um receptor são amostrados e aplicados à entrada vertical, enquanto a taxa de dados é usada para acionar a varredura horizontal. O padrão de olho exibe um bit ou intervalo de unidade de dados com todas as possíveis transições de borda e estados sobrepostos em uma visão abrangente.

Um diagrama de constelação é uma representação de um sinal modulado por um esquema de modulação digital, como a modulação de amplitude em quadratura (QAM) ou chaveamento por deslocamento de fase (PSK).

Medições de Formas de Onda

Muitos termos são usados para descrever os tipos de medições que você faz com seu osciloscópio. Esta seção descreve algumas das medições e termos mais comuns.

Frequência e Período

Se um sinal se repete, ele tem uma frequência. A frequência é medida em Hertz (Hz) e representa o número de vezes que o sinal se repete em um segundo, denominado ciclos por segundo. Um sinal repetitivo também possui um período, que é a quantidade de tempo que o sinal leva para completar um ciclo. Período e frequência são recíprocos um do outro, de modo que 1/period é igual à frequência e 1/frequência é igual ao período. Por exemplo, a onda senoidal na Figura 8 tem uma frequência de 3 Hz e um período de 1/3 segundo.

Tensão

A tensão é a quantidade de potencial elétrico ou intensidade do sinal, entre dois pontos em um circuito. Normalmente, um desses pontos é o terra ou zero volts, mas nem sempre. Você pode querer medir a tensão do pico máximo ao pico mínimo de uma forma de onda, referido como tensão de pico a pico.

Amplitude

Amplitude refere-se à quantidade de tensão entre dois pontos em um circuito. Amplitude comumente se refere à tensão máxima de um sinal medida a partir do terra, ou zero volts. A forma de onda mostrada na Figura 9 tem uma amplitude de 1 V e uma tensão de pico a pico de 2 V.

Fase

A fase é melhor explicada ao analisar uma onda senoidal. O nível de tensão das ondas senoidais é baseado em movimento circular. Dado que um círculo possui 360°, um ciclo de uma onda senoidal tem 360°, como mostrado na Figura 9. Usando graus, você pode se referir ao ângulo de fase de uma onda senoidal quando deseja descrever quanto do período já se passou.

O deslocamento de fase descreve a diferença no tempo entre dois sinais de outra forma semelhantes. A forma de onda na Figura 10 rotulada como “corrente” está 90° fora de fase com a forma de onda rotulada como “tensão”, pois as ondas alcançam pontos semelhantes em seus ciclos exatamente 1/4 de um ciclo separados (360°/4 = 90°). Deslocamentos de fase são comuns em eletrônica.

Medições de Formas de Onda com Osciloscópios Digitais

Os osciloscópios digitais modernos possuem funções que facilitam as medições de formas de onda. Eles possuem botões no painel frontal e/ou menus na tela a partir dos quais você pode selecionar medições totalmente automatizadas. Isso inclui amplitude, período, tempo de subida/descida e muitos outros. Muitos instrumentos digitais também fornecem cálculos de média e valor eficaz (RMS), ciclo de trabalho e outras operações matemáticas. As medições automatizadas são exibidas como leituras alfanuméricas na tela. Tipicamente, essas leituras são mais precisas do que é possível obter com interpretação direta da grade.

Exemplos de medições de formas de onda totalmente automatizadas:

• Frequência
• Período
• Tempo de subida/descida
• Largura de pulso
• Duty cycle (ciclo de trabalho)
• Tensão de pico a pico
• Valor médio
• Valor eficaz (RMS)
• Overshoot (sobrelevação)
• Área do ciclo
• Jitter (variação de tempo)

Os Tipos de Osciloscópios

Equipamentos eletrônicos podem ser classificados em duas categorias: analógicos e digitais. Equipamentos analógicos trabalham com tensões continuamente variáveis, enquanto equipamentos digitais trabalham com números binários discretos que representam amostras de tensão.

Leia nosso artigo completo sobre tipos de osciloscópios

Um fonógrafo convencional é um dispositivo analógico, enquanto um leitor de disco compacto é um dispositivo digital.

Da mesma forma, osciloscópios podem ser classificados em tipos analógicos e digitais. Ao contrário de um osciloscópio analógico, um osciloscópio digital usa um conversor analógico-digital (ADC) para converter a tensão medida em informações digitais. Ele adquire a forma de onda como uma série de amostras e armazena essas amostras até acumular informações suficientes para descrever uma forma de onda. O osciloscópio digital, então, reconstitui a forma de onda para exibição na tela, como visto na Figura 11.

Os osciloscópios digitais podem ser classificados em osciloscópios de armazenamento digital (DSOs), osciloscópios de fósforo digital (DPOs), osciloscópios de sinais mistos (MSOs) e osciloscópios de amostragem digital.

A abordagem digital significa que o osciloscópio pode exibir qualquer frequência dentro de sua faixa com estabilidade, brilho e clareza. Para sinais repetitivos, a largura de banda do osciloscópio digital é uma função da largura de banda analógica dos componentes front-end do osciloscópio, comumente referido como o ponto -3 dB. Para eventos de disparo único e transitórios, como pulsos e degraus, a largura de banda pode ser limitada pela taxa de amostragem do osciloscópio. Consulte a seção Taxa de Amostragem sob Termos e Considerações de Desempenho para uma discussão mais detalhada.

Osciloscópios de Armazenamento Digital (DSOs)

Um osciloscópio digital convencional é conhecido como osciloscópio de armazenamento digital (DSO). Sua tela normalmente depende de uma tela do tipo raster em vez do fósforo luminoso encontrado em um osciloscópio analógico mais antigo.

Os osciloscópios de armazenamento digital (DSOs) permitem capturar e visualizar eventos que podem ocorrer apenas uma vez – conhecidos como transientes. Como a informação da forma de onda existe em formato digital como uma série de valores binários armazenados, ela pode ser analisada, arquivada, impressa e processada, seja dentro do próprio osciloscópio ou por um computador externo. A forma de onda não precisa ser contínua; ela pode ser exibida mesmo quando o sinal desaparece. Ao contrário dos osciloscópios analógicos, os osciloscópios de armazenamento digital fornecem armazenamento permanente de sinal e processamento extensivo de formas de onda. No entanto, os DSOs geralmente não possuem classificação de intensidade em tempo real; portanto, eles não podem expressar níveis variáveis de intensidade no sinal ao vivo.

Alguns dos subsistemas que compõem os DSOs são similares aos dos osciloscópios analógicos. No entanto, os DSOs contêm subsistemas adicionais de processamento de dados que são usados para coletar e exibir dados para toda a forma de onda. Um DSO emprega uma arquitetura de processamento em série para capturar e exibir um sinal em sua tela, como mostrado na Figura 12. A seguir, uma descrição dessa arquitetura de processamento em série.

Arquitetura de Processamento em Série Assim como em um osciloscópio analógico, o primeiro estágio (entrada) de um DSO é um amplificador vertical. Os controles verticais permitem ajustar a amplitude e a faixa de posição nesse estágio. Em seguida, o conversor analógico-digital (ADC) no sistema horizontal amostra o sinal em pontos discretos no tempo e converte a tensão do sinal nesses pontos em valores digitais chamados de pontos de amostra. Esse processo é conhecido como digitalização de um sinal.

O relógio de amostragem do sistema horizontal determina com que frequência o ADC realiza a amostragem. Essa taxa é chamada de taxa de amostragem e é expressa em amostras por segundo (S/s). Os pontos de amostra do ADC são armazenados na memória de aquisição como pontos de forma de onda. Vários pontos de amostra podem compor um ponto de forma de onda. Juntos, os pontos de forma de onda compõem um registro de forma de onda. O número de pontos de forma de onda usados para criar um registro de forma de onda é chamado de comprimento do registro. O sistema de disparo determina os pontos de início e término do registro.

O caminho do sinal do DSO inclui um microprocessador pelo qual o sinal medido passa em direção à tela de exibição. Esse microprocessador processa o sinal, coordena as atividades de exibição, gerencia os controles do painel frontal e muito mais. O sinal então passa pela memória de exibição e é exibido na tela do osciloscópio.

Dependendo das capacidades do seu osciloscópio, pode ocorrer processamento adicional dos pontos de amostra, o que aprimora a exibição. O pré-disparo também pode estar disponível, permitindo que você veja eventos antes do ponto de disparo. A maioria dos osciloscópios digitais de hoje também oferece uma seleção de medições paramétricas automáticas, simplificando o processo de medição.

Como mostrado na Figura 13, um DSO fornece alto desempenho em um único instrumento de várias entradas. Os DSOs são ideais para aplicações de projeto multicanal, de alta velocidade e de baixa taxa de repetição ou única. No mundo real do projeto digital, um engenheiro geralmente examina quatro ou mais sinais simultaneamente, tornando o DSO um companheiro crítico.

Osciloscópios de Fósforo Digital

O osciloscópio de fósforo digital (DPO) oferece uma abordagem inovadora para a arquitetura do osciloscópio. Essa arquitetura permite que um DPO forneça capacidades únicas de aquisição e exibição para reconstruir com precisão um sinal.

Enquanto um osciloscópio de armazenamento digital (DSO) usa uma arquitetura de processamento serial para capturar, exibir e analisar sinais, um DPO emprega uma arquitetura de processamento paralelo para realizar essas funções, como mostrado na Figura 14. A arquitetura DPO dedica hardware ASIC exclusivo para adquirir imagens de formas de onda, proporcionando altas taxas de captura de formas de onda que resultam em um nível superior de visualização do sinal. Esse desempenho aumenta a probabilidade de testemunhar eventos transitórios que ocorrem em sistemas digitais, como pulsos truncados, glitches e erros de transição, e permite uma capacidade adicional de análise. Uma descrição dessa arquitetura de processamento paralelo segue abaixo.

Arquitetura de Processamento Paralelo

A primeira etapa (entrada) de um DPO é similar à de um osciloscópio analógico – um amplificador vertical – e sua segunda etapa é similar à de um DSO – um conversor analógico-digital (ADC). No entanto, o DPO difere significativamente de seus predecessores após a conversão analógico-digital.

Para qualquer osciloscópio – analógico, DSO ou DPO – sempre há um tempo de espera durante o qual o instrumento processa os dados adquiridos mais recentemente, redefine o sistema e aguarda o próximo evento de disparo. Durante esse tempo, o osciloscópio fica “cego” para toda a atividade do sinal. A probabilidade de visualizar um evento de baixa repetição ou frequência diminui à medida que o tempo de espera aumenta.

Vale ressaltar que é impossível determinar a probabilidade de captura apenas olhando para a taxa de atualização do display. Se você depender exclusivamente da taxa de atualização, é fácil cometer o erro de acreditar que o osciloscópio está capturando todas as informações pertinentes sobre a forma de onda quando, na verdade, não está.

O osciloscópio de armazenamento digital processa formas de onda capturadas em série. A velocidade de seu microprocessador é um gargalo nesse processo, pois limita a taxa de captura de formas de onda. O DPO rasteriza os dados digitalizados da forma de onda em um banco de dados de fósforo digital. A cada 1/30 de segundo – aproximadamente tão rápido quanto o olho humano pode perceber – uma imagem do sinal armazenada no banco de dados é encaminhada diretamente para o sistema de exibição. Essa rasterização direta dos dados da forma de onda e a cópia direta para a memória de exibição do banco de dados removem o gargalo de processamento de dados inerente a outras arquiteturas. O resultado é uma atualização de exibição “em tempo real” e animada. Detalhes do sinal, eventos intermitentes e características dinâmicas do sinal são capturados em tempo real. O microprocessador do DPO trabalha em paralelo com esse sistema de aquisição integrado para o gerenciamento da exibição, automação de medições e controle do instrumento, garantindo que não afete a velocidade de aquisição do osciloscópio.

Um DPO emula fielmente os melhores atributos de exibição de um osciloscópio analógico, mostrando o sinal em três dimensões: tempo, amplitude e distribuição de amplitude ao longo do tempo, tudo em tempo real.

Ao contrário da dependência dos osciloscópios analógicos em fósforo químico, um DPO utiliza um fósforo digital puramente eletrônico que é, na verdade, um banco de dados continuamente atualizado. Esse banco de dados tem uma “célula” separada de informações para cada pixel individual na tela do osciloscópio. Cada vez que uma forma de onda é capturada – ou seja, sempre que o osciloscópio é disparado – ela é mapeada nas células do banco de dados de fósforo digital. Cada célula que representa uma localização na tela e é tocada pela forma de onda é reforçada com informações de intensidade, enquanto outras células não são. Assim, as informações de intensidade se acumulam nas células onde a forma de onda passa com mais frequência.

Quando o banco de dados de fósforo digital é alimentado na tela do osciloscópio, a exibição revela áreas de formas de onda intensificadas, proporcionalmente à frequência de ocorrência do sinal em cada ponto – assim como as características de graduação de intensidade de um osciloscópio analógico. O DPO também permite a exibição das informações de frequência de ocorrência variável na tela com cores contrastantes, ao contrário de um osciloscópio analógico. Com um DPO, é fácil ver a diferença entre uma forma de onda que ocorre em quase todos os disparos e outra que ocorre, digamos, a cada 100 disparos.

Os osciloscópios de fósforo digital (DPOs) eliminam a barreira entre as tecnologias de osciloscópios analógicos e digitais. Eles são igualmente adequados para visualizar frequências altas e baixas, formas de onda repetitivas, transientes e variações de sinal em tempo real. Somente um DPO fornece o eixo Z (intensidade) em tempo real, que falta nos osciloscópios DSO convencionais.

Um DPO é ideal para aqueles que precisam da melhor ferramenta de projeto e solução de problemas de propósito geral para uma ampla gama de aplicações, como visto na Figura 15. Um DPO é exemplar para análises avançadas, testes de máscara de comunicação, depuração digital de sinais intermitentes, projeto digital repetitivo e aplicações de temporização.

Osciloscópios de domínio Misto

Um osciloscópio de domínio misto (MDO) combina um analisador de espectro RF com um MSO ou DPO para permitir visualizações correlacionadas de sinais dos domínios digital, analógico e RF. Por exemplo, o MDO permite visualizar displays correlacionados no tempo de protocolos, lógica de estado, sinais analógicos e RF dentro de um design embutido. Isso reduz drasticamente tanto o tempo para obter insights quanto a incerteza de medição entre eventos de diferentes domínios.

Entender o atraso de tempo entre um comando de microprocessador e um evento RF dentro de um design RF embutido simplifica as configurações de teste e traz medições complexas para a bancada de trabalho. Para rádios embutidos, como o design Zigbee mostrado na Figura 16, é possível acionar o evento RF e visualizar a latência da linha de comando do controlador de microprocessador, as linhas de controle SPI decodificadas, a corrente e a tensão do dreno durante o acionamento e quaisquer eventos espectrais resultantes. Em um único display, agora é possível ter uma visão correlacionada no tempo de todos os domínios do rádio: protocolo (digital), analógico e RF.

Osciloscópios de Sinal Misto

O osciloscópio de sinal misto (MSO) combina o desempenho de um DPO com a funcionalidade básica de um analisador de lógica de 16 canais, incluindo decodificação e acionamento de protocolos de barramento paralelo/serial. Os canais digitais do MSO visualizam um sinal digital como um nível lógico alto ou baixo, assim como um circuito digital visualiza o sinal. Isso significa que, desde que o ringing, overshoot e ground bounce não causem transições lógicas, essas características analógicas não são uma preocupação para o MSO. Assim como um analisador de lógica, o MSO utiliza uma tensão de referência para determinar se o sinal está em nível lógico alto ou baixo.

O MSO é a ferramenta de escolha para depurar rapidamente circuitos digitais usando seus recursos poderosos de acionamento digital, alta capacidade de aquisição de resolução e ferramentas de análise. A causa raiz de muitos problemas digitais é mais fácil de identificar analisando tanto as representações analógicas quanto digitais do sinal, como mostrado na Figura 17, tornando o MSO ideal para verificar e depurar circuitos digitais.

Osciloscópios de Armazenamento Digital (DSO)

Em contraste com as arquiteturas do osciloscópio de armazenamento digital (DSO) e do osciloscópio de fósforo digital (DPO), a arquitetura do osciloscópio de amostragem digital inverte a posição do atenuador/amplificador e a ponte de amostragem, como mostrado na Figura 18. O sinal de entrada é amostrado antes de qualquer atenuação ou amplificação ser realizada. Um amplificador de baixa largura de banda pode então ser utilizado após a ponte de amostragem, porque o sinal já foi convertido para uma frequência mais baixa pela porta de amostragem, resultando em um instrumento de largura de banda muito maior.

A compensação por essa alta largura de banda, no entanto, é que a faixa dinâmica do osciloscópio de amostragem é limitada. Como não há atenuador/amplificador na frente da ponte de amostragem, não há possibilidade de dimensionar a entrada. A ponte de amostragem deve ser capaz de lidar com toda a faixa dinâmica da entrada o tempo todo. Portanto, a faixa dinâmica da maioria dos osciloscópios de amostragem é limitada a cerca de 1 V pico a pico. Em contraste, os osciloscópios de armazenamento digital e de fósforo digital podem lidar com 50 a 100 volts.

Além disso, diodos de proteção não podem ser colocados na frente da ponte de amostragem, pois isso limitaria a largura de banda. Isso reduz a tensão de entrada segura para um osciloscópio de amostragem para cerca de 3 V, em comparação com os 500 V disponíveis em outros osciloscópios.

Ao medir sinais de alta frequência, o DSO ou DPO pode não ser capaz de coletar informações suficientes em uma varredura. Um osciloscópio de amostragem digital é uma ferramenta ideal para capturar com precisão sinais cujos componentes de frequência são muito maiores do que a taxa de amostragem do osciloscópio, como mostrado na Figura 19. Esse osciloscópio é capaz de medir sinais até uma ordem de magnitude mais rápida do que qualquer outro osciloscópio. Ele pode atingir largura de banda e sincronização de alta velocidade dez vezes maiores que outros osciloscópios para sinais repetitivos. Osciloscópios sequenciais de amostragem em tempo equivalente estão disponíveis com larguras de banda de até 80 GHz.

Os sistemas e controles de um osciloscópio

Esta seção descreve brevemente os sistemas e controles básicos encontrados em osciloscópios analógicos e digitais. Alguns controles diferem entre osciloscópios analógicos e digitais; seu osciloscópio provavelmente possui controles adicionais não discutidos aqui.

Um osciloscópio básico consiste em quatro sistemas diferentes – o sistema vertical, o sistema horizontal, o sistema de disparo e o sistema de exibição. Compreender cada um desses sistemas permitirá que você aplique efetivamente o osciloscópio para enfrentar seus desafios de medição específicos. Lembre-se de que cada sistema contribui para a capacidade do osciloscópio de reconstruir com precisão um sinal.

O painel frontal de um osciloscópio é dividido em três seções principais rotuladas como vertical, horizontal e disparo (consulte a Figura 20 para localizar essas seções). Seu osciloscópio pode ter outras seções, dependendo do modelo e tipo.

Ao usar um osciloscópio, você precisa ajustar três configurações básicas para acomodar um sinal de entrada:

Vertical: A atenuação ou amplificação do sinal. Use o controle volts/div para ajustar a amplitude do sinal para a faixa de medição desejada.

Horizontal: A base de tempo. Use o controle sec/div para definir a quantidade de tempo por divisão representada horizontalmente na tela.

Trigger: O acionamento do osciloscópio. Use o nível de disparo para estabilizar um sinal repetitivo ou acionar um evento único.

Controles verticais comuns incluem:

• Terminação
  • 1M ohm
  • 50 ohm
• Acoplamento
  • DC
  • AC
  • GND
• Largura de banda
  • Limitar
  • Aumentar
• Posição
• Deslocamento
• Inverter – Ligado/Desligado
• Escala
  • Passos fixos
  • Variável

Sistema e Controles Verticais

Os controles verticais podem ser usados para posicionar e dimensionar a forma de onda verticalmente, configurar o acoplamento de entrada e ajustar outras condições do sinal.

Posição e Volts por Divisão

O controle de posição vertical permite mover a forma de onda para cima e para baixo, exatamente onde você deseja na tela.

A configuração de volts por divisão (geralmente escrita como volts/div) é um fator de escala que varia o tamanho da forma de onda na tela. Se a configuração de volts/div for 5 volts, cada uma das oito divisões verticais representará 5 volts e a tela inteira poderá exibir 40 volts do fundo ao topo, considerando uma retícula com oito divisões principais. Se a configuração for 0,5 volts/div, a tela poderá exibir 4 volts do fundo ao topo e assim por diante. A tensão máxima que você pode exibir na tela é a configuração volts/div multiplicada pelo número de divisões verticais. Observe que a sonda que você usa, 1X ou 10X, também influencia o fator de escala. É necessário dividir a escala volts/div pelo fator de atenuação da sonda se o osciloscópio não fizer isso automaticamente.

Frequentemente, a escala volts/div possui um ganho variável ou um controle de ganho fino para dimensionar um sinal exibido para um número específico de divisões. Use esse controle para auxiliar nas medições de tempo de subida.

Acoplamento de Entrada

O acoplamento refere-se ao método usado para conectar um sinal elétrico de um circuito a outro. Neste caso, o acoplamento de entrada é a conexão do seu circuito de teste ao osciloscópio. O acoplamento pode ser configurado como DC, AC ou terra.

O acoplamento DC mostra todo o sinal de entrada. O acoplamento AC bloqueia o componente DC de um sinal, permitindo que você veja a forma de onda centralizada em torno de zero volts. A Figura 21 ilustra essa diferença. A configuração de acoplamento AC é útil quando todo o sinal (corrente alternada + corrente contínua) é muito grande para a configuração volts/div.

A configuração de terra desconecta o sinal de entrada do sistema vertical, permitindo que você veja onde zero volts está localizado na tela. Com o acoplamento de entrada aterrado e o modo de disparo automático, você verá uma linha horizontal na tela que representa zero volts. Alternar entre DC e terra é uma maneira prática de medir os níveis de tensão do sinal em relação ao terra.

Limite de Largura de Banda

A maioria dos osciloscópios possui um circuito que limita a largura de banda do osciloscópio. Ao limitar a largura de banda, você reduz o ruído que às vezes aparece na forma de onda exibida, resultando em uma exibição de sinal mais limpa. Observe que, ao eliminar o ruído, o limite de largura de banda também pode reduzir ou eliminar o conteúdo do sinal de alta frequência.

Melhoria de Largura de Banda

Alguns osciloscópios podem oferecer um filtro de equalização arbitrária DSP que pode ser usado para melhorar a resposta do canal do osciloscópio. Esse filtro amplia a largura de banda, aplaina a resposta de frequência do canal do osciloscópio, melhora a linearidade de fase e proporciona uma melhor correspondência entre os canais. Ele também diminui o tempo de subida e melhora a resposta no domínio do tempo.

Sistema Horizontal e Controles

O sistema horizontal de um osciloscópio está mais intimamente associado à aquisição de um sinal de entrada – a taxa de amostragem e o comprimento de registro estão entre as considerações aqui. Os controles horizontais são usados para posicionar e dimensionar a forma de onda horizontalmente.

Controles de Aquisição

Os osciloscópios digitais possuem configurações que permitem controlar como o sistema de aquisição processa um sinal. Observe as opções de aquisição no seu osciloscópio digital enquanto lê esta descrição. A Figura 22 mostra um exemplo de menu de aquisição.

Modos de Aquisição

Os modos de aquisição controlam como os pontos de forma de onda são produzidos a partir de pontos de amostra. Os pontos de amostra são os valores digitais obtidos diretamente do conversor analógico-digital (ADC). O intervalo de amostragem refere-se ao tempo entre esses pontos de amostra. Os pontos de forma de onda são os valores digitais armazenados na memória e exibidos para construir a forma de onda. A diferença de valor de tempo entre os pontos de forma de onda é chamada de intervalo de forma de onda.

Figura 22. Exemplo de um menu de aquisição.

Controles Horizontais Comuns incluem:

• Resolução da Base de Tempo
• Taxa de Amostragem XY
• Posição do Gatilho de Escala
• Separação de Rastreamento Zoom/Pan
• Comprimento de Registro Pesquisa

O intervalo de amostragem e o intervalo de forma de onda podem, ou não, ser iguais. Esse fato leva à existência de vários modos de aquisição diferentes, nos quais um ponto de forma de onda é composto por vários pontos de amostra adquiridos sequencialmente. Além disso, os pontos de forma de onda podem ser criados a partir de uma composição de pontos de amostra tirados de múltiplas aquisições, o que proporciona outro conjunto de modos de aquisição. Uma descrição dos modos de aquisição mais comumente usados segue abaixo.

Tipos de Modos de Aquisição

Modo de Amostra (Sample Mode): Este é o modo de aquisição mais simples. O osciloscópio cria um ponto de forma de onda salvando um ponto de amostra durante cada intervalo de forma de onda.

Modo Pico (Peak Detect Mode): O osciloscópio salva os pontos de amostra de valor mínimo e máximo obtidos durante dois intervalos de forma de onda e usa essas amostras como os dois pontos correspondentes da forma de onda. Osciloscópios digitais com o modo pico executam o ADC em uma taxa de amostragem rápida, mesmo em configurações de base de tempo muito lentas (configurações de base de tempo lenta resultam em intervalos de forma de onda longos) e são capazes de capturar mudanças rápidas do sinal que ocorreriam entre os pontos da forma de onda se estivessem em modo de amostra, conforme mostrado na Figura 23. O modo pico é particularmente útil para visualizar pulsos estreitos espaçados em um intervalo de tempo longo, como demonstrado na Figura 24.

Modo Hi-Res (Hi-Res Mode): Assim como o modo pico, o modo Hi-Res é uma maneira de obter mais informações em casos em que o ADC pode amostrar mais rápido do que a configuração da base de tempo requer. Nesse caso, várias amostras tiradas dentro de um intervalo de forma de onda são combinadas para produzir um ponto de forma de onda. O resultado é uma redução de ruído e uma melhoria na resolução para sinais de baixa velocidade. A vantagem do modo Hi-Res em relação ao modo Média é que o modo Hi-Res pode ser usado mesmo em um evento único (não repetitivo).

Modo Envelope (Envelope Mode): O modo de envelope é semelhante ao modo pico. No entanto, no modo de envelope, os pontos de forma de onda de valor mínimo e máximo de várias aquisições são combinados para formar uma forma de onda que mostra a acumulação de valores mínimos/máximos ao longo do tempo. O modo pico é geralmente usado para adquirir os registros que são combinados para formar a forma de onda de envelope.

Modo Média (Average Mode): No modo média, o osciloscópio salva um ponto de amostra durante cada intervalo de forma de onda, como no modo de amostra. No entanto, os pontos de forma de onda de aquisições consecutivas são então calculados como média para produzir a forma de onda final exibida. O modo de média reduz o ruído sem perda de largura de banda, mas requer um sinal repetitivo.

Modo Banco de Dados de Formas de Onda (Waveform Database Mode): Nesse modo, o osciloscópio acumula um banco de dados de formas de onda que fornece uma matriz tridimensional de amplitude, tempo e contagens.

Iniciando e Parando o Sistema de Aquisição

Uma das maiores vantagens dos osciloscópios digitais é a capacidade de armazenar formas de onda para visualização posterior. Para isso, geralmente há um ou mais botões no painel frontal que permitem iniciar e parar o sistema de aquisição para que você possa analisar as formas de onda com calma. Além disso, você pode querer que o osciloscópio pare automaticamente de adquirir após uma aquisição ser concluída ou após um conjunto de registros ter sido transformado em uma forma de onda de envelope ou média. Essa característica é comumente chamada de varredura única ou sequência única, e seus controles geralmente são encontrados junto com outros controles de aquisição ou controles de disparo.

Amostragem

A amostragem é o processo de converter uma porção de um sinal de entrada em um número discreto de valores elétricos para fins de armazenamento, processamento e/ou exibição. A magnitude de cada ponto amostrado é igual à amplitude do sinal de entrada no instante em que o sinal é amostrado.

A amostragem é como tirar fotografias. Cada fotografia corresponde a um ponto específico no tempo da forma de onda. Essas fotografias podem então ser organizadas na ordem apropriada no tempo para reconstruir o sinal de entrada.

Em um osciloscópio digital, uma matriz de pontos amostrados é reconstruída em um display com a amplitude medida no eixo vertical e o tempo no eixo horizontal, como ilustrado na Figura 25.

A forma de onda de entrada na Figura 25 aparece como uma série de pontos na tela. Se os pontos estiverem amplamente espaçados e difíceis de interpretar como uma forma de onda, os pontos podem ser conectados usando um processo chamado interpolação. A interpolação conecta os pontos com linhas ou vetores. Vários métodos de interpolação estão disponíveis e podem ser usados para produzir uma representação precisa de um sinal contínuo de entrada.

Controles de amostragem: Alguns osciloscópios digitais oferecem a opção de escolha do método de amostragem – amostragem em tempo real ou amostragem em tempo equivalente. Os controles de aquisição disponíveis nesses osciloscópios permitirão que você selecione um método de amostragem para adquirir sinais. Esta escolha não faz diferença para configurações de tempo de base lentas e só tem efeito quando o conversor analógico-digital (ADC) não pode amostrar rápido o suficiente para preencher o registro com pontos de forma de onda em uma única passagem. Cada método de amostragem tem vantagens distintas, dependendo do tipo de medições que estão sendo feitas.

Método de amostragem em tempo real: A amostragem em tempo real é ideal para sinais cuja faixa de frequência é menor que a metade da taxa máxima de amostragem do osciloscópio. Nesse caso, o osciloscópio pode adquirir pontos suficientes em uma “varredura” da forma de onda para construir uma imagem precisa, como mostrado na Figura 26. A amostragem em tempo real é a única maneira de capturar sinais transitórios de alta velocidade, de um único disparo, com um osciloscópio digital.

Amostragem em tempo real apresenta o maior desafio para os osciloscópios digitais devido à taxa de amostragem necessária para digitalizar com precisão eventos transitórios de alta frequência, como mostrado na Figura 27. Esses eventos ocorrem apenas uma vez e devem ser amostrados no mesmo intervalo de tempo em que ocorrem.

Se a taxa de amostragem não for rápida o suficiente, os componentes de alta frequência podem “dobrar-se” em uma frequência mais baixa, causando aliasing na exibição, como demonstrado na Figura 28. Além disso, a amostragem em tempo real é complicada pela memória de alta velocidade necessária para armazenar a forma de onda uma vez digitalizada. Consulte as seções de Taxa de amostragem e Comprimento do registro em Termos e considerações de desempenho para obter detalhes adicionais sobre a taxa de amostragem e o comprimento do registro necessários para caracterizar com precisão os componentes de alta frequência.

Com a amostragem em tempo real com interpolação, os osciloscópios digitais tiram amostras discretas do sinal que podem ser exibidas. No entanto, pode ser difícil visualizar o sinal representado como pontos, especialmente porque pode haver apenas alguns pontos representando partes de alta frequência do sinal. Para auxiliar na visualização dos sinais, os osciloscópios digitais geralmente possuem modos de exibição de interpolação.

Em termos simples, a interpolação “conecta os pontos” de forma que um sinal que é amostrado apenas algumas vezes em cada ciclo possa ser exibido com precisão. Usando a amostragem em tempo real com interpolação, o osciloscópio coleta alguns pontos de amostra do sinal em uma única passagem no modo de tempo real e usa a interpolação para preencher as lacunas. A interpolação é uma técnica de processamento usada para estimar como a forma de onda se parece com base em alguns pontos.

Interpolação Linear conecta pontos de amostra com linhas retas. Essa abordagem é limitada para reconstruir sinais com bordas retas, como ilustrado na Figura 29, tornando-a mais adequada para ondas quadradas.

Por outro lado, a interpolação sin x/x é mais versátil, conectando pontos de amostra com curvas, como mostrado na Figura 29. Trata-se de um processo matemático em que pontos são calculados para preencher o tempo entre as amostras reais. Essa forma de interpolação é ideal para formas de onda curvas e irregulares, que são mais comuns no mundo real do que ondas quadradas puras e pulsos. Por esse motivo, a interpolação sin x/x é o método preferido em aplicações com taxa de amostragem de 3 a 5 vezes a largura de banda do sistema.

Método de Amostragem por Tempo Equivalente

Em medições de sinais de alta frequência, o osciloscópio pode não conseguir coletar amostras suficientes em uma varredura. Nesse caso, a amostragem por tempo equivalente é usada para adquirir com precisão sinais cuja frequência excede a metade da taxa de amostragem do osciloscópio, conforme ilustrado na Figura 30. Os digitalizadores (amostradores) de tempo equivalente se beneficiam do fato de que a maioria dos eventos naturais e artificiais são repetitivos.

Esse método constrói uma imagem de um sinal repetitivo capturando um pouco de informação de cada repetição. A forma de onda se forma gradualmente, como uma sequência de luzes se acendendo uma a uma. Isso possibilita ao osciloscópio capturar com precisão sinais cujos componentes de frequência são muito mais altos do que a taxa de amostragem do osciloscópio.

Existem dois tipos de métodos de amostragem por tempo equivalente: aleatório e sequencial. Cada um apresenta suas vantagens. A amostragem aleatória permite exibir o sinal de entrada antes do ponto de disparo, sem o uso de uma linha de atraso. Por sua vez, a amostragem sequencial oferece uma resolução e precisão de tempo significativamente maiores. Ambos os métodos requerem que o sinal de entrada seja repetitivo.

Amostragem por Tempo Equivalente Aleatório

Os digitalizadores de tempo equivalente aleatório (amostradores) utilizam um relógio interno que funciona assincronamente em relação ao sinal de entrada e ao disparo do sinal, conforme ilustrado na Figura 31. As amostras são tomadas continuamente, independentemente da posição do disparo, e são exibidas com base na diferença de tempo entre a amostra e o disparo. Embora as amostras sejam tomadas sequencialmente no tempo, elas são aleatórias em relação ao disparo – daí o nome “amostragem por tempo equivalente aleatório“. Os pontos de amostra aparecem aleatoriamente ao longo da forma de onda quando exibidos na tela do osciloscópio.

A capacidade de adquirir e exibir amostras antes do ponto de disparo é a principal vantagem dessa técnica de amostragem, eliminando a necessidade de sinais de pré-disparo externos ou linhas de atraso. Dependendo da taxa de amostragem e da janela de tempo da exibição, a amostragem aleatória também pode permitir a aquisição de mais de uma amostra por evento disparado. No entanto, em velocidades de varredura mais rápidas, a janela de aquisição estreita até que o digitalizador não consiga amostrar em cada disparo. É nessas velocidades de varredura mais rápidas que medições de tempo muito precisas são frequentemente realizadas, e onde a extraordinária resolução de tempo do amostrador por tempo equivalente sequencial é mais benéfica. O limite de largura de banda para a amostragem por tempo equivalente aleatório é menor do que para a amostragem por tempo sequencial.

Amostragem por Tempo Equivalente Sequencial

O amostrador por tempo equivalente sequencial adquire uma amostra por disparo, independentemente da configuração de tempo/divisão ou velocidade de varredura, conforme ilustrado na Figura 32. Quando um disparo é detectado, uma amostra é tomada após um atraso muito curto, mas bem definido. Quando ocorre o próximo disparo, um pequeno incremento de tempo – delta t – é adicionado a esse atraso e o digitalizador toma outra amostra. Esse processo é repetido várias vezes, com “delta t” adicionado a cada aquisição anterior, até que a janela de tempo seja preenchida. Os pontos de amostra aparecem da esquerda para a direita em sequência ao longo da forma de onda quando exibidos na tela do osciloscópio.

Tecnicamente falando, é mais fácil gerar um “delta t” muito curto e preciso do que medir com precisão as posições vertical e horizontal de uma amostra em relação ao ponto de disparo, como exigido pelos amostradores aleatórios. Esse atraso precisamente medido é o que dá aos amostradores sequenciais sua inigualável resolução de tempo. Uma vez que, com a amostragem sequencial, a amostra é obtida após o nível de disparo ser detectado, o ponto de disparo não pode ser exibido sem uma linha de atraso analógica, o que pode, por sua vez, reduzir a largura de banda do instrumento. Se um pré-disparo externo puder ser fornecido, a largura de banda não será afetada.

Posição e Segundos por Divisão

O controle de posição horizontal move a forma de onda para a esquerda e direita, exatamente onde você deseja na tela.

A configuração de segundos por divisão (geralmente escrita como sec/div) permite selecionar a taxa na qual a forma de onda é desenhada na tela (também conhecida como configuração de base de tempo ou velocidade de varredura). Essa configuração é um fator de escala. Se a configuração for de 1 ms, cada divisão horizontal representa 1 ms e a largura total da tela representa 10 ms, ou seja, dez divisões. Alterar a configuração de sec/div permite analisar intervalos de tempo mais longos e mais curtos do sinal de entrada.

Assim como a escala vertical volts/div, a escala horizontal sec/div pode ter um tempo variável, permitindo definir a escala de tempo horizontal entre as configurações discretas.

Seleções da Base de Tempo

Seu osciloscópio possui uma base de tempo, geralmente chamada de base de tempo principal. Muitos osciloscópios também possuem o que é chamado de base de tempo atrasada – uma base de tempo com uma varredura que pode começar (ou ser disparada para começar) em relação a um tempo pré-determinado na varredura da base de tempo principal. Usar uma varredura de base de tempo atrasada permite visualizar eventos com mais clareza e ver eventos que não são visíveis apenas com a varredura da base de tempo principal.

A base de tempo atrasada requer o ajuste de um atraso de tempo e o possível uso de modos de disparo atrasados e outras configurações não descritas neste guia. Consulte o manual fornecido com seu osciloscópio para obter informações sobre como usar esses recursos.

Zoom/Deslocamento

Seu osciloscópio pode ter configurações especiais de magnificação horizontal que permitem exibir uma seção ampliada da forma de onda na tela. Alguns osciloscópios adicionam funções de deslocamento à capacidade de zoom. Botões são usados para ajustar o fator de zoom ou escala e o deslocamento da caixa de zoom ao longo da forma de onda.

Busca

Alguns osciloscópios oferecem recursos de busca e marcação, permitindo que você navegue rapidamente por longas aquisições em busca de eventos definidos pelo usuário.

Modo XY

A maioria dos osciloscópios possui um modo XY que permite exibir um sinal de entrada, em vez da base de tempo, no eixo horizontal. Esse modo de operação abre uma nova área de técnicas de medição de deslocamento de fase, explicadas na seção de Técnicas de Medição deste guia.

Eixo Z

Um osciloscópio de fósforo digital (DPO) possui uma alta densidade de amostragem de exibição e uma capacidade inata de capturar informações de intensidade. Com seu eixo de intensidade (eixo Z), o DPO pode fornecer uma exibição tridimensional em tempo real, semelhante à de um osciloscópio analógico. Ao observar a forma de onda em um DPO, você pode ver áreas mais iluminadas – onde um sinal ocorre com mais frequência. Essa exibição facilita a distinção entre a forma de sinal básica e um transiente que ocorre apenas ocasionalmente – o sinal básico apareceria muito mais brilhante. Uma aplicação do eixo Z é alimentar sinais temporizados especiais na entrada Z separada para criar pontos de destaque “marcados” em intervalos conhecidos na forma de onda.

Modo XYZ com DPO e Exibição de Registro XYZ

Alguns DPOs podem usar a entrada Z para criar uma exibição XY com graduação de intensidade. Nesse caso, o DPO amostra o valor de dados instantâneos na entrada Z e usa esse valor para qualificar uma parte específica da forma de onda. Depois de qualificadas, essas amostras podem se acumular, resultando em uma exibição XYZ com graduação de intensidade. O modo XYZ é especialmente útil para exibir os padrões polares comumente usados em testes de dispositivos de comunicação sem fio – como um diagrama de constelação, por exemplo. Outro método de exibição de dados XYZ é a exibição de registro XYZ, onde os dados da memória de aquisição são usados em vez do banco de dados do DPO.

Sistema e Controles de Disparo

A função de disparo de um osciloscópio sincroniza a varredura horizontal no ponto correto do sinal, sendo essencial para a caracterização clara do sinal. Os controles de disparo permitem estabilizar formas de onda repetitivas e capturar formas de onda de único disparo.

O disparo torna formas de onda repetitivas estáticas na tela do osciloscópio, exibindo repetidamente a mesma porção do sinal de entrada. Imagine a confusão na tela que resultaria se cada varredura começasse em um lugar diferente no sinal, como ilustrado na Figura 33.

O disparo de borda, disponível em osciloscópios analógicos e digitais, é o tipo básico e mais comum. Além do disparo por limiar de tensão oferecido por osciloscópios analógicos e digitais, muitos osciloscópios digitais oferecem vários ajustes de disparo especializados não disponíveis em instrumentos analógicos. Esses disparos respondem a condições específicas no sinal de entrada, tornando fácil detectar, por exemplo, um pulso que é mais estreito do que deveria ser. Tal condição seria impossível de detectar apenas com um disparo por limiar de tensão.

Controles avançados de disparo permitem isolar eventos específicos de interesse para otimizar a taxa de amostragem e o comprimento do registro do osciloscópio. Capacidades avançadas de disparo em alguns osciloscópios oferecem um controle altamente seletivo. É possível fazer o disparo em pulsos definidos por amplitude (como pulsos truncados), qualificados pelo tempo (largura de pulso, glitch, taxa de subida, configuração e retenção e tempo limite) e delimitados por estado lógico ou padrão (disparo lógico).

Outras funções avançadas de disparo incluem:

• Disparo por Bloqueio de Padrão: Adiciona uma nova dimensão ao disparo de padrão serial NRZ, permitindo que o osciloscópio faça aquisições sincronizadas de um longo padrão de teste serial com precisão excepcional de base de tempo. O disparo por bloqueio de padrão pode ser usado para remover jitter aleatório de longos padrões de dados seriais. Os efeitos de transições específicas de bits podem ser investigados, e a média pode ser usada com testes de máscara.
• Disparo por Padrão Serial: Pode ser usado para depurar arquiteturas seriais. Fornece um disparo no padrão serial de um fluxo de dados serial NRZ com recuperação de clock embutida e correlaciona eventos através da camada física e de link. O instrumento pode recuperar o sinal de clock, identificar transições e permitir que você defina as palavras codificadas desejadas para capturar o disparo pelo padrão serial.
• Disparo A e B: Alguns sistemas de disparo oferecem vários tipos de disparo apenas em um evento (evento A), com seleção de disparo atrasado (evento B) limitada ao disparo do tipo borda e muitas vezes não fornecem uma maneira de redefinir a sequência de disparo se o evento B não ocorrer. Osciloscópios modernos podem fornecer a suíte completa de tipos avançados de disparo tanto em disparos A quanto B, qualificação lógica para controlar quando procurar esses eventos e reiniciar o disparo para começar a sequência de disparo novamente após um tempo, estado ou transição especificados, permitindo que até eventos nos sinais mais complexos sejam capturados.
• Busca e Marcação de Disparo: Os disparos de hardware observam apenas um tipo de evento por vez, mas a busca pode analisar múltiplos tipos de eventos simultaneamente. Por exemplo, é possível procurar violações de tempo de configuração ou retenção em múltiplos canais. Marcas individuais podem ser colocadas pela busca, indicando eventos que atendem aos critérios de busca.
• Correção de Disparo: Como o sistema de disparo e aquisição de dados seguem caminhos diferentes, há um atraso de tempo inerente entre a posição de disparo e os dados adquiridos. Isso resulta em desalinhamento e jitter de disparo. Com um sistema de correção de disparo, o instrumento ajusta a posição de disparo e compensa a diferença de atraso entre o caminho de disparo e o caminho de aquisição de dados. Isso eliminará praticamente qualquer jitter de disparo no ponto de disparo. Nesse modo, o ponto de disparo pode ser usado como uma referência de medição.
• Disparo em Sinais Seriais Específicos (I2C, CAN, LIN, etc.): Alguns osciloscópios oferecem a capacidade de disparar em tipos específicos de sinais para dados seriais padrão, como CAN, LIN, I2C, SPI e outros. A decodificação desses tipos de sinais também está disponível em muitos osciloscópios atualmente.
• Disparo em Barramento Paralelo: Vários barramentos paralelos podem ser definidos e exibidos simultaneamente para visualizar facilmente dados de barramento paralelo decodificado ao longo do tempo. Ao especificar quais canais são os sinais de clock e dados, você pode criar uma exibição de barramento paralelo em alguns osciloscópios que decodifica automaticamente o conteúdo do barramento. Inúmeras horas podem ser economizadas usando disparos em barramento paralelo para simplificar a captura e análise.

Alguns osciloscópios também possuem controles de disparo opcionais projetados especificamente para examinar sinais de comunicação. A Figura 34 destaca alguns desses tipos de disparo comuns com mais detalhes. A interface do usuário intuitiva disponível em alguns osciloscópios permite a configuração rápida dos parâmetros de disparo com ampla flexibilidade na configuração do teste para maximizar sua produtividade.

Disparo de Posição

O controle de posição do disparo horizontal está disponível apenas em osciloscópios digitais. Esse controle pode estar localizado na seção de controle horizontal do seu osciloscópio. Ele representa, na verdade, a posição horizontal do disparo no registro de forma de onda.

A variação da posição do disparo horizontal permite capturar o que um sinal fez antes de um evento de disparo, conhecido como visualização pré-disparo. Assim, determina o comprimento do sinal visível tanto antes quanto após o ponto de disparo.

Os osciloscópios digitais podem fornecer visualização pré-disparo porque eles processam constantemente o sinal de entrada, independentemente de um disparo ter sido recebido. Um fluxo constante de dados passa pelo osciloscópio; o disparo apenas diz ao osciloscópio para salvar os dados atuais na memória.

Em contraste, os osciloscópios analógicos só exibem o sinal – isto é, escrevem-no no CRT – após receberem o disparo. Assim, a visualização pré-disparo não está disponível em osciloscópios analógicos, com exceção de uma pequena quantidade de pré-disparo fornecida por uma linha de atraso no sistema vertical.

A visualização pré-disparo é uma valiosa ajuda para solucionar problemas. Se um problema ocorre intermitentemente, você pode disparar no problema, registrar os eventos que o antecederam e, possivelmente, encontrar a causa.

Nível e Inclinação do Disparo

Os controles de nível e inclinação do disparo fornecem a definição básica do ponto de disparo e determinam como uma forma de onda é exibida, como ilustrado na Figura 35.

O circuito de disparo atua como um comparador. Você seleciona a inclinação e o nível de tensão em uma das entradas do comparador. Quando o sinal de disparo na outra entrada do comparador corresponde às suas configurações, o osciloscópio gera um disparo.

O controle de inclinação determina se o ponto de disparo está na borda de subida ou de descida de um sinal. Uma borda de subida é uma inclinação positiva e uma borda de descida é uma inclinação negativa. O controle de nível determina onde na borda o ponto de disparo ocorre.

Fontes de Disparo

O osciloscópio não necessariamente precisa disparar no sinal que está sendo exibido. Várias fontes podem acionar a varredura:

• Qualquer canal de entrada
• Uma fonte externa diferente do sinal aplicado a um canal de entrada
• O sinal da fonte de alimentação
• Um sinal definido internamente pelo osciloscópio, a partir de um ou mais canais de entrada

Na maioria das vezes, você pode deixar o osciloscópio configurado para disparar no canal exibido. Alguns osciloscópios fornecem uma saída de disparo que envia o sinal de disparo para outro instrumento.

O osciloscópio pode usar uma fonte de disparo alternativa, mesmo que ela não esteja sendo exibida, portanto, tome cuidado para não disparar inadvertidamente no canal 1 enquanto exibe o canal 2, por exemplo.

Modos de Disparo

O modo de disparo determina se o osciloscópio desenha ou não uma forma de onda com base em uma condição do sinal. Os modos de disparo comuns incluem normal e automático.

No modo normal, o osciloscópio só varre se o sinal de entrada atingir o ponto de disparo definido; caso contrário (em um osciloscópio analógico) a tela fica em branco ou (em um osciloscópio digital) congelada na última forma de onda adquirida. O modo normal pode ser desorientador, pois você pode não ver o sinal de imediato se o controle de nível não estiver ajustado corretamente.

No modo automático, o osciloscópio varre mesmo sem um disparo. Se nenhum sinal estiver presente, um temporizador no osciloscópio aciona a varredura. Isso garante que a exibição não desapareça caso o sinal não cause um disparo.

Na prática, você provavelmente usará ambos os modos: o modo normal permite ver apenas o sinal de interesse, mesmo quando os disparos ocorrem em uma taxa lenta, e o modo automático requer menos ajustes.

Muitos osciloscópios também incluem modos especiais para varreduras únicas, disparo em sinais de vídeo ou configuração automática do nível de disparo.

Acoplamento de Disparo

Assim como você pode selecionar acoplamento AC ou DC para o sistema vertical, também é possível escolher o tipo de acoplamento para o sinal de disparo.

Além do acoplamento AC e DC, seu osciloscópio também pode ter acoplamento de rejeição de alta frequência, rejeição de baixa frequência e rejeição de ruído para o disparo. Essas configurações especiais são úteis para eliminar o ruído do sinal de disparo e evitar disparos falsos.

Espera do Disparo

Às vezes, fazer com que um osciloscópio dispare na parte correta de um sinal requer grande habilidade. Muitos osciloscópios têm recursos especiais para facilitar essa tarefa.

A espera do disparo é um período de tempo ajustável após um disparo válido durante o qual o osciloscópio não pode disparar novamente. Esse recurso é útil quando você está disparando em formas de onda complexas, para que o osciloscópio dispare apenas em um ponto de disparo elegível. A Figura 36 mostra como o uso da espera do disparo ajuda a criar uma exibição utilizável.

Sistema de Exibição e Controles

O painel frontal de um osciloscópio inclui uma tela de exibição e os botões, knobs, interruptores e indicadores usados para controlar a aquisição e exibição do sinal. Conforme mencionado na parte anterior desta seção, os controles do painel frontal são geralmente divididos em seções vertical, horizontal e de disparo. O painel frontal também inclui conectores de entrada.

Observe a tela de exibição do osciloscópio. Note as marcações da grade na tela – essas marcações criam a graticule. Cada linha vertical e horizontal constitui uma divisão principal. A graticule geralmente é disposta em um padrão de 8 por 10 ou 10 por 10 divisões. A nomenclatura nos controles do osciloscópio (como volts/div e sec/div) sempre se refere às divisões principais. Os traços nas linhas verticais e horizontais centrais da graticule, como mostrado na Figura 37, são chamados de divisões menores. Muitos osciloscópios exibem na tela quantos volts cada divisão vertical representa e quantos segundos cada divisão horizontal representa.

Outros Controles do Osciloscópio

Operações Matemáticas e de Medição

Seu osciloscópio também pode ter operações que permitem que você some formas de onda, criando uma nova exibição de forma de onda. Osciloscópios analógicos combinam os sinais, enquanto osciloscópios digitais criam novas formas de onda matematicamente. Subtrair formas de onda é outra operação matemática. A subtração com osciloscópios analógicos é possível usando a função de inversão de canal em um sinal e, em seguida, usando a operação de adição. Osciloscópios digitais geralmente possuem uma operação de subtração disponível. A Figura 38 ilustra uma terceira forma de onda criada combinando dois sinais diferentes.

Usando o poder de seus processadores internos, os osciloscópios digitais oferecem muitas operações matemáticas avançadas: multiplicação, divisão, integração, Transformada Rápida de Fourier e muito mais. Essa capacidade avançada de processamento de sinais também pode realizar funções como a inserção de um bloco de filtro, que pode ser usado para desvincular as características do dispositivo sob teste ou implementar um bloco de filtro com resposta de frequência desejada, como um filtro passa-baixa. O bloco de processamento é flexível – não dedicado; ele pode funcionar como um filtro arbitrário, por exemplo, para simulação de esquemas de pré-ênfase/desênfase.

Aquisições Digitais de Temporização e Estado

Os canais digitais fornecidos por um osciloscópio de sinal misto permitem capacidades de aquisição semelhantes às encontradas em analisadores lógicos. Existem duas técnicas principais de aquisição digital. A primeira técnica é a aquisição de temporização, na qual o osciloscópio de sinal misto amostra o sinal digital em intervalos uniformemente espaçados determinados pela taxa de amostragem do osciloscópio. Em cada ponto de amostra, o osciloscópio armazena o estado lógico do sinal e cria um diagrama de temporização do sinal. A segunda técnica de aquisição digital é a aquisição de estado. A aquisição de estado define momentos especiais em que o estado lógico do sinal digital é válido e estável. Isso é comum em circuitos digitais síncronos e sincronizados. Um sinal de clock define o momento em que o estado do sinal é válido.

Por exemplo, o tempo estável do sinal de entrada é em torno da Borda de Subida do Clock para um D-Flip-Flop com clock ascendente. O tempo estável do sinal de saída é em torno da Borda de Descida do Clock para um D-Flip-Flop com clock ascendente. Uma vez que o período do clock de um circuito síncrono pode não ser fixo, o tempo entre as aquisições de estado pode não ser uniforme como ocorre em uma aquisição de temporização.

Os canais digitais de um osciloscópio de sinal misto adquirem sinais de forma semelhante a como um analisador lógico adquire sinais no modo de aquisição de temporização. O MSO, em seguida, decodifica a aquisição de temporização em um display de barramento com clock e uma tabela de eventos semelhante à exibição de aquisição de estado do analisador lógico, fornecendo informações importantes durante a depuração.

Nós descrevemos os controles básicos do osciloscópio que um iniciante precisa saber. Seu osciloscópio pode ter outros controles para várias funções. Alguns deles podem incluir:

• Medidas paramétricas automáticas
• Cursors de medição
• Teclados para operações matemáticas ou entrada de dados
• Capacidades de impressão
• Interfaces para conectar seu osciloscópio a um computador ou diretamente à Internet

Revise as outras opções disponíveis e leia o manual do seu osciloscópio para obter mais informações sobre esses outros controles.

Sistema de Medição Completo

Sondas

Mesmo o instrumento mais avançado só pode ser tão preciso quanto os dados que entram nele. Uma sonda funciona em conjunto com o osciloscópio como parte do sistema de medição. Medições de precisão começam na ponta da sonda. As sondas adequadas, combinadas com o osciloscópio e o dispositivo em teste (DUT), não apenas permitem que o sinal seja levado ao osciloscópio de forma limpa, mas também amplificam e preservam o sinal para obter a maior integridade do sinal e precisão de medição.

Para garantir a reconstrução precisa do seu sinal, tente escolher uma sonda que, quando emparelhada com seu osciloscópio, exceda a largura de banda do sinal em 5 vezes. As sondas realmente se tornam parte do circuito, introduzindo resistência, capacitância e indutância que inevitavelmente alteram a medição. Para obter os resultados mais precisos, o objetivo é selecionar uma sonda com carga mínima. O emparelhamento ideal da sonda com o osciloscópio minimizará essa carga e permitirá que você acesse todo o poder, recursos e capacidades do seu osciloscópio.

Outra consideração de conectividade é o formato físico da sonda. As sondas de pequeno formato proporcionam um acesso mais fácil às circuitarias densamente compactadas de hoje, como mostrado na Figura 39.

Uma breve descrição dos tipos de sondas segue abaixo. Para obter mais informações sobre esse componente essencial do sistema geral de medição, consulte o guia ABCs de Sondas da Tektronix.

Sondas Passivas

Para medir sinais e níveis de tensão típicos, as sondas passivas oferecem facilidade de uso e uma ampla gama de capacidades de medição a um preço acessível. O emparelhamento de uma sonda de tensão passiva com uma sonda de corrente fornecerá uma solução ideal para medir potência.

A maioria das sondas passivas possui algum fator de atenuação, como 10X, 100X, etc. Por convenção, os fatores de atenuação, como no caso da sonda atenuadora 10X, têm o “X” depois do fator. Em contraste, os fatores de ampliação, como X10, têm o “X” primeiro.

A sonda atenuadora 10X (lida como “dez vezes”) reduz a carga no circuito em comparação com uma sonda 1X e é uma excelente sonda passiva de uso geral. A carga no circuito torna-se mais pronunciada para fontes de sinal de frequência e/ou impedância mais alta, portanto, certifique-se de analisar essas interações de carga de sinal/sonda antes de selecionar uma sonda.

A sonda atenuadora 10X melhora a precisão de suas medições, mas também reduz a amplitude do sinal na entrada do osciloscópio em um fator de 10.

Devido à atenuação do sinal, a sonda atenuadora 10X torna difícil visualizar sinais com menos de 10 milivolts pico a pico. A sonda 1X é semelhante à sonda atenuadora 10X, mas não possui a circuitaria de atenuação. Sem essa circuitaria, mais interferência é introduzida no circuito em teste.

Use a sonda atenuadora 10X como sua sonda de uso geral, mas mantenha a sonda 1X acessível para medir sinais de baixa velocidade e baixa amplitude. Algumas sondas têm uma função conveniente para alternar entre atenuação 1X e 10X na ponta da sonda. Se sua sonda tiver essa função, verifique se está usando a configuração correta antes de fazer as medições.

Muitos osciloscópios podem detectar automaticamente se você está usando uma sonda 1X ou 10X e ajustar suas leituras de tela adequadamente. No entanto, com alguns osciloscópios, você deve definir o tipo de sonda que está usando ou ler a marcação apropriada de 1X ou 10X no controle volts/div.

A sonda atenuadora 10X funciona equilibrando as propriedades elétricas da sonda com as propriedades elétricas do osciloscópio. Antes de usar uma sonda atenuadora 10X, você precisa ajustar esse equilíbrio para o seu osciloscópio específico. Esse ajuste é conhecido como compensação da sonda e é descrito com mais detalhes na seção “Operando o Osciloscópio” deste guia.

As sondas passivas, como a mostrada na Figura 40, fornecem excelentes soluções de sondagem de uso geral. No entanto, as sondas de uso geral passivas não podem medir com precisão sinais com tempos de subida extremamente rápidos e podem sobrecarregar excessivamente circuitos sensíveis. O aumento constante das taxas de clock do sinal e das velocidades de borda exige sondas de alta velocidade com menos efeitos de carga. As sondas ativas de alta velocidade e diferenciais fornecem soluções ideais ao medir sinais de alta velocidade e/ou diferenciais.

Sondas Ativas e Diferenciais

Medir com precisão sinais de alta velocidade e famílias lógicas de baixa tensão torna-se desafiador. A fidelidade do sinal e a carga do dispositivo são questões críticas. Uma solução completa para medições nesses níveis de alta velocidade inclui soluções de sondagem de alta velocidade e alta fidelidade, como mostra a Figura 41.

Sondas Ativas e Diferenciais utilizam circuitos integrados especialmente desenvolvidos para preservar o sinal durante o acesso e transmissão ao osciloscópio, garantindo a integridade do sinal. Para medições de sinais com tempos de subida rápidos, uma sonda ativa de alta velocidade ou diferencial proporcionará resultados mais precisos, como evidenciado na Figura 42.

Tipos mais recentes de sondas oferecem a vantagem de utilizar uma configuração para obter três tipos de medições sem ajustar as conexões da ponta da sonda. Essas sondas podem realizar medições diferenciais, de modo único e de modo comum a partir da mesma configuração de sonda.

Sondas Lógicas

A sonda lógica ilustrada na Figura 43 oferece dois pods de oito canais cada. Cada canal termina com uma ponta de sonda apresentando um terra rebaixado para conexão simplificada ao dispositivo em teste. O cabo coaxial no primeiro canal de cada pod é de cor azul, facilitando a identificação. O terra comum utiliza um conector no estilo automotivo, tornando simples a criação de terras personalizadas para conexão ao dispositivo em teste. Ao conectar-se a pinos quadrados, é possível usar um adaptador que se acopla à cabeça da sonda, estendendo o terra da sonda nivelado com a ponta da sonda, permitindo a conexão a um conector. Essas sondas oferecem características elétricas excepcionais com carga capacitiva mínima.

Sondas Especiais

Além dos tipos de sondas mencionados anteriormente, há uma variedade de sondas especializadas e sistemas de sondagem disponíveis. Isso inclui sondas de corrente, alta tensão e ópticas, apenas para citar alguns exemplos.

Acessórios para Sondas de Alta Qualidade

Muitos osciloscópios modernos oferecem recursos automatizados especiais integrados às entradas e conectores de sonda correspondentes. Em interfaces de sonda inteligentes, o ato de conectar a sonda ao instrumento notifica o osciloscópio sobre o fator de atenuação da sonda, que é considerado na exibição na tela. Algumas interfaces de sonda também reconhecem o tipo de sonda – seja passiva, ativa ou de corrente. A interface pode até mesmo funcionar como uma fonte de alimentação CC para sondas. Sondas ativas possuem seu próprio amplificador e circuitos de buffer que requerem energia contínua. Acessórios para ponta de terra e ponta de sonda estão disponíveis para aprimorar a integridade do sinal ao medir sinais de alta velocidade. Adaptadores de ponta de terra fornecem flexibilidade de espaçamento entre a ponta da sonda e as conexões de terra com o DUT (Dispositivo em Teste), enquanto mantêm comprimentos de cabo muito curtos da ponta da sonda ao DUT. Consulte o guia “ABCs das Sondas” da Tektronix para obter mais informações sobre sondas e seus acessórios de alta performance.

Termos e Considerações de Desempenho Cruciais

Assim como mencionado anteriormente, um osciloscópio é comparável a uma câmera que captura imagens de sinais que podem ser observados e interpretados. A velocidade do obturador, as condições de iluminação, a abertura e a classificação ASA do filme afetam a capacidade da câmera de capturar uma imagem de forma clara e precisa.

Da mesma forma que nos sistemas fundamentais de um osciloscópio, as considerações de desempenho de um osciloscópio têm um impacto significativo em sua habilidade de alcançar a integridade do sinal necessária.

Aprender uma nova habilidade muitas vezes envolve aprender um novo vocabulário. Isso também é válido para aprender a utilizar um osciloscópio. Esta seção descreve alguns termos úteis para medições e desempenho de osciloscópio. Esses termos são utilizados para descrever os critérios essenciais na escolha do melhor osciloscópio para a sua aplicação. Compreender esses termos o ajudará a avaliar e comparar o seu osciloscópio com outros modelos de maneira eficaz.

Largura de Banda: A Base da Eficiência de Medição A largura de banda determina a capacidade fundamental de um osciloscópio para medir um sinal. À medida que a frequência do sinal aumenta, a capacidade do osciloscópio de exibir o sinal com precisão diminui. Essa especificação indica a faixa de frequência que o osciloscópio pode medir com precisão.

A largura de banda do osciloscópio é especificada como a frequência na qual um sinal de entrada senoidal é atenuado para 70,7% da amplitude verdadeira do sinal, conhecido como o ponto de -3 dB, um termo baseado em uma escala logarítmica, conforme ilustrado na Figura 44.

Sem largura de banda adequada, o seu osciloscópio não conseguirá distinguir mudanças de alta frequência. A amplitude será distorcida. As bordas desaparecerão. Detalhes serão perdidos. Sem largura de banda adequada, todos os recursos do seu osciloscópio serão inúteis.

Para determinar a largura de banda do osciloscópio necessária para caracterizar com precisão a amplitude do sinal na sua aplicação específica, aplique a “Regra das 5 Vezes”.

Largura de Banda do Osciloscópio ≥ Frequência Mais Alta do Componente do Sinal x 5

m osciloscópio selecionado usando a Regra das 5 Vezes fornecerá um erro inferior a ±2% em suas medições – tipicamente suficiente para as aplicações atuais. No entanto, à medida que as velocidades do sinal aumentam, pode não ser possível atingir essa regra prática. Lembre-se sempre de que uma largura de banda mais alta provavelmente fornecerá uma reprodução mais precisa do seu sinal, como demonstrado na Figura 45.

Alguns osciloscópios oferecem um método de melhoria da largura de banda por meio do processamento de sinal digital. Um filtro de equalização arbitrária DSP pode ser usado para melhorar a resposta do canal do osciloscópio. Esse filtro estende a largura de banda, aplaina a resposta de frequência do canal do osciloscópio, melhora a linearidade de fase e oferece uma correspondência melhor entre os canais. Ele também diminui o tempo de subida e melhora a resposta passo no domínio do tempo.

Tempo de Subida

No mundo digital, as medições de tempo de subida são críticas. O tempo de subida pode ser uma consideração de desempenho mais apropriada quando você espera medir sinais digitais, como pulsos e transições. Como mostrado na Figura 46, seu osciloscópio deve ter um tempo de subida suficiente para capturar com precisão os detalhes de transições rápidas.

O tempo de subida descreve a faixa de frequência útil de um osciloscópio. Para calcular o tempo de subida necessário para o seu tipo de sinal, use a seguinte equação:

Tempo de Subida do Osciloscópio ≤ Tempo de Subida Mais Rápido do Sinal x 1/5

Observe que essa base para a seleção do tempo de subida do osciloscópio é semelhante àquela para a largura de banda. Como no caso da largura de banda, alcançar essa regra prática nem sempre é possível dada a extrema velocidade dos sinais atuais. Lembre-se sempre de que um osciloscópio com um tempo de subida mais rápido capturará de forma mais precisa os detalhes críticos das transições rápidas.

Em algumas aplicações, você pode conhecer apenas o tempo de subida de um sinal. Uma constante permite relacionar a largura de banda e o tempo de subida do osciloscópio, usando a equação:

Largura de Banda = K / Tempo de Subida

onde k é um valor entre 0,35 e 0,45, dependendo do formato da curva de resposta de frequência do osciloscópio e da resposta de tempo de subida do pulso. Osciloscópios com largura de banda <1 GHz normalmente possuem um valor de 0,35, enquanto osciloscópios com largura de banda >1 GHz geralmente têm um valor entre 0,40 e 0,45.

Família Lógica	Tempo de Subida Típico	Largura de Banda Calculada
TTL	2 ns	175 MHz
CMOS	1.5 ns	230 MHz
GTL	1 ns	350 MHz
LVDS	400 ps	875 MHz
ECL	100 ps	3.5 GHz
GaAs	40 ps	8.75 GHz

Algumas famílias lógicas produzem naturalmente tempos de subida mais rápidos do que outras, conforme ilustrado na Figura 47.

Taxa de Amostragem: Um Fator Essencial

A taxa de amostragem – especificada em amostras por segundo (amostras/s) – refere-se a quão frequentemente um osciloscópio digital captura uma imagem ou amostra do sinal, similar aos quadros de uma câmera de cinema. Quanto mais rápida for a amostragem do osciloscópio (ou seja, quanto maior a taxa de amostragem), maior será a resolução e os detalhes da forma de onda exibida, e menos provável será a perda de informações críticas ou eventos, como evidenciado na Figura 48. A taxa de amostragem mínima também pode ser importante se você precisar observar sinais de mudança lenta ao longo de períodos mais longos. Tipicamente, a taxa de amostragem exibida muda com as alterações feitas no controle da escala horizontal para manter um número constante de pontos da forma de onda no registro da forma de onda exibida.

Como Calcular suas Necessidades de Taxa de Amostragem?

O método difere com base no tipo de forma de onda que você está medindo e no método de reconstrução de sinal usado pelo osciloscópio. Para reconstruir um sinal com precisão e evitar o aliasing, o teorema de Nyquist afirma que o sinal deve ser amostrado pelo menos duas vezes mais rápido do que seu componente de frequência mais alta. No entanto, esse teorema assume um comprimento de registro infinito e um sinal contínuo. Como nenhum osciloscópio oferece um comprimento de registro infinito e, por definição, as falhas não são contínuas, amostrar apenas duas vezes a taxa do componente de frequência mais alta geralmente é insuficiente.

Na realidade, a reconstrução precisa de um sinal depende tanto da taxa de amostragem quanto do método de interpolação usado para preencher os espaços entre as amostras. Alguns osciloscópios permitem selecionar a interpolação sin(x)/x para medir sinais senoidais, ou interpolação linear para ondas quadradas, pulsos e outros tipos de sinal.

“Para uma reconstrução precisa usando a interpolação sin(x)/x, o seu osciloscópio deve ter uma taxa de amostragem de pelo menos 2,5 vezes o componente de frequência mais alta do seu sinal. Usando a interpolação linear, a taxa de amostragem deve ser pelo menos 10 vezes o componente de frequência mais alta do sinal.”

Alguns sistemas de medição com taxas de amostragem de até 10 GS/s e largura de banda de até 3+ GHz foram otimizados para capturar eventos muito rápidos, únicos e transitórios, realizando oversampling de até 5 vezes a largura de banda.

Taxa de Captura de Formas de Onda

Todos os osciloscópios piscam. Isso significa que eles abrem os seus “olhos” um determinado número de vezes por segundo para capturar o sinal e fecham os “olhos” no intervalo entre essas aberturas. Isso é conhecido como a taxa de captura de formas de onda, expressa em formas de onda por segundo (wfms/s). Enquanto a taxa de amostragem indica com que frequência o osciloscópio amostra o sinal de entrada dentro de uma única forma de onda ou ciclo, a taxa de captura de formas de onda se refere a quão rapidamente um osciloscópio adquire formas de onda.

As taxas de captura de formas de onda variam consideravelmente, dependendo do tipo e nível de desempenho do osciloscópio. Osciloscópios com altas taxas de captura de formas de onda fornecem uma visão visualmente mais detalhada do comportamento do sinal e aumentam significativamente a probabilidade de que o osciloscópio capture rapidamente anomalias transitórias, como jitter, pulsos de baixa amplitude, falhas e erros de transição.

Os osciloscópios de armazenamento digital (DSOs) utilizam uma arquitetura de processamento serial para capturar de 10 a 5.000 wfms/s. Alguns DSOs oferecem um modo especial que agrupa múltiplas capturas em memória longa, temporariamente entregando taxas de captura de formas de onda mais altas, seguidas por longos tempos de processamento inativos que reduzem a probabilidade de capturar eventos raros e intermitentes.

A maioria dos osciloscópios de fósforo digital (DPOs) utiliza uma arquitetura de processamento paralelo para oferecer taxas de captura de formas de onda vastamente maiores. Como visto na Figura 49, alguns DPOs podem adquirir milhões de formas de onda em apenas segundos, aumentando significativamente a probabilidade de capturar eventos intermitentes e esquivos, permitindo que você identifique problemas no sinal de forma mais rápida. Além disso, a capacidade do DPO de adquirir e exibir três dimensões do comportamento do sinal em tempo real – amplitude, tempo e distribuição de amplitude ao longo do tempo – resulta em um nível superior de compreensão do comportamento do sinal, conforme mostrado na Figura 50.

Comprimento do Registro

O comprimento do registro, expresso como o número de pontos que compõem um registro completo de uma forma de onda, determina a quantidade de dados que pode ser capturada com cada canal. Visto que um osciloscópio pode armazenar apenas um número limitado de amostras, a duração da forma de onda (tempo) será inversamente proporcional à taxa de amostragem do osciloscópio.

Intervalo de Tempo = Comprimento do Registro / Taxa de Amostragem

Os osciloscópios modernos permitem que você selecione o comprimento do registro para otimizar o nível de detalhe necessário para a sua aplicação. Se você estiver analisando um sinal senoidal extremamente estável, talvez seja necessário apenas um comprimento de registro de 500 pontos. No entanto, se estiver isolando as causas de anomalias de temporização em um fluxo de dados digitais complexo, talvez seja necessário um milhão de pontos ou mais para um determinado comprimento de registro, como demonstrado na Figura 51.

Capacidades de Disparo

A função de disparo de um osciloscópio sincroniza o varrimento horizontal no ponto correto do sinal, sendo essencial para uma caracterização clara do sinal. Os controles de disparo permitem que você estabilize formas de onda repetitivas e capture formas de onda únicas. Consulte a seção de Disparo em Termos e Considerações de Desempenho para mais informações sobre as capacidades de disparo.

Bits Efetivos

Bits efetivos representam uma medida da capacidade de um osciloscópio digital reconstruir com precisão a forma de um sinal senoidal. Essa medição compara o erro real do osciloscópio com o de um digitalizador teórico “ideal”. Como os erros reais incluem ruído e distorção, a frequência e a amplitude do sinal devem ser especificadas.

Resposta em Frequência

Apenas a largura de banda não é suficiente para garantir que um osciloscópio possa capturar com precisão um sinal de alta frequência. O objetivo do projeto do osciloscópio é uma resposta em frequência específica: Atraso de Envelope Máximo Plano (MFED, na sigla em inglês). Uma resposta em frequência desse tipo oferece uma excelente fidelidade de pulso com mínimo overshoot e ringing. Como um osciloscópio digital é composto por amplificadores reais, atenuadores, ADCs, interconexões e relés, a resposta MFED é um objetivo que só pode ser aproximado. A fidelidade de pulso varia consideravelmente com o modelo e o fabricante.

Sensibilidade Vertical

A sensibilidade vertical indica o quanto o amplificador vertical pode amplificar um sinal fraco – geralmente medido em milivolts (mV) por divisão. A menor tensão detectada por um osciloscópio de propósito geral é tipicamente cerca de 1 mV por divisão vertical da tela.

Velocidade de Varredura

A velocidade de varredura indica quão rápido o traço pode percorrer a tela do osciloscópio, permitindo que você veja detalhes finos. A velocidade de varredura de um osciloscópio é representada pelo tempo (segundos) por divisão.

Precisão de Ganho

A precisão de ganho indica quão precisamente o sistema vertical atenua ou amplifica um sinal, geralmente representado como um erro percentual.

Precisão Horizontal (Base de Tempo)

A precisão horizontal, ou base de tempo, indica quão precisamente o sistema horizontal exibe o timing de um sinal, geralmente representado como um erro percentual.

Resolução Vertical (Conversor Analógico-Digital)

A resolução vertical do ADC e, portanto, do osciloscópio digital, indica quão precisamente ele pode converter tensões de entrada em valores digitais. A resolução vertical é medida em bits. Técnicas de cálculo podem melhorar a resolução efetiva, como exemplificado no modo de aquisição hi-res.

Resolução de Temporização (MSO)

Uma especificação importante de aquisição de um osciloscópio de sinais mistos (MSO) é a resolução de temporização utilizada para capturar sinais digitais. Adquirir um sinal com melhor resolução de temporização proporciona uma medição de temporização mais precisa quando o sinal muda. Por exemplo, uma taxa de aquisição de 500 MS/s tem uma resolução de temporização de 2 ns, e a incerteza da borda do sinal adquirido é de 2 ns. Uma resolução de temporização menor de 60,6 ps (16,5 GS/s) reduz a incerteza da borda do sinal para 60,6 ps e captura sinais de mudança mais rápida. Alguns MSOs adquirem internamente sinais digitais com dois tipos de aquisições ao mesmo tempo. A primeira aquisição é com resolução de temporização padrão, e a segunda aquisição utiliza uma resolução de alta velocidade. A resolução padrão é usada em um comprimento de registro mais longo, enquanto a aquisição de temporização de alta velocidade oferece mais resolução em torno de um ponto de interesse estreito, como mostrado na Figura 52.

Conectividade

A necessidade de analisar os resultados das medições permanece de extrema importância. A necessidade de documentar e compartilhar informações e resultados de medições de maneira fácil e frequente também cresceu em importância. A conectividade de um osciloscópio proporciona capacidades avançadas de análise e simplifica a documentação e o compartilhamento de resultados. Como mostrado na Figura 53, interfaces padrão (GPIB, RS-232, USB, Ethernet) e módulos de comunicação em rede permitem que alguns osciloscópios ofereçam uma ampla gama de funcionalidades e controle.

Alguns osciloscópios avançados também permitem que você:

• Crie, edite e compartilhe documentos no osciloscópio enquanto trabalha com o instrumento em seu ambiente específico.
• Acesse recursos de impressão em rede e compartilhamento de arquivos.
• Acesse a área de trabalho do Windows®.
• Execute software de análise e documentação de terceiros.
• Conecte-se a redes.
• Acesse a Internet.
• Envie e receba e-mails.

Expansibilidade

Um osciloscópio deve ser capaz de acomodar suas necessidades conforme elas mudam. Alguns osciloscópios permitem que você:

• Aumentar a Memória dos Canais: Adicione memória aos canais para analisar registros mais longos, permitindo uma análise mais detalhada dos seus sinais.
• Capacidades de Medição Específicas para Aplicações: Adicione funcionalidades de medição específicas para a sua aplicação, obtendo insights mais profundos e precisos.
• Complementar com Sondas e Módulos: Potencialize o poder do seu osciloscópio com uma variedade de sondas e módulos que se encaixam nas suas necessidades.
• Software de Análise de Terceiros: Trabalhe com software de análise e produtividade de terceiros, compatíveis com o Windows, para expandir ainda mais as suas capacidades.
• Acessórios Personalizados: Adicione acessórios como baterias para portabilidade ou suportes para rack para uma configuração mais organizada.

Além disso, ao adicionar módulos de aplicação e software específicos, você pode transformar o seu osciloscópio em uma ferramenta de análise altamente especializada. Realize análises de jitter e temporização, verificação de sistemas de memória de microprocessadores, testes de padrões de comunicação, medições de unidades de disco, análise de vídeo, medições de energia e muito mais. As Figuras 54 a 59 destacam alguns exemplos dessas possibilidades incríveis.

Facilidade de Uso

Os osciloscópios devem ser fáceis de aprender e simples de usar, ajudando você a trabalhar com máxima eficiência e produtividade. Eles permitem que você se concentre no seu design, em vez das ferramentas de medição. Assim como não há um único perfil de motorista típico, não existe um usuário típico de osciloscópio único. Independentemente de você preferir uma interface tradicional de instrumento ou uma interface baseada em Windows®, é importante ter flexibilidade na operação do seu osciloscópio.

Muitos osciloscópios oferecem um equilíbrio entre desempenho e simplicidade, proporcionando ao usuário diversas maneiras de operar o instrumento. Uma disposição de painel frontal, como mostrado na Figura 60, oferece controles verticais, horizontais e de disparo dedicados. Uma interface gráfica rica em ícones, como ilustrado na Figura 61, ajuda você a compreender e usar intuitivamente as capacidades avançadas. Telas sensíveis ao toque resolvem problemas de bancadas e carrinhos desorganizados, oferecendo acesso a botões claros na tela, conforme visto na Figura 62. Ajuda online fornece um manual de referência integrado e conveniente. Controles intuitivos permitem que até mesmo os usuários ocasionais de osciloscópios se sintam tão à vontade ao operá-lo quanto ao dirigir um carro, enquanto oferecem aos usuários em tempo integral fácil acesso aos recursos mais avançados do osciloscópio. Além disso, muitos osciloscópios são portáteis, como aquele mostrado na Figura 63, tornando o instrumento eficiente em diversos ambientes operacionais – no laboratório ou no campo.

Operando o Osciloscópio

Esta seção descreve brevemente como configurar e começar a usar um osciloscópio – especificamente, como aterrar corretamente o osciloscópio e você mesmo, ajustar os controles do osciloscópio, calibrar o osciloscópio, conectar as sondas e compensar as sondas.

Aterramento Adequado

Aterrar o osciloscópio significa conectá-lo a um ponto de referência eletricamente neutro, como aterramento terrestre. Aterre o osciloscópio conectando seu cabo de alimentação de três pinos a uma tomada aterrada ao solo. Aterrar o osciloscópio é necessário para segurança. Se uma alta voltagem entrar em contato com a carcaça de um osciloscópio não aterrado – qualquer parte da carcaça, incluindo botões que parecem isolados – isso pode lhe dar um choque. No entanto, com um osciloscópio devidamente aterrado, a corrente percorre o caminho de aterramento até o solo, em vez de passar por você até o solo.

Aterramento também é necessário para fazer medições precisas com seu osciloscópio. O osciloscópio precisa compartilhar o mesmo aterramento que quaisquer circuitos que você esteja testando. Alguns osciloscópios não exigem conexão separada ao aterramento terrestre. Esses osciloscópios possuem carcaças e controles isolados, o que mantém qualquer risco de choque afastado do usuário.

Se você estiver trabalhando com circuitos integrados (CIs), você também precisa se aterrar. Circuitos integrados têm pequenos caminhos de condução que podem ser danificados por eletricidade estática que se acumula em seu corpo. Você pode danificar um CI caro simplesmente ao caminhar sobre um tapete ou tirar um suéter e depois tocar nos terminais do CI. Para resolver esse problema, use uma pulseira de aterramento, como mostrado na Figura 64. Essa pulseira envia com segurança as cargas estáticas do seu corpo para o aterramento terrestre.

Ajustando os Controles

Depois de conectar o osciloscópio, dê uma olhada no painel frontal. Como descrito anteriormente, o painel frontal é normalmente dividido em três seções principais rotuladas como vertical, horizontal e disparo. Seu osciloscópio pode ter outras seções, dependendo do modelo e tipo. Observe os conectores de entrada no seu osciloscópio – é aqui que você conecta as sondas. A maioria dos osciloscópios tem pelo menos dois canais de entrada e cada canal pode exibir uma forma de onda na tela. Canais múltiplos são úteis para comparar formas de onda. Como mencionado antes, os MSOs também têm entradas digitais.

Alguns osciloscópios possuem botões AUTOSET e/ou DEFAULT que podem configurar os controles em um passo para acomodar um sinal. Se o seu osciloscópio não tiver essa capacidade, é útil ajustar os controles para posições padrão antes de fazer medições.

Instruções gerais para configurar manualmente o osciloscópio em posições padrão são as seguintes:

• Configurar o osciloscópio para exibir o canal 1
• Configurar a escala e os controles de posição vertical em volts/divisão para posições intermediárias
• Desligar a divisão de volts variável
• Desligar todas as configurações de ampliação
• Configurar o acoplamento de entrada do canal 1 para DC
• Configurar o modo de disparo para automático
• Configurar a fonte de disparo para o canal 1
• Desligar o atraso do disparo ou configurá-lo para o mínimo
• Configurar a escala de tempo e os controles de posição horizontal em divisões de tempo para posições intermediárias
• Ajustar a escala de volts/divisão do canal 1 para que o sinal ocupe o máximo possível das 10 divisões verticais sem cortar ou distorcer o sinal.

Conectando as Sondas

Agora você está pronto para conectar uma sonda ao seu osciloscópio. Uma sonda, se bem combinada ao osciloscópio, permitirá que você tenha acesso a toda a potência e desempenho no osciloscópio e garantirá a integridade do sinal que você está medindo. Medir um sinal requer duas conexões: a conexão da ponta da sonda e a conexão de aterramento. As sondas frequentemente vêm com um acessório de presilha para aterrar a sonda ao circuito em teste. Na prática, você fixa a presilha de aterramento a um terra conhecido no circuito, como o chassi metálico de um produto que você está reparando, e toca a ponta da sonda em um ponto de teste no circuito.

Compensando as Sondas

Sondas de atenuação passiva de tensão devem ser compensadas para o osciloscópio. Antes de usar uma sonda passiva, você precisa compensá-la – ajustar suas propriedades elétricas para um determinado osciloscópio. Você deve adquirir o hábito de compensar a sonda toda vez que configurar seu osciloscópio. Uma sonda mal ajustada pode tornar suas medições menos precisas. A Figura 65 ilustra os efeitos de um sinal de teste de 1 MHz ao usar uma sonda que não está devidamente compensada.

A maioria dos osciloscópios possui um sinal de referência de onda quadrada disponível em um terminal no painel frontal usado para compensar a sonda. Instruções gerais para compensar a sonda são as seguintes:

• Conectar a sonda a um canal vertical
• Conectar a ponta da sonda à compensação da sonda, ou seja, ao sinal de referência de onda quadrada
• Prender o clipe de aterramento da sonda ao terra
• Visualizar o sinal de referência de onda quadrada
• Fazer os ajustes adequados na sonda para que os cantos da onda quadrada fiquem retos

Ao compensar a sonda, sempre prenda as pontas de acessório que você usará e conecte a sonda ao canal vertical que você planeja usar. Isso garantirá que o osciloscópio tenha as mesmas propriedades elétricas quando você faz medições.

Técnicas de Medição com o Osciloscópio

Esta seção revisa técnicas básicas de medição. As duas medições mais básicas que você pode fazer são medições de tensão e de tempo. Praticamente todas as outras medições se baseiam em uma destas duas técnicas fundamentais. Esta seção discute métodos para fazer medições visualmente na tela do osciloscópio. Essa é uma técnica comum com instrumentos analógicos e também pode ser útil para interpretação rápida das exibições de osciloscópios digitais. Note que a maioria dos osciloscópios digitais inclui ferramentas de medição automatizadas que simplificam e aceleram tarefas de análise comuns, melhorando assim a confiabilidade e a precisão de suas medições. No entanto, saber como fazer medições manualmente, conforme descrito aqui, ajudará você a entender e verificar as medições automáticas.

Medições de Tensão

A tensão é a quantidade de potencial elétrico, expressa em volts, entre dois pontos em um circuito. Geralmente, um destes pontos é o terra (zero volts), mas nem sempre. Tensões também podem ser medidas de pico a pico – do ponto máximo de um sinal até o seu ponto mínimo. Você deve tomar cuidado para especificar qual tensão você está se referindo.

O osciloscópio é primariamente um dispositivo de medição de tensão. Uma vez que você tenha medido a tensão, outras quantidades estão a apenas um cálculo de distância. Por exemplo, a Lei de Ohm afirma que a tensão entre dois pontos em um circuito é igual à corrente multiplicada pela resistência. A partir de qualquer duas dessas quantidades, você pode calcular a terceira usando a seguinte fórmula:

Tensão = Corrente x Resistência

Corrente = Tensão / Resistência

Resistência = Tensão / Corrente

Outra fórmula útil é a lei da potência, que afirma que a potência de um sinal de corrente contínua (DC) é igual à tensão multiplicada pela corrente. Os cálculos são mais complicados para sinais de corrente alternada (AC), mas o ponto aqui é que medir a tensão é o primeiro passo para calcular outras quantidades. A Figura 66 mostra a tensão de um pico (Vp) e a tensão de pico a pico (Vp–p).

O método mais básico para fazer medições de tensão é contar o número de divisões que uma forma de onda abrange na escala vertical do osciloscópio. Ajustar o sinal para cobrir a maior parte da tela verticalmente proporciona as melhores medições de tensão, como mostrado na Figura 67. Quanto mais área de exibição você usar, mais precisamente poderá ler a medição.

Muitos osciloscópios possuem cursores que permitem fazer medições de formas de onda automaticamente, sem a necessidade de contar marcas de graticule. Um cursor é simplesmente uma linha que você pode mover pela tela. Duas linhas de cursor horizontais podem ser movidas para cima e para baixo para delimitar a amplitude de uma forma de onda para medições de tensão, e duas linhas verticais se movem para a direita e para a esquerda para medições de tempo. Uma leitura mostra a tensão ou o tempo em suas posições.

Medições de Tempo e Frequência

É possível realizar medições de tempo usando a escala horizontal do osciloscópio. As medições de tempo incluem a mensuração do período e da largura dos pulsos. A frequência é o inverso do período, então uma vez que o período é conhecido, a frequência é calculada como um dividido pelo período. Assim como nas medições de tensão, as medições de tempo são mais precisas quando a parte do sinal a ser medida é ajustada para cobrir uma grande área da tela, conforme ilustrado na Figura 68.

Medições de Largura de Pulso e Tempo de Subida

Em muitas aplicações, os detalhes da forma de um pulso são cruciais. Pulsos podem distorcer-se e causar mau funcionamento em circuitos digitais, e a temporização de pulsos em um trem de pulsos frequentemente tem significância. As medições padrão de pulsos incluem o tempo de subida e a largura do pulso. O tempo de subida é o intervalo de tempo que um pulso leva para ir de uma tensão baixa para alta. Por convenção, o tempo de subida é medido de 10% a 90% da tensão total do pulso. Isso elimina irregularidades nas transições do pulso.

A largura do pulso é o intervalo de tempo que o pulso leva para ir de baixo para alto e retornar a baixo novamente. Por convenção, a largura do pulso é medida a 50% da tensão total. A Figura 69 ilustra esses pontos de medição. Medições de pulsos frequentemente requerem ajustes finos no acionamento. Para se tornar um especialista na captura de pulsos, é importante aprender a usar a função “trigger holdoff” e configurar o osciloscópio digital para capturar dados pré-disparo, conforme descrito na seção Sistemas e Controles de um Osciloscópio. A ampliação horizontal é outra característica útil para medir pulsos, pois permite visualizar detalhes precisos de um pulso rápido.

Medições de Deslocamento de Fase

Um método para medir o deslocamento de fase – a diferença de tempo entre dois sinais periódicos de outra forma idênticos – é usar o modo XY. Essa técnica de medição envolve inserir um sinal no sistema vertical como de costume e, em seguida, outro sinal no sistema horizontal – chamado de medição XY porque tanto o eixo X quanto o eixo Y estão traçando tensões. A forma de onda resultante desse arranjo é chamada de padrão Lissajous (nomeado em homenagem ao físico francês Jules Antoine Lissajous e pronunciado LEE–sa–zhoo). A partir da forma do padrão de Lissajous, você pode determinar a diferença de fase entre os dois sinais. Você também pode determinar a razão de suas frequências. A Figura 70 mostra padrões de Lissajous para várias razões de frequência e deslocamentos de fase.

A técnica de medição XY teve origem nos osciloscópios analógicos. Osciloscópios digitais (DSOs) podem ter dificuldade em criar exibições XY em tempo real. Alguns DSOs criam uma imagem XY acumulando pontos de dados acionados ao longo do tempo e depois exibindo dois canais como uma exibição XY.

Por outro lado, osciloscópios digitais com desempenho aprimorado (DPOs) são capazes de adquirir e exibir uma imagem genuína no modo XY em tempo real, usando um fluxo contínuo de dados digitalizados. DPOs também podem exibir uma imagem XYZ com áreas intensificadas. Ao contrário das exibições XY em DSOs e DPOs, essas exibições em osciloscópios analógicos geralmente são limitadas a algumas megahertz de largura de banda.

Outras Técnicas de Medição

Esta seção abordou técnicas básicas de medição. Outras técnicas de medição envolvem a configuração do osciloscópio para testar componentes elétricos em uma linha de montagem, capturar sinais transitórios evasivos e muitas outras. As técnicas de medição que você utilizará dependerão da sua aplicação, mas você já aprendeu o suficiente para começar. Pratique o uso do seu osciloscópio e leia mais sobre o assunto. Em breve, operá-lo se tornará algo natural para você.