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O osciloscópio é um instrumento de medição eletrônica de grande utilidade. Como diz o ditado, a eletricidade é algo que não pode ser visto nem tocado. Mas o osciloscópio pode nos ajudar a “ver” os sinais elétricos, facilitando assim o estudo das variações dos vários fenômenos elétricos. Portanto, a função principal do osciloscópio, como seu nome já indica, é exibir a forma de onda dos sinais elétricos, para que engenheiros possam identificar problemas ou avaliar o desempenho do sistema, entre outras coisas. E as formas de onda também têm várias definições, como as formas de onda no domínio temporal ou no domínio de frequência. Para um osciloscópio, na maioria das vezes o que é medido é a variação da tensão ao longo do tempo, ou seja, a forma de onda no domínio temporal. Portanto, o osciloscópio pode analisar as variações de tensão no ponto a ser medido, sendo assim amplamente utilizado em diversos setores e áreas da indústria eletrônica. Geralmente, em nosso setor, os osciloscópios são classificados apenas como osciloscópios analógicos e digitais. Algumas fabricantes podem dar a seus produtos outros nomes, com o objetivo de destacar alguma função específica do osciloscópio, como, por exemplo, osciloscópio digital fluorescente. Mas seu princípio fundamental ainda não escapa a essas duas categorias principais de osciloscópios. O osciloscópio analógico pertence à geração inicial de osciloscópios. Ele se baseia em um tubo de raios catódicos (também chamado de tubo de imagem, amplamente utilizado em televisores e monitores antigos). Um feixe eletrônico emitido por esse tubo é direcionado para a superfície fluorescente da tela, por meio de sistemas de deflexão horizontal e vertical, permitindo assim a visualização da forma de onda. No entanto, atualmente, o único vantagem que ainda resta aos osciloscópios simulados parece ser o preço. Ele não possui capacidade de armazenar dados ou analisar formas de onda; sua função de disparo também é limitada. Além disso, ele não consegue capturar sinais únicos ou esporádicos. Como utiliza muitos componentes analógicos em seu interior, esses componentes podem sofrer alterações com as mudanças de temperatura ao longo do tempo, o que torna seu desempenho instável. Nos dias de hoje, os osciloscópios analógicos foram quase completamente substituídos nas medições eletrônicas modernas; portanto, o que discutiremos hoje são principalmente osciloscópios digitais. Nos primeiros osciloscópios digitais, devido às limitações da tecnologia de exibição, ainda se utilizava a tela CRT (Cathode Ray Tube, tubo de raios catódicos) dos osciloscópios analógicos. A principal diferença entre um osciloscópio digital e um osciloscópio analógico é que o sinal de entrada não é exibido diretamente na tela. Em vez disso, o sinal é amostrado e processado digitalmente por meio de um ADC (Conversor Analógico-Digital), sendo posteriormente armazenado em um cache de alta velocidade. Depois, os dados são lidos por meio de circuitos de processamento de sinais. Como os osciloscópios digitais antigos utilizavam tubos de raios catódicos para a exibição das imagens, era necessário usar um conversor DAC para transformar os sinais digitais em sinais analógicos, que seriam então exibidos na tela do tubo de raios catódicos. Os osciloscópios digitais modernos também já não utilizam, na sua maioria, telas CRT. Em vez disso, eles usam telas de cristal líquido. Isso faz com que seu tamanho seja muito menor. Além disso, alguns desses osciloscópios possuem funcionalidades de toque, o que torna sua operação ainda mais fácil. Também não é mais necessário converter os pontos de amostragem digitais em sinais analógicos. Como não há diferença essencial entre eles em termos de estrutura funcional, o setor industrial geralmente também não utiliza os termos “osciloscópio CRT” e “osciloscópio LCD”. Os osciloscópios digitais são frequentemente chamados de osciloscópios digitais de armazenamento, pois um aspecto importante neles é o armazenamento dos dados coletados pelo ADC. O processo principal de coleta de dados pelos osciloscópios digitais modernos pode ser compreendido de forma intuitiva por meio da placa-mãe deste osciloscópio inteligente Mackox STO1104C: ① O sinal é atenuado pela sonda, até chegar à proporção adequada, para então ser enviado à parte frontal do osciloscópio. A tensão máxima que um osciloscópio consegue medir depende, em geral, da sonda. A sonda permite, por meio da atenuação, transformar sinais de tensão de milhares de volts em dezenas de volts. ②O sinal chega aos atenuadores e amplificadores da parte frontal por meio de circuitos de acoplamento. No software do osciloscópio, isso se manifesta na regulação do nível vertical, de modo que a forma de onda ocupe o máximo possível da tela. Assim, a precisão vertical é aumentada, tornando as medições mais precisas. A parte frontal determina, em grande medida, o primeiro indicador de um osciloscópio: a largura de banda. ③O processador ARM controla o FPGA para ajustar a taxa de amostragem do conversor analógico-digitado ADC. No software do osciloscópio, isso se manifesta como um ajuste no período de tempo de amostragem. Como a profundidade de armazenamento é um valor fixo, a taxa de amostragem é igual à profundidade de armazenamento dividida pelo tempo de gravação do sinal. Geralmente, as mudanças no período de tempo de amostragem são feitas por meio da alteração da taxa de amostragem. Portanto, a taxa de amostragem indicada pelo fabricante geralmente só é válida em um determinado período de tempo; em períodos mais longos, devido à profundidade de armazenamento, a taxa de amostragem precisa ser reduzida. Os conversores ADC de conversão analógico-digitais e a memória RAM de alta velocidade influenciam outros dois indicadores importantes do osciloscópio: a taxa de amostragem e a profundidade de armazenamento. ④Em seguida, o FPGA controla a amostragem síncrona do ADC, que converte os dados coletados em formato binário e os armazena no cache de alta velocidade. O cache de memória é o que determina a profundidade de armazenamento. Geralmente, o tamanho da memória é quatro vezes maior do que o valor indicado pelo osciloscópio para a profundidade de armazenamento. Como o FPGA não consegue controlar o disparo do osciloscópio, os sinais coletados são, inicialmente, o dobro do valor indicado para a profundidade de armazenamento. Em seguida, é feita uma seleção dos sinais com base no disparo, de modo que o osciloscópio consiga visualizar as ondas anteriores ao ponto de disparo. Além disso, como o osciloscópio precisa coletar os sinais de forma contínua antes da filtragem, caso a coleta seja interrompida, a taxa de captura dos sinais será muito baixa. Por isso, é necessário continuar coletando pontos de amostragem com o mesmo comprimento, repetindo esse processo. Dessa forma, o número de pontos de amostragem acaba sendo quatro vezes maior. ⑤Após receber a instrução de disparo, a memória transfere os dados para o processador ARM, que os processa. Em seguida, o processador ARM exibe os dados na tela de visualização, para que o usuário possa vê-los. Por meio de cálculos, o osciloscópio também consegue imitar uma exibição de brilho em vários níveis, semelhante à dos osciloscópios analógicos, além dos efeitos de temperatura de cor e da exibição de resíduo luminoso, próprios dos osciloscópios digitais. ⑦Após o osciloscópio processar os dados, é possível salvar a imagem da forma de onda atual ou os dados em uma memória. Vale ressaltar que esse tipo de armazenamento é completamente diferente do cache de alta velocidade. A maioria dos osciloscópios utiliza memórias externas, como pen drives, cartões SD ou computadores. Atualmente, alguns osciloscópios modernos possuem uma grande capacidade de armazenamento integrada, permitindo que os dados sejam salvos diretamente neles. Nesse processo, ②③④ são todos processados em paralelo. Devido às limitações na velocidade de processamento dos osciloscópios digitais, não é possível garantir que a forma de onda do sinal a ser medido seja exibida continuamente em tempo real na tela. Há perda de dados relacionados às formas de onda entre as duas exibições, o que é conhecido como “tempo de morte”. Esse é o maior defeito dos osciloscópios digitais em comparação com os osciloscópios analógicos. No entanto, à medida que a capacidade de processamento dos osciloscópios aumenta e a taxa de captura das formas de onda melhora continuamente, essa desvantagem também está sendo gradualmente superada.