L OSCILLOSCOPIO. L oscilloscopio analogico- Ing. B. Andò - DIEES - Università degli Studi di Catania

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1 L OSCILLOSCOPIO

2 INTRODUZIONE L oscilloscopio consente di osservare sullo schermo di un tubo a raggi catodici l andamento di una grandezza (Y) che varia in funzione di un altra grandezza (X). X può essere una tensione o un tempo. Tra le funzioni che variano col tempo, le grandezze periodiche sono quelle che si riescono a visualizzare meglio. Aspetto esclusivo del CRT: utilizza come equipaggio mobile un fascio di elettroni, con massa ed inerzia talmente piccole da consentire l osservazione di variazioni rapide (dell ordine di s). Trasduttori per adattare i livelli dei segnali di ingresso. Fenomeni transitori: metodi fotografici o a memoria.

3 Principio di funzionamento: il CRT Mediante un opportuno sistema viene generato un fascio di elettroni che, opportunamente accelerato su uno schermo, traccia l andamento del segnale da analizzare. Infatti, le due grandezze X ed Y generano due tensioni V dx e V d, che pilotano un sistema di deflessione atto a spostare la traccia sullo schermo concordemente al loro andamento. Questo fenomeno avviene all interno del CRT che rappresenta il dispositivo d uscita dell oscilloscopio.

4 Funzionamento in modalità XY v Canale Y v d V x =0 v x Canale X CRT v dx V =0 Se si vuole visualizzare una grandezza Y in funzione di un altra grandezza X è necessario disporre di due tensioni proporzionali alle deflessioni Y e X: v =H Y v x =H x X con H x, H : costanti di trasduzione. Per adattare l ampiezza dei segnali ai canali di ingresso dell oscilloscopio (v, v x ) ai livelli richiesti dal sistema di deflessione (v d, v dx ) è necessario utilizzare degli opportuni blocchi di condizionamento. La relazione tra queste quantità è la seguente: v d =K v v dx =K x v x con K, K x costanti dei canali.

5 Funzionamento con base dei tempi Si vuole visualizzare l evoluzione temporale della grandezza v =v sin(ωt) in funzione di t. E necessario disporre di due tensioni: v d =K v = K v sin(ωt) e v dx =K x t da cui v d =K v = K v sin(ω v dx /K x ) si osservi che la rampa ha una pendenza costante: scansione a velocità costante.

6 Funzionamento con base dei tempi L ampiezza della rampa è sempre la stessa e v dx deve assumere un range di valori che garantiscano la scansione di tutto lo schermo. Ad es. Se S x =0.1 cm/v, per uno schermo di 10cm la rampa deve essere compreso tra -50V e +50V. l inclinazione viene scelta in base all intervallo della forma d onda che si vuole visualizzare. Al fine di garantire la persistenza dell immagine si utilizza un dente di sega.

7 Principio di funzionamento: base dei tempi Blanking: una volta che il pennello ha compiuto l intera esplorazione dello schermo è necessario riportarlo al punto iniziale per effettuare una nuova esplorazione Si definiscono allora: il tempo di esplorazione; il tempo di ritorno e il tempo di ripristino.

8 Principio di funzionamento: base dei tempi Stabilità dell immagine: affinché l immagine sia stabile deve essere: f dente_di_sega =Kf_ segnale Oscilloscopi triggerati: la precedente condizione è difficile da garantire, quindi si fa in modo che il segnale di ingresso comandi l inizio del dente di sega.

9 Note sul CRT Il CRT è un tubo a vuoto ed è costituito dai seguenti blocchi: Cannone elettronico: genera, accelera e focalizza un fascio di elettroni; Sistema di deflessione: deflette il fascio in base all azione di due campi elettrici che dipendono dai segnali; Schermo: è costituito da uno strato di fosfori. Questi, colpiti dal pennello elettronico, si eccitano e poi tornano allo stato iniziale, emettendo in queste due fasi una radiazione luminosa. In assenza di segnale sulle placche di deflessione (V x =0, V =0) si ha un punto luminoso sullo schermo. In presenza di segnale il punto viene spostato sullo schermo e traccia una curva.

10 Note sul CRT: il Cannone elettronico Il catodo di nichel con superficie emittente rivestita di ossidi di bario e stronzio, riscaldato da un filamento, emette elettroni. Griglia di controllo: controlla il flusso di elettroni e quindi la luminosità. Lo sblocco (unblanking) del fascio si ottiene inviando impulso positivo di sblocco sulla griglia. Gli elettroni emessi dal catodo non sono ancora veloci e vengono emessi da diversi punti e con diverse inclinazioni. Essi si concentrano in una sezione trasversale di piccolo diametro (1mm) detta crossover: luogo dei punti in cui si incrociano le traiettorie degli elettroni che fuoriescono dal catodo da punti diversi, ma con eguali angoli di emissione. La sezione di crossover è la più piccola di tutto il fascio.

11 Note sul CRT: il sistema di focalizzazione Il sistema di focalizzazione serve ad accelerare il fascio elettronico in modo che esso non si allarghi ad opera del potere respingente degli elettroni. Esso è costituito da 3 anodi che formano 3 lenti: 1 anodo o preacceleratore; anodo focalizzatore: regolazione del fuoco; anodo o acceleratore lente lente lente lente Astigmatismo: a causa di un ulteriore lente elettrostatica formata dal anodo e le placche di deflessione si può verificare una deformazione dell immagine. E possibile attenuare tale fenomeno mediante la regolazione della tensione del anodo.

12 Note sul CRT: il sistema di deflessione Al fine di spostare il fascio elettronico sullo schermo si utilizzano le placche di deflessione. Deflessione bilanciata: Se si applicasse il segnale di deflessione ad una placchetta, con l altra collegata a massa, si otterrebbe una distribuzione di superfici equipotenziali con componenti assiali dipendenti da v d.

13 CRT: Traiettoria dell elettrone nel sistema di deflessione L elettrone entra nel sistema di deflessione verticale con una velocità costante lungo l asse z: v a =dz/dt. All interno del sistema di deflessione è soggetto ad un campo diretto verso (nasce una componnete tangenziale della velocita v t ) e quindi modifica il proprio moto secondo le seguenti equazioni: z = = z& t poichè = ( &) t + && ( & ) z& t qe && = si ha : m 1 qe z + z m( z& ) e quindi, se si suppone v = 1 qe m( z& ) z t= 0 = 0 : z L inclinazione aumenta con z: d dz = m( qe dz / dt ) z

14 CRT: velocità assiale L elevata differenza di potenziale (alcuni kilovolt) fra il catodo e lo schermo del CRT crea il campo elettrico assiale del CRT che impone un accelerazione agli elettroni e li muove verso lo schermo. Per questo motivo la differenza di potenziale ( indicata con Va ) fra catodo e schermo viene chiamata "potenziale acceleratore". Gli elettroni che superano la griglia di controllo sono accelerati ed acquistano una velocità assiale v z il cui valore può essere determinato considerando che al momento dell urto dell elettrone con lo schermo la energia potenziale fornita dal potenziale acceleratore si è interamente trasformata in energia cinetica: e quindi: v z = qva=0.5mv z qva m con 1 (v m = m 0 z / c)

15 Sensibilità del sistema di deflessione D =S V d D x =S x V dx D x e D sono i tratti di cui si muove il pennello ad opera delle V d e V dx. S x ed S sono le sensibilità di deflessione orizzontale e verticale [div/v]. 1/S = fattore di deflessione [V/div] ipotesi 1: consideriamo il campo elettrico fra le placche di deflessione come uniforme ed esente da fenomeni di bordo. ipotesi : consideriamo la traiettoria degli elettroni come una spezzata, concentrando tutto l effetto del campo di deflessione nel punto centrale delle placche.

16 Sensibilità del sistema di deflessione v z v z D Si supponga che il fascio di elettroni dopo l ultimo anodo non sia più soggetto ad accelerazioni: moto uniforme con velocità assiale costante: qva v z = m A causa della deflessione il fascio viene deviato di un tratto D pari a: = tgα = v f = = Ltg α 1 1 e quindi d dt dz dt t + τ t qe d d : v = t = q dt = v v v d d z q md = t + τ 1 e quindi d m d t 1 v d t dt : D da τ =l/v z : tempo di transito dell elettrone dentro le placche. cui = L d d v v z t = q v d md Regime statico: v d =V d =cost v qvd = τ = md qv d da cui : S = mdv z l ll dva

17 Sensibilità del sistema di deflessione v z v z Regime dinamico BF v d =V d senωt con T=π / ω >>τ si ricade ne caso statico. Regime dinamico AF v d =V d senωt Si può dimostrare che: deve essere: s = S senωτ / ωτ / l ωτ << 1 da cui πf << v z l f 1 l qv m a << 1 limite in frequenza!

18 Deflesione massima Affinchè S risulti elevata deve essere d piccolo riducendo la deflessione massima. Soluzione OSCILLOSCOPIO ANALOGICO Sensibilità di deflessione: S = Ll dv a Sensibilità-luminosità Una riduzione di V a implica una bassa luminosità; Soluzione Sensibilità-frequenza Una placca con l grande implica che v d cambia durante il tempo di transito; Soluzione: placchette di deflessione distribuite in cui il campo di deflessione viene propagato alla stessa velocità con la quale viaggia l elettrone del fascio.

19 Schermo Nella parete terminale del CRT viene depositato un sottile strato di sostanze luminiscenti: mescolanze di zinco, ossidi e sali di zinco e cadmio, etc. Caratteristiche: Colore, persistenza, resistenza alle bruciature (strato di alluminio riflettente: aumento della resa luminosa);(fosfori: P31) Reticolo: serve per effettuare delle misure sulla forma d onda e di solito è tracciato sulla parte interna del vetro. Allineamento: sistema magnetico di rotazione della traccia.

20 K 1 Canale Y K K 3 v CRT v 1 v n v K 1 =v /v 1 ; K =v 1 /v ; K 3 =v /n Adattatore di impedenza K = K 1 K K 3 = fattore di deflessione Pre- Amplif. Fissato il più piccolo segnale da visualizzare in una divisione K, noto K 3, se K 1 =1 (condizioni di sensibilità massima) è possibile determinare il guadagno dell amplificatore: K = K /(K 1 K 3 ) Attenuatore: Il partitore compensato è costituito da un partitore resistivo regolabile utilizzato per adattare l intensità del segnale alle caratteristiche dei blocchi che seguono nel canale di deflessione verticale. Si usano pre-amplificatori e amplificatori a guadagno fisso e non regolabile perché questi garantiscono migliori prestazioni (banda, guadagno, ecc.) rispetto ai dispositivi a guadagno regolabile.

21 Canale Y: attenuatore compensato Schema di principio di un partitore compensato a tre livelli di attenuazione. A causa delle inevitabili capacità parassite ( C p1, C p, C p3 ) la funzione di trasferimento di un partitore reale non corrisponde con quella teorica (puramente reale e costante con la frequenza), pertanto è necessario compensare gli effetti parassiti mediante l uso di particolari condensatori regolabili (chiamati "compensatori") che vengono inseriti e regolati in sede di costruzione e taratura del partitore compensato. Se infatti si realizza la condizione: si ha:

22 Canale Y: progettazione di un attenuat. comp. Si vuole progettare un attenuatore in modo che il fattore di deflessione sia K =500mV/div, sapendo che l impedenza di ingresso dell adattatore di impedenza è pari a: R in =1MΩ, C in =5pF, e che K K 3 =10mV/div. Si definisce R =R //R in e C =C //C in Segue immediatamente che K 1 =50 e poiché K 1 =1+R 1 /R si ha: R 1 =49R. L impedenza di ingresso dell attenuatore deve coincidere con quella di ingresso del pre-amplificatore: R in =R 1 +R = R in =1MΩ; C in =C 3 +C 1 C /(C 1 +C )=C in =5pF da cui: R 1 =980kΩ e R =0kΩ, e quindi R =0.4kΩ. Fissata C =180pF (valore standard) si ha: C =C +C in =05pF; Dalla condizione R 1 C 1 =R C si ha: C 1 =4.81pF e quindi C 3 =0.9pF

23 Canale Y: Preamplificatore Il preamplificatore è un circuito amplificatore a guadagno fisso al fine di ottenere un guadagno costante in una banda estremamente ampia (dalla continua fino a molte decine o centinaia di MHz). Gli stadi amplificatori sono collegati in cascata con accoppiamento diretto per un duplice motivo: è necessario che la componente continua del segnale venga riportata in uscita, è possibile valutare l offset ed eventualmente annullarlo tutte le volte che lo si desidera agendo sul selettore di ingresso in modo da annullare il segnale di ingresso al circuito amplificatore (posizione GND del selettore). Canale Y: Amplificatore finale Lo scopo è quello di amplificare il segnale precedentemente adattato dal pre-amlificatore. Caratteristica principale: due uscite "bilanciate",cioè simmetriche rispetto alla massa. Questa caratteristica è indispensabile per evitare una distorsione dell immagine sullo schermo provocata dalla diversa sensibilità ai segnali positivi e negativi conseguente all alterazione della geometria del campo elettrico di deflessione. Con un potenziale di deflessione simmetrico le linee di forza del campo intersecano l asse del CRT senza dare origine a componenti assiali.

24 Base dei tempi Insieme di dispositivi che provvedono a generare un segnale che simula la variabile tempo. Dente di sega, lineare, ampiezza costante e durata regolabile. L avvio di ogni dente di sega deve avvenire in corrispondenza di istanti ben definiti, determinati dal segnale del canale Y (trigger interno) o da un altro segnale (trigger esterno, line). Lo scopo del selettore di sincronismo è quello di selezionare il segnale rispetto al quale si desidera sincronizzare la scansione dello schermo.

25 Base dei tempi

26 OSCILLOSCOPIO ANALOGICO Base dei tempi Il generatore di gate si comporta come un Trigger di Schmitt: se il segnale di ingresso < V1 allora l uscita commuta; la commutazione successiva si avrà quando l ingresso sarà > V. Durante il periodo di Hold-off si fa in modo che il livello del segnale di ingresso sia tale che anche in presenza di un impulso esso si mantenga < V1.

27 Base dei tempi MODALITA NORMAL Il segnale di trigger perviene al generatore di trigger, nel quale viene confrontato con un livello di continua regolabile (LEVEL); SLOPE Generatore di gate (Trigger di Schmitt): SGM L out del SGM pilota un generatore di rampa (integratore di Miller) ed il circuito di unblaking; La rampa viene mandata alle placchette X-X e al circuito di HO. Il circuito di HO (comp. + mult. monostabile): 1) interrompe la rampa quando questa ha raggiunto il valore prestabilito; ) rende il SGM insensibile ad altri impulsi di trigger (fino a nuovo ordine); appena la rampa eguaglia il livello di riferimento fa commutare il monostabile che fa cambiare stato all SGM e quindi fa precipitare la rampa. l impulso n.4 fa ripartire la rampa.

28 Base dei tempi Lo scopo del selettore di sincronismo è quello di selezionare il segnale rispetto al quale si desidera sincronizzare la spazzolata dello schermo: esso può essere lo stesso segnale da visualizzare sullo schermo oppure un segnale esterno o la tensione di rete e di ciascuno di essi si utilizza l intero segnale oppure la sola componente alternativa. Amplificatore di ingresso del trigger Lo scopo dell amplificatore di ingresso del trigger è quello di individuare il ripetersi di un particolare evento nel segnale fornito dal selettore di sincronismo già trattato. Ciò che si cerca di individuare è l attraversamento, da parte del segnale utilizzato, di un livello di tensione (level) durante un ramo ascendente o discendente della forma d onda (comando "slope"). Se il generatore del trigger viene attivato dal fronte di salita del segnale a lui applicato ed il commutatore slope è nella posizione indicata è l attraversamento della tensione di level che porta il segnale in uscita dal selettore di sincronismo ad essere maggiore del level ad essere rilevato.

29 Base dei tempi Generatore del trigger Rampa<E i 1 0 E i E S

30 Base dei tempi Generatore del trigger Rampa<E i 1 0 e parte la rampa E i E S

31 Base dei tempi Generatore del trigger Rampa>E i Rampa<E S 0,1 0 0 e la rampa evolve E S E i

32 Base dei tempi Generatore del trigger Rampa>E S 0,1 0 1 e la rampa descresce E S E i

33 Base dei tempi Generatore del trigger Il generatore del trigger ha lo scopo di generare la rampa che pilota la deflessione orizzontale e sincronizzarla con il segnale selezionato dal selettore di sincronismo. Lo stadio di ingresso del generatore del trigger è costituito da un derivatore/raddrizzatore che fornisce un impulso positivo tutte le volte che l uscita dell amplificatore di sincronismo presenta un fronte di salita. Se la tensione della rampa che pilota la deflessione orizzontale è minore di una soglia stabilita Ei l impulso del derivatore/raddrizzatore "resetta" il flip-flop determinando inizio della rampa ascendente. Non appena la tensione di rampa supera la soglia superiore Es l uscita del relativo comparatore "setta" il flip-flop, il FET entra in conduzione e scarica il condensatore presente nel ramo di retroazione dell amplificatore operazionale. Quando la tensione residua sul condensatore è ritornata ad essere inferiore a Ei l oscilloscopio è pronto per dare inizio ad una nuova spazzolata in corrispondenza del successivo impulso di trigger.

34 Base dei tempi MODALITA AUTO Il segnale di trigger perviene al generatore di trigger, nel quale viene confrontato con un livello di continua regolabile (LEVEL). In modalità NORMAL se il livello di riferimento è errato (o altro) il dente di sega non parte perché il generatore di gate non è sollecitato. In modalità AUTO appena una rampa è terminata il generatore di gate è sollecitato con un altro impulso e quindi si genera un altra rampa: funzionamento come astabile. MODALITA SINGLE SWEEP In modalità SINGLE SWEEP il monostabile del circuito di HO è trasformato in un bistabile, per cui appena un rampa è terminata il generatore di gate è tenuto alto fino a quando non viene resettato manualmente. Base dei tempi ritardata

35 Traccia Multipla Funzionamento in modo alternated prevede il succedersi alternato di spazzolate dello schermo relative ai due segnali: questo modo viene detto "modo alternated" ed utilizza un selettore che viene fatto commutare a frequenza relativamente bassa (una commutazione per ciascuna spazzolata). Si deve notare che è venuto meno il legame di fase che intercorreva fra i segnali originali. Questa perdita di informazioni rappresenta il principale difetto del modo alternated e, vedremo, non è presente nell altra soluzione adottata per realizzare un oscilloscopio a doppia traccia. All aspetto negativo costituito dalla alterazione nella fase relativa dei due segnali sopra ricordata si oppongono due caratteristiche positive: in primo luogo è possibile vedere ferme sullo schermo entrambe le forme d onda anche se queste non dovessero avere lo stesso periodo in secondo luogo la frequenza di commutazione dl selettore è relativamente bassa e permette di visualizzare senza alterazioni anche segnali ad alta frequenza.

36 Traccia Multipla Funzionamento in modo chopped Nel "modo chopped" non si hanno più spazzolate che si succedono alternando il tracciamento completo dei due segnali, ma entro ciascuna spazzolata dello schermo il selettore viene fatto commutare a frequenza relativamente alta: ciascun segnale viene quindi riportato sullo schermo per un breve tratto. In questo caso il legame di fase che intercorreva fra i segnali originali è stato conservato, a differenza di quanto accadeva nel modo alternated. Per contro si hanno altri aspetti negativi: in primo luogo non è possibile vedere ferme sullo schermo entrambe le forme d onda se queste non hanno lo stesso periodo in secondo luogo la frequenza di commutazione da imporre al selettore è relativamente più alta della frequenza di scansione e limita il valore massimo di quest ultima impedendo la visualizzazione dei segnali aventi le frequenze più alte. Date le diverse caratteristiche dei due modi "alternated" e "chopped" è normale che l operatore possa scegliere quello più indicato allo specifico caso mediante un comando presente nel pannello frontale dello strumento.

37 Cause di incertezza Il circuito di condizionamento del segnale di ingresso può introdurre alterazioni al segnale sia per quanto riguarda l'ampiezza (errore di modulo), sia per quanto riguarda la fase relativa delle varie armoniche. L'amplificatore finale ed il dispositivo di deflessione possono introdurre ulteriori alterazioni determinando un errato posizionamento della traccia sullo schermo. Lo spessore della traccia luminosa non è infinitesimo a causa della non perfetta focalizzazione e del fatto che l'energia scaricata dall'urto degli elettroni si distribuisce anche agli atomi vicini a quelli effettivamente colpiti. Es. Possiamo stimare in alcuni (4) decimi di millimetro la larghezza della traccia per cui, dato che la dimensione dello schermo è di 10 cm, si ha una incertezza percentuale di: I 10 cm dello schermo vengono solitamente utilizzati per rappresentare segnali alternati: il valore della incertezza di fatto raddoppia. La determinazione della posizione della traccia si compie tramite una scala in cui sono riportate le divisioni che rappresentano 1/40 della dimensione dello schermo. Anche se un operatore ben addestrato può apprezzare 1/5 di divisione, l incertezza "di quantizzazione nella lettura" risulta del 1/00. errore "di parallasse"

38 I parametri che identificano la qualità di un oscilloscopio analogico sono: la banda; la sensibilità. E infatti possibile definire una figura di merito: rapporto banda/fattore di deflessione min. Inoltre ai fini della valutazione della banda è utile la seguente relazione: B 3dB t s = con t s tempo di salita equivalente: t = ( t + s s t, ampl s, CRT )

39 Misure di fase con l oscilloscopio Si supponga di inviare ai canali X ed Y dell oscilloscopio due segnali iso-frequenziali sfasati di un angolo φ: X=Bsen(ωt) Y=Bsen(ωt +φ) In modalità XY si osserveranno le seguenti figure di Lissajous: B Y A se ϕ < 90 ϕ = arcsen B π se ϕ > 90 ϕ = + arcsen A B A X

40 Misure di frequenza con l oscilloscopio Si supponga di inviare ai canali X ed Y dell oscilloscopio due segnali con frequenza differente, un segnale campione ed uno incognito. X=x M sen(ω x t) segnale campione Y= M sen(ω t) segnale incognito In modalità XY si osserveranno le seguenti figure di Lissajous: f x /f = n /n x n = numero di punti di tangenza con l asse Y n x = numero di punti di tangenza con l asse X

41 Misure di frequenza con l oscilloscopio: modulazione dell asse Z Si invia il segnale con frequenza incognita (f x ) ad un circuito RC per ottenere un segnale isofrequenziale sfasato di un certo angolo φ. Il segnale originale e quello sfasato si inviano ai due canali dell oscilloscopio. In modalità XY verrà visualizzata un ellisse (figura di Lissajous). Si invia un segnale campione (onda quadra con frequenza f c all asse Z). Durante i semiperiodi positivi della forma d onda il pennello elettronico verrà inibito. Si osserverà l ellisse a tratti (n) alternativamente illuminati e non. Si può dimostrare che: f x = f c /n