Uso dos osciloscópios digitais

3.1 – Sondas de osciloscópio (ponta de prova atenuada)

Existem, fundamentalmente, três métodos para interligar o osciloscópio ao circuito sob análise: fios condutores simples; cabos coaxiais; pontas de prova específicas para osciloscópios (scope probes). A conexão através de pedaços de fio qualquer é suficiente nos casos em que o nível do sinal é alto e a impedância da fonte de sinais é baixa (como ocorre em circuitos TTL). Seu uso deve ser evitado, principalmente, pelos seguintes motivos:

- A falta de blindagem faz com que o cabo atue como uma antena, favorecendo a captação de sinais espúrios, tais como transmissões de estações próximas de rádio e TV, ruídos de 60 Hz e seus harmônicos induzidos pela rede elétrica (hum), além de outros tipos de interferências eletromagnéticas de alta freqüência.

- A operação do circuito ou dispositivo sob teste (DUT – Device Under Test ou UUT – Unit Under Test) pode ser perturbada de um modo imprevisível. Para uma uma

33 conexão mecânica mais segura, adaptadores para conectores BNC (bayonet Neill-

Concelman) são aconselháveis (um exemplo deste conector é destacado na figura 1.3).

- Perda de fidelidade nos sinais de baixo nível observados na tela.

Um segundo método, bastante comum, de conexão do osciloscópio com uma fonte de sinais é através de um cabo coaxial (figura 1.2).

Figura 1.2 – Cabo coaxial

O condutor externo do cabo (indicado por “blindagem metálica” na figura) promove uma blindagem para o condutor central, minimizando a captação de ruídos e interferências. Este cabo é usualmente encaixado num conector BNC em um extremo e no outro duas garras (geralmente uma vermelha e outra preta). Ou então conectores BNC em ambas. Existem dispositivos que adaptam conectores de tipos diversos para conectores BNC.

Do anteriormente exposto, conclui-se que é muito importante o uso de pontas de prova especialmente projetadas para o trabalho específico com o osciloscópio (também chamadas de sondas). Além dos problemas supracitados (interferências de alta frequência, ruídos na frequência da rede etc.), o osciloscópio também interfere na medida realizada, como qualquer outro instrumento, devido ao efeito de carga. Tipicamente, um osciloscópio apresenta uma impedância de entrada de 1 MΩ, que dependendo da resistência interna da fonte de sinais pode reduzir a tensão medida. O uso de pontas de provas atenuadas, com fatores de atenuação típicos de X10 ou x100, permitem um incremento da impedância de entrada, além de promover a leitura de tensões mais elevadas, na faixa de centenas de volts.

À medida que a tecnologia dos osciloscópios foi avançando, as ferramentas e técnicas de conexão com os dispositivos sob teste foi se sofisticando. Hoje existem diferentes tipos de pontas de prova para osciloscópio para as mais variadas aplicações, tais como: sem atenuação, com atenuação, passivas, ativas, de tensão, de corrente, diferenciais.

A figura 1.3 mostra a fotografia de uma ponta de prova típica de osciloscópio, do tipo passiva de tensão, com uma chave de duas posições que permite selecionar entre o fator X1 (onde o sinal sob teste é aplicado diretamente à entrada do osciloscópio, sem atenuação) e X10 (onde a impedância de entrada é multiplicada por 10 e o sinal observador é atenuado de um fator 10, permitindo a leitura de uma tensão 10 vezes maior). Levando em conta o produto ganho x largura de faixa (A x BW), uma redução na amplitude do sinal, também promove um alargamento da resposta de frequência.

34 Figura 1.3 – Ponteira atenuada típica

A figura 1.4 abaixo detalha os principais componentes da ponta de prova atenuada vista anteriormente:

Figura 1.4 – Detalhes construtivos da ponteira atenuada

Para reduzir o sinal de entrada de um fator 10, é necessário que a ponta de prova introduza um resistor em série com a impedância de entrada, de forma a provocar uma divisão de tensão. O valor deste resistor em série deve ser 9 vezes maior que a impedância de entrada, pois:

Figura 1.5 – Atenuador de entrada ideal Rs – Resistor série (ponta de prova)

Rent – Impedância de entrada do osciloscópio (típica: 1 MΩ)

Vsaída = Ventrada x Rent Ventrada = Rs + Rent Ventrada = Rs + 1

Rs + Rent Vsaída Rent Vsaída Rent

10 = Rs_ + 1 Rs = 9 Rs = 9 x Rent

35 Portanto, Rs = 9 MΩ para uma ponta atenuadora X10, e Rs = 99 MΩ para uma ponta atenuadora de X100.

O circuito equivalente anterior desconsidera os efeitos capacitivos na entrada do osciloscópio e no cabo. Estes efeitos estão presentes num circuito real e limitam a resposta de freqüência do osciloscópio, pois o efeito é de um filtro passa-baixas, como mostra a figura 1.6:

Figura 1.6 – Efeitos capacitivos no cabo (C cabo) ena entrada do osciloscópio (Cent).

A figura 1.7 mostra o circuito equivalente resultante:

Figura 1.7 – Circuito equivalente de entrada de um osciloscópio, o qual leva em consideração os efeitos capacitivos na entrada do osciloscópio e no cabo coaxial.

A capacitância Cent na entrada do osciloscópio (tipicamente de 15pf a 25 pf)

encontra-se em paralelo com a capacitância Ccabo do cabo coaxial (tipicamente 50 pf

por metro). Os dois efeitos efeitos capacitivos, portanto, se somam, resultando numa capacitância total de 65 pf a 75 pf, em média. Como a reatância capacitiva diminui com a frequência (Xc = 1 / 2πfc), o efeito é a resposta de frequência mostrada na figura 1.8:

Figura 1.8 – Efeito de filtro passa-baixas na entrada do osciloscópio

Esta perda de sinal com o aumento de freqüência representa um grande problema se há necessidade de medidas de sinais na faixa de centenas de KHz a

Frequência G a n h o ( d B )

36 vários MHz. O uso do resistor Rs na ponta atenuada, em série com a entrada do osciloscópio já permite um aumento na faixa de capacidade de medida de tensão, pela atenuação do sinal, e o consequente aumento da largura de faixa. Entretanto, isto gera um efeito de adiantar a fase do sinal de saída em relação à entrada. Para evitar este efeito, há a necessidade de se compensar o circuito colocando-se um capacitor ajustável (trimmer) em paralelo com a resistência da ponta de prova (figura 1.9):

Figura 1.9 – Esquema de compensação na ponta atenuadora

A ponta de prova é, portanto, constituída de um atenuador de faixa larga, conhecido por atenuador compensado. O objetivo do atenuador compensado em freqüência é adequar a amplitude dos sinais que se pretende medir às faixas de freqüência utilizadas no osciloscópio. Assim, antes de se realizar qualquer medida com a ponta atenuada, esta deve ser “adaptada” às características do osciloscópio em uso. Este procedimento denomina-se compensação das pontas de prova. Se a compensação de fase não for precisamente feita, a forma de onda na tela aparecerá distorcida, provocando erros nas medidas.

Em baixas freqüências, devido ao alto valor da reatância capacitiva, o circuito tende a atuar como um diferenciador, provocando a seguinte deformação de uma forma de onda quadrada observada (figura 1.10):

Figura 1.10 – Atuação como diferenciador

Em altas freqüências, devido à menor reatância capacitiva, o circuito tende a atuar como um integrador, provocando a seguinte deformação de uma forma de onda quadrada observada (figura 1.11):

37 Figura 1.11 – Atuação como integrador

Na compensação, o produto Cs x Rs deve igualar (Ccabo + Cent) X Rent,

promovendo a atenuação desejada para todas as freqüências.

A seguir, é demonstrado passo a passo todo o procedimento que deve ser realizado para a compensação das pontas de prova (Figura 1.12):