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O que é um osciloscópio?
Um osciloscópio é um instrumento de teste eletrônico que exibe sinais elétricos de forma gráfica, geralmente representando a relação entre uma tensão (eixo Y ou vertical) e um tempo (eixo X ou horizontal). A intensidade ou brilho da forma de onda às vezes é considerada o eixo Z. Existem algumas aplicações em que são utilizados outros eixos verticais (como a corrente), outros eixos horizontais (como a frequência) ou até mesmo outra tensão.
Os osciloscópios também podem medir os sinais elétricos gerados em resposta a determinados estímulos físicos, como som, tensão mecânica, pressão, luz ou calor. Por exemplo, um técnico pode usar um osciloscópio para verificar os sinais da placa de circuito de um dispositivo, ou até mesmo um pesquisador da área médica pode utilizá-lo para medir as ondas cerebrais.
Os osciloscópios são usados com frequência para realizar medições com diferentes propósitos, como por exemplo:
Os osciloscópios têm vários tipos de controles que são muito úteis para analisar as formas de onda exibidas em uma grade gráfica na tela. A grade gráfica é dividida em seções ao longo dos eixos horizontal e vertical. Essas seções facilitam a verificação dos principais parâmetros da forma de onda.
Existem dois tipos de osciloscópios: analógicos e digitais. Ambos possuem vantagens e desvantagens. A seguir, você encontrará mais informações sobre os tipos de osciloscópios.
Se para você é prioritário visualizar as variações rápidas dos sinais de entrada em tempo real, então é preferível utilizar um osciloscópio analógico. Os osciloscópios analógicos trabalham com variáveis contínuas e diretamente com um sinal aplicado. Uma vez amplificado, este desvia um feixe de elétrons na direção vertical, proporcionalmente ao seu valor. Os osciloscópios analógicos utilizam previamente um conversor analógico-digital (A/D) para armazenar digitalmente o sinal de entrada, reconstruindo posteriormente essas informações na tela.
Com um osciloscópio analógico, a tensão que se deseja medir é aplicada às placas de desvio vertical oscilante de um tubo de raios catódicos (utilizando um amplificador com alta impedância de entrada e ganho ajustável), enquanto que às placas de desvio horizontal é aplicada uma tensão em forma de dente de serra (denominada assim porque, de forma repetida, cresce suavemente e depois cai abruptamente). Essa tensão é gerada por um circuito oscilador apropriado, e sua frequência pode ser ajustada dentro de uma ampla faixa de valores, permitindo adaptá-la à frequência do sinal a ser medido. Isso é o que se chama de base de tempo.
Um osciloscópio analógico tem algumas limitações:
Os osciloscópios digitais são atualmente mais utilizados do que os osciloscópios analógicos. Eles são usados quando se deseja visualizar e estudar eventos não repetitivos, ou seja, picos de tensão que ocorrem de forma aleatória. Os osciloscópios digitais possuem registro de dados e visualização das formas de onda. Quando a sonda de um osciloscópio digital é conectada a um circuito, a seção vertical ajusta a amplitude do sinal, assim como um osciloscópio analógico. O sistema de registro de dados faz uma amostragem do sinal em intervalos de tempo determinados e converte o sinal em uma tensão contínua em uma série de valores digitais, chamados de amostras. Na seção horizontal, uma indicação determina quando uma amostra é capturada. A velocidade dessa indicação é chamada de velocidade de amostragem e é medida em amostras por segundo. Esses valores são armazenados na memória como pontos de sinal. O número desses pontos de sinal, que são usados para reconstruir o sinal na tela, é chamado de registro. A seção de disparo determina o início e o fim dos pontos de sinal no registro e os armazena na memória para exibição na tela. Dependendo da capacidade do osciloscópio, podem ser realizados processos opcionais sobre os pontos amostrados e, além disso, pode haver uma pré-armação para verificar os processos que ocorrem antes do disparo.
Uma onda é descrita como um padrão que se repete ao longo do tempo. Existem diferentes tipos de ondas, como as ondas sonoras, as ondas oceânicas, as ondas cerebrais, as ondas de tensão... Com um osciloscópio, você pode medir as ondas de tensão. Uma onda é composta por ciclos, que são a menor parte de uma onda. A forma de uma onda nos fornece informações valiosas sobre o sinal. Por exemplo, podemos verificar a altura que a onda atinge, o que nos ajudará a saber se a tensão mudou em algum momento ou, se virmos uma linha horizontal, isso indica que durante esse período de tempo o sinal permanece constante.
As ondas podem ser classificadas em quatro tipos diferentes, que estão listados abaixo.
Uma onda senoidal é a curva que representa graficamente o valor da tensão da corrente alternada ao longo de um tempo continuamente variável, marcado em um eixo de amplitude e outro de tempo. Elas possuem algumas características. As ondas senoidais, como variam continuamente, ou seja, não existem dois pontos adjacentes no gráfico com o mesmo valor, e um exemplo disso são as ondas analógicas.
As ondas quadradas são ondas de corrente alternada que alteram seu valor entre dois valores externos sem passar pelos valores intermediários, o que é totalmente o oposto do que ocorre em uma onda senoidal. Esse tipo de onda quadrada é utilizado principalmente para a geração de pulsos elétricos que são usados como sinais (1 e 0) que podem ser manipulados facilmente. Por exemplo, um circuito eletrônico que gera esse tipo de onda é denominado gerador de pulsos.
As ondas retangulares também são periódicas, assim como as ondas senoidais. No entanto, os gráficos dessas ondas retangulares não variam continuamente no tempo, mas a onda mantém um valor por um certo período e, posteriormente, muda repentinamente para outro valor. Esse valor é mantido por um curto período e então volta ao seu valor original. As ondas retangulares representam um sinal digital ou pulsos, e, assim como todas as ondas, podem ser descritas em termos de sua amplitude, período e frequência.
As ondas triangulares são um tipo de sinal periódico que apresenta velocidades de subida e descida constantes. O habitual é que sejam simétricas, ou seja, os tempos de subida e descida são iguais. As ondas triangulares têm um baixo conteúdo harmônico, o que faz com que se assemelhem às ondas senoidais.
Os sinais, como os pulsos e os flancos, que aparecem apenas uma vez, são chamados de sinais transitórios. Um pulso ou flanco indica uma mudança rápida na tensão, como, por exemplo, quando ligamos um interruptor de alimentação. Um pulso indica, neste mesmo exemplo, que o interruptor foi ligado e, após um determinado tempo, foi desligado. Normalmente, o pulso representa um bit de informação que atravessa um circuito ou também um pequeno defeito em um circuito, como um falso contato. Esses sinais são comuns em computadores, em comunicações e em equipamentos de raios-X.
O osciloscópio torna visíveis as tensões invisíveis. Um osciloscópio é um instrumento eletrônico que apresenta de forma óptica a tensão elétrica e seu desenvolvimento em uma tela. Ele pode exibir duas coordenadas: uma horizontal e outra vertical. O osciloscópio é um dos instrumentos de diagnóstico mais importantes na engenharia elétrica. Podemos oferecer modelos para uso móvel, mas também para uso em oficinas, ou para técnicos de desenvolvimento em laboratórios. Temos osciloscópios USB, portáteis ou de bancada, com larguras de banda de 8, 20, 25, 40, 60, 80, 100, 150 e 200 MHz. A largura de banda indica com que frequência a amplitude de uma curva senoidal diminui com uma saída de tensão de 3 dB.
O osciloscópio está disponível nas versões analógica e digital, embora hoje em dia apenas modelos digitais sejam encontrados no mercado, já que a tela geralmente é maior e colorida. Também oferece uma melhor resolução nos intervalos de µV e um dispositivo antiparasitário. Os modelos USB, digitais, osciloscópio em tempo real e/ou com registro de dados estão equipados com 1, 2 ou 4 canais, e uma tela monocromática ou colorida. O osciloscópio digital geralmente conta com um software opcional para imprimir os dados da tela ou para transferir os valores de medição para um PC. Qualquer pessoa que deseje tornar visíveis as formas de sinal pode fazer isso com um osciloscópio da loja da PCE Instruments, o que permitirá analisar o desenvolvimento temporal de uma tensão elétrica.
Torne a corrente elétrica visível: O moderador Wolfgang Rudolph explica o tema
De que cor é a corrente? No vídeo "Conhecimento sobre o osciloscópio", o jornalista e técnico Wolfgang Rudolph explica como a eletricidade pode ser tornada visível. Como os seres humanos não possuem nenhum sentido para captar a corrente elétrica, e a corrente elétrica pode ser até fatal, neste vídeo são apresentados medidores que tornam a corrente elétrica visível. Para isso, o moderador Wolfgang Rudolph trabalhará com um osciloscópio da marca PCE. A corrente não tem cor. Para detectar a corrente, precisamos ampliar nossos sentidos, ou seja, instrumentos de medição. Você sabe como a corrente é medida? Os primeiros instrumentos que mediam a corrente eram dispositivos que integravam uma bobina. Assim que a corrente passava, a agulha se movia.
As características:
O parâmetro mais importante do osciloscópio é a largura de banda. A largura de banda indica com que frequência a amplitude de uma curva senoidal diminui com uma saída de tensão de 3 dB. Isso significa que, em uma medição de amplitude, o erro será no mínimo de 30%. Para ter certeza de que o sinal do osciloscópio ainda pode ser exibido, costuma-se usar a seguinte fórmula:
O erro dos osciloscópios selecionados de acordo com esta fórmula é inferior a 2%. Existem modelos analógicos (osciloscópio de tubo de raios catódicos) e digitais. No entanto, oferecemos apenas modelos digitais. Um osciloscópio digital processa a tensão de entrada com um transdutor analógico-digital. Um parâmetro importante do osciloscópio é a velocidade de amostragem. Ela indica com que velocidade a sinal de entrada do transdutor analógico-digital é processada. Para determinar se um sinal com uma frequência específica pode ser exibido com um osciloscópio digital, costuma-se usar a seguinte fórmula:
Em relação à velocidade de amostragem, encontramos outro parâmetro importante: a profundidade de memória que deve ser observada em um sinal. A profundidade de memória indica quantos pontos de sinal um osciloscópio pode detectar para um registro de sinal. Com a fórmula que indicamos a seguir, é possível calcular o intervalo entre duas amostras de um osciloscópio. Mudanças mais rápidas não poderão ser exibidas pelo osciloscópio.
Para obter uma imagem estável e clara (oscilograma) em um sinal periódico (isso pode ser um sinal senoidal simples, mas também um sinal muito complexo), é necessário parar o feixe de elétrons a cada passo até que o sinal a ser medido tenha alcançado um determinado ponto. Para isso, é estabelecido um valor de tensão específico, que normalmente pode ser ajustado livremente para que o disparo ocorra em uma borda de subida ou de descida. Assim, uma sinal periódica será desenhada com precisão sobre a outra. Dependendo do equipamento do osciloscópio, existem outras funções de disparo ou a possibilidade de usar um disparo (trigger) externo. Frequentemente, um osciloscópio digital ou osciloscópio registrador (DSO = Digital Storage Oscilloscope), ou seja, que oferece a possibilidade de registrar os sinais. Isso pode ser feito com uma conexão direta ao PCE (USB ou RS-232) ou registrando os dados em um cartão de memória ou pen drive.
Alguns parâmetros importantes do osciloscópio
A seguir, listamos algumas das características técnicas mais importantes dos nossos modelos de osciloscópio: