L’oscilloscopio
Scuola estiva di Genova
20 – 25 luglio 2009
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Figura 1: Schema a blocchi di un oscilloscopio.
L’oscilloscopio è il più utile e versatile strumento di misura elettronica. Come di solito usato, permette di “vedere” le tensioni in un circuito in
funzione del tempo, scattando su un particolare punto della forma d’onda
in modo da mostrarla ferma. Abbiamo disegnato un diagramma a blocchi
( fig. 1 ) e un tipico pannello frontale ( fig. 2 ) per aiutare a spiegare come
funziona. L’oscilloscopio che descriveremo è quello chiamato oscilloscopio
a doppia traccia, accoppiato in continua, con trigger. Esistono oscilloscopi
speciali per le riparazioni delle TV o scopi simili ed esistono oscilloscopi di
vecchio tipo senza le caratteristiche necessarie per le misure di circuiti.
Segnale verticale
Per cominciare dai segnali di ingresso, la maggior parte degli oscilloscopi ha
due canali ; questo è molto utile perché spesso abbiamo bisogno di vedere
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Figura 2: Tipico pannello frontale di un oscilloscopio.
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le relazioni fra segnali. Ogni canale ha un selettore di guadagno calibrato,
che stabilisce la scala dei volt/divisione ( volts/div ) sullo schermo. C’è
anche un pomello di guadagno variabile ( var ; concentrico con il selettore
di guadagno ) casomai vogliamo regolare un dato segnale a un certo numero
di divisioni. Attenzione : è necessario assicurarci che il pomello di guadagno
variabile stia nella posizione “calibrata” ( cal ) prima di effettuare misure di
tensione ! È facile dimenticarsene. Gli oscilloscopi di qualità migliore hanno
indicatori luminosi per avvisare se il pomello di guadagno variabile sta fuori
dalla posizione calibrata.
Caratteristica essenziale dell’oscilloscopio è l’accoppiamento in continua
( dc-coupling ) : ciò che vediamo sullo schermo è il segnale di tensione,
con valore continuo e tutto il resto. Talvolta può succedere che vogliamo
vedere un piccolo segnale sovrapposto a una grande tensione continua : in
questo caso possiamo selezionare l’accoppiamento di ingresso in alternata
( ac-coupling ), che accoppia l’ingresso attraverso una capacità con costante
di tempo all’incirca di 0.1 secondi. La maggior parte degli oscilloscopi hanno
anche una posizione di ingresso a massa ( grounded-coupling ), che ci permette
di vedere dove stanno zero volt sullo schermo. ( In posizione gnd, il punto del
circuito connesso alla sonda non è cortocircuitato a massa, ma semplicemente
sconnesso dall’oscilloscopio, il cui ingresso è messo a massa ). Gli ingressi di
un oscilloscopio di solito sono ad alta impedenza ( un megaohm in parallelo
con circa 20 pF ), come dovrebbe avere ogni buono strumento di misura di
tensione. La resistenza di ingresso di 1.0 megaohm ha un valore universale
e accurato, in modo che possiamo usare sonde attenuate ad alta impedenza
( come descriveremo nel seguito ) ; purtroppo la capacità in parallelo non ha
un valore standard, il che dà un po’ di noie quando si cambiano le sonde.
Gli amplificatori verticali comprendono un controllo di posizione verticale ( position ), un controllo di inversione ( invert ) su almeno uno dei
canali ed un selettore di modalità di ingresso ( input mode ). Quest’ultimo ci permette di guardare l’uno o l’altro dei canali, la loro somma ( la
loro differenza, quando un canale è invertito ), o entrambi. Esistono due
maniere per vedere entrambi : alternativa ( alternate ), in cui gli ingressi
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vengono mostrati alternativamente durante ricezioni successive della traccia ;
troncata ( chopped ), in cui la traccia salta rapidamente avanti e indietro
( 0.1–1 MHz ) fra i due segnali. Il modo alternate generalmente è migliore,
eccetto che per segnali lenti. Spesso è utile vedere i segnali in entrambe le
maniere, per essere sicuri di non ingannarci.
Segnale orizzontale
Il segnale verticale viene applicato all’elettronica di deflessione verticale, che
muove il punto luminoso in alto o in basso sullo schermo. Il segnale di scansione orizzontale viene prodotto da un generatore di rampa interno che dà una
deflessione proporzionale al tempo. Come per gli amplificatori verticali, c’è
un selettore calibrato tempo/divisione ( time/div ) ed un pomello concentrico variabile ( var ) ; lo stesso avvertimento dato prima vale anche qui. La
maggior parte degli oscilloscopi hanno un ingrandimento ×10 ( magnifier )
e ci permettono anche di usare uno dei canali di ingresso per la deflessione
orizzontale ( cosa che ci consente di generare quelle “figure di Lissajous”,
adorate ma generalmente inutili, che si vedono nei libri divulgativi e nei film
di fantascienza ).
Triggering
Ora viene la parte più delicata : il triggering 1 . Ci sono segnali in verticale
e scansione in orizzontale ; è quel che serve per un grafico della tensione in
funzione del tempo. Ma se la scansione orizzontale non aggancia il segnale di
ingresso ogni volta nello stesso punto della forma d’onda ( supponiamo che il
segnale sia periodico ), sullo schermo vedremo solo una gran confusione : immagini della forma d’onda d’ingresso sovrapposte a tempi diversi. I circuiti
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Tutti quelli che lavorano in laboratorio abitualmente usano il termine inglese, triggering, difficilmente traducibile in italiano, come scatto, innesco, partenza ; trigger,
letteralmente, è il grilletto di un fucile
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di trigger ci permettono di selezionare un livello ( level ) e una pendenza
( slope ; + o – ) sulla forma d’onda da cui iniziare la scansione. Possiamo
vedere dal pannello frontale che ci sono diverse scelte per sorgente e modalità
di trigger. La modalità normale ( normal ) genera una scansione solo quando la sorgente selezionata attraversa il livello di trigger fissato, muovendosi
nella direzione ( slope ) scelta. Nella pratica, regoleremo il controllo di livello in modo da vedere un’immagine stabile. In modalità auto la scansione
va avanti liberamente quando non è presente alcun segnale ; ciò è molto utile
se il segnale talvolta scende a valori piccoli, poiché cosı̀ continuiamo a vedere
qualcosa sullo schermo senza pensare che il segnale sia scomparso. Questa
è la modalità migliore da usare quando stiamo studiando parecchi segnali
diversi e non vogliamo scomodarci a fissare ogni volta il trigger. La modalita
di singola scansione ( single sweep ) viene usata per segnali non periodici.
Linea di rete ( line ) fa in modo che la scansione sia sincronizzata sull’alimentazione alternata di rete, cosa comoda se stiamo studiando un rumore
o un segnale sovrapposto su un circuito alimentato con la rete. Gli ingressi
esterni per il trigger ( external ) vengono usati quando disponiamo di un
segnale pulito alla stessa frequenza di un segnale “sporco” che stiamo cercando di vedere ; vengono usati spesso in alcuni circuiti che hanno un segnale di
prova oppure nei circuiti digitali in cui un segnale di “clock” sincronizza le
operazioni del circuito. Le diverse modalità di accoppiamento sono utili per
vedere segnali compositi ; per esempio, possiamo aver bisogno di individuare
un segnale audio di alcuni kilohertz che abbia dei guizzi sovrapposti. La
posizione hf rej ( reiezione di alta frequenza ) mette un filtro passa-basso
davanti al circuito di trigger, impedendo falsi trigger sui guizzi. Se ci interessano proprio i guizzi, possiamo fare il trigger su questi nella posizione lf
rej.
Ora molti oscilloscopi hanno dei controlli chiamati localizzatore del fascio
( beam finder ) e visualizzazione del trigger ( trigger view ). Il beam
finder è comodo se ci siamo persi e non riusciamo più a vedere la traccia ; è
un preferito dei principianti. Il trigger view mostra il segnale di trigger ;
è comodo specialmente se facciamo il trigger da sorgenti esterne.
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Consigli per principianti
Talvolta risulta difficile riuscire a vedere almeno qualcosa sull’oscilloscopio.
Iniziamo ad accendere l’oscilloscopio ; fissiamo il trigger su auto, dc coupling, ch 1. Fissiamo la velocità di scansione a 1ms/div, cal ed escludiamo
l’amplificazione ( magnifier su ×1 ). Selezioniamo gli ingressi sul verticale a massa ( ground ), aumentiamo l’intensità della traccia e spostiamo il
controllo della posizione verticale su e giù finché non vediamo una linea orizzontale ( se ci sono problemi a questo punto, proviamo il beam finder ). Attenzione : alcuni oscilloscopi ( per esempio i diffusi Tektronix analogici della
serie 400 ) non effettuano la scansione in modalità auto a meno che il livello
di trigger non sia regolato correttamente. Cerchiamo di acquistare familiarità con l’aspetto che assumono le immagini quando il guadagno verticale è
troppo alto e quando il trigger non è regolato correttamente.
Sonde
La capacità di ingresso dell’oscilloscopio vista da un circuito in prova può
essere parecchio alta, specialmente quando comprende necessariamente il
cavetto schermato di connessione. L’impedenza di ingresso risultante ( 1
megaohm in parallelo con 100 picofarad o circa ) è spesso troppo bassa per
circuiti sensibili e li carica con il solito effetto di partitore di tensione.
La soluzione comune è di usare sonde ad alta impedenza. La diffusa sonda 10× funziona come mostrato in figura 3. In continua è semplicemente un
partitore di tensione 10×. Regolando C1 a 1/9 del parallelo delle capacità C2
e C3 , il circuito diventa un partitore 10× a tutte le frequenze, con impedenza
di ingresso di 10 megaohm in parallelo con alcuni picofarad. In pratica, regoliamo la sonda guardando un’onda quadra di circa 1 kHz, disponibile in tutti
gli oscilloscopi come calib o probe adj e regolando la capacità della sonda
in modo da vedere un’onda quadra senza sbavature. Talvolta la regolazione
si trova abilmente nascosta ; su alcune sonde si torce il corpo della sonda e si
blocca avvitando una seconda parte. Uno svantaggio : una sonda 10× rende
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Figura 3: Schema circuitale di una sonda ad alta impedenza 10×.
difficile vedere segnali di pochi millivolt ; in tali situazioni useremo una sonda 1×, che consiste semplicemente di un certo tratto di cavetto schermato
a bassa capacità e dei soliti strumenti delle sonde ( l’uncino che afferra i
fili, la pinzetta per la terra, la bella impugnatura zigrinata e cosı̀ via ). La
sonda 10× dovrebbe essere quella standard, con la sonda 1× usata in caso
di necessità. Alcune sonde vantano una comoda scelta di attenuazione 10×
o 1× commutabile sul puntale.
Masse
Come con la maggior parte degli strumenti di misura, l’ingresso dell’oscilloscopio ha come riferimento la massa dello strumento ( la connessione esterna
dei cavetti BNC di ingresso ), che di solito è conessa elettricamente alla
scatola esterna. Questa, a sua volta, è connessa al polo di terra della linea di alimentazione alternata, attraverso il cavo di alimentazione a 3 fili.
Questo significa che non possiamo misurare tensioni fra due punti arbitrari
in un circuito, ma siamo costretti a misurare segnali relativi a questa massa
universale.
Un’avvertenza importante è d’obbligo qui : se proviamo a connettere la
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pinzetta di massa della sonda di un oscilloscopio ad un punto del circuito che
sta a una certa tensione rispetto alla terra, finiremo col cortocircuitarlo a terra. Ciò può avere conseguenze disastrose sul circuito in prova ; inoltre, può
essere brutalmente pericoloso con circuiti “caldi” ( per esempio elettronica
di consumo senza trasformatore di disaccoppiamento, come negli apparecchi
televisivi ). Se è necessario a tutti i costi guardare il segnale fra due punti,
possiamo o “appendere” l’oscilloscopio staccando il terminale di terra ( scelta
sconsigliata, a meno che non sappiamo veramente bene che cosa facciamo )
oppure fare una misura differenziale invertendo un canale di ingresso e commutando su add ( alcuni moduli aggiuntivi permettono misure differenziali
dirette ).
Un’altra avvertenza sulle masse quando misuriamo segnali deboli o ad
alta frequenza : assicuriamoci che la terra dell’oscilloscopio sia la stessa della terra del circuito dove stiamo facendo la misura. La maniera migliore di
fare questo è di connettere il filo corto di terra del corpo della sonda direttamente alla terra del circuito, quindi di controllare misurando la tensione
della “terra” con la sonda, che non si osservi nessun segnale. Un problema
con questo schema è che quelle pinzette di collegamente a terra solitamente
non si trovano più : perse ! Dovremo conservare gli accessori della sonda in
un cassetto da qualche parte.
Altre caratteristiche degli oscilloscopi
Molti oscilloscopi hanno una scansione ritardata ( delayed sweep ) che
ci permette di vedere una porzione della forma d’onda che viene un certo
tempo dopo l’istante di trigger. Possiamo variare accuratamente il ritardo
con una manopola di regolazione ed un secondo commutatore di velocità di
scansione. Una modalità di ritardo chiamata A aumentato di B ( A intensified by B ) ci consente di vedere l’intera forma d’onda alla prima velocità
di scansione, con il segmento ritardato più luminoso ; ciò è comodo durante
la preparazione. Gli oscilloscopi con scansione ritardata talvolta hanno una
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“scansione mista”, in cui la traccia comincia ad una certa velocità di scansione, quindi passa a una seconda velocità di scansione ( di solito più alta )
dopo un certo tempo di ritardo selezionato. Un’altra opzione è di iniziare
la scansione ritardata o immediatamete dopo il ritardo selezionato o al successivo punto di trigger dopo il ritardo ; ci sono due gruppi di controllo del
trigger, cosicché i due punti di trigger possono essere fissati individualmente.
( Non dobbiamo confondere scansione ritardata con “ritardo del segnale”.
Tutti i buoni oscilloscopi hanno un ritardo nel canale del segnale, in modo
da poter mostrare l’evento che ha causato il trigger ; ci permette di guardare
un poco all’indietro nel tempo ! ) Ora molti oscilloscopi hanno un controllo
di sospensione del trigger ( trigger holdoff ) ; esso inibisce il trigger
dopo ogni scansione per un intervallo di tempo regolabile ed è veramente
utile quando guardiamo forme d’onda complicate che non hanno la semplice
periodicità di un’onda sinusoidale, per esempio. Il caso abituale è quello di
una forma d’onda digitale con una sequenza complicata di 0 e 1, la quale non
produrrà un’immagine stabile altrimenti ( se non con una regolazione del
verniero di velocità di scansione, il che significa che non avremo una scansione calibrata ). Esistono anche oscilloscopi con memoria che permettono di
vedere eventi non periodici e oscilloscopi predisposti per moduli aggiuntivi.
Questi consentono di fare praticamente tutto, compresa visualizzazione di
otto tracce simultanee, analisi spettrale, misure accurate di tensione ( digitale ) e tempo su forme d’onda, eccetera. Ora stanno diventando comuni
oscilloscopi analogici con memoria digitale di nuova generazione ; permettono
di catturare forme d’onda singole e perfino di guardare a ritroso nel tempo
( prima dell’evento di trigger ).
Bibliografia
Queste note sono una traduzione fedele dell’Appendice A del testo seguente :
• Paul Horowitz and Winfield Hill, The Art of Electronics, second edition.
Cambridge, 1989 : Cambridge University Press.
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