Apostila Básica Sobre Osciloscópio

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UNIVERSIDADE ESTADUAL PAULISTA – UNESP FACULDADE DE ENGENHARIA DE ILHA SOLTEIRA – FEIS DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA – DEE O OSCILOSCÓPIO DE RAIOS CATÓDICOS (LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA 1) Versão 1.1 Professor: Cláudio Kitano email: [email protected] Ilha Solteira 2009 O Osciloscópio de Raios Catódicos O osciloscópio de raios catódicos (CRO, do inglês Cathode Ray Oscilloscope) é um dos equipamentos mais versátil para o desenvolvimento de circuitos e sistemas eletrônicos e tem sido uma das mais importantes ferramentas para o desenvolvimento da eletrônica moderna. Enquanto multímetros fornecem informações numéricas sobre um sinal aplicado, o osciloscópio permite a visualização da forma de onda instantânea do sinal. Os osciloscópios podem ser classificados em digitais ou analógicos. Dois exemplos desses osciloscópios são mostrados na Fig. 01. Num osciloscópio digital, o sinal analógico de entrada é inicialmente convertido para o domínio digital através de um conversor A/D rápido, sendo em seguida armazenado em uma memória digital. Após o disparo (sincronismo horizontal) e um processamento matemático, o sinal é apresentado em um display digital de modo semelhante aos monitores de vídeo de computadores. Este tipo de equipamento será estudado no curso de Instrumentação Eletrônica. (a) (b) Figura 01 – Tipos de osciloscópios. a) Analógico. b) Digital. Nos osciloscópios analógicos, o sinal é formado no seu display a partir de um feixe de elétrons que incide numa tela fosforescente, e que são defletidos na direção vertical diretamente pela tensão do sinal que se deseja medir, e, na horizontal, a partir de uma base de tempo interna. Neste curso, serão abordados a teoria e o princípio de funcionamento do osciloscópio analógico. Cita-se que, embora a estrutura interna do osciloscópio digital seja essencialmente distinta do analógico, sua utilização e principais funções não são muito diferentes. Assim, uma compreensão da operação do osciloscópio analógico constitui um ótimo recurso pedagógico, auxiliando o entendimento futuro do osciloscópio digital. Enfatiza-se a importância de um estudo prévio de técnicas de processamento de sinais, a fim de se beneficiar de forma mais eficiente da totalidade dos recursos do osciloscópio digital. Cita-se, por exemplo, o problema do mau uso da freqüência de amostragem de sinais, o que pode causar o fenômeno conhecido como aliasing (esse assunto será estudado em Processamento Digital de Sinais). Hoje em dia, existe uma grande variedade de fabricantes de osciloscópios analógicos e, portanto, a quantidade de marcas e modelos é numerosa. Porém, não existem diferenças fundamentalmente significativas em seus princípios de funcionamento e operação. As diferenças, quando existem, referem-se à quantidade de canais disponíveis, ao número de feixes de elétrons gerados no tubo, à freqüência máxima de operação ou a certas funções específicas anunciadas pelos fabricantes como um recurso adicional. Com isto, o aprendizado da operação de um dado modelo de osciloscópio permite a migração para outro modelo sem grandes dificuldades. 01 - Fundamentos Iniciais Na seqüência, aborda-se o princípio de funcionamento e as principais funções dos osciloscópios analógicos. Antes, porém, serão apresentados alguns conceitos iniciais importantes para a sua compreensão. 1.1 - Carga Elétrica A matéria que constitui todos os materiais é formada de átomos. Por sua vez, os átomos são constituídos de prótons(P), nêutrons(N) e elétrons (e), conforme esquematizado na Fig. 02. Normalmente, cada átomo é eletricamente neutro, pois tem quantidades iguais de cargas negativa e positiva, ou seja, há tantos prótons em seu núcleo, quantos elétrons ao redor, no exterior. Os prótons estão fortemente ligados ao núcleo dos átomos. Somente os elétrons podem ser transferidos de um corpo para outro. Figura 02 – Representação esquemática de um átomo. Convencionou-se chamar a carga dos prótons de positiva (+) e a carga dos elétrons de negativa (-). A carga no nêutron é nula. De acordo com a Fig. 03, os corpos eletrizados são classificados de acordo com o seguinte critério: a) Um corpo está com carga elétrica positiva quando existe uma falta de elétrons, ou seja, o número de prótons é maior que o número de elétrons. b) Um corpo está com carga elétrica negativa quando existe uma falta de prótons, ou seja, o número de prótons é menor que o número de elétrons. c) Um corpo está com carga elétrica neutra quando o número de prótons é igual ao número de elétrons. (a) (b) (c) Figura 03 – Corpos eletrizados. a) Positivamente. b) Negativamente. c) Neutro. Os elétrons, entretanto, repelem outros elétrons, enquanto os prótons repelem outros prótons. Dizemos, por isto, que as partículas com cargas de sinais algébricos iguais se repelem e as partículas com cargas de sinais opostos se atraem, conforme esquematizado na Fig. 04. Cargas de mesmo sinal se repelem. Cargas de sinais contrários se atraem. Figura 04 - Cargas elétricas de mesmo sinais de repelem, e de sinais contrários se atraem. O coulomb (C) é a unidade de medida utilizada para carga elétrica no Sistema Internacional de Unidades. O menor valor de carga elétrica encontrada na natureza corresponde à carga de um elétron, a qual é igual em módulo, à carga do próton. A quantidade de carga do elétron, em valor absoluto, é chamada de carga elementar e é representada por e, cujo valor é 1,6 -19 x 10 C. Cargas maiores são constituídas por um múltiplo inteiro de uma carga fundamental, ou seja, a carga q contida em um certo objeto pode ser escrita como q = Ne (1) com N = 1, 2, 3, ... Do Eletromagnetismo (lei de Coulomb), sabe-se que duas cargas elétricas pontuais de um coulomb e separadas de um metro exercem, uma sobre a outra, uma força de 9 × 109 N, isto é, aproximadamente o peso de 900 000 toneladas. O coulomb é, portanto, uma unidade de ordem de grandeza elevada, e assim, utilizam-se geralmente seus submúltiplos: micro coulomb (μC), nano coulomb (nC), etc. 1.2 - Campo Elétrico Sabe-se, da Física, que a todo ponto do espaço nas vizinhanças da Terra, associamos um  vetor intensidade de campo gravitacional g . Este vetor representa a aceleração gravitacional a qual fica sujeito um corpo de prova abandonado nesse ponto. Este é um exemplo de campo vetorial, e encontra-se esquematizado na Fig. 05, na forma de linhas de campo. Figura 05 – Linhas de campo gravitacional. A partir da segunda lei de Newton, obtém-se que   F g m (2) sendo m = massa do corpo de prova;  F = vetor força gravitacional. Por analogia, consideremos um pequeno corpo de prova com carga elétrica q0 (suposta positiva, por conveniência) num ponto do espaço em uma região onde existe um campo elétrico  E . Esta situação está esquematizada na Fig. 06. Figura 06 – Linhas de força para campo elétrico. Isto causará uma força sobre a partícula, tal que:   F E q0 (3)  sendo que q0 é medido em coulomb (C) e E é medido em N/C (ou então, em V/m). 1.3 - Linhas de Força As linhas de força, como àquelas apresentadas na Fig. 06, são uma maneira conveniente de se visualizar a configuração dos campos elétricos:  . a tangente a uma linha de força num dado ponto fornece a direção de E nesse ponto; . cargas positivas atuam como nascedouros de linhas de força; . cargas negativas atuam como sorvedouros de linhas de força. Figura 07 – Interação entre cargas elétricas positivas e negativas. Como exemplo, consideremos uma grande carga positiva +Q >> +q0, que produz um campo elétrico no espaço à sua volta, conforme ilustrado na Fig. 07. O campo atua sobre a  pequena carga pontual positiva q0. Isto se traduz pela ação da força F sobre q0. Cargas de prova positivas (-q0)são forçadas a se movimentar na direção das linhas de força. Por outro lado, cargas de prova negativas são forçadas a se movimentar na direção oposta das linhas de força. O campo de força desempenha, portanto, um papel de transmissor da interação entre as cargas elétricas! 1.4 - Campo Elétrico entre Placas Paralelas Consideremos duas placas retangulares paralelas (um capacitor de placas paralelas), uma carregada com cargas positivas e outra com cargas negativas, como esboçado na Fig. 08. Se a distância entre as placas for pequena relativamente aos comprimentos dos lados, o campo elétrico no seu interior é aproximadamente constante (uniforme). O campo elétrico externo não é uniforme, mas, no momento, não nos interessa. Figura 08 – Carga elétrica positiva abandonada num campo elétrico entre placas paralelas. Se uma partícula de carga q0 positiva é abandonada em repouso num campo elétrico uniforme, inicia-se um movimento semelhante ao de um corpo em queda livre no campo gravitacional da Terra. Sua aceleração é dada por: a F qE  m m (4) Da Física, sabe-se que um movimento uniformemente acelerado obedece às seguintes equações: v  v0  at  1 1 y  y 0  v0 t  at 2  2 2 q0 E t m q E 1 y  at 2  0 t 2 2 2m v  at  (5) (6) sendo que y e v referem-se à posição e velocidade no instante t, enquanto y0 e v0 são as posição e velocidade iniciais, respectivamente, e nas quais se adotou v0=0 e y0=0. Assim, a partícula q0 tem suas velocidade e posição governadas por (5) e (6), respectivamente. Por outro lado, uma carga q0 negativa abandonada próxima à placa inferior negativa, faria um movimento inverso, de cima para baixo, obedecendo a (5) e (6) (adotando-se a origem do eixo y sobre a placa negativa). 1.5 - Deflexão de um feixe de elétrons Seja um elétron de massa m e carga e, que penetra perpendicularmente num campo  elétrico uniforme E gerado por placas paralelas, com velocidade v0. Esta situação encontra-se esquematizada na Fig. 09. O movimento é análogo ao caso de um projétil disparado horizontalmente no campo gravitacional da Terra. Figura 09 – Deflexão de um elétron entre placas paralelas eletrizadas. Portanto, temos um movimento retilíneo uniforme da direção horizontal, e, um movimento uniformemente acelerado na direção vertical. Se as velocidades iniciais são v0x=v0 e voy=0, e as coordenadas iniciais da partícula são (x0, y0) = (0,0), então, aplicando-se (4) observase que:  x  v0 t (7) x  x0  v0 x t 1 1 y  y 0  v0 y t  at 2  2 2 y 1 2 eE 2 at  t 2 2m (8) y eE 2 x 2mv02 (9) nas quais, eliminando-se t, obtemos: Portanto, temos um movimento parabólico desde o ponto (0,0) até (x1, y1). Ao sair da região entre as placas, o elétron se move em linha reta, tangente à parábola. Este resultado será útil à compreensão do sistema de deflexão do feixe de elétrons no CRO. 02 – Tubo de Raios catódicos O tubo de raios catódicos (ou CRT, do inglês Cathode Ray Tube) é o coração do CRO, sendo constituído por um invólucro de vidro selado a vácuo (cerca de 10-3 mbar), dentro do qual se encontram vários elementos que serão descritos a seguir. O sistema de deflexão do feixe de elétrons pode ser magnético ou eletrostático. Neste texto, será estudado somente o segundo tipo. Na Fig. 10 a) tem-se uma foto de um CRT típico, enquanto na Fig. 10b), a descrição de seus elementos internos. (a) (b) Figura 10 – Tubo de Raios Catódicos (CRC). a) Fotografia. b) Interior. Na seqüência do texto, são descritos em detalhes a função de cada um desses elementos. 2.1 – Canhão de Elétrons A função do canhão de elétrons, esquematizado na Fig. 11, é produzir um feixes de elétrons. Um cátodo, que contém uma camada de óxido, é aquecido indiretamente por um filamento, liberando um feixe de elétrons da sua superfície por efeito termo iônico. Sabe-se, da Mecânica Quântica, que metais incandescentes emitem elétrons espontaneamente , mesmo na ausência de campo elétrico, os quais formam uma nuvem de elétrons em torno do corpo incandescente. O cátodo é cilíndrico e feito de níquel. Sua extremidade é recoberta com óxido de bário ou de estrôncio. Um filamento de tungstênio quando percorrido por corrente elétrica chega a atingir 1000oC e auxilia o início da emissão de elétrons. A grade tem um orifício a fim de impedir a divergência do feixe, ou seja, concentra o feixe. O cátodo ao ser aquecido provoca a liberação de elétrons da cobertura de óxido, que deverão ser acelerados em direção à grade. Isto acontece porque existe uma grande diferença de potencial entre o ânodo pré-acelerador e o cátodo. Concomitantemente, é gerado um grande  campo elétrico E entre estes eletrodos, cuja direção é indicada na Fig. 11. Como já foi visto, elétrons são acelerados na direção oposta ao campo elétrico. Com isso, cria-se um fluxo de elétrons que são acelerados em direção à tela. Figura 11 – Canhão de elétrons do CRT. Aplicando-se uma tensão adicional entre grade e cátodo, como indicado na Fig. 11, podese controlar a intensidade do fluxo. De fato, se uma tensão negativa for aplicada, haverá a  formação de um segundo campo elétrico, oposto a E , e assim, haverá uma redução no número de elétrons. Se esta for suficientemente negativa, será capaz de cessar completamente o fluxo de elétrons. Este constitui o controle de intensidade do feixe na tela. 2.2 - Elementos de Focalização e Aceleração Após passarem pela grade de controle e ânodo pré-acelerador, os elétrons são focalizados em um feixe estreito pelo ânodo de focalização, e acelerados para uma velocidade mais alta, através do ânodo de aceleração, ambos mostrados na Fig.12. Figura 12 – Colimação do feixe de elétrons. A colimação pode ser melhor compreendida com o auxílio da Fig. 13, a qual destaca as linhas de campo entre os ânodos de focalização e de colimação. Lembra-se, novamente, que cargas de prova negativas são forçadas a se movimentarem na direção oposta às linhas de campo.  No ponto de encontro do feixe com a linha de força, cada elétron percebe um campo elétrico E , cujas componentes são Ex e Ey. Estas componentes aplicam as forças Fx e Fy sobre os elétrons,  respectivamente. A força resultante, F , causa a colimação do feixe divergente de entrada. O segundo potenciômetro ilustrado na Fig. 12 (da esquerda para a direita) constitui o controle de ajuste de foco. Figura 13 – Efeito de colimação do feixe de elétrons. 2.3 - Placas Defletoras Horizontal e Vertical O feixe de elétrons bem definido, a alta velocidade passa, então, por um par de placas de deflexão vertical (V), orientadas para defletir o feixe para cima ou para baixo, de acordo com a polaridade da tensão aplicada nas placas defletoras. Estas placas são mostradas na Fig. 14. A seguir, o feixe passa por placas de deflexão horizontal (H), para a esquerda ou direita, de acordo coma a tensão a elas aplicadas. Ambas as placas podem ser vistas na Fig. 14 b). (b) (a) Figura 14 – Placas de deflexão. a) Geometria das placas. b) Foto das placas V e H. Segundo o Eletromagnetismo, na situação mostrada na Fig. 14 a), a deflexão do feixe é dada por (válida para as placas vertical e horizontal): D LVd 2dVa (10) onde  = comprimento da placa de deflexão; L = distância entre o centro da placa e a tela; d = distância entre placas; Vd= tensão de deflexão (H ou V); Va= tensão de aceleração (proporcionada pelo anodo pré-acelerador). A sensibilidade da deflexão representa a facilidade de defletir o feixe com uma menor tensão Vd aplicada (ou da necessidade de amplificação do sinal V ou H): L 2dVa (11) D  SVd . (12|) S de tal forma que Ou seja, quanto maior a sensibilidade, menor será a tensão necessária (Vd, aplicada às placas V ou H) para produzir deflexões com um certo número de divisões na tela do CRO. 2.4 - Tela fosforescente O feixe defletido, vertical e horizontalmente, prossegue seu trajeto atingindo finalmente o material fosforescente (de sulfeto de zinco) na face interna do CRT. Isto se encontra indicado na Figs. 10 ou 15. Quando atingido pelos elétrons, o material brilha e possui persistência, formando a imagem que o usuário na frente da tela observa. A alta energia do feixe de elétrons que se choca com a tela fosforescente provoca o aquecimento do material e emissão de luz. Porém, também ocorre emissão secundária de elétrons que formam uma camada de cargas negativas que deterioram a operação do tubo. Por isso, a parede do tubo é revestida com uma camada de aquadag, cuja função é captar os elétrons liberados e reconduzi-los de volta ao cátodo (K). 2.5 - Aceleração pós-deflexão Normalmente, ao sair das placas, o traço produz um baixo brilho na tela. Como o brilho do traço depende da energia fornecida à tela pelo feixe de elétrons, uma alternativa seria aumentar a tensão de aceleração Va. Contudo, isto reduziria a sensibilidade S da deflexão. Uma solução é usar a técnica de aceleração pós-deflexão (que opera com tensões entre 15 kV e 20 kV em relação à grade), que aumenta a aceleração e também a deflexão, proporcionando tubos mais curtos. Na Fig. 15, mostra-se a rede divisora de tensão que alimenta os eletrodos e placas internas do CRT. A adição de uma tensão DC ajustável ao sinal de entrada vertical que se deseja medir, permite mover o feixe de elétrons para cima ou para baixo (ou para a esquerda ou para a direitas, no caso das placas de deflexão horizontal) e constitui o controle de posição vertical (horizontal) da imagem na tela. Figura 15 – Rede divisora de tensão que alimenta os elementos do CRT. 03 - Diagrama de blocos do CRO Uma vez estudado os elementos do CRT, passa-se a analisar o mecanismo interno de CRO como um todo, cujo diagrama de blocos é apresentado na Fig. 16. Figura 16 – Diagrama simplificado de blocos do CRO. A fim de se obter uma deflexão do feixe de 1 cm na tela do CRO, a tensão usualmente aplicada às placas de deflexão deve ser da ordem de centenas de volts. Uma vez que os sinais que se deseja medir com o CRO podem ser de alguns milivolts apenas, são necessários circuitos amplificadores para aumentar o sinal de entrada para os níveis de tensão requerida para operar o tubo. Assim, a tensão Vd na equação (12) refere-se à tensão aplicada às placas de deflexão, após a amplificação do sinal. O estudo de amplificadores será realizado na segunda parte do curso de Eletrônica 1 e também em Eletrônica 2. Se nos referirmos à deflexão vertical , a grandeza D em (12) está associada à coordenada vertical y na tela do CRO. Se nos referirmos à deflexão horizontal, então, D está associada à coordenada x. Os fatores de proporcionalidade (relacionados à sensibilidade S) entre a tensão aplicada (Vd) e a deflexão resultante (D), são estabelecidos pelo ganho variável dos circuitos atenuador/amplificador mostrados na Fig.16, tal que x  S xV x y  S yV y (13 a) (13 b) onde Sx e Sy são valores de S para a deflexão H e V, quando se aplicam tensões Vd iguais a Vx e Vy, respectivamente. As deflexões x e y são medidas em centímetros, ou, mais regularmente, em divisões de tela (DIV). Em resumo, as sensibilidades Sx e Sy são ajustadas através das chaves seletoras de tempo, em seg./DIV, e de tensão, em volts/DIV. No exemplo da Fig. 17 a), ilustra-se o resultado do ajuste da sensibilidade vertical em 1 V/DIV. Conclui-se que a senóide mostrada na tela, Fig. 17 b), apresenta 1 volt pico-a-pico de amplitude. (a) (b) Figura 17 – Chave seletora de escala de tensão. a) Ajuste da chave seletora. b) Forma de onda obtida. Habitualmente, as escalas de tensão variam entre 5mV/DIV e 20 V/DIV, podendo ser selecionada de acordo com a amplitude do sinal em observação. Como o número total de divisões na tela do osciloscópio é igual a 8, é possível observar tensões até um máximo de 160 V, pico-a-pico. Na escala de 5mV/DIV, a tensão é aplicada diretamente à entrada de um amplificador de ganho 1400. Em todas as outras escalas o sinal é primeiramente atenuado por um ou vários circuitos de atenuação de modo que, na entrada do amplificador, a amplitude do sinal apresente um valor menor ou igual a 5 mV/DIV. Os atenuadores utilizados são divisores de tensão resistivos. A utilização de atenuadores é um excelente expediente que permite medir uma larga gama de tensões utilizando apenas um único amplificador. Conforme será estudado adiante, a escala temporal do monitor é determinada pela declividade de uma forma de onda em dente de serra, que pode ser ajustada pelo seletor de base de tempo do painel de comandos do CRO. Tipicamente, encontram-se osciloscópios com escalas temporais que variam entre cerca de 0,5 s/DIV e 200 ms/DIV. Na Fig. 18, ilustra-se o resultado do ajuste da sensibilidade horizontal em 10 ms/DIV. Conclui-se que a senóide mostrada na tela apresenta um período igual a 20 ms. (a) (b) Figura 18 – Chave seletora de base de tempo. a) Ajuste da chave. b) Forma de onda obtida. 3.1 - Operação de varredura de tensão a) Se 0 volts for aplicado tanto na entrada vertical quanto horizontal, o feixe estará no centro da tela do CRT e permanecerá como um ponto estacionário. Isto está representado na Fig. 19. Figura 19 – Ponto no centro da tela. Ajustes: 0 volt na vertical e 0 volt na horizontal. b) Os controles de posição vertical e horizontal (ver seção 2.8) permitem que se mova o ponto para qualquer lugar da tela, conforme o exemplo mostrado na Fig. 20. Figura 20 – Utilização dos controles de posição. Ajustes: -1 volt na vertical e +1 volt na horizontal. c) Para se visualizar um sinal (em vez de um simples ponto) na tela do CRO, é necessário defletir o feixe através do CRT com um sinal de varredura horizontal. Aplicando-se uma tensão positiva à entrada vertical e utilizando um sinal de varredura dente de serra à entrada horizontal, forma-se um traço na tela, conforme ilustrado na Fig. 21. Figura 21 – Formação de um traço horizontal na tela do CRO. Cada vez que o dente de serra excita um ciclo de varredura linear (do valor mais negativo até o mais positivo), o feixe de elétrons é forçado a se mover horizontalmente através do tubo, da esquerda para a direita. A tensão do dente de serra então cai rapidamente para a tensão inicial negativa, e o feixe retorna para o lado esquerdo. Durante o instante em que a tensão de varredura retorna ao valor negativo (retraço), o feixe é desativado (a tensão de grade impede que os elétrons atinjam a tela do CRT). A persistência da fosforescência do alvo é muito pequena, de modo que existe dificuldade em se observar sinais muito rápidos. A aplicação do dente de serra periódico faz o feixe varrer a tela sucessivas vezes, causando a exposição fixa da imagem. Como, nem o olho nem o cérebro humanos têm capacidade de diferenciar acontecimentos tão rápidos, a sobreposição sucessiva das varreduras gera a impressão de um traço estável. d) A aplicação de um sinal senoidal à entrada vertical, mas sem o sinal de varredura horizontal, resultaria apenas numa linha reta vertical, como ilustrado na Fig. 22. Figura 22 – Formação de um traço vertical na tela do CRO. e) Para visualizar o sinal senoidal é necessário utilizar um sinal de varredura no canal horizontal, conforme mostrado na Fig. 23. Enquanto o feixe de elétrons é movido através da tela do CRT pelo sinal de varredura horizontal (base de tempo), o sinal de entrada (que se deseja medir) o deflete verticalmente, permitindo uma visualização da forma de onda do sinal de entrada (seguir a seqüência , , ..., ). Uma exposição estacionária é obtida quando o feixe varre o tubo de maneira repetitiva, exatamente com a mesma imagem a cada varredura. Observe que durante o retraço, o feixe é desativado. Figura 23 – Formação de um sinal senoidal na tela do CRO. Uma varredura do feixe através da tela do tubo, seguida por um período inativo, durante o qual ele é desligado enquanto retorna ao ponto de partida, constitui uma varredura completa. 3.2 - Base de tempo Verificou-se que um sinal do tipo dente de serra é aplicado às placas de deflexão horizontal para promover a varredura de tempo. De fato, apara se observar a variação do sinal com o tempo é necessário aplicar às placas horizontais um sinal de tensão (vH) diretamente proporcional à variação temporal. Isto poderia ser obtido pela geração de uma tensão que cresce linearmente com o tempo, ou seja, a relação (vH x t) deveria ser uma reta, do tipo vH=at+b, onde a é o fator de proporcionalidade entre vH e t, e b é uma tensão constante (ver Fig. 24). Figura 24 – Relação linear entre vH e t. Se a = 1, vH e t são equivalentes (embora um seja medido em volts e o outro em segundos). Por outro lado, se a ≠ 1, então, um fator de correção de escala deve ser aplicado à vH. Isto é proporcionado pelo seletor de base de tempo. Contudo, a tensão de varredura deve ser obtida a partir de um sinal linear e periódico aplicado continuamente, e não, de uma única varredura. Uma única varredura faria o sinal na tela desaparecer rapidamente. Repetindo-se rapidamente a varredura, a exposição é gerada inúmeras vezes por segundo, o que conduz à formação de uma imagem estacionária na tela. Para se ter uma idéia, na escala de tempo de 0,5 s/DIV, ocorrem aproximadamente 2 milhões de varreduras por minuto, para que uma imagem persistente seja formada na tela de fósforo. 04 – Sincronismo do CRO Para que um ciclo do sinal seja exposto é necessário que as freqüências do sinal e da varredura estejam sincronizadas, conforme esquematizado na Fig. 25. A rampa de varredura sempre inicia e termina de forma sincronizada com o sinal de entrada. Na tela será apresentada sempre uma mesma figura, a qual, devido as sucessivas varreduras, dá a impressão de estar estacionária. Figura 25 – Sincronismo entre o sinal de varredura e o sinal de entrada. Reduzindo-se a freqüência de varredura em relação à freqüência do sinal, mais ciclos do sinal senoidal podem ser observados. Na Fig. 26 a), mostra-se o caso onde as freqüências de sinal e de varredura são iguais, enquanto na Fig. 26 b), tem-se o caso onde a freqüência de varredura é metade da freqüência de sinal. Com isto, dois ciclos de sinal são mostrados na tela neste último caso. (b) (a) Figura 26 – Exposição multi-ciclos. a) Um único ciclo de sinal. b) Dois ciclos de sinal. Se houver qualquer diferença entre as frequências de sinal e de varredura, a exposição parecerá se mover na tela, a menos que a freqüência de varredura seja múltipla da freqüência senoidal. O sincronismo implica em que é necessário iniciar a varredura no mesmo ponto do ciclo do sinal de entrada. Se a frequência de varredura for mais baixa, tem-se a impressão que a imagem se move para a esquerda, conforme esquematizado na Fig. 27. Figura 27 – A falta de sincronismo causa o movimento da imagem na tela, para a esquerda. Por outro lado, se a frequência de varredura for mais alta, tem-se a impressão que a imagem se move para a direita, como esquematizado na Fig. 28. Figura 28 – A falta de sincronismo causa o movimento da imagem na tela, para a direita. Contudo, não é prático ajustar a freqüência de varredura para o mesmo valor da freqüência do sinal a fim de se obter uma varredura estacionária. Um processo mais simples é esperar até que o sinal atinja o mesmo ponto em um ciclo para começar o início do traço, como ilustrado na Fig. 29. Figura 29 – A varredura se inicia quando a senóide passa por zero, e dura um intervalo ajustado na base de tempo. Na figura, a varredura começa sempre quando a senóide passa por zero, e tem uma duração ajustada pelo seletor de base de tempo do CRO. Com isto, torna-se necessário um sistema que detecte automaticamente quando o sinal de entrada passa por zero (ou por um outro nível qualquer) e dispare o sinal de varredura. Isto será discutido na próxima seção. 4.1 - Disparo (Trigger) Um método usual de sincronismo usa uma porção do próprio sinal de entrada para disparar um gerador de varredura, tornando o sinal de varredura amarrado ou sincronizado ao sinal de entrada. Por exemplo, um sinal de disparo pode ser gerado toda vez que o sinal de entrada passa por zero, conforme representado na Fig. 30. O movimento do feixe inicia-se quando o circuito de trigger aplica o impulso de sincronização à entrada do circuito de base de tempo. Figura 30 – Sinais de disparo (trigger) e de varredura. Como visto, a varredura é iniciada em um instante de tempo do ciclo do sinal de entrada e termina em um período fixado pelos controles de duração da varredura. Então, o CRO espera até a entrada atingir um ponto idêntico no próximo ciclo antes de iniciar outra varredura. A duração da varredura determina quantos ciclos serão vistos, enquanto o disparo assegura que o sincronismo ocorra. O sistema de trigger não reconhece ordens de disparo durante a verredura ou o retraço. Figura 31 – Diagrama de blocos do sistema de sincronismo do CRO. Os tempos de espera e retorno são tão rápidos que se tem a impressão que quando o ponto chega ao canto direito da tela, ele é imediatamente seguido por outro que está partindo do lado esquerdo. O diagrama de blocos do sistema de disparo encontra-se na Fig. 31. Como já foi discutido, a saída do gerador de disparo é um pulso de disparo utilizado para iniciar a varredura principal do CRO, cuja duração é estabelecida pelo ajuste de tempo/cm. A fonte do sinal de disparo pode ser obtida das seguintes formas: a) da rede elétrica (LINE); b) de um sinal extraído da entrada vertical (INT). c) de um sinal extraído de um sinal externo (EXT); Sinais relacionados com aqueles da rede elétrica (60 Hz) podem ser sincronizados via entrada LINE. Em outras frequências, é aconselhável usar a forma de sincronismo INT, a qual usa o próprio sinal de entrada como fonte de sincronismo. Um sinal de sincronismo externo (EXT) pode ser importante para observar sinais complexos, de difícil sincronismo como, por exemplo, no caso de sinais modulados em AM, onde duas freqüências estão presentes (a do sinal modulador e a da portadora), como os mostrados na Fig. 32. Isto será estudado em Princípios de Comunicação. (a) (b) Figura 32 – Sinais modulados em AM. a) Com 60% de índice de modulação. b) Com 10% de índice de modulação. O controle de inclinação (SLOPE) determina se o disparo vai ocorrer para inclinação positiva (+) ou negativa (-), ou seja, na subida ou descida do sinal, respectivamente. Na Fig. 33, ilustra-se ambas as situações. Figura 33 – Controle de inclinação (SLOPE) de disparo. a) Positiva (+). b) Negativa (-). Consideremos agora um sinal que contenha uma parcela DC superposta a uma parcela AC. O acoplamento DC exibe o sinal integral na tela, enquanto o acoplamento AC bloqueia a componente DC desse sinal, permitindo apenas a passagem da parcela alternada. Ambas as situações são descritas na Fig. 34, para o caso de um sinal senoidal superposto a um valor DC. Figura 34 – Formas de acoplamento. a) Acoplamento DC. b) Acoplamento AC. O acoplamento AC é obtido usando-se um grande capacitor intercalado em série com a entrada de sinal, como mostrado na Fig. 35. Figura 35 – Acoplamentos DC, Ac e GND. Ao escolher a posição GND (ground ou terra) desconecta-se o sinal de entrada do sistema vertical e a tela passa a exibir o terra do chassis do osciloscópio. Isto é usado sempre que se pretende ajustar o traço de referência para o nível de tensão zero (ou linha de base). Sinais bem comportados como, por exemplo, aqueles que se originam da rede elétrica, podem ser sincronizados automaticamente pelo osciloscópios, sempre que cruzam o nível de zero (0 volts). Contudo, sinais mais complexos podem exigir um ajuste manual (botão LEVEL) do nível de sincronismo. Na Fig. 36 a), o nível de trigger foi ajustado bem pequeno, e a varredura espera que o sinal passe através deste nível antes de iniciar a varredura. Na Fig. 36 b), o nível de trigger foi ajustado num nível maior, e a varredura só inicia quando o sinal que se deseja observar atingir este novo nível. (a) (b) Figura 36 – Controle de nível de disparo (LEVEL). a) Nível baixo. b) Nível alto. 05 – Operação multi-traço Em geral, osciloscópios possuem dois canais verticais (CH1 e CH2) que permitem a visualização simultânea de dois traços ao mesmo tempo. Um multi-traço pode ser obtido quando um único feixe de elétrons é utilizado para criar as duas imagens, como as mostradas na Fig. 37.. (a) (b) Figura 37 – Operação multi-traço. a) Exemplo simulado. b) Caso prático. Com dois sinais de entrada aplicados, uma chave eletrônica conecta primeiro uma entrada às placas de deflexão, o feixe varre a tela e mostra um certo número de ciclos na tela; então, a chave comuta para a segunda entrada, mostrando na tela o outro sinal. Isto está esquematizado na Fig. 38. Graças à persistência da tela de fósforo e à grande velocidade de varredura, ambas as exposições são garantidas, não sendo percebida as alternâncias. Figura 38 – Alternância entre as duas varreduras. A chave eletrônica é comutada por um circuito de controle que alterna automaticamente as varreduras, como mostrado na Fig. 39. Figura 39 – Controle da chave de varredura multi-traço. Com isto, concluímos esta breve apresentação às principais funções do CRO. Informações adicionais como, por exemplo, a operação em modo XY, serão complementadas pelas práticas de laboratório de Eletrônica 1. Sem dúvida, um osciloscópio digital é mais versátil que o analógico: armazenam a forma de onda em memória para futuro processamento, permitem registrar transitórios elétricos, podem executar o cálculo do espectro do sinal, etc. Mesmo assim, ainda se encontram aplicações específicas onde o osciloscópio analógico é mais vantajoso. Por exemplo, como não existem os problema inerentes aos osciloscópios digitais, como o tempo de atraso entre a aquisição do sinal, o seu processamento e a sua apresentação na tela, o osciloscópio analógico pode ser útil na sintonia fina de certos processos analógicos executados em tempo real, quando o operador tem que interagir com a informação proporcionada pela imagem na tela do CRO e o ajuste do processo. Um caso típico refere-se à calibração de receptores de radiodifusão, quando da sintonia dos núcleos de ferrita dos filtros e amplificadores de radiofreqüência (isto será estudado em Princípios de Comunicação). Portanto, os osciloscópios analógicos ainda devem conviver com os digitais, pelo menos enquanto esses processos analógicos não forem substituídos por equivalentes digitais. 06 – Bibliografia Boylestad, R. L. & Nashelsky, L., Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos, 8a edição, Pearson/ Prentice Hall, 2002.