Corsi diMisure
Guida degli strumenti di laboratorio
Guida degli strumenti di laboratorio
Obiettivo di questo documento è imparare a conoscere e utilizzare alcuni strumenti di uso
comune presenti in laboratorio (generatore di funzioni, multimetro, oscilloscopio…)
Multimetro
Misure di Tensione
Per eseguire le misure di tensione si dovrà procedere collegando i terminali in parallelo, come
mostrato in Figura 1.
Misure di Corrente
La misura di corrente necessita un collegamento differente, i terminali vanno messi in serie,
aprendo il circuito (Figura 2). Quando è possibile, si preferisce misurare la tensione e risalire
alla corrente indirettamente.
ATTENZIONE! E’ importante osservare che le misure di tensione e quelle di corrente
possono essere fatte in:
Ø Modalità DC: dove tutto il segnale passa, compresa la componente continua
Ø Modalità AC: lo strumento fornisce il valore di RMS del segnale: è inteso per segnali
armonici a media nulla; il valore RMS, definito nel dominio del tempo come:
T
1 2
x (t )dt
T ∫0
, fornisce dunque un valore legato all’ampiezza del segnale.
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Vm
+
-
DC V
AC V
+
Figura 1 - collegamento in parallelo per la misura della tensione
Im
-
+
SHIFT
DC I
AC I
+
Figura 2 – Collegamento in serie per la misura di corrente
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Misure di Resistenza
Per le misure di resistenza i collegamenti sono uguali a quelli utilizzati per le misure di
tensione, Bisogna prestare attenzione a separare elettricamente la parte di circuito di
interesse dal resto del sistema, onde evitare di includere, nella misura, anche la resistenza di
rami posti in parallelo a quello di cui si vuole conoscere la effettiva resistenza.
Rm
+
-
SHIFT
2W
4W
+
Figura 3 - Misure di resistenza
ATTENZIONE: Le misure di Resistenza si effettuano ponendo il
multimetro in parallelo alla resistenza in ASSENZA di alimentazione,
in quanto si includerebbe nella misura anche la resistenza interna
del generatore.
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Come si riconosce il valore nominale di una resistenza
Riportiamo di seguito la tabella dei colori che ci consente di calcolare il valore nominale di
una resistenza.
Figura 4 – Tabella con i colori delle resistenze
Nella figura successiva sono riportate le resistenze più comuni disponibili in commercio: si
ricorda che buona parte del costo è funzione dell’incertezza o tolleranza con cui viene fornito
il valore nominale della resistenza
Figura 5 - tabella con le resistenze disponibili in commercio
Naturalmente, tutti gli altri valori delle resistenze si otterranno combinando queste resistenze
in serie/parallelo.
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Oscilloscopio
L'oscilloscopio analogico è uno strumento di misura che serve per visualizzare l'andamento
temporale della tensione applicata agli ingressi.
L'oscilloscopio è semplice da usare, permette di visualizzare due segnali anche di ampiezze molto
diverse fra loro e una in funzione dell’altra.
Figura 6 - Oscilloscopio
1) Pregi e difetti
L’oscilloscopio può essere analogico o digitale. Nel primo caso è da considerarsi come uno
strumento più qualitativo, in quanto l’incertezza con cui viene fornita l’indicazione solitamente
è elevata e dipende da un numero di parametri difficilmente quantificabili; in compenso il
segnale analogico viene riportato in tutta la sua interezza, è possibile osservare anche i
disturbi ad alta frequenza, non si risente dei problemi tipici del campionamento del segnale,
purtroppo lo strumento non è dotato di memoria. L’oscilloscopio digitale è invece uno
strumento di misura con prestazioni paragonabili a quelle di un comune sistema di
acquisizione, sia in positivo (memoria e migliore qualità del segnale rispetto al rumore di
fondo), sia in negativo (tipici problemi del campionamento).
I segnali in ingresso hanno valori ammissibili non superiori ad un certo limite (che dipende
dall'oscilloscopio, ad esempio ±20 V), anche se la tensione massima applicabile senza
danneggiare lo strumento è generalmente più elevata.
2) Canali
Posizionamento della traccia sullo schermo dell’oscilloscopio:
Position per il posizionamento verticale e Delay per quello orizzontale.
Questi comandi spostano semplicemente la traccia sullo schermo, senza cambiarne alcun
parametro.
Guadagni: i controlli Volt/Div e Time/Div regolano i guadagni verticale e orizzontale
rispettivamente. il guadagno verticale è espresso come volt per divisione della griglia, mentre
il guadagno verticale si esprime come secondi (o millisecondi) per divisione.
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I pulsanti 1 e 2 attivano i menù relativi ai canali 1 e 2, in cui è possibile scegliere se accoppiare il
segnale in AC o DC (vedi nel seguito l'utilità del comando).
Figura 7 Comandi del pannello di controllo dello strumento in dotazione
3) Modalità AC/DC/GND
La modalità DC acquisisce da frequenza 0, quindi anche il valor medio de segnale.
GND: visualizza la massa, serve per stabilire lo zero
La modalità AC taglia la parte continua del segnale, ovvero porta il valor medio a zero
applicando un filtro passa alto con frequenza di taglio molto prossima allo zero.
Il vantaggio dell’accoppiamento AC consiste nel fatto che spesso in un segnale interessa
la parte dinamica, mentre il valor medio o presenta uno scarso interesse, o addirittura
spesso è legato al funzionamento del trasduttore e quindi privo di significato fisico.
L’eliminazione della componente continua consente dunque di regolare in modo
opportuno il rapporto tensione/graduazione dello schermo dell’oscilloscopio, amplificando
al massimo la parte dinamica di interesse: se il segnale fosse composto da una continua
a 9V cui si sovrappone una parte dinamica con fondo scala dell’ordine delle centinaia di
millivolt e fossimo obbligati a mantenere un fondo scala utile a visualizzare il segnale
nella sua interezza, difficilmente apprezzeremmo le variazioni Purtroppo l’utilizzo del filtro
non è immune da problemi: infatti, lavorando su un segnale elettrico analogico, la sua
selettività non è molto elevata: questo significa che esiste una zona di transizione in cui il
segnale è attenuato senza essere totalmente filtrato. Nel caso specifico, cancellare la
componente continua significa che una serie di contributi armonici a bassa frequenza
saranno attenuati. Se nel segnale vi fossero contributi importanti nella banda 0-1 Hz,
sicuramente questi risulterebbero in parte cancellati dal filtro. Un secondo problema è che
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qualsiasi filtro analogico sfasa il segnale: in termini più semplici, considerando un segnale
armonico, vi è una certa fase tra il segnale fornito allo strumento e quello restituito sullo
schermo (Cathode Ray Tube, o CRT), questa fase è indice di un ritardo temporale tra il
segnale in ingresso e quello in uscita.
4) Trigger
Il trigger serve per permettere la visualizzazione di un segnale a partire da un certo evento:
l'immagine sullo schermo viene rinfrescata nel momento in cui avviene un evento
(tipicamente il segnale in ingresso assunto come riferimento per il trigger passa per un certo
livello di tensione e con una particolare derivata).
Nel caso di oscilloscopio analogico (privo di memoria) il trigger serve a stabilizzare un segnale
sullo schermo qualora si abbia a che fare con segnali periodici: in tal caso l’effetto è quello di
“congelare” l’immagine sul CRT (in realtà si valuta la stessa porzione in cicli successivi),
permettendo analisi quantitative. Nel caso di strumenti digitali l’utilità del trigger è più ampia e
serve a “catturare” un evento ritenuto interessante.
Il canale di riferimento (selezionabile attraverso il tasto Source) è quello che l'oscilloscopio
considera per decidere se è giunto o no il momento di rinfrescare l'immagine sullo schermo.
I canali più usati come riferimento sono:A, B oppure una segnale collecato al BNC External
Trigger.
Attraverso il controllo Level è possibile scegliere il livello di tensione di soglia per il trigger
mentre il controllo Slope permette di decidere se si devono considerare gli attraversamenti in
salita o in discesa.
5) Segnale di calibrazione
L'oscilloscopio genera un segnale di calibrazione (connettore sotto lo schermo) utile per
verificare che l'oscilloscopio funzioni correttamente.
il segnale è un'onda quadra con frequenza e ampiezza segnalate a fianco del connettore.
Collegando un canale dell'oscilloscopio con il segnale di calibrazione è possibile verificare che
quanto letto dall'oscilloscopio sia coerente co le specifiche del segnale di calibrazione.
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The Digitizing Oscilloscope
Status bar:
Vertical sensitivity
Sweep speed
Trigger time reference
Channel(s) on
Run/stop
Autoscale
Print
Calibrate
1 1.00V
Storage: Auto-store,
Erase, RUN/STOP
0s 2 us/ 1 RUN
1
Softkey
labels
----Setup memory---Undo
Calibration source
Power ON/OFF
Screen brightness
Measure: Vrms, tr, φ ,f
Trace /Setup Memory
Display: grid, vectors,
averaging
Default
Triggering:
Modes: Auto, Normal,TV
Sources: Ch1, Ch2, Ext, Line
Vertical position,
sensitivity
Math on/off
Horizontal:
Main Sweep Speed,
Sweep Modes:
Delayed, XY, Roll
t = 0 Reference
Figura 8 L’oscilloscopio in dotazione (da Agilent)
What the main controls do:
Horizontal
delay
Grid full
Display:
Vectors off
Trigger level Line is only
visible when you turn the knob.
When signal is smaller than
trigger level, scope stops
sampling.
Time/division
(sweep speed)
Vertical
Volts/division
Vertical
Position
Figura 9 Principali comandi e funzioni (da Agilent)
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Trigger slope
is positive
(rising edge)
What the display says:
Vertical sensitivity of CH1
is 1Volt per major division
Time=0
t>0
t<0
1 1.00V
Blinks if
no trigger
0.00s 200us/
1 RU
N
1
Probe
1 10 100
1
Off On
Trigger source
is Channel 1
Scope is ready
for trigger
Ground (V=0)
[If dc part of CH1 signal
is too big, ground
arrow points off-screen.
If this happens, adjust
vertical sensitivity]
Channel 1 is ON
Horizontal sweep speed is
200 µsec per major division
Readings scaled
for a 10:1 probe
Figura 10 Lo schermo dell’oscilloscopio (da Agilent)
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GENERATORE DI FUNZIONE
Il generatore di funzione è uno strumento che permette di generare una tensione caratterizzata da
particolare andamenti temporali, dette forme d'onda.
Figura 11 - Generatore di funzione
Le più comuni forme d'onda sono quella armonica e l'onda quadra.
Il segnale TTL è un particolare tipo di onda quadra con valori minimo e massimo pari a zero e
5 volt rispettivamente e viene generalmente usato come valore logico (booleano, vero/falso).
T=1/f
Segnale
Armonico
A = ampiezza
T = periodo
f = frequenza
A
Onda
quadra
A
T=1/f
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Si ricorda che la frequenza f di un segnale è definita come l'inverso del periodo T.
Con riferimento alla Figura 11 si identificano sul generatore di funzioni i seguenti elementi
fondamentali (i più usati in grassetto):
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
9)
10)
11)
12)
13)
14)
15)
16)
17)
18)
19)
20)
Display a led
Contatore interno/esterno
Selettore del campo di frequenza da generare
Selettore forma d'onda
Attenuatore (-20 dB)
Indicatore del Gate-Time
Controllo della frequenza di output nel range selezionato
Indicatore MHz, kHz, Hz mHz
Connessione BNC per contatore esterno
Controllo velocità di sweep
Controllo campo di frequenze per lo sweep
Connettore per controllo esterno dello sweep
Simmetria forma d'onda
Controllo della modalità logica TTL o CMOS
Uscita segnale TTL / CMOS
Controllo OFFSET
Uscita forme d'onda
Controllo ampiezza della forma d'onda
Maniglia allargabile per regolazione
Interruttore generale
L'uscita BNC più usata nelle nostre applicazioni è la numero 17. Collegando con un cavo
BNC tale uscita con l'ingresso dell'oscilloscopio è possibile visualizzare la forma d'onda
generata.
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NOTA: I CAVI BNC
I segnali dei trasduttori sono segnali “deboli”, in quanto di scarsa potenza, con valori di
corrente e tensione dell’ordine dei mA e dei mV.
Per questo motivo si preferisce far viaggiare detti segnali sui cosiddetti cavi coassiali con
connettore BNC. I cavi coassiali sono così chiamati perché composti da un elemento
conduttore circondato (con l’interposizione di uno strato di materiale isolante) da un altro
elemento conduttore concentrico. I due elementi hanno lo stesso asse e per questo motivo
sono detti coassiali.
Una serie di queste coppie di canali possono essere alloggiati all’interno di una singola
protezione. Tali cavi, inventati nel 1929, sono stati usati per la prima volta nel 1941. Il cavo
coassiale è tipico ad esempio delle connessioni Ethernet.
I cavi coassiali sono caratterizzati da un valore di impedenza caartteristica (espressa in Ohm,
come la resistenza nei sistemi D.C., anche se le due grandezze non hanno alcun legame)
che è funzione dei diametri relativi dei due conduttori ed il materiale usato come isolante tra i
due. I tipi più comuni di cavo coassiale sono indicati in tabella.
Cable
Type
RG-58/U
RG-58A/U
or RGRG-59/U
RG-62/U
Characteristic
Impedance
(ohm)
Use
53.5
Often used for Ethernet (is cheaper, and the connectors are easier to
install) but should not be, as it is the wrong impedance and usually has
50
75
93
10BASE2 CSMA/CD (ThinWire Ethernet)
CATV (cable TV)
IBM 3270 terminals, ARCnet
Figura 12 Caratteristiche di diversi cavi. RG significa "radio guide," perché il cavo
porta segnali in radio frequenza. "/U" significa "general utility."
Figura 13 Il cavo coassiale
Il cavo coassiale funziona come una gabbia di Faraday e proteggere dai disturbi la parte
“pregiata” di segnale che viaggi sul conduttore interno.
Attenzione però perché se la messa a terra non viene eseguita correttamente, è la stessa
“calza” (così viene chiamato il conduttore esterno) ad indurre disturbo sul canale di misura.
Solitamente il conduttore esterno viene messo a terra, in modo da essere sicuri che sia a
potenziale zero.
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I cavi coassiali hanno terminali particolari, che sono di due tipi:
connettori a banana, in cui i due conduttori vengono separati in corrispondenza della
connessione
connettori BNC. Il nome significa "Bayonet Nut Connector" (il movimento per inserirli è quello
tipico della baionetta), oppure "Bayonet Neil Consulman," dal nome di chi ha inventato il
connettore.
Ovviamente danneggiamenti al connettore possono vanificare ove non addirittura peggiorare
l’effetto schermante della calza del cavo coassiale.
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