Misure Elettroniche - Lezione n. 1

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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
1
Indice unità 2
Oscilloscopi analogici 1a parte
Oscilloscopi analogici 2a parte
2
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1
Pag. 1
1
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Oscilloscopi analogici
3
Indice
Generalità e formazione dell’immagine
Tubo a raggi catodici
Presentazione nel dominio del tempo
Base tempi
Esercitazione su simulatore di Oscilloscopio
4
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2
Pag. 2
2
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Oscilloscopi analogici 1a parte
5
Elemento principale di un oscilloscopio
Tubo a Raggi Catodici (TRC)
evoluzione dei tubi di
Crookes 1879
Braun 1897
6
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3
Pag. 3
3
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Costruzione dell’immagine
7
Schema a blocchi di un oscilloscopio
S in posizione 1: rappresentazione di grandezze nel
dominio del tempo (grandezze periodiche transitori)
S in posizione 2: composizione di due segnali su assi
8
ortogonali
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4
Pag. 4
4
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
S in posizione 1
9
S in posizione 2
10
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5
Pag. 5
5
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Oscilloscopi analogici 1a parte
11
Tubo a raggi catodici
1 - Riscaldatore
2 - Catodo
3 - Cilindro di Wehnelt (Griglia di controllo)
4, 5 ,6 - Elettrodi di focalizzazione
7 - Placchette deflessione verticale
8 - Placchette deflessione orizzontale
9 - Elettrodo di postaccelerazione
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6
Pag. 6
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Schermo 1/2
Lo schermo è una lastra di vetro piana rivestita,
nella superficie interna al TRC, di particolari
materiali elettroluminescenti (i fosfori)
Questi colpiti dal fascio elettronico emettono luce
trasformando energia cinetica in energia
luminosa
Sullo schermo è anche depositato un strato
sottile metallico che funziona da elettrodo di
raccolta degli elettroni
13
Schermo 2/2
Tipi di fosforo determinato
colore di emissione
persistenza luminosa: in presenza di attivazione
elettronica i fosfori emettono luce per fluorescenza, se
cessa l’eccitazione si ha il fenomeno di emissione per
fosforescenza con coda luminosa
t p costante di tempo
di decadimento
1 ~ 10 ms <t p< 1 s
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7
Pag. 7
7
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Valutazione della sensibilità di deflessione
Si può dimostrare che la
deflessione D sullo
schermo è calcolabile con
la relazione
1 L⋅ Vd ⋅ b
D= ⋅
2 d ⋅Vacc
Funzione della geometria
del sistema e delle
tensioni
• Vacc di accelerazione
• Vd di deflessione
15
Parametri che influenzano D
Per rendere elevato D occorre avere:
elevata tensione di deflessione Vd e quindi guadagno
dell’amplificatore elevato
elevata lunghezza b delle placchette e quindi
capacità di carico alta per l’amplificatore
elevata lunghezza del tubo e quindi elevato
ingombro
bassa tensione accelerazione Vacc che comporta una
scarsa luminosità
piccola distanza tra le placchette d con alta capacità
equivalente
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8
Pag. 8
8
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Sensibilità di deflessione 1/2
Si definisce un fattore di deflessione


V 
H = d 
d D


valutazione di massima
di Hd ipotizzando
b ≈ 3 cm
d ≈ 1 cm
L ≈ 40 cm
Vacc ≈ 3 kV
risulta Hd = 50 V/cm
17
Sensibilità di deflessione 2/2
Si parla anche di sensibilità di deflessione




S = 1 
d H 
d

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9
Pag. 9
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Deflessione verticale 1/2
Con i valori numerici definiti, per una deflessione di
10 cm occorre avere V0 = 500 V;
Se Vin =1mV occorre un guadagno
dell’amplificatore
G = 500 x 103 → 114 dB
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Deflessione verticale 2/2
Caratteristiche amplificatore:
guadagno elevato
banda estesa da d.c. a frequenze elevate
risposta piatta
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Pag. 10
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Banda passante del sistema
SENSIBILITÀ ELEVATA
DI DEFLESSIONE
COMPORTA
PICCOLA DISTANZA
TRA PLACCHETTE
Banda passante
del sistema di
deflessione
ELEVATA LUNGHEZZA
DELLE PLACCHETTE
CAPACITÀ
ELEVATA
BANDA PASSANTE
RIDOTTA
In pratica la banda passante del canale verticale è
21
però limitata dall’amplificatore
Oscilloscopi analogici 1a parte
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Pag. 11
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Presentazione nel dominio del tempo
S in posizione 1:
rappresenta grandezze nel dominio del tempo
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Tensioni di deflessione Vx e Vy
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Pag. 12
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Oscilloscopi analogici 1a parte
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Circuito base tempi
Invertitore
SLOPE±
formatore di
impulsi
VB
Y
+
VT
VE
IINT
-1
EXT
LINE
sorgente di
trigger
—
VD
selettore di
ingresso
—
comparatore
di soglia
flip VF
flop
integratore
di Miller
×
alle placche di
deflessione
verticale
VCFR
CFR
livello di trigger +
generatore di trigger
compara
tore di
fine rampa
generatore di rampa
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13
Pag. 13
13
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Sorgente di trigger
Il selettore d’ingresso seleziona il segnale da
utilizzare per generare il sincronismo (sorgente di
trigger).
“INT”, viene utilizzato lo stesso
segnale del canale verticale
“EXT”, è possibile utilizzare come
sorgente di trigger un segnale
esterno
Y
INT
EXT
“LINE”, la sorgente di trigger è il
segnale a frequenza di rete
(50Hz)
LINE
sorgente di
trigger
27
Generatore di trigger
Invertitore
SLOPE±
“SLOPE” permette di scegliere di
generare la rampa sui fronti in salita o
in discesa del segnale di trigger.
il comparatore di soglia e il formatore
di impulsi generano un impulso,
nell'istante in cui il segnale della
sorgente di trigger supera la soglia V D
formatore di
impulsi
VB
+
-1
—
VD
selettore di
ingresso
—
VT
VE
comparatore
di soglia
Trigger Level
Livello di trigger (LT) = 2V
+
VB
generatore di trigger
Slope -
LT
con il comando
“LEVEL”, è possibile
variare il valore di
tensione V D (LT)
t
VT
t
VE
t
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Pag. 14
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Generatore di rampa
VE
flip
flop
VG
integratore
di Miller
VCFR
CFR
ComandoFineRampa
VE
×
alle placche di
deflessione
verticale
t
C
R
—
VG
SW
VG
+
comparatore di
fine rampa
t
VCFR
t
generatore di rampa
R e C possono essere
variati, tramite il
comando “TIME/DIV” 29
Oscilloscopi analogici 1a parte
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Pag. 15
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Esercitazione pratica con Swilab 1/2
Attivare il pannello del Analog Oscilloscope (AO)
Attivare il pannello del Analog Generator (AG)
Collegare il morsetto OUT di AG con CH1 (IN
selection) di AO
Compare la traccia sinusoidale di default
31
Esercitazione pratica con Swilab 2/2
Verificare l’effetto dei controlli sul canale verticale
Volt/div
Verificare l’effetto dei controlli sulla base tempi
SEC/DIV
Verificare l’effetto dei controlli sul Trigger Setup
in particolare variando il “level”
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16
Pag. 16
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Oscilloscopi analogici
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Indice
Modalità di trigger
Canale verticale
Effetti di carico e scopo delle sonde
La doppia base tempi
Oscilloscopio a doppia traccia
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17
Pag. 17
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Oscilloscopi analogici 2a parte
35
Generatore base tempi
Interno
Trigger source:
Esterno
linea 50 Hz
slope:
±
trigger level:
circuito porta:
generatore rampa:
regolabile con continuità
definisce inizio rampa
start da porta
stop da circ. fine rampa
inibizione inizio di rampa
successiva
impedisce visualizzazione
della traccia di ritorno
circuito di hold - off:
circuito di spegnimento:
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Trigger automatico
Si ha l’esigenza di far partire la rampa in modo
automatico quando mancano gli impulsi al trigger
e cioè nei casi seguenti:
quando il segnale di sincronismo è una tensione
continua (per esempio si utilizza il sincronismo
interno per misurare il livello di una tensione
continua)
quando il segnale di sincronismo ha ampiezza piccopicco inferiore all’ampiezza della fascia di isteresi
del circuito di trigger
Fascia di isteresi del trigger
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Segnale di sincronismo
Immagine non sincronizzata 1/2
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Immagine sincronizzata 2/2
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Velocità di scansione diverse
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Pag. 20
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Oscilloscopi analogici 2a parte
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Canale verticale: schema a blocchi
R IN=1MΩ±1%
C IN=10÷40 pF
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Ch vert.: Caratteristiche 1/2
Amplificatore Verticale
ingresso a FET (per avere alta impedenza )
stadi differenziali (deve operare anche in
continua)
guadagno elevato e tarato
banda sufficientemente elevata
uscita bilanciata per pilotare correttamente il
sistema di deflessione
dinamica di uscita elevata (± 300÷400 V)
43
Ch vert.: Caratteristiche 2/2
Attenuatore Tarato
resistenza caratteristica costante al variare
dell’attenuazione (1 M Ω)
bassa capacità di ingresso
attenuazione tarata per valori discreti
(definisce il fattore di deflessione verticale)
banda elevata adeguata a quella dell’amplificatore
verticale
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Comportamento in frequenza
Ipotesi di amplificatore ad un solo polo
Modello in frequenza tipo filtro passa basso
R
Equivale a
IN (V)
Filtro P.B.
C
OUT. (DEFL.)
fp = (2πRC) −1
f
fp
45
Comportamento nel dominio del tempo 1/2
Vi
R
90%
Vi
Vu
C Vu
10%
t
t s0
Invece della costante di tempo τ =RC, per motivi
pratici di misura sullo schermo, conviene definire
il tempo di salita ts0
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Comportamento nel dominio del tempo 2/2
ts0 il tempo compreso tra il 10% ed il 90% del
valore asintotico della deflessione prodotta da un
segnale a gradino ideale
ts0 viene chiamato tempo di salita proprio
(intrinseco) dell’oscilloscopio
47
Risposta al gradino e Tempo di salita
Vi
R
90%
Vi
Vu
C Vu
10%
t
t s0
Dalla risposta al gradino Vu(t)= Vumax(1-e-t/RC) , si
possono calcolare gli istanti
t1 per cui Vu(t1)=0.1Vumax
t2 per cui Vu (t2)=0.9Vumax
Da cui si ricava ts0= t2-t1
Risulta ts0≅ 0.35/fp ≅ 2.2RC
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Impedenza di ingresso 1/2
Se interessa solo il comportamento in frequenza,
il canale verticale può essere modellato come in
figura
Impedenza di ingresso
V i=V e
AMPL.
90%
fp
Vi
R i Ci
Ve
Vu
Ze→∞
oscilloscopio
Vu
10%
t
t s0
49
Impedenza di ingresso 2/2
Se si invia un gradino ideale di tensione, fornito
da un generatore ideale, sullo schermo si avrà
un esponenziale con tempo di salita ts0 ≅ 0.35/fp
L’impedenza di ingresso non ha effetto
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Oscilloscopi analogici 2a parte
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Effetto dell’impedenza di ingresso 1/2
Se si invia un gradino ideale di tensione,
prodotto da un generatore reale (per semplicità
con impedenza di uscita R0 resistiva) la situazione
diventa quella di figura
R0
Vi
AMPL.
90%
fb
Vi
Ri
Ci V e
Ve
Vu
10%
t
t p1
f p1 =
1
2π Ci (R i //R 0)
( Ri //R 0≅ R 0 essendo normalmente R i >> R 0)
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Effetto della impedenza di ingresso 2/2
R0
fb
Vi
Ri
f p1 =
Vi
AMPL.
Ci V e
1
2π Ci (R i //R 0)
90%
Ve
Vu
10%
t
t p1
( Ri //R 0≅ R 0 essendo normalmente R i >> R 0)
L’impedenza di ingresso dell’oscilloscopio in
combinazione con la R0 , introduce un filtro passa
basso la cui funzione di trasferimento Ve / Vi ha
frequenza di taglio fp1
Conseguentemente si introduce un ulteriore tempo di
salita
53
t p1 ≅ 0.35/fp1 ≅ 2.2 Ci(Ri//Req )
Effetto sul tempo di salita misurato 1/6
La teoria dei circuiti elettronici permette di
calcolare la frequenza di taglio f ∗ di una cascata
di doppi bipoli
Vi
f p1
fp
Vu
Vi
f∗
E quindi il tempo di salita equivalente t
cascata
Vi
t p1
t s0
Vu
Vi
t∗
Vu
∗
della
Vu
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Effetto sul tempo di salita misurato 2/6
Risulta con una sufficiente approssimazione che,
se si invia un gradino ideale di tensione, prodotto
da un generatore ideale, il tempo di salita
misurato sullo schermo vale
Vi
90%
tm=t∗≅
(tp12+ts02) 1/2
Vu
10%
t
tm
55
Effetto sul tempo di salita misurato 3/6
Se il generatore di gradino ha un tempo di salita
tg≠0, il tempo di salita misurato tm può essere
stimato utilizzando il modello
Vi
tg
t p1
t s0
Vu
Vi
tm
Vu
Il generatore con tempo di salita tg è stato
realizzato applicando un gradino ideale ad un
filtro passa basso con tempo di salita tg .
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Effetto sul tempo di salita misurato 4/6
Con una sufficiente approssimazione si può
stimare che il tempo di salita misurato sullo
schermo vale
Vi
tm =t∗ ≅ (tg2 + tp12+ts0 2)1/2
90%
Vu
10%
t
tm
57
Effetto sul tempo di salita misurato 5/6
In linea di principio questo errore di misura
potrebbe essere corretto secondo la relazione
tg= (tm 2 − tp12−ts02)1/2
Però l’incertezza su tp1 e su ts0 e l’approssimazione
della relazione matematica non giustificano tale
correzione
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Effetto sul tempo di salita misurato 6/6
Si preferisce solo fare una valutazione grossolana
dell’errore per decidere se:
è il caso di utilizzare un altro oscilloscopio a banda più
larga (ts0 minore)
è il caso di ridurre tp1 intervenendo sul collegamento
tra oscilloscopio e circuito di misura
(riduzione dell’effetto di carico)
Si ricorda che tp1 si manifesta a causa della
resistenza di uscita del generatore equivalente
59
Effetto di carico dell’oscilloscopio
Ro
R IN
C IN
L’effetto provoca:
– in D.C.
attenuazione
– in A.C.
attenuazione
rotazione di fase
limitazione di banda
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Per ridurre l’effetto di carico
Occorre ridurre possibilmente il rapporto R0/ RIN
Si possono utilizzare due tecniche:
introdurre una sonda attiva
introdurre una sonda che realizzi un partitore
compensato
61
Sonda Attiva
CIRCUITO IN MISURA
SONDA ATTIVA
OSCILLOSCOPIO
Ro
Problemi presentati:
amplificatore a larga banda
necessità di elevata dinamica di ingresso
richiede linee di alimentazione
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Sonda Passiva: Attenuatore compensato 1/3
OSCILLOSCOPIO+SONDA
RS
R0
Vi
CS
Vu
RIN
CIN
ZE
RE
CE
Si regola CS per avere RSCS = RINCIN
In tali condizioni:
la FDT Vu / Vi ha idealmente banda infinita
la RE = RS +RIN
la CE = CS×CIN/(CS +CIN )
63
Sonda Passiva: Attenuatore compensato 2/3
L’effetto di carico del sistema
oscilloscopio+sonda risulta inferiore a quello del
solo oscilloscopio
Normalmente la sonda attenua di un fattore 10
RS =9 RIN , CS = CIN /9
e quindi
RE =10RIN , CE = CIN /10
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Sonda Passiva: Attenuatore compensato 3/3
Il polo introdotto nel collegamento vale f*
R0
Vl
RE
Vi
f* =
CE
AMPL.
fb
Vu
RE //R0 ≅ R0 ,
1
2π CE (RE //R0)
= f p1x10
CE = CIN /10
65
Osservazione dei fronti ripidi
A causa del ritardo tra partenza della rampa e
l’istante di trigger
Si perde l’osservazione del fronte
66
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Pag. 33
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Rimedio
Introduzione di una linea di ritardo sul canale
verticale
67
Compensazione del ritardo di start rampa
68
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Pag. 34
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Problemi di sincronizzazione 1/2
Problemi di sincronizzazione per la osservazione
di particolari del segnale
A
Trigger level
t
Se si vuole rappresentare il
dettaglio A sull’intero schermo
69
Problemi di sincronizzazione 2/2
Occorre far partire le rampe immediatamente
prima di A
È però molto difficile sincronizzare con un livello
di trigger posto sui tratti orizzontali della forma
d’onda
Trigger level
t
70
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Pag. 35
35
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Oscilloscopi analogici 2a parte
71
Oscilloscopi a doppia base di tempi
Il problema di sincronizzare in punti difficili del
segnale è risolto con gli oscilloscopi
a doppia base tempi
Schema a blocchi di principio
IN
Canale Vert
.
Base tempi B1
TRC
Base tempi B2
Si hanno due generatori di base tempi
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Pag. 36
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Schema a blocchi
Segnale di trigger
Per BT B1
Generatore
Base Tempi B1 (principale)
+
Deflessione
Orizzontale
_
Time/div
A
Segnale di trigger
Per BT B2
Trigger
Level
Slope
Generatore
Base Tempi B2 (secondaria)
Time/div
B
Trigger
Level
73
Oscilloscopi a doppia base tempi
Modalità di generazione della 2a base tempi
B2 ritardata rispetto a B1
Segnale di
trigger
Per BT B1
Generatore
Base Tempi B1
(principale)
Deflession
e
Orizzontal
e
La rampa generata da
B1 è utilizzata come
segnale di trigger
per BT B2
Generatore
Base Tempi B2
(secondaria)
Time/div
B
TriggerLevel→ DELAY
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37
Pag. 37
37
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
B2 ritardata rispetto a B1
LIVELLO DI TRIGGER
PER B2
75
Scansione sola rampa B1
VY RAPPRESENTATA CON
DEFL. ORIZZONTALE DATA DA B1
2
4
5
1
3
TENSIONE DI DEFL.
ORIZZONTALE
B2
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38
Pag. 38
38
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Rampa B1 intensificata per la durata di B2
Tensione di
intensificazione
luminosità
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Scansione con la sola rampa B2
2
4
3
Vy(B2)
78
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39
Pag. 39
39
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Rampe B1 e B2 scansioni alternate
Vy(B1)
2
4
1
4
2
3
5
3
Vy(B2)
79
Scansione B1 + B2 ( MISTA )
80
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40
Pag. 40
40
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Oscilloscopi analogici 2a parte
81
Oscilloscopi a Doppia Traccia
A doppio cannone (Soluzione costosa non
più adottata)
A commutazione delle due tracce
Modalità di
presentazione
alternate (per segnali A F)
chopped (per segnali B F)
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Pag. 41
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Modalità alternate (ALT)
Y
Y1
S2
Y2
F1
L
T
t
S1
F2
X
Y2
Y1
t
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Modalità CHOPPED (CHOP)
SEGNALE DI
TRIGGER
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Problemi di sincronismo interno (ALT) 1/2
COMMUTATORE
Sincronismo prelevato a monte
del commutatore (es. Y 2)
mantiene le relazioni di fase
i segnali devono essere
sincroni altrimenti uno scorre
sullo schermo
Y
Y1
CH
1
CH
2
SEGNALE DI
SINCRONISMO
S2
Y2
F1
L
T
t
S1
F2
X
Y1
Y2
t
85
Problemi di sincronismo interno (ALT) 2/2
Sincronismo prelevato a valle del commutatore
non si mantiene la relazione di fase
si possono però sincronizzare anche i segnali di
differenti frequenze
COMMUTATORE
Y1
LT
1
Y2
2
2
LT
Y1 e Y2 rappresentati
con stessa
fase
CH1
Vo
2
1
SEGNALE DI SINCRONISMO
CH2
2
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
Misure elettroniche
Oscilloscopi analogici
Problemi di sincronismo interno (CHOP)
Funzionamento chopped
a monte del commutatore (CH1 o
CH2)
COMMUTATORE
sincronismo corretto ma i segnali
devono essere sincroni altrimenti
uno scorre sullo schermo
mantiene le relazioni di fase
a valle del commutatore
sincronismo difficoltoso per la
complessità del segnale
sincronizzante
su molti oscilloscopi questa scelta
viene impedita
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CH1
SEGNALE DI SINCRONISMO
CH2
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