L oscilloscopio. Samuele Straulino.

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Adelina De Angelis
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L oscilloscopio Samuele Straulino straulino@fi.

1 L oscilloscopio Samuele Straulino

Cos è un oscilloscopio Si tratta sostanzialmente di un voltmetro capace di visualizzare in funzione del tempo la differenza di potenziale fra due terminali d ingresso.

2 Cos è un oscilloscopio Si tratta sostanzialmente di un voltmetro capace di visualizzare in funzione del tempo la differenza di potenziale fra due terminali d ingresso. V = V cosωt ; ν ω / 2π = Segnale sinusoidale Banda passante intervallo di frequenze osservabili Può andare da ν = fino a ν 25 MHz ν 1GHz per oscilloscopi analogici per oscilloscopi digitali

3 Schema a blocchi dell oscilloscopio emissione di elettroni per effetto termoionico: Ni + ossidi di Sr o Ba T ~ 8-9 C Tubo a raggi catodici Cathode Ray Tube (CRT) schermo magnetico CATODO cannone elettronico focheggiamento fosfori placchette deflettrici

4 Schema a blocchi dell oscilloscopio cannone elettronico

5 Elettroni in un metallo: livelli energetici Gli elettroni sono confinati all interno di un metallo per la presenza di un potenziale di altezza E B che non sono in grado di superare. Il numero di elettroni nel metallo per unità di volume e di energia a una temperatura T è espresso dalla relazione: ρ( E) = 1 + c exp( E E E F ) kt dove E F èdetta energia di Fermi. Si osserva che per T = sono occupati tutti e soli gli stati per cui E < E F mentre per T > anche stati a energia più alta possono essere popolati (figura a lato). Tuttavia, solo se E > E B = E F + E W l elettrone può lasciare il metallo. E = 2 kt <1eV Energia media degli elettroni emessi

6 Accelerazione degli elettroni Langmuir I. Phys. Rev. II serie, vol. II (1913) 45 La carica spaziale dà luogo a un regime autoregolato in cui la corrente che si ottiene fra catodo e anodo dipende solo dalla geometria e dalle tensioni applicate, ma non dalla temperatura del catodo. In particolare vale la legge: I = cv 3 2 (legge di Langmuir-Child)

7 Estrazione del fascetto di elettroni V con 1 V V acc +2 V V c = V

8 Schema a blocchi dell oscilloscopio focheggiamento

9 Focheggiamento del fascetto di elettroni 1 Il fascetto di elettroni passa attraverso tre elettrodi cilindrici tenuti a potenziali opportuni: il potenziale V F è regolato dall utente tramite il controllo focus ed è comunque inferiore a V. Un elettrone che viaggia lungo l asse del sistema sente soltanto forze dirette lungo l asse, che lo rallentano nel passaggio fra il primo e il secondo elettrodo e lo accelerano fra il secondo e il terzo.

10 Focheggiamento del fascetto di elettroni 2 Il fascetto di elettroni passa attraverso tre elettrodi cilindrici tenuti a potenziali opportuni: il potenziale V F è regolato dall utente tramite il controllo focus ed è comunque inferiore a V. Invece l effetto netto su un elettrone che viaggia fuori dall asse del sistema è convergente, perché la sua velocità nella zona centrale (a potenziale inferiore) è più piccola.

11 Schema a blocchi dell oscilloscopio placchette deflettrici

12 Deflessione del fascetto di elettroni = = t ma ev v a ev dt y d m y = = = t m ev z t z m ev v ev mv z z 2 2 ) ( / tan 2 2 tan 2 ) ( av bv L L d av bv ev m b ma ev v v ev m b t b z t z z y = = = = = = = ϑ ϑ lungo y : lungo z : 2aV Lb V d = sensibilità di deflessione (V potenziale dell anodo)

13 Placchette deflettrici & creazione del segnale Alle placchette deflettrici verticali viene applicata la differenza di potenziale da visualizzare. Alle placchette orizzontali, invece, viene applicata una tensione linearmente crescente (dente di sega) di durata proporzionale al valore scelto dall utente per la scala dei tempi. trigger trigger trigger

14 Trigger con un segnale esterno scorrelato

15 Placchette deflettrici & creazione del segnale Se acquisisco lo stesso segnale, ma dimezzo il valore impostato sulla scala dei tempi, osserverò una porzione più ristretta della sinusoide:

16 L oscilloscopio digitale Oltre alla banda passante (es. 5 MHz) è caratterizzato dalla frequenza massima di campionamento (es. 2 GS/s, cioè 2 GigaSamples/second) Vantaggi rispetto all oscilloscopio analogico : Compattezza dello strumento; Banda passante più ampia; Informazioni sul segnale disponibili per successiva analisi-dati; Funzione di pre-trigger Numerose altre funzioni utili: RUN/STOP, linee di riferimento spostabili ecc.

17 L oscilloscopio digitale segnale vero In questo secondo tipo di oscilloscopio il segnale in ingresso viene campionato da un ADC (convertitore analogico-digitale), memorizzato e quindi visualizzato. Se la frequenza di campionamento è f, è possibile visualizzare segnali che oscillano in un intervallo di frequenze fino a f/2 (teorema del campionamento di Nyquist)

18 Ampiezza Aliasing t (ms) sinusoide a 3.5 khz

19 Ampiezza Aliasing t (ms) sinusoide a 3.5 khz campionamento a 4 khz

20 Ampiezza Aliasing t (ms) campionamento a 4 khz

21 Ampiezza Aliasing t (ms) sinusoide a 3.5 khz campionamento a 4 khz sinusoide a.5 khz

22 Ampiezza Aliasing t (ms) sinusoide a 3.5 khz sinusoide a.5 khz campionamento a 8 khz

Lettura della tensione tensione da misurare tensione di riferimento In un oscilloscopio che abbia un ADC a n bit (in figura n=3) la tensione da misurare viene confrontata con 2 n -1 tensioni di

23 Lettura della tensione tensione da misurare tensione di riferimento In un oscilloscopio che abbia un ADC a n bit (in figura n=3) la tensione da misurare viene confrontata con 2 n -1 tensioni di riferimento prodotte a partire da V REF da un partitore di tensione: le risposte dei 2 n -1 comparatori (una sequenza ordinata del tipo 1111) vengono gestite da una logica combinatoriale che fornisce il valore binario della tensione. Flash ADC

I principali comandi Regolazioni (INTENSITY,

funzione X-Y) Scelta del trigger (SOURCE,

24 I principali comandi Regolazioni (INTENSITY, BEAM FIND, FOCUS, x or y POSITION) Impostazione VOLTS/DIV su canale 1 e canale 2 Impostazione SEC/DIV per entrambi i canali (o funzione X-Y) Scelta del trigger (SOURCE, SLOPE, LEVEL) Altri comandi (AC, DC, GND, ALT, CHOP, ADD) DC AC

25 Visualizzare un segnale sinusoidale

26 Visualizzare un segnale sinusoidale

27 L oscilloscopio digitale

28 Registrazione dei segnali con l oscilloscopio digitale

29 Registrazione dei segnali con l oscilloscopio digitale

30 FFT 44 Hz 132 Hz 22 Hz Dominio del tempo (T = 2.27 ms) Dominio della frequenza ( f = 44 Hz e armoniche!) decibel: A (db) = 1log 1 A A

31 t f f1 ( x) = sin t f ( x) = sint 2 +.1sin 3t +.4sin 5t ω = 1 f = 1 2π f

sistema SONDE ATTENUATE Attenuano il segnale in

32 Accorgimenti per l uso dell oscilloscopio CAVETTI COASSIALI riducono l effetto di interferenze esterne al sistema SONDE ATTENUATE Attenuano il segnale in ingresso di un fattore indipendente dalla frequenza (tipicamente 1)

33 Accorgimenti per l uso dell oscilloscopio TERMINAZIONI A 5 Ω riducono le riflessioni del segnale che si verificano ad alte frequenze quando il cavo è utilizzato per connettersi a un dispositivo con ingresso ad alta impedenza

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