Sistemi e tecnologie elettroniche/Gli oscilloscopi analogici
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1 L'oscilloscopio nasce come strumento che visualizza, su uno schermo con tubo a raggi catodici, l'andamento dei segnali di un generatore. Successivamente è diventato uno strumento di misura.
- 4 Misura due tensioni <math>V_x</math> e <math>V_y</math> in ingresso variabili nel tempo
La prima fa muovere un punto luminoso lungo l'asse <math>x</math>, la seconda lungo l'asse <math>y</math>. Il punto ha una certa persistenza su uno schermo, permettendo di saperne la traiettoria.
Modi operativi[modifica | modifica sorgente]
Modalità XY[modifica | modifica sorgente]
5 Sullo schermo appare la curva parametrica data dalle equazioni: <math>x=V_x (t)</math> e <math>y=V_y (t)</math>.
In base ai tempi[modifica | modifica sorgente]
7 Sullo schermo appare solo l'andamento nel tempo di <math>V_y (t)</math>, mentre <math>V_x (t)</math> viene generato all'interno dell'oscilloscopio come una funzione proporzionale rispetto al tempo: <math>x=V_x (t)=k \cdot t</math>.
8 Il grafico di <math>V_x</math> è composto da una successione di: salita (detta rampa/spazzolata) → discesa (qualunque) → retta orizzontale. Durante la spazzolata, viene disegnato sullo schermo l'andamento di <math>V_y</math>.
Parametri[modifica | modifica sorgente]
Sul pannello anteriore dell'oscilloscopio, vi sono due potenziometri per regolare la traccia:
- INT (intensità): regola la luminosità della traccia → una intensità troppo alta produce una traccia troppo spessa e rovina lo schermo;
- FOCUS: regola la messa a fuoco del punto → è necessario rendere il punto il più piccolo possibile per ridurre l'incertezza di lettura.
Asse verticale[modifica | modifica sorgente]
- 10 sensibilità: ampiezza del segnale in ingresso necessaria per muovere di un tot il punto lungo l'asse <math>y</math> (con incertezza di qualche %);
- posizione: la posizione del punto rispetto all'asse <math>V_y</math> quando non c'è tensione <math>V_y</math>;
- 11 scala verticale (V/div, "Volt a divisione"): si può variare tramite un attenuatore calibrato, che ha due manopole: una gira a scatti (con incertezza di qualche %), l'altra gira in modo continuo ma non è tarata;
- 12 impedenza e capacità di ingresso: le grandezze elettriche del modello equivalente (vd. Stadio di ingresso);
- banda: nel diagramma di Bode dell'oscilloscopio guadagno (modulo)/frequenza, i segnali ad alta frequenza vengono distorti, in particolare attenuati in guadagno → la banda passante è la frequenza per cui si ha un'attenuazione di –3 dB (–30%) rispetto al guadagno che si trova alle basse frequenze;
- tempo di risposta/salita: tipicamente nelle funzioni a gradino (un interruttore accende/spegne un segnale periodico), è nel grafico segnale in uscita/tempo l'intervallo di tempo per passare dal 10% al 90% del valore finale di oscillazione:
- <math>T_{\text{salita}} = \frac{0,35}{\text{banda}}</math>
Asse orizzontale[modifica | modifica sorgente]
- 10 velocità di scansione: tramite il regolatore tarato (due manopole), si può spostare l'asse dei tempi lungo l'asse <math>x</math>;
- posizione: la posizione del punto rispetto all'asse <math>V_x</math> all'inizio della spazzolata (consigliato a sinistra dello schermo).
Sincronizzazione[modifica | modifica sorgente]
15 La traccia ha una persistenza di pochi secondi → per vederla stabile bisogna dare continue spazzolate sull'asse orizzontale (il segnale in ingresso è periodico).
16 Le spazzolate vanno date in determinati istanti in modo che la traccia sia stabile e la spazzolata sia sincrona con la precedente.
17 Il pennello elettronico deve partire quando il segnale da visualizzare:
- assume un valore prefissato;
- ha la derivata di un determinato segno (pendenza).
18 La rampa parte all'impulso di trigger ("grilletto"). L'estremo sinistro della spazzolata si dice punto di trigger.
25 Durante la spazzolata il trigger è accecato: la spazzolata continua fino alla fine, senza dare altri impulsi di trigger se <math>V_y</math> passa nuovamente per il punto di trigger. L'hold off fa sì che il trigger rimane accecato anche per un certo tempo dopo la fine della rampa.
Parametri del trigger[modifica | modifica sorgente]
- livello di trigger: tensione a cui far partire l'impulso (potenziometro)
- pendenza (slope) della tensione (commutatore +/–)
Tipi di trigger[modifica | modifica sorgente]
19 Sul pannello anteriore dell'oscilloscopio è presente un commutatore per impostare il segnale da triggerare per far partire la rampa: (il segnale visualizzato è sempre <math>V_y</math>)
- INT (internal): si triggera lo stesso segnale <math>V_y</math>;
- EXT (external): si triggera il segnale proveniente dal connettore posto sul pannello posteriore, usato per sincronizzare più strumenti;
- LINE: si triggera il segnale sinusoidale di rete, cioè la corrente a 220 V con cui è alimentato l'oscilloscopio.
Correzioni livello di trigger[modifica | modifica sorgente]
20 Per ovviare agli errori di livello di trigger, esiste un auto trigger chiamato gate, corrispondente a un commutatore con tre posizioni:
- 21 normal: il trigger parte solo quando riceve il segnale;
- 22 auto: se il trigger non comanda la spazzolata entro un certo tempo, fornisce comunque una spazzolata ogni tanto, che però non è sincronizzata;
- 23 single: il trigger parte una sola volta → serve per vedere i segnali non periodici (es. gradino).
Oscilloscopi a tracce multiple[modifica | modifica sorgente]
27 L'oscilloscopio a tracce multiple permette di visualizzare sullo schermo più segnali d'ingresso per rilevarne la differenza di fase, cioè la differenza temporale per esempio tra i punti di trigger. Normalmente sono 2 o al massimo 4, per non generare confusione. Si usa un unico punto luminoso per tutte le tracce.
Rappresentazione alternate[modifica | modifica sorgente]
La rappresentazione alternate conviene per alte frequenze.
28 In ogni spazzolata si disegnano alternativamente una sola delle due tracce, tramite un commutatore.
- Modalità di trigger
- 30 si triggera uno solo dei due segnali → utile se i due segnali sono sincronizzati tra di loro, cioè sono isofrequenziali → la relazione di fase (cioè differenza di fase nulla) tra i due segnali viene conservata sullo schermo;
- 32 si triggerano alternativamente entrambi i segnali → utile se i due segnali non sono isofrequenziali, 33 ma bisogna fare attenzione a non perdere la relazione di fase, impostando un opportuno punto di trigger per il secondo segnale.
Rappresentazione chopped[modifica | modifica sorgente]
La rappresentazione chopped conviene per basse frequenze.
34 In una stessa spazzolata si disegnano entrambe le tracce, ciascuna disegnata alternativamente in brevissimi trattini → se la frequenza di commutazione tra le due tracce è abbastanza piccola, le tracce sembrano continue. Come nella seconda modalità di rappresentazione alternate, non è garantita la relazione di fase.
Stadio di ingresso[modifica | modifica sorgente]
37 L'oscilloscopio è un carico passivo nei confronti del circuito, e può essere visto dall'esterno come il modello equivalente parallelo resistenza-condensatore con impedenza di <math>\tfrac{1 \; M \Omega}{10 \; PF}</math> (con incertezza di qualche %). Ai connettori BNC relativi ai segnali in ingresso (<math>{V_y}_A</math>, <math>{V_y}_B</math>, EXT...), che si trovano sul pannello dell'oscilloscopio, si collegano dei cavi coassiali. Il cavo coassiale può essere visto in un modello elettrico semplificato, composto da una parte resistiva trascurabile e una parte con capacità dell'ordine di grandezza di quella dell'oscilloscopio. Per ragioni di sicurezza:
- cavo coassiale: collegata alla massa vi è una "calza" di separazione tra il filo di rame e un certo materiale sintetico;
- connettore BNC: la parte centrale è circondata da una "ghiera" collegata alla carcassa dell'oscilloscopio, a sua volta collegata alla terra attraverso un terzo filo giallo-verde.
Esercitazione[modifica | modifica sorgente]
Lo scopo dell'esercitazione è imparare a usare l'oscilloscopio. La prima cosa da fare è chiudere l'interruttore differenziale e accendere l'oscilloscopio per evitare il problema di warm-up. L'oscilloscopio riceve i segnali da un sintetizzatore realizzato su scheda, a sua volta collegato a un alimentatore doppio (due tensioni) o triplo (tre tensioni).
Alimentatore[modifica | modifica sorgente]
L'alimentatore presenta in alto degli indicatori della tensione e della corrente erogate, e nella parte centrale dei connettori per le due tensioni +12 V e –12 V; ai lati di questi connettori, delle manopole impongono una corrente e una tensione massime per motivi di sicurezza.
Scheda[modifica | modifica sorgente]
La scheda può generare segnali con diversi tipi di forme d'onda, che possono essere commutati con i pulsanti Up e Down. Un cavo coassiale BNC collega l'uscita A della scheda con il primo canale dell'oscilloscopio.
Oscilloscopio[modifica | modifica sorgente]
Inizialmente, è consigliabile porre il gate in auto, e agire sulla intensità e sul fuoco per regolare la visualizzazione della traccia.
Figura 18: accanto al connettore BNC maschio, vi è un commutatore per determinare il segnale di ingresso:
- DC: il segnale di ingresso non viene filtrato e arriva direttamente all'oscilloscopio (uso normale);
- AC: viene introdotto un filtro passa-alto (da non usare);
- GD (ground): l'ingresso è in cortocircuito → segnale 0 (serve per regolare la posizione <math>y</math>).
Il tasto INV cambia segno al segnale: un segnale +/− viene visualizzato come −/+; si può usare per fare la somma o la differenza (a uno dei due si applica INV) dei due segnali.
Misurazioni[modifica | modifica sorgente]
- frequenza: Dato un segnale sinusoidale, si imposta il trigger secondo istruzioni, quindi effettua la misurazione del periodo del segnale, cioè l'intervallo di tempo tra due punti che hanno lo stesso valore e la stessa pendenza (tipicamente il punto 0, che dovrebbe essere impostato sulla pendenza massima). Viene calcolato il periodo tramite la formula <math>T=K_o \cdot n_{\text{div}}</math>, quindi si fa l'inverso per ricavare la frequenza. Truccone: c'è il pulsante autoset che visualizza automaticamente la frequenza!
- duty cycle di un segnale a impulso: è la percentuale dell'intervallo di tempo <math>T_H</math> in cui il segnale è a picco rispetto all'intero periodo <math>T</math>.
Cursori[modifica | modifica sorgente]
L'oscilloscopio può calcolare automaticamente l'intervallo di tempo (impostando le barre verticalmente) o la differenza di tensione (orizzontalmente) tra due cursori (= barre tratteggiate sullo schermo).
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