Oscilloscopi. Corso di Misure Elettriche

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1 Oscilloscopi Corso di Misure Elettriche Piero Malcovati Dipartimento di Ingegneria Industriale e dell Informazione Università di Pavia piero.malcovati@unipv.it Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 1/44

2 Indice 1 Generalità 2 Tubo a Raggi Catodici Cannone Elettronico Placchette di Deflessione Schermo 3 Base dei Tempi Modalità Triggered Modalità Auto Modalità Single-Sweep 4 Canale Verticale (Y) 5 Canale Orizzontale (X) 6 Oscilloscopio a Doppia Traccia Modalità Alternate Modalità Chopped 7 Oscilloscopio Digitale 8 Probe Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 2/44

3 Generalità L oscilloscopio è uno strumento comunemente utilizzato per l analisi di segnali variabili nel tempo In genere, il segnale misurato è una tensione, anche se, introducendo convertitori o trasduttori, è possibile analizzare ogni genere di grandezza Gli oscilloscopi sono di diversi tipi, a seconda della misura da eseguire, della frequenza e dell ampiezza del segnale da misurare Inoltre, un segnale variabile nel tempo può essere analizzato in tempo reale (oscilloscopio tradizionale) o memorizzato per essere ripreso successivamente (oscilloscopio a memoria) Gli oscilloscopi possono essere analogici o digitali Al giorno d oggi, grazie al progresso delle tecnologie integrate, gli oscilloscopi analogici per applicazioni generiche, sono stati quasi completamente soppiantati dagli oscilloscopi digitali, come è del resto accaduto in molti altri casi (per esempio i multimetri o gli analizzatori di armoniche) Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 3/44

4 Generalità La tecnologia digitale, infatti, offre prestazioni e funzioni indiscutibilmente superiori a parità di costo Tuttavia, è utile considerare inizialmente l oscilloscopio analogico, per comprenderne il funzionamento ed evidenziare aspetti che, con l uso di strumenti digitali, si tende a trascurare Un oscilloscopio analogico tradizionale è costituito sostanzialmente da un Tubo a Raggi Catodici (CRT) e dai circuiti necessari per pilotarlo Nel CRT, un fascio di elettroni traccia una curva luminosa su uno schermo, seguendo l andamento delle coordinate X e Y fornite, sotto forma di tensione, ai morsetti di ingresso del CRT stesso Tramite un interruttore, è possibile selezionare se rappresentare il segnale V Y in funzione di un altro segnale V X o in funzione del tempo Nel caso venga rappresentato il segnale V Y in funzione del tempo, un opportuno circuito, detto base dei tempi, genera un segnale di tensione a dente di sega V dx = kt, che scandisce il CRT in direzione X Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 4/44

5 Generalità V Y Canale Y V dy Y Base dei Tempi X CRT V X Canale X V dx Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 5/44

6 Generalità Il segnale da misurare V Y, invece, viene elaborato in modo da ottenere una tensione V dy = k Y V Y, tale da deflettere il fascio elettronico in direzione Y Sul CRT viene, quindi, rappresentata l evoluzione del segnale V Y durante l intervallo di tempo definito da V dx Un opportuno segnale, detto trigger, permette di sincronizzare la scansione verticale con quella orizzontale, in modo da mostrare sullo schermo un forma d onda stabile (qualora, ovviamente, il segnale sia periodico) Nel caso in cui venga rappresentato il segnale V Y in funzione di un altro segnale esterno V X (modalità XY), si utilizza una tensione V dx = k X V X, invece del segnale generato dalla base dei tempi, in modo da produrre un opportuna deflessione del fascio elettronico in direzione X In questo caso, quindi, sul CRT, viene rappresentata l evoluzione del segnale V Y in funzione del segnale V X, senza alcuna informazione temporale Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 6/44

7 Generalità Y Segnale da Analizzare CRT a a b b X Base dei Tempi Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 7/44

8 Generalità Y Segnale da Analizzare CRT X Segnale da Analizzare Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 8/44

9 Tubo a Raggi Catodici Primo Anodo Anodo Focalizzatore Griglia di Controllo Secondo Anodo (V A + V G ) 0 V 0 Placchette di Deflessione Y V A Filamento Schermo Catodo Placchette di Deflessione X Crossover Luminosità Fuoco Astigmatismo Simmetria Cilindrica Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 9/44

10 Tubo a Raggi Catodici L elemento base di un oscilloscopio per uso generale analogico o digitale è il CRT In un oscilloscopio analogico, infatti, il CRT permette di rappresentare visivamente l andamento di un segnale nel dominio del tempo o in funzione di un altro segnale In un oscilloscopio digitale, invece, esso è utilizzato come monitor (anche se in realtà in questo caso è possibile utilizzare anche display di altro tipo, come per esempio dispositivi a cristalli liquidi) Un CRT è costituito da un cannone elettronico, composto a sua volta da un catodo e da una serie di griglie o lenti, dalle placchette di deflessione e da uno schermo, su cui viene visualizzata la forma d onda Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 10/44

11 Cannone Elettronico All interno del cannone elettronico, il fascio di elettroni viene generato e focalizzato Gli elettroni, infatti, si comportano, sotto molti aspetti, in modo simile a un raggio luminoso, in quanto essi possono essere rifratti, riflessi e focalizzati tramite lenti Le lenti elettroniche, però, a differenza di quelle ottiche, sono costituite da campi elettrici opportunamente sagomati, invece che da materiali con proprietà ottiche diverse Gli elettroni, emessi per effetto termoionico dal catodo (a potenziale V A ), riscaldato da un apposito filamento, vengono accelerati verso il primo anodo (a potenziale 0) dalla differenza di potenziale V A La griglia di controllo a potenziale (V A + V G ), posta tra il catodo e il primo anodo, determina il numero di elettroni che costituiscono il fascio, permettendo così di controllare la luminosità dello schermo (Luminosità) Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 11/44

12 Cannone Elettronico La dimensione del foro, denominato crossover, nella griglia di controllo, invece, determina la dimensione geometrica del punto luminoso sullo schermo L anodo focalizzatore (a potenziale V) ha la funzione di concentrare il fascio di elettroni, mentre il secondo anodo (a potenziale 0) introduce un ulteriore accelerazione Il controllo del fuoco (Fuoco) viene normalmente posto sul secondo anodo, in modo da non interferire con l azione dell anodo focalizzatore Il controllo dell astigmatismo (Astigmatismo), normalmente non accessibile, è, invece, connesso a un ulteriore anodo La griglia di controllo, oltre a determinare la luminosità dello schermo, può anche essere utilizzata, tramite opportuni circuiti (detti circuiti dell asse Z), per bloccare il fascio di elettroni tra una scansione dello schermo e la successiva Alternativamente, questa stessa funzione può essere realizzata tramite opportune placchette di spegnimento, che deviano il fascio al di fuori dello schermo Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 12/44

13 Cannone Elettronico Griglia di Controllo Filamento Primo Anodo Placchette di Spegnimento Fascio Deviato Schermo Catodo Circuiti Asse Z (a) Luminosità Impulso di Sblocco Dalla Base dei Tempi (b) Livello di Interdizione Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 13/44

14 Placchette di Deflessione Il fascio di elettroni, generato e focalizzato dal cannone elettronico, deve poi essere indirizzato verso le coordinate desiderate sullo schermo Questa funzione viene svolta dalle placchette di deflessione (X e Y) Negli oscilloscopi, in genere, si utilizza la deflessione elettrostatica, realizzata tramite placchette parallele, a cui è applicata una differenza di potenziale Ovviamente, si potrebbe ottenere lo stesso risultato anche utilizzando due coppie di bobine (deflessione magnetica), come nei televisori La deflessione magnetica risulta molto più efficiente della deflessione elettrostatica, ma meno precisa Pertanto, a pari dimensione dello schermo, i CRT basati sulla deflessione magnetica hanno lunghezza inferiore rispetto a quelli basati sulla deflessione elettrostatica, ma la posizione del fascio sullo schermo stesso risulta controllabile con accuratezza nettamente inferiore Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 14/44

15 Schermo Lo schermo di un CRT è costituito da una lastra di vetro (in genere il tubo a vuoto stesso), sulla cui parete interna vengono depositate sostanze (fosfori) che, colpite dagli elettroni, emettono radiazioni luminose visibili L energia degli elettroni incidenti, infatti, in parte viene dissipata sotto forma di calore, in parte ionizza il materiale e in parte eccita il materiale, provocando un emissione luminosa per un certo periodo di tempo L emissione luminosa in presenza di uno stimolo, ovvero quando è presente il fascio elettronico, prende il nome di fluorescenza, mentre l emissione luminosa in assenza di stimoli, ovvero quando non è più presente il fascio elettronico, prende il nome di fosforescenza Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 15/44

16 Schermo Luminosità 100% 90% Corrente del Fascio 10% Tempo di Formazione Fluorescenza Tempo di Decadimento Fosforescenza Uscita Luminosa Complessiva t Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 16/44

17 Base dei Tempi Segnale di Ingresso (V Y ) Selettore di Sweep Mode Auto / Trigger / Single EXT Circuito di Prelievo Canale Y Circuito di Ripristino Circuito Slope Auto 7 Level (+/ ) INT 9 1 Generatore Generatore 4 di Trigger 2 3 di Gate LINE 8 6 Circuito di Hold-Off 5 Canale X Generatore di Rampa 220 V 10 V Selettore di Trigger Circuiti Asse Z Time / Division Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 17/44

18 Base dei Tempi Il blocco più importante della base dei tempi è, ovviamente, il generatore di rampa, regolabile tramite il controllo Time/Division, che genera il segnale per il canale orizzontale (X), mentre gli altri blocchi servono per controllare e selezionare le diverse modalità di funzionamento Il circuito di prelievo è in realtà parte del canale verticale (Y) Nella base dei tempi esistono tipicamente tre modalità di funzionamento Triggered Auto Single-sweep Le diverse modalità di funzionamento possono essere selezionate tramite il selettore di sweep mode Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 18/44

19 Modalità Triggered La modalità di funzionamento triggered viene, in genere, utilizzata per visualizzare segnali periodici La base dei tempi, infatti, viene avviata da un opportuno segnale di trigger, sincrono col segnale da visualizzare (V Y ), permettendo così di ottenere sullo schermo una traccia stabile Tramite un selettore (selettore di trigger), è possibile scegliere se prelevare il segnale di trigger dal segnale V Y (INT), da un segnale esterno (EXT) oppure dalla tensione di linea (LINE, per esempio 220 V, 50 Hz) In questa modalità di funzionamento il circuito auto è disabilitato, mentre il generatore di trigger fornisce in uscita un impulso (segnali 1 e 2) ogni qual volta il segnale selezionato (INT, EXT o LINE) attraversa una determinata soglia (Level) con una determinata pendenza (Slope) Il segnale ottenuto dal generatore di trigger viene fornito in ingresso al generatore di gate, che è costituito da un circuito bistabile (stati A e B), con uno terzo stato C metastabile, indotto dal segnale generato dal circuito di ripristino (segnale 7) Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 19/44

20 Modalità Triggered 1 Slope Level 2 Stato C Stato A V 1 Stato A 3 V 2 Stato B V S 6 V R Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 20/44

21 Modalità Triggered Quando nel segnale di trigger (segnale 2) compare un impulso negativo, tale da portare la tensione in ingresso al generatore di gate al di sotto della tensione di soglia V 1 (segnale 3), il circuito bistabile commuta dallo stato A allo stato B, avviando così il generatore di rampa (segnali 4 e 5) Il segnale in uscita dal generatore di gate viene fornito in ingresso ai circuiti dell asse Z, in modo da sbloccare il fascio elettronico, mentre il segnale in uscita dal generatore di rampa viene fornito in ingresso al canale orizzontale (X) e allo stesso tempo al circuito di hold-off, che a sua volta fornisce in uscita una rampa con pendenza diversa (segnale 6) Questa rampa rappresenta il segnale di ingresso al circuito di ripristino, che è normalmente costituito da un comparatore con isteresi, con soglie V S e V R Quando la rampa raggiunge la tensione V S, l uscita del circuito di ripristino cambia di stato (segnale 7), portando il generatore di gate nello stato C Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 21/44

22 Modalità Triggered L uscita del generatore di gate, quindi, cambia stato e il generatore di rampa viene azzerato (segnali 3, 4 e 5) Mentre il generatore di gate si trova negli stati B e C, gli impulsi di trigger, eventualmente sopravvenuti, vengono ignorati A questo punto, la rampa in uscita dal circuito di hold-off inizia a scendere (segnale 6) Quando essa raggiunge la tensione V R, il circuito di ripristino cambia nuovamente stato (segnale 7), riportando così il generatore di gate nello stato iniziale A Conseguentemente, quando compare il successivo impulso nel segnale di trigger, il ciclo ricomincia, provocando una nuova scansione orizzontale dello schermo Nella modalità di funzionamento triggered, quindi, la base dei tempi si comporta come un circuito monostabile Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 22/44

23 Modalità Auto Level Slope (+/ ) Generatore di Trigger Circuito Auto Monostabile T = 25 ms 1 25 ms S 8 Circuito di Ripristino 7 Generatore di Gate La modalità di funzionamento auto ovvia agli inconvenienti che presenta la modalità di funzionamento triggered quando il segnale di trigger è assente o molto lento (in genere per frequenze inferiori a 40 Hz) In questa modalità di funzionamento il circuito auto è attivo Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 23/44

24 Modalità Auto Esso riceve in ingresso un impulso generato dal circuito di ripristino (segnale 8), nonché il segnale di uscita del generatore di trigger (segnale 2) Qualora non compaia alcun impulso di trigger per un determinato tempo (generalmente 25 ms, fissato da un circuito monostabile), l impulso generato dal circuito di ripristino viene direttamente fornito in ingresso al generatore di gate, attraverso un interruttore (segnale 9) Pertanto, una volta terminato un ciclo di funzionamento della base dei tempi (rampa e hold-off), inizia automaticamente un nuovo ciclo, provocando così una continua scansione dello schermo Il primo impulso al generatore di gate viene fornito manualmente quando si seleziona la modalità auto Nella modalità di funzionamento auto, quindi, la base dei tempi si comporta come un circuito astabile Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 24/44

25 Modalità Single-Sweep La modalità di funzionamento single-sweep viene in genere utilizzata per visualizzare segnali non periodici In questo caso, infatti, in modalità triggered o auto si otterrebbe una traccia non stabile sullo schermo In modalità single-sweep, pertanto, vengono inibiti tutti gli impulsi di trigger successivi al primo, provocando una singola scansione dello schermo Questo viene ottenuto inibendo il cambiamento di stato del segnale in uscita al circuito di ripristino (segnale 7) quando la rampa in uscita dal circuito di hold-off (segnale 6) scende al di sotto della tensione V R Il generatore di gate, quindi, dopo la prima scansione rimane nello stato C finché l utente non decide di effettuare un nuova scansione Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 25/44

26 Canale Verticale (Y) AC V / Division Coarse K 1 K 2 V / Division Fine CRT V Y GND DC Attenuatore Y V 1 Amplificatore Y V 2 a Selettore di Ingresso Posizione Base dei Tempi Polarità K 3 La funzione principale del canale verticale (Y) è di portare il segnale d ingresso al livello di tensione necessario a deflettere opportunamente il fascio elettronico Il canale verticale (Y) è sostanzialmente costituito da un selettore di ingresso, che determina il tipo di accoppiamento (AC, DC o GND), e da una catena di attenuatori e amplificatori, il cui guadagno è determinato dal controllo V/Division Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 26/44

27 Canale Verticale (Y) L ampiezza a della traccia visualizzata sullo schermo (numero di divisioni) risulta data da a = K 1 K 2 K 3 V Y dove K 1, K 2 e K 3 rappresentano il guadagno (o l attenuazione) dei diversi blocchi della catena Variando uno qualsiasi di questi parametri (in genere K 1 a scatti a K 2 in modo fine), è quindi possibile variare l ampiezza della traccia L accoppiamento GND permette di connette l ingresso Y a massa, in modo da determinare lo zero del segnale Tramite il controllo Posizione, è poi possibile aggiustare verticalmente il livello di zero in modo da porre la forma d onda da visualizzare al centro dello schermo Il controllo Polarità permette di invertire la polarità del segnale L accoppiamento AC permette di eliminare la componente in continua del segnale da visualizzare, che è invece presente con l accoppiamento DC Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 27/44

28 Canale Verticale (Y) Esso viene tipicamente utilizzato per visualizzare segnali di ampiezza ridotta sovrapposti a tensioni continue di elevato valore Nel canale verticale (Y) è, in genere, presente un linea di ritardo Essa è necessaria in tutti gli oscilloscopi con banda superiore a 10 MHz per equalizzare i ritardi del canale X e del canale Y, permettendo così di visualizzare il fronte di attacco del segnale Infatti, se il ritardo del canale X fosse superiore al ritardo del canale Y, il fronte di attacco del segnale non verrebbe visualizzato, con conseguente perdita di informazione Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 28/44

29 Canale Orizzontale (X) V / Division Coarse V X Attenuatore X V / Division Fine Posizione Preamplificatore X Polarità Base dei Tempi Beam Finder Amplificatore Finale X Horizontal Display Il canale orizzontale (X) è costituito da un attenuatore, da un preamplificatore e da un amplificatore finale Tramite un selettore (controllo Horizontal Display), la rampa generata dalla base dei tempi viene connessa all amplificatore finale, in alternativa al segnale fornito dal preamplificatore I controlli del canale X (V/Division, Posizione e Polarità) sono analoghi a quelli del canale Y e vengono utilizzati solo in modalità XY Placchette di Deflessione Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 29/44

30 Oscilloscopio a Doppia Traccia V / Division A Posizione A Polarità A V Y, A V Y, B Selettore di Ingresso Base dei Tempi Selettore di Ingresso Attenuatore A Amplificatore di Trigger Attenuatore B A A + B B Selettore Trigger Preamplificatore A Preamplificatore B Circuito di Commutazione Linea di Ritardo Circuito Pilota Amplificatore Finale Y A B TA ALT CHOP V / Division B Posizione B Polarità B Mode A + B Base dei Tempi (ALT) Circuiti Asse Z (CHOP) Placchette di Deflessione Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 30/44

31 Oscilloscopio a Doppia Traccia Nell analisi dei segnali nel dominio del tempo, è spesso importante poter visualizzare due forme d onda contemporaneamente (per esempio i segnali d ingresso e di uscita di un circuito) Quasi tutti gli oscilloscopi, pertanto, prevedono questa possibilità (oscilloscopi a doppia traccia) Per realizzare oscilloscopi a doppia traccia, si utilizzano in genere soluzioni basate su circuiti di commutazione La struttura del circuito è analoga a quella di un oscilloscopio a singola traccia Tuttavia, i primi stadi del canale Y (selettore, attenuatore e preamplificatore) vengono duplicati per poter prelevare i due segnale d ingresso (V Y,A e V Y,B ) I segnali in uscita dai due preamplificatori vengono poi combinati tramite un circuito di commutazione e forniti in ingresso a una singola linea di ritardo e, quindi, a un singolo amplificatore finale Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 31/44

32 Oscilloscopio a Doppia Traccia Il controllo Selettore Trigger permette di selezionare il segnale di trigger da inviare alla base dei tempi (A, B o A + B) Inoltre, un apposito circuito pilota gestisce la commutazione tra i segnali Agendo sul circuito pilota tramite il controllo Mode è possibile selezionare se visualizzare il segnale V Y,A (modalità A), il segnale V Y,B (modalità B), la somma dei due segnali (modalità A + B) oppure entrambi i segnali utilizzando alternativamente la modalità alternate (modalità ALT, normalmente utilizzata per frequenze superiori a 30 khz) o la modalità chopped (modalità CHOP, normalmente utilizzata per frequenze inferiori a 500 Hz) È possibile anche visualizzare la differenza dei due segnali, invertendo il segnale V Y,A o il segnale V Y,B tramite il controllo Polarità e selezionando la modalità A + B Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 32/44

33 Modalità Alternate In modalità alternate i segnali V Y,A e V Y,B vengono visualizzati alternativamente sullo schermo in scansioni successive (durante una scansione dello schermo viene visualizzato il segnale V Y,A e durante la scansione seguente il segnale V Y,B ) Se i segnali sono correlati in frequenza, è sufficiente prelevate il segnale di trigger indifferentemente dal canale A o dal canale B Se i segnali non sono correlati in frequenza, invece, è necessario prelevare il trigger dal segnale da visualizzare (A + B) In modalità alternate è comunque possibile ottenere forme d onda stabili sullo schermo anche in presenza di segnali scorrelati in frequenza Un apposito segnale (TA), fornito dalla base dei tempi provoca la commutazione del circuito dal canale A al canale B o viceversa (tramite il circuito pilota) Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 33/44

34 Modalità Alternate V Y, A V Y, B t Trigger Rampa Gate t t t TA t t Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 34/44

35 Modalità Chopped In modalità chopped i segnali V Y,A e V Y,B vengono visualizzati alternativamente sullo schermo durante la medesima scansione Ovviamente, in questo caso, per avere una traccia stabile, i due segnali devono essere correlati in frequenza Inoltre, la frequenza di commutazione tra un segnale e l altro (determinata dal circuito pilota, normalmente circa 1 MHz) deve essere molto superiore alla frequenza dei segnali stessi La modalità chopped, quindi, viene generalmente utilizzata per segnali lenti Per evitare che i transitori di commutazione tra un segnale e l altro appaiano sullo schermo, occorre inviare appositi impulsi ai circuiti dell asse Z (oltre al segnale di gate), in modo da bloccare il fascio elettronico in corrispondenza delle commutazioni Il segnale Chopper viene generato dal circuito pilota Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 35/44

36 Modalità Chopped V Y, A V Y, B t Chopper t Rampa t Asse Z t t Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 36/44

37 Oscilloscopio Digitale Volt / Division V Y Circuito di Ingresso Convertitore A/D Memoria Microprocessore Clock f S Base dei Tempi Convertitori D/A X e Y Interfaccia Utente Time / Division Ricostruzione e Elaborazione Amplificatori Finali X e Y Schermo Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 37/44

38 Oscilloscopio Digitale Il principio di funzionamento di un oscilloscopio digitale non differisce di molto da quello di un oscilloscopio analogico (i controlli sono gli stessi, come pure i blocchi base) Tuttavia, le architetture interne nei due casi sono sostanzialmente diverse Un oscilloscopio digitale è costituito fondamentalmente da un circuito di ingresso (come nell oscilloscopio analogico), da un convertitore A/D, da un microprocessore, da una memoria e dallo schermo (con i relativi convertitori D/A e amplificatori finali) Il segnale da analizzare viene convertito in forma digitale, memorizzato, elaborato dal microprocessore ed infine visualizzato sullo schermo I vantaggi di un oscilloscopio digitale sono innumerevoli Innanzitutto, grazie alla possibilità di memorizzare il segnale, è possibile visualizzare chiaramente anche forme d onda non periodiche o molto lente Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 38/44

39 Oscilloscopio Digitale Inoltre, l elaborazione digitale del segnale permette di includere nell oscilloscopio numerose funzioni di misura (cursori sullo schermo, misure di frequenza, trasformata di Fourier, operazioni matematiche, zoom), tipicamente non disponibili in oscilloscopi analogici Infine, siccome lo schermo è gestito direttamente dal microprocessore, è possibile realizzare facilmente oscilloscopi con numerosi canali (tipicamente quattro) La conversione A/D del segnale da analizzare è la caratteristica peculiare di un oscilloscopio digitale La precisione (risoluzione) e la velocità (frequenza di campionamento) del convertitore A/D, infatti, determinano le prestazioni dell intero oscilloscopio La banda passante B S di un oscilloscopio digitale risulta, in base al teorema si Shannon, limitata dal massimo valore della frequenza di campionamento f S (B S = f S /2) Il segnale minimo rivelabile da un oscilloscopio digitale è legato alla risoluzionedel convertitore A/D Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 39/44

40 Oscilloscopio Digitale 1 Convertitore A/D V in 2 Convertitore A/D Multiplexer N out n Convertitore A/D Unità di Controllo In oscilloscopi a larga banda, per soddisfare il teorema di Shannon, vengono in genere utilizzati n convertitori A/D in parallelo (time-interleaved), che campionano il segnale in n istanti successivi Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 40/44

41 Oscilloscopio Digitale Gli n segnali digitali così ottenuti vengono poi ricombinati in modo da produrre un unico segnale campionato a frequenza più alta Per gli oscilloscopi digitali vengono in genere utilizzati convertitori A/D flash o pipeline La frequenza di campionamento può essere anche dell ordine dei gigahertz Quando si utilizzano oscilloscopi digitali, occorre prestare particolare attenzione al valore della frequenza di campionamento, che viene normalmente selezionata automaticamente dallo strumento in base al valore scelto con il controllo Time/Division Qualora si utilizzi una valore di f S troppo basso rispetto alla frequenza dei segnali da analizzare, sullo schermo vengono visualizzati segnali a frequenza diversa da quella reale, a causa del fenomeno dell aliasing Per visualizzare segnali periodici a frequenza molto elevata (superiore alla massima frequenza di campionamento disponibile), si possono utilizzare tecniche di sotto-campionamento oppure di campionamento casuale, che sfruttano, in modo controllato, il fenomeno dell aliasing Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 41/44

42 Probe C pf Probe + Cavetto Oscilloscopio R 1 9 MΩ C comp C c C i 100 pf R i 1 MΩ Il probe o sonda di un oscilloscopio è costituito da un cavetto coassiale, completato ad un estremo da un puntale e all altro da un connettore per il collegamento all ingresso dell oscilloscopio I1 cavo coassiale ha la funzione di proteggere dai disturbi esterni il segnale da inviare all oscilloscopio, ma costituisce un carico per il circuito di misura e può produrre fenomeni di attenuazione Nel circuito equivalente del probe R i e C i sono, rispettivamente, la resistenza e la capacità di ingresso dell oscilloscopio Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 42/44

43 Probe Per ridurre gli effetti della resistenza e della capacità introdotti dal cavetto e dall oscilloscopio sul segnale da analizzare, in genere, si introducono un resistore (R 1 ) e un condensatore (C 1 ) in serie con il conduttore nel cavo coassiale Con l inserimento del resistore R 1 un segnale a bassa frequenza giunge all ingresso dell oscilloscopio attenuato del rapporto R i k R = R 1 + R i Di solito questo rapporto viene scelto in modo che sia un numero intero (tipicamente k R = 1/10) Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 43/44

44 Probe Per ottenere una corretta risposta in funzione della frequenza (mantenere l attenuazione costante), è, però, necessario includere nel circuito anche delle capacità La capacità C comp, detta capacità di compensazione, può essere regolata tramite una vite, facendo in modo di soddisfare la relazione k R = R i R 1 + R i = C 1 C 1 + C i + C c + C comp In questo modo, la resistenza di ingresso del probe è di 10 MΩ e la capacità totale di 10.3 pf È evidente il vantaggio che si ottiene, se si confrontano questi valori con quelli propri dell oscilloscopio (R i = 1 MΩ e C i = 100 pf) Piero Malcovati Misure Elettriche Oscilloscopi 44/44