L`Oscilloscopio - fataing.poliba.it

L’Oscilloscopio
(raccolta di lucidi)
Introduzione
L’oscilloscopio è lo strumento di misura fondamentale per l’analisi dei
segnali nel dominio del tempo.
Questo dispositivo, che può essere sia analogico che digitale, permette la
visualizzazione su una scala graduata bidimensionale (reticolo) di segnali di
tensione variabili nel tempo e consente di eseguire misure di ampiezza
(valore di picco, efficace, medio, ecc.) e di tempo (periodo, frequenza,
sfasamento, duty cycle, tempi di transizione, ecc.).
Ricorrendo all’uso di opportuni sensori è comunque possibile adottare
questo strumento per la visualizzazione dell’andamento temporale di
qualsiasi grandezza fisica.
2
Con
questo
strumento
estremamente
versatile
è
possibile
caratterizzare dispositivi e circuiti, effettuare confronti di vario tipo,
verificare il corretto
funzionamento di
componenti e sistemi,
analizzare le
caratteristiche di
disturbi e interferenze,
ecc.
3
Esso visualizza l’andamento temporale della tensione ai capi di un bipolo
(che può essere un elemento di un circuito, un sensore, ecc.).
In quanto misuratore di tensione, l’impedenza d’ingresso di un oscilloscopio è
(normalmente) molto elevata; tipicamente essa è di tipo ohmico-capacitivo ed
è costituita dal parallelo di un resistore da 1 MΩ con un condensatore
dell’ordine della decina di picofarad (10÷15 pF per strumenti di classe
elevata, 30÷35 pF per strumenti economici).
Tuttavia gli oscilloscopi a più ampia banda passante (ordine del gigahertz,
quindi utilizzabili per l’analisi di segnali RF), possono avere impedenza di
ingresso di 50 o 75 Ω.
E’ pertanto uno strumento di tipo voltmetrico
visualizza l’andamento temporale della tensione ai capi di un bipolo
L’impedenza d’ingresso è (normalmente) molto
RV=1MΩ
CV≈10-30pF
elevata ed è costituita da un bipolo R-C parallelo:
5
Un
Unoscilloscopio
oscilloscopiopuò
puòessere:
essere:
--analogico
analogico
--digitale
digitale
ininfunzione
funzionedelle
delleelaborazioni
elaborazioni
subite
subitedal
dalsegnale
segnaleprima
primadella
della
visualizzazione.
visualizzazione.
Nell’oscilloscopio analogico il segnale di ingresso, dopo un limitato
condizionamento (amplificazione o attenuazione), viene direttamente inviato
al sistema di visualizzazione.
Nell’oscilloscopio digitale il segnale di ingresso dopo il condizionamento
viene convertito nel dominio numerico con un processo detto di conversione
analogico/digitale e solo successivamente viene visualizzato. Un
oscilloscopio digitale può essere di tipo DSO (Digital Storage Oscilloscope),
DPO (Digital Phosphor Oscilloscope) o MSO (Mixed Signal Oscilloscope)
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Analogico
Oscilloscopio
DSO = Digital Storage Oscilloscope
Digitale
DPO = Digital Phosphor Oscilloscope
MSO = Mixed Signal Oscilloscope
7
L’OSCILLOSCOPIO ANALOGICO
8
Schema a blocchi
9
Il cuore di un oscilloscopio è costituito dal tubo a raggi catodici (CRT,
Cathode Ray Tube); quest’ultimo è un lungo tubo di vetro sigillato in cui
viene fatto un vuoto spinto e alle cui estremità sono poste da una parte
una sorgente di elettroni (cannone elettronico) e dall’altra lo schermo sul
quale viene formata l’immagine del segnale. Sulla superficie interna dello
schermo è depositato uno strato di materiale che ha la proprietà di
illuminarsi quando è colpito dal fascio elettronico (fosfori).
Gli elettroni emessi dalla sorgente catodica vengono accelerati da un
sistema di elettrodi ad alto potenziale (ordine della decina di kilovolt) in
direzione dello schermo e concentrati in forma di fascio (pennello
elettronico) che, opportunamente focalizzato, raggiunge lo schermo con
sezione puntiforme passando attraverso un sistema di deflessione.
La visualizzazione dell’immagine del segnale è ottenuta deviando
opportunamente la traiettoria del pennello elettronico e modificando il punto
di impatto sullo schermo fluorescente; il sistema di deflessione agisce
indipendentemente sia lungo l’asse orizzontale (asse temporale o “X”) sia
lungo l’asse verticale (asse delle ampiezze o “Y”).
Il sistema di deflessione può essere di due tipi distinti: elettrostatico o
elettromagnetico.
La deflessione elettrostatica è tipica degli oscilloscopi analogici e in questo
caso il tubo CRT si dice di tipo vector scan (a scansione vettoriale) mentre la
deflessione elettromagnetica è tipica degli oscilloscopi digitali e il tubo CRT si
dice di tipo raster scan (scansione a trama).
In entrambi i casi l’immagine del segnale tende a scomparire rapidamente (la
luminosità dei fosfori colpiti dal pennello elettronico decade con legge
esponenziale); per questo è necessario ritracciare l’immagine a frequenze
relativamente elevate (20-30 volte al secondo perché il fenomeno della
persistenza dell’immagine sulla retina dell’occhio dell’osservatore dia
l’impressione di immagine fissa).
Struttura del CRT a deflessione elettrostatica
zoccolo delle
connessioni
elettriche
anodi di preaccelerazione e
focalizzazione
placchette di
deflessione verticale
cannone elettronico
placchette di
deflessione
orizzontale
pennello elettronico
anodo di post-accelerazione
schermo
12
dettagli sulla deflessione
Applicando le leggi della meccanica classica al moto dell’elettrone e trascurando gli
effetti dell’accelerazione di gravità, si giunge molto facilmente alla seguente
relazione:
b = lunghezza placchette;
d = distanza tra le placchette;
Vd = d.d.p tra le placchette;
Va = tensione di accelerazione;
L = distanza tra il centro delle placchette e lo schermo;
1 b Vd
y=
L
2 d Va
y = distanza dello spot dal centro dello schermo;
13
Dettagli sull’oscilloscopio analogico
Nel suo funzionamento ordinario un oscilloscopio visualizza un segnale in
funzione del tempo.
Per ottenere questo tipo di visualizzazione è necessario che il movimento
verticale del fascio elettronico sia determinato dal segnale che si vuole
rappresentare e che, al contempo, il movimento orizzontale avvenga a
velocità costante da sinistra a destra. Occorre quindi che il sistema di
deflessione orizzontale sia comandato da un segnale che vari la sua
ampiezza linearmente col tempo (segnale a rampa lineare).
Quando il fascio elettronico, dopo aver effettuato la scansione (tempo di
spazzolamento), raggiunge l'estremità destra dello schermo, deve
ritornare all'estremità sinistra (tempo di ritraccia) e ridisegnare una
porzione di segnale identica a quella tracciata nella scansione
precedente.
Poichè l’oscilloscopio analogico non ha la possibilità di memorizzare in
alcun modo il segnale, questo deve essere necessariamente periodico e
la rampa che comanda la deflessione orizzontale, deve essere
sincronizzata ad esso.
14
asse verticale (segnale di ingresso)
Vy
t
Vx
TS=tempo di spazzolamento
asse orizzontale (base dei tempi)
TR=tempo di ritraccia
TH=tempo di holdoff
t
Vx
Τr
Τs
- +
Τh
traccia visualizzata
Vy
+
-
t
15
In un oscilloscopio analogico:
• si ha un’immagine del segnale in forma di traccia luminosa continua;
• la stabilità della traccia è proporzionale alla frequenza del segnale;
• la luminosità della traccia è inversamente proporzionale alla derivata
del segnale (più veloci sono le variazioni del segnale, più debole è la
luminosità);
• non è possibile eseguire elaborazione numerica del segnale; sono al
più disponibili operazioni molto semplici come inversione di segno e
addizione e queste sono ottenute per via analogica;
16
Esempio di oscilloscopio analogico a doppia traccia
(Tektronix TAS 220)
- due sezioni verticali
- una sezione orizzontale
- una sezione di trigger
17
Lo schermo è dotato di una griglia (reticolo) costituita (sempre) da
10 divisioni orizzontali e 8 divisioni verticali.
focus - regolazione della
messa a fuoco della traccia
scale illumination – regolazione
illuminazione del reticolo di
riferimento
intensity - regolazione
intensità della traccia
y (tensione)
x (tempo)
z (intensità)
L’asse z delle intensità è disponibile solo sugli oscilloscopi analogici e sugli
oscilloscopi digitali di tipo DPO; l’intensità della traccia sullo schermo
aumenta con la velocità e con la frequenza del segnale.
19
E’ spesso possibile visualizzare la forma d’onda somma o differenza
di due canali.
Gli oscilloscopi digitali permettono di eseguire e visualizzare
manipolazioni matematiche del segnale anche molto più complesse
(moltiplicazione, divisione, integrazione, derivazione, FFT, ecc.)
La SEZIONE VERTICALE
21
un esempio di sezione verticale di un oscilloscopio analogico
(TEKTRONIX TAS220)
manopola di regolazione della posizione
della traccia sullo schermo (offset)
selettore delle tracce da visualizzare
pulsante di selezione del modo di
visualizzazione (chop/alternate)
manopola di regolazione della sensibilità
verticale (tipicamente da 1-2 mV/div a 5
V/div)
pulsante di selezione del tipo di
accoppiamento alla sorgente di segnale
(AC/DC)
pulsante di messa a terra dell’ingresso
(per il posizionamento accurato della
traccia lungo l’asse verticale)
connettori BNC di ingresso
22
La sezione verticale comprende, poi, il controllo per l’accoppiamento
(coupling) del segnale sotto misura con lo strumento
DC: accoppiamento in continua (bipolo collegato direttamente all’oscilloscopio);
AC: la componente continua è rimossa inserendo un condensatore in serie (ciò
altera l’impedenza d’ingresso e la risposta dinamica);
GND: la sonda è scollegata (internamente) dal sistema verticale al quale è invece
applicata una tensione nulla;
Bandwidth Limit (o HF Reject): l’ingresso è filtrato passa-basso in modo da
ridurre il rumore (altera impedenza di ingresso e risposta dinamica).
La SEZIONE ORIZZONTALE
24
Un esempio di sezione orizzontale di oscilloscopio analogico
(TEKTRONIX TAS220)
manopola di regolazione della posizione
orizzontale (horizontal delay o position)
pulsante della funzione MAGNIFIER che consente di
aumentare di un fattore 10 la velocità di sweep in modo
da vedere dettagli veloci del segnale (non presente su
tutti gli oscilloscopi)
manopola di regolazione della velocità di sweep
(da poche decine di nanosecondi/div a qualche
secondo/div, in funzione del pregio dello
strumento)
controlli per la regolazione fine della velocità di
sweep; utile, ad esempio, per misure di tempo
relativo come quella di duty cycle dei segnali
impulsivi
25
Comunemente gli oscilloscopi analogici disponibili commercialmente
dispongono di almeno due canali di ingresso e di una sola base dei tempi;
Poiché il sistema di trigger può agire su un solo segnale per volta, sarà
possibile visualizzare stabilmente e contemporaneamente sullo schermo
solo forme d’onda di segnali aventi frequenze che stanno tra loro in
rapporto razionale, cioè tali che:
f x nx
=
f y ny
con nx , n y ∈ N e primi tra loro
In caso contrario il segnale non sincronizzato apparirà in movimento sullo
schermo.
Si può ovviare all’inconveniente solo ricorrendo ad oscilloscopi con basi
dei tempi multiple ed indipendenti l’una dall’altra; questi strumenti
prevedono ovviamente anche l’uso di sistemi di deflessione distinti per ogni
canale ed hanno perciò costi molto elevati.
26
Per gli oscilloscopi a più canali e con singola base tempi possiamo
scegliere tra due modalità di visualizzazione simultanea alternate e chop.
27
Un altro importante controllo
della sezione orizzontale è
quello che permette di passare
dalla visualizzazione in
“modo normale” a quella in
“modo XY”.
In modo normale l’oscilloscopio
visualizza i segnali di ingresso in
funzione del tempo.
L’asse x è in questo caso controllato
dalla base dei tempi interna.
In modo XY l’oscilloscopio visualizza
il segnale applicato al canale 2 (o Y)
in funzione del segnale applicato al
canale 1 (o X).
La SEZIONE DI TRIGGER
29
Un esempio di sezione di trigger di un oscilloscopio analogico
(TEKTRONIX TAS220)
manopola di
regolazione dell’holdoff
slider per la selezione del
tipo di accoppiamento al
segnale
pulsante di selezione
della pendenza del
trigger
ingresso per segnale di
trigger esterno
manopola di
impostazione del livello
di trigger
pulsanti di selezione del
modo di trigger (norm,
auto, single)
slider per la selezione
della sorgente del
trigger
30
In un oscilloscopio analogico per ottenere una traccia stabile sullo
schermo è necessario:
• che il segnale di ingresso sia periodico;
• che esso sia tracciato sempre con la stessa “fase” (ossia con un
ritardo fisso rispetto all’inizio di un periodo); a questo provvede
un’apposita sezione interna dell’oscilloscopio: la SEZIONE DI
TRIGGER;
Attenzione!
In generale:
• lo spazzolamento NON dura un numero intero di periodi; la durata è
stabilita dall’impostazione della base tempi (manopola time/div);
• il segnale NON è visualizzato senza interruzioni, ma possono essere
“saltati” tratti anche molto lunghi rispetto al suo periodo.
L’istante di trigger è quello in cui il segnale raggiunge un certo valore
(trigger level) con pendenza di segno fissato (trigger slope)
Nella sezione trigger
dell’oscilloscopio troviamo
quindi in primo luogo questi
due controlli.
livello di
trigger
.
punti di
trigger
.
spazzolamento
(sweep)
.
istanti di trigger
.
segnale applicato alle placchette di deflessione orizzontale
fase di spazzolamento
fase di ritraccia
t
Tempo di holdoff
Istante di RIARMO
del trigger
33
Occorre evidenziare che in un oscilloscopio sono presenti almeno 2
modalità di trigger:
•
Normal in cui l’oscilloscopio spazzola l’asse orizzontale solo se il
segnale è presente e soddisfa le condizioni di trigger; in questa
configurazione, nel caso di perdita di aggancio, l’oscilloscopio
analogico presenta uno schermo vuoto e l’oscilloscopio digitale
mantiene sullo schermo l’ultima traccia ottenuta;
•
Auto in cui l’oscilloscopio spazzola la base dei tempi anche in
assenza di condizione di trigger, visualizzando una traccia
orizzontale di riferimento corrispondente al segnale di livello zero;
34
Il segnale di trigger può essere ricavato da uno dei canali di ingresso,
oppure da un canale ausiliario dotato di un connettore proprio (external
trigger).
L’accoppiamento del circuito di trigger con il segnale può essere:
• AC/DC: identico significato dell’accoppiamento del segnale di ingresso
alla sezione verticale;
• TV (o video): in questo caso l’oscilloscopio si imposta automaticamente
per visualizzare correttamente un segnale di ingresso di tipo video,
estraendo da esso il segnale di sincronismo.
• HF Reject: viene soppresso il contenuto armonico ad alta frequenza
sovrapposto al segnale; utile per limitare l’incertezza nell’istante di trigger
dovuta al rumore;
Esiste inoltre sempre la modalità LINE nella quale il segnale di trigger è
ottenuto direttamente dal segnale alternato sinusoidale della rete di
alimentazione; questa modalità è molto utile per la visualizzazione di
segnali sincroni a quello di rete.
35
Un altro controllo della sezione di trigger, fondamentale per la corretta visualizzazione
di alcuni tipi di segnali, è quello di holdoff (“trattenimento” del trigger)
Esso permette di regolare l’ampiezza di un intervallo di tempo, successivo allo
spazzolamento, in cui il verificarsi della condizione di trigger è ignorata.
Il controllo dell’holdoff è fondamentale per la corretta visualizzazione di segnali che
soddisfano la condizione di trigger più volte in uno stesso periodo (caso tipico è
quello dei segnali digitali seriali).
Nel caso di figura, con una regolazione opportuna dell’holdoff, lo spazzolamento
parte sempre in corrispondenza del primo impulso di ogni sequenza di tre, ottenendo
un’immagine stabile.
Un esempio di regolazione errata dell’holdoff.
Intervalli di acquisizione
Punto di
Trigger
Livello di
Trigger
Holdoff
Holdoff
37
Lo stesso segnale con una regolazione adeguata dell’holdoff.
Intervalli di acquisizione
Punto di
Trigger
Livello di
Trigger
Holdoff
Holdoff
38
IMPORTANTE:
In un oscilloscopio analogico l’istante di trigger corrisponde
SEMPRE all’estremo sinistro della traccia visualizzata;
questo perché il segnale non può essere “memorizzato” in
alcun modo.
In un oscilloscopio digitale, invece, l’acquisizione è continua
ed è la sola visualizzazione sullo schermo ad essere
sincronizzata mediante il sistema di trigger. Questo consente
di “vedere” l’andamento del segnale anche prima dell’istante
di trigger (pretrigger).
39
In definitiva, quando si usa un oscilloscopio è necessario eseguire tre
operazioni fondamentali per visualizzare correttamente un segnale:
1. regolare la sensibilità verticale (attenuazione/amplificazione) tramite
la manopola volt/div in modo da adattare l’ampiezza del segnale al
range di misura desiderato;
2. regolare la base tempi tramite la manopola time/div (sezione
orizzontale) in modo da visualizzare l’intervallo di tempo desiderato;
3. impostare correttamente la sezione di trigger (sorgente, livello,
pendenza, modo e holdoff) per stabilizzare l’immagine del segnale
sullo schermo.
40
OSCILLOSCOPI DIGITALI
41
Dettagli sugli oscilloscopi digitali
Negli oscilloscopi digitali il segnale prima di essere visualizzato viene
campionato (discretizzato lungo l’asse temporale) e digitalizzato
(discretizzato lungo l’asse verticale).
Il campionamento è fondamentalmente di due tipi: in tempo reale (real-time
sampling) o in tempo equivalente (equivalent-time sampling); quest’ultimo
può poi essere ripetitivo (repetitive equivalent-time) o casuale (random
interleaved sampling).
La risoluzione del digitalizzatore è normalmente limitata a 8 bit.
Un oscilloscopio digitale:
• dà una traccia formata da punti discreti (eventualmente interpolati);
• permette l’elaborazione numerica del segnale;
• luminosità e stabilità della traccia non dipendono dalla frequenza o dalla
velocità locale del segnale.
42
Gli oscilloscopi digitali si dividono in due classi distinte, tecnologicamente
molto diverse tra loro:
I DSO (Digital Storage Oscilloscopes) sono la versione tradizionale e meno
costosa degli oscilloscopi digitali;
I DPO (Digital Phosphor Oscilloscopes) invece, sono una versione
elaborata dei DSO che riproducono numericamente la modalità di
visualizzazione degli oscilloscopi analogici (asse z delle intensità)
mantenendo i vantaggi dell’acquisizione e dell’elaborazione digitale che è
propria degli oscilloscopi digitali.
A questi, negli ultimi anni, sono stati affiancati gli MSO (Mixed Signal
Oscilloscopes, ossia Oscilloscopi a Segnali Misti) di cui si darà qualche
cenno nel seguito.
Sebbene il funzionamento e le modalità di visualizzazione dell’oscilloscopio
digitale sono in genere differenti da quelle dell’oscilloscopio analogico,
l’aspetto e i principali comandi sono sostanzialmente gli stessi.
43
campionamento real-time:
in questo caso l’oscilloscopio è in
grado di acquisire in un’unica
scansione un numero di punti
idoneo a ricostruire fedelmente il
segnale di ingresso. Questo è
possibile per segnali di contenuto
armonico (molto) minore di 1/2 della
frequenza
massima
di
campionamento dell’oscilloscopio ed
è l’unico metodo utilizzabile nel caso
di segnali impulsivi non ripetitivi.
Le bande passanti degli oscilloscopi con campionamento in tempo reale
sono dell’ordine del centinaio di megahertz.
Alcuni oscilloscopi digitali usano un campionamento in tempo reale per
velocità di sweep basse e passano automaticamente al modo di
campionamento in tempo equivalente per velocità di sweep elevate.
44
campionamento in tempo equivalente
In
questo
caso
l’oscilloscopio acquisisce
e visualizza campioni
che appartengono a
periodi
diversi
del
segnale di ingresso.
1° ciclo di acquisizione
Se lo shift temporale tra
acquisizioni consecutive
è casuale si ha il
campionamento
in
tempo
equivalente
casuale mentre se
esso è progressivamente crescente in modo deterministico si ha il
campionamento in tempo equivalente ripetitivo. Questa tecnica è
necessaria per visualizzare segnali la cui frequenza è molto elevata (anche
superiore a 1/2 della frequenza massima di campionamento
dell’oscilloscopio) ed è utilizzabile solo nel caso di segnali ripetitivi.
2° ciclo di acquisizione
3° ciclo di acquisizione
45
Interpolazione
Il numero di campioni acquisiti in
una scansione è comunque
limitato; al fine di ottenere una
visualizzazione in forma di
traccia continua, gli oscilloscopi
digitali
ricorrono
ad
una
interpolazione.
Le interpolazioni possono essere
di vari tipi ma le più utilizzate
sono quella lineare (figura a lato)
e quella “sinx/x” che fornisce
risultati migliori (traccia con
raccordi più dolci).
46
La deflessione negli oscilloscopi digitali
Negli oscilloscopi digitali la deflessione è sempre di tipo elettromagnetico
(raster scan), ossia dello stesso tipo di quella impiegata nei comuni
televisori domestici.
Questo perché sul loro schermo oltre all’immagine del segnale sono
normalmente visualizzate molte altre informazioni (impostazioni degli
assi verticali e orizzontale, trigger, misure automatiche, cursori, ecc.).
La deflessione elettromagnetica è realizzata mediante appositi induttori
avvolti su un supporto di forma tronco-conica e disposto all’esterno del
tubo CRT.
Negli oscilloscopi digitali più recenti il display è di tipo LCD (Liquid
Crystal Display) monocromatico o a colori, il che consente ingombri
estremamente contenuti. Per questi tipi di display (che sono a matrice di
punti) non ha senso parlare di deflessione.
47
esempio di oscilloscopio digitale tipo DSO (HP54603)
-sezioni verticali
-sezione orizzontale
-sezione di trigger
Negli oscilloscopi digitali sono possibili altre modalità di trigger, come ad
esempio:
•
Auto Level in cui la logica interna dell’oscilloscopio determina
automaticamente il livello di trigger più opportuno; la base tempi
resta quindi sempre (o quasi...) agganciata al segnale. L’operatore
può cambiare il livello di trigger ma se questo comporta la perdita di
aggancio, l’oscilloscopio provvede a riposizionarlo automaticamente;
•
Single in cui l’oscilloscopio esegue un solo ciclo di acquisizione;
questa modalità serve nel caso di segnali non ripetitivi o single-shot
ed è presente solo in oscilloscopi digitali con campionamento in
tempo reale.
49
Gli MSO (Mixed Signal Oscilloscopes)
•
•
•
Sono oscilloscopi digitali (generalmente di tipo DSO) che, in aggiunta
ai normali canali di ingresso analogici, dispongono anche di un certo
numero (spesso piuttosto limitato, non oltre i 16) di canali digitali;
Consentono quindi di visualizzare contemporaneamente sullo schermo
l’andamento di segnali analogici e di segnali digitali; questa è
un’esigenza sempre più sentita nell’elettronica industriale e consumer
dove sono molto diffusi sistemi misti analogico/digitale;
Dispongono di ulteriori modalità di trigger avanzate che consentono di
avviare l’acquisizione, ad esempio:
– quando tutti o alcuni i segnali digitali di ingresso rispettano un certo pattern
(combinazione di livelli alti e bassi),
– quando su una data linea si presenta un impulso di durata inferiore o
superiore ad un certo limite definibile dall’operatore;
– quando uno o più segnali presentano determinate transizioni (da alto a
basso o da basso ad alto);
– ecc.
50
Esempio di oscilloscopio a segnali misti
(Agilent 54621D)
Traccia
dell’ingresso 1
(analogico)
Connettore di
canali digitali
(pod)
Tracce degli
ingressi digitali
51
Le misure con l’oscilloscopio
52
Collegamento dell’oscilloscopio ai circuiti in prova
Dal punto di vista elettrico gli ingressi di un oscilloscopio sono normalmente
di tipo grounded single-ended, vale a dire che essi hanno il terminale di
riferimento del segnale in comune e messo a terra (caso di figura).
Le altre configurazioni possibili sono:
- floating single-ended: filo di ritorno
comune ai due canali ma isolato da terra;
- differential: fili di ritorno dei due canali
isolati tra loro e da terra;
in ordine crescente di vantaggio e di
costo.
Si deve sempre tenere presente che nel
connettere l’oscilloscopio a un circuito
si collegano insieme e si mettono a terra
determinati punti.
Un elemento indispensabile per la connessione dell’oscilloscopio ai punti
di misura è la sonda (probe) e può essere di vari tipi: attenuante o non
attenuante, compensabile o no.
anelli marcatori
cacciavite di
compensazione
adattatore ad
uncino
cavetto di massa
adattatore per
piedini di c.i.
estremità di connessione
all’oscilloscopio (BNC)
pinzetta a
coccodrillo
Le sonde più semplici hanno un rapporto di attenuazione fisso (1/10/100/1000x); la
sonda 1x non attenua il segnale e non consente compensazione di frequenza. Le
altre attenuano il segnale ma consentono la compensazione. Esistono sonde con
fattore di attenuazione commutabile (molto diffuse sono le sonde 1x/10x).
Una sonda con fattore di attenuazione > 1 è una resistenza elevata con in
parallelo un condensatore di capacità variabile (compensatore).
Si può verificare che con un opportuno valore di capacità della sonda si annulla
l’effetto passabasso della capacità equivalente dell’oscilloscopio.
sonda compensata
segnale attenuato 10 volte
(1 Vp-p)
ingresso
oscilloscopio
segnale
10 Vpp
compensatore
Al prezzo dell’attenuazione, con la sonda si ottiene di caricare 10 volte di meno
il circuito e di annullare l’effetto della capacità. Andrebbe sempre usata per
segnali di frequenza >5 kHz e di ampiezza sufficientemente alta rispetto al
rumore (questo perché l’effetto di carico diventa più pronunciato alle alte
frequenze).
compensazione della sonda:
1. si connette la sonda
ad un generatore di
segnale di
riferimento (onda
quadra di frequenza
circa 1 kHz e
ampiezza circa 5 V)
integrato
nell’oscilloscopio;
2. si regola il
compensatore col
cacciavite di
plastica fornito, fino
alla visualizzazione
ottimale del segnale
(onda quadra
piatta).
1) Misura di tensione di picco, tensione picco-picco, corrente, resistenza
Nelle misure di tensioni di picco porre attenzione a identificare
correttamente la linea a zero volt!
cursori
V p = kv ⋅ λvo
λvo
λv
V pp = kv ⋅ λv
Vrms
kv ⋅ λv
=
2 2
2) Misura di periodo (frequenza)
λT
kt ⋅ λT
T=
( n. periodi )
1 ( n. periodi )
f = =
T
kt ⋅ λT
3) Misura di sfasamento tra segnali
2YM
2Y0
λt
In modo normale è possibile
visualizzare e misurare
lo sfasamento tra segnali
isofrequenziali qualunque.
ϕ = ω ⋅τ = 2π ⋅ f ⋅ kt ⋅ λt
In modo XY è possibile misurare lo
sfasamento tra due sinusoidi in base
al rapporto tra altezza e intercetta
all’origine dell’ellisse.
ϕ = arcsin ( 2Y0 2YM )
4) Misura dei parametri temporali di un impulso
I parametri tipici sono tempo di salita o discesa (tra 10% e 90% del valore
di picco) e la durata dell’impulso (tra i punti al 50% dell’ampiezza).
Spesso l’oscilloscopio permette la regolazione fine del guadagno verticale,
in modo da far coincidere la base e il tetto dell’impulso con dei marcatori
prestampati sulla griglia.
Approfondimenti
Gli oscilloscopi digitali Hewlett Packard della serie 546xx
61
Gli oscilloscopi HP della serie 546xx dispongono di display altamente
interattivi in grado di visualizzare in “tempo reale” i cambiamenti di
segnale.
La
velocità
di
aggiornamento del
display semplifica
la
regolazione
eliminando
l'intervallo
che
intercorre
tra
l'esecuzione della
modifica
e
l'osservazione del
risultato.
Inoltre, anche in presenza di variazioni molto rapide, come ad esempio
in modulazione d'ampiezza, le forme d'onda vengono visualizzate in
modo corretto.
62
I controlli consentono l'accesso e la gestione delle potenti funzioni
attraverso un'essenziale struttura a menù.
Lo strumento dispone di notevoli peculiarità come ad esempio, una “scala
dei tempi negativi” (pretrigger), la possibilità di memorizzazione
permanente di impostazioni, la capacità di realizzare diverse misure
automatiche sia sull’asse temporale che sull’asse verticale, la stampa
diretta dei test, la possibilità di essere interfacciato ad un computer per il
controllo remoto, ecc. Tutto ciò consente la soluzione dei più difficili
problemi di test.
La possibilità di pretrigger consente la visualizzazione di eventi che si
verificano prima dell’evento di trigger; questi verrebbero omessi dagli
oscilloscopi analogici.
63
Sul pannello frontale sono accessibili manopole, e vari tasti di colore
grigio o bianco.
I tasti grigi sul pannello frontale attivano diversi menu di tasti funzione
disponibili sulla parte inferiore del display.
A ciascun tasto funzione corrisponde l'operazione indicata nel display
subito sopra di esso.
I tasti bianchi sono tasti di azione istantanea e non hanno nessuna
corrispondenza con i menu.
tasti
funzione
64
65
66
Le FIGURE DI LISSAJOUS
67
68
69
70
71