Facoltà di INGEGNERIA II - Taranto Corso di Misure e Strumentazione Elettronica mod. I- L Oscilloscopio e misure relative 1 L oscilloscopio è attualmente uno dei più versatili e utili strumenti di misura impiegati nell analisi di svariati tipi di segnali. L Oscilloscopio Con tale strumento è possibile visualizzare e caratterizzare l andamento nel tempo di qualsiasi segnale, nonché effettuare confronti 2 di vario tipo. 1
L oscilloscopio visualizza la tensione (variabile) 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 deve essere (ed è) elevata. Un valore tipico (normalmente indicato sul pannello frontale) è 1 MΩ con una capacità in parallelo di qualche decina di pf. (10 15 pf per strumenti di classe elevata, 30 35 pf per strumenti economici) 3 Un oscilloscopio può essere: - analogico - digitale Nell o. analogico la tensione comanda la deflessione del fascio d elettroni in un tubo a raggi catodici (vector scan). -fornisce una traccia continua -non permette l elaborazione numerica del segnale Nell o. digitale la tensione è convertita in valori numerici, poi rappresentati su uno schermo tipo monitor (raster scan). -fornisce una traccia formata da punti discreti (eventualmente interpolati) permette l elaborazione numerica del segnale 4 2
Lo schermo è dotato di una griglia fatta (sempre) di 10 divisioni orizzontali e 8 divisioni verticali. Controlli dello schermo (sezione display) in un oscilloscopio analogico: intensity intensità della traccia focus messa a fuoco traccia scale illumination illuminazione griglia trace rotation: regolazione per rendere perfettamente orizzontale la traccia 5 Sul pannello frontale sono presenti altre sezioni: Pulsanti di menù -una o più sezioni verticali -una sezione orizzontale -una sezione di trigger 6 3
-sezioni verticali -sezione orizzontale -sezione di trigger 7 Ci sono tante sezioni verticali quanti sono i canali dell oscilloscopio (di solito almeno due) I primi i due controlli della sezione verticale sono: -position, per regolare la posizione verticale (offset) della traccia sullo schermo; -volt/div, ot/d,per regolare il guadagno verticale (vertical gain, vertical sensitivity). esempio 8 4
La sezione verticale comprende, poi, il controllo per l accoppiamento (coupling) del bipolo 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: il bipolo è scollegato dall oscilloscopio, a cui è applicata una tensione nulla; -Bandwidth Limit: l ingresso è filtrato passabasso in modo da ridurre il rumore (altera impedenza e risposta). 9 La sezione orizzontale è unica. I due controlli principali sono: -x position, per regolare la posizione orizzontale della traccia sullo schermo; -time/div, per regolare la velocità della base dei tempi o tempo di spazzolamento (timebase, sweep time). Attenzione: spesso, se sullo schermo vediamo una forma d onda inaspettata o irriconoscibile, la causa è una regolazione grossolanamente errata delle costanti strumentali espresse in volt/div o time/div. 10 esempio 5
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 le curve di equazioni x=t; y=v1(t) x=t; y=v2(t) essendo v1(t) e v2(t) i segnali all ingresso dei canali 1 e 2 In modo XY l oscilloscopio visualizza la curva di equazioni x=v1(t); y=v2(t) esempio 11 L uso della sezione trigger è meno intuitivo ma molto importante. Una corretta impostazione del trigger è indispensabile: - per ottenere un immagine stabile sullo schermo; - per visualizzare il segnale nel modo voluto e più utile. Segnale non triggerato Segnale triggerato 12 6
Per ottenere una traccia stabile sullo schermo è necessario: * che il segnale in ingresso sia periodico (repetitive); * che esso venga tracciato partendo sempre dalla stessa fase (dallo stesso istante rispetto all inizio di un periodo). punti di trigger livello di.. trigger spazzolamento (sweep).. istanti di trigger Attenzione! In generale: - lo spazzolamento NON dura un numero intero di periodi (la durata è stabilita dalla manopola time/div); - il segnale NON è visualizzato senza interruzioni, ma sono saltati pezzi anche molto lunghi rispetto allo spazzolamento 13 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. 14 7
Un accessorio importante per la connessione dell oscilloscopio è la sonda compensata (compensated probe). Il tipo più semplice è provvisto di un commutatore a slitta a due posizioni: 1X e 10X. Nella prima non si ha compensazione. Nella seconda il segnale è attenuato di 10 volte ma si ha compensazione. 15 SOVRA- COMPENSAZIONE Regolazione della sonda: SOTTO - COMPENSAZIONE COMPENSAZIONE CORRETTA * si connette al suo ingresso un generatore di onda quadra (di solito builtin ), p. es. a 1 khz, 5V; * si regola la vite (condensatore variabile) col cacciavite di plastica fornito, fino alla visualizzazione ottima dell onda. 16 8
Misure fondamentali con l oscilloscopio 1) Misura di tensione di picco, tensione picco-picco Attenzione a identificare correttamente la linea a zero volt misurando la tensione di picco! V = p k v λ vo λ vo λ v V = pp k v λ v V rms kv λ = v 2 2 17 2) Misura di periodo (frequenza) λ T T = k t λ T ( n. periodi) f 1 = T = ( n. per.) k λ k t T 18 9
3) Misura di sfasamento tra segnali 2YM 2Y0 λ t In modo normale è possibile visualizzare e misurare lo sfasamento tra segnali isofrequenziali qualunque. k t 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 = ω τ = 2 π f λ ϕ = arcsin( 2Y0 2Y M ) 19 4) Misura dei parametri temporali di un impulso I parametri tipici sono tempo di salita o discesa (tra 10% e 90%) 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. 20 10
Materiale necessario per esercizione con l oscilloscopio - Un oscilloscopio serie HP 54600; - Due sonde HP 10071A 10:1 o equivalenti; - Una scheda didattica HP 54654A - Un generatore di funzioni. 21 Scheda autodidattica 22 11
23 Oscilloscopi serie HP 54600 Lo strumento dispone di potenti caratteristiche digitali quali, ad esempio, la possibilità di memorizzazione permanente, l'impostazione di misure automatiche, la stampa dei test, i controlli computerizzati. Tutto ciò consente la soluzione dei più difficili problemi di test. 24 12
SPECIFICHE DI ACCURATEZZA PER OSCILLOSCOPIO 54621A Sistema verticale Incertezza cursore duale ± (2%rdg+0,4% FSO) Esempio: Sia un segnale di 50 mv, con guadagno verticale di 10 mv/div (Kv) FSO = 8*Kv= 80 mv U= ± (0,02*50+0,004*80)= 02*50+0 004*80)= ± 132mV 1,32 25 Sistema orizzontale risoluzione 40 ps Incertezza ΔT ±( 0,01% rgd + 0,1% FSO +40 ps) stesso canale Incertezza ΔT ±( 0,01% rgd + 0,1% FSO +80 ps) canale a canale Esempio: Sia un segnale di periodo 10 μs,, con base dei tempi di 5 μs/div (K T T) FSO = 10*K T = 50 μs U= ± (0,0001*10+0,001*50+40*10-6 )= ± 52 ns 26 13