L oscilloscopio. l oscilloscopio analogico l oscilloscopio digitale

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1 L oscilloscopio L oscilloscopio è lo strumento forse più diffuso in assoluto. L applicazione più diffusa è quella di visualizzare su uno schermo l andamento nel tempo di un segnale. Ci sono due classi di oscilloscopi: l oscilloscopio analogico l oscilloscopio digitale 1

2 Oscilloscopio Analogico La funzione principale è in generale, date due generiche tensioni V x e V y : Rappresentare sullo schermo di un tubo a raggi catodici l'andamento della curva: V y = f(v x ) Gli assi di riferimento X e Y per la curva V y = f(v x ) sono fra loro ortogonali V y V x 2

3 Modalità base dei tempi Se la tensione Vx è proporzionale al tempo, si ottiene l andamento temporale di Vy Vy= g(t) Questa modalità di funzionamento dell oscilloscopio si chiama base dei tempi Con questa modalità la tensione Vx viene generata internamente 3

4 Modalità XY Se le tensioni V x e V y sono entrambe generate esternamente, sullo schermo viene visualizzata la funzione V y = f(v x ) Questa modalità di funzionamento dell oscilloscopio viene detta modalità XY 4

5 Struttura generale dell oscilloscopio analogico La struttura generale è costituita da 3 blocchi principali: tubo a raggi catodici blocco per la deflessione verticale (asse y) blocco per la deflessione orizzontale (asse x) Nell oscilloscopio impiegato in modalità XY il blocco per la deflessione orizzontale è simile al blocco per la deflessione verticale Nell oscilloscopio impiegato in modalità base dei tempi il blocco per la deflessione orizzontale genera internamente i segnali per la deflessione per avere una traccia stabile è necessaria una sincronizzazione 5

6 Tubo a Raggi Catodici (CRT) E costituito da un tubo elettronico a vuoto all' interno viene generato un fascio di elettroni e da uno schermo Sullo schermo è depositato uno strato di sostanze che emettono luce quando sono colpite dal fascio di elettroni 6

7 Il tubo a Raggi Catodici F C schermo G A1 A2 A3 y x z cannone elettronico E 7

8 Tubo a Raggi Catodici G F C Il catodo C, formato da un filamento caldo F, emette un fascio di elettroni L intensità del fascio può essere variata variando il potenziale negativo della griglia G, rispetto al catodo C 8

9 Tubo a raggi catodici E anche possibile intervenire con una modulazione sull'intensità del fascio elettronico del tipo a tutto o niente, per spegnere temporaneamente il fascio Si chiama regolazione di asse z 9

10 Tubo a Raggi Catodici A1 A2 A3 Lente elettronica Gli anodi A1, A2 e A3 hanno la funzione di: accelerare focalizzare gli elettroni del fascio I potenziali degli anodi rispetto al catodo sono di parecchie migliaia di volt 10

11 Tubo a Raggi Catodici y x Il fascio di elettroni viene deflesso da due coppie di placchette per la deflessione, tra loro ortogonali Le placchette per la deflessione verticale sono poste prima di quelle per la deflessione orizzontale 11

12 Tubo a Raggi Catodici schermo gli elettroni del fascio colpiscono un sottile strato di sostanze (fosfori) depositato sulla parete interna dello schermo, causando in tal modo l'emissione di luce 12

13 Tubo a Raggi Catodici Un problema fascio elettroni = corrente elettrica E quindi necessario un percorso di ritorno degli elettroni che colpiscono lo schermo, per chiudere il circuito con il catodo Si sfrutta il fenomeno dell emissione emissione secondaria I fosfori, quando tornano allo stato di riposo, riemettono elettroni a bassa energia (emissione secondaria) che restano in prossimità dei fosfori creando una nube carica negativamente. 13

14 Tubo a Raggi Catodici schermo Gli elettroni secondari sono raccolti da un ulteriore elettrodo E, formato da miscela conduttrice depositata sulla parte terminale del tubo E 14

15 Tubo a Raggi Catodici Regolazioni F C A1 A2 A3 schermo G y x z -AT luminosità fuoco E 15

16 Tubo a Raggi Catodici Si definisce efficienza di un fosforo il rapporto fra l'energia luminosa generata e l'energia del fascio elettronico di eccitazione Solitamente l efficienza è inferiore al 10% La restante energia fornita dal fascio viene trasformata in calore. Si può verificare un surriscaldamento dei fosfori con il rischio di: alterazione permanente delle proprietà di emissione luminosa bruciatura dei fosfori 16

17 La deflessione del fascio di elettroni schermo Vy y D d 0 z l L 17

18 La deflessione: ipotesi semplificative schermo Vy d y D z l L Fascio elettronico con spessore nullo Placchette di deflessione che si comportano come un condensatore piano e parallelo elettroni con componente di velocità solo lungo l'asse z 18

19 D La deflessione schermo y D Vy z d l L Detta V a la tensione di accelerazione, si può dimostrare che la deflessione D sullo schermo è data da: l = 2 L Vy d Va 19

20 La deflessione Si definisce sensibilità statica di deflessione la quantità: S y D = V y = l L 2 d V La sensibilità può essere aumentata aumentando l ed L diminuendo d e Va a 20

21 La deflessione l non può essere aumentato a piacere C è un limite nella lunghezza e distanza delle placchette Le placchette possono essere opportunamente sagomate 21

22 La deflessione L non può essere aumentato a piacere: maggior ingombro del tubo V a non può essere diminuita a piacere perché si rallentano troppo gli elettroni: fosfori debolmente eccitati traccia poco luminosa Allora: si deflettono elettroni dotati di bassa velocità si accelerano gli elettroni deflessi con anodi di post-accelerazione 22

23 La deflessione Comportamento dinamico V y è in generale variabile durante il tempo di transito degli elettroni all'interno delle placchette esempio: V y sinusoidale di frequenza f per non risentire della variazione di V y deve essere f << 1 l 2 qv m a 23

24 La deflessione Comportamento dinamico f << 1 l 2 qv Per soddisfare a questa relazione si dovrebbe avere: placchette molto corte tensioni di accelerazione V a molto elevate ma questo comporta una riduzione della sensibilità S y = D V y m a l L = 2 d V a 24

25 Deflessione dinamica Il problema si risolve con una deflessione distribuita: V y La tensione V y viene applicata alle diverse placchette mediante linee di ritardo 25

26 Blocco di condizionamento verticale La normale sensibilità di deflessione Sy è di circa 1 mm/v E necessario che il segnale applicato alle placchette sia dell'ordine di qualche decina di V V y C AC GND DC adattatore livelli amplificatore y 26

27 Blocco di condizionamento verticale V y C AC GND DC adattatore livelli amplificatore Il selettore di ingresso consente di selezionare la modalità di visualizzazione DC: viene visualizzato il segnale AC: viene tolta la componente continua GND: i circuiti di ingresso sono portati al potenziale di riferimento y 27

28 Blocco di condizionamento verticale V y C AC GND DC adattatore livelli amplificatore L adattatore dei livelli seleziona il coefficiente per la deflessione verticale Valori tipici del coefficiente di deflessione V/div V/div V/div y 28

29 Blocco di condizionamento verticale V y C AC GND DC adattatore livelli amplificatore L amplificatore fornisce il segnale alle placchette di deflessione verticale. L uscita è bilanciata y 29

30 Caratterizzazione Metrologica del blocco di condizionamento I parametri principali sono: banda passante espressa con la frequenza di taglio superiore (3 db) amplificazione normalmente non è fornita l amplificazione massima, ma la minima tensione applicabile all ingresso (V/div) tempo di risposta (o salita) impedenza di ingresso 30

31 Deflessione orizzontale Le modalità per la deflessione orizzontale del fascio sono differenti a seconda delle modalità: xy base dei tempi Funzionamento in xy tensione V x proveniente dall'esterno condizionamento del tutto analogo a quello per l'asse verticale 31

32 Deflessione orizzontale Nel funzionamento in base dei tempi, la deflessione orizzontale è data da: D x l L 2 d V V Se V x = h t, allora D x = k t e quindi, per avere l asse x tarato in tempo: la tensione V x deve variare linearmente con il tempo V x avrà un andamento a rampa lineare x a 32

33 Deflessione orizzontale +V d V x possibile andamento temporale di Vx t 0 t 1 t -V d T x 33

34 Deflessione orizzontale Sincronizzazione Se il segnale di ingresso è una tensione periodica di periodo T y nasce il problema di visualizzare una traccia stabile. Viene visualizzata un unica traccia solo se il periodo T x della tensione a dente di sega V x coincide con un multiplo intero del periodo T y di V y Tx = m T y 34

35 Deflessione orizzontale Sincronizzazione Se la relazione T x = m T y non è soddisfatta, a ogni spazzolata viene visualizzata una traccia diversa dalla precedente 35

36 Deflessione orizzontale Sincronizzazione per avere un unica traccia in molti casi è sufficiente che il pennello elettronico parta dal margine sinistro dello schermo quando il segnale V y : assume un valore prefissato ha la derivata di un determinato segno (pendenza) 36

37 Sincronizzazione porzione di traccia visualizzata = 0.75 Ty V y t V x t 37

38 Sincronizzazione E quindi necessario realizzare la coincidenza fra: istante di partenza della rampa punto iniziale della porzione di segnale da visualizzare Quando questo evento si verifica, viene generato un impulso di trigger che comanda la partenza della rampa V x. 38

39 Generatore della base dei tempi Genera la rampa V x di pendenza variabile, in funzione della base dei tempi selezionata Riporta il pennello dal margine destro a quello sinistro al termine della scansione. Interdice il pennello durante il ritorno (impulso di unblanking) Attende l'arrivo del nuovo impulso di trigger 39

40 Sorgenti del trigger INT: interna. Il segnale di trigger è ricavato dal segnale inviato all'asse y EXT: esterna Il segnale di trigger è ricavato da un generico segnale fornito dall'esterno LINE: linea Il segnale di trigger è ottenuto a partire dall alimentazione 40

41 generazione trigger V I + - V L V A blocco squadratore V S V D V T derivatore clipper trigger 41

42 (V V V L -V I ) (V I -V L ) L I t t V A t t V S V D V T t t t t t t 42

43 Generazione della base dei tempi Il comando di trigger agisce sul circuito: unblanking comando V di trigger G V C V R gate generatore V + T + di rampa asse X V H hold-off 43

44 Il blocco gate unblanking comando di trigger + + gate generatore di rampa asse Y hold-off Il blocco gate ha tre modi di funzionamento: NORMAL AUTO SINGLE NORMAL Il blocco gate si comporta come un comparatore con isteresi 44

45 Il generatore di rampa unblanking comando di trigger + + gate generatore di rampa asse Y hold-off La rampa parte sul fronte di salita della tensione di uscita del gate Durante la rampa viene generato l impulso di unblanking, che abilita il pennello elettronico. 45

46 Il blocco di hold-off unblanking comando di trigger + + gate generatore di rampa asse Y hold-off Blocca gli impulsi di trigger durante la generazione della rampa, durante il tempo di ripristino, per un ulteriore tempo, regolabile dall esterno 46

47 Condizione di sincronizzazione Si ha sincronizzazione quando la somma: Tempo di rampa + Tempo di ripristino + Tempo di hold è uguale a mt, dove T è il periodo del segnale da visualizzare, e m è un intero. 47

48 Blocco gate Modo di funzionamento NORMAL: per avere la visualizzazione si richiede un impulso di trigger nessun impulso nessuna traccia E necessario che si verifichi una condizione di trigger per avere la visualizzazione della traccia 48

49 Blocco gate Modo di funzionamento AUTO: Il circuito di gate funziona logicamente come un circuito astabile E un generatore di onda quadra con un periodo di oscillazione proprio La tensione di comando del generatore di rampa non dipende dagli impulsi di trigger Non si ha una sincronizzazione della visualizzazione certa E possibile ottenere ancora la sincronizzazione forzando il periodo di oscillazione del gate con gli impulsi di trigger 49

50 Blocco gate Modo di funzionamento SINGLE (oppure one-shot o single-sweep): ogni singola spazzolata richiede la abilitazione mediante un comando esterno Al verificarsi di un evento di trigger si ha un unica spazzolata. E utile per catturare eventi non ripetitivi con questi oscilloscopi è necessario avere una macchina fotografica per catturare la traccia. 50

51 Base dei Tempi Ritardata Viene utilizzata per analizzare con maggiore dettaglio una porzione della traccia E composta da due blocchi: base dei tempi principale base dei tempi ritardata 51

52 trigger Base dei Tempi Ritardata BASE TEMPI PRINCIPALE + - V D - gate - rampa - hold-off comparatore unblanking trigger V UM BASE TEMPI RITARDATA V RM rampa principale unblanking - gate - rampa - hold-off V UD V RD rampa ritardata 52

53 Base dei Tempi Ritardata trigger V UM V RM V D V UD V RD 53

54 Base dei Tempi Ritardata Modalità di impiego OFF è interdetta la base dei tempi ritardata funziona solo la base dei tempi principale 54

55 trigger Base dei Tempi Ritardata Modalità OFF V UM V RM 55

56 Base dei Tempi Ritardata Modalità di impiego MAIN pennello elettronico comandato solo dalla rampa principale impulso di unblanking della rampa ritardata sommato all impulso di unblanking della rampa principale Viene intensificata una porzione della traccia visualizzata 56

57 Base dei Tempi Ritardata Modalità MAIN trigger V UM V RM V D V UD 57

58 Base dei Tempi Ritardata Modalità MAIN unblanking L inizio della porzione intensificata si sposta agendo sulla tensione V UM V D in ingresso al V RM - gate comparatore trigger - rampa La durata della - hold-off porzione intensificata rampa principale viene + - V D comparatore trigger - gate - rampa - hold-off V UD modificata agendo sulla pendenza della rampa ritardata unblanking V RD rampa ritardata 58

59 Base dei Tempi Ritardata Modalità DELAY Sono in funzione entrambi i blocchi. La deflessione è comandata dalla rampa ritardata. Viene visualizzata la sola porzione di segnale che durante il funzionamento MAIN appare intensificata 59

60 Base dei Tempi Ritardata Modalità DELAY trigger V RM V D V UD V RD 60

61 Base dei Tempi Ritardata Modalità MIXED non è prevista in tutti gli oscilloscopi nel primo tratto è utilizzata la rampa principale nella parte finale è utilizzata la rampa ritardata 61

62 La visualizzazione di più segnali La visualizzazione di più segnali (in genere 2) è possibile con gli oscilloscopi a tracce multiple. La soluzione più immediata è quella di porre, nello stesso CRT, due cannoni elettronici, con relativi dispositivi di focalizzazione e deflessione Soluzione estremamente costosa, usata in passato negli oscilloscopi di grande pregio 62

63 Oscilloscopi a tracce multiple Per ottenere la visualizzazione di due canali di ingresso (A e B) è comunque necessario avere una doppia traccia Se è disponibile, per motivi di costo, un unico fascio elettronico, è necessario impiegare un commutatore elettronico. 63

64 Oscilloscopi a tracce multiple Schema circuitale V YA I A V YB I B + - Vy C0 C1 64

65 Modalità: ALTERNATE V YA V YB I A I B + - Vy C0 C1 una spazzolata: chiuso I A e aperto I B spazzolata successiva: aperto I A e chiuso I B Per effetto della persistenza su schermo e retina, si vedono entrambi i canali contemporaneamente 65

66 Modalità: ALTERNATE Gli impulsi di sincronismo sono ricavati da uno solo dei due canali Esempio Sincronismo canale A: T x = nt A Il canale B risulta anch esso sincronizzato solo se: T x = mt B Se entrambe le tracce sono sincronizzate si conserva la relazione di fase 66

67 Modalità: ALTERNATE V YA liv. trig. V YB 67

68 Modalità: CHOPPED V YA V YB I A I B + - Vy C0 C1 In ogni spazzolata, si alternano numerose aperture-chiusure di I A e I B. Sono visualizzate alternativamente piccole porzioni di V A e V B. 68

69 Modalità: CHOPPED Durante la commutazione di I A e I B il fascio elettronico viene spento Per effetto della persistenza su schermo e retina, si vedono entrambi i canali contemporaneamente Il segnale di trigger è ricavato da un unico canale (A o B) E conservata la relazione di fase Non è garantito il sincronismo di entrambe le tracce 69

70 Modalità: CHOPPED y a y b t 70

71 Differenti modalità di impiego In generale, la modalità ALTERNATE viene impiegata quando si visualizzano segnali a alta frequenza. La modalità CHOPPED viene impiegata quando si visualizzano segnali a bassa frequenza La frequenza del segnale è molto più bassa della frequenza con cui commutano I A e I B. In caso contrario, si ha una cattiva visualizzazione dei segnali. 71

72 Circuiti di ingresso Attenuatore In linea di principio l attenuatore di ingresso è un partitore resistivo. In realtà esistono elementi parassiti (capacità). Per effetto delle capacità parassite, la risposta in frequenza del partitore non è più costante al variare della ferquenza. 72

73 Circuiti di ingresso Attenuatore L attenuatore di ingresso viene allora realizzato con un partitore RC. Si può dimostrare che se tutte le celle hanno la stessa costante di tempo, allora la risposta in frequenza è piatta in tutta la banda di frequenza di interesse. 73

74 Sonde linea (cavo coassiale) OSCILLOSCOPIO terminale BNC C c R I C I spesso C C >> C I 74

75 Sonde Compensate circuito di compensazione C S OSCILLOSCOPIO Vs R S C c V I cavo coassiale R I C I 75

76 Sonde Compensate C P = C I + C C C p C I V I = V S 1+ RI 1+ jwric RS + jwr C 1+ S S P RI jwr I C P 76

77 Sonde Compensate se R I C P = R S C S V I = V S R S RI + R I legame non dipendente dalla frequenza 77

78 Sonde Compensate V I = V S Se R S = 9R I attenuazione pari a 10 Si ottiene una sonda attenuata E usata per visualizzare segnali con dinamica maggiore di quella dell attenuatore di ingresso dell oscilloscopio R S RI + R I 78

79 Sonde Compensate In pratica per compensare una sonda, ossia per soddisfare la condizione: R I C P = R S C S si usa come segnale di test un onda quadra fornita dall'oscilloscopio 79

80 Sonde Compensate non compensata non compensata compensata 80

81 Sonde Compensate consiglio pratico: se si cambia sonda, oppure oscilloscopio, è buona norma verificare la compensazione della sonda 81