Circuito de Entrada para Osciloscópio Digital
O propósito deste projeto é criar um estágio de entrada para um Scope digital. O sistema deverá ter o
mesmo comportamento de um Scope convencional, com todos os controles por software, ou seja:
nenhuma chave mecânica.
O circuito deverá ser razoavelmente simples de montar e também usar componentes fáceis de achar e
com custo razoável. Este circuito poderá ser usado com uma parte digital que varie conforme a
implementação de cada um.
O projeto somente da parte de entrada é considerado um projeto independente e deverá estar sob a licença
LGPL. Para isto, cada documento deverá ter a frase “© Alain Mouette 2009, licença LGPL. Fornecido
sem nenhuma garantia.”.
• O Copyright deve nominal, parece lógico que seja o mantenedor do projeto. Porém isto está aberto
a discussão.
• Esta licença é livre, o projeto é fornecido com toda a documentação e qualquer utilização deve
fornecer a documentação completa com todas as alterações implementadas.
• A interpretação do L de LGPL para hardware fica definida como: é permitido utilizar este projeto
em conjunto com outros, mesmo que tenham outras licenças ou sejam fechados, porém esta parte
do projeto deverá continuar aberta e ser fornecida com toda a documentação, inclusive alterações
implementadas.
• É permitido uso comercial desde que respeitados as restrições acima.
Visão Geral – Scope completo
Circuito de entrada
Circuito de entrada
Trigger e
sincronização
Saída de gerador de
Forma de Onda
Parte Analógica (este projeto)
Conversor A/D
Base de tempo
Buffer de Captura
OPCIONAL
Display
Controle da parte Analógica:
Escalas, Níveis DC, etc...
Opção: uC extra
Entradas Digitais
Analisador Lógico
Processador,
Memória, etc.
Interface
USB/Ethernet
Com PC
Protocolo
Software
A Parte Analógica contém 4 módulos:
• 2 entradas analógicas, fornece as várias escalas para a entrada, e gera o deslocamento Vertical
para melhorar a visualização.
• Circuito de Trigger (gatilho, sincronismo) com entrada externa ou uso dos canais de entrada. Tem
ajuste de sensibilidade de entrada x1 e x10, AC/DC e nível de trigger.
• Saída para Gerador de Forma de Onda: é uma saída para um conversor D/A do processador,
possibilita a geração de formas de onda aleatória ou Gerador de Função.
Entrada para Analisador Lógico: esta é uma possibilidade interessante. São nada mais que 8 ou 16
entradas Digitais a serem amostradas junto com o sinal Analógico.
Conversor A/D, Base de tempo, Buffer de Captura: Esta é uma opção para captura por hardware, é um
projeto complexo. A outra opção é utilizar o conversor A/D do próprio processador. Por exemplo, o
Cortex-M3 da Luminary (Texas) tem conversor de 1MHz, Base de tempo interna para amostragem e
Memória suficiente. Este parece ser uma das alternativas práticas para o projeto.
Controle da parte Analógica: essa parte tem muitos controles para fazer todas as combinações de
escalas e níveis DC (usando PWM). Pode ser interessante usar um micro-Controlador dedicado a isso, a
menos que o processador principal tenha recursos disponíveis.
Processador: Controla tudo e envia para os dispositivos de display e interfaces.
Display: Opção para permitir o uso autônomo do equipamento.
Interface: pode se comunicar pelo PC por duas opções, as vantagens são:
• USB: mais simples se existir Hardware dedicado, precisa de driver no PC pois HID é muito lento
para uma aplicação assim.
• Ethernet: é mais complexa, mas não é mais cara. A interface no PC é mais simples. Tem a
vantagem de ser isolada.
Software: esta é talvez a maior parte do projeto. Felizmente existem vários projetos de código aberto
disponíveis. O protocolo é muito importante pois talvez seja possível usar algum programa pronto.
Visão geral – Especificações
Entrada: Deve ser própria para uso com Ponta de Prova comum de Osciloscópio, para isso deve ser
impedâncias padrão de 1MΩ e 20pF.
Escalas: as escalas comuns de entrada de Osciloscópios são (por divisão):
1mV, 2mV, 5mV, 10mV, 20mV, 50mV, 100mV, 200mV, 500mV, 1V, 2V, 5V, 10V
Tirei como base meu Tektronix 2215A, parece-me bastante completo. Foram acrescentadas a primeira
(útil com pequenos sinais ou ponta de prove x100) e a última (útil sem ponta de prova).
Resposta de Frequência: A primeira versão terá como objetivo apenas 1MHz, isto deve permitir um
circuito mais econômico e um tempo de projeto menor. Posteriormente poderia ser feita uma versão
visando 20MHz, este parece ser um limite razoável já que nos Scopes convencionais existe um botão
“BW 20MHz” que fica sempre pressionado!
Proteção: as entradas devem todas estar protegidas contra todos os absurdos que ocorrem em um
laboratório, por exemplo ligação acidental na rede elétrica. 400V não deve parecer exagero para quem já
queimou um instrumento por acidente.
Trigger: esta parte do circuito será abordada posteriormente. As partes analógicas do trigger serão
abordadas por este projeto.
Saída: deverá ser utilizável diretamente pelo conversor Analógico/Digital. Sendo o mais comum, a saída
será unipolar, indo de 0V até 2.5V ou 3.3V alterando apenas alguns componentes.
Alimentação: na maioria dos casos, o circuito será alimentado pela USB, então o ideal será usar
alimentação de +5V. Para os amplificadores será usado -5V que pode ser gerado facilmente com um
circuito chaveado.
Impedância de Entrada e Ponta de Prova
A impedância correta de entrada é o que permite utilizar uma Ponta de Prova. Tornou-se usual o padrão
de 1 MΩ com 20pF, ou seja, é o que quase todos usam. Este ficou então sendo o padrão para o projeto.
Uma entrada ideal teria capacitância de entrada nula, 0pF. Porém como isso não existe, é conveniente que
esse valor seja fixo para todos os osciloscópios. A figura mostra como funciona uma ponta de prova com
as capacitâncias envolvidas:
A ponta de prova x10 é um divisor resistivo que já usa a resistência de entrada do Scope, então tem
apenas um resistor de 9 MΩ. O capacitor C1 fica dentro da Ponta, o mais próximo possível do contato,
C2 é a capacitância distribuída entre o condutor central e a blindagem do cabo, C3 é a capacitância na
entrada do Scope. Assim a carga que a ponta oferece para o circuito que está sendo medido é menor (e a
resistência maior). Da mesma maneira, a capacitância do cabo é diminuída para algo entre 3pF e 7pF.
Outra vantagem deste método é que as tensões mais altas não chegam até o Scope.
A capacitância C3 na Entrada do Scope é o resultado equivalente de todo o circuito do Scope e deve ser a
mesma em todas as escalas.
Essa compensação de frequência é o que garante o funcionamento correto e repetitivo em qualquer
condição. Isso é chamado por alguns autores de “comportamento resistivo” mas o termo é tecnicamente
incorreto visto que a ponta continua tendo uma capacitância de entrada que afetará o circuito onde ela for
conectada.
Existem pontas de prova x100 que operam com o mesmo princípio mas com um resistor de 99 MΩ e com
C1 muito menor. Estas pontas geralmente aceitam tensões de até 1200 Volts, elas também oferecem
possibilidade de medir circuitos de baixo consume pois e resistência na ponta é de 100MΩ, além de ter
uma capacitância menor interferindo menos no circuito.
Calibração da Ponta de Prova
A ponta de prova depende da compensação exata entre essas diversas capacitâncias, para garantir isso
precisa ser feita a “compensação” da ponta. Isso é feito ligando a ponta em uma onda quadrada,
geralmente de 1kHz. Os osciloscópios têm uma saída própria para este fim, em geral com 500mV e 1kHz.
A ponta deve ser conectada nesse ponto e os controles ajustados para uma boa visualização na tela:
A compensação correta é obtida ajustando um pequeno capacitor variável existente no conector da própria
ponta. A calibração correta garante que a resposta da Ponta de Prova será a mesma em frequências altas
que em frequências baixas.
ATENÇÃO: nunca use uma Ponta de Prova descalibrada!
Cabo coaxial da Ponta de Prova
O cabo da Ponta de Prova não é um cabo comum. Um cabo "normal" (também chamado de "baixa
perda") tem uma impedância característica, em geral 50 ou 75 ohms. Se não houver casamento de
impedância nas pontas haverá reflexão que resulta na distorção do sinal, isso normalmente é resolvido
colocando um simples resistor desse mesmo valor em ambas as pontas chamado de resistor de
terminação.
No caso do cabo de ponta de prova não é possível colocar resistores de terminação já que queremos uma
impedância muito alta, o que é usado é um cabo de "baixa distorção" que tem uma perda distribuída ao
longo do cabo (o condutor interno é resistivo). Lembro que o equacionamento desse cabo é meio confuso,
mas uma explicação mais intuitiva é que as reflexões são atenuadas e desaparecem no próprio
comprimento do cabo. Esses cabos também têm o condutor interno muito fino (o que os torna frágeis)
para aumentar a impedância.
O resultado é que numa ponta de prova não existe o problema do casamento de impedância nem de
reflexão, mas esses cabos se tornam inúteis para outras aplicações. O cabo de uma ponta comum tem
usualmente uma resistência de 50 a 100 Ω.
Projeto da entrada:
Como nosso objetivo é projetar tal entrada temos que poder medir e calibrar esse valor. Isso é feito
simplesmente assim:
O que acontece então é que temos um divisor por 2 perfeito, tanto resistivamente quanto capacitivamente.
O sinal mostrado no Scope então deve ser exatamente a metade do sinal do gerador, sem distorções.
Este método é o que usaremos para calibrar o circuito de entrada do Scope.
OBS: Normalmente o gerador é um Gerador de Funções com impedância de saída de 50Ω, então é
necessário colocar um resistor de terminação (50Ω) na ponta do cabo. O Scope consegue perceber as
reflexões num cabo de 1,5 m. O sistema completo então fica assim:
Visão Geral de uma entrada
AC/DC
Atenuadores
De Entrada
Proteção
Ganho
Amp
1
Amp
2
Ganho
Ganho
Nível DC
Este diagrama mostra as partes básicas:
AC/DC: Este é apenas um capacitor em série com a entrada. Porém existe uma divergência se a
frequência de corte deve ser 1Hz ou 5Hz, a primeira permite visualizar frequências mais baixas e a
segunda tem um tempo de acomodação menor.
Atenuadores de Entrada: como o sinal de entrada tem uma faixa muito ampla, é preciso controlar o
ganho do circuito em várias etapas. O Atenuador de entrada é o mais chato de fazer porque trabalha com
impedância muito alta e precisa de compensação de frequência com muitos capacitores e alguns trimmers.
É também nesta parte que ficam os circuitos de Proteção de Entrada pois os resistores dos atenuadores
que limitam a corrente.
Amplificador 1: o primeiro Amplificador precisa ter alta sensibilidade por trabalhar com 1MΩ de
entrada. Este amplificador não pode saturar para todos os sinais de entrada. Controlar o Ganho deste
estágio ajuda no controle geral. Um problema sério é que se o ganho for grande, a resposta de frequência
diminui.
Amplificador 2: o ganho deste amplificador junto com os outros controles, deve produzir todas as escalas
de entrada. O ajuste de nível DC também fica neste estágio, por conveniência. A saída deve ser adequada
ao conversor Analógico/Digital a ser usada. Os valores mostrados neste texto serão para 2.5V de saída,
mas pode ser alterado facilmente para 3.3V ou 3.6V.
Nível do Sinal de Entrada
Esta é uma das partes mais nebulosas. A interação entre os vários ajustes de um Osciloscópio produzem
resultados surpreendentes. Fiz algumas medições no famoso Tek2215 para servir como parâmetro do que
vem a seguir.
Imagine que você tem um sinal como este:
Mas que você deseje ver apenas esta parte:
Fazemos isto rotineiramente no Scope apenas aumentando a sensibilidade e ajustando a posição!
Algumas medidas no Tek2215, mostraram que ele pode deslocar a imagem mais de duas telas para cada
lado, apenas com o botão de posição.
Sinal na
Saída do Amp 1
Janela desejada
5x8=40 divisões
8 divisões
Como o ajuste de posição vem depois do Amplificador 1, este tem que permitir o sinal sem saturar.
Janela sem
deslocamento
de posição
Este desenho mostra então que o sinal na saída do Amplificador 1 deve poder chegar até o equivalente a
40 divisões.
Somente para exemplificar, na maior escala (maior sinal) temos 5V/div então o sinal deve corresponder a
5*40 = 200Vpp.
O Amplificador 1 provavelmente será um LM833 ou AD8039 (para frequencias maiores) alimentados
com +5V. A máxima excursão de saída é Vcc-0.9V então o maior sinal na saída pode chegar a +4V ou
8Vpp.
O Atenuador de Entrada na maior escala, deve ser pelo menos: 200/8 = 25x para evitar a saturação do
amplificador.
Estes valores não levam em conta a máxima tensão de entrada, mas o mesmo fenômeno ocorre nas outras
escalas. Aliás, acho que 200V é uma boa especificação de máxima tensão de entrada.
Amplificador de Entrada – Segundo Estágio
O segundo estágio tem várias funções:
• Fornecer ganho adicional,
• Fornecer vários ganhos que em combinação com o Primeiro Estágio proporcione todas as escalas
de sensibilidade desejadas,
• Deslocar o sinal, nível DC, para adequar ao conversor Digital/Analógico (D/A),
• Selecionar qual parte da onda de entrada será mostrada, isto é feito através do próprio nível DC.
O circuito básico é este:
Vref: tensão de referência fornecida por um TL431 e com o mesmo valor que a excursão do A/D,
Vin: entrada, vem do estágio anterior,
Vpwm: tensão gerada por um PWM, é variável para cada escala e para o deslocamento desejado do sinal
na tela
Vout: Saída direto para o conversor A/D, excursão usada como exemplo: 0V a 3V
Equacionando este circuito, temos isto:
Rc
Rc
−Vref −Vpwm
Ra
Rb
Rc Rc
Rc
Rc
Vout=Vpwm1  −Vref 
−Vin
Ra Rb
Rb
Ra
Vout Vref ∗Rc/ RbVin∗Rc / Ra
Vpwm=
1Rc / RaRc / Rb
Se adotarmos K =Rc /Ra
Vout Vref ∗K∗Ra/ RbVin∗K
Vpwm=
1K K∗Ra/ Rb
Vout=Vpwm−Vin−Vpwm
Sinal na
Saída do Amp 1
5x8=40 divisões
8 divisões
Avaliando a tensão do PWM necessária: vamos considerar o seguinte sinal:
Para ter os limites extremos do valor de Vpwm,
vamos considerar os dois casos extremos,
Janela desejada
lembrando que o amplificador é inversor!
Janela sem
deslocamento
de posição
Janela desejada
Tela
3V
0V
Janela desejada
Tela
3V
0V
Neste caso temos
- sinal máximo de entrada, que no máximo chega a
4V
- deve gerar na Saída 0V
- Ganho para esta escala K = 1.875
- Assumindo Ra=Rb
0V3V∗1,8754V∗1,875
Vpwm=
=2,763 V
11,8751,875
Neste caso temos
- sinal mínimo de entrada, que no máximo chega a
(-4V)
- deve gerar na Saída 3V
- Ganho para esta escala K = 1.875
- Assumindo Ra=Rb
3V3V∗1,875−4V∗1,875
Vpwm=
=0,237 V
11,8751,875
Portanto podemos ver as vantagens deste circuito:
• PWM só precisa de uma tensão positiva,
• As excursões do PWM são simétricas em torno de Vref/2 (1.5V)
• Vref é o mesmo que será usado pelo conversor A/D,
• Meio da escala não depende de nenhuma outra fonte, portanto será estável.