Como funciona: Osciloscópio

Osciloscópio – História

• 1840-1850 – Primeiros estudos
  Muitos estudos feitos sobre um belo fenômeno – descarga de eletricidade através de gases de baixa pressão. Um tubo de vidro selado contendo um gás (por exemplo, hidrogênio, hélio, azoto, dióxido de carbono) é ligado a uma fonte de alta tensão (por exemplo uma bobina de indução). A alta de uma bobina de indução passa entre o terminal negativo (o cátodo) e o terminal positivo (ânodo). O gás brilha. Tipos diferentes de gases brilham em cores diferentes (vermelho, rosa, amarelo, laranja, roxo).
• 1852-1855
  William Crookes (Inglês) descobriu “raios catódicos” quando ele evacuou o gás a partir de um tubo de descarga especifico. O equipamento utilizado por Crookes foi chamado de tubo Crookes, mais tarde chamados de tubos de raios catódicos.
• 1860-1890
  Os tubos de raios catódicos foram revestidos com um material fluorescente que se acende quando o é atingido por raios catódicos. Isso fez com que os raios catódicos sejam mais fáceis de detectar.
  Outras experiências demonstraram que os raios catódicos poderiam se transformar em um cata-vento, viajar em linhas retas e ser desviados por campos magnéticos.
  Foi proposto que os “raios catódicos” estavam de fato em partículas .
• 1895
  Jean-Baptiste Perrin usou um tubo de raios catódicos anexado a um eletroscópio para demonstrar que os raios catódicos tinham uma carga negativa.
  Nota especial: neste momento houve uma grande rivalidade entre pesquisadores alemães e britânicos. Como a respeito da natureza do raio de cátodo, os alemães tenderam para a explicar que os raios catódicos eram uma onda (como a luz), ao passo que os britânicos tendiam a acreditar que a catódico era uma partícula. Como os eventos se desdobrarão ao longo do próximas décadas, mostrará quem está correto.
• 1897
  Enquanto isso Karl Braun (alemão) desenvolve o osciloscópio de raios catódicos primeiro conhecido como o “tubo Braun”.
• 1900-1920 – Os Oscilógrofos
  Os primeiros osciloscópios desenvolvidos eram conhecidos como oscilógrafos de alta tensão. Eles usavam dispositivos de cátodo frio. Na ausência de amplificadores adequados, a formas de onda de tensão a ser investigadas foi aplicada diretamente ao catódico no próprio tubo. A “curva” exibida foi extremamente pequena. Para utilizar as curvas do tela normalmente era fotografado e depois alargado. Apenas em uma única varredura poderia mostra-los.
• 1920-1930
  Diferentes técnicas foram utilizadas para melhorar ainda mais o foco do traçado de osciloscópio.
• 1920s
  O dispositivo de cátodo frio foi substituído por cátodos incandescentes de baixa tensão, este resultou em um feixe muito mais brilhante e mais focado.
• 1922
  A Western Electric produz o tubo de Johnson. Este foi o primeiro osciloscópio de visão direta comercialmente produzido.
• 1930s
  Os geradores de base de tempo são desenvolvidos para que uma forma de onda contínua pudesse ser exibida.
• 1939-1945 – A Segunda Guerra
  Segunda Guerra Mundial. Muitos cientistas e engenheiros foram empregados pelas forças de defesa (alemã, inglesa, americana, australiana, italiana, japonesa e etc) durante este período. Trabalho de desenvolvimento de um RADAR pelos aliados resultou em muitos avanços na tecnologia do osciloscópio incluindo:
  Amplificação mais eficiente de formas de onda de tensão.
  Desencadeou para base de tempo, entradas múltiplas de medição da amplitude mais precisa.
• 1945-1950 – O primeiro Osciloscópio
  Após a Segunda Guerra Mundial, quando as tecnologias militares tornaram-se disponível para a indústria, uma empresa americana chamada Tektronixcomeçou a fabricar o PRIMEIRO osciloscópio no mundo.
• 1960s
  Introdução de circuitos integrados muda radicalmente o funcionamento interno dos osciloscópios. O tubo de raios catódicos é a única “válvula” deixada no osciloscópio.
• 1970s
  Mais osciloscópiosestão em uso do que qualquer outro equipamento de teste eletrônico.
• 1980s
  Vestígios multicoloridos para a exibição de dados são usados pela primeira vez. O desenvolvimento da tecnologia digital permite que as entradas digitais sejam usadas com osciloscópios.
• 1990s
  A tecnologia do moderno computador pessoal desenvolveu um ponto de tensão em formas de onda para entrar diretamente no cartão de dados do computador. O monitor do computador é o tubo de raios catódicos nesta configuração.
• 2000s
  A Tektronixlança o primeiro osciloscópio com analisador de espectro embutido.

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).

Osciloscópios com armazenamento digital

O osciloscópio com armazenamento digital (DSO) é atualmente o tipo preferido da maioria da aplicações industriais, apesar de osciloscópios análogicos CRO simples ainda serem utilizados por hobbistas. O osciloscópio digital substitui o método utilizado no osciloscópio de armazenamento analógico por uma memória digital, que é capaz de armazenar as informações por quanto tempo forem necessárias sem degradação. Isto também permite um processamento complexo do sinal por circuitos de processamento de sinal digital de altas velocidades.

A entrada vertical, ao invés de controlar o amplificador vertical, é digitalizado por um conversor analógico-digital para criar um conjunto de informações que é armazenado na memória de um microprocessador.

O conjunto de informações é processado e então enviado para a tela, que nos osciloscópios mais antigos era um tubo de raios catódicos, porém atualmente pode ser também um LCD. Osciloscópios com o LCD colorido são comuns. O conjunto de dados pode ser enviado através de uma LAN ou WAN para processamento ou arquivamento. A imagem da tela pode ser diretamente gravada no papel através de uma impressora ou plotter, sem a necessidade de uma câmera para osciloscópios. O próprio software de análise de sinal pode extrair muitas características úteis como tempo de subida, largura de pulso e amplitude, espectros de frequência, histogramas e estatísticas, mapas de persistência, e um grande número de parâmetros úteis para profissionais de campos especializados como as telecomunicações, análises de drives de disco e eletrônica de potência.

Vantagens:

Quando você conectar a sonda de um osciloscópio para uma fonte de alimentação, o dispositivo imediatamente exibe sua forma de onda na tela. A forma de onda é uma representação visual de picos e vales do sinal. Outros produtos, como o multímetro, vão exibir apenas a tensão. Ao ver a forma de onda em tempo real, você pode rapidamente calcular a sua frequência, e prestar atenção nas depressões e picos de fonte de alimentação. Esta ferramenta é importante para o trabalho de diagnóstico, e não apenas para determinar a tensão ou resistência. Há muitos botões e outros tipos de controles sobre a face de um osciloscópio. Com estes botões é possível controlar com precisão o tamanho e a forma da onda. Com a prática, você pode localizar e isolar outros sinais que possam estar interferindo o circuito que você está analisando. Por exemplo, você pode usar o botão ” VOLTS /DIV ” para aumentar a altura da forma de onda e ter uma melhor leitura de sua freqüência. Este botão está localizado no lado esquerdo da maioria dos osciloscópios.

Desvantagens:

Uma desvantagem é que os osciloscópios custar muitas vezes mais do que outros tipos de instrumentos de medição eletrônicos, tais como multímetros. Eles também são muito sofisticados, e tendem a ser caros para consertar, se danificados. Além disso, você tem que aprender a manipular os controles do osciloscópio, a fim de obter o melhor sinal, o de mais alta fidelidade de um circuito, e isso pode ter um monte de variações. Isto está em contraste gritante com um dispositivo como um multímetro, no qual você pode simplesmente sondar um circuito e ver a tensão na tela instantaneamente. Outra desvantagem é que o osciloscópio pode ser excessivamente sensível a interferência proveniente de circuitos próximos. Isto é particularmente verdadeiro quando se utiliza um sistema elétrico para testar um computador. Se você usá-lo para testar a placa-mãe, por exemplo, você recebe alguma interferência da placa de vídeo, do disco rígido e até mesmo do computador. Você pode filtrar essa interferência se você tem um conhecimento especializado de controles do osciloscópio, mas isso ainda leva tempo.

Curiosidade:

Em 1958 William Higinbotham criou o que seria um dos primeiros videogames do mundo ao adaptar um osciloscópio para uma simulação de partida de tênis, em Tennis for Two.