oscilloscopio

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OSCILLOSCOPIO
L'oscilloscopio è uno strumento di misura elettronico che visualizza un grafico bidimensionale di una o più
differenze di potenziale elettrico. L'asse orizzontale solitamente rappresenta il tempo, rendendo
l'oscilloscopio adatto ad analizzare grandezze periodiche. L'asse verticale rappresenta la tensione.
La frequenza massima dei segnali visualizzabili dipende dalla banda passante dello strumento. Si spazia dalle
decine di megahertz adatti per lavorare con segnali audio e televisivi, ai costosi modelli digitali da diversi
gigahertz.
Oscilloscopio analogico
Può essere considerato uno strumento universale, collegandogli appropriati trasduttori, si può analizzare
qualsiasi fenomeno fisico, anche eventi casuali e non ripetitivi.
Un oscilloscopio è tipicamente costituito da una scatola rettangolare su cui è presente uno schermo e
numerose manopole e bottoni di comando. Allo schermo è sovrapposto un reticolo allo scopo di favorire la
lettura dei dati. Ogni intervallo del reticolo è chiamo divisione.
Il segnale da misurare viene introdotto attraverso un apposito connettore, solitamente di tipo coassiale BNC
o tipo N. All'ingresso possono essere collegate le sonde, particolari accessori usati per prelevare segnali dai
circuiti studiati.
In modalità semplice, un punto luminoso percorre lo schermo da sinistra a destra a velocità costante,
ridisegnando ripetutamente una linea orizzontale.
In assenza di segnale, la traccia è solitamente al centro dello schermo, e l'applicazione di un segnale
all'ingresso, provoca la deflessione verso l'alto o verso il basso, in funzione dalla polarità del segnale. La
scala verticale è espressa in volt per divisione, e può essere regolata da decine a millesimi di Volt, sono
comunque disponibili modelli in grado di effettuare misure dell'ordine dei microvolt. L'altezza iniziale del
grafico (offset) può comunque essere decisa dall'utente, così come è possibile escludere la componente in
corrente continua presente nel segnale in esame, nonché scegliere l'impedenza di ingresso.
In questo modo si ottiene la visualizzazione di un grafico di tensione in funzione del tempo. Se il segnale è
periodico, è possibile ottenere una traccia stabile regolando la base dei tempi in modo da coincidere con la
frequenza del segnale o un suo sottomultiplo.
Applicando due segnali sinusoidali in rapporto armonico di frequenza agli ingressi, sullo schermo vengono
visualizzate particolari figure, chiamate figure di Lissajous, da cui è possibile inferire i rapporti di fase e di
frequenza tra essi.
Alcuni oscilloscopi hanno sullo schermo dei cursori che possono essere spostati ed utilizzati per misurare
con precisione intervalli di tempo o differenze di potenziale.
Per analizzare eventi non ripetitivi alcuni oscilloscopi sono dotati di memoria di traccia, un sistema che
mantiene visualizzata l'ultima traccia apparsa. In alcuni modelli digitali la scansione può durare ore, e la
traccia visualizzata scorre sullo schermo da destra a sinistra come avverrebbe in un registratore su striscia di
carta.
Normalmente ogni oscilloscopio è dotato di un circuito di calibrazione, il quale genera un segnale continuo,
costituito da un'onda quadra di ampiezza e frequenza nota.
Spaccato di un tubo a raggi catodici per oscilloscopio
L'oscilloscopio è costituito da un tubo catodico e da 4 circuiti elettronici distinti, amplificatore verticale,
amplificatore orizzontale, base dei tempi e alimentatore di corrente. Questa tipologia costruttiva definita
"analogica", è rimasta invariata fino alla metà degli anni '80, quando iniziarono a diffondersi tecniche digitali
applicabili anche a questo strumento; agli oscilloscopi "Analogici" si affiancarono quelli "Digitali", che
avvantaggiati da migliori prestazioni e minori costi di produzione, in 2 decenni soppiantarono gli analogici,
basti pensare che il solo tubo catodico a memoria del 181A Hewlett-Packard in uso negli anni 70, costava
3000$.
Il tubo catodico è un'ampolla di vetro a simmetria cilindrica che termina da un lato con uno schermo
ricoperto di fosforo, una sostanza che si illumina quando colpita da un flusso di elettroni, dall'altra da un
filamento che percorso da una corrente continua di 6.3 volt si riscalda ad una temperatura di 700-800°C,
emettendo elettroni con facilità se sottoposto ad un campo elettrico. Nell'ampolla viene praticato il vuoto.
Il tubo catodico di un oscilloscopio è simile a quello di un televisore in bianco e nero, ma è più allungato e ha
uno schermo più piccolo. Nel collo del tubo è presente un cannone elettronico.
Una differenza di potenziale di migliaia di volt è applicata tra il catodo (a potenziale negativo) e le griglie
dell'anodo (a potenziale positivo). Gli elettroni sono attratti dal campo elettrico verso lo schermo, focalizzati
dal campo magnetico prodotto da un apposito elettromagnete, dove vanno a colpire un materiale
fosforescente che emette luce nel punto colpito. Il fascio viene deviato orizzontalmente e verticalmente dal
campo elettrico trasversale generato da due coppie di placche di deflessione.
Quando il campo tra le placche è nullo, gli elettroni procedono il linea retta, provocando la visualizzazione di
un singolo punto luminoso al centro dello schermo. L'applicazione di un campo provoca la deflessione del
fascio con ampiezza funzione della differenza di potenziale e verso dipendente della polarità applicata alle
placche. Scopo dell'amplificatore orizzontale, è di elevare i valori di tensione e corrente del segnale a dente
di sega generato dall'oscillatore, portandoli a livelli ottimali per il pilotaggio delle placche.
La base dei tempi è un circuito oscillatore che genera un segnale a dente di sega chiamato anche "rampa", di
frequenza regolabile. Una tensione, da zero cresce linearmente fino ad un valore massimo, quindi torna
rapidamente a zero e il ciclo riprende. Questo segnale amplificato applicato alle placche orizzontali, provoca
la scansione del fascio elettronico attraverso lo schermo. Un circuito chiamato "Unblanking" (spegnimento),
si incarica di generare un impulso della stessa durata del tempo che impiega il segnale a dente di sega a
portarsi dal suo massimo al suo minimo, viene usato per evitare di vedere la "ritraccia", cioè lo spostamento
del punto luminoso da destra a sinistra.
Oscilloscopio a memoria analogica
Alcuni oscilloscopi analogici sono dotati di memoria
Per ottenere questa funzione si frutta il fenomeno della emissione secondaria: quando un elettrone colpisce
un fosforo sullo schermo, l'energia cinetica trasferita può provocare, oltre all'emissione di luce, l'espulsione
di altri elettroni dal materiale, che assume così una carica positiva. Negli oscilloscopi a memoria un secondo
cannone elettronico produce un flusso disperso di elettroni a bassa energia che vengono attirati dai fosfori
caricati positivamente. Se l'energia di questi elettroni è opportunamente regolata il fenomeno dell'emissione
secondaria può ripetersi indefinitamente. In realtà un inevitabile leggero sbilanciamento provoca una
progressiva illuminazione di tutto lo schermo (energia eccessiva) oppure la progressiva estinzione della
traccia (poca energia).
In alcuni modelli la memoria è esclusivamente bistabile: l'immagine residua può essere presente o assente. In
altri la cancellazione avviene progressivamente. In altri ancora è possibile sopprimere temporaneamente la
visualizzazione della memoria (spegnendo il cannone secondario) e richiamarla successivamente, su alcuni
modelli degli anni 60 era possibile attivare parzialmente la memoria, solo sulla metà superiore o inferiore del
tubo.
Oscilloscopio a memoria digitale
Gli oscilloscopi digitali sono ampiamente preferiti nelle applicazioni professionali, lasciando agli hobbisti i
modelli analogici. Se nell'oscilloscopio analogico il ruolo fondamentale era svolto dal tubo catodico,
nell'oscilloscopio digitale il componente principale è l'accoppiata convertitore analogico-digitale e RAM.
L'ADC è di tipo FLASH (solitamente ad 8-bit) poiché è fondamentale avere una conversione veloce del
segnale di ingresso: per la legge di Shannon, infatti, la massima frequenza catturata dal segnale di ingresso
sarà la metà della frequenza di campionamento. Questi convertitori sono tipicamente in grado di campionare
a una frequenza di 20 GHz e richiedono quindi una RAM con una banda passante di oltre 20 GB/s.
La RAM, a causa dei stringenti vincoli prestazionali, ha una capacità tipica che non supera i 64 MB. Nel
2003, per un oscilloscopio digitale a 20 GHz con una RAM di 64 MB erano necessari circa 100.000 euro.
Il segnale, una volta campionato e memorizzato nella RAM, può essere elaborato da un microprocessore in
grado di ricavare dai campioni i dati di interesse (forme d'onda, tempi, ampiezze, spettri di frequenza,
statistiche varie etc..) e visualizzarli su di un monitor, solitamente in standard VGA 640x480 con un'area di
500x400 pixel dedicata alla visualizzazione della forma d'onda con le divisioni tipiche dei modelli analogici.
La precisione di visualizzazione tipica è del 1~3% per segnali in DC mentre l'errore può salire al 30% ai
limiti del funzionamento AC.
Una particolarità degli oscilloscopi digitali è la possibilità di operare il campionamento in tempo equivalente.
Infatti se si studia un segnale periodico, è possibile campionare ripetutamente il segnale per più periodi,
raggiungendo una banda passante di oltre 50 GHz campionando a soli 20 GHz; la legge di Shannon qui non
vale perché essa si applica al campionamento di segnali aperiodici.
Oltre agli oscilloscopi stand-alone, vengono oggi prodotti oscilloscopi anche sotto forma di periferiche da
collegare ad un PC standard. La RAM usata per i campionamenti ovviamente è interna alla periferica, ma da
PC è possibile acquisire tutti i dati di interesse.
A volte è presente una funzione di autoregolazione: premendo un solo tasto, lo strumento si autoconfigura
per visualizzare al meglio il segnale entrante. Sui modelli ad alte prestazioni è implementata la funzione di
autocalibrazione, saltuariamente l'operatore può attivare la "routine" implementata nel firmware
semplicemente premendo un tasto.
In laboratorio tramite un oscilloscopio a memoria digitale e un microfono abbiamo provato a campionare le
frequenze delle ottave di un flauto.
La caratteristica che differenzia uno strumento da un altro è il timbro.
Frequenza delle note
In linea di principio, la musica può essere composta da note di frequenza arbitraria. Per ragioni
storiche e psicoacustiche, si è consolidato l'uso di dodici note per ottava. Queste note a frequenza
fissa sono in relazione matematica fra loro, e sono calcolate a partire da una nota fondamentale la
cui frequenza è stabilita per convenzione. Recentemente si è stabilito che il La3, rappresentato in
chiave di violino nel secondo spazio del pentagramma, corrisponda a una frequenza acustica di 440
Hz.
Ogni nota è separata dal La3 da un numero intero di semitoni. E ogni 12 semitoni si ha un
raddoppio di frequenza. Quindi, la frequenza di una nota che dista n semitoni dalla fondamentale è
data dalla formula:
Per esempio, troviamo la frequenza del Do immediatamente sopra al La3 (Do4). Per ottenere il Do4
devo aggiungere tre semitoni:
• La —1→ La♯ —2→ Si —3→ Do
Il segno di n è importante; per esempio, il Fa immediatamente sotto il La3 è il Fa3. Devo quindi
sottrarre 4 semitoni:
• La —1→ La —2→ Sol —3→ Sol —4→ Fa
Quindi:
Infine, si vede che ogni dodici semitoni si ha una frequenza doppia, ovvero un intervallo di un
ottava.
Do
T=
1,90 ms
ν=
526 Hz
Re
T=
1,67 ms
ν=
599 Hz
Mi
T=
1,51 ms
ν=
662 Hz
Fa
T=
1,38 ms
ν=
725 Hz
Sol
T=
1,25 ms
ν=
800 Hz
La
T=
1,10 ms
ν=
909 Hz
Si
T=
0,98 ms
ν=
1012 Hz
Do
T=
0,91 ms
ν=
1099 Hz
Periodo Note
2,00
1,80
1,60
1,40
ms
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
Do
Re
Mi
Fa
Sol
La
Si
Do
La
Si
Do
Frequenza Note
1200
1000
Hz
800
600
400
200
0
Do
Re
Mi
Fa
Sol