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Como usar um osciloscópio

Aprenda a usar um osciloscópio: visualize sinais elétricos, diagnostique circuitos e melhore suas habilidades em eletrônica.

Você já se viu solucionando problemas de um circuito, precisando de mais informações do que um multímetro simples pode fornecer? Se você precisar descobrir informações como frequência, ruído, amplitude ou qualquer outra característica que possa mudar com o tempo, precisará de um osciloscópio.

O osciloscópio é uma ferramenta importante em qualquer laboratório de engenharia elétrica/eletrônica. Eles permitem que você veja sinais elétricos à medida que variam ao longo do tempo, o que pode ser crítico para diagnosticar por que o circuito do temporizador 555 não está piscando corretamente ou por que o gerador de ruído não está atingindo os níveis máximos.

Este tutorial tem como objetivo apresentar os conceitos, terminologia e sistemas de controle dos osciloscópios. Usaremos o Gratten GA1102CAL, um osciloscópio digital de nível médio e útil, como base para a discussão do osciloscópio. Outros osciloscópios podem parecer diferentes, mas todos devem compartilhar um conjunto semelhante de mecanismos de controle e interface.

Noções básicas

O principal objetivo de um osciloscópio é representar graficamente um sinal elétrico, pois ele varia ao longo do tempo. A maioria dos osciloscópios produzem um gráfico bidimensional com o tempo no eixo x e a tensão no eixo y.

tela ociloscopio grafico tempo tensao

Os controles ao redor da tela do osciloscópio permitem ajustar a escala do gráfico, vertical e horizontalmente, o que permite aumentar e diminuir o zoom em um sinal. Além disso, existem controles para acionar o osciloscópio, os quais ajudam a focar e estabilizar a exibição.

O que os osciloscópios podem medir

Além desses recursos fundamentais, muitos osciloscópios possuem ferramentas de medição, além disso, que ajudam a quantificar rapidamente a frequência, a amplitude e outras características da forma de onda. Por exemplo, em geral, um osciloscópio pode medir características baseadas no tempo e na tensão.

Características de temporização

Frequência e período – A frequência é definida como o número de vezes por segundo que uma forma de onda se repete. E o período é o inverso disso, ou seja, número de segundos que cada forma de onda repetida leva. A frequência máxima que um osciloscópio pode medir varia, mas geralmente está na faixa de 100’s de MHz (1E6 Hz).

Ciclo de trabalho – A porcentagem de um período em que uma onda é positiva ou negativa, há ciclos de trabalho positivos e negativos. O ciclo de serviço é uma proporção que indica quanto tempo um sinal está “ligado” versus quanto tempo está “desligado” a cada período.

Tempo de subida e descida – Os sinais não podem instantaneamente passar de 0V a 5V, eles precisam subir suavemente. Chamamos de tempo de subida a duração de uma onda que vai de um ponto baixo a um ponto alto, e o tempo de queda mede o contrário. Essas características são importantes quando se considera a rapidez com que um circuito pode responder aos sinais.

Características de tensão

Amplitude – Amplitude é uma medida da magnitude de um sinal. Há várias medidas de amplitude, incluindo amplitude pico a pico, que mede a diferença absoluta entre um ponto de alta e baixa tensão de um sinal. A amplitude de pico, por outro lado, mede apenas quão alto ou baixo um sinal ultrapassa 0V.

Tensões máximas e mínimas – O osciloscópio pode dizer exatamente o quão alta e baixa a tensão do seu sinal fica.

Tensões média – Os osciloscópios podem calcular a média total ou média do seu sinal e também informar a média da tensão mínima e máxima do seu sinal.

Quando usar um osciloscópio

O osciloscópio é útil em diversas situações de solução de problemas e pesquisa, incluindo a determinação da frequência e amplitude de um sinal, o que pode ser crítico na depuração de entrada, saída ou sistemas internos de um circuito, permitindo identificar se um componente está com defeito. Ele também ajuda a identificar quanto ruído há no circuito e a determinar a forma de uma onda, seja ela senoidal, quadrada, triangular, dente de serra, ou complexa. Além disso, o osciloscópio é essencial para quantificar as diferenças de fase entre dois sinais diferentes.

Especificações principais do osciloscópio

Alguns osciloscópios são melhores que outros. Essas características ajudam a definir o quão bem você pode esperar que um osciloscópio execute.

Largura de banda – Os osciloscópios são mais comumente usados para medir formas de onda que possuem uma frequência definida. No entanto, nenhum osciloscópio é perfeito, todos eles têm limites de quão rápido eles podem ver um sinal mudar. A largura de banda de um osciloscópio especifica o intervalo de frequências que ele pode medir com segurança.

Digital vs Analógico

Digital vs. Analógico – Como na maioria das coisas eletrônicas, os osciloscópios podem ser analógicos ou digitais. Os osciloscópios analógicos usam um feixe de elétrons para mapear diretamente a tensão de entrada para um monitor. Os osciloscópios digitais incorporam microcontroladores, que coletam o sinal de entrada com um conversor analógico-digital e mapeiam essa leitura para o display. Geralmente, os osciloscópios analógicos são mais antigos, possuem menor largura de banda e menos recursos, mas podem ter uma resposta mais rápida.

Quantidade do canal – Muitos osciloscópios podem ler mais de um sinal de cada vez, exibindo todos na tela simultaneamente. Cada sinal lido por um osciloscópio é alimentado em um canal separado. Osciloscópios de dois a quatro canais são muito comuns.

Taxa de amostragem – essa característica é exclusiva dos osciloscópios digitais, define quantas vezes por segundo um sinal é lido. Para osciloscópios que possuem mais de um canal, esse valor pode diminuir se vários canais estiverem em uso.

Tempo de subida

Tempo de subida – O tempo de subida especificado de um osciloscópio define o pulso de subida mais rápida que ele pode medir. O tempo de subida de um osciloscópio está intimamente relacionado à largura de banda. Pode ser calculado como Tempo de Subida = 0.35/ Largura de banda.

Tensão máxima de entrada – Todas as peças eletrônicas têm seus limites quando se trata de alta tensão. Todos os osciloscópios devem ser classificados com uma tensão de entrada máxima. Se o seu sinal exceder essa tensão, há uma boa chance de o osciloscópio ser danificado.

Resolução – A resolução de um osciloscópio representa com que precisão é possível medir a tensão de entrada. Este valor pode mudar à medida que a escala vertical é ajustada.

Sensibilidade vertical – esse valor representa os valores mínimo e máximo da sua escala vertical de tensão. Este valor está listado em volts por div.

Base de tempo – A base de tempo geralmente indica a faixa de sensibilidades no eixo horizontal do tempo. Este valor é listado em segundos por div.

Impedância de entrada – Quando as frequências do sinal ficam muito altas, mesmo uma pequena impedância (resistência, capacitância ou indutância) adicionada a um circuito pode afetar o sinal. Todo osciloscópio adiciona uma certa impedância ao circuito que está lendo, chamada impedância de entrada. As impedâncias de entrada geralmente são representadas como uma grande impedância resistiva (> 1 MΩ) em paralelo (||) com uma pequena capacitância (na faixa de pF). O impacto da impedância de entrada é mais aparente ao medir sinais de frequência muito alta, e a sonda usada pode ter que ajudar a compensá-la. Usando o GA1102CAL como exemplo, aqui estão as especificações que você pode esperar de um osciloscópio intermediário.

caracteristicas osciloscopio intermediario  GA1102CAL

Anatomia de um osciloscópio

Embora nenhum osciloscópio seja exatamente igual ao outro, todos devem compartilhar algumas semelhanças que os fazem funcionar da mesma maneira. Nesta seção, discutiremos alguns dos sistemas mais comuns de um osciloscópio, a tela, horizontal, vertical, trigger e entradas.

A tela

Um osciloscópio não serve para nada, a menos que possa exibir as informações que você está tentando testar, o que torna a tela uma das seções mais importantes do osciloscópio.

tela ociloscopio grafico

Cada exibição do osciloscópio deve ser cruzada com linhas horizontais e verticais chamadas divisões. A escala dessas divisões é modificada com os sistemas horizontal e vertical. O sistema vertical é medido em “volts por divisão” e a horizontal é “segundos por divisão”. Geralmente, os osciloscópios apresentam cerca de 8 a 10 divisões verticais (tensão) e 10 a 14 divisões horizontais (segundos).

Os osciloscópios mais antigos, especialmente os da variedade analógica, geralmente apresentam uma exibição monocromática simples, embora a intensidade da onda possa variar. Os osciloscópios mais modernos apresentam telas de LCD multicoloridas, que são uma grande ajuda para mostrar mais de uma forma de onda por vez.

Muitas exibições do osciloscópio estão situadas ao lado de um conjunto de cinco botões, na lateral ou abaixo da tela. Esses botões podem ser usados para navegar nos menus e controlar as configurações do osciloscópio.

Sistema Vertical

A seção vertical do osciloscópio controla a escala de tensão no visor. Tradicionalmente, existem dois botões nesta seção, que permitem controlar individualmente a posição vertical e volts / div.

ociloscopio sistema vertical

O botão volts por divisão permite definir a escala vertical na tela. Girar o botão no sentido horário diminuirá a escala e no sentido anti-horário aumentará. Uma escala menor, menos volts por divisão na tela significa que você está mais “ampliado” para a forma de onda.

A exibição no GA1102, por exemplo, possui 8 divisões verticais e o botão volts/div pode selecionar uma escala entre 2mV/div e 5V/div. Assim, com zoom de até 2mV / div, a tela pode mostrar formas de onda de 16mV de cima para baixo. Totalmente diminuído, o osciloscópio pode mostrar uma forma de onda que varia acima de 40V. (A análise, como discutiremos a seguir, pode aumentar ainda mais esse intervalo.)

O botão de posição controla o deslocamento vertical da forma de onda na tela. Gire o botão no sentido horário, e a onda se moverá para baixo; no sentido anti-horário, subirá no visor. Você pode usar o botão de posição para deslocar parte da forma de onda da tela.

zoom osciloscopio onda

Usando os botões de posição e volts/div em conjunto, você pode ampliar apenas uma pequena parte da forma de onda que mais lhe interessa. Se você tivesse uma onda quadrada de 5V, mas apenas se importasse com o quanto ela tocava nas bordas, você poderia ampliar a borda ascendente usando os dois botões.

Sistema Horizontal

A seção horizontal do osciloscópio controla a escala de tempo na tela. Como o sistema vertical, o controle horizontal oferece dois botões, posição e segundos/div.

ociloscopio sistema horizontal

O botão de segundos por divisão (s/div) gira para aumentar ou diminuir a escala horizontal. Assim, se você girar o botão s/div no sentido horário, o número de segundos que cada divisão representa diminuirá, então você aumentará o zoom na escala de tempo. Por outro lado, gire no sentido anti-horário para aumentar a escala de tempo e mostrar uma quantidade maior de tempo na tela.

Usando o GA1102 como exemplo novamente, a tela possui 14 divisões horizontais e pode mostrar em qualquer lugar entre 2nS e 50s por divisão. Além disso, com o zoom ampliado na escala horizontal, o osciloscópio pode mostrar 28nS de uma forma de onda, enquanto com o zoom diminuído pode mostrar um sinal à medida que muda ao longo de 700 segundos.

O botão de posição pode mover sua forma de onda para a direita ou esquerda da tela, ajustando o deslocamento horizontal. Por meio do sistema horizontal, você pode ajustar quantos períodos de uma forma de onda você deseja ver. Além disso, você pode diminuir o zoom e mostrar vários picos e vales de um sinal.

pico vale sinal ociloscopio

Ou você pode ampliar o zoom e usar o botão de posição para mostrar apenas uma pequena parte de uma onda, conforme a figura abaixo.

zoom osciloscopio onda

Sistema de trigger (Trigger)

A seção de disparo estabiliza e foca o osciloscópio. Enquanto isso, o trigger informa ao osciloscópio quais partes do sinal deve “ativar” e começar a medir. Assim, se a sua forma de onda for periódica, você pode manipular o trigger para manter a exibição estática e inabalável. Caso contrário, uma onda mal acionada produzirá ondas de varredura como esta abaixo.

A seção do trigger de um osciloscópio geralmente compõe-se de um botão de nível e um conjunto de botões para selecionar a fonte e o tipo do trigger. Assim, você pode torcer o botão de nível para definir um trigger para um ponto de tensão específico.

botao trigger

Principal objetivo do Trigger

Uma série de botões e menus na tela compõem o restante do sistema de trigger. Seu principal objetivo é selecionar a fonte e o modo do acionador. Há uma variedade de tipos de trigger, que manipulam como o trigger é ativado:

• Um trigger de borda é a forma mais básica do trigger. Ele acionará o osciloscópio para iniciar a medição quando a tensão do sinal ultrapassar um determinado nível. Um trigger de borda pode ser configurado para capturar uma borda crescente ou decrescente (ou ambas).
• Um trigger de pulso informa ao osciloscópio para digitar um “pulso” de tensão especificado. Você pode especificar a duração e a direção do pulso. Por exemplo, pode ser um pequeno toque de 0V -> 5V -> 0V, ou pode ser segundos de 5V a 0V, de volta a 5V.
• Um acionador de inclinação pode ser definido para acionar o osciloscópio em uma inclinação positiva ou negativa durante um período de tempo especificado.
• Existem triggers mais complicados para se concentrar em formas de onda padronizadas que transportam dados de vídeo, como NTSC ou PAL. Essas ondas usam um padrão de sincronização exclusivo no início de cada quadro.

Em geral, você também pode selecionar um modo de disparo, que, na verdade, informa ao osciloscópio o quão forte você se sente em relação ao seu disparo. No modo de disparo automático, o osciloscópio tenta desenhar sua forma de onda, mesmo que não seja acionado. O modo normal só atrai sua onda se vir o trigger especificado. E o modo único procura seu trigger especificado, quando vê, ele atrai sua onda e depois para.

As sondas

Um osciloscópio só é bom se você puder conectá-lo a um sinal e, para isso, precisar de sondas. Além disso, as sondas são dispositivos de entrada única que direcionam um sinal do seu circuito para o osciloscópio. Assim, eles têm uma ponta afiada que detecta um ponto no seu circuito. Por exemplo, você pode equipar a ponta com ganchos, pinças ou clipes para facilitar a trava no circuito. Além disso, cada sonda também inclui um clipe de aterramento, que você deve fixar com segurança a um ponto de aterramento comum no circuito em teste.

sondas osciloscopio

Embora as sondas possam parecer dispositivos simples que simplesmente se prendem ao seu circuito e transmite um sinal para o osciloscópio, na verdade há muito o que fazer no design e na seleção da sonda. Idealmente, o que uma sonda precisa ser é invisível, ou seja, ela não deve afetar o sinal em teste. Infelizmente, todos os fios longos têm indutância intrínseca, capacitância e resistência, portanto, não importa o que aconteça, eles afetam as leituras do osciloscópio, especialmente em altas frequências.

Existem diversas sondas

Há uma variedade de tipos de sonda por aí, no entanto, o mais comum deles é o passivo, incluído na maioria dos osciloscópios. Além disso, a maioria das sondas passivas é atenuada. Por exemplo, as sondas atenuantes têm uma grande resistência intencionalmente embutida e desviada por um pequeno capacitor, o que ajuda a minimizar o efeito que um cabo longo pode ter ao carregar seu circuito.

Quando colocada em série com a impedância de entrada de um osciloscópio, essa sonda atenuada criará um divisor de tensão entre o sinal e a entrada do osciloscópio.

esquema cabo osciloscopio sonda

A maioria das sondas possui um resistor de 9MΩ para atenuar, que, quando combinado com uma impedância de entrada padrão de 1MΩ em um osciloscópio, cria um divisor de tensão de 1/10. Essas sondas são comumente chamadas de sondas atenuadas 10X. Muitas sondas incluem uma opção para selecionar entre 10X e 1X (sem atenuação).

sonda atenuacao ociloscopio

As sondas atenuadas são ótimas para melhorar a precisão em altas frequências, mas também reduzem a amplitude do seu sinal. Se você estiver tentando medir um sinal de voltagem muito baixa, talvez seja necessário usar uma sonda 1X. Você também pode precisar selecionar uma configuração no seu osciloscópio para dizer que está usando uma sonda atenuada, embora muitos osciloscópios possam detectar isso automaticamente.

Além da sonda passiva atenuada, há uma variedade de outras sondas por aí. As sondas ativas utilizam energia, requerendo uma fonte de alimentação separada para amplificar ou pré-processar o sinal antes de enviá-lo ao osciloscópio. Enquanto a maioria das sondas mede a tensão, algumas são projetadas para medir a corrente CA ou CC. As sondas de corrente são únicas porque geralmente prendem ao redor de um fio, nunca fazendo contato com o circuito.

Usando um osciloscópio

A infinita variedade de sinais disponíveis significa que você nunca operará um osciloscópio da mesma maneira duas vezes. Mas existem algumas etapas nas quais você pode executar sempre que testar um circuito. Nesta seção, mostraremos um exemplo de sinal e as etapas necessárias para medi-lo.

Seleção e configuração da sonda

Primeiro, você precisará selecionar uma sonda. Para a maioria dos sinais, a simples sonda passiva incluída no seu osciloscópio funcionará perfeitamente. Em seguida, antes de conectá-lo ao seu osciloscópio, defina a atenuação na sua sonda. 10X, o fator de atenuação mais comum. Se você está tentando medir um sinal de voltagem muito baixa, pode ser necessário usar 1X.

Conecte a sonda e ligue o osciloscópio

Conecte sua sonda ao primeiro canal do seu osciloscópio e ligue-o. Entretanto, tenha um pouco de paciência aqui, alguns osciloscópios levam tanto tempo para inicializar quanto um PC antigo. Ao inicializar o osciloscópio, verá as divisões, a escala e uma linha plana com ruídos de uma forma de onda.

osciloscopio ligado testando

A tela também deve mostrar valores previamente definidos para tempo e volts por div. Ignorando essas escalas por enquanto, faça esses ajustes para colocar seu osciloscópio em uma configuração padrão:

Ligue o canal 1 e o canal 2, e defina o canal 1 como acoplamento CC. Em seguida, configure a fonte de disparo para o canal 1, sem utilizar fontes externas ou disparos de canal alternativo. Ajuste o tipo de trigger para a borda ascendente e selecione o modo de trigger automático, em vez do modo único. Por fim, verifique se a atenuação da sonda do osciloscópio no seu osciloscópio corresponde à configuração da sonda, como 1X ou 10X.

Para obter ajuda sobre esses ajustes, consulte o manual do usuário do seu osciloscópio (como exemplo, aqui está o manual do GA1102CAL).

Testando a sonda

Vamos conectar esse canal a um sinal significativo. Para isso, a maioria dos osciloscópios possui um gerador de frequência interno que emite uma onda confiável de frequência definida. No entanto, no GA1102CAL há uma saída de onda quadrada de 1kHz na parte inferior direita do painel frontal. Além disso, a saída do gerador de frequência possui dois condutores separados, um para o sinal e outro para o terra. Assim, conecte o clipe de aterramento da sua sonda ao terra e a ponta da sonda à saída do sinal.

testando sonda osciloscopio

Assim que você conectar as duas partes da sonda, você verá um sinal começar a se mexer pela tela. Tente mexer nos botões do sistema horizontal e vertical para manobrar a forma de onda pela tela. Girar os botões da balança no sentido horário “aumentará o zoom” na sua forma de onda e o anti-horário diminuirá o zoom. Você também pode usar o botão de posição para localizar ainda mais sua forma de onda.

Se sua onda ainda estiver instável, então tente girar o botão da posição do trigger. Além disso, verifique se o trigger não é mais alto que o pico mais alto da sua forma de onda. Por padrão, defina o tipo de trigger como edge, o que geralmente é uma boa opção para ondas quadradas como essa. Assim, tente mexer com esses botões o suficiente para exibir um único período de sua onda na tela.

unico periodo onda quadrada teste osciloscopio

Ou tente diminuir o zoom na escala de tempo para mostrar dezenas de quadrados.

Compensando uma sonda atenuada

Se sua sonda estiver definida como 10X e você não tiver uma forma de onda perfeitamente quadrada, como mostrado acima, então talvez seja necessário compensar sua sonda. Além disso, a maioria das sondas possui uma cabeça de parafuso embutida, assim, que você pode girar para ajustar a capacitância de derivação da sonda.

ajuste compensação sonda

Tente usar uma chave de fenda pequena para girar esse aparador e veja o que acontece com a forma de onda.

Ajuste a tampa de corte na alça da sonda até obter uma onda quadrada com arestas retas. Você precisa fazer a compensação apenas se a sua sonda estiver atenuada, por exemplo, 10X. Isso é essencial, especialmente se você não souber quem usou seu osciloscópio pela última vez.

Dicas de análise, disparo e dimensionamento

Depois de compensar sua sonda, é hora de medir um sinal real. A primeira chave para investigar um sinal é encontrar um ponto de aterramento sólido e confiável. Coloque o grampo de aterramento em um terra conhecido, às vezes, talvez seja necessário usar um pequeno fio para intermediar entre o grampo de aterramento e o ponto de aterramento do circuito. Em seguida, conecte a ponta da sonda ao sinal em teste. As pontas de prova existem em vários fatores de forma, o clipe de mola, ponta fina, ganchos etc. Tente encontrar um que não exija que você o mantenha no lugar o tempo todo.

Uma vez que seu sinal esteja na tela, você pode começar ajustando as escalas horizontal e vertical em pelo menos a “estimativa” do seu sinal. Quando você estiver testando uma onda quadrada de 5V a 1kHz, provavelmente desejará os volts/div em torno de 0,5-1V e defina os segundos/div em cerca de 100µs, 14 divisões mostrariam períodos de um ano e meio. Se parte da sua onda estiver subindo ou descendo da tela, você poderá ajustar a posição vertical para movê-la para cima ou para baixo. Se o seu sinal for puramente CC, convém ajustar o nível de 0V na parte inferior da tela.

Resultado dos testes

Depois de ter estacionado a balança, sua forma de onda pode precisar de algum disparo. Nesse momento, o disparo de borda, portanto, onde o osciloscópio tenta iniciar sua varredura quando vê o aumento (ou queda) de tensão além de um ponto definido, é o tipo mais fácil de usar.

Para isso, usando um trigger de borda, então tente definir o nível do trigger para um ponto em sua forma de onda que só vê uma borda crescente uma vez por período. Agora, basta escalar, posicionar, disparar e repetir até que você esteja olhando exatamente o que precisa.

Meça duas vezes, corte uma vez

Com um sinal no osciloscópio, disparo e escala, é hora de medir transitórios, períodos e outras propriedades da forma de onda. Alguns osciloscópios têm mais ferramentas de medição do que outros, mas todos eles têm pelo menos divisões, das quais é possível estimar pelo menos a amplitude e a frequência.

Muitos osciloscópios suportam uma variedade de ferramentas de medição automática, além disso, eles podem até exibir constantemente as informações mais relevantes, como a frequência. Para isso, para tirar o máximo proveito do seu osciloscópio, você deve explorar todas as funções de medida que ele suporta. É importante destacar que a maioria dos osciloscópios calculará automaticamente a frequência, a amplitude, o ciclo de trabalho, a tensão média e uma variedade de outras características das ondas.

valores onda osciloscópio

Depois de medir a quantidade que estava procurando, você pode começar a fazer ajustes no seu circuito e medir um pouco mais. Alguns osciloscópios também oferecem suporte para salvar, imprimir ou armazenar uma forma de onda, para que você possa recuperá-la e se lembrar daqueles bons e velhos tempos em que definiu o osciloscópio desse sinal. Para saber mais sobre o que seu osciloscópio pode fazer, consulte o manual do usuário.

Conclusão

Agora que você está por dentro do osciloscópio, então, que circuito você vai depurar? Se precisa de alguma inspiração, temos uma seção inteira de projetos aqui no site do Prototipando. Assim, comece a desenvolver os seus projetos hoje mesmo. E se ficou alguma dúvida ou possui alguma sugestão quanto a esse tutorial, não hesite em deixar um comentário abaixo.

Iuri Medeiros
Iuri Medeiroshttps://grupoexperts.com.br/
CEO apaixonado por negócios e visionário, lidera a GEX com uma abordagem inovadora. Sua ética de trabalho incansável e compromisso com a excelência transcendem os números, refletindo-se na cultura corporativa que valoriza inovação e responsabilidade social.
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