L Oscilloscopio (raccolta di lucidi)
Introduzione L oscilloscopio è lo strumento di misura fondamentale per l analisi dei segnali nel dominio del tempo. Questo dispositivo, che può essere sia analogico che digitale, permette la visualizzazione su una scala graduata bidimensionale (reticolo) di segnali di tensione variabili nel tempo e consente di eseguire misure di ampiezza (valore di picco, efficace, medio, ecc.) e di tempo (periodo, frequenza, sfasamento, duty cycle, tempi di transizione, ecc.). Ricorrendo all uso di opportuni sensori è comunque possibile adottare questo strumento per la visualizzazione dell andamento temporale di qualsiasi grandezza fisica. 2
Con questo strumento estremamente versatile è possibile caratterizzare dispositivi e circuiti, effettuare confronti di vario tipo, verificare il corretto funzionamento di componenti e sistemi, analizzare le caratteristiche di disturbi e interferenze, ecc. 3
Esso visualizza l andamento temporale della tensione ai capi di un bipolo (che può essere un elemento di un circuito, un sensore, ecc.). In quanto misuratore di tensione, l impedenza d ingresso di un oscilloscopio è (normalmente) molto elevata; tipicamente essa è di tipo ohmico-capacitivo ed è costituita dal parallelo di un resistore da 1 MΩ con un condensatore dell ordine della decina di picofarad (10 15 pf per strumenti di classe elevata, 30 35 pf per strumenti economici). Tuttavia gli oscilloscopi a più ampia banda passante (ordine del gigahertz, quindi utilizzabili per l analisi di segnali RF), possono avere impedenza di ingresso di 50 o 75 Ω.
E pertanto uno strumento di tipo voltmetrico visualizza l andamento temporale della tensione ai capi di un bipolo L impedenza d ingresso è (normalmente) molto elevata ed è costituita da un bipolo R-C parallelo: R V =1MΩ C V 10-30pF 5
Un oscilloscopio può essere: - analogico - digitale in funzione delle elaborazioni subite dal segnale prima della visualizzazione. Nell oscilloscopio analogico il segnale di ingresso, dopo un limitato condizionamento (amplificazione o attenuazione), viene direttamente inviato al sistema di visualizzazione. Nell oscilloscopio digitale il segnale di ingresso dopo il condizionamento viene convertito nel dominio numerico con un processo detto di conversione analogico/digitale e solo successivamente viene visualizzato. Un oscilloscopio digitale può essere di tipo DSO (Digital Storage Oscilloscope), DPO (Digital Phosphor Oscilloscope) o MSO (Mixed Signal Oscilloscope) 6
Analogico Oscilloscopio DSO = Digital Storage Oscilloscope Digitale DPO = Digital Phosphor Oscilloscope MSO = Mixed Signal Oscilloscope 7
L OSCILLOSCOPIO ANALOGICO 8
Nel suo funzionamento ordinario un oscilloscopio visualizza un segnale in funzione del tempo. Per ottenere questo tipo di visualizzazione è necessario che il movimento verticale del fascio elettronico sia determinato dal segnale che si vuole rappresentare e che, al contempo, il movimento orizzontale avvenga a velocità costante da sinistra a destra. Occorre quindi che il sistema di deflessione orizzontale sia comandato da un segnale che vari la sua ampiezza linearmente col tempo (segnale a rampa lineare). Quando il fascio elettronico, dopo aver effettuato la scansione (tempo di spazzolamento), raggiunge l'estremità destra dello schermo, deve ritornare all'estremità sinistra (tempo di ritraccia) e ridisegnare una porzione di segnale identica a quella tracciata nella scansione precedente. Poichè l oscilloscopio analogico non ha la possibilità di memorizzare in alcun modo il segnale, questo deve essere necessariamente periodico e la rampa che comanda la deflessione orizzontale, deve essere sincronizzata ad esso. 9
Vy asse verticale (segnale di ingresso) Vx asse orizzontale (base dei tempi) t T S =tempo di spazzolamento T R =tempo di ritraccia T H =tempo di holdoff t V x Τ s Τ r Τ h traccia visualizzata V y + - t 10
Schema a blocchi 11
Il cuore di un oscilloscopio è costituito dal tubo a raggi catodici (CRT, Cathode Ray Tube); quest ultimo è un lungo tubo di vetro sigillato in cui viene fatto un vuoto spinto e alle cui estremità sono poste da una parte una sorgente di elettroni (cannone elettronico) e dall altra lo schermo sul quale viene formata l immagine del segnale. Sulla superficie interna dello schermo è depositato uno strato di materiale che ha la proprietà di illuminarsi quando è colpito dal fascio elettronico (fosfori). Gli elettroni emessi dalla sorgente catodica vengono accelerati da un sistema di elettrodi ad alto potenziale (ordine della decina di kilovolt) in direzione dello schermo e concentrati in forma di fascio (pennello elettronico) che, opportunamente focalizzato, raggiunge lo schermo con sezione puntiforme passando attraverso un sistema di deflessione.
La visualizzazione dell immagine del segnale è ottenuta deviando opportunamente la traiettoria del pennello elettronico e modificando il punto di impatto sullo schermo fluorescente; il sistema di deflessione agisce indipendentemente sia lungo l asse orizzontale (asse temporale o X ) sia lungo l asse verticale (asse delle ampiezze o Y ). Il sistema di deflessione può essere di due tipi distinti: elettrostatico o elettromagnetico. La deflessione elettrostatica è tipica degli oscilloscopi analogici e in questo caso il tubo CRT si dice di tipo vector scan (a scansione vettoriale) mentre la deflessione elettromagnetica è tipica degli oscilloscopi digitali e il tubo CRT si dice di tipo raster scan (scansione a trama). In entrambi i casi l immagine del segnale tende a scomparire rapidamente (la luminosità dei fosfori colpiti dal pennello elettronico decade con legge esponenziale); per questo è necessario ritracciare l immagine a frequenze relativamente elevate (20-30 volte al secondo perché il fenomeno della persistenza dell immagine sulla retina dell occhio dell osservatore dia l impressione di immagine fissa).
Struttura del CRT a deflessione elettrostatica zoccolo delle connessioni elettriche anodi di preaccelerazione e focalizzazione placchette di deflessione verticale cannone elettronico placchette di deflessione orizzontale pennello elettronico anodo di post-accelerazione schermo 14
Dettagli sulla deflessione Applicando le leggi della meccanica classica al moto dell elettrone e trascurando gli effetti dell accelerazione di gravità, si giunge molto facilmente alla seguente relazione: - + V a V d + - b = lunghezza placchette di accelerazione; d = distanza tra le placchette; Vd = d.d.p tra le placchette; Va = tensione di accelerazione; L = distanza tra il centro delle placchette e lo schermo; y = 1 2 b V dv d a L y = distanza dello spot dal centro dello schermo; 15
Lo schermo è dotato di una griglia (reticolo) costituita (sempre) da 10 divisioni orizzontali e 8 divisioni verticali. focus - regolazione della messa a fuoco della traccia scale illumination regolazione illuminazione del reticolo di riferimento intensity - regolazione intensità della traccia
In un oscilloscopio analogico: si ha un immagine del segnale in forma di traccia luminosa continua; la stabilità della traccia è proporzionale alla frequenza del segnale; la luminosità della traccia è inversamente proporzionale alla derivata del segnale (più veloci sono le variazioni del segnale, più debole è la luminosità); non è possibile eseguire elaborazione numerica del segnale; sono al più disponibili operazioni molto semplici come inversione di segno e addizione e queste sono ottenute per via analogica; 17
Esempio di oscilloscopio analogico a doppia traccia (Tektronix TAS 220) - due sezioni verticali - una sezione orizzontale - una sezione di trigger 18
L OSCILLOSCOPIO DIGITALE 19
Negli oscilloscopi digitali il segnale prima di essere visualizzato viene campionato (discretizzato lungo l asse temporale) e digitalizzato (discretizzato lungo l asse verticale). La risoluzione (nominale) del digitalizzatore è normalmente limitata a 8 bit. Il campionamento è fondamentalmente di due tipi: in tempo reale (real-time sampling) o in tempo equivalente (equivalent-time sampling); quest ultimo può poi essere sequenziale (sequential equivalent-time) o casuale (random interleaved sampling). Un oscilloscopio digitale: dà una traccia formata da punti discreti (eventualmente interpolati); permette l elaborazione numerica del segnale; luminosità e stabilità della traccia non dipendono dalla frequenza o dalla velocità locale del segnale. può essere dotato di moduli di comunicazione che ne consentono il controllo remoto e/o automatico, ad esempio tramite PC. 20
Gli oscilloscopi digitali si dividono in due classi distinte, tecnologicamente molto diverse tra loro: I DSO (Digital Storage Oscilloscopes) sono la versione tradizionale e meno costosa degli oscilloscopi digitali; I DPO (Digital Phosphor Oscilloscopes) invece, sono una versione elaborata dei DSO che riproducono numericamente la modalità di visualizzazione degli oscilloscopi analogici (asse z delle intensità) mantenendo i vantaggi dell acquisizione e dell elaborazione digitale che è propria degli oscilloscopi digitali. A questi, negli ultimi anni, sono stati affiancati gli MSO (Mixed Signal Oscilloscopes, ossia Oscilloscopi a Segnali Misti) di cui si darà qualche cenno nel seguito. Sebbene il funzionamento e le modalità di visualizzazione dell oscilloscopio digitale sono in genere differenti da quelle dell oscilloscopio analogico, l aspetto e i principali comandi sono sostanzialmente gli stessi. 21
esempio di oscilloscopio digitale tipo DSO (HP54603) -sezioni verticali -sezione orizzontale -sezione di trigger
Gli oscilloscopi analogici spesso consentono di visualizzare la forma d onda somma o differenza di due canali. Gli oscilloscopi digitali permettono di eseguire e visualizzare manipolazioni matematiche del segnale anche molto più complesse (moltiplicazione, divisione, integrazione, derivazione, FFT, ecc.)
y (tensione) x (tempo) z (intensità) L asse z delle intensità è disponibile solo sugli oscilloscopi analogici e sugli oscilloscopi digitali di tipo DPO; l intensità di un punto sullo schermo aumenta con il tempo ed il numero di volte in cui il segnale persiste in quel punto. 24
Uso di un DPO per la visualizzazione di un diagramma ad occhio. 25
Gli MSO (Mixed Signal Oscilloscopes) Sono oscilloscopi digitali (generalmente di tipo DSO) che, in aggiunta ai normali canali di ingresso analogici, dispongono anche di un certo numero (spesso piuttosto limitato, non oltre i 16) di canali digitali; Consentono quindi di visualizzare contemporaneamente sullo schermo l andamento di segnali analogici e di segnali digitali; questa è un esigenza sempre più sentita nell elettronica industriale e consumer dove sono molto diffusi sistemi misti analogico/digitale; Dispongono di ulteriori modalità di trigger avanzate che consentono di avviare l acquisizione, ad esempio: quando tutti o alcuni i segnali digitali di ingresso rispettano un certo pattern (combinazione di livelli alti e bassi), quando su una data linea si presenta un impulso di durata inferiore o superiore ad un certo limite definibile dall operatore; quando uno o più segnali presentano determinate transizioni (da alto a basso o da basso ad alto); ecc. 26
Esempio di oscilloscopio a segnali misti (Agilent 54621D) Traccia dell ingresso 1 (analogico) Connettore di canali digitali (pod) Tracce degli ingressi digitali 27
Le misure su segnali digitali possono essere effettuate sia con canali analogici che con canali digitali di un oscilloscopio digitale MSO. Acquisendo un segnale digitale usando un canale analogico, è possibile mettere in luce problemi di integrità del segnale, ad esempio fronti di salita troppo lenti, tempi di assestamento lunghi, jitter, livelli di tensione errati. Tuttavia l acquisizione analogica comporta: - l uso di convertitori A/D a più bit (per rappresentare più di due valori di tensione), quindi generalmente più lenti rispetto a convertirori ad un solo bit; - una maggiore occupazione di memoria (tipicamente 8 bit per campione). Al contrario il segnale acquisito con un canale digitale può essere direttamente interpretato come sequenze di simboli binari (0, 1). In questo modo vi è una minore occupazione di memoria (un solo bit per campione) ed è possibile raggiungere frequenze di campionamento più elevate. E anche possibile aumentare il numero di canali digitali mantenendo costi accettabili (rispetto al caso di canali analogici). Tuttavia si perde l informazione sugli effettivi valori di tensione nel tempo, utile per diagnosticare problemi di integrità del segnale. In ogni caso l analisi al livello di protocollo di comunicazione digitale ha sempre come presupposto l interpretazione dei segnali come sequenze di simboli binari, non come valori di tensione. 28
Le sezioni dell oscilloscopio 29
Osc. analogico (Tektronix TAS 220) Osc. digitale tipo DSO (HP54603) 30
La SEZIONE VERTICALE 31
un esempio di sezione verticale di un oscilloscopio analogico (TEKTRONIX TAS220) manopola di regolazione della posizione della traccia sullo schermo (offset) selettore delle tracce da visualizzare pulsante di selezione del modo di visualizzazione (chop/alternate) manopola di regolazione della sensibilità verticale (tipicamente da 1-2 mv/div a 5 V/div) pulsante di selezione del tipo di accoppiamento alla sorgente di segnale (AC/DC) pulsante di messa a terra dell ingresso (per il posizionamento accurato della traccia lungo l asse verticale) connettori BNC di ingresso 32
La sezione verticale comprende, poi, il controllo per l accoppiamento (coupling) del segnale sotto misura con lo strumento DC: accoppiamento in continua (bipolo collegato direttamente all oscilloscopio); AC: la componente continua è rimossa inserendo un condensatore in serie (ciò altera l impedenza d ingresso e la risposta dinamica); GND: la sonda è scollegata (internamente) dal sistema verticale al quale è invece applicata una tensione nulla; Bandwidth Limit (o HF Reject): l ingresso è filtrato passa-basso in modo da ridurre il rumore (altera impedenza di ingresso e risposta dinamica).
La SEZIONE ORIZZONTALE 34
Un esempio di sezione orizzontale di oscilloscopio analogico (TEKTRONIX TAS220) manopola di regolazione della posizione orizzontale (horizontal delay o position) pulsante della funzione MAGNIFIER che consente di aumentare di un fattore 10 la velocità di sweep in modo da vedere dettagli veloci del segnale (non presente su tutti gli oscilloscopi) manopola di regolazione della velocità di sweep (da poche decine di nanosecondi/div a qualche secondo/div, in funzione del pregio dello strumento) controlli per la regolazione fine della velocità di sweep; utile, ad esempio, per misure di tempo relativo come quella di duty cycle dei segnali impulsivi 35
Comunemente gli oscilloscopi analogici disponibili commercialmente dispongono di almeno due canali di ingresso e di una sola base dei tempi. Poiché il sistema di trigger può agire su un solo segnale per volta, sarà possibile visualizzare stabilmente e contemporaneamente sullo schermo solo forme d onda di segnali aventi frequenze che stanno tra loro in rapporto razionale, cioè tali che: f f x y nx = con nx, ny N n y In caso contrario il segnale non sincronizzato apparirà in movimento sullo schermo. Si può ovviare all inconveniente solo ricorrendo ad oscilloscopi con basi dei tempi multiple ed indipendenti l una dall altra; questi strumenti prevedono ovviamente anche l uso di sistemi di deflessione distinti per ogni canale ed hanno perciò costi molto elevati. 36
Per gli oscilloscopi a più canali e con singola base tempi possiamo scegliere tra due modalità di visualizzazione simultanea alternate e chop. 37
Un altro importante controllo della sezione orizzontale è quello che permette di passare dalla visualizzazione in modo normale a quella in modo XY. In modo normale l oscilloscopio visualizza i segnali di ingresso in funzione del tempo. L asse x è in questo caso controllato dalla base dei tempi interna. In modo XY l oscilloscopio visualizza la curva parametrica (X(t), Y(t)), dove Y è il segnale applicato al canale 2 e X è il segnale applicato al canale 1.
La SEZIONE DI TRIGGER 39
Un esempio di sezione di trigger di un oscilloscopio analogico (TEKTRONIX TAS220) manopola di regolazione dell holdoff manopola di impostazione del livello di trigger slider per la selezione del tipo di accoppiamento al segnale pulsanti di selezione del modo di trigger (norm, auto, single) pulsante di selezione della pendenza del trigger ingresso per segnale di trigger esterno slider per la selezione della sorgente del trigger 40
In un oscilloscopio analogico per ottenere una traccia stabile sullo schermo è necessario: che il segnale di ingresso sia periodico; che esso sia tracciato sempre con la stessa fase (ossia con un ritardo fisso rispetto all inizio di un periodo); a questo provvede un apposita sezione interna dell oscilloscopio: la SEZIONE DI TRIGGER; Attenzione! In generale: lo spazzolamento NON dura un numero intero di periodi; la durata è stabilita dall impostazione della base tempi (manopola time/div ); il segnale NON è visualizzato senza interruzioni, ma possono essere saltati tratti anche molto lunghi rispetto al suo periodo.
L istante di trigger è quello in cui il segnale raggiunge un certo valore (trigger level) con pendenza di segno fissato (trigger slope) Nella sezione trigger dell oscilloscopio troviamo quindi in primo luogo questi due controlli.
livello di trigger.. punti di trigger spazzolamento (sweep).. istanti di trigger segnale applicato alle placchette di deflessione orizzontale fase di spazzolamento fase di ritraccia t Tempo di holdoff Istante di RIARMO del trigger 43
Occorre evidenziare che in un oscilloscopio analogico sono presenti almeno 2 modalità di trigger: Normal in cui l oscilloscopio spazzola l asse orizzontale solo se il segnale è presente e soddisfa le condizioni di trigger; in questa configurazione, nel caso di perdita di aggancio, l oscilloscopio analogico presenta uno schermo vuoto e l oscilloscopio digitale mantiene sullo schermo l ultima traccia ottenuta; Auto in cui l oscilloscopio spazzola la base dei tempi anche in assenza di condizione di trigger. E utile, ad esempio, quando non è pratico modificare continumente le impostazioni di trigger mentre si misurano segnali prelevati in punti diversi di un circuito. E utile anche per la visualizzazione di segnali costanti. 44
Negli oscilloscopi digitali sono possibili anche altre modalità di trigger, come ad esempio: Auto Level in cui la logica interna dell oscilloscopio determina automaticamente il livello di trigger più opportuno; la base tempi resta quindi sempre (o quasi...) agganciata al segnale. L operatore può cambiare il livello di trigger ma se questo comporta la perdita di aggancio, l oscilloscopio provvede a riposizionarlo automaticamente; Single in cui l oscilloscopio esegue un solo ciclo di acquisizione; questa modalità serve nel caso di segnali non ripetitivi o single-shot e non è compatibile con la modalità di acquisizione in tempo equivalente. 45
Il segnale di trigger può essere ricavato da uno dei canali di ingresso, oppure da un canale ausiliario dotato di un connettore proprio (external trigger). L accoppiamento del circuito di trigger con il segnale può essere: AC/DC: identico significato dell accoppiamento del segnale di ingresso alla sezione verticale; TV (o video): in questo caso l oscilloscopio si imposta automaticamente per visualizzare correttamente un segnale di ingresso di tipo video analogico, estraendo da esso il segnale di sincronismo. HF Reject: viene soppresso il contenuto armonico ad alta frequenza sovrapposto al segnale; utile per limitare l incertezza nell istante di trigger dovuta al rumore; Esiste inoltre sempre la modalità LINE nella quale il segnale di trigger è ottenuto direttamente dal segnale alternato sinusoidale della rete di alimentazione; questa modalità è molto utile per la visualizzazione di segnali sincroni con quello di rete. 46
Un altro controllo della sezione di trigger, fondamentale per la corretta visualizzazione di alcuni tipi di segnali, è quello di holdoff ( trattenimento del trigger) Esso permette di regolare l ampiezza di un intervallo di tempo, successivo all istante di trigger, in cui il verificarsi di ulteriori condizioni di trigger è ignorato. Il controllo dell holdoff è fondamentale per la corretta visualizzazione di segnali che soddisfano la condizione di trigger più volte in uno stesso periodo (caso tipico è quello dei segnali digitali seriali). Nel caso di figura, con una regolazione opportuna dell holdoff, lo spazzolamento parte sempre in corrispondenza del primo impulso di ogni sequenza di tre, ottenendo un immagine stabile.
Un esempio di regolazione errata dell holdoff. Punto di Trigger Intervalli di acquisizione Livello di Trigger Holdoff Holdoff 48
Lo stesso segnale con una regolazione adeguata dell holdoff. Punto di Trigger Intervalli di acquisizione Livello di Trigger Holdoff Holdoff 49
IMPORTANTE: In un oscilloscopio analogico l istante di trigger corrisponde SEMPRE all estremo sinistro della traccia visualizzata; questo perché il segnale non può essere memorizzato in alcun modo. In un oscilloscopio digitale, invece, l acquisizione è continua ed è la sola visualizzazione sullo schermo ad essere sincronizzata mediante il sistema di trigger. Questo consente di vedere l andamento del segnale anche prima dell istante di trigger (pretrigger). 50
In definitiva, quando si usa un oscilloscopio è necessario eseguire tre operazioni fondamentali per visualizzare correttamente un segnale: 1. regolare la sensibilità verticale (attenuazione/amplificazione) tramite la manopola volt/div in modo da adattare l ampiezza del segnale al range di misura desiderato; 2. regolare la base tempi tramite la manopola time/div (sezione orizzontale) in modo da visualizzare l intervallo di tempo desiderato; 3. impostare correttamente la sezione di trigger (sorgente, livello, pendenza, modo e holdoff) per stabilizzare l immagine del segnale sullo schermo. 51
Campionamento nell oscilloscopio digitale 52
Campionamento real-time: in questo caso l oscilloscopio è in grado di acquisire in un unica scansione un numero di punti idoneo a ricostruire fedelmente il segnale di ingresso. Questo è possibile per segnali di contenuto armonico (molto) minore di 1/2 della frequenza di campionamento dell oscilloscopio ed è l unico metodo utilizzabile nel caso di segnali impulsivi non ripetitivi. Nel 2013 le frequenze massime di campionamento in tempo reale per strumenti commerciali sono circa 160 GHz, con bande analogiche fino a circa 65 GHz. Alcuni oscilloscopi digitali usano un campionamento in tempo reale per velocità di sweep basse e passano automaticamente al modo di campionamento in tempo equivalente per velocità di sweep elevate. 53
Campionamento real-time Il quantizzatore di un ADC ha una frequenza di funzionamento che, nei dispositivi commerciali più costosi, può raggiungere circa 2 GHz (ADC Maxim MAX109 nel 2013). Sono state ideate molte architetture per ottenere frequenze di campionamento superiori, quali interleaving e analog-memory sampling. Time-Interleaved ADC: 54
Analog-memory sampling Una matrice di memorie analogiche è anteposta all ADC e funge da dispositivo FISO (Fast In Slow Out). La matrice è riempita a velocità elevata, connettendo in sequenza ciascuna cella al bus analogico (segnale d ingresso). Successivamente, quando è stato raccolto un numero prefissato di campioni postrigger, le celle sono connesse sequenzialmente all ADC (non rappresentato in figura), ma con velocità minore, adeguata alla frequenza di campionamento dell ADC. 55
Campionamento in tempo equivalente In questo caso l oscilloscopio acquisisce e visualizza campioni che appartengono a periodi diversi del segnale di ingresso. Un acquisizione è composta da più cicli di cattura. Se lo shift temporale tra cicli di cattura è casuale si ha il campionamento in tempo equivalente casuale mentre se esso è progressivamente crescente in modo deterministico si ha il campionamento in tempo equivalente sequenziale. Questa tecnica è necessaria per visualizzare segnali la cui frequenza è molto elevata (anche superiore a 1/2 della frequenza massima di campionamento dell oscilloscopio) ed è utilizzabile solo nel caso di segnali ripetitivi. 56
Campionamento in tempo equivalente casuale 57
Campionamento in tempo equivalente casuale - I cicli di cattura (composti ciascuna da più campioni equispaziati) sono generati in modo asincrono rispetto al segnale. - Il ritardo tra l evento di trigger (sincrono con il segnale) e l istante del campione immediatamente successivo è misurato (e discretizzato) in ciascun ciclo di cattura. - Sono acquisiti anche campioni pretrigger. - I ritardi misurati sono utilizzati per fondere in un unica forma d onda più cicli di cattura. - Se un ciclo di cattura ha lo stesso ritardo di uno precedente appartenente alla stessa acquisizione, uno dei due è scartato. - Non c è sicurezza del completamento dell acquisizione entro un tempo prestabilito: la forma d onda ricostruita presenta dei «buchi» nel caso non si siano presentati cicli di cattura aventi il valore di ritardo necessario. 58
Campionamento in tempo equivalente sequenziale - I cicli di cattura (composti ciascuno da un solo campione) sono generati in modo sincrono rispetto al segnale. - Il ritardo tra l evento di trigger (sincrono con il segnale) e l istante del campione immediatamente successivo è generato da circuiteria apposita. - Non sono acquisiti campioni pretrigger. - Ciascun ciclo di cattura aggiunge un campione alla forma d onda ricostruita. - Non vi sono cicli di cattura con lo stesso ritardo di uno precedente appartenente alla stessa acquisizione. - L acquisizione è completata entro un tempo prestabilito. 59
Schema a blocchi di un oscilloscopio digitale L architettura in esempio supporta sia campionamento in tempo-reale con memoria analogica (resa possibile dal blocco 20), sia campionamento in tempo equivalente casuale (resa possibile dal blocco 30). 60
Interpolazione Il numero di campioni acquisiti in una scansione è comunque limitato; al fine di ottenere una visualizzazione in forma di traccia continua, gli oscilloscopi digitali ricorrono ad una interpolazione. Le interpolazioni possono essere di vari tipi ma le più utilizzate sono quella lineare (figura a lato) e quella sinx/x che fornisce risultati migliori (traccia con raccordi più dolci). 61
La deflessione negli oscilloscopi digitali I primi oscilloscopi digitali erano dotati di monitor CRT. La deflessione elettromagnetica è realizzata mediante appositi induttori avvolti su un supporto di forma tronco-conica e disposto all esterno del tubo CRT. Per questi oscilloscopi la scansione dell immagine è di tipo raster scan, lo stesso tipo impiegato nei televisori domestici CRT. Questo perché sul loro schermo oltre all immagine del segnale sono normalmente visualizzate molte altre informazioni (impostazioni degli assi verticali e orizzontale, trigger, misure automatiche, cursori, ecc.). Ciò non sarebbe possibile se si adottasse una scansione dell immagine di tipo vector scan. Negli oscilloscopi digitali più recenti il display è di tipo LCD (Liquid Crystal Display) monocromatico o a colori, il che consente ingombri estremamente contenuti. Per questi tipi di display (che sono a matrice di punti) non ha senso parlare di deflessione. 62
Le misure con l oscilloscopio 63
Collegamento dell oscilloscopio ai circuiti in prova Dal punto di vista elettrico gli ingressi di un oscilloscopio sono normalmente di tipo grounded single-ended, vale a dire che essi hanno il terminale di riferimento del segnale in comune e messo a terra (caso di figura). Le altre configurazioni possibili sono: - floating single-ended: filo di ritorno comune ai due canali ma isolato da terra; - differential: fili di ritorno dei due canali isolati tra loro e da terra; in ordine crescente di vantaggio e di costo. Si deveno sempre tenere presente che nel connettere l oscilloscopio a un circuito si collegano insieme e si mettono a terra determinati punti.
Errori nella connessione di oscilloscopi grounded single-ended DUT SCOPE Vm1 DUT SCOPE Vm Vm2 SUPPLY DUT SCOPE COMM Vm 65
Un elemento indispensabile per la connessione dell oscilloscopio ai punti di misura è la sonda (probe) e può essere di vari tipi: attenuante o non attenuante, compensabile o no. cacciavite di compensazione anelli marcatori adattatore ad uncino adattatore per piedini di c.i. cavetto di massa pinzetta a coccodrillo estremità di connessione all oscilloscopio (BNC) Le sonde più semplici hanno un rapporto di attenuazione fisso (1/10/100/1000x); la sonda 1x non attenua il segnale e non consente compensazione di frequenza. Le altre attenuano il segnale ma consentono la compensazione. Esistono sonde con fattore di attenuazione commutabile (molto diffuse sono le sonde 1x/10x).
Una sonda con fattore di attenuazione > 1 è una resistenza elevata con in parallelo un condensatore di capacità variabile (compensatore). Si può verificare che con un opportuno valore di capacità della sonda si annulla l effetto passabasso della capacità equivalente dell oscilloscopio. sonda compensata segnale attenuato 10 volte (1 Vp-p) segnale 10 Vpp ingresso oscilloscopio compensatore Al prezzo dell attenuazione, con la sonda si ottiene di caricare 10 volte di meno il circuito e di annullare l effetto della capacità. Andrebbe sempre usata per segnali di frequenza >5 khz e di ampiezza sufficientemente alta rispetto al rumore (questo perché l effetto di carico diventa più pronunciato alle alte frequenze).
compensazione della sonda: 1. si connette la sonda ad un generatore di segnale di riferimento (onda quadra di frequenza circa 1 khz e ampiezza circa 5 V) integrato nell oscilloscopio; 2. si regola il compensatore col cacciavite di plastica fornito, fino alla visualizzazione ottimale del segnale (onda quadra piatta).
Funzione di trasferimento ed effetto di carico (1/2) Eq. di Thevenin Sonda Oscilloscopio A) Sonda 1X B) C) D) E) Sonda 10X 69
Funzione di trasferimento ed effetto di carico (2/2) Ct = Cc + Cl + Ci Casi A) e B) Z load Ri = 1 + jωrc i t, Ri Vm 1+ jωrc i t Ri 1 = =, V R s i Rs + R RR i i s Rs + 1+ jω Ci 1+ jωrc R + R R RR i i s + R s = R // R i s i t i s Caso C) Caso E) Z load Rp Ri = + 1+ jωr C 1+ jωrc p p i t Ri Vm 1+ jωrc i t = V R s p Ri Rs + + 1+ jωr C 1+ jωrc p p i t, Caso E) con compensazione: RC Z i t p p load = R C Rp + Ri = 1 + jωrc, p p, Ri V 1+ jωrc m p p Ri 1 = =, V R s p + Ri Rs + R RR p + Ri s p Rs + 1+ jω Ct 1+ jωrc R + R+ R Vp Ri = V R + R s i p p p s i p Z load Ri = Rp + 1 + jωrc Ri Vm 1+ jωrc i t = = V R s i Rs + Rp + 1 + jωrc Ri 1 R i( s p) s + R R R R C p + R + i i 1+ jω R + R + R R ( R + R ) i s p R + R + R i s p i = R / /( R + R ) t, i t i s p i s p, 70
1) Misura di tensione di picco, tensione picco-picco, corrente, resistenza Nelle misure di tensioni di picco porre attenzione a identificare correttamente la linea a zero volt! cursori Vp = kv λvo Vpp = kv λv λ vo λ v Nel caso di segnale sinusoidale: V rms = k v λ 2 2 v
2) Misura di periodo (frequenza) λ T T = k t λ T ( n. periodi ) f 1 ( n. periodi ) = = T k λ t T
3) Misura di sfasamento tra segnali 2YM 2Y0 λ t In modo normale è possibile visualizzare e misurare lo sfasamento tra segnali isofrequenziali qualunque. Per sinusoidi a media nulla, se kk tt λλ tt è l intervallo tra due attraversamenti per lo zero, si ha ϕ ωτ 2π f k t λ t In modo XY è possibile misurare lo sfasamento tra due sinusoidi in base al rapporto tra altezza e intercetta all origine dell ellisse. ϕ = arcsin 2Y 2Y = = ( ) 0 M
4) Misura dei parametri temporali di un impulso I parametri tipici sono tempo di salita o discesa (tra 10% e 90% del valore di picco) e la durata dell impulso (tra i punti al 50% dell ampiezza). Spesso l oscilloscopio permette la regolazione fine del guadagno verticale, in modo da far coincidere la base e il tetto dell impulso con dei marcatori prestampati sulla griglia.
Approfondimenti Gli oscilloscopi digitali Hewlett Packard della serie 546xx 75
Gli oscilloscopi HP della serie 546xx dispongono di display interattivi in grado di visualizzare in tempo reale i cambiamenti di segnale. La velocità di aggiornamento del display semplifica la regolazione eliminando l'intervallo che intercorre tra l'esecuzione della modifica e l'osservazione del risultato. Ciò è utile anche per la visualizzazione di sgnali che subiscono variazioni rapide, ad esempio nel caso di modulazione d'ampiezza. 76
I controlli consentono l'accesso e la gestione delle funzioni attraverso un'essenziale struttura a menù. Alcune peculiarità dello strumento sono: una scala dei tempi negativi (pretrigger), la possibilità di memorizzazione permanente di impostazioni, la capacità di realizzare diverse misure automatiche sia sull asse temporale che sull asse verticale, la stampa diretta dei test, la possibilità di essere interfacciato ad un computer per il controllo remoto, ecc. Tutto ciò consente la soluzione dei più difficili problemi di test. La possibilità di pretrigger consente la visualizzazione di eventi che si verificano prima dell evento di trigger; questi verrebbero omessi dagli oscilloscopi analogici. 77
Sul pannello frontale sono accessibili manopole, e vari tasti di colore grigio o bianco. I tasti grigi sul pannello frontale attivano diversi menu di tasti funzione disponibili sulla parte inferiore del display. A ciascun tasto funzione corrisponde l'operazione indicata nel display subito sopra di esso. I tasti bianchi sono tasti di azione istantanea e non hanno nessuna corrispondenza con i menu. tasti funzione 78
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Le FIGURE DI LISSAJOUS 81
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