INTRODUZIONE ALL USO DI OSCILLOSCOPIO E MULTIMETRO DIGITALI

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1 INTRODUZIONE ALL USO DI OSCILLOSCOPIO E MULTIMETRO DIGITALI

2 1 Introduzione L esercitazione di laboratorio qui descritta consiste di una serie di semplici misurazioni da eseguirsi mediante l oscilloscopio e il multimetro digitale. Essa ha lo scopo di illustrare come si usano e, soprattutto, come non si usano questi tipici strumenti da laboratorio elettronico. Nonostante gli esercizi siano rivolti ad allievi senza alcuna esperienza di strumentazione, e siano quindi estremamente semplici, essi permettono di mostrare un certo numero di errori comuni nell esecuzione di una misura con questi strumenti. I fenomeni basilari evidenziati dagli esercizi (effetto di carico, banda e risoluzione finita degli strumenti, ecc.) rimandano immediatamente ai corrispondenti concetti teorici, e dovrebbero mostrare quanto sia errata l idea della strumentazione di misura come una black-box di cui è sufficiente sapere come si collega, e quanto sia invece importante tanto la pratica di laboratorio quanto la preparazione teorica nella formazione dell ingegnere elettronico. La descrizione della prova contiene parti di commento, in carattere piccolo (ne fa parte la presentazione della strumentazione all inizio) e istruzioni operative, in grassetto. Le parti di commento sono destinate a essere studiate prima dell esercitazione, per una migliore comprensione delle operazioni in laboratorio. Durante l esercitazione vanno invece lette, ed eseguite, le sole istruzioni operative in grassetto. Alla fine della prova si dovrà consegnare il foglio risultati (ultima pagina di questa dispensa) compilato in ogni sua parte. La prima parte, relativa alla strumentazione utilizzata, deve essere compilata con marca e modello dei singoli strumenti ed accessori utilizzati nella prova. Nella seconda parte del foglio occorre invece riportare i risultati delle misure. Molte di esse non risulteranno perfettamente stabili: in questo caso sarà sufficiente riportare, senza eccessiva pignoleria, un valore intermedio tra quelli osservati. E bene anche precisare che durante la prova sarà possibile ottenere risultati diversi, di poco o di molto, da quelli riportati nella dispensa, che sono stati ottenuti con una sonda e un oscilloscopio leggermente diversi da quelli effettivamente previsti nell esercitazione. Si tenga conto, infine, che l ultima misura prevista (misura manuale del valore efficace di un profilo seriale ripetitivo) richiede l uso di una calcolatrice e verosimilmente di un foglio separato per i calcoli, da consegnare insieme al foglio risultati e su cui potranno essere riportate eventuali note e osservazioni. ATTENZIONE: al termine dell esercitazione il tavolo di lavoro deve essere lasciato in ordine, con tutti i cavi e gli accessori riposti nel cassetto; prima di lasciare il laboratorio è indispensabile far controllare lo stato del tavolo di lavoro dall esercitatore che annoterà sul foglio risultati eventuali osservazioni circa la condotta della prova. 26/05/2008 pagina 1 di 33

3 2 Strumenti e materiale utilizzati Oscilloscopio digitale Hewlett-Packard serie (banda passante 60/100 MHz); Sonda compensata commutabile 1X 10X; Cacciavite per compensazione sonde; Multimetro digitale palmare Hewlett-Packard modello 974A; Cavo schermato con terminazioni a BNC e pinzette "a coccodrillo"; Cavetti da laboratorio terminati con pinzette "a coccodrillo" ad ambo le estremità; Resistore con valore nominale dell ordine del centinaio di kiloohm, tolleranza ± 5%, potenza dissipabile 0.25 W; Kit auto-didattico per l'apprendimento dell'uso dell'oscilloscopio HP54654A; 26/05/2008 pagina 2 di 33

4 3 Descrizione della strumentazione Nella figura qui sotto è riprodotto il pannello frontale degli oscilloscopi HP54600B e HP54603B (questi due modelli differiscono solo per la banda passante e per alcune specifiche di incertezza). Il pannello, come si vede, comprende le seguenti sezioni: sezione verticale (VERTICAL), con le manopole Volts/div e Position, i tasti 1, 2, ±, e gli ingressi BNC 1X e 2Y ; 26/05/2008 pagina 3 di 33

5 sezione orizzontale (HORIZONTAL), con le manopole Delay, Time/div, e il tasto Main Delayed ; sezione TRIGGER, con le manopole Level e Holdoff, e i tasti Source, Mode, Slope Coupling ; sezione STORAGE, con i tasti Run, Stop, Autostore ed Erase ; sezione MEASURE, con i tasti Voltage, Time e Cursors ; sezione SAVE/RECALL, con i tasti Trace e Setup ; infine, una sezione non contrassegnata, con i tasti Autoscale, Display e Print Utility. Subito al di sotto dello schermo ci sono, infine, sei tasti grigi non contrassegnati (tasti funzione) che indicheremo, da sinistra a destra, con i simboli <F1>, <F2>, <F3>, <F4>, <F5>, <F6> : F1 F2 F3 F4 F5 F6 controllo luminosità terminale di calibrazione terminale di terra Il significato dei tasti funzione nei vari casi è desumibile, come si vedrà in seguito, da messaggi che compaiono sulla parte inferiore dello schermo dell oscilloscopio. In figura sono anche visibili il controllo della luminosità dello schermo, il terminale di calibrazione e il terminale di terra. Nella figura qui sotto è riportato una immagine schematica del multimetro digitale palmare HP974A; i controlli dello strumento sono naturalmente molto più semplici di quelli dell oscilloscopio. 26/05/2008 pagina 4 di 33

6 Sullo strumento si distinguono il display (4), i tasti funzione (3), il selettore di misura (2) e le boccole di adduzione del segnale (1). La sezione dei tasti funzione comprende il tasto di accensione/spegnimento grigio Power, nonché 6 tasti (in particolare Select ) che insieme al selettore centrale servono a scegliere il tipo di misura (tensione CC o CA, corrente CC o CA, resistenza, ecc.). In basso sono presenti quattro boccole per gli spinotti a banana dei puntali: la terza da sinistra è il comune (a cui corrisponde il segno meno di tensioni e correnti continue e a cui quindi si collega il puntale nero), mentre le restanti tre servono rispettivamente per le misure di corrente con fondo scala 10 A, per le misure di corrente con fondo scala da 500 ma in giù, e per le misure di tensione e resistenza. Poiché l impedenza di ingresso dello strumento in funzione di amperometro è molto bassa, per ridurre la possibilità di infortuni all operatore e/o di danni all impianto e allo strumento, le boccole relative alle misure di corrente sono otturabili tramite la slitta marcata Open Shutter sulla sinistra dello strumento. La meccanica di questo otturatore fa sì che non sia possibile aprire le boccole per misure di corrente quando non risulta selezionata una misura di corrente. 26/05/2008 pagina 5 di 33

7 3.1 Prima accensione dell oscilloscopio e impostazione in uno stato predefinito In questa sezione si vede semplicemente come portare lo strumento nelle impostazioni predefinite di fabbrica. Accendete l oscilloscopio premendo il tasto bianco Line sul pannello frontale dello strumento, in basso a destra sotto lo schermo. Nella sezione SAVE/RECALL premete Setup Default Setup, quindi premete il tasto funzione <F6>. Ora l oscilloscopio si trova con le impostazioni iniziali di fabbrica. 3.2 Visualizzazione di una forma d onda con Autoscale In questa sezione ci si impratichisce con le funzioni più semplici e fondamentali dell'oscilloscopio, che viene usato per visualizzare un segnale reso disponibile dallo strumento stesso: l'onda quadra generata dal terminale di calibrazione. Viene spiegato il significato di molti simboli e cifre visualizzate sullo schermo, e viene introdotta la terminologia di base. Collegate la sonda compensata 1X 10X al canale 1 dell'oscilloscopio (connettore BNC marcato 1X ). Collegate l uncino della sonda al terminale di calibrazione. 26/05/2008 pagina 6 di 33

8 Posizionate il commutatore della sonda su 1X. Premete l onda quadra. Autoscale per visualizzare linea di stato riferimento verticale (asse X) livello di massa riferimento orizzontale (asse Y) Sullo schermo apparirà l immagine riportata qui sopra. Osserviamo che essa è divisa in dieci divisioni orizzontali e otto divisioni verticali. Le linee centrali, graduate in unità da 1/5 di divisione, sono, rispettivamente, il riferimento verticale (asse X) e il riferimento orizzontale (asse Y). Il simbolo sul lato destro dell immagine indica invece la posizione del livello corrispondente alla tensione nulla (coincidente con la massa dell oscilloscopio), che chiameremo livello di massa. Nella parte alta dello schermo vediamo la riga di stato che fornisce una serie di informazioni sullo stato dell'oscilloscopio. Da sinistra a destra vediamo: il canale visualizzato (canale 1) e il valore, su quel canale, della sensibilità verticale (1.00 V/div); l istante di trigger, indicato dal triangolino ( ) in alto al centro del reticolo; il riferimento temporale o riferimento orizzontale (origine dell asse dei tempi), indicato da un triangolino trasparente in questo momento invisibile perché sovrapposto a quello nero; il valore di posizione orizzontale o di ritardo del trigger, che in questo oscilloscopio è definito come la differenza (in secondi) tra il riferimento orizzontale e l istante di trigger. In questo momento i due istanti coincidono e il ritardo è pari a 0.00 s; il valore della velocità di spazzolamento (200µs/div); 26/05/2008 pagina 7 di 33

9 la sorgente e la pendenza del trigger: il simbolo indica che la sorgente è il canale 1 e la pendenza è positiva; il tipo di visualizzazione della traccia sullo schermo: la scritta indica che la traccia è aggiornata continuamente, ad ogni acquisizione, senza essere salvata. Si vedrà in seguito che il tipo di visualizzazione può essere cambiato agendo sui tasti della sezione STORAGE. Infine alla traccia visualizzata è associato anche il valore (non visibile al momento sullo schermo) della posizione verticale, definita come differenza, in volt, tra la linea di massa e il riferimento verticale. In questo momento essa è all incirca pari a 2.5 V. La posizione verticale è spesso indicata anche con il termine inglese offset, di cui non esiste una soddisfacente traduzione italiana. In base a questi dati e alla traccia visualizzata si deduce che l onda quadra oscilla, all incirca, tra 0 e 5 V con un duty-cycle del 50% e con un periodo di circa 800 µs, corrispondenti ad una frequenza di circa 1.25 khz. Nota sulla terminologia: i controlli e le grandezze finora elencati hanno un gran numero di sinonimi di uso comune, che è bene conoscere per poter comprendere le indicazioni della documentazione tecnica. Inoltre nel campo della strumentazione (come in innumerevoli altri) la terminologia inglese è assai più comune di quella italiana: per esempio, tutte le indicazioni sullo schermo dell oscilloscopio sono in inglese. Nella tabella qui sotto sono riassunti i termini finora introdotti con i più comuni sinonimi e il loro corrispondente in inglese (l asterisco (*) indica che il termine è frequentemente utilizzato nella letteratura tecnica anche se impropriamente): Italiano Inglese guadagno verticale sensibilità verticale portata (*) portata istante di trigger tempo di trigger riferimento orizzontale riferimento temporale riferimento verticale riferimento di tensione vertical gain vertical sensitivity range full-scale range trigger instant trigger time horizontal reference time reference vertical reference voltage reference 26/05/2008 pagina 8 di 33

10 ritardo del trigger disallineamento del trigger posizione orizzontale posizione verticale velocità di spazzolamento tempo di spazzolamento (*) base dei tempi (*) sorgente del trigger pendenza del trigger trigger delay trigger skew horizontal position vertical position offset sweep speed sweep time timebase trigger source trigger slope Commentiamo brevemente i sinonimi impropri. La portata è a rigore l intervallo compreso tra il minimo e il massimo valore di tensione visualizzato, ed è individuato dal guadagno verticale e dalla posizione verticale. In inglese questo termine si può tradurre con il generico range quando si usa in senso largo (intendendo la sensibilità verticale), e con il più preciso full-scale range quando si usa in senso stretto. Il tempo di spazzolamento è a rigore il tempo corrispondente all intera estensione orizzontale dello schermo, ed è quindi il prodotto della velocità di spazzolamento per il numero di divisioni orizzontali (in questo caso dieci). La base dei tempi è a rigore la finestra temporale visualizzata ed è individuata dalla velocità di spazzolamento e dalla posizione sullo schermo dell istante di trigger. Nell uso della terminologia, naturalmente, i sinonimi impropri sono sconsigliati quando possono dare luogo a equivoci effettivi, mentre in caso contrario sono usati e tollerati. Non è raro, quindi, che con l espressione posizione orizzontale si indichi certe volte la posizione sullo schermo dell istante di trigger, altre volte quella del riferimento temporale, e altre ancora la differenza tra i due istanti (ritardo). Spesso, analogamente, in luogo di sensibilità verticale si parla semplicemente di volt/divisione, in luogo di velocità di spazzolamento si dice lo sweep, ecc. Nel seguito i nuovi termini volta per volta introdotti sono accompagnati dalla loro traduzione in inglese e da eventuali sinonimi. 26/05/2008 pagina 9 di 33

11 3.3 Impostazione manuale della portata In questa sezione vengono illustrati i principali controlli della sezione verticale (sensibilità, posizione e tipo di accoppiamento (coupling)). Volts/div Modificate la sensibilità verticale ruotando la manopola, e osservate i cambiamenti di ampiezza della forma d onda visualizzata e nell indicazione sulla linea di stato. Modificate anche la posizione verticale ruotando la manopola Position, e osservate lo spostamento della linea di massa. Mentre si ruota questa manopola appare, in basso a sinistra sullo schermo, il valore della posizione verticale. Infine, modificate l accoppiamento (coupling) per il canale 1 premendo 1 e quindi Coupling DC AC <F2>. La traccia viene privata della componente continua e il segnale appare simmetrica rispetto allo zero. Con una opportuna impostazione di guadagno e posizione verticale dovreste riuscire a visualizzarlo interamente sullo schermo. Si noti la comparsa del simbolo in alto a sinistra, a indicare l accoppiamento in alternata. 26/05/2008 pagina 10 di 33

12 Riportate l oscilloscopio nelle seguenti impostazioni: sensibilità = 1.00 V/div, posizione = V, accoppiamento DC. 3.4 Impostazione manuale della base dei tempi In questa sezione vengono illustrati i principali controlli della sezione orizzontale, e cioè velocità di sweep e delay. Time/div Modificate la velocità di sweep ruotando la manopola, e osservate i cambiamenti nella finestra temporale visualizzata e nell indicazione sulla linea di stato. Impostate la velocità di sweep al valore 2.00 µs/div, in modo da evidenziare il tempo di salita finito dell onda quadra. In questo modo osserviamo che l'onda quadra fornita dal terminale di calibrazione è, abbastanza ovviamente, ben diversa da un'onda quadra ideale. In realtà non dobbiamo pensare che ciò che vediamo in questo momento sullo schermo corrisponda (anche solo approssimativamente!) alla effettiva realtà fisica del segnale. In seguito sarà dimostrato che ciò che vediamo in questo momento è una versione notevolmente smussata del segnale effettivamente fornito dal terminale di calibrazione. Modificate ora la posizione orizzontale della traccia ruotando la manopola Delay. 26/05/2008 pagina 11 di 33

13 Notate sulla linea di stato il corrispondente spostamento dell istante di trigger e l aggiornamento del valore del ritardo. La figura si riferisce ad un valore di posizione orizzontale, o "trigger delay", pari a 2.40 µs. Time/div Le manopole e Delay permettono, in conclusione, di scegliere esattamente la finestra temporale della traccia. Si deve notare che questa si compone in generale di un intervallo di tempo prima del trigger (pretrigger) e di un intervallo dopo il trigger (posttrigger). Si noti che il pretrigger è una possibilità tipica di oscilloscopi e sistemi digitali di acquisizione dati e che esso è invece assente negli oscilloscopi analogici, non essendo questi ultimi dotati di memoria di acquisizione. L impostazione scelta permette di osservare distintamente il tempo di salita finito dell onda quadra di calibrazione. Notate come variando il livello di trigger la posizione della forma d onda sullo schermo vari in modo tale che essa intersechi (approssimativamente) tale livello nell istante di trigger scelto. La visualizzazione che abbiamo ottenuto, comunque, ci è utile per esaminare il funzionamento della sezione trigger dell'oscilloscopio. 3.5 Impostazione manuale del trigger In questa sezione vengono illustrati i principali controlli della sezione di trigger, cioè livello di trigger e delay. 26/05/2008 pagina 12 di 33

14 Azionando la manopola Delay riportate l'istante di trigger al centro dello schermo (il valore di "delay" dovrà nuovamente essere di 0.00 µs). Modificate ora il livello di trigger ruotando la manopola Level nella sezione TRIGGER, e osservate l effetto sulla traccia. Mentre si ruota questa manopola una scritta in negativo in basso a sinistra sullo schermo mostra il valore del livello di trigger corrente. L'istante di trigger si trova all'intersezione della traccia con il livello di trigger, o meglio con una linea leggermente al di sopra del livello di trigger. Ciò è dovuto al fatto che il trigger dell'oscilloscopio funziona come comparatore "a doppia soglia" (trigger di Schmitt). Notate che, tentando di impostare il livello di trigger al di fuori della traccia visualizzata (il che comporterebbe la perdita dell aggancio), il microprocessore interno provvede a riposizionarlo automaticamente. Ciò avviene perché l'oscilloscopio si trova, per default, nella modalità di trigger detta "Autolevel". Nella sezione di trigger premete il tasto Mode. Sulla riga in basso dello schermo si Auto Lvl verifica che l impostazione corrente della modalità del trigger è <F1>. Premete Auto <F2>, quindi spostate il livello di trigger al di fuori (sopra o sotto) della traccia visualizzata. In questa modalità il livello di trigger non viene automaticamente corretto e si ha la perdita dell aggancio. 26/05/2008 pagina 13 di 33

15 Auto In caso di perdita di aggancio, l'oscilloscopio in modalità <F2> continua a campionare la forma d'onda in ingresso in modo asincrono: appena terminata la visualizzazione di una forma d'onda lo strumento attende per un certo tempo (comunque piccolo) un nuovo impulso di trigger, dopo di che comunque passa a catturare e visualizzare una nuova traccia. Data la mancanza di sincronismo tra la base dei tempi ed il segnale, l'immagine che ne risulta è molto confusa. Normal L'oscilloscopio dispone di altre modalità di trigger, e cioè <F3> Single, <F4> TV, e <F5> Normal. In modo <F3> l oscilloscopio, se non riceve un nuovo impulso di trigger, semplicemente cessa l acquisizione e mantiene sullo schermo l ultima traccia ottenuta; ovviamente questa possibilità è offerta solo da oscilloscopi digitali che consentono la memorizzazione della forma d onda. La modalità Single <F4> serve per l acquisizione di forme d onda single-shot, cioè non periodiche, e quella TV <F5> serve per la sincronizzazione con segnali televisivi (non entriamo qui nei dettagli di tali modalità di trigger). Con questi soli controlli appare impossibile esaminare dettagliatamente il fronte di discesa dell onda quadra; per fare questo è necessario modificare l impostazione di pendenza del trigger. Reimpostate la modalità di trigger su Auto Lvl. Premete il tasto Slope Coupling nella sezione di trigger e quindi il tasto funzione Slope <F1>, selezionando la pendenza negativa del trigger. Ciò fornisce la visualizzazione del tratto in discesa, invece che in salita, dell onda quadra. 26/05/2008 pagina 14 di 33

16 Le altre impostazioni selezionabili con i tasti funzione riguardano l accoppiamento (coupling) del segnale di trigger, e la impostazione di una azione di filtro, e sono valide sia quando il segnale di trigger è lo stesso applicato al canale 1 (come in questo caso), sia quando esso è fornito sull'altro canale o su un terzo ingresso a ciò espressamente dedicato (il BNC etichettato External Trigger). Su queste possibilità, così come su quella di selezionare il BNC da Z cui prelevare il segnale di trigger (tasto Source ), non entriamo in dettaglio ora. 3.6 Esecuzione di una misura automatica (tempo di salita) Lo strumento è in grado di fornire automaticamente misure abbastanza laboriose da ottenere manualmente, tra cui quella di tempo di salita, che è un importante parametro caratteristico di segnali digitali (onde quadre, impulsi, ecc.). Premete Autoscale per ottenere la visualizzazione standard dell onda quadra. 26/05/2008 pagina 15 di 33

17 Time/div Regolate la base di tempi (manopole chiaramente il tempo di salita dell onda quadra. e Delay ) in modo da visualizzare Occorre prestare attenzione che il segnale raggiunga effettivamente il suo valore finale all interno della porzione visualizzata, come in figura. Nella sezione MEASURE premete il tasto Time Next Menu, quindi <F6> RiseTime, poi <F4>. Lo strumento fornisce la misura di tempo di salita dell impulso 1, visualizzando contemporaneamente i livelli del 10% e del 90% del valore finale (così come da 1 Annotate sul foglio risultati il tempo di salita misurato ( t r1 ) 26/05/2008 pagina 16 di 33

18 esso misurati) e i corrispondenti istanti. Tempo di salita dell onda quadra generata dal terminale di calibrazione: misura ottenuta con sonda 1X Il tempo di salita misurato è dell ordine di qualche microsecondo. La banda dell oscilloscopio è 60 MHz e dunque il tempo di salita proprio dello strumento è t 0.35 / B 5.8 ns, un tempo trascurabile rispetto a quello misurato. Sulla base di queste considerazioni la misura appare attendibile. ri I Però, come sappiamo dalla teoria, dobbiamo tenere in conto l effetto di carico e quello della banda finita della sonda. Se la banda associata a questi due effetti fosse molto più piccola di quella dell oscilloscopio, la misura potrebbe essere grossolanamente sbagliata (ciò avviene quando il tempo di salita proprio dei sistemi coinvolti risulta essere dello stesso ordine di grandezza del tempo di salita da misurare). Premete Autoscale RiseTime e quindi nuovamente <F4>. Notate la differenza rispetto alla misura eseguita in precedenza. 26/05/2008 pagina 17 di 33

19 L indicazione dello strumento oscilla tra µs e µs : lo strumento di fatto non riesce a eseguire la misura. La posizione dei cursori automatici mostra come l intervallo temporale misurato risulti estremamente ridotto rispetto al tempo di sweep. Noto il numero di campioni di cui si compone la traccia (500) si può verificare che il tempo misurato risulta confrontabile con il periodo di campionamento (il tempo che intercorre tra due campioni consecutivi). 3.7 Uso del multimetro come ohmmetro. Accendete il multimetro premendo il tasto grigio Power. Se i terminali di misura della corrente sono aperti, rimuovete i puntali e spostate verso il basso la slitta Open Shutter (sulla sinistra), quindi ruotate il selettore di funzioni sulla posizione per misure di resistenza ( Ω ). Misurate 2 il valore della resistenza presente sul banco di lavoro, verificando se tale valore si trova nella fascia di tolleranza del 5% indicata dal produttore. Noterete che non è possibile ottenere una misura corretta o stabile se durante la misura toccate con le dita i terminali della resistenza; ciò è naturalmente dovuto al fatto che il corpo umano ha una resistenza paragonabile a quella che si sta misurando. 2 Annotate sul foglio risultati la resistenza misurata ( R ). 26/05/2008 pagina 18 di 33

20 Scollegate completamente la sonda dall oscilloscopio, cortocircuitate tra loro l uncino e il coccodrillo e misuratene la resistenza dal lato BNC, con il commutatore sia in posizione 10X, sia in posizione 1X. Verificate che nel primo caso 3 la resistenza è quasi esattamente pari a 9 MΩ, mentre nel secondo 4 risulta di alcune centinaia di ohm. Con la stessa procedura, verificate che la resistenza d ingresso della sonda non compensata (pipetta rossa) risulta praticamente nulla. Il dato sulla sonda compensata in posizione 1X, che ha resistenza di centinaia di ohm, mostra che essa non sarebbe adatta per uno strumento di resistenza d ingresso troppo bassa. Infine, collegate il cavo schermato con terminazioni a BNC e pinzette all ingresso 1 dell oscilloscopio e misurate 5 la resistenza d ingresso ai suoi capi, verificando che essa risulta quasi esattamente di 1 MΩ. E evidente che le misure eseguite permettono di valutare esattamente l effetto di carico in cc ove sia nota la resistenza d uscita della sorgente di segnale. 3.8 Uso della sonda 1X - 10X per la compensazione in frequenza Collegate nuovamente la sonda compensata in posizione 1X al canale 1 e al terminale di calibrazione. Eseguite la manovra Setup Default Setup, <F6>, Autoscale, ottenendo una visualizzazione normalizzata dell onda quadra. Servendovi dei cavetti con coccodrilli, interponete tra la sonda e il terminale di calibrazione il resistore prima misurato. 3 Annotate sul foglio risultati la resistenza misurata ( R 10 X ). 4 Annotate sul foglio risultati la resistenza misurata ( R 1X ). 5 Annotate sul foglio risultati la resistenza misurata ( R V ). 26/05/2008 pagina 19 di 33

21 Terminale di calibrazione con resistenza in serie: segnale visualizzato con sonda 1X Mentre in assenza del resistore l onda quadra non appare distorta, perché l impedenza di uscita del generatore è bassa rispetto all impedenza d ingresso del canale 1, ora la forma d onda sullo schermo è affetta da forte distorsione lineare dovuta a un polo a bassa frequenza generato dall effetto di carico. E inutile dire che in queste condizioni una misura di tempo di salita (ma anche di valore efficace, distorsione armonica, ecc.) sarebbe grossolanamente errata. Rimuovete il resistore, collegando la sonda direttamente al terminale di calibrazione, e spostate il commutatore della sonda nella posizione 10X. Premete nuovamente dello schermo. Autoscale per far occupare alla forma d onda una porzione maggiore Spostando il commutatore l onda quadra viene attenuata di dieci volte (il che ha reso necessario premere nuovamente Autoscale ), e quindi la scala verticale delle tensioni va moltiplicata per questo fattore (fattore probe). Ciò può essere eseguito direttamente dal microprocessore dell oscilloscopio. 1 Premete il tasto Probe e quindi il tasto <F6> (in modo da illuminare la cifra 10). L indicazione di sensibilità verticale sulla barra di stato viene moltiplicata per il fattore selezionato, passando da 100mV/div a 1 V/div. 26/05/2008 pagina 20 di 33

22 Il valore di sensibilità verticale visualizzato sulla linea di stato governa tutte le misure di ampiezza, sia manuali che automatiche. Si noti che esso è cambiato senza che sia cambiata la forma d onda sullo schermo. Eseguite la compensazione della sonda ruotando con l apposito cacciavite la vite di regolazione 6, esaminando le deformazioni dell onda quadra nelle diverse posizioni della vite. Lasciate la vite nella posizione che fornisce un onda quadra il più possibile somigliante a quella ideale. - SOVRACOMPENSAZIONE - 26/05/2008 pagina 21 di 33

23 - SOTTOCOMPENSAZIONE - - COMPENSAZIONE CORRETTA - Interponete nuovamente il resistore tra la sonda e il terminale di calibrazione, osservando la notevole riduzione, rispetto al caso precedente, della distorsione lineare. Terminale di calibrazione con resistenza in serie: segnale visualizzato con sonda 10X correttamente tarata 6 Questa vite di regolazione può trovarsi in prossimità dell uncino o in prossimità del connettore BNC in funzione 26/05/2008 pagina 22 di 33

24 Questa manovra illustra l utilità della sonda compensata nel ridurre l effetto di carico e la conseguente distorsione lineare. Potrebbe sembrare che la compensazione sia utile solo con sorgenti di segnale a impedenza dell ordine delle centinaia di kiloohm; ci si può convincere del contrario con un semplice esperimento. Rimuovete il resistore e misurate 7 il tempo di salita dell onda quadra di calibrazione con la sonda impostata sul fattore 10X. Tempo di salita dell onda quadra generata dal terminale di calibrazione: misura ottenuta con sonda 10X Confrontando questo risultato con quello ottenuto con il commutatore in posizione 1X, si constata che il tempo di salita misurato in quella situazione era comunque circa quattro volte superiore a quello reale. In realtà anche di quest ultima misura non possiamo essere del tutto certi, se non si accerta l effettiva assenza di problemi legati all effetto di carico e alla banda finita della sonda e dello strumento. Per darne una ulteriore dimostrazione, modifichiamo la situazione in un modo apparentemente irrilevante. Interponete tra l uncino della sonda e il terminale di calibrazione uno dei cavetti del tipo di sonda. Nelle sonde economiche PMK sono presenti due regolazioni distinte; quella su cui agire in questo esercizio è posta sull impugnatura della sonda vicino all uncino. 7 Annotate sul foglio risultati il tempo di salita misurato ( t r3 ). 26/05/2008 pagina 23 di 33

25 con coccodrilli. Verificate che la misura di tempo di salita 8 varia in questo modo di circa il 20%. Tempo di salita dell onda quadra generata dal terminale di calibrazione: misura ottenuta con sonda 10X in cascata con un filo corto Quanto osservato è un effetto della capacità verso terra del cavetto con coccodrilli, che costituisce un collegamento non schermato. Si tenga presente che il cavo interposto è lungo solo una ventina di centimetri e la frequenza fondamentale del segnale è solo di un migliaio di hertz. Un effetto rilevante si ottiene anche solo toccando con un dito l isolante del cavetto con coccodrilli, il che introduce una capacità parassita, costituita dal corpo umano, in parallelo all ingresso dell oscilloscopio. 3.9 Altre misure automatiche di tempo e di tensione Facendo uso dei menu attivati dai tasti Time e Voltage conoscere con facilità tutti i principali parametri di un segnale periodico. della sezione MEASURE è possibile Ricollegate l uncino della sonda direttamente al terminale di calibrazione 8 Annotate sul foglio risultati il tempo di salita misurato ( t r 4 ). 26/05/2008 pagina 24 di 33

26 (eliminate cioè il cavetto con coccodrilli interposto al punto precedente); Premete Autoscale e misurate i seguenti parametri del segnale: frequenza: Time Freq <F2> Period periodo: <F3> Duty Cy duty-cycle: <F4> Notate come le ultime cifre delle misure ottenute 9 siano piuttosto instabili. Spesso le ultime cifre delle misure risultano ballerine, a causa di un certo livello di rumore presente sia nel segnale stesso, sia nello strumento. In generale, se è possibile acquisire molte forme d onda in condizioni identiche e il rumore è bianco (a campioni incorrelati), l effetto negativo del rumore può essere ridotto a piacimento eseguendo la media di un numero sufficientemente alto di forme d onda. L oscilloscopio impiegato permette di eseguire automaticamente e facilmente quest operazione di media, coinvolgendo fino a 256 forme d onda acquisite consecutivamente. Nella sezione non contrassegnata premete il tasto Display Average, quindi <F3>, quindi # Average <F4> (fino a selezionare il numero 256). Sulla barra di stato compare 9 Annotate sul foglio risultati le quantità misurate ( f ˆ, T ˆ, D ˆ ), limitatamente alle cifre stabili. 26/05/2008 pagina 25 di 33

27 l indicazione misure 10.. Notate, dopo alcuni secondi, la stabilizzazione delle cifre delle L attivazione della media di 256 misure riduce l effetto del rumore (più precisamente: del rumore di ampiezza) al di sotto della risoluzione delle misure. Ciò avviene a scapito della velocità dello strumento, che rileverà con molto maggiore lentezza eventuali variazioni del segnale (un effetto che può essere visto come una riduzione di banda). Completate l acquisizione di informazioni sul segnale eseguendo le seguenti misure di ampiezza 11 : tensione picco-picco: Voltage V p-p <F2> V avg tensione media: <F3> tensione efficace (RMS 12 V rms ): <F4> 10 Annotate sul foglio risultati le quantità misurate. 11 OSC OSC OSC Annotate sul foglio risultati le tensioni misurate ( V, V, V ). pp avg rms 12 RMS è l acronimo di Root Mean Square che si traduce in italiano come valore quadratico medio o valore efficace. 26/05/2008 pagina 26 di 33

28 3.10 Uso del multimetro per misure di tensione in CA. Spostate il selettore del multimetro sulla posizione ~V. Collegate i puntali del multimetro al terminale di calibrazione e al terminale di terra sul pannello frontale dell oscilloscopio. La tensione misurata dal multimetro13 sarà all incirca pari a 2.5 V efficaci, a fronte dei 3.5 V efficaci riportati dall oscilloscopio. Il multimetro in questo momento è predisposto per misurare il valore efficace della sola componente alternata del segnale, cioè del segnale privato della sua componente continua (possiamo chiamare questo valore efficace la deviazione standard temporale del segnale). Il multimetro utilizzato è in grado di eseguire questo tipo di misura per segnali periodici fino alla banda di 100 khz e indipendentemente dalla forma d onda (misura a vero valore efficace o True RMS). L oscilloscopio, invece, qui misura il valore efficace dell intero segnale, comprendendo cioè la componente continua non nulla. Eliminate la componente continua dalla traccia visualizzata sull oscilloscopio premendo 1 e Coupling DC AC <F2> fino a selezionare l accoppiamento AC, quindi ruotate Position fino a portare la linea di zero a coincidere col riferimento verticale, in modo da ripristinare la misura di valore efficace. Verificate che la misura dell oscilloscopio 14 e quella del multimetro ora coincidono a meno di pochi centesimi di volt. Con la manovra eseguita anche l oscilloscopio misura la sola componente ca. Premete Autoscale e quindi ripristinate la misura di valore efficace con Voltage V rms, <F4> Sul multimetro spostate il selettore sulla posizione =V, quindi premete il tasto giallo Select, in modo da far apparire sul display entrambi i simboli = e ~. Verificate che anche ora la misura dell oscilloscopio e quella del multimetro 15 coincidono a meno di centesimi di volt.. 13 DVM Annotate sul foglio risultati la tensione misurata ( Vrms ca ). 14 OSC Annotate sul foglio risultati la tensione misurata ( Vrms ca ). 15 DVM Annotate sul foglio risultati la tensione misurata ( V rms ). 26/05/2008 pagina 27 di 33

29 In questo modo il multimetro è stato predisposto per misurare il valore efficace del segnale, comprensivo della continua. Spostate il selettore del multimetro nuovamente sulla posizione ~V, e premete Select fino a far comparire sul display il simbolo Hz. Verificate che la frequenza misurata dal multimetro 16 coincide, a meno di pochi hertz, con quella misurata dall oscilloscopio Uso dei cursori per misure manuali. Determinazione della risoluzione delle misure. Quando si valuta l incertezza di una misura è necessario naturalmente conoscere in primo luogo la risoluzione (che ricordiamo essere la differenza tra due valori consecutivi forniti in uscita dallo strumento o dall algoritmo di misura). Spesso la risoluzione è semplicemente pari a una unità sull ultima cifra fornita dallo strumento: è questo ad esempio il caso del multimetro che, quando fornisce, ad esempio, la misura di kω ha una risoluzione di 0.01 kω. Però non è questo il caso delle misure fornite dall oscilloscopio, e ciò si può constatare utilizzando un altra possibilità dello strumento, ovvero le misure con cursori. Si vuole misurare il tempo di assestamento al 10% del gradino di tensione del segnale di calibrazione. Poiché questa misura non è disponibile automaticamente, è necessario ottenerla manualmente. Scollegate completamente il multimetro dall oscilloscopio. Clear Meas Premete <F5> per cancellare le misure e i cursori dallo schermo. Impostate la base dei tempi in modo da evidenziare il fronte di salita dell onda quadra (ad esempio: sweep 500 ns/div, delay 1.70 µs). Misurate il valore finale dell impulso con Voltage Next Menu, <F6> V top, <F4>. 16 Annotate sul foglio risultati la frequenza misurata ( DVM f ). 26/05/2008 pagina 28 di 33

30 Nella sezione MEASURE premete Cursors V 1 e quindi <F2>. Con questa manovra le due linee tratteggiate, posizionate precedentemente dal microprocessore in corrispondenza di V base e V top, sono state tramutate in cursori spostabili di cui sono indicate, in volt, le posizioni assolute e la posizione relativa (differenza). Ruotate la manopola cursori (manopola non contrassegnata sotto il tasto Cursors ) fino a portare la linea tratteggiata inferiore a un livello pari al 90% del valore finale. Questo livello può essere determinato facilmente tenendo conto che sullo schermo l indicazione V(1) deve essere pari a un decimo di V2(1) (quindi circa 500 mv). 26/05/2008 pagina 29 di 33

31 t 1 Premete il tasto funzione <F4> in modo da attivare i cursori tempo (linee verticali). Ruotate la manopola fino a portare il primo cursore verticale a coincidere con l istante di inizio del fronte di salita. t 2 Infine, premete <F5> e ruotate la manopola fino a fare coincidere il secondo cursore verticale con il 90% del valore finale del segnale, all intersezione della traccia con il cursore orizzontale. L indicazione t in basso sullo schermo è il tempo di assestamento cercato Annotate sul foglio risultati il tempo di assestamento misurato ( t set ). 26/05/2008 pagina 30 di 33

32 Per stabilire la risoluzione di tale misura, muovete leggermente la manopola cursori verificando che la minima variazione che è possibile impartire alla misura di tempo di assestamento è di µs. La risoluzione in questo caso non corrisponde alla variazione di una unità sull ultima cifra della misura, ma sulla penultima. Si può verificare che questa è la risoluzione di tutte le misure di tempo, sia manuali che automatiche, con il valore di sweep scelto. In generale la risoluzione risulta essere, con questo oscilloscopio, esattamente pari a 1/500 del tempo di spazzolamento, il che è una conseguenza del fatto che la traccia è costruita impiegando 500 campioni. Questa risoluzione può però essere incrementata fino a 2000 campioni/traccia utilizzando l oscilloscopio in modo programmato, attraverso un controller GPIB (un normale PC con opportuna interfaccia e software di gestione). Anche le misure di tensione hanno una risoluzione che non corrisponde all ultima cifra della misura. Per stabilire la risoluzione delle misure di tensione, premete, <F2> V 1, selezionando il primo cursore tensione, e muovete leggermente la manopola. Potrete verificare che i valori V1(1) e V(1) compiono salti discreti diseguali, pari a 31.2 o 31.3 mv a seconda dei casi. Questa risoluzione apparentemente non uniforme è semplicemente dovuta al fatto che questo modello di oscilloscopio presenta le misure sempre e comunque con quattro cifre. In realtà, poiché esso ha 8 bit e il full-scale range è pari in questo momento a (1 V/div) x (8 div) = 8 V, la risoluzione è esattamente pari a 8 V/256 = mv. 26/05/2008 pagina 31 di 33

33 3.12 Visualizzazione e misura del valore efficace di un profilo seriale ripetitivo (kit autodidattico HP 54654A) Arrivati a questo punto l esercitazione prosegue seguendo la guida all uso del kit autodidattico HP 54654A. Un profilo seriale ripetitivo è una sequenza periodica di impulsi digitali di durata variabile che non è possibile visualizzare correttamente senza eseguire un adeguata regolazione del tempo di holdoff del trigger dell oscilloscopio. Accendete la scheda sperimentale HP 54654A. Seguite le istruzioni della guida a partire da pagina 2-15, punto 2, fino a riuscire a visualizzare correttamente 18 il profilo seriale ripetitivo riportato a pag Misurare il valore efficace della tensione 19 con i seguenti metodi: a) con il multimetro; b) con l oscilloscopio, utilizzando le misure automatiche; c) con l oscilloscopio, utilizzando misure manuali. I metodi a) e b) non dovrebbero presentare alcun problema; occorre invece dare qualche indicazione aggiuntiva per la misura con il metodo c). Per eseguire questa misura occorre conoscere la relazione teorica per il calcolo del valore efficace di un segnale periodico di periodo T: 0 1 t + T 2 VRMS = v ( t) dt T t0 Nella formula precedente il pedice RMS è l acronimo di Root Mean Square che significa radice della media del quadrato in inglese; osserviamo che V RMS dipende dalla forma d onda del segnale nell intero periodo T. La presenza di t 0 negli estremi di integrazione indica che l integrale può essere calcolato a partire da un qualsiasi punto. Il segnale che preleverete dalla scheda sperimentale ha l aspetto seguente: 18 Annotate sul foglio risultati il valore di holdoff ( t hold 19 Annotate sul foglio risultati i valori ottenuti ( V, V, V ) utilizzato per visualizzare il profilo seriale. DVM OSC auto OSC man rms rms rms ). 26/05/2008 pagina 32 di 33

34 V p T 1 T 2 T 3 T 4 T Per questo particolare segnale, che è nullo in certi intervalli di tempo ed assume valore Vp in altri intervalli, si può verificare facilmente che risulta: 4 1 V = V T = V RMS p k p T k = 1 δ essendo δ il duty cycle del segnale, ossia il rapporto tra il tempo totale per il quale il segnale è attivo ed il periodo T. Per ottenere la misura manuale del valore efficace sarà quindi necessario eseguire una misura della tensione di picco V p e di 5 intervalli di tempo (il periodo T e gli intervalli T k per k=1, 2, 3, 4); la misura di V p può essere eseguita ricorrendo alla funzione automatica dell oscilloscopio, mentre le misure degli intervalli T k e del periodo dovranno essere eseguite manualmente con i cursori di misura. Notate che anche la misura del periodo T dovrà essere eseguita con i cursori di misura in quanto il firmware dell oscilloscopio non è in grado di stimare correttamente il periodo di questo segnale. I tre metodi dovrebbero dare risultati diversi tra loro. E interessante osservare che il risultato ottenuto dal multimetro dipende anche se di poco dalla polarità con cui viene collegato ai morsetti del segnale. Quale metodo fornisce il risultato più attendibile? Quale fornisce un risultato grossolanamente sbagliato? A cosa sono dovuti gli errori? Il kit autodidattico contiene molti esercizi pratici che dimostrano le possibilità dell oscilloscopio digitale (base dei tempi differita, pag. 2-8; trigger in presenza di anomalie ripetitive, pag. 2-18; funzioni avanzate dell oscilloscopio, pag. 3-1 e seguenti). Questi esercizi si possono eseguire liberamente, nei limiti della disponibilità di tempo. 26/05/2008 pagina 33 di 33