Física Laboratorial Ano Lectivo 2003/04

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OSCILOSCÓPIO

1. Introdução

O osciloscópio (fig. 1) é o mais útil e versátil dos instrumentos utilizados para testes de circuitos electrónicos, uma vez que nos permite visualizar a evolução de uma diferença de potencial (d.d.p.) em função do tempo ou de uma outra d.d.p, em qualquer ponto de um circuito. Para além das aplicações óbvias em muitos laboratórios de investigação, pode ainda constatar-se a utilização do osciloscópio em situações tão diversas como no apoio ao diagnóstico médico e à mecânica de automóveis.

2. Princípio de funcionamento

Na figura 2 pode observar-se um diagrama de blocos ilustrando as 4 principais componentes de um osciloscópio: o tubo de raios catódicos (cathode ray tube – CRT), o gerador de base de tempo e os amplificadores de deflexão vertical e horizontal.

Figura 2 Principais componentes de um osciloscópio.

O interruptor S liga o amplificador de deflexão horizontal ao gerador de base de tempo (terminal A) ou a um sinal externo (terminal B).

2.1. Tubo de Raios Catódicos

A componente fundamental do osciloscópio é o CRT, cujo funcionamento se baseia no facto de um feixe de electrões, por serem partículas carregadas ( C10x6.1 19−− ) e devido ao baixo valor da sua massa ( kgx 311011.9 − ), poder ser facilmente acelerado e a sua trajectória alterada por acção de campos eléctricos fracos. Um CRT típico, esquematicamente representado na figura 3, é constituído por:

• um tubo de vidro fechado (A) em que se fez vácuo, • um canhão de electrões composto por um filamento metálico (B), cujo aquecimento provoca a

emissão de electrões de um outro metal que constitui o cátodo (C), um conjunto de eléctrodos

Figura 1

Fotografia de um osciloscópio

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que controlam a intensidade (ou brilho) do feixe (D) (o Wehnelt), a sua focagem (F) e aceleração (E),

• 2 pares de placas metálicas paralelas que permitem desviar o feixe de electrões tanto na vertical (G) como na horizontal (H),

• um écran (I), revestido por um depósito de material fluorescente (J), cujos pontos se tornam luminosos quando atingidos pelo feixe de electrões.

• um revestimento condutor (K).

Figura 3

Tubo de raios catódicos (CRT)

Ainda relativamente ao canhão de electrões esclareçamos melhor o conjunto de tensões envolvidas:

• o cátodo funciona por emissão termoiónica. Para isso é aquecido por um filamento alimentado com corrente alternada e é revestido por um óxido fortemente emissivo. Permite uma emissão praticamente constante de electrões.

• O Wehnelt é um eléctrodo cilíndrico que se encontra a um potencial baixo e negativo relativamente ao cátodo (-10 a -50V) que regula a intensidade do feixe de electrões. Quanto mais negativo fôr este potencial mais repulsivo é o campo eléctrico entre o Wehnelt e o cátodo e portanto menor a intensidade do feixe electrónico.

• O ânodo acelerador está a uma tensão positiva constante (da ordem de 1500V) que acelera os electrões.

• O ânodo de focagem tem uma tensão regulável que permite focar o feixe sobre o alvo. A tensão aplicada no ânodo de focagem (da ordem de 500V) determina a localização (segundo o eixo de abcissas) do ponto de convergência dos electrões no feixe. Uma tensão de focagem incorrecta produzirá uma mancha (em vez de um ponto) no ecrã.

As placas G e H são placas de defexão que permitem produzir desvios verticais e horizontais do

feixe. Quando se aplica uma diferença de potencial a qualquer um dos pares de placas G ou H, passa a existir entre elas um campo eléctrico que vai actuar sobre os electrões numa direcção perpendicular às placas, provocando o desvio do feixe. Esse desvio é proporcional à diferença de potencial entre as placas. O par G provoca desvios verticais do feixe e o par H provoca desvios horizontais.

A combinação dos deslocamentos verticais e horizontais permite colocar o ponto luminoso em qualquer posição do écran. (A luminosidade resulta da absorção e posterior emissão energética na sequência do embate do feixe de electrões no material fluorescente que reveste o écran.) Fazendo variar o valor da d.d.p. aplicada a cada par de placas deflectoras, o ponto luminoso movimenta-se. Devido à persistência da luminosidade do ponto, se o movimento for suficientemente rápido fica uma curva desenhada no écran, como está ilustrado na fig. 4.

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As d.d.p. aplicadas às placas deflectoras devem produzir um sinal

de tamanho adequado no ecrã. Por um lado, interessa que o ponto luminoso se situe sempre nos limites do écran e, como os deslocamentos são proporcionais às diferenças de potencial aplicadas às placas, conclui-se que existe um valor máximo para a d.d.p. a partir do qual o ponto desaparece do écran. Por outro lado, convém que as d.d.p. aplicadas não sejam demasiado pequenas, de modo a que a imagem tenha um tamanho que proporcione uma fácil leitura no écran e possibilite extrair as informações necessárias.

2.2. Sinal de entrada

Precisamente para possibilitar o controle do tamanho do sinal no écran, sobretudo quando o sinal de entrada é de pequena amplitude, existe um amplificador de ganho variável (fig. 2) entre as placas verticais e a entrada do osciloscópio. O sinal eléctrico que se pretende observar é, portanto, amplificado antes de ser aplicado às respectivas placas. Como a deflexão vertical do feixe de electrões é proporcional à tensão de entrada do osciloscópio, os deslocamentos verticais observáveis no écran traduzem as tensões medidas. Ao seleccionar, no painel frontal do osciloscópio, um determinado valor para a amplificação (diz-se “seleccionar o ganho do amplificador vertical”), o utilizador fixa a relação entre o deslocamento vertical do ponto luminoso e a tensão de entrada. 2.3. Gerador de Base de Tempo

Se aplicarmos às placas horizontais uma diferença de potencial que cresça linearmente com o tempo, o feixe vai deslocar-se com velocidade constante de um lado para o outro do écran (diz-se que o feixe “varreu” o écran). Sendo o deslocamento proporcional ao tempo decorrido desde o início do varrimento, é possível graduar a escala horizontal do osciloscópio em unidades de tempo por centímetro: a cada posição do ponto luminoso no écran corresponderá um intervalo de tempo entre o início do varrimento e o momento em que o feixe se encontra nesse ponto. Quando o feixe atinge o outro extremo do écran é necessário fazê-lo voltar ao ponto de origem o mais rapidamente possível para iniciar um novo varrimento. Estas funções são realizadas pelo bloco designado por gerador de base de tempo (fig. 2) que é assim designado por permitir observar a variação de um sinal em função do tempo.

O gerador de base de tempo é, normalmente, um circuito que produz à sua saída uma onda em

dente de serra (fig. 5). Como os sinais a observar podem apresentar frequências muito diferentes a base de tempo deverá funcionar numa gama suficientemente ampla de velocidades de varrimento. Um bom osciloscópio deverá ter desde a velocidade de varrimento muito elevada, que permita observar detalhadamente sinais de alta frequência, até velocidade de varrimento baixa que permita ver no ecrã, de forma completa, um sinal muito lento. O sinal eléctrico produzido pelo gerador de base de tempo (dente de serra) é aplicado às placas horizontais para produzir o varrimento.

Figura 4

Figura 5

Onda em dente de serra.

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O tempo T, na figura, é o tempo que o feixe leva a efectuar um varrimento; T’ é o tempo necessário para o ponto luminoso regressar à posição de origem. Os osciloscópios inibem o feixe durante o tempo T’ de modo a que a linha de retorno do feixe não apareça no écran.

Na figura 6 podemos observar como é produzido um varrimento do feixe de electrões ao longo do écran do osciloscópio. O sinal a medir é aplicado, através da entrada e do amplificador respectivo, às placas de deflexão vertical, definindo em cada instante a posição vertical do ponto luminoso. Por outro lado, as placas de deflexão horizontal recebem, também via amplificador, a onda gerada pela base de tempo, de modo definir a posição horizontal do ponto, proporcional ao tempo decorrido.

A imagem do osciloscópio é formada por varrimentos sucessivos. Devido à persistência luminosa, o utilizador observa uma imagem que é a resultante das imagens de vários varrimentos.

2.4. Sistema de “trigger” ou “disparo”

Por vezes as imagens correspondentes aos diferentes varrimentos não coincidem no écran, daí resultando uma imagem confusa como a ilustrada na figura 7. Isto acontece porque, quando se inicia cada varrimento, o sinal de entrada está num ponto de amplitude diferente da do varrimento anterior, como se pode ver na referida figura. Para evitar este problema é necessário que o varrimento seja sempre iniciado quando o sinal de entrada tiver a mesma amplitude e declive, de modo a que as imagens dos varrimentos sucessivos sejam iguais. Esta é a função do circuito chamado “trigger” (disparo). Diz-se então que a base de tempo está sincronizada.

Figura 7

Base de tempo não sincronizada.

Figura 6

Varrimento do écran do osciloscópio.

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Na figura 8 vê-se a imagem obtida seleccionando uma amplitude de “trigger” de cerca de

metade da amplitude máxima do sinal e um declive negativo. Repare-se que, após o fim de um varrimento, a base de tempo espera que o sinal retome o valor e declives iniciais para iniciar um novo dente de serra; deste modo, a imagem obtida é a sobreposição de imagens iguais. Logo a imagem visível é estável e bem definida.

Figura 8

Base de tempo sincronizada. 2.5. Modo Y-t e X-Y

Até agora, considerou-se o modo de funcionamento do osciloscópio em que o sinal de entrada é aplicado às placas verticais e a tensão em “dente de serra” gerada pela base de tempo é aplicada às placas horizontais. Tal modo de funcionamento designa-se por Y-t.

Para além do funcionamento Y-t, o osciloscópio também permite funcionar aplicando às placas horizontais uma outra tensão externa e compondo os dois sinais como está ilustrado na figura 9, sem intervenção da base de tempo. Este modo de funcionamento, em que se elimina a dependência temporal de dois sinais externos, designa-se por X-Y.

Figura 9

Composição da tensão aplicada às placas verticais (Vy) e às placas horizontais (Vx) em modo de funcionamento X-Y