Osciloscópio

Um osciloscópio analógico portátil modelo Tektronix 475A, um instrumento típico nos anos 70. Este instrumento dual-trace tem uma banda vertical de 250 MHz, uma sensibilidade vertical máxima de 5 mV por divisão, e a velocidade de varredura horizontal máxima (unmagnified) de 10 ns por divisão.

O osciloscópio é um instrumento de medida eletrônico que cria um gráfico bi-dimensional visível de uma ou mais diferenças de potencial. O eixo horizontal do ecrã (monitor) normalmente representa o tempo, tornando o instrumento útil para mostrar sinais periódicos. O eixo vertical comumente mostra a tensão. O monitor é constituído por um "ponto" que periodicamente "varre" a tela da esquerda para a direita.

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Como funciona

Osciloscópio de raios catódicos (CRO)

Diagrama em corte de um osciloscópio CRO típico.
1. Eletrodos de deflexão por tensão
2. Acelerador de elétrons
3. Raio de elétrons
4. Bobina de foco
5. Lado interior de tela revestido com fósforo

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O mais novo e mais simples tipo de osciloscópio consiste num tubo de raios catódicos, um amplificador vertical, uma base de tempo, um amplificador horizontal e uma fonte de alimentação. Estes são chamados de osciloscópios 'analógicos' para serem distinguidos dos osciloscópios 'digitais' que se tornaram relativamente comuns nos anos 90 e 2000.

Antes da introdução do tubo de raios catódicos (CRO) nesta forma atual, o mesmo já vinha sendo utilizado em outros instrumentos de medição. O tubo de raios catódicos é uma estrutura de vidro com vácuo no seu interior, similar aos tubos de televisões a preto e branco, que possuem uma face plana coberta com um material fosforescente (o fósforo). A tela possui tipicamente menos de 20 cm de diâmetro, sendo muito menos do que as telas da maioria das televisões.

A parte no pescoço do tubo é o acelerador de elétrons, que é uma placa de metal aquecida com uma malha de fios (o grid) na sua frente. Um pequeno potencial de grid é usado para bloquear os elétrons de serem acelerados quando o raio precisa ser desligado, como durante o retorno do varrimento ou quando nenhum evento de trigger (disparo de evento) ocorre. É aplicada uma diferença de potencial de, no mínimo, algumas centenas de volts para fazer com que a placa aquecida (o cátodo) fique carregado negativamente com relação às placas de deflexão. Para osciloscópios com uma largura de banda maior, onde o traço pode mover-se mais rapidamente através da tela, é tipicamente utilizada uma tensão de aceleração pós-deflexão de mais de 10 000 volts, aumentando a velocidade com que os elétrons atingem o fósforo. A energia cinética dos elétrons é então convertida pelo fósforo em luz visível no ponto do impacto. É através da variação dessa tensão que se obtém o ajuste de luminosidade.

Quando ligado, um tubo de raios catódicos (CRT) normalmente mostra um único ponto brilhante no centro da tela, porém este ponto pode ser movido eletrostaticamente ou magneticamente. O CRT de um osciloscópio utiliza a deflexão eletrostática.

Entre o acelerador de elétrons e a tela existem dois pares de placas metálicas opostos chamados de placas de deflexão. O amplificador vertical gera um diferença de potencial através de um par de placas, gerando um campo elétrico vertical, através do qual o raio de elétrons passa; quando os diferenciais das placas são os mesmos, o raio não é defletido. Quando a placa superior é positiva com relação à inferior, o raio é defletido para cima; quando o campo é invertido, o raio é defletido para baixo. O amplificador horizontal realiza uma função semelhante com os pares de placas de deflexão horizontais, fazendo com que o raio se mova para a direita ou para a esquerda. Este sistema de deflexão é chamado de deflexão eletrostática, e é diferente do sistema de deflexão eletromagnética utilizado nos tubos das televisões. Em comparação à deflexão magnética, a deflexão eletrostática pode seguir mudanças aleatórias no potencial, porém, é limitada a ângulos de deflexão pequenos.

A base de tempo é um circuito eletrônico que gera uma tensão de rampa. Esta é uma tensão que muda continuamente e linearmente no tempo. Quando ela atinge um valor pré-definido a rampa é reiniciada, com a tensão retornando ao seu valor inicial. Quando um evento de trigger é reconhecido o reset é ativado, permitindo que a rampa volte ao seu estado inicial e cresça novamente. A tensão da base de tempo geralmente controla o amplificador horizontal. O seu efeito é a varredura do raio de elétrons a uma velocidade constante da esquerda para a direita através da tela, e então retornando o raio rapidamente para a esquerda para iniciar a próxima varredura. A base de tempo pode ser ajustada para o período do sinal medido.

Desse modo, o amplificador vertical é controlado por uma tensão externa (a entrada vertical) que é tirada do circuito que está sendo medido. O amplificador possui uma impedância de entrada muito alta, de tipicamente um megaohm, de modo que ele consome apenas uma pequena corrente da fonte do sinal.

O amplificador controla a deflexão causada pelas placas verticais com uma tensão que é proporcional à entrada vertical. O ganho do amplificador vertical pode ser regulado para se ajustar à amplitude da tensão de entrada. Uma tensão positiva de entrada move o raio para cima, e uma tensão negativa o move para baixo, de modo que a deflexão vertical do ponto mostra o valor da diferença de potencial da entrada. A resposta deste sistema é muito mais rápida do que a de sistemas de medição mecânicos como os multímetros, onde a inércia do ponteiro atrasa a sua resposta para a entrada.

Quando todos estes componente trabalham simultaneamente, o resultado é um traço brilhante na tela que representa um gráfico da tensão em função do tempo. A tensão está representada pelo eixo vertical, e o tempo no horizontal.

Observar sinais de alta velocidade é difícil utilizando um osciloscópio de raios catódicos convencional, especialmente se os sinais não forem repetitivos, muitas vezes necessitando que o ambiente seja escurecido ou que uma capa especial seja colocada sobre a tela do tubo. Para auxiliar na visualização de tais tipos de sinal, utilizam-se osciloscópios especiais com tecnologia de visão noturna, utilizando uma placa com microcanais na fase do tubo para amplificar sinais de baixa intensidade de luz.

Câmera de osciloscópios da Tektronix® Modelo C-5A com pacote de filmes Polaroid instantâneos atrás.

Apesar de um osciloscópio de raios catódicos permitir que os sinais sejam vistos na sua forma elementar, não possui nenhum meio de gravar este sinal em papel para o propósito de documentação. Posteriormente, câmeras especiais para osciloscópios foram desenvolvidas para poderem fotografar a tela diretamente. A câmeras mais novas utilizavam filmes de rolo ou em chapas, enquanto nos anos 70 as câmeras instantâneas Polaroid® se tornaram populares.

A maioria dos osciloscópios multi-canais não possuem múltiplos raios de elétrons. Em contrapartida, eles mostram apenas um ponto por vez, porém alternam este entre os valores de um canal e outro, ou alternam as varreduras (modo ALT) ou várias vezes por varredura (modo CHOP). Muito poucos osciloscópios de raio duplo foram construídos; nestes, o acelerador de elétrons forma dois raios de elétrons e existem dois pares de placas de deflexão vertical e um conjunto comum da placas de deflexão horizontal.

O amplificador vertical e o controle da base de tempo são calibrados para mostrar a distância vertical na tela que corresponde a uma certa diferença de potencial, e a distância horizontal, que corresponde a um certo intervalo de tempo.

A fonte de alimentação é um componente importante do osciloscópio que provê baixas tensões para alimentar o aquecedor do catodo no tubo e os amplificadores vertical e horizontal. São necessárias altas tensões para controlar as placas de deflexão eletrostática. Estas tensões devem ser muito estáveis, já que qualquer variação causaria erros no posicionamento e brilho do traço.

Os osciloscópios analógicos mais recentes adicionaram processamento digital ao projeto padrão. A mesma arquitetura básica - tubo de raios catódicos, amplificadores vertical e horizontal - foi mantida, embora o raio de elétrons seja controlado por um circuito digital que permite mostrar gráficos e textos juntos com as formas de onda analógicas. As capacidades extra deste sistema incluem:

demonstração na tela das configurações do amplificador e da base de tempo;
cursores de tensão - linhas horizontais ajustáveis com demonstração de tensão;
cursores de tempo - linhas verticais ajustáveis com demonstração de tempo;
menus na tela para configuração do trigger e outra funções.

Osciloscópios analógicos com armazenamento

Uma capacidade extra disponível em alguns osciloscópios analógicos é chamada de 'armazenamento'. Esta permite que a imagem do traço que normalmente decai em uma fração de segundo permaneça na tala por vários minutos ou mais tempo. Um circuito elétrico então pode ser deliberadamente ativado para armazenar e apagar o traço da tela.

O armazenamento é realizado utilizando o princípio da emissão secundária. Quando o raio de elétrons de escrita ordinário passa sobre um ponto na superfície de fósforo, ele não apenas faz o fósforo se iluminar momentaneamente, além disso a energia cinética do elétron atinge elétrons livres da superfície de fósforo. Isto pode deixar uma rede de cargas positivas. Os osciloscópios com armazenamento provêem um ou mais aceleradores de elétrons, (chamados de "flood guns") que produzem um fluxo de elétrons de baixa energia que percorre toda a tela de fósforo. Os elétrons da flood gun são desenhados mais nitidamente nas áreas da tela de fósforo onde o acelerador de elétrons deixou uma rede de cargas positivas: desta forma, os elétrons das flood guns re-iluminam o fósforo nas áreas carregadas positivamente da tela.

Se a energia dos elétrons da flood gun estiver corretamente balanceada, cada elétron liberado pela flood gun atinge um elétron secundário da tela de fósforo, assim preservando a rede de cargas positivas nas áreas iluminadas de tela de fósforo. Desta forma, a imagem originalmente feita pelo raio de escrita pode ser mantida por um longo tempo. Eventualmente, pequenos desbalanceamentos na taxa de emissão secundária podem fazer com que a tela inteira seja alimentada positivamente (se ilumine) ou que se alimente negativamente (apagando a imagem). São estes desbalanceamentos que limitam o tempo máximo de armazenamento possível.

Alguns osciloscópios utilizam uma forma de armazenamento estritamente binária (on/off) conhecida como "armazenamento biestável". Outros permitem uma série constante de ciclos de limpeza curtos e incompletos que criam a impressão de um fósforo com "persistência variável". Certos osciloscópios também permitem o desligamento parcial ou total das flood guns, permitindo a preservação (invisível) da imagem armazenada para posterior vizualisação. (A alimentação positiva ou negativa ocorre somente quando as flood guns estão ligadas ("on"), com as flood guns desligadas, apenas os defeitos nas cargas podem degradar a imagem armazenada).

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Osciloscópio baseado em computador

Apesar de a maioria das pessoas pensarem no osciloscópio como um instrumento dentro de uma caixa, um novo tipo de "osciloscópio" está surgindo, o qual consiste de um conversor analógico-digital externo (algumas vezes com sua própria memória ou com habilidade de processamento de dados) conectado a um PC que provê o display, interface de controle, armazenamento em disco, rede e muitas vezes a alimentação elétrica. A viabilidade destes Osciloscópio baseados em PC esta no seu uso comum e no baixo custo dos PCs padrão. Isto torna o instrumento particularmente prático para o mercado educacional, onde os PCs são comuns porém os investimentos em equipamentos são comumente baixos.

As vantagens dos osciloscópios baseados em PC incluem:

Custo reduzido (considerando que o usuário já possua um PC).
Fácil exportação de dados para softwares comuns do PC como processadores de texto e planilhas.
Habilidade de controlar o instrumento através de um programa no PC.
Uso das funções de rede e armazenamento do computador, que aumentam o custo em um osciloscópio comum.
Portabilidade mais fácil quando utilizado em uma laptop.

Este tipo de instrumento também possui desvantagens, entre elas:

Necessidade de instalar o software no PC.
Tempo levado pelo boot do PC, quando comparado ao tempo praticamente instantâneo de início de atividades de um osciloscópio padrão (apesar de alguns osciloscópios modernos serem PCs ou máquinas similares).
Portabilidade reduzida em uma desktop.
O inconveniente de usar parte da tela do PC como display do osciloscópio.

Alternativas ao osciloscópio

Existe uma alternativa prática ao osciloscópio que pode ser útil em muitas necessidades, e algumas vezes superior em reparo de rádio, que é ouvir os sinais.

O plano básico é mixar (multiplicar) uma frequência intermediária com o sinal, e então amplificar e ouvir o resultado em um alto-falante. Em outras palavras, se utiliza a modulação em amplitude para inserir o sinal na banda de áudio. (portanto para frequências de aúdio não é necessária modulação)

Com os circuitos de estado sólido modernos, tal tipo de equipamento é barato e poder ser alimentado por uma pequena bateria.

Este sistema de diagnóstico foi muito usado quando o rádio estava no princípio de seu desenvolvimento, e ainda é utilizado na Ásia, e por alguns operadores de rádio amador. Na União Soviética, o instrumento para diagnóstico de rádios combinava um multímetro com um oscilador, um mixer de frequência e um amplificador de áudio para realizar este trabalho.

Osciloscópios na cultura popular

Nos anos 50 e 60, os osciloscópios eram frequentemente utilizados em filmes e programas de televisão para representar equipamento científico e técnico genérico, O programa da TV norte-americana de 1963 The Outer Limits usava uma imagem de um osciloscópio em seus créditos de abertura ("There is nothing wrong with your television set....") enquanto o filme Colossus: The Forbin Project mostrava um osciloscópio Tektronix RM503 montado em um rack.