O que é e como funciona um osciloscópio?

O osciloscópio é um instrumento de medida destinado a visualizar um sinal eléctrico. Como muitas grandezas físicas são medidas através de um sinal eléctrico, e que o osciloscópio é um instrumento muito sensível à tensão, permite obter os valores instantneos de sinais eléctricos rápidos, a medição de tensões e correntes eléctricas, e ainda frequências e diferenças de fase de oscilações. Por tudo isto, este é um aparelho muito utilizado por cientistas, médicos, mecnicos, etc.

Figura 1

Distinguem-se geralmente os osciloscópios analógicos, que utilizam directamente um múltiplo da tensão de entrada para produzir o desvio do feixe de electrões, dos osciloscópios digitais ou numéricos que, antes de tudo, transformam a tensão de entrada em números, utilizando um código binário. Irei então abordar primeiramente o osciloscópio analógico, e de seguida explicar em que difere o osciloscópio numérico do primeiro.

Osciloscópios Analógicos:

O osciloscópio permite observar numa tela plana uma diferença de potencial (ddp), ou tensão eléctrica, em função do tempo, ou em função de uma outra ddp. O elemento sensor é um feixe de electrões que, devido ao baixo valor da sua massa e por serem partículas carregadas electricamente, podem ser facilmente aceleradas e deflectidas pela acção de um campo eléctrico ou magnético.

A diferença de potencial é lida a partir da posição de uma mancha luminosa numa tela rectangular graduada. A mancha resulta do impacto do feixe de electrões num alvo revestido de um material fluorescente.

O funcionamento interno do osciloscópio é, no entanto, mais complexo; passo agora à sua explicação, tendo em conta a figura 2:

Figura 2

Legenda:

  1 – Eléctrodos que desviam o feixe

  2 – Cátodo de electrões

  3 – Feixe de electrões

  4 – Bobina que converge o feixe

  5 – Face interior do ecrã coberta por material fluorescente

Os raios catódicos são feixes de electrões (3) emitidos por um cátodo (eléctrodo, fonte primária de electrões).

Este cátodo (2) encontra-se num tubo que contém um gás a baixa pressão, e no qual os electrões, emitidos pelo cátodo, são acelerados por um campo eléctrico. Este tubo tem o nome de tubo catódico, ou tubo de raios catódicos.

Este feixe de electrões (3) é orientado magneticamente pela bobina (4), que converge o feixe para as placas electrónicas ou deflectoras (1), cuja função é absorver a maior quantidade possível de electrões emitidos pelo cátodo.

Figura 3: Tubo catódico de um osciloscópio

A trajectória do feixe electrónico é agora rectilínea. Para se ter a possibilidade de registar fenómenos variáveis no tempo o feixe terá de se deslocar de modo a criar uma imagem do fenómeno a observar. Isso consegue-se através das placas deflectoras que, graças ao seu campo eléctrico, “obrigam” o feixe a atravessar uma região do espaço.

Figura 4

Imaginemos que temos então um feixe de electrões (materializado por um único ponto no ecrã) que, depois de ter sido convergido pela bobina, passa entre as 4 placas electrónicas (1 e figura 4). Se aplicarmos uma tensão (ou diferença de potencial) variável entre as placas P3 e P4 (perpendiculares às outras duas), o nosso feixe será desviado para cima ou para baixo, dependendo da polaridade da tensão. Se P3 é mais positivo que P4, o desvio será feito para cima; se for o inverso, o desvio será feito para baixo. Podemos repetir a operação para P1 e P2; segundo a polaridade da tensão o feixe dirigir-se-à para a direita ou para a esquerda. Uma tensão fraca provoca um pequeno desvio, e uma tensão excessiva fará desaparecer o ponto do ecrã; a intensidade do feixe é mantida constante.

Normalmente, a deflexão horizontal (resultante da aplicação de uma tensão nas placas verticais P1 e P2) é proporcional ao tempo, e a deflexão vertical (resultante da aplicação de uma tensão nas placas P3 e P4) é proporcional à tensão.

O ecrã é a etapa final de todo processo executado pelo osciloscópio, pois é nele que se visualizam as imagens que serão posteriormente analisadas. O material utilizado é o vidro, e a sua face interior (5) é revestida por um material fluorescente, como o fósforo ou o sulfato de zinco, que ao receberem o impacto do feixe de electrões, emitem luz.

Figura 5

Osciloscópios Digitais:

A tensão de entrada (sinal eléctrico/analógico) é digitalizada (convertido para números) por um conversor analógico-digital. A capacidade do aparelho de traçar um sinal de frequência elevada sem distorção depende da qualidade deste conversor. O sinal digital é agora utilizado para criar um conjunto de informações que é armazenado na memória de um microprocessador. O conjunto de informações é processado e então enviado para o ecrã. Nos osciloscópios analógicos, isto dá-se através de um tubo de raios catódicos; porém, nos osciloscópios digitais, pode também ser através de um ecrã LCD. Osciloscópios com um ecrã LCD colorido são comuns.

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. Está também equipado com filtros que, aplicados ao sinal digital, permitem aumentar a visibilidade de detalhes. O próprio software de análise de sinal pode extrair muitas características úteis como a frequência, o comprimento de onda e a amplitude, espectros de frequência, histogramas e estatísticas, mapas de persistência, e um grande número de parmetros úteis para qualquer utilizador de um osciloscópio.

Os osciloscópios digitais têm esta função, que pode revelar-se útil para responder à questão mais abaixo: permitir a visualização de duas ondas em simultneo, facilitando assim a comparação de dois sinais diferentes.

Figura 6

Tem-se falado de formas de identificação alternativas à impressão digital. Uma dessas formas poderia ser o registo da voz. Como reconhecer uma pessoa pela voz com a ajuda do osciloscópio?

Antes de responder directamente a esta questão, há que esclarecer alguns conceitos em torno do som, da onda sonora e das suas características.

O som tem origem na vibração de partículas ou corpos. A onda sonora é então uma onda mecnica: necessita de um meio material para se propagar. Assim, não há som no vácuo, visto não haverem partículas que possam vibrar.

Na origem de um som está sempre a vibração de um corpo. A vibração consiste em movimentos do corpo, por vezes imperceptíveis, mas suficientes para causar uma perturbação no meio em redor (normalmente, o ar). No caso da voz humana, resulta das vibrações das cordas vocais, cujos músculos podem esticar mais ou menos, o que lhes permite vibrar de formas diferentes – tanto em frequência (nº de ondas por unidade de tempo) como em amplitude (oscilação da onda relativamente à sua posição média) - quando o ar passa por elas. Além das cordas vocais contribuem também para a produção da voz o nariz e a boca, bem como os pulmões.

A intensidade do som é a característica que permite distinguir um som forte de um som fraco. Um som forte, mais intenso, pode ser ouvido a maior distncia que um som fraco. Um som é tanto mais intenso quanto maior for a amplitude da sua oscilação. No entanto, a intensidade depende também da frequência da onda.

A altura do som está directamente relacionada com a frequência da onda sonora: um som é tanto mais alto quanto maior for a sua frequência. Um som alto, com maior frequência, será mais agudo que um som baixo, grave.

Logo, assim como a frequência e a amplitude da onda sonora são determinadas pela frequência e a amplitude da fonte sonora, é também ela que determina a intensidade e a altura da onda.

Figura 7

No entanto, existe outra característica da onda sonora que é extremamente importante: havendo dois instrumentos diferentes que tocam a mesma nota (emitem um som com a mesma frequência), como nos é possível distingui-los pelo som? Os dois instrumentos têm timbres diferentes. O timbre resulta da combinação de um som fundamental e dos seus harmónicos. Um som fundamental ou simples é emitido, por exemplo, pelo diapasão. Ao vibrar, ele emite uma onda harmónica, isto é, com um só comprimento de onda e com uma frequência bem definida. Porém, quase todos os outros sons não são simples, mas sim complexos: a onda que emitem não tem uma frequência bem definida. Aquilo que confere características particulares ao som de um instrumento musical ou de uma voz humana é então o número de harmónicos (som puro cuja frequência seja um múltiplo inteiro de uma dada frequência) que intervêm e a proporção com que cada um entra no som resultante.

É então esta a característica que pode permitir um sistema de reconhecimento por voz: o timbre, graças ao qual todos temos vozes diferentes, e únicas, tal como as nossas impressões digitais.

Este sistema de reconhecimento por voz implica, antes de tudo, um microfone, que irá converter o nosso sinal sonoro num sinal eléctrico com a mesma informação. O sinal eléctrico é de seguida transmitido para um osciloscópio digital, no qual o sinal eléctrico é digitalizado por um conversor analógico-digital. O sinal digital forma agora um conjunto de informações que serão processadas por um microprocessador, e comparadas com outras informações do mesmo tipo que se encontram na memória digital do osciloscópio, ou num computador a ele ligado. Essas informações consistem noutras gravações de voz, entre as quais se encontra, possivelmente, a nossa. A comparação é feita ao nível do som emitido, e também pode ser feita ao nível de uma frase ou palavra específica a ser dita pela pessoa a identificar. Ao encontrar uma gravação cujo código binário seja semelhante ao nosso, um determinado sistema ligado ao osciloscópio irá dar-nos acesso àquilo que pretendíamos, e que não conseguiríamos obter sem este sistema de identificação.

Ao contrário daquilo que se possa pensar, este sistema é fiável, e pequenas alterações na nossa voz não nos impedem de o utilizar. A voz humana é constituída por sons nasais e por sons vocálicos. Mesmo que a pessoa a ser identificada esteja constipada, ou rouca, verificou-se em sistemas deste tipo que as altas frequências sofrem poucas variações, não interferindo no reconhecimento da voz. É necessário também que a gravação de voz que está na memória digital do osciloscópio/computador tenha sido repetida e gravada várias vezes, para que o aparelho possa eliminar pequenos erros, por meio da comparação, que poderiam dificultar a identificação da voz.

 

Fígura 8 - A figura de Lissajous num osciloscópio