2 INTRODUZIONE DESCRIZIONE DELLA STRUMENTAZIONE ACCENSIONE DELL OSCILLOSCOPIO E IMPOSTAZIONE Default... 5

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1 1 SOMMARIO 2 INTRODUZIONE DESCRIZIONE DELLA STRUMENTAZIONE ACCENSIONE DELL OSCILLOSCOPIO E IMPOSTAZIONE Default VISUALIZZAZIONE DI UNA FORMA D ONDA COMPENSAZIONE DELLE SONDE Impostazione manuale della portata Impostazione della base dei tempi Impostazione manuale del trigger Operazioni di Misura MISURA DEL PERIODO E DELLA FREQUENZA Misura di periodo e frequenza con cursori Misura di periodo e frequenza in modo automatico MISURA DELLA TENSIONE Misura di tensione con cursori Misura di tensione in modo automatico Misure di sfasamento tra segnali Misure di sfasamento in modalità normale Misure di sfasamento in modalità x y Sincronizzazione di segnali con le figure di Lissajous SPECIFICHE DI ACCURATEZZA PER OSCILLOSCOPIO AGILENT 54621A Sistema verticale Sistema orizzontale Tabella dei risultati di misura

2 ESERCITAZIONE : USO DELL OSCILLOSCOPIO DIGITALE 2 INTRODUZIONE L esercitazione di laboratorio qui descritta ha lo scopo di illustrare l uso dell oscilloscopio digitale analizzando le funzioni sue funzioni e caratteristiche principali. Strumenti e materiale utilizzati Oscilloscopio digitale Agilent modello 54641A Due sonde compensate 10X; Una sonda BNC-BNC Cacciavite per compensazione sonde; Kit auto-didattico HP54654A; Generatore di funzione Agilent 33120A 2-24

3 2.1 DESCRIZIONE DELLA STRUMENTAZIONE Kit autodidattico per oscilloscopio 3-24

4 Nella figura qui sotto è riprodotto il pannello frontale dell oscilloscopio HP54641A. E un oscilloscopio digitale a due canali con banda 60Mhz Oscilloscopio Agilent

5 Nella figura qui sotto è riprodotto il pannello frontale dell oscilloscopio HP54641A. E un oscilloscopio digitale a due canali con banda 60Mhz Sezione orizzontale Sezione misure Terminale di calibrazione Sezioni verticali 3 Sezione di Trigger ACCENSIONE DELL OSCILLOSCOPIO E IMPOSTAZIONE DEFAULT In questa sezione si vede semplicemente come portare lo strumento nelle impostazioni predefinite di fabbrica. Accendete l oscilloscopio premendo il tasto bianco sul pannello frontale dello strumento, in basso a destra sotto lo schermo. Premete il tasto grigio SAVE/RECALL funzione Default/Setup Default Setup <F6> Save Recall, quindi premete il tasto. Sul display dell oscilloscopio compare il messaggio Factory default setup loaded Ora l oscilloscopio si trova con le impostazioni iniziali di fabbrica (Fig. 1) 5-24

6 Configurazione Default 4 VISUALIZZAZIONE DI UNA FORMA D ONDA In questa sezione ci si impratichisce con le funzioni più semplici e fondamentali dell'oscilloscopio, che viene usato per visualizzare un segnale reso disponibile dallo strumento stesso: l'onda quadra generata dal terminale di calibrazione.. Collegate una delle sonde fornite al connettore BNC del canale 1 in basso sul pannello frontale. Collegate l uncino della sonda al terminale di calibrazione Probe Comp situato in basso sul lato destro del pannello frontale. Autoscale Premete per visualizzare l onda quadra (il circuito di Autoscale imposta automaticamente il guadagno verticale, la base dei tempi ed il trigger). 6-24

7 guadagno vert ritardo trigger base tempi pendenza e sorgente e livello trigg. canale riferimento di massa Visualizzazione forma d onda Sullo schermo apparirà l immagine riportata qui sopra (Fig. 2). Osservate che il display è diviso in dieci divisioni orizzontali e otto divisioni verticali. Le linee centrali, graduate in unità da 1/5 di divisione, sono, rispettivamente, il riferimento verticale (asse X) e il riferimento orizzontale (asse Y). Il simbolo sul lato sinistro dell immagine indica invece la posizione del livello corrispondente alla tensione nulla (coincidente con la massa dell oscilloscopio), che chiameremo livello di massa. Nella parte alta dello schermo vediamo la riga di stato che fornisce una serie di informazioni sullo stato dell'oscilloscopio. Da sinistra a destra vediamo: 1) il canale visualizzato (canale 1) e il valore, su quel canale, del guadagno verticale (1.00 V/div); 2) l istante di trigger, indicato dal triangolino nero al centro; 3) il riferimento temporale o riferimento orizzontale (origine dell asse dei tempi), indicato da un triangolino trasparente in questo momento invisibile perché sovrapposto a quello nero; 4) il valore di posizione orizzontale o di ritardo del trigger, che in questo oscilloscopio è definito come la differenza (in secondi) tra il riferimento orizzontale e l istante di trigger. In questo momento i due istanti coincidono e il ritardo è pari a 0.00 s; 5) il valore della base dei tempi (500s/div); 6) la sorgente, la pendenza ed il livello del trigger: il simbolo indica che la sorgente è il canale 1 e la pendenza è positiva; 4.1 COMPENSAZIONE DELLE SONDE Eseguite la compensazione della sonda ruotando con l apposito cacciavite la vite di regolazione, esaminando le deformazioni dell onda quadra nelle diverse posizioni della vite (Fig. 3, Fig. 4). Lasciate la vite nella posizione che fornisce un onda quadra il più possibile piatta Fig

8 Sovracompensazione Sottocompensazione 8-24

9 Compensazione corretta Staccate la prima sonda e ripetete la compensazione per la seconda sonda. 5 IMPOSTAZIONE MANUALE DELLA PORTATA In questa sezione vengono illustrati i principali controlli della sezione VERTICAL, e cioè guadagno verticale, posizione verticale. Accendete il kit di autoapprendimento per oscilloscopio (scheda HP 54654A) premendo il pulsante on/off posizionato vicino la batteria. Quando si preme l interruttore si accende il led. Agganciate l uncino della sonda al terminale di prova 1 e la pinzetta al terminale di massa. Premete Autoscale. Volts/div Modificate il guadagno verticale ruotando la manopola, e osservate i cambiamenti di ampiezza della forma d onda visualizzata e nell indicazione sulla linea di stato. Modificate anche la posizione verticale ruotando la manopola, e osservate lo spostamento della linea di massa.. Premete il tasto 1 posizionato al di sotto della manopola di regolazione verticale del canale 1. Notate l apparizione di un menù di tasti funzione. Notate anche che premendo fausto tasto si attiva e disattiva alternativamente il canale

10 Vernier Attivate il tasto funzione Vernier ed osservate l effetto al variare della manopola del guadagno verticale (Volts/Div). Notate anche i cambiamenti sulla linea di stato. Selezionando Vernier è possibile modificare la sensibilità del canale di incrementi/decrementi inferiori rispetto a quelli ottenuti senza attivare la funzione Vernier. La scelta del Vernier consente una regolazione più accurata del guadagno verticale. Disattivate il tasto funzione Vernier Riportate l oscilloscopio nelle seguenti impostazioni: guadagno verticale = 1 V/div. 6 IMPOSTAZIONE DELLA BASE DEI TEMPI In questa sezione vengono illustrati i principali controlli della sezione HORIZONTAL, e cioè base dei tempi e delay. Time/div Modificate la base dei tempi ruotando la manopola, e osservate i cambiamenti nella finestra temporale visualizzata e nell indicazione sulla linea di stato. Modificate l istante di trigger ruotando la manopola e osservate i cambiamenti nella finestra temporale visualizzata e nell indicazione sulla linea di stato. Non appena la manopola viene ruotata un piccolo puntatore triangolare ( ) si muove nella parte alta del display ed indica il punto in cui si trova il trigger. Osservate il piccolo rettangolo sulla linea di stato che si illumina quando si ruota la manopola. I numeri all interno del rettangolo indicano dove si trova il punto di trigger (ovvero il ritardo positivo o negativo rispetto al riferimento dei tempi). Il triangolo vuoto () indica dove si trova il riferimento dei tempi (istante 0). Main Delayed Premete il tasto Main/Delayed e notate il menù di tasti funzione nella parte inferiore del dispaly. Il tasto Main/Delay fa apparire un menù che consente di scegliere una delle modalità di operazione orizzontale: principale (MAIN), differito (DELAYED), oppure XY. Consente anche di scegliere la funzione Vernier che permette la selezione della base dei tempi con maggiore precisione (funzione analoga a quella vista per la selezione del gudagno verticale) Premete il tasto funzione Delayed L oscilloscopio suddivide il display in due parti. Ruotate la manopola Time/div ed osservate i cambiamenti sulle due parti del display Ruotate la manopola ed osservate i cambiamenti sulle due parti del display. La metà superiore del display mostra la forma d onda nella base dei tempi principale. Le due linee verticali definiscono la porzione di forma d onda che viene acquisita con una costante di tempo più piccola. Tale porzione è visualizzata nella parte inferiore del display e rappresenta un ingrandimento della forma d onda racchiusa dalle due linee verticali. La funzione Delayed viene utilizzata per analizzare più in dettaglio una porzione di forma d onda

11 Osservate che entrambe le impostazioni delle basi dei tempi vengono visualizzate sulla linea di stato Fig. 6. Funzione delayed Premete il tasto funzione Main per tornare alla base dei tempi principale 7 IMPOSTAZIONE MANUALE DEL TRIGGER In questa sezione vengono illustrati i principali controlli della sezione TRIGGER, e cioè livello di trigger e delay. Premere il tasto Mode/Coupling nella sezione TRIGGER immediatamente in alto al Probe Comp (parte destra dell oscilloscopio). Premere ripetutamente il tasto funzione Mode (primo tasto funzione a sinistra) sino ad impostare la modalità: Auto. Azionando la manopola, posizionata nella sezione Horizzontal, riportate l'istante di trigger al centro dello schermo (il valore di ritardo del trigger dovrà nuovamente essere di 0.00 s). Impostate la base dei tempi al valore ns/div, in modo da evidenziare il tempo di salita dell onda quadra

12 Visualizzazione tempo di salita In questo modo osservate che l'onda quadra fornita dal terminale di calibrazione è ovviamente ben diversa da un'onda quadra ideale Fig. 7. Modificate ora il livello di trigger ruotando la manopola Level nella sezione TRIGGER, e osservate l effetto sulla traccia. Livello di trigger Visualizzazione livello di trigger Mentre si ruota questa manopola appare, sulla linea di stato in alto a destra sullo schermo, il valore del livello di trigger corrente (Fig. 8.) Notate che, tentando di impostare il livello di trigger al di fuori della traccia visualizzata, il trigger non riesce più ad agganciare la forma d onda e quindi non si riesce più a visualizzare il segnale (Fig. 9)

13 Edge Perdita aggancio del trigger Premete il tasto nella sezione TRIGGER e quindi il tasto funzione, selezionando la pendenza negativa del trigger. Ciò fornisce la visualizzazione del tratto in discesa, invece che in salita, dell onda quadra. Edge Selezione pendenza negativa del trigger 13-24

14 8 OPERAZIONI DI MISURA Scopo di questa sezione è indicare come si eseguono misure di tempi e tensioni sia in modo manuale e automatico. Le misure possono essere effettuate in tre modalità differenti a) Utilizzando i cursori. I cursori sono dei segni orizzontali e verticali che indicano valori sull asse X (tipicamente il tempo) e sull asse Y (tipicamente la tensione) di una forma d onda selezionata. b) In modo automatico. In questo caso si attiva il menù delle misure e si ottiene automaticamente la misura della grandezza desiderata selezionando la relativa funzione dal menù disponibile. c) Leggendo le divisioni sul display. In questo caso si conta il numero di divisioni (verticali o orizzontali) necessarie per misurare la grandezza desiderata e si moltiplica tale numero per il guadagno verticale o per la base dei tempi selezionata. Si richiede di eseguire la serie di misure di seguito riportate utilizzando le prime due modalità. 8.1 MISURA DEL PERIODO E DELLA FREQUENZA Misura di periodo e frequenza con cursori Selezionate la base dei tempi in modo da visualizzare (se possibile) un solo periodo di onda quadra. Premere il tasto Cursors posizionato nella parte alta del pannello frontale nella sezione Measure. Notate che il tasto Cursors si accende Premete il tasto funzioni X1 e notate che il simbolo di rotazione a sinistra di X1 è evidenziato (al contrario di quello a sinistra di X2). Ruotate la manopola accanto al tasto Cursors ed osservate i cambiamenti del cursore. Il valore numerico indicato nella parte inferiore del tasto X1 rappresenta la posizione del cursore X1 rispetto al riferimento dei tempi. Posizionate il cursore X1 sul fronte positivo più a sinistra del forma d onda. Premete il tasto X2 e posizionate il cursore in corrispondenza del successivo fronte di salita. N.B. Non è detto che la scelta ottimale della costante di tempo sia quella che consente di visualizzare un solo periodo. Notate i cambiamenti dei valori numeri nella parte inferiore del display. - DX rappresenta la differenza tra X1 e X2 e quindi nel nostro caso indica il valore del periodo della forma d onda. - 1/X rapprenda l inverso della differenza tra i due istanti e quindi nel nostro caso indica il 14-24

15 valore della frequenza della forma d onda Fig. 11. Scrivete nella tabella il valore del periodo della forma d onda (TC) e della frequenza (fc) ottenuti dalla misura effettuata con i cursori. Scrivete inoltre il valore della base dei tempi. Misura di periodo con cursori Misura di periodo e frequenza in modo automatico Premete il tasto Quick Meas posizionato nella parte alta del pannello frontale nella sezione Measure. Notate che il tasto Quick Meas si accende. Premete il tasto funzione Select per attivare il menù delle grandezze che possono essere misurate in modo automatico. Ruotate la manopola di selezione fino a quando non si seleziona la funzione Period. Il tasto funzione accanto a quello di Select diventa Measure Period. Premete il tasto funzione Measure Period. Sulla parte inferiore del display viene visualizzata la misura del periodo Fig. 12 Scrivete nella tabella il valore del periodo (TA) ottenuto con la misura automatica ed il valore della base dei tempi. Ripetete la misura per la frequenza e riportate il risultato (fa) nella tabella

16 Misura di periodo in modo automatico 8.2 MISURA DELLA TENSIONE Misura di tensione con cursori Premete il tasto Cursors Premete il tasto di funzione Source e selezionate il canale 1. Premete il tasto di funzione X Y e selezione Y Posizionate il cursore Y1 in corrispondenza del valore al livello basso della forma d onda sul canale 1. Posizionate il cursore Y2 in corrispondenza del valore al livello alto della forma d onda sul canale 1. DY rappresenta la differenza tra Y1 e Y2 e quindi nel nostro caso indica il valore picco-picco della forma d onda. N.B. Ricordarsi di selezionare il guadagno verticale che consente di effettuare le misure quanto più possibile verso il fondo scala (Fig. 13)

17 Misura di tensione con metodo cursori Scrivete nella tabella il valore di tensione picco-picco Vc ed il guadagno verticale Misura di tensione in modo automatico Seguendo le procedura di misura automatica, calcolate i valori di tensione picco-picco della forma d onda Fig. 14 e riportate i risultati nella tabella (VA, e il valore del guadagno verticale). Misura di tensione con metodo automatico 17-24

18 N.B. Anche per la misura in modo automatico ricordarsi di selezionare il guadagno verticale che consente di effettuare le misure quanto più possibile verso il fondo scala. 8.3 Misure di sfasamento tra segnali Collegare la prima sonda al punto di prova 12 (Collegare la massa della sonda). Collegare la seconda sonda fra il canale 2 e il punto di prova 13 (Collegare la massa della sonda). Premere AUTOSCALE. Ruotare i due potenziometri vicini ai punti di prova 12 e 13. Notare che uno comanda l ampiezza mentre l altro varia il ritardo di fase fra le forme d onda. Osservare anche la rapidità di aggiornamento dello schermo. Le variazioni vengono mostrate in tempo reale. Notare che la fonte di trigger è il canale 2 (Questa informazione compare nella linea di stato Fig. 15). Spostare la fonte di trigger al canale 1 e ruotare il reostato di controllo di fase sulla scheda di segnale. Quando due segnali cambiano fase tra di loro, il segnale che costituisce la sorgente di trigger resta fermo sul display ed il suo punto di trigger rappresenta il riferimento. L altro segnale viene quindi sfasato sulla base della differenza di fase esistente tra i segnali. Si può rilevare la differenza Misure di sfasamento in modalità normale Visualizzazione due forme d onda Agendo sulla manopola di posizione verticale portare il riferimento di massa dei due canali a 0 (ch(1)=0; ch(2)=0). Ruotando la manopola vicino il punto di prova 13, si varia lo sfasamento tra le due forme d onda. Fissate un valore a piacere di sfasamento Effettuare la misura di sfasamento temporale (ts) utilizzando i cursori nella visualizzazione normale Fig. 16 e riportare i risultati nella tabella. Misurare in modo automatico la frequenza (f) del segnale collegato al canale 1 (N.B. per ottenere 18-24

19 in modo automatico la misura di frequenza o periodo, dovete visualizzare almeno un periodo sul monitor pertanto occorre cambiare la base dei tempi). Calcolare lo sfasamento angolare mediante la formula s 2 f ts e riportare il valore ottenuto in tabella. Misura di sfasamento temporale Misure di sfasamento in modalità x-y Premere il tasto Main/Delayed (sezione Horizontal) sul pannello frontale e quindi premere il tasto funzione XY. Utilizzando, una alla volta, le manopole POSIZIONE della sezione Vertical è possibile centrare l immagine sullo schermo (ch(1)=0, ch(2)=0). Effettuare la misura di sfasamento utilizzando figure di Lissajous nella modalità x-y asin(2 Y / 2 Y ) (Fig. 17, Fig. 18.) sl 0 M 19-24

20 2Yo Misura sfasamento con figure di Lissajous (2Y o ) 2YM Misura sfasamento con figure di Lissajous (2Y M ) 20-24

21 Ruotare il reostato di controllo di fase sulla scheda di segnale ed osservare i risultati. Una linea retta inclinata sulla destra indica che le forme d onda sinusoidali sono in fase (Fig. 19). Un cerchio indica che le forme d onda sinusoidali sono sfasate di 90 gradi (le ampiezze dei due canali devono essere uguali oppure si produrrà un ellisse). Una linea retta inclinata verso sinistra indica che le forme d onda sinusoidali sono sfasate di 180 gradi. Forme d onda in fase 21-24

22 9 SINCRONIZZAZIONE DI SEGNALI CON LE FIGURE DI LISSAJOUS Collegare l uncino della sonda del canale 1 al punto di prova 12 sulla scheda autodidattica (forma d onda sinusoidale). Collegate il canale due (mediante sonda BNC-BNC) al generatore di funzione. Accendete il generatore e selezionate una forma d onda di tipo sinusoidale con tensione di picco=1v. Misurate con modalità automatica la frequenza della sinusoide sul canale 1 (sinusoide prelevata dalla scheda autodidattica). Impostate sul generatore la frequenza uguale a quella del canale 1. Attivate tutti e due i canali e premete Autoscale per visualizzare le due forme d onda. Probabilmente noterete una delle due forme d onda instabile. Questo avviene quando il rapporto tra le frequenze delle due forme non è un numero intero. Infatti in tal caso il trigger, che è comune ad entrambe le forme d onda, non riesce ad agganciare correttamente tutti e due i segnali. Modificate la frequenza della sinusoide sul canale 2 (agendo sulle cifre meno significative del display del generatore di funzione) fino ad ottenere le due forme d onda abbastanza stabili. Premete il tasto Main/Delayed ed attivate il tasto funzione XY. Noterete una figura di Lissajou a forma di ellisse. Se la figura è ancora instabile regolate ulteriormente la frequenza della sinusoide generata dal generatore di funzioni. Raddoppiate la frequenza della sinusoide sul canale 2 ed osservate come cambiano i punti di tangenza sui due assi

23 10 SPECIFICHE DI ACCURATEZZA PER OSCILLOSCOPIO AGILENT 54621A 10.1 Sistema verticale Incertezza di guadagno 2% Incertezza di quantizzazione 0,4% FSO Incertezza cursore duale (2%+0,4% FSO) 10.2 Sistema orizzontale Risoluzione Incertezza di quantizzazione Incertezza T (stesso canale) Incertezza T (canale canale) 40 ps 0,1% FSO ( 0,01% rgd + 0,1% FSO +40 ps) ( 0,01% rgd + 0,1% FSO +80 ps) 23-24

24 11 TABELLA DEI RISULTATI DI MISURA Corso di Laurea in: Corso di Gruppo nr. Data Esercitazione Tabella Risultati Grandezza da misurare Valore Unità di Misura Guadagno verticale/ Base dei tempi Incertezza T C Periodo con metodo cursori T A Periodo con misura automatica f a Frequenza con misura automatica( X V C Ampiezza con metodo cursori V A Ampiezza con metodo cursori t s Sfasamento temporale tra forme d onda sinusoidali s Sfasamento tra forme d onda sinusoidali X sl Sfasamento tra forme d onda sinusoidali con Lissajious X X 24-24