Osciloscópios
Características de osciloscópios, para engenheiros, a escolha de um novo osciloscópio pode ser um problema . Existem centenas de modelos diferentes , com muito diferentes custos e especificações. Este artigo tem o objetivo de orientar estes profissionais através do labirinto de considerações e opções . Esperamos ajudá-lo a fazer a melhor escolha , otimizando seus investimentos .
Características de osciloscópios
1- Consideração inicial:
O primeiro passo na escolha de um osciloscópio não é olhar para anúncios ou especificações , mas sim investir algum tempo pensando sobre o que vamos fazer com ele e onde.
- Onde vamos usar o osciloscópio (na bancada , no cliente, sob o teto de um carro)?
- Quantos sinais precisamos medir ao mesmo tempo?
- Quais são as amplitudes máximas e mínimas de sinais que precisamos medir?
- Qual é a maior frequência de sinal que precisamos medir?
- São sinais repetitivos ou single shot ?
- Precisamos ver sinais no domínio da frequência (análise espectral), bem como o domínio do tempo?
- Vamos necessitar de geradores ( função ou arbitrário ) ? Análise logica ? Barramento serial ? Canais isolados ?
Com as respostas acima podemos começar a escolher nossa melhor alternativa de osciloscópio para as nossas aplicações.
2- Analógico ou Digital?
O foco deste artigo é sobre osciloscópios digitais de armazenamento , pois representam a maioria dos novos osciloscópios comprados hoje em dia . Antes de descrever o que procurar em um osciloscópio digital, é necessário começar por pelo menos lembrar dos analógico.
A maioria dos engenheiros eletrônicos devem ter usado um osciloscópio analógico em algum tempo e vai estar familiarizado com o seu layout e operação. Na verdade, muitas pessoas que compram osciloscópios hoje estão substituindo analógico por digital.
Embora ainda existam alguns engenheiros que amam a aparência de osciloscópios analógicos, existem muito pouco recursos que não pode ser superados por um DSO .
Se você ainda está tentado por um osciloscópio analógico , vai encontrar pouca opções no mercado . Somente alguns fabricantes ainda fazem osciloscópios analógicos; alguns dos modelos à venda ainda são baseados em tecnologia bastante antiga e muitas vezes têm desempenho muito limitado.
A compra de um segundo osciloscópio analógico pode inicialmente parecer interessante em função de preço , mas antes de fazer esta aquisição verifique se há a disponibilidade de peças de reposição . Altos custos de reparo podem fazer com que a compra represente na verdade uma falsa economia .
De uma forma geral osciloscópios digitais apresentam as seguintes vantagens em relação aos analógicos :
- São pequenos e portáteis
- Têm maior largura de banda
- Possibilitam aquisição single shot
- Possuem telas coloridas
- Fornecem medidas automáticas na tela
- Tenha interface com usuário bem simples
- Possibilitam armazenamento e impressão
- Possuem conectividade para transferência de dados para outros dispositivos digitais
DSO modernos com sua conectividade , também podem ser totalmente integrado com equipamentos de teste automático (sistemas ATE) . Além disso, o DSO é frequentemente utilizado em sistemas de aquisição de dados de alta velocidade, tornando assim seu custo por canal muito mais interessante que os antigos analógicos .
3- Largura de banda:
O primeiro aspecto a ser considerado é a largura de banda. Este pode ser definido como a frequência máxima do sinal que pode passar através dos amplificadores verticais de um osciloscópio . Daí resulta que a largura de banda de um DSO sempre deve ser superior à frequência máxima que desejamos medir (tempo real).
Largura de banda sozinha não é suficiente para garantir que um DSO pode captar com precisão um sinal de alta frequência . Existem outros parâmetros relacionados a amplificadores que também devem ser observados . O objetivo dos fabricantes de osciloscópios é o de alcançar um tipo específico de resposta de frequência com os seus projetos , garantindo uma excelente fidelidade na resposta de um pulso .
É interessante notar que a maioria dos fabricantes de osciloscópios definem a largura de banda como a frequência com que um sinal de entrada de uma onda senoidal será atenuado a 71% de sua verdadeira amplitude (-3 ponto dB). Ou seja , eles admitem um erro de 29% , caso a largura de banda do DSO tenha a mesma frequência do sinal que estamos aplicando na entrada.
Lembre-se também que, se o sinal de entrada não é uma onda senoidal pura, ele irá conter harmônicos de frequências mais alta. Por exemplo, uma onda quadrada pura de 20 MHz vista em um osciloscópio de largura de banda de 20 MHz será exibida como uma forma de onda atenuada e distorcida. Como regra geral, devemos comprar um osciloscópio com uma largura de banda cinco vezes maior do que a frequência do sinal que desejamos medir.
4- Taxa de amostragem:
Para um osciloscópio analógico basta escolher a largura de banda . Para um osciloscópio digital, a taxa de amostragem e profundidade de memória são igualmente importantes. Para um DSO a taxa de amostragem é normalmente especificada na mega amostras por segundo (MS / s) ou gigasamples por segundo (GS / s). O critério de Nyquist afirma que a taxa de amostragem deve ser, pelo menos, o dobro da frequência máxima que você quer medir: para um analisador de espectro isso pode ser verdade, mas para um osciloscópio será necessário pelo menos, 5 amostras por ciclo para reconstruir com precisão uma forma de onda.
A maioria dos osciloscópios têm duas taxas de amostragem diferentes (modos), dependendo do sinal a ser medido: em tempo real e amostragem em tempo equivalente ( ETS ) , muitas vezes chamado de amostragem repetitiva. No entanto, ETS só funciona se o sinal que pretendemos medir é estável e repetitivo, uma vez que este modo funciona através da construção de forma de onda de aquisições sucessivas.
Por exemplo, o módulo Picotech de 12 bits ADC-212/100 pode provar em tempo real 100 MS / s ou, para formas de onda repetitivas, em 5 GS / s. A Figura 1a mostra uma onda quadrada de 20 MHz capturada com uma taxa de amostragem de 50 MS / s-quase irreconhecível em comparação com a Figura 1b, a mesma onda capturado em 5 GS / s. Agora, 5 GS / s parece muito bem, mas lembre-se que, se o sinal é uma forma de onda de vídeo ou transitório . Sendo assim o ETS não vai funcionar e teremos de contar com o tempo real (Single Shot ) de largura de banda, que é tipicamente muito mais baixa mas que demanda uma taxa de amostragem muito maior .
Alguns fabricantes definem diferentes taxas de amostragem, dependendo do número de canais em utilização. Normalmente, a taxa de amostragem no modo de canal único é o dobro no modo de canal duplo .
Figura 1a: 20 MHZ onda quadrada capturada com taxa de amostragem de 50 MS/s.
Figura 1b: 20 MHZ onda quadrada capturada com taxa de amostragem de 5 GS/s.
4- Profundidade de memória:
Profundidade de memória é talvez o aspecto menos compreendido de um DSO , no entanto é um dos mais importantes .
Um DSO captura amostras em uma memória tampão com uma certa taxa de amostragem, o tamanho da memória tampão determina quanto tempo este DSO poderá capturar o sinal antes que sua memória fique cheia.
A relação entre a taxa de amostragem e a profundidade de memória é importante. Caso um DSO disponha de uma alta taxa de amostragem mas uma memória pequena , este osciloscópio somente vai ser capaz de usar a sua taxa de amostragem total no topo da sua base de tempo . A Figura 2a mostra 200 us de uma forma de onda de vídeo capturados utilizando um k de memória buffer. A memória tampão 1 k limita a taxa de amostragem de 5 MS / s (1 K / 200 us), mesmo que o DSO seja capaz de amostragem em 100 MS / s.
À primeira vista, o DSO parece ter capturado a forma de onda satisfatoriamente . No entanto, a limitação da pequena memória tampão é revelada quando a forma de onda é expandida para “zoom in ‘no sinal de sincronismo de cor (Figura 2b). O burst de cor dura cerca de 5 mS por isso só é representado por 25 pontos da memória . Quando aumentar o zoom, aqueles poucos pontos são usados para preencher a tela.
A Figura 2c mostra a mesma secção de sincronismo de cor da forma de onda de vídeo, mas desta vez capturada sobre um alcance com uma memória tampão 128 kB. Temos mais de 3000 pontos disponíveis para representar a seção burst de cor e a diferença é perceptível.
Figura 2a: 200 µs de uma forma de onda de vídeo capturada com uma memória de 1 K .
Figura 2c: Mostra a mesma forma de onda adquirida por um DSO com 128 kB de memória .
5- Resolução e acuidade:
A maioria dos DSOs são otimizados para uso com sinais digitais rápidos e possuem resolução única de 8 bits .
Com 8 bits, o valor vertical de um sinal é dividido em 256 níveis verticais (2 exp 8 = 256). Exemplo ; um intervalo de ± 1 V selecionado, corresponde a cerca de 8 mV por nível . Isto pode ser adequado para a visualização de sinais digitais, mas deixar a desejar para a visualização de sinais analógicos, especialmente quando se utiliza a função de analisador de espectro em um osciloscópio .
Para aplicações de áudio, ruído, vibração e sensores de monitoramento (temperatura, corrente, pressão) um osciloscópio de 8 bits muitas vezes não é adequado e você deve considerar um DSO de 12 ou 16 bits.
Quanto à precisão de um DSO, não é geralmente considerado como muito importante. Você pode fazer medições admitindo alguns por cento de erro (a maioria dos DSO de 8 bits citar 3% a 5% de precisão DC) . Para medições mais precisas sugerimos a utilização um multímetro.
Osciloscópios com alta resolução (12 bits ou mais) e alta precisão de DC são muitas vezes referidos como osciloscópios de precisão .
6- Capacidades de Trigger (Disparo da Varredura):
A função de trigger sincroniza a varredura horizontal no ponto correto de seu sinal: isso é essencial para a caracterização de um sinal com osciloscópios . Controles de trigger permitem estabilizar na tela formas de onda repetitivas e capturar formas de onda single shot . Dependendo do tipo de sinais que estão sendo investigados, vale a pena olhar para as opções de trigger oferecidas pelos fabricante de osciloscópios . Todos os DSOs oferecem as mesmas opções básicas de disparo (fonte, nível, inclinação, pré / pós trigger ) , mas diferem nas funções de trigger mais avançadas que podem ser essências dependendo da aplicação .
7- Faixa de entrada e probes (pontas de prova):
Tipicamente osciloscópios irão oferecer entrada de ± 50 mV a ± 50 V. Tensões mais elevadas podem ser medidas por meio de pontas de prova 10: 1 e 100: 1 . Para aplicações que demandam constante medidas de pequenos sinais (menos de 50 mV), considerar a compra de um DSO com uma resolução de 12 ou 16 bits. Um osciloscópio de 16 bits tem 256 vezes a resolução vertical de com de 8 bits, tornando possível ‘zoom in’ em sinais de milivolts e nível microvolt.
Verifique se o DSO oferece pontas de prova compatíveis a sua largura de banda . Alguns fabricantes fazem economia oferecendo pontas de prova com resposta de frequência inferior a do osciloscópio , deixando como opção as pontas que realmente deveriam acompanhar os DSOs. A maioria das pontas de prova podem ser selecionadas entre 1: 1 e 10: 1 de atenuação. Sempre que possível, use o 10: 1 , assim podemos minimizar o carregamento no circuito em teste e aumentar a proteção contra sobrecarga .
Para sinais de muito alta velocidade (> 200 MHz), pontas de prova passivas passam a apresentar problemas causados pela capacitância do cabo . Isso pode ser resolvido através do investimento em uma sonda FET ativa que coloca um amplificador tampão na ponta de prova. Para a medição de altas tensões, por exemplo ± 100 V, alimentação e 3 tensões de fase, a opção mais segura é usar um osciloscópio com ponta de prova diferencial isolada .
8- Categorias e considerações:
DSOs podem ser divididos em três categorias: tradicional bancada, handheld, e baseado em PC.
DSOs de bancada normalmente têm o melhor performance , e isso acaba refletido no custo. Características tais como análise de espectro FFT, interfaces de PC, unidades de disco e impressoras todos são muito caras.
Osciloscópios portáteis têm vantagens óbvias para um engenheiro em movimento, mas cuidado com as telas de baixa qualidade (difíceis de ler à luz do sol) e com a curta duração das baterias. Para um determinado nível de desempenho os portáteis também podem ser opções com custo benefício muito elevado .
Osciloscópios baseados em PC estão crescendo em popularidade , este osciloscópios oferecem uma economia de custos considerável sobre os seus equivalentes de bancada. A razão para a redução de custos é óbvia ; eles utilizam os recursos disponíveis no computados já instado em sua mesa, você acaba com um grande display colorido, rápido processador, unidades de disco e teclado efetivamente de graça . A capacidade de exportar dados para editores de texto e planilhas com um par de cliques do mouse também é uma grande vantagem.
Osciloscópios baseados em PC vêm em duas variedades: externos e internos. DSOs baseados em PC internos geralmente vêm em formato de plug PCI em forma de cartões. Em teoria, estes devem ser a opção de menor custo, mas isso nem sempre é verdade . A principal desvantagem de placas de PC é o ruído eletromagnético dentro de um computador . Outra questão é a portabilidade; osciloscópios baseados em cartões de PC estão vinculados a ser usado com um PC desktop.
Osciloscópios baseados em PCs externos assumiram a forma de uma pequena caixa que se conectam ao PC através de portas USB. Ao manter todos os componentes eletrônicos analógicos fora do PC, o problema de interferência é evitado. Uma segunda vantagem dos osciloscópios baseados em PC externos é a portabilidade, eles podem ser usados com qualquer desktop ou laptops.
9- Conclusão:
Assim como na vida os osciloscópios vêm evoluindo desde da criação dos analógicos que também eram de bancada , passando pelo DSOs de bancada e campo até os atuais osciloscópios USB. Conheça primeiro sua aplicação e necessidades , avalie seu orçamento e faça sua escolha !!
