Pratica 3 Osciloscopio

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Universidade Federal de Pernambuco
CCEN - Departamento de Física
Física Experimental 2
Prática 3: Material suplementar (Osciloscópio)
1 Introdução
O osciloscópio é um instrumento de medida que nos fornece em sua tela a forma de uma tensão em função do
tempo. Inicialmente, descreveremos o seu princípio de funcionamento. Na sequência, o aluno terá o seu primeiro
contato com o mesmo, aprendendo a fazer os ajustes necessários para visualizar um sinal de um gerador de funções
(equipamento eletrônico que fornece diferentes formas de tensão, com valores de tensão e frequências ajustáveis).
Por último, o aluno fará o estudo das tensões em um circuito e também medirá a capacitância de um capacitor
utilizando o osciloscópio.
2 Princípio de funcionamento (osciloscópios analógicos)
Sabemos que um elétron de trajetória perpendicular a um campo elétrico uniforme sofrerá uma deflexão na direção
do campo. A forma de conseguir um campo elétrico uniforme é através de um capacitor de placas paralelas e o
elétron pode ser obtido de uma placa aquecida. A ilustração desta situação é dada na figura 1. Este é o princípio
básico para entender o funcionamento do osciloscópio (deflexão dos elétrons pelo campo elétrico).
Terminal positivo (+)
Elétron
Terminal positivo (-)
Anteparo
Figura 1: Deflexão de um elétron por um campo elétrico uniforme.
O osciloscópio é um tubo onde existem placas destinadas a defletir um feixe de elétrons que incidirá em uma tela
fosforescente, sobre a qual a trajetória do elétron é traçada. A figura que aparecerá no anteparo (tela fosforescente)
corresponderá à forma da tensão aplicada em uma de suas placas (entrada do osciloscópio) ou a uma combinação
das tensões aplicadas nas suas placas (figuras de Lissajous). Este tubo possui um nome específico: TUBO DE
RAIOS CATÓDICOS (CRT).
Cátodo
Grade
Foco
Cilindros de We
Ánodo
Feixe de
Canhão de 
elétrons
Placas de 
deflexão
horizontal
Feixe de
elétrons
F
e
d
hnelt
Placas de 
deflexão vertical
Feixe de 
elétrons
efletidos
Figura 2: Esquema simplificado de um tubo de raios catódicos.
Na figura 2 é mostrado o esquema simplificado de um CRT. O CRT inclui: canhão de elétrons, cilindros de
Wehnelt, duas placas de deflexão (vertical e horizontal) e a tela fosforescente. O canhão de elétrons não passa
de um filamento, idêntico ao de uma lâmpada incandescente, que ao ser ligado aquece uma placa próxima ao
filamento fazendo com que a mesma emita elétrons, isto ocorre devido à alta temperatura atingida pela placa.
Estes elétrons são acelerados pelo campo elétrico (muito intenso) que se estabelece, entre o canhão de elétrons
(cátodo) e o ânodo. O feixe de elétrons, assim produzido, passa em seguida entre duas placas verticais e duas
horizontais, sendo defletido pelos campos elétricos existentes entre estas nas placas, e então incidirá sobre uma
tela fosforescente apresentando uma trajetória cuja forma depende da tensão aplicada em cada par de placas. A
grade, veja a Fig. 2, entre o canhão de elétrons e o ânodo serve para controlar a intensidade do feixe de elétrons
que é emitido pelo canhão de elétrons. Quanto maior for o potencial (campo elétrico) aplicado na grade em relação
ao potencial do cátodo, maior será o número de elétrons que passa pela grade, ou seja, ajustando este potencial
estaremos controlando a intensidade do feixe.
Cilindros de W
Filamento
Catodo
Cilindros de W
Elétrons
WehneltWehnelt
Tela fosforescente
Ponto luminoso
Campo elétrico
Figura 3: Ilustração de como os cilindros de Wehnelt focalizam o feixe de elétrons.
Após a grade temos os cilindros de Wehnelt, cuja função é colimar o feixe tornando assim a imagem mais
nítida na tela. Esta focalização do feixe é obtida aplicando-se uma diferença de potencial entre os dois cilindros.
A configuração do campo elétrico entre os cilindros é tal que os elétrons, ao penetrarem no interior dos mesmos,
tendem a se deslocarem para o centro, como mostra a Fig. 3. Este dispositivo funciona como uma lente para o
feixe de elétrons, cujo foco deve ser ajustado para se formar exatamente sobre a tela fosforescente do osciloscópio.
Uma tensão aplicada a qualquer par de placas (vertical ou horizontal) cria um campo elétrico que desvia o
feixe, mudando assim a posição na tela. Esta deflexão é proporcional à tensão aplicada. Deste modo, obtemos
a leitura da tensão medindo-a na tela. Se colocarmos um sinal nas placas de deflexão horizontal, com a forma
mostrada na figura 4(b), o feixe se deslocará da esquerda para a direita com a mesma frequência do sinal.
(A)Sinal de interesse
(B)Varredura
(C)Pulsos de apagamento
(D) Imagem vista na tela
Figura 4: Formas de tensões discutidas no texto.
A forma de onda responsável pelo movimento horizontal do feixe de elétrons (feixe luminoso que varre a tela) é
uma forma de onda dente-de-serra vista na figura 4(b). Esta forma de onda, que é aplicada nas placas de deflexão
horizontal, é gerada internamente pelo circuito gerador-de-varredura e tem o seu período controlado pelo operador
do osciloscópio. A frequência de varredura é tal que permite sincronizar o período da varredura com o período
da forma de onda aplicada nas placas de deflexão vertical. Por exemplo, quando aplicamos um sinal tipo onda
quadrada, nas placas de deflexão vertical (Figura 4(a)), o período de varredura deve ser ajustado para um múltiplo
do período da forma de onda quadrada. O período da varredura mostrada na Figura 4(b) é duas vezes o período
da onda quadrada. Desta forma será mostrado dois períodos da forma de onda quadrada na tela do osciloscópio,
como mostrado na figura 4(d). Ao terminar a varredura, o feixe apaga e volta para a posição inicial. Isto ocorre
pois pulsos de apagamento são gerados em fase com a varredura.
3 Sincronismo de varredura
Ao conectarmos a saída do gerador de funções a uma das entradas do osciloscópio, este pode mostrar dois sinais
de tensões diferentes na mesma tela. Ao conectar o sinal no osciloscópio o mesmo pode não aparecer parado
na tela. Isto acontece se o início da varredura do osciloscópio não estiver sincronizado com o sinal de entrada.
Fazer o sinal ficar parado na tela é sincronizar a varredura do osciloscópio com o sinal de entrada. Para que o
osciloscópio sincronize os sinais (entrada e varredura) é necessário dar ao mesmo alguma informação para que ele
inicie a varredura no instante correto, de modo que o sinal apareça parado na tela. Esta informação é dada por um
dos modos de sincronismo; no osciloscópio que temos em sala são: V. MODE, CH1, CH2, LINE e EXT. Selecione
CH1 ou CH2, dependendo de qual dos canais é aquele ao qual o sinal está ligado. Depois de selecionado o modo
de sincronismo, existe no osciloscópio um circuito que gera, de acordo com o modo selecionado, um sinal em forma
de GATILHO. A função deste GATILHO é iniciar a VARREDURA.
Figura 5: Sinal de gatilho e sinal de varredura.
Uma outra informação tem que ser dada ao circuito de sincronismo para que ele saiba quando deve ser iniciada
a varredura, ou melhor, em que instante do sinal ele deve gerar o sinal de GATILHO (trigger) que dispara a
VARREDURA. Este é o ajuste de nível, que se dá através de um botão de controle que nos permite selecionar o
nível de tensão Vg e assim determinar em que ponto do sinal queremos que seja iniciada a VARREDURA. Observe
que o nível de tensão Vg é atingido em vários pontos da senoide, onde o sinal é crescente ou decrescente, podemos
escolher o sinal de GATILHO para qualquer nível de sinal. Observe também que o Vg deve estar no intervalo da
tensão pico-a-pico do sinal. Ajuste o botão do nível para que o sinal fique parado na tela. Na Fig. 5, mostramos
o sinal aplicado, o sinal de GATILHO gerado internamente e o sinal de VARREDURA.
4 Acoplamentos AC e DC
A impedância de um osciloscópiopode ser representada por uma resistência e um capacitor em paralelo, é o que
chamamos de circuito equivalente. Na Fig. 6 mostramos este circuito com o amplificador das placas verticais.
O sinal de entrada, vindo do gerador de funções, pode ter uma componente alternada (AC) e uma componente
contínua (DC). Para termos na saída do gerador de funções uma componente DC, além da componente AC,
é necessário mudarmos a posição do botão �DC OFFSET� no gerador. Esta componente pode ser positiva ou
negativa dependendo da posição do botão do �DC OFFSET�.
Em algumas aplicações deseja-se medir apenas a componente AC do sinal de entrada. O osciloscópio possui
uma chave seletora que determina se o sinal mostrado na sua tela terá componente DC ou não, quando ele estiver
mostrando apenas o sinal AC diz-se que está no ACOPLAMENTO AC e quando estiver mostrando o sinal AC
e o sinal DC diz-se que está no ACOPLAMENTO DC. O osciloscópio anula a componente contínua colocando
Figura 6: Circuito equivalente de um dos canais de entrada do osciloscópio.
um capacitor em série com a sua entrada. Lembrando que a impedância capacitiva é dada por XC = 1/ωC
onde ω é a frequência angular do sinal em rad/s e C a capacitância do capacitor. Uma componente DC possui
uma frequência nula e consequentemente a impedância capacitiva para a esta componente será infinita. Portanto,
após o capacitor, não existirá componente DC e o osciloscópio mostrará em sua tela apenas a componente AC
do sinal. Uma observação a respeito das características físicas do osciloscópio é que, se o sinal de entrada tiver
uma frequência baixa ele será atenuado pelo próprio capacitor que corta a componente DC. Existe uma frequência
na qual os osciloscópios começam a atenuar o sinal AC, chamada frequência de corte que para a maioria dos
osciloscópios é da ordem de 10 Hz. Na Fig. 7 vemos um sinal com componentes AC e DC e o sinal mostrado na
tela, de acordo com o acoplamento escolhido.
Figura 7: Sinal de entrada e as respectivas saídas, exemplificando os dois tipos de acoplamento.
5 Osciloscópios Digitais
Algumas partes funcionais (blocos) de um osciloscópio digital são os mesmas dos osciloscópios analógicos. Entre-
tanto, os osciloscópios digitais não usam feixes de eletrons para visualização de sinais. Estes osciloscopios possuem
sistemas adicionais que permitem o armazenamento e o processamento de dados referentes a um sinal em uma
memória, antes de o visualizar na tela do osciloscópio. A Fig. 8 mostra o diagrama de blocos de um osciloscópio
digital.
Tal como num osciloscópio analógico, quando se liga um osciloscópio digital a um dado circuito, o sistema
vertical permite ajustar a amplitude do sinal. Em seguida, um conversor analógico/digital (Analog to Digital
Converter) amostra o sinal (com uma determinada frequência de amostragem) e converte o valor de tensão continua
de cada amostra para um formato digital.
O sistema horizontal possui um relógio (sample clock) que determina a frequência com que o conversor analó-
gico/digital adquire e converte uma amostra do sinal. Este processo determina a velocidade de amostragem, que
é medida em amostras por segundo.
	
  
Figura 8: Diagrama de blocos de um osciloscópio digital (Tektronics)
As amostras são armazenadas numa memória como pontos constituintes da forma de onda do sinal. Uma
amostra é constituída por vários dígitos binários (bits - binary digits) e pode ter um comprimento de, por exemplo,
oito bits (correspondendo a 28 = 256 níveis diferentes de tensão).
O conjunto de amostras que representa uma forma de onda denomina-se de registro. O sistema de sincronismo
determina o início e fim deste registro, definindo um número de amostras denominado de comprimento do registro.
Depois deste registro ser armazenado na memória, ele é enviado para a tela do osciloscópio, que vai permitir a
visualização da forma temporal do sinal.
5.1 Métodos de Amostragem (nos Osciloscópios Digitais)
O método de amostragem define como é que um osciloscópio digital faz a aquisição das amostras. Para sinais
de variação lenta (baixa frequência), não há dificuldade em adquirir a quantidade de amostras suficiente para
construir uma imagem de qualidade. No entanto, para sinais de variação rápida (alta frequência) e dependendo da
frequência de amostragem máxima de cada osciloscópio em particular, o osciloscópio poderá não adquirir o número
suficiente de amostras. Tem-se basicamente dois métodos de amostragem nesses casos:
i) Amostragem em tempo-real (real-time sampling).
O osciloscópio adquire o máximo número de amostras num único ciclo de aquisição (como indicado na Fig.
9) e depois poderá utilizar interpolação para melhor reconstruir a imagem. A interpolação é uma técnica de
processamento que permite estimar a forma de onda baseado em alguns pontos apenas.
ii) Amostragem em tempo-equivalente (equivalent-time sampling).
O osciloscópio adquire amostras em vários ciclos de aquisição, onde uma pequena parte do sinal é capturada
em cada ciclo.
Amostragem em tempo-real (com ou sem interpolação).
	
  
Figura 9: Amostragem em tempo real (Tektronics)
Normalmente os osciloscópios digitais utilizam a amostragem em tempo real. Nesse modo de amostragem o
osciloscopio adquire a quantidade suficiente de amostras necessárias para reconstruir o sinal. Entretanto, para
sinais com variação temporal mais rápida que sua velocidade de amostragem, os osciloscópios podem utilizar a
interpolação de pontos para melhor visualizar os sinais. Basicamente, existem dois tipos de interpolação:
1. Interpolação linear: Simplesmente conecta os pontos amostrados com linhas retas.
2. Interpolação senoidal: Conecta os pontos amostrados através de �partes de senoides�. Com a interpolação
senoidal, são calculados os pontos de modo a preencher o tempo entre as amostras reais. Usando este processo, um
sinal que é amostrado apenas algumas vezes num ciclo de aquisição pode ser representado com grande qualidade
na tela.
O osciloscópio adquire amostras em vários ciclos de aquisição, onde uma pequena parte do sinal é capturada
em cada ciclo de aquisição.
A Fig. 10 abaixo ilustra estes dois tipos de interpolação.
	
  
Figura 10: Interpolação linear e senoidal (Tektronics)
Amostragem em tempo-equivalente Este modo de amostragem constrói uma imagem de um sinal captu-
rando uma parcela da sua informação em cada ciclo de aquisição. Como se pode observer na Fig. 11 abaixo, em
cada ciclo de aquisição é guardada um pequena informação sobre o sinal. Ao fim de alguns ciclos de aquisição
(quatro, no caso da figura), o sinal pode ser completamente reconstruído e visualizado.
	
  
Figura 11: Amostragem em tempo equivalente (Tektronics)
6 Controles e indicadores
Na figura 12 é mostrada a parte frontal do osciloscópio utilizado na bancada.
 
1 Introdução
30 Osciloscópios Agilent série 1000B Guia do usuário
Etapa 7. Familiarizar-se com os controles do painel frontal
Antes de usar o osciloscópio, familiarize- se com os controles do painel 
frontal.
O painel frontal tem botões giratórios, teclas e teclas virtuais. Os botões 
giratórios são usados geralmente para fazer ajustes. As teclas são usadas 
para fazer controles e alterar outras configurações do osciloscópio por 
meio de menus e teclas virtuais.
Botão Entry Controles horizontais Controles de operação
Controles do menuControles verticais Controles de disparo
Teclas virtuais
Controles de configuração e arquivo
Funções matemáticas Formas de onda de referência
Figura 6 Painel frontal
Figura 12: Painel frontal de um osciloscópio, Modelo DSO1052B da Agilen.
	
  
Figura 13: Osciloscópio, Modelo DSO1052B da Agilent.
Referência:
[1] ABC do Osciloscópio, Mário Ferreira Alves, Departamento de Engenharia Electrotécnica, Instituto Politéc-
nico do Porto, 1998.