10 itens mais importantes para escolher um Osciloscópio

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Os osciloscópios digitais são ferramentas indispensáveis para os processos de desenvolvimento, fabricação e manutenção de sistemas eletrônicos. Para atender as exigências de medições cada vez mais precisas e rápidas, o osciloscópio digital aprimora o olhar técnico sobre análises de sistemas eletrônicos nas mais diversas aplicações.

A utilização dos osciloscópios digitais não se limita apenas ao mundo da eletrônica. Utilizando sensores adequados, um osciloscópio é capaz de medir todos os tipos de fenômenos. O sensor quando estimulado, gera sinais elétricos. A partir deste princípio, é possível mensurar fenômenos físicos como ondas sonoras, luz, calor, pressão, entre outros.

 

Figura 01
Figura 01: Osciloscópios Tektronix TBS1052B 50MHz (esq.) e Minipa MVB-DSO 50MHz (dir.).

 

Osciloscópios digitais podem ser utilizados em praticamente todas as áreas e por qualquer um, desde físicos até técnicos de manutenção. Um engenheiro automotivo pode correlacionar dados analógicos de sensores com os dados enviados pelo módulo de injeção eletrônica, um médico pesquisador pode realizar medições de ondas cerebrais com o auxilio de um osciloscópio digital. O leque de possibilidades de utilização de um osciloscópio é ilimitado.

Confira abaixo os 10 principais parâmetros dos osciloscópios que podem variar entre os diversos modelos disponíveis e descubra qual atenderá melhor suas necessidades.

1 – Largura de banda (Bandwidth)

A Largura de banda é definida como a faixa de frequência de um sinal de entrada que o osciloscópio pode analisar. A análise de um sinal necessita da utilização de um equipamento com capacidade de análise de uma frequência de no mínimo duas vezes maior, porém é recomendado que o equipamento possua capacidade de análise mínima entre 3 e 5 vezes maior do que o sistema que será analisado.

Figura 02: Exemplificação visual de sinais senoidais nas frequências de 5 Hz (Vermelho) e 0,7 Hz (Azul) dentro de um intervalo de 5 segundos.

Quanto maior a diferença entre a sensibilidade do equipamento e a frequência dos sinais, mais completa será sua captação de informações sobre as características do sinal.

2 – Taxa de amostragem (Sample Rate)

A taxa de amostragem de um osciloscópio determina a quantidade de informações que podem ser adquiridas de um sinal em um intervalo de tempo. Quanto maior a quantidade de informações (pontos) adquiridos, mais preciso será o gráfico gerado pelo osciloscópio.

Figura 03: Representações gráficas de onda senoidal de 1 Hz traçadas com 5 e 50 pontos respectivamente.

No entanto, a combinação de taxa de amostragem e largura de banda precisa estar no mínimo com a proporção 3:1, possibilitando assim uma captação de dados e representação gráfica mais próxima possível do sinal analisado.

3 – Modos de amostragem (Sample Mode)

As análises dos osciloscópios podem ser feitas baseadas nos seguintes modos de amostragem: Amostragem em Tempo Real (Real Time Sampling – RTS) ou Amostragem em Tempo Equivalente (Elapsed Time Sampling – ETS).

Amostragem em tempo real: A amostragem e processamento inicial dos sinais em diversos formatos de ondas é feita a partir de conversores analógicos digitais (ADC). Neste modo de amostragem, cada disparo que o osciloscópio realiza para analisar o sinal, ele captura informações do espectro do sinal naquele exato instante de acordo com a taxa de amostragem e as configurações de zoom de observação da largura de banda (espaçamento das amostras) estabelecidas pelo usuário. As informações coletadas neste disparo serão processadas em forma de pontos (quantidade definida pela relação de taxa de amostragem e largura de banda), para que seja traçado um gráfico representativo da forma mais fiel possível.

Figura 04: Representação gráfica da conversão de dados de um sinal senoidal para definição de pontos de amostragem em tempo real.

Amostragem em tempo equivalente: Este processo de obtenção de amostras requer definições explicitas de quando deverá ocorrer o disparo para capturar os dados, seja por programação de tempo, definição de uma condição de variável específica, definição de intervalos entre os disparos, etc. Este método de análise torna-se mais vantajoso para avaliar sinais repetitivos pelo fato de trabalhar com uma taxa de amostragem mais alta, porém nesta condição não é possível ampliar a banda analógica do digitalizador.

Figura 05: Representação gráfica dos parâmetros de análise de um sinal e sua configuração de disparo.

4 – Resolução e faixa dinâmica

A resolução de um osciloscópio é determinada pelo número de bits que o conversor analógico digital é capaz de gerar a partir de um sinal analógico. Desta forma, um sinal analógico qualquer na entrada do conversor será representado de forma binária por um número de nível discreto como 2^b, o qual “b” é a resolução do digitalizador.

Figura 06: Detalhe da comparação da representação gráfica digital de um sinal analógico com alta resolução (azul) e baixa resolução (preto).

A faixa de entrada de sinal é dividida em 2^b partições (ou degraus), tendo o menor valor de tensão detectável definido por (Faixa de entrada [V] / 2^b). Equipamentos com altas resoluções são capazes de detectar as variações de tensão mais sutis em toda amplitude do sinal que o osciloscópio for capaz de capturar, definindo apenas a configuração de zoom para melhorar a visualização do gráfico.

5 – Função Gatilho (Triggering)

A função gatilho dos osciloscópios permite o isolamento de um evento determinado para adquirir sinais antes, depois ou entre estes eventos (caso seja um sinal com padrão repetitivo). As principais opções da função gatilho são Triggering por borda analógica, borda digital e através de software, porém existem modelos que também possuem as opções de janelamento, histerese e vídeo.

Figura 07: Representação gráfica da função gatilho em execução sobre um sinal de onda senoidal.

Nos osciloscópios mais modernos, o tempo de recarregamento entre os disparos do trigger é muito curto, permitindo múltiplas capturas de amostras. O tempo entre cada disparo do trigger permite a captura de uma quantidade de pontos específica, armazenamento das informações e disponibilização da memória onboard para a captura das informações do próximo trigger sem haver perdas de eventos. Múltiplos registros de um sinal específico (ou eventos específicos em um sinal) é muito útil para captura apenas dos dados mais úteis e relevantes para sua análise, reduzindo a utilização da memória do equipamento e a quantidade de dados enviados para um computador ou unidade de memória externa.

 6 – Densidade de Canais

Um ponto importante a ser levado em consideração na escolha de um osciloscópio é a quantidade de canais e a possibilidade de sincronizar múltiplos instrumentos. A maioria dos osciloscópios possuem versões com 2 ou 4 canais, trabalhando simultaneamente com diferentes taxas de amostragem.

Figura 08: Osciloscópio de 2 canais Tektronix TBS1202B e osciloscópio de 4 canais Tektronix TDS2024C.

 

A definição da quantidade de canais em um osciloscópio depende diretamente da aplicação na qual o equipamento será utilizado. Existem aplicações que possuem algumas particularidades que requerem mais do que os 4 canais comumente encontrados. Para atender estes casos especiais, podem ser adquiridos osciloscópios especiais com 8 ou mais canais, que possuem uma série de recursos adicionais, porém o custo de aquisição e consideravelmente elevado.
É importante ter em mente que utilizar todos os canais do osciloscópio simultaneamente pode alterar a taxa de amostragem máxima do equipamento. Em alguns equipamentos esta alteração pode acontecer por causa do emprego da amostragem intercalada no tempo, esta técnica é utilizada para intercalar múltiplos canais para alcançar uma taxa de amostragem maior.

7 – Tipos de Ponta de Prova

Os osciloscópios podem trabalhar com tipos distintos de pontas de provas, os quais podem ser de tensão passiva ou tensão ativa. A maioria das pontas de prova consistem em:

– Cabeça da ponta de prova;
– Ponta de prova de referência;
– Proteção da ponta de prova com mecanismo de mola (normalmente encontrados em pontas de prova de tensão passiva);
– Chave seletora de atenuação (em pontas de prova de tensão passiva);
– Conector para interface com o osciloscópio.

Pontas de Prova de Tensão Passiva

As pontas de prova de tensão passiva não necessitam de alimentação para realizar medições, porque são basicamente compostas por resistores, capacitores, fios e conectores.

Figura 09: Ponta de prova de tensão passiva.

As principais vantagens da ponta de prova de tensão passiva são:

  • Elevada resistência de entrada;
  • Ampla faixa dinâmica;
  • Relativamente baratas;
  • Mecanicamente resistente.

A principal desvantagem da ponta de prova de tensão passiva é alta capacitância de entrada.

Normalmente as pontas de prova de tensão passiva são especificadas por largura de banda e fatores de atenuação. As pontas de prova mais comuns possuem pelo menos a mesma largura de banda do osciloscópio e fator de atenuação de 10 vezes (10X). Esta configuração básica oferece uma boa relação entre a largura de banda, sensibilidade e carga capacitiva da ponta de prova, atendendo a maior parte das aplicações.

Pontas de Prova de Tensão Ativa
Ao contrário das pontas de prova de tensão passiva, as pontas de prova de tensão ativa necessitam ser alimentadas para que seus componentes internos (amplificadores e transistores) possam funcionar adequadamente.

Figura 10: Ponta de prova de tensão ativa.

As principais vantagens da ponta de prova de tensão ativa são:

  • Melhor fidelidade do sinal;
  • Ampla largura de banda;
  • Alta resistência de entrada;
  • Baixa capacitância de entrada.

As principais desvantagens das pontas de prova de tensão ativa em comparação às pontas de prova de tensão passiva são:

  • Faixa dinâmica limitada;
  • Custo mais elevado;
  • Menor resistência mecânica.

Pelo fato das provas de prova de tensão ativa possuírem baixa capacitância de entrada, é possível manter a impedância de entrada alta em uma ampla faixa de frequências. A alta impedância de entrada nas pontas de prova ativas oferece muito menos riscos de efeitos da carga em pontos de teste com impedância desconhecida. Em circuitos com alta impedância, a característica de baixa carga das pontas de prova ativas se destaca por não carregar demasiadamente o circuito, ao contrário das pontas de prova passivas. Ainda, as pontas de prova ativas possuem menor sensibilidade aos efeitos da indutância em longos terminais de aterramento.

8 – Atenuação de Sinal

A atenuação é a razão entre a amplitude do sinal de entrada da ponta de prova e a amplitude do sinal de saída (geralmente mensurada em CC). As pontas de prova com identificação “10X” indicam que o sinal captado pela ponta de prova é 10 vezes maior do que o sinal que o osciloscópio está recebendo e analisando.

Figura 11: Ponta de prova com capacidade de atenuação de 10 vezes.

A atenuação pode ser modificada de 10X para 1X (o sinal captado pela ponta de prova é idêntico ao analisado pelo osciloscópio) a partir de uma chave seletora na manopla. Em alguns modelos de osciloscópios e pontas de prova, a chave seletora poderá ser um simples botão, uma chave deslizante ou semelhante a um parafuso.

Figura 12:Tipos de chaves seletoras de atenuação na ponta de prova do osciloscópio.

9 – Memória Interna (Onboard Memory)

A memória interna dos osciloscópios é responsável pelo armazenamento de todos os dados capturados em tempo real para posterior transferência na velocidade adequada para um computador ou unidade de memória externa (conexões PCI, PCI Express, PXI Express, LAN, GPIB, USB, etc.).

Figura 13: Portas de transmissão de dados na parte traseira do osciloscópio Tektronix TDS3054B.

Quando o volume de dados capturados é superior à taxa de transferência de dados para um sistema externo no mesmo intervalo de tempo, a memória onboard se torna fundamental para não haver perda de dados mesmo nas condições de taxa máxima de aquisição de dados.
A relação entre a capacidade de memória interna e a taxa de amostragem (Sampling Rate) determina o intervalo de tempo que teremos com dados devidamente armazenados (antes do envio para um sistema externo). Este intervalo de tempo pode ser definido pela seguinte equação:

Os benefícios de uma memória interna de maior capacidade é o aumento do intervalo de tempo de dados adquiridos e domínio de frequência. O tipo de medição de domínio de frequência mais utilizado é a Transformada Rápida de Fourier (FFT), com a qual é possível identificar e visualizar a componente de frequência do sinal. As frequências discretas são detectadas com maior facilidade quando uma FFT possui uma resolução mais fina nas faixas de frequência. A resolução das faixas de frequência pode ser definida pela seguinte equação:

Para melhorar a resolução da faixa de frequência, é possível adotar as seguintes alterações da configuração do osciloscópio: aumentar o número de pontos na FFT ou reduzir a taxa de amostragem.

Figura 14: Representação das referências da largura de frequência.

No entanto, a redução da taxa de amostragem poderá resultar no estreitamento da largura da frequência analisada.

10 – Exportação de informações, software e capacidade de análise

Com o advento dos osciloscópios digitais, a possibilidade de analisar e armazenar os dados visualizados se tornou possível e usual. A forma mais usual de exportar os dados mensurados pelo osciloscópio é a partir de arquivos de texto (extensão “.txt”), planilhas eletrônicas (extensão “.csv”) e imagens (extensões “.jpg” ou “.bmp”) através de uma porta USB.
Alguns modelos de osciloscópios podem gerar também arquivos de extensões especificas para análises em softwares específicos (geralmente desenvolvidos por seus fabricantes).

Figura 15: Interface gráfica do software OpenChoice da Tektronix.

A utilização de softwares para realizar a análise e processamento de dados em computadores pode ampliar as capacidades de análise em relação aos métodos mais simples como os dados armazenados em arquivos de texto ou planilhas eletrônicas.
As diferenças mais notáveis são a reconstrução gráfica do sinal a partir dos dados armazenados em um arquivo de extensão compatível com o software ou até a análise em tempo real a partir de uma conexão serial, paralela, GPIB e/ou Ethernet com o osciloscópio (nem todos os modelos de osciloscópios dispõem de todas as portas de comunicação mencionadas).

Figura 16: Portas de transmissão de dados na parte traseira do osciloscópio Tektronix TDS210.

 

Esperamos que tenham gostado deste tutorial.

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