PROVA 1: INTRODUZIONE ALL USO DI MULTIMETRO E OSCILLOSCOPIO DIGITALI

PROVA 1: INTRODUZIONE ALL USO DI MULTIMETRO E OSCILLOSCOPIO DIGITALI 00002

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 compilato. La prima parte, relativa alla strumentazione utilizzata, è in questa prima prova quasi del tutto precompilata (occorre solo precisare il modello dell oscilloscopio). Nella seconda parte del foglio occorre 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. 00002 1

Strumenti e materiale utilizzati Oscilloscopio digitale HP 54600B o 54603B Multimetro digitale HP 974A Sonda non compensata (cavo schermato con BNC e pipetta) Sonda compensata commutabile 1X 10X Cacciavite per compensazione sonde Cavetto con coccodrilli Resistore 220 kω ± 5%, ¼ W Kit auto-didattico HP54654A 00002 2

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: 1. sezione VERTICAL, con le manopole Volts/div e Position, i tasti 1, 2, ±, e gli 1X 2Y ingressi BNC e ; 00002 3

2. sezione HORIZONTAL, con le manopole Delay, Time/div, e il tasto Main Delayed ; 3. sezione TRIGGER, con le manopole Level e Holdoff, e i tasti Source, Mode, Slope Coupling ; 4. sezione STORAGE, con i tasti Run, Stop, Autostore ed Erase ; 5. sezione MEASURE, con i tasti Voltage, Time e Cursors ; 6. sezione SAVE/RECALL, con i tasti Trace e Setup ; 7. infine, una sezione non contrassegnata, con i tasti Autoscale, Display Print e 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 luminosit 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 il multimetro digitale HP974A. I controlli dello strumento sono naturalmente molto più semplici di quelli dell oscilloscopio. 00002 4

Nel pannello si distinguono le quattro sezioni del display, dei tasti funzione, del selettore di misura e delle boccole di adduzione del segnale. La sezione dei tasti funzione comprende il tasto di accensione grigio Power, nonché sei 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. Per ridurre la possibilità di danni accidentali allo strumento, le boccole relative alle misure di corrente sono otturabili tramite la slitta Open Shutter sulla sinistra del pannello. 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. 00002 5

1) 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. 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 il BNC della sonda compensata 1X 10X al canale 1 dell'oscilloscopio (BNC 1X ). Collegate l uncino della sonda al terminale di calibrazione. Posizionate il commutatore della sonda su 1X. Premete Autoscale per visualizzare l onda quadra. 00002 6

linea di stato riferimento verticale (asse X) livello di massa riferimento orizzontale (asse Y) Sullo schermo apparirà l immagine riportata qui sopra. In primo luogo, 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: 1) il canale visualizzato (canale 1) e il valore, su quel canale, del guadagno verticale (1.00 V/div); 2) l istante di trigger, indicato dal triangolino nero al centro; 3) 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; 4) 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; 5) il valore della velocità di spazzolamento (200µs/div); 6) la sorgente e la pendenza del trigger: il simbolo indica che la sorgente è il canale 1 e la pendenza è positiva; 00002 7

7) 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. Alla traccia visualizzata è associato anche il valore (non visibile al momento sullo schermo) della 8) 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 800 µs, corrispondenti a 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 sinonimo è utilizzato ma impropriamente): Italiano guadagno verticale sensibilità verticale portata (*) portata istante di trigger tempo di trigger riferimento orizzontale riferimento temporale riferimento verticale riferimento di tensione Inglese vertical gain vertical sensitivity range full-scale range trigger instant trigger time horizontal reference time reference vertical reference voltage reference 00002 8

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 guadagno 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. 3) Impostazione manuale della portata In questa sezione vengono illustrati i principali controlli della sezione VERTICAL, e cioè guadagno verticale, posizione verticale e coupling. 00002 9

Volts/div Modificate il guadagno 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 bipolare. 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. Riportate l oscilloscopio nelle seguenti impostazioni: guadagno = 1.00 V/div, posizione = 2.000 V/div, accoppiamento DC. 4) Impostazione manuale della base dei tempi In questa sezione vengono illustrati i principali controlli della sezione HORIZONTAL, 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 00002 10

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 allungata del segnale effettivamente fornito dal terminale di calibrazione. Modificate ora la posizione orizzontale della traccia ruotando la manopola Delay. Notate sulla linea di stato il corrispondente spostamento dell istante di trigger e l aggiornamento del valore del ritardo. 00002 11

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, che 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. 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 si sposta 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. 5) Impostazione manuale del trigger In questa sezione vengono illustrati i principali controlli della sezione TRIGGER, e cioè livello di trigger e delay. 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 appare, in basso a sinistra sullo schermo, il valore del livello di trigger corrente. L'istante di trigger si trova all'intersezione della traccia con il livello di trigger, 00002 12

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". Premete nella sezione TRIGGER il tasto Mode. Sulla riga in basso dello schermo Auto Lvl si 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. 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. Normal L'oscilloscopio dispone di altre modalità di trigger, e cioè <F3> Single, <F4> TV, e <F5>. In modo Normal <F3> l oscilloscopio, se non riceve un nuovo, semplicemente cessa l acquisizione e mantiene Single sullo schermo l ultima traccia ottenuta. La modalità <F4> serve per l acquisizione di forme TV d onda single-shot, cioè non periodiche, e quella <F5> serve per la sincronizzazione con segnali televisivi (non entriamo qui nei dettagli di tali modalità di trigger). 00002 13

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 TRIGGER e quindi il tasto funzione <F1>, selezionando la pendenza negativa del trigger. Ciò fornisce la visualizzazione del tratto in discesa, invece che in salita, dell onda quadra. Slope Le altre impostazioni selezionabili con i tasti funzione riguardano l accoppiamento (coupling) del segnale di trigger, e la impostazione di una., 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 cui prelevare il segnale di Z trigger (tasto Source ), non entriamo in dettaglio ora. 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. 00002 14

Regolate la base di tempi (manopole Time/div e Delay chiaramente il tempo di salita dell onda quadra. ) 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, quindi <F6> Next Menu 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 esso misurati) e i corrispondenti istanti. 1 Annotate sul foglio risultati il tempo di salita misurato ( t r1 ) 00002 15

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. 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). ri I Premete Autoscale RiseTime e quindi nuovamente <F4>. Notate la differenza rispetto alla misura eseguita in precedenza. 00002 16

L indicazione dello strumento oscilla tra 4.500 µs e 6.000 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). 7) Uso del multimetro come ohmmetro. Accendete il multimetro premendo il tasto grigio Power. Spostate verso il basso la slitta Open Shutter (sulla sinistra) e spostate la manopola sulla posizione per misure di resistenza ( Ω ). Misurate 2 il valore della resistenza da 220 kω (nominali), verificando se tale valore si trova nella fascia di tolleranza del 5% indicata dal produttore (209 231 kω). Noterete che non è possibile ottenere una misura corretta o stabile se durante la misura toccate con le mani i terminali della resistenza. Ciò è naturalmente dovuto al fatto che il corpo umano ha una resistenza paragonabile a quella che si sta misurando. Scollegate completamente la sonda dall oscilloscopio, cortocircuitatela (collegando il coccodrillo con l uncino) e misurate la resistenza dal lato BNC, 2 Annotate sul foglio risultati la resistenza misurata ( R ). 00002 17

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 la sonda non compensata 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. 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, <F6>, ottenendo una visualizzazione normalizzata dell onda quadra. Servendovi dei cavetti con coccodrilli, interponete tra la sonda e il terminale di calibrazione il resistore da 220 kω. Default Setup, Autoscale 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 ). 00002 18

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 Autoscale per far occupare alla forma d onda una porzione maggiore dello schermo. Spostando il commutatore l onda quadra viene attenuata di dieci volte (il che ha reso necessario Autoscale premere nuovamente ), e quindi la scala verticale delle tensioni va moltiplicata per questo fattore (fattore probe). Ciò può essere eseguito direttamente dal microprocessore dell oscilloscopio. 1 Probe 1 10 100 Premete il tasto 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. 00002 19

Il valore di V/div 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. Ruotate la vite di regolazione della sonda con il cacciavite apposito, 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 - - SOTTOCOMPENSAZIONE - 00002 20

- 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 Questa manovra illustra l utilità della sonda compensata nel ridurre l effetto di carico e la conseguente distorsione lineare. 00002 21

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 6 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 con coccodrilli. Verificate che la misura di tempo di salita 7 varia in questo modo di circa il 20%. 6 Annotate sul foglio risultati il tempo di salita misurato ( t r3 ). 7 Annotate sul foglio risultati il tempo di salita misurato ( t r 4 ). 00002 22

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 la plastica del cavetto con coccodrilli, il che introduce una capacità parassita, costituita dal corpo umano, in parallelo all ingresso dell oscilloscopio. 9) Altre misure automatiche di tempo e di tensione Facendo uso dei menu attivati dai tasti Time e Voltage della sezione MEASURE è possibile conoscere con facilità tutti i principali parametri di un segnale periodico. Premete Autoscale e misurate i seguenti parametri del segnale: 1) frequenza: Time Freq <F2> Period 2) periodo: <F3> Duty Cy 3) duty-cycle: <F4> 00002 23

Notate come le ultime cifre delle misure ottenute 8 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. Premete (nella sezione non contrassegnata) il tasto Display Average, quindi <F3>, quindi # Average 8 64 256 <F6> (fino a selezionare il numero 256). Sulla barra di stato compare l indicazione. Notate, dopo alcuni secondi, la stabilizzazione delle cifre delle misure 9. 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). 8 Annotate sul foglio risultati le quantità misurate ( f ˆ, T ˆ, D ˆ ), limitatamente alle cifre stabili. 9 OSC OSC OSC Annotate sul foglio risultati le quantità misurate ( f, T, D ). 00002 24

Completate l acquisizione di informazioni sul segnale eseguendo le seguenti misure di ampiezza 10 : 1) tensione picco-picco: Voltage V p-p <F2> V avg 2) tensione media: <F3> V rms 3) tensione rms: <F4> 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 multimetro 11 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 ca 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 ). L oscilloscopio, 10 OSC OSC OSC Annotate sul foglio risultati le tensioni misurate ( V, V, V ). pp avg rms 11 Annotate sul foglio risultati la tensione misurata ( V ). DVM rms ca 00002 25

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 Coupling DC AC e <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 12 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 13 coincidono a meno di centesimi di volt. 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 14 coincide, a meno di pochi hertz, con quella misurata dall oscilloscopio. 12 Annotate sul foglio risultati la tensione misurata ( V ). OSC rms ca 13 Annotate sul foglio risultati la tensione misurata ( V ). 14 Annotate sul foglio risultati la frequenza misurata ( DVM rms DVM f ). 00002 26

11) 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 220.12 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. 1) Scollegate completamente il multimetro dall oscilloscopio. Clear Meas 2) Premete <F5> per cancellare le misure e i cursori dallo schermo. 3) 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). Next Menu 4) Misurate il valore finale dell impulso con Voltage, <F6> V top, <F4>. 5) Nella sezione MEASURE premete Cursors e quindi <F2> V 1. 00002 27

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). 6) 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). t 1 7) 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. 00002 28

t 2 8) 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 15. 9) 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 0.010 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 00002 29

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 = 31.25 mv. 12) Visualizzazione e misura 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 quadrati di durata irregolare, che non è possibile visualizzare correttamente senza regolare il tempo di holdoff (congelamento) dell oscilloscopio. Accendete la scheda sperimentale HP 54654A. Seguite le istruzioni della guida a partire da pagina 36, punto 2 ( Collegare la sonda del canale 1 al punto di prova 3 della scheda, ecc.), fino a riuscire a visualizzare correttamente 16 il profilo seriale ripetitivo riportato a pag. 37. 15 Annotate sul foglio risultati il tempo di assestamento misurato ( t set ). 16 Annotate sul foglio risultati il valore di holdoff ( t hold ) utilizzato per visualizzare il profilo seriale. 00002 30

Misurare il valore efficace della tensione 17 con i seguenti metodi: 1) con il multimetro; 2) con l oscilloscopio, utilizzando le misure automatiche; 3) con l oscilloscopio, utilizzando misure manuali. 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. 29; trigger in presenza di anomalie ripetitive, pag. 38; funzioni avanzate dell oscilloscopio, pag. 43 e seguenti). Questi esercizi si possono eseguire liberamente, nei limiti della disponibilità di tempo. 17 Annotate sul foglio risultati i valori ottenuti ( V, V, V DVM OSC auto OSC man rms rms rms 00002 31 ).

Prova 1 Esercitazione sull uso dell oscilloscopio Foglio risultati Strumentazione utilizzata Tipo di strumento Produttore Modello Oscilloscopio digitale HP Multimetro digitale HP 974A Sonda compensata 1X-10X PMK PMTG 321 Scheda sperimentale HP 54654A Componenti utilizzati Tipo di componente valore tolleranza Resistore 220 kω 5% Risultati delle misure Grandezza Valore misurata t r1 t -------------- OSC T r 2 R Grandezz a misurata Valore OSC f hold OSC D OSC R 10 X V pp OSC R 1X V avg OSC R V V rms DVM t r3 Vrms ca OSC t r 4 Vrms ca ˆf T ˆ ˆD DVM V rms f t set DVM Grandezza misurata t DVM V rms OSC auto V rms OSC man V rms Valore Studenti che hanno partecipato alla prova: Gruppo n. Cognome Nome Matricola Firma 00002 32