Parte III L oscilloscopio

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1 L oscilloscopio consente di osservare l andamento di una grandezza (Y) che varia in funzione di un altra (X). Possono essere visualizzate grandezze periodiche (anche non sinusoidali). Con particolari accorgimenti costruttivi (metodi fotografici o a memoria) è possibile visualizzare anche fenomeni transitori Le potenzialità dell oscilloscopio derivano dall utilizzo del Tubo a raggi catodici (CRT) come elemento di visualizzazione: l equipaggio mobile un fascio di elettroni, con massa talmente piccola da consentire l osservazione di variazioni rapide (10-10 s). Opportuni trasduttori consentono di visualizzare praticamente qualsiasi segnale, trasformandolo in una tensione ad esso proporzionale

2 Principio di funzionamento Mediante un opportuno sistema viene generato all interno del CRT un fascio di elettroni che, accelerato su uno schermo, sollecita delle sostanze (fosfori) in grado di emettere segnali luminosi e traccia l andamento del segnale da analizzare. Infatti, le due grandezze X ed Y generano due tensioni V dx e V dy, che pilotano un sistema di deflessione attoaspostarelatracciasulloschermo concordemente al loro andamento.

3 Principio di funzionamento Se si vuole visualizzare una grandezza Y in funzione di un altra grandezza X (funzionamento XY) ènecessario disporre di due tensioni proporzionali a Y e X: v y =H y Y v x =H x X Per adattare l ampiezza dei segnali ai canali di ingresso dell oscilloscopio ai livelli richiesti dal sistema di deflessione è necessario utilizzare degli opportuni blocchi di condizionamento. Si ottiene quindi: v dy =K y v y v dx =K x v x dove K y, K x sono le costanti dei canali. v y v x Canale Y Canale X v dy CRT V x =0 v dx V y =0

4 Principio di funzionamento E possibile anche visualizzare l evoluzione temporale di una grandezza Y in funzione del tempo t (funzionamento con base dei tempi). Se, ad esempio, il segnale Y è una sinusoide si ha: v dy =K y v y = K y v y sin( t) e v dx =K x t Componendo le due espressioni si ricava: v dy =K y v y = K y v y sin( v dx /K x ) v dx deve assumere un range di valori che garantiscano la scansione di tutto lo schermo. Al fine di garantire la persistenza dell immagine si utilizza un dente di sega. Cambiando l inclinazione della rampa è possibile scegliere l intervallo della forma d onda che si vuole visualizzare.

5 Principio di funzionamento 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; l tempo di ritorno; il tempo di ripristino. Stabilità dell immagine: affinché l immagine sia stabile deve essere: f segnale =K f dente_di_sega Tale condizione è difficile da garantire, quindi si fa in modo che il segnale di ingresso comandi l inizio del dente di sega (oscilloscopi triggerati).

6 Principio di funzionamento Il CRT è un tubo a vuoto ed è costituito dai seguenti blocchi: Cannone elettronico: provvede a generare, accelerare e focalizzare un fascio di elettroni Sistema di deflessione: defletteilfascioinbaseall 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.

7 Il CRT: il cannone elettronico Il cannone elettronico serve a generare e focalizzare il fascio di elettroni. Esso comprende: Il catodo di nichel con superficie emittente rivestita di ossidi di bario e stronzio, riscaldato da un filamento, emette gli elettroni. Griglia di controllo: controlla il flusso di elettroni (lo sblocco (unblanking) del fascio si ottiene inviando impulso positivo di sblocco sulla griglia) e quindi la luminosità. 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.

8 Il CRT: il potenziale di accelerazione La elevata differenza di potenziale (alcuni kilovolt) che esiste fra il catodo e lo schermo del CRT crea il campo elettrico assiale del CRT che impone una accelerazione agli elettroni e li proietta verso lo schermo. Per questo motivo la differenza di potenziale ( indicata con V a )fracatodoe schermo viene chiamata "potenziale acceleratore". Gli elettroni che superano la griglia di controllo continuano ad accelerare ed acquistano una velocità assiale v z (con cui andranno ad urtare lo schermo). Supponendo che l energia potenziale fornita dal potenziale acceleratore si trasformi interamente in energia cinetica si ha: qv v a m a 1 mv a 2qVa m m o v / c 2 a

9 Il CRT: la lente focalizzatrice La lente focalizzatrice: serve ad accelerare il fascio elettronico, in modo che esso non si allarghi ad opera del potere respingente degli elettroni. Essa è costituita da 3 anodi che formano 3 lenti: 1 anodo o preacceleratore; anodo focalizzatore: regolazione del fuoco 2 anodo o acceleratore.

10 Il CRT: il sistema di deflessione In mancanza di qualsiasi azione sugli elettroni, il fascio generato nel cannone è ben focalizzato al centro dello schermo dove appare un piccola macchia luminosa (spot). Il sistema di deflessione serve ad indirizzare il fascio elettronico su un punto preciso dello schermo. Esso è costituito da due coppie di elettrodi (x o orizzontale e y o verticale) noti come di placche di deflessione.

11 Il CRT: traiettoria dell elettrone Per effetto del potenziale acceleratore gli elettroni transitano nello spazio interessato dall azione delle placche in un tempo t l v a Durante tale intervallo gli elettroni sono soggetti a un campo uniforme trasversale che vale V/d e quindi un accelerazione pari a a F m ev d 1 m

12 Il CRT: traiettoria dell elettrone Essi acquistano, allora, una velocità v t, normale alla traiettoria iniziale pari a: v t at evl mdv Nella traiettoria successiva gli elettroni proseguono con un moto rettilineo uniforme. Deve allora valere: a D M L v a v t e mv ll V d 2 a ll 2dV a V

13 Il CRT: sensibilità del sistema di deflessione La deviazione sullo schermo risulta quindi proporzionale alla tensione applicata alle placche di deflessione, secondo un fattore che dipende dalle dimensioni geometriche del tubo ed è inversamente proporzionale alla tensione di accelerazione. Si introducono allora i fattori D y =S y V dy D x =S x V dx D x ed y sono i tratti di cui si muove il pennello ad opera delle V dy ev dx. S x ed S y sono le sensibilità di deflessione orizzontale e verticale [div/v]. La quantità 1/S viene detta fattore di deflessione [V/div]

14 Il canale Y Il segnale da applicare alle placche di deflessione viene prodotto utilizzando un partitore compensato. Esso è costituito da un partitore resistivo regolabile, utilizzato per adattare la intensità del segnale alle caratteristiche dei blocchi che seguono nel canale di deflessione verticale. Si usano infatti pre-amplificatori e amplificatori a guadagno fisso e non regolabile perché questi garantiscono migliori prestazioni (banda, guadagno, ecc.) rispetto ai dispositivi a guadagno regolabile.

15 La gestione del canale Y Con un oscilloscopio è possibile visualizzare contemporaneamente due grandezze sull asse Y, in funzione del tempo (oscilloscopio a doppia traccia). Ciò è utile per effettuare confronti di fase e/o di ampiezza. Sono pochi tuttavia gli oscilloscopi che hanno due sistemi di deflessione dedicati ai due segnali. E necessario pertanto gestire pertanto il sistema di deflessione verticale in modo da consentire la visualizzazione dei due segnali: Funzionamento alternate Funzionamento chopped 15

16 Alternate Viene fornita la rappresentazione di uno dei due segnali durante un esplorazione del dente di sega e dell altro durante l esplorazione successiva. I due segnali vengono visualizzati alternativamente sullo schermo. 16

17 Chopped I due segnali vengono connessi alternativamente alla parte finale del canale Y e quindi alle placche di deflessione verticalicomunipertempi molto brevi (qualche centinaio di kilohertz). 17

18 La base dei tempi E l insieme dei dispositivi che provvedono a generare un segnale che simula la variabile tempo. Viene generato un segnale a dente di sega, lineare, di ampiezza costante e durata regolabile. L avvio di ogni dente di sega deve avvenire in corrispondenza di un istante ben definito, determinato dal segnale del canale Y (trigger interno) o da un altro segnale (trigger esterno, line).

19 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. L'amplificatore finale ed il dispositivo di deflessione possono introdurre un errato posizionamento della traccia sullo schermo. Lo spessore della traccia luminosa è non infinitesimo a causa dell errore di focalizzazione e del trasferiemnto di energia tra atomi vicini. 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 il 1/40 della dimensione dello schermo. Anche se un operatore ben addestrato possa apprezzare 1/5 di divisione, l incertezza "di quantizzazione nella lettura" risulta del 1/200. errore "di parallasse"

20 Qualità di un oscilloscopio analogico 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 s (t 2 s,ampl t 2 s, CRT )