L’Oscilloscopio
Analogico
Principio di funzionamento e informazioni
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INDICE
Generalità
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Il tubo a raggi catodici
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Catodo
Griglia di controllo
Cannone elettronico
Placchette di deflessione
Schermo
pag 3
pag 4
pag 4
pag 4
pag 5
Sistema di deflessione
pag 6
Da cosa dipende la deflessione
Sensibilità di deflessione
Modalità X / Y
Spostamento asse Y
Spostamento asse X
Modalità X / Y con segnale alternato
Modalità base dei tempi
pag 7
pag 8
pag 8
pag 9
pag 10
pag 11
pag 11
Circuito di sincronismo
pag 13
Circuito di trigger
Visualizzazione a doppia traccia
pag 14
pag 15
Funzionamento AC – DC
pag 17
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Generalità
L’oscilloscopio è uno strumento che permette la visualizzazione attraverso un'immagine
bidimensionale di un segnale elettrico variabile nel tempo e la loro misura.
Per poter fare questo esso è dotato di un tubo a raggi catodici il quale permette la visualizzazione dei
segnai o più semplicemente delle tensioni che vengono inserite nelle boccole di ingresso dell’
oscilloscopio. Nel caso di segnali periodici è quindi possibile visualizzare la forma dell'onda,
rilevando così l'ampiezza, la frequenza ed il periodo del segnale stesso, oppure, se l'oscilloscopio è a
doppia traccia,cioè permette la visualizzazione di due segnali contemporaneamente, può confrontare
due segnali evidenziandone anche lo sfasamento. Esteriormente l’oscilloscopio in genere si presenta
come una struttura parallelepipeda suddivisa in due parti: schermo e sezione comandi.
Il tubo a raggi catodici
Il tubo a raggi catodici è formato da un'ampolla di vetro, a vuoto spinto o ad alto vuoto, avente la
forma di un cono a base sferica, munito di un collo cilindrico entro il quale sono sistemati gli organi
essenziali dello strumento. Il principio di funzionamento per la visualizzazione di un solo segnale
consiste nel disporre di un fascio di elettroni (raggi catodici) al quale vengono impresse due
deviazioni imposte dal sistema di deflessione verticale e da quello orizzontale; la prima deviazione
(verticale) viene provocata direttamente dal segnale elettrico da registrare di cui ricopia fedelmente le
variazioni, la seconda deviazione (orizzontale) è provocata da un segnale elettrico periodico ausiliario
che serve a fornire la misura dei tempi (questo segnale è generato dalla base dei tempi).
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Figura 1
Come si può osservare esso è composto da un catodo, da una griglia, da un cannone elettronico, da un
sistema di placchette di deflessione e da uno schermo.
CATODO
Il filamento riscaldante Fil, percorso da corrente continua, riscalda per irraggiamento il catodo
realizzato in nichel o tungsteno e ricoperto di ossidi. A causa del riscaldamento subito, gli elettroni
contenuti negli ossidi si liberano ed abbandonano disordinatamente il catodo producendo la nube
elettronica N.
Figura 2
GRIGLIA DI CONTROLLO
La griglia di controllo lascia passare un certo numero di elettroni attraverso un foro. Siccome tale
griglia è tenuta ad un potenziale negativo rispetto al catodo, aumentando la d.d.p. tra griglia e catodo
aumenta il numero di elettroni respinti verso il catodo e diminuisce il numero di elettroni che passano
attraverso la griglia e di conseguenza l'intensità luminosa della traccia sullo schermo.
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Figura 3
CANNONE ELETRONICO ( figura 1 )
Dopo la griglia di controllo gli elettroni che non vengono respinti da essa vengono catturati, accelerati
e focalizzati da un sistema che prende il nome di cannone o fucile elettronico.
PLACCHETTE DI DEFLESSIONE ( figura1 )
Proseguendo nel loro cammino, gli elettroni che costituiscono il fascio catodico passano attraverso le
placche di deflessione verticale Y1-Y2 e le placche di deflessione orizzontale X1-X2. Alle placche di
deflessione verticale è applicato il segnale (tensione) da visualizzare, alle placche di deflessione
orizzontale è applicata una tensione periodica a dente di sega di opportuno periodo. La tensione
applicata a ciascuna coppia di placche determina un campo elettrico che agisce sul fascio catodico
deviandolo : le placche Y1-Y2 determinano una deviazione verticale, le placche X1-X2 determinano
una deviazione orizzontale. La deviazione orizzontale essendo causata dal segnale a dente di sega sarà
proporzionale al tempo, mentre la deviazione verticale sarà proporzionale al valore istantaneo del
segnale da visualizzare.
LO SCHERMO
A questo punto, essendo l'energia cinetica posseduta dagli elettroni sufficiente, il fascio catodico
colpirà lo schermo fluorescente (ovvero trattato con sostanze a base di fosforo) e determinerà
un'emissione luminosa più o meno persistente nei punti colpiti.Lo schermo dell’ oscilloscopio, al suo
interno, è fatto da fosfori la cui proprietà è quella di emettere luce se sono colpiti da elettroni con
adeguate velocità e intensità. Un’ altra importante proprietà è quella di mantenere l’ energia che gli
viene fornita tramite gli elettroni per un certo periodo di tempo che, se pur molto piccolo, permette al
fascetto elettronico di compiere il suo percorso e di ripassare sui punti colpiti precedentemente in
modo che all’ occhio umano compaia la figura fissa di un segnale. La durata di questo fenomeno
dipende dalla cosiddetta persistenza dei fosfori (10-5s per il tipo verde: 10-4s per il tipo blu).Lo
schermo e suddiviso in quattro quadranti delimitati da due assi cartesiani l’asse X e l’asse Y. Ogni
quadrante è suddiviso in quadretti di 1 cm quadrato, quattro verticalmente e cinque orizzontalmente; a
loro volta i quadretti hanno delle suddivisioni per permettere a chi sta analizzando il segnale di poterlo
misurare.
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Figura 4
Sistema di deflessione
Nel tubo catodico sono presenti due sistemi i quali prendono il nome di sistema di deflessione
verticale e sistema di deflessione orizzontale.Per rendere l'immagine persistente, questa deve essere
costantemente rinfrescata, ovvero i fosfori devono essere colpiti in modo continuativo. Il sistema di
deflessione ha quindi il fondamentale compito di deviare il cammino del fascetto elettrico
permettendogli di colpire un qualsiasi punto dello schermo.Nella figura 5 le placche deflettrici sono
lunghe e centimetri e distanti d centimetri. La differenza di potenziale acceleratore del cannone
elettronico e' Va, mentre, la differenza di potenziale deflettore applicata alle placche orizzontali
deflettrici e' Vd. Lo schermo fluorescente e' distante R centimetri dal punto centrale della regione fra
le placche deflettrici. Il fascio, deviato di un angolo φ dalla sua direzione iniziale, colpisce lo schermo
in un punto che si trova ad una distanza S dal punto centrale dello schermo.
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Figura 5
DA COSA DIPENDE LA DEFLESSIONE
•
Dalla velocità del fascio di elettroni
•
Dalla dimensione delle placchette, cioè dal campo elettrico
•
Dalla tensione del generatore
Figura 6
V = tensione da applicare per avere lo spostamento di un quadretto
K = sensibilità di deflessione
In realtà le placchette deflettici non sono come vengono rappresentate nei disegni, ma sono
leggermente incurvate alle estremità per evitare che il fascetto elettronico entri in contatto con esse
quando viene deviato.
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Figura 7
SENSIBILITA’ DI DEFLESSIONE
Per far deviare il fascetto elettronico è necessario applicare alle placche deflettici una tensione in
modo da creare un campo elettrico tra di esse. Per la visualizzazione di un segnale, questo deve
essere applicato al sistema di deflessione verticale la cui sensibilità potrebbe essere limitata per
tensioni del segnale troppo alte o troppo basse.E’ per questo motivo che nell’ oscillocscopio tra
placchette di deflessione e ingresso del segnale è interposto un amplificatore / divisore che permette di
visualizzare sempre i valori sullo schermo e regolabile tramite un apposito comando.
Figura 8
MODALITA’ X/Y
Tale modalità consiste nell’ applicare ad entrambi o solo ad uno dei canali A e B delle tensioni sia in
corrente continua che in alternata ; l’ effetto che si produce sullo schermo è quello di vedere il puntino
luminoso detto anche (spot) che, nel primo caso, si sposta in un certo punto dello schermo
determinato dalle tensioni applicate e dalla sensibilità scelta sul canale corrispondente. Nel secondo
caso, invece, si potrà notare lo spot che si sposta in continuazione e se viene applicato solo un segnale
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l’ effetto che si ottiene è quello di vedere il punto luminoso spostarsi avanti e indietro su una linea
retta o, se la frequenza del segnale è elevata si vedrà sullo schermo solo una linea.
Come indicato in figura vi sono due coppie di placchette, la prima per la deflessione verticale, la
seconda per la deflessione orizzontale. In assenza di potenziali elettrici applicati alle placchette, sullo
schermo si forma un punto luminoso (spot) esattamente nel centro.
Figura 9
SPOSTAMENTO SULL’ ASSE Y
Applicando una differenza di potenziale costante tra le placchette verticali Y1eY2, lo spot si sposta
verso l'alto o verso il basso a seconda del segno della tensione applicata (gli elettroni sono cariche
negative e vengono deviati verso la placchetta a potenziale positivo);
L’ esempio riportato di seguito ha come caratteristiche:
•
•
Sensibilità di deflessione 1V per quadretto (per ogni volt applicato lo spot si sposta di un
quadretto )
Tensione applicata alle placchette: ( 3V )
Figura 10
SPOSTAMENTO SULL’ ASSE X
in modo analogo, applicando una differenza di potenziale tra le placchette orizzontali X, lo spot si
sposta verso destra o verso sinistra a seconda del segno della tensione applicata
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L’esempio riportato di seguito ha come caratteristiche:
•
•
Sensibilità di deflessione 5V per quadretto
Tensione applicata alle placchette: ( 20V )
Figura 11
In modalità xy è anche possibile applicare ad entrambi i sistemi di deflessione delle tensioni in modo
da ottenere uno spostamento sull’asse delle ordinate e uno su quello delle ascisse.I valori dell’
esempio sono quelli usati in figura 10 e 11.
Figura 12
MODALITA’ XY CON SEGNALE ALTERNATO
Applicando un segnale periodico ad uno dei due sistemi di deflessione si potrà notare lo spot che
percorre lo schermo lungo una linea retta seguendo la tensione del segnale applicato.Il punto luminoso
sullo schermo andrà tanto veloce quanto è la frequenza del segnale e se questa è sufficientemente
elevata, sullo schermo ci apparirà una linea retta come nell’esempio.
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Figura 13
Supponendo la sensibilità di deflessione pari a 2Volt per quadretto, il segnale E ha un valore piccopicco di 8V in pratica EVpp = 8V.
MODALITA’ BASE DEI TEMPI
In questa modalità è possibile la visualizzazione di un segnale periodico.Il segnale che deve essere
visualizzato è collegato al sistema di deflessione verticale, cioè Y1-Y2, mentre al sistema di
deflessione orizzontale X1-X2 è collegata la base dei tempi.
La base dei tempi è il tempo su cui varia il periodo del dente di sega. Quest’ultimo è un segnale
periodico generato da un dispositivo interno all’ oscilloscopio, la cui caratteristica è quella di variare
linearmente da –V a +V in modo costante per poi ritornare a –V in un tempo idealmente uguale a
zero. Il suo periodo è controllato dalla base dei tempi e può essere regolato attraverso un comando
presente sull’oscilloscopio.
+V
schermo
t
-v
0
+v
-V
Figura 14
In figura 14 è rappresentato il segnale a dente di sega e ciò che provoca sullo schermo se applicato
singolarmente.Se la frequenza del segnale è bassa si può vedere lo spot che si muove lentamente da –
v a +v; una volta arrivato a +v, in tempo idealmente uguale a zero, ma in realtà così piccolo da poter
essere trascurato, torna al valore –v e va verso il valore +v.
Il movimento che fa lo spot sullo
schermo si dice spazzolamento perché va sempre da sinistra verso destra (per chi guarda lo schermo).
Tutti gli oscilloscopi danno la possibilità di escludere la base dei tempi, scollegando il generatore di
dente di sega dalle placchette X: effettuando tale operazione lo spot resta bloccato.
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Applichiamo alle placchette Y la tensione esterna che si desidera visualizzare: poiche lo spot è
costretto a seguire contemporaneamente i movimenti orizzontali imposti dal dente di sega
(proporzionali al tempo)
ed anche quelli verticali imposti dal segnale esterno, sullo schermo viene tracciata una curva che
riproduce fedelmente l'andamento temporale di tale segnale. Si ottiene cioè la rappresentazione
cartesiana con la variabile tempo in ascisse e la variabile tensione in ordinate: sullo schermo viene
tracciata la funzione che esprime la legge del segnale in esame.Risulta evidente che se il periodo del
segnale a dente di sega è uguale al periodo del segnale in prova si visualizzerà un'intera onda di
quest'ultimo, se il periodo del segnale a dente di sega è doppio del periodo del segnale in prova si
visualizzeranno due onde di quest'ultimo, eccetera. Questa condizione è vera, però, solo se il segnale
in prova è sincronizzato col segnale a dente di sega cioè i due segnali hanno origine nello stesso
istante di tempo per tutti i periodi di entrambi i segnali .
Circuito di sincronismo
A questo punto sorge un problema: quando il fascettto elettronico ritorna all'estremità, sinistra
dello schermo occorre che lo spot si trovi nella stessa posizione con cui aveva iniziato la
traccia precedente; soltanto in tal caso, allora, la seconda traccia (e tutte le successive) si
sovrapporranno riproducendo un'immagine fissa sullo schermo. Nasce quindi la necessità di
sincronizzare l'inizio del dente di sega (salita) con un prefissato istante del periodo del segnale
da analizzare.
Osservando la Fig. 15 a pagina
seguente notiamo che la rampa
del dente di sega parte ad un istante t0 e termina all'istante t1: in corrispondenza la traccia
inizia nel punto A del segnale sinusoidale e termina nel punto B. Come già detto, l'intervallo
t1-t0 si chiama intervallo di scansione.
Ora la
tensione del dente di sega discende rapidamente al valore iniziale in un tempo t2-t1 chiamato
intervallo di ritorno: questo è infatti il tempo impiegato dallo spot per tornare all'estremità
sinistra dello schermo. La traccia di ritorno, detta anche ritraccia, porta dunque lo spot nella
posizione C: se la rampa successiva del dente di sega ripartisse immediatamente, la traccia non
risulterebbe, ovviamente, sovrapposta alla precedente in quanto il nuovo oscillogramma
partirebbe dal punto C anziche da quello A. E' allora necessario introdurre un intervallo di
attesa (t2-t3) per dar modo allo spot di riassumere la posizione iniziale A realizzando così il
perfetto sincronismo tra la tensione da esaminare applicata alle placchette Y e la tensione a
dente di sega applicata alle placchette X.
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Figura 15
In questo modo lo spot passa sempre per gli stessi punti sullo schermo e perciò viene visualizzata la
vera caratteristica del segnale; non come si avverrebbe in assenza di sincronismo.
Il periodo del segnale a dente di sega può essere regolato attraverso un comando chiamato TIME/DIV
sul fronte dell’ oscilloscopio e si può anche scegliere il punto di aggancio del segnale (il punto A in
fig. 15).
CIRCUITO DI TRIGGER
Il circuito che provvede a tutto ciò si chiama circuito di TRIGGER: esso dà anche la possibilità di fare
iniziare la traccia in un qualsiasi punto del segnale da esaminare, in corrispondenza di un livello,
positivo o negativo, detto livello di trigger, regolabile tramite la manopola TRIGGER LEVEL. Il
punto di partenza può essere selezionato sia sul tratto ascendente del segnale che su quello
discendente, agendo su un apposito comando indicato sul pannello con SLOPE+ e SLOPE-.In Fig. 15
è riportato l'esempio di un livello di trigger positivo con partenza sul tratto ascendente del segnale: gli
impulsi di trigger sono prodotti dal circuito di trigger in corrispondenza degli attraversamenti del
livello da parte del segnale; tali impulsi comandano la partenza del dente di sega. Osserviamo che la
sorgente di trigger può essere costituita dallo stesso segnale da visualizzare, come nell’ esempio,
oppure fornita dall'esterno (EXT TRIG).
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Figura 16
Visualizzazione a doppia traccia
Figura 17
Gli oscilloscopi permettono anche la visualizzazione di due tracce contemporaneamente e lo fanno o
attraverso un doppio sistema di defl. verticale, o con l’inserimento di due deviatori D1 e D2 come in
fig.17. In questo modo sul canale orizzontale attraverso D2 può rimanere collegata la base dei
tempi come per la visualizzazione di un solo segnale, mentre sul canale verticale, attraverso D1, è
possibile la visualizzazione di un segnale o dell’altro secondo la posizione assunta dal deviatore.
La doppia traccia è ottenibile in due modi: con funzionamento CHOPPED e con funzionamento
ALTERNATE.
Col primo sistema il deviatore D1 si sposta da un amplificatore all’altro con una certa frequenza
sempre costante in modo che il fascetto elettronico traccia alternativamente tratti d’ immagine relativi
ai due canali Ch1 e Ch2.
Col secondo sistema il deviatore D1 si sposta da un amplificatore all’ altro con una frequenza pari al
periodo del dente di sega che ovviamente è comune ad entrambi i segnali in modo che il fascetto
elettronico traccia in sequenza prima l'intera immagine relativa al canale Ch1 e poi quella relativa al
canale Ch2.
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Figura 18
Ciascun metodo presenta un inconveniente dipendente dalla frequenza del segnale da esaminare: in
alta frequenza lo spezzettamento dell'immagine causata dal chopped risulta evidente e i segnali
risultano deformati; in bassa frequenza, essendo necessario impostare tempi di scansione lenti, la
persistenza dei fosfori non è più sufficiente ad assicurare la contemporanea visione delle tracce in
modo alternate. L'oscilloscopio viene dunque fatto lavorare in modo choppered quando si utilizzano
tempi di scansione lenti mentre viene fatto lavorare in modo alternato con tempi di scansione veloci.
Funzionamento AC – DC
Ad entrambi gli ingressi dell’ oscilloscopio è applicato un particolare circuito che permette di arrivare
all’ Amplificatore attraverso un sistema di accoppiamento che può modificare sostanzialmente la
visualizzazione.
Questo circuito, realizzato come in figura 19, ha lo scopo di visualizzare il segnale con o senza la sua
componente continua, ovvero ottenere un segnale con valore medio uguale o pari a zero.
E’ molto importante verificare la posizione del selettore di ingresso prima di una qualsiasi misura,
altrimenti si rischiano grossi errori di valutazione; nella maggior parte dei casi il selettore viene posto
nella posizione DC ottenendo così una visualizzazione di tutte le componenti del segnale
Figura 19
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Se l’ ingresso dell’ amplificatore è collegato ad AC, tra ingresso e amplificatore è come interporre un
filtro cr il quale non fa passare la componente continua del segnale in egresso. Invece se si posiziona
il deviatore su DC in ingresso si avrà il segnale senza alcuna modifica.
Dalla figura si può notare che il morsetto GND porta a massa il segnale e quindi sullo schermo non si
avranno effetti.
Elenco dei comandi
area dei controlli generali :
POWER, interruttore di accensione ON e spegnimento OFF.
INTENS, regolazione dell'intensità luminosa della traccia.
FOCUS, regolazione della messa a fuoco del fascio catodico.
CAL., uscita del calibratore (si tratta di un segnale ad onda quadra di ampiezza 1 [V] e frequenza 1
[KHz]).
GND, è il morsetto di massa (ground).
area di selezione del modo di funzionamento MODE :
A, funziona il solo canale 1.
B, funziona il solo canale 2.
ALT, funzionamento in doppia traccia in modalità ALTERNATE, da usarsi per segnali di frequenza
superiore a 30 [KHz].
CHOP, funzionamento in doppia traccia in modalità CHOPPED, da usarsi per segnali di frequenza
inferiore a 500 [Hz].
area dei controlli relativi al canale 1, denominata A or Y :
INPUT, connettore ingresso segnale (del tipo BNC).
AC-GND-DC, commutatore che in posizione AC permette di eliminare l'eventuale componente
continua in ingresso, in posizione GND elimina totalmente il segnale dall'ingresso, in posizione DC
visualizza l'intero segnale in ingresso.
AMPL / DIV, attenuatore del canale verticale.
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POSITION, controllo della posizione verticale.
area dei controlli relativi al canale 2, denominata B or X :
analoga a A or Y.
area di controllo della base dei tempi :
TIME/DIV, controlla la velocità di scansione orizzontale e quindi permette di variare la scala
dell'asse orizzontale. Dispone di una posizione X-Y che esclude il generatore interno di rampa e
permette il funzionamento XY nel quale il canale A controlla la deflessione verticale, mentre il canale
B controlla la deflessione orizzontale.
POSITION, controllo della posizione orizzontale.
area di controllo del trigger, denominata TRIGGERING :
LEVEL, regola il livello del segnale d'ingresso in coincidenza del quale deve iniziare la rampa della
base dei tempi (permette di migliorare la visualizzazione).
AUTO, tirando la manopola del comando LEVEL si attiva il funzionamento automatico.
HOLD-OFF, consente di variare la durata dell'intervallo tra una rampa e la successiva, è utile per
stabilizzare l'immagine di particolari segnali.
SLOPE, permette di selezionare il fronte positivo o negativo del segnale d'ingresso.
SOURCE, permette di selezionare da dove prelevare il segnale di trigger.
EXT, ingresso per il segnale di trigger esterno.
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