L Oscilloscopio Analogico Principio di funzionamento e informazioni

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1 L Oscilloscopio Analogico Principio di funzionamento e informazioni pagina 1

2 INDICE Generalità pag 2 Il tubo a raggi catodici pag 2 Catodo pag 3 Griglia di controllo pag 4 Cannone elettronico pag 4 Placchette di deflessione pag 4 Schermo pag 5 Sistema di deflessione pag 6 Da cosa dipende la deflessione pag 7 Sensibilità di deflessione pag 8 Modalità X / Y pag 8 Spostamento asse Y pag 9 Spostamento asse X pag 10 Modalità X / Y con segnale alternato pag 11 Modalità base dei tempi pag 11 Circuito di sincronismo pag 13 Circuito di trigger pag 14 Visualizzazione a doppia traccia pag 15 Funzionamento AC DC pag 17 pagina 2

3 Generalità L oscilloscopio è uno strumento che permette la visualizzazione attraverso un'immagine bidimensionale di un segnale elettrico variabile nel tempo e la loro misura. Per poter fare questo esso è dotato di un tubo a raggi catodici il quale permette la visualizzazione dei segnai o più semplicemente delle tensioni che vengono inserite nelle boccole di ingresso dell oscilloscopio. Nel caso di segnali periodici è quindi possibile visualizzare la forma dell'onda, rilevando così l'ampiezza, la frequenza ed il periodo del segnale stesso, oppure, se l'oscilloscopio è a doppia traccia,cioè permette la visualizzazione di due segnali contemporaneamente, può confrontare due segnali evidenziandone anche lo sfasamento. Esteriormente l oscilloscopio in genere si presenta come una struttura parallelepipeda suddivisa in due parti: schermo e sezione comandi. Il tubo a raggi catodici Il tubo a raggi catodici è formato da un'ampolla di vetro, a vuoto spinto o ad alto vuoto, avente la forma di un cono a base sferica, munito di un collo cilindrico entro il quale sono sistemati gli organi essenziali dello strumento. Il principio di funzionamento per la visualizzazione di un solo segnale consiste nel disporre di un fascio di elettroni (raggi catodici) al quale vengono impresse due deviazioni imposte dal sistema di deflessione verticale e da quello orizzontale; la prima deviazione (verticale) viene provocata direttamente dal segnale elettrico da registrare di cui ricopia fedelmente le variazioni, la seconda deviazione (orizzontale) è provocata da un segnale elettrico periodico ausiliario che serve a fornire la misura dei tempi (questo segnale è generato dalla base dei tempi). pagina 3

4 Figura 1 Come si può osservare esso è composto da un catodo, da una griglia, da un cannone elettronico, da un sistema di placchette di deflessione e da uno schermo. CATODO Il filamento riscaldante Fil, percorso da corrente continua, riscalda per irraggiamento il catodo realizzato in nichel o tungsteno e ricoperto di ossidi. A causa del riscaldamento subito, gli elettroni contenuti negli ossidi si liberano ed abbandonano disordinatamente il catodo producendo la nube elettronica N. GRIGLIA DI CONTROLLO Figura 2 La griglia di controllo lascia passare un certo numero di elettroni attraverso un foro. Siccome tale griglia è tenuta ad un potenziale negativo rispetto al catodo, aumentando la d.d.p. tra griglia e catodo aumenta il numero di elettroni respinti verso il catodo e diminuisce il numero di elettroni che passano attraverso la griglia e di conseguenza l'intensità luminosa della traccia sullo schermo. pagina 4

5 Figura 3 CANNONE ELETRONICO ( figura 1 ) Dopo la griglia di controllo gli elettroni che non vengono respinti da essa vengono catturati, accelerati e focalizzati da un sistema che prende il nome di cannone o fucile elettronico. PLACCHETTE DI DEFLESSIONE ( figura1 ) Proseguendo nel loro cammino, gli elettroni che costituiscono il fascio catodico passano attraverso le placche di deflessione verticale Y 1 -Y 2 e le placche di deflessione orizzontale X 1 -X 2. Alle placche di deflessione verticale è applicato il segnale (tensione) da visualizzare, alle placche di deflessione orizzontale è applicata una tensione periodica a dente di sega di opportuno periodo. La tensione applicata a ciascuna coppia di placche determina un campo elettrico che agisce sul fascio catodico deviandolo : le placche Y 1 -Y 2 determinano una deviazione verticale, le placche X 1 -X 2 determinano una deviazione orizzontale. La deviazione orizzontale essendo causata dal segnale a dente di sega sarà proporzionale al tempo, mentre la deviazione verticale sarà proporzionale al valore istantaneo del segnale da visualizzare. LO SCHERMO A questo punto, essendo l'energia cinetica posseduta dagli elettroni sufficiente, il fascio catodico colpirà lo schermo fluorescente (ovvero trattato con sostanze a base di fosforo) e determinerà un'emissione luminosa più o meno persistente nei punti colpiti.lo schermo dell oscilloscopio, al suo interno, è fatto da fosfori la cui proprietà è quella di emettere luce se sono colpiti da elettroni con adeguate velocità e intensità. Un altra importante proprietà è quella di mantenere l energia che gli viene fornita tramite gli elettroni per un certo periodo di tempo che, se pur molto piccolo, permette al fascetto elettronico di compiere il suo percorso e di ripassare sui punti colpiti precedentemente in modo che all occhio umano compaia la figura fissa di un segnale. La durata di questo fenomeno dipende dalla cosiddetta persistenza dei fosfori (10-5s per il tipo verde: 10-4s per il tipo blu).lo schermo e suddiviso in quattro quadranti delimitati da due assi cartesiani l asse X e l asse Y. Ogni quadrante è suddiviso in quadretti di 1 cm quadrato, quattro verticalmente e cinque orizzontalmente; a loro volta i quadretti hanno delle suddivisioni per permettere a chi sta analizzando il segnale di poterlo misurare. pagina 5

6 Figura 4 Sistema di deflessione Nel tubo catodico sono presenti due sistemi i quali prendono il nome di sistema di deflessione verticale e sistema di deflessione orizzontale.per rendere l'immagine persistente, questa deve essere costantemente rinfrescata, ovvero i fosfori devono essere colpiti in modo continuativo. Il sistema di deflessione ha quindi il fondamentale compito di deviare il cammino del fascetto elettrico permettendogli di colpire un qualsiasi punto dello schermo.nella figura 5 le placche deflettrici sono lunghe e centimetri e distanti d centimetri. La differenza di potenziale acceleratore del cannone elettronico e' Va, mentre, la differenza di potenziale deflettore applicata alle placche orizzontali deflettrici e' Vd. Lo schermo fluorescente e' distante R centimetri dal punto centrale della regione fra le placche deflettrici. Il fascio, deviato di un angolo φ dalla sua direzione iniziale, colpisce lo schermo in un punto che si trova ad una distanza S dal punto centrale dello schermo. pagina 6

7 Figura 5 DA COSA DIPENDE LA DEFLESSIONE Dalla velocità del fascio di elettroni Dalla dimensione delle placchette, cioè dal campo elettrico Dalla tensione del generatore Figura 6 V = tensione da applicare per avere lo spostamento di un quadretto K = sensibilità di deflessione In realtà le placchette deflettici non sono come vengono rappresentate nei disegni, ma sono leggermente incurvate alle estremità per evitare che il fascetto elettronico entri in contatto con esse quando viene deviato. pagina 7

8 Figura 7 SENSIBILITA DI DEFLESSIONE Per far deviare il fascetto elettronico è necessario applicare alle placche deflettici una tensione in modo da creare un campo elettrico tra di esse. Per la visualizzazione di un segnale, questo deve essere applicato al sistema di deflessione verticale la cui sensibilità potrebbe essere limitata per tensioni del segnale troppo alte o troppo basse.e per questo motivo che nell oscillocscopio tra placchette di deflessione e ingresso del segnale è interposto un amplificatore / divisore che permette di visualizzare sempre i valori sullo schermo e regolabile tramite un apposito comando. Figura 8 MODALITA X/Y Tale modalità consiste nell applicare ad entrambi o solo ad uno dei canali A e B delle tensioni sia in corrente continua che in alternata ; l effetto che si produce sullo schermo è quello di vedere il puntino luminoso detto anche (spot) che, nel primo caso, si sposta in un certo punto dello schermo determinato dalle tensioni applicate e dalla sensibilità scelta sul canale corrispondente. Nel secondo caso, invece, si potrà notare lo spot che si sposta in continuazione e se viene applicato solo un segnale pagina 8

9 l effetto che si ottiene è quello di vedere il punto luminoso spostarsi avanti e indietro su una linea retta o, se la frequenza del segnale è elevata si vedrà sullo schermo solo una linea. Come indicato in figura vi sono due coppie di placchette, la prima per la deflessione verticale, la seconda per la deflessione orizzontale. In assenza di potenziali elettrici applicati alle placchette, sullo schermo si forma un punto luminoso (spot) esattamente nel centro. SPOSTAMENTO SULL ASSE Y Figura 9 Applicando una differenza di potenziale costante tra le placchette verticali Y1eY2, lo spot si sposta verso l'alto o verso il basso a seconda del segno della tensione applicata (gli elettroni sono cariche negative e vengono deviati verso la placchetta a potenziale positivo); L esempio riportato di seguito ha come caratteristiche: Sensibilità di deflessione 1V per quadretto (per ogni volt applicato lo spot si sposta di un quadretto ) Tensione applicata alle placchette: ( 3V ) SPOSTAMENTO SULL ASSE X Figura 10 in modo analogo, applicando una differenza di potenziale tra le placchette orizzontali X, lo spot si sposta verso destra o verso sinistra a seconda del segno della tensione applicata pagina 9

10 L esempio riportato di seguito ha come caratteristiche: Sensibilità di deflessione 5V per quadretto Tensione applicata alle placchette: ( 20V ) Figura 11 In modalità xy è anche possibile applicare ad entrambi i sistemi di deflessione delle tensioni in modo da ottenere uno spostamento sull asse delle ordinate e uno su quello delle ascisse.i valori dell esempio sono quelli usati in figura 10 e 11. Figura 12 MODALITA XY CON SEGNALE ALTERNATO Applicando un segnale periodico ad uno dei due sistemi di deflessione si potrà notare lo spot che percorre lo schermo lungo una linea retta seguendo la tensione del segnale applicato.il punto luminoso sullo schermo andrà tanto veloce quanto è la frequenza del segnale e se questa è sufficientemente elevata, sullo schermo ci apparirà una linea retta come nell esempio. pagina 10

11 Figura 13 Supponendo la sensibilità di deflessione pari a 2Volt per quadretto, il segnale E ha un valore piccopicco di 8V in pratica EVpp = 8V. MODALITA BASE DEI TEMPI In questa modalità è possibile la visualizzazione di un segnale periodico.il segnale che deve essere visualizzato è collegato al sistema di deflessione verticale, cioè Y1-Y2, mentre al sistema di deflessione orizzontale X1-X2 è collegata la base dei tempi. La base dei tempi è il tempo su cui varia il periodo del dente di sega. Quest ultimo è un segnale periodico generato da un dispositivo interno all oscilloscopio, la cui caratteristica è quella di variare linearmente da V a +V in modo costante per poi ritornare a V in un tempo idealmente uguale a zero. Il suo periodo è controllato dalla base dei tempi e può essere regolato attraverso un comando presente sull oscilloscopio. +V schermo -V t -v 0 +v Figura 14 In figura 14 è rappresentato il segnale a dente di sega e ciò che provoca sullo schermo se applicato singolarmente.se la frequenza del segnale è bassa si può vedere lo spot che si muove lentamente da v a +v; una volta arrivato a +v, in tempo idealmente uguale a zero, ma in realtà così piccolo da poter essere trascurato, torna al valore v e va verso il valore +v. Il movimento che fa lo spot sullo schermo si dice spazzolamento perché va sempre da sinistra verso destra (per chi guarda lo schermo). Tutti gli oscilloscopi danno la possibilità di escludere la base dei tempi, scollegando il generatore di dente di sega dalle placchette X: effettuando tale operazione lo spot resta bloccato. pagina 11

12 Applichiamo alle placchette Y la tensione esterna che si desidera visualizzare: poiche lo spot è costretto a seguire contemporaneamente i movimenti orizzontali imposti dal dente di sega (proporzionali al tempo) ed anche quelli verticali imposti dal segnale esterno, sullo schermo viene tracciata una curva che riproduce fedelmente l'andamento temporale di tale segnale. Si ottiene cioè la rappresentazione cartesiana con la variabile tempo in ascisse e la variabile tensione in ordinate: sullo schermo viene tracciata la funzione che esprime la legge del segnale in esame.risulta evidente che se il periodo del segnale a dente di sega è uguale al periodo del segnale in prova si visualizzerà un'intera onda di quest'ultimo, se il periodo del segnale a dente di sega è doppio del periodo del segnale in prova si visualizzeranno due onde di quest'ultimo, eccetera. Questa condizione è vera, però, solo se il segnale in prova è sincronizzato col segnale a dente di sega cioè i due segnali hanno origine nello stesso istante di tempo per tutti i periodi di entrambi i segnali. Circuito di sincronismo A questo punto sorge un problema: quando il fascettto elettronico ritorna all'estremità, sinistra dello schermo occorre che lo spot si trovi nella stessa posizione con cui aveva iniziato la traccia precedente; soltanto in tal caso, allora, la seconda traccia (e tutte le successive) si sovrapporranno riproducendo un'immagine fissa sullo schermo. Nasce quindi la necessità di sincronizzare l'inizio del dente di sega (salita) con un prefissato istante del periodo del segnale da analizzare. Osservando la Fig. 15 a pagina seguente notiamo che la rampa del dente di sega parte ad un istante t0 e termina all'istante t1: in corrispondenza la traccia inizia nel punto A del segnale sinusoidale e termina nel punto B. Come già detto, l'intervallo t1-t0 si chiama intervallo di scansione. Ora la tensione del dente di sega discende rapidamente al valore iniziale in un tempo t2-t1 chiamato intervallo di ritorno: questo è infatti il tempo impiegato dallo spot per tornare all'estremità sinistra dello schermo. La traccia di ritorno, detta anche ritraccia, porta dunque lo spot nella posizione C: se la rampa successiva del dente di sega ripartisse immediatamente, la traccia non risulterebbe, ovviamente, sovrapposta alla precedente in quanto il nuovo oscillogramma partirebbe dal punto C anziche da quello A. E' allora necessario introdurre un intervallo di attesa (t2-t3) per dar modo allo spot di riassumere la posizione iniziale A realizzando così il perfetto sincronismo tra la tensione da esaminare applicata alle placchette Y e la tensione a dente di sega applicata alle placchette X. pagina 12

13 Figura 15 In questo modo lo spot passa sempre per gli stessi punti sullo schermo e perciò viene visualizzata la vera caratteristica del segnale; non come si avverrebbe in assenza di sincronismo. Il periodo del segnale a dente di sega può essere regolato attraverso un comando chiamato TIME/DIV sul fronte dell oscilloscopio e si può anche scegliere il punto di aggancio del segnale (il punto A in fig. 15). CIRCUITO DI TRIGGER Il circuito che provvede a tutto ciò si chiama circuito di TRIGGER: esso dà anche la possibilità di fare iniziare la traccia in un qualsiasi punto del segnale da esaminare, in corrispondenza di un livello, positivo o negativo, detto livello di trigger, regolabile tramite la manopola TRIGGER LEVEL. Il punto di partenza può essere selezionato sia sul tratto ascendente del segnale che su quello discendente, agendo su un apposito comando indicato sul pannello con SLOPE+ e SLOPE-.In Fig. 15 è riportato l'esempio di un livello di trigger positivo con partenza sul tratto ascendente del segnale: gli impulsi di trigger sono prodotti dal circuito di trigger in corrispondenza degli attraversamenti del livello da parte del segnale; tali impulsi comandano la partenza del dente di sega. Osserviamo che la sorgente di trigger può essere costituita dallo stesso segnale da visualizzare, come nell esempio, oppure fornita dall'esterno (EXT TRIG). pagina 13

14 Figura 16 Visualizzazione a doppia traccia Figura 17 Gli oscilloscopi permettono anche la visualizzazione di due tracce contemporaneamente e lo fanno o attraverso un doppio sistema di defl. verticale, o con l inserimento di due deviatori D1 e D2 come in fig.17. In questo modo sul canale orizzontale attraverso D2 può rimanere collegata la base dei tempi come per la visualizzazione di un solo segnale, mentre sul canale verticale, attraverso D1, è possibile la visualizzazione di un segnale o dell altro secondo la posizione assunta dal deviatore. La doppia traccia è ottenibile in due modi: con funzionamento CHOPPED e con funzionamento ALTERNATE. Col primo sistema il deviatore D1 si sposta da un amplificatore all altro con una certa frequenza sempre costante in modo che il fascetto elettronico traccia alternativamente tratti d immagine relativi ai due canali Ch1 e Ch2. Col secondo sistema il deviatore D1 si sposta da un amplificatore all altro con una frequenza pari al periodo del dente di sega che ovviamente è comune ad entrambi i segnali in modo che il fascetto elettronico traccia in sequenza prima l'intera immagine relativa al canale Ch1 e poi quella relativa al canale Ch2. pagina 14

15 Figura 18 Ciascun metodo presenta un inconveniente dipendente dalla frequenza del segnale da esaminare: in alta frequenza lo spezzettamento dell'immagine causata dal chopped risulta evidente e i segnali risultano deformati; in bassa frequenza, essendo necessario impostare tempi di scansione lenti, la persistenza dei fosfori non è più sufficiente ad assicurare la contemporanea visione delle tracce in modo alternate. L'oscilloscopio viene dunque fatto lavorare in modo choppered quando si utilizzano tempi di scansione lenti mentre viene fatto lavorare in modo alternato con tempi di scansione veloci. Funzionamento AC DC Ad entrambi gli ingressi dell oscilloscopio è applicato un particolare circuito che permette di arrivare all Amplificatore attraverso un sistema di accoppiamento che può modificare sostanzialmente la visualizzazione. Questo circuito, realizzato come in figura 19, ha lo scopo di visualizzare il segnale con o senza la sua componente continua, ovvero ottenere un segnale con valore medio uguale o pari a zero. E molto importante verificare la posizione del selettore di ingresso prima di una qualsiasi misura, altrimenti si rischiano grossi errori di valutazione; nella maggior parte dei casi il selettore viene posto nella posizione DC ottenendo così una visualizzazione di tutte le componenti del segnale Figura 19 pagina 15

16 Se l ingresso dell amplificatore è collegato ad AC, tra ingresso e amplificatore è come interporre un filtro cr il quale non fa passare la componente continua del segnale in egresso. Invece se si posiziona il deviatore su DC in ingresso si avrà il segnale senza alcuna modifica. Dalla figura si può notare che il morsetto GND porta a massa il segnale e quindi sullo schermo non si avranno effetti. Elenco dei comandi area dei controlli generali : POWER, interruttore di accensione ON e spegnimento OFF. INTENS, regolazione dell'intensità luminosa della traccia. FOCUS, regolazione della messa a fuoco del fascio catodico. CAL., uscita del calibratore (si tratta di un segnale ad onda quadra di ampiezza 1 [V] e frequenza 1 [KHz]). GND, è il morsetto di massa (ground). area di selezione del modo di funzionamento MODE : A, funziona il solo canale 1. B, funziona il solo canale 2. ALT, funzionamento in doppia traccia in modalità ALTERNATE, da usarsi per segnali di frequenza superiore a 30 [KHz]. CHOP, funzionamento in doppia traccia in modalità CHOPPED, da usarsi per segnali di frequenza inferiore a 500 [Hz]. area dei controlli relativi al canale 1, denominata A or Y : INPUT, connettore ingresso segnale (del tipo BNC). AC-GND-DC, commutatore che in posizione AC permette di eliminare l'eventuale componente continua in ingresso, in posizione GND elimina totalmente il segnale dall'ingresso, in posizione DC visualizza l'intero segnale in ingresso. AMPL / DIV, attenuatore del canale verticale. pagina 16

17 POSITION, controllo della posizione verticale. area dei controlli relativi al canale 2, denominata B or X : analoga a A or Y. area di controllo della base dei tempi : TIME/DIV, controlla la velocità di scansione orizzontale e quindi permette di variare la scala dell'asse orizzontale. Dispone di una posizione X-Y che esclude il generatore interno di rampa e permette il funzionamento XY nel quale il canale A controlla la deflessione verticale, mentre il canale B controlla la deflessione orizzontale. POSITION, controllo della posizione orizzontale. area di controllo del trigger, denominata TRIGGERING : LEVEL, regola il livello del segnale d'ingresso in coincidenza del quale deve iniziare la rampa della base dei tempi (permette di migliorare la visualizzazione). AUTO, tirando la manopola del comando LEVEL si attiva il funzionamento automatico. HOLD-OFF, consente di variare la durata dell'intervallo tra una rampa e la successiva, è utile per stabilizzare l'immagine di particolari segnali. SLOPE, permette di selezionare il fronte positivo o negativo del segnale d'ingresso. SOURCE, permette di selezionare da dove prelevare il segnale di trigger. EXT, ingresso per il segnale di trigger esterno. pagina 17