Oscilloscopio
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L'oscilloscopio è uno strumento di misura elettronico che visualizza un grafico bidimensionale di una o più differenze di potenziale elettrico. L'asse orizzontale solitamente rappresenta il tempo, rendendo l'oscilloscopio adatto ad analizzare grandezze periodiche. L'asse verticale rappresenta la tensione.
La frequenza massima dei segnali visualizzabili, così come la risoluzione temporale, ovvero la più rapida variazione rilevabile, dipende dalla banda passante dello strumento, a sua volta dipendente dalla qualità e in ultima analisi dal costo. Si spazia dalle decine di megahertz adatti per lavorare con segnali audio e televisivi, ai costosi modelli digitali da diversi gigahertz.
Può essere considerato uno strumento universale, collegandogli appropriati trasduttori, si può analizzare qualsiasi fenomeno fisico, anche eventi casuali e non ripetitivi.
Nella foto, il modello 475A Tektronix, oscilloscopio portatile in uso negli anni '70, adottato sulle linee di produzione di molte aziende elettroniche compresa Olivetti; i due canali verticali di questo modello hanno una banda passante di 275 MHz, a differenza del modello 475, limitata a 250. La base dei tempi, selezionabili tramite un commutatore a 24 posizioni, permetteva, con l'espansione X10 (magnifier), di visualizzare segnali di 1 nanosecondo per quadretto. Questa famiglia di oscilloscopi si differenzia dalla precedente per la totale assenza di cablaggio.
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[modifica] Introduzione
Un oscilloscopio è tipicamente costituito da una scatola rettangolare su cui è presente uno schermo e numerose manopole e bottoni di comando. Allo schermo è sovrapposto un reticolo allo scopo di favorire la lettura dei dati. Ogni intervallo del reticolo è chiamo divisione.
Il segnale da misurare viene introdotto attraverso un apposito connettore, solitamente di tipo coassiale BNC o tipo N. All'ingresso possono essere collegate le sonde, particolari accessori usati per prelevare segnali dai circuiti studiati.
In modalità semplice, un punto luminoso percorre lo schermo da sinistra a destra a velocità costante, ridisegnando ripetutamente una linea orizzontale. La velocità di scansione è selezionabile per mezzo di una manopola presente sul pannello, la quale comanda il circuito chiamato base dei tempi, questo circuito genera precisi intervalli di tempo, che possono spaziare da pochi secondi a qualche nanosecondo, i valori, espressi in unità di tempo per divisione, sono riportati sulla manopola.
In assenza di segnale, la traccia è solitamente al centro dello schermo, e l'applicazione di un segnale all'ingresso, provoca la deflessione verso l'alto o verso il basso, in funzione dalla polarità del segnale. La scala verticale è espressa in volt per divisione, e può essere regolata da decine a millesimi di Volt, sono comunque disponibili modelli in grado di effettuare misure dell'ordine dei microvolt. L'altezza iniziale del grafico (offset) può comunque essere decisa dall'utente, così come è possibile escludere la componente in corrente continua presente nel segnale in esame, nonché scegliere l'impedenza di ingresso.
In questo modo si ottiene la visualizzazione di un grafico di tensione in funzione del tempo. Se il segnale è periodico, è possibile ottenere una traccia stabile regolando la base dei tempi in modo da coincidere con la frequenza del segnale o un suo sottomultiplo. Per esempio, se si ha in ingresso un segnale sinusoidale a 50 Hz, si può regolare la base dei tempi in modo che una scansione orizzontale avvenga in 20 millisecondi. Questo sistema è chiamato sweep continuo.
Sfortunatamente la base dei tempi non è perfettamente accurata, inoltre il segnale in ingresso può cambiare frequenza, così in pratica la traccia non rimane stabile.
Per ottenere una traccia stabile gli oscilloscopi moderni dispongono di una funzione chiamata trigger. In modalità trigger la scansione inizia in corrispondenza del verificarsi di un evento sul segnale in ingresso, per esempio il superamento di una soglia di tensione verso l'alto o verso il basso. Dopo avere completato la traccia da sinistra a destra, l'oscilloscopio rimane in attesa di un nuovo evento. In questo modo la visualizzazione rimane sincronizzata al segnale e la traccia è perfettamente stabile. La soglia di sensibilità del trigger, così come altri parametri è regolabile dall'utente.
Il circuito del trigger può essere configurato per mostrare una sola scansione di un segnale non periodico, come un singolo impulso o sequenze impulsi non ripetitivi. È possibile introdurre un ritardo tra l'evento e l'inizio della visualizzazione, in modo da analizzare parti del segnale che altrimenti sarebbero fuori dal campo di visualizzazione.
Le modalità di trigger normalmente presenti sono:
- trigger esterno: con un segnale applicato ad un apposito ingresso ed indipendente da quello analizzato.
- trigger a soglia: basato sul superamento di un livello prefissato, in salita oppure in discesa.
- trigger video: è uno speciale circuito che estrae i riferimenti di sincronismo di riga o di quadro dal segnale televisivo. Utile per lavorare con segnali video.
- trigger sulla rete elettrica: disponibile negli oscilloscopi alimentati dalla rete in corrente alternata è utile in elettrotecnica.
Molti oscilloscopi permettono di escludere la base dei tempi e fornire all'asse orizzontale un segnale esterno: è la modalità X-Y, utile per visualizzare le relazioni di fase tra due segnali in ambito radiotelevisivo. Applicando due segnali sinusoidali in rapporto armonico di frequenza agli ingressi, sullo schermo vengono visualizzate particolari figure, chiamate figure di Lissajous, da cui è possibile inferire i rapporti di fase e di frequenza tra essi.
Alcuni oscilloscopi hanno sullo schermo dei cursori che possono essere spostati ed utilizzati per misurare con precisione intervalli di tempo o differenze di potenziale.
Molti oscilloscopi hanno due o più ingressi verticali, consentendo di visualizzare diversi segnali contemporaneamente. Le regolazioni verticali sono separate mentre la base dei tempi ed il trigger è comune.
Esistono modelli con doppio trigger, che permettono di visualizzare un segnale con una base dei tempi diversa. In questo modo è possibile avere la modalità zoom, in cui una porzione del segnale mostrato su una traccia può essere mostrato espanso sull'altra traccia.
Per analizzare eventi non ripetitivi alcuni oscilloscopi sono dotati di memoria di traccia, un sistema che mantiene visualizzata l'ultima traccia apparsa. In alcuni modelli digitali la scansione può durare ore, e la traccia visualizzata scorre sullo schermo da destra a sinistra come avverrebbe in un registratore su striscia di carta.
Normalmente ogni oscilloscopio è dotato di un circuito di calibrazione, il quale genera un segnale continuo, costituito da un'onda quadra di ampiezza e frequenza nota. Collegando l'ingresso di misura all'uscita di calibrazione è possibile controllare il funzionamento e fare pratica con lo strumento, ma soprattutto calibrare periodicamente le sonde.
[modifica] Funzionamento
[modifica] Oscilloscopio a tubo catodico
Concettualmente, l'oscilloscopio è costituito da un tubo catodico e da 4 circuiti elettronici distinti, amplificatore verticale, amplificatore orizzontale, base dei tempi e alimentatore di corrente. Questa tipologia costruttiva definita "analogica", è rimasta invariata fino alla metà degli anni '80, quando iniziarono a diffondersi tecniche digitali applicabili anche a questo strumento; agli oscilloscopi "Analogici" si affiancarono quelli "Digitali", che avvantaggiati da migliori prestazioni e minori costi di produzione, in 2 decenni soppiantarono gli analogici, basti pensare che il solo tubo catodico a memoria del 181A Hewlett-Packard in uso negli anni 70, costava 3000$.
I modelli più sofisticati, adatti per analisi e misure impegnative, sono costituiti da veri e propri sistemi modulari. Celebre è stata negli anni 70 la serie analogica 7000 Tektronix, dove lo strumento base denominato "mainframe", comprendente tubo catodico, alimentatore, amplificatori verticale e orizzontale, calibratore ed eventuale memoria analogica, era ingegnerizzato con 4 vani dotati di slitte, previsti per accogliere nella configurazione massima, 4 moduli denominati plug-in, una coppia di amplificatori verticali e una coppia di base tempi. A seconda della tipologia di misura da effettuare e alla sua grandezza, era possibile scegliere la plu-in meglio confacente alle proprie necessità; ad esempio, per analisi di segnali con valori di tensioni molto piccoli, era disponibile la plug-in 7A22, un amplificatore differenziale, il cui attenuatore d'ingresso calibrato, spaziava in un range di 19 step, da 10 volt a 10 microvolt per quadretto.
Il tubo catodico è un'ampolla di vetro a simmetria cilindrica che termina da un lato con uno schermo ricoperto di fosforo, una sostanza che si illumina quando colpita da un flusso di elettroni, dall'altra da un filamento che percorso da una corrente continua di 6.3 volt si riscalda ad una temperatura di 700-800°C, emettendo elettroni con facilità se sottoposto ad un campo elettrico. Nell'ampolla viene praticato il vuoto.
Il tubo catodico di un oscilloscopio è simile a quello di un televisore in bianco e nero, ma è più allungato e ha uno schermo più piccolo. Nel collo del tubo è presente un cannone elettronico (2 nella figura a destra). Una differenza di potenziale di migliaia di volt è applicata tra il catodo (a potenziale negativo) e le griglie dell'anodo (a potenziale positivo). Gli elettroni sono attratti dal campo elettrico verso lo schermo, focalizzati dal campo magnetico prodotto da un apposito elettromagnete (4), dove vanno a colpire un materiale fosforescente (5) che emette luce nel punto colpito. Il fascio (3) viene deviato orizzontalmente e verticalmente dal campo elettrico trasversale generato da due coppie di placche di deflessione (1). Le placche di deflessione verticale, in realtà erano inizialmente più di una, comandate da apposite linee di ritardo per aumentare la banda passante dello strumento, in seguito la linea di ritardo prese la forma di una cartuccia in cui era avvolta la linea stessa, costituita da una coppia di lunghi fili strettamente incrociati tra loro, preposti a trasferire il segnale in differenziale dal preamplificatore d'ingresso all'amplificatore finale. Nel tempo è stata abbandonata la focalizzazione magnetica, preferendo focalizzare il fascio con due griglie inserite all'interno del tubo, polarizzandole con tensioni regolate da due potenziometri, uno per il fuoco, l'altro per l'astigmatismo, si agisce su questi per ottenere la massima definizione del punto luminoso.
In un tubo catodico televisivo, invece, la deflessione avviene con due campi ortogonali, uno elettrico e uno magnetico, quest'ultimo generato da potenti bobine e permette di incurvare la traiettoria degli elettroni senza aumentarne la velocità, ciò permette di avere schermi grandi ma compatti. L'uso di bobine di elevata impedenza, però, trasforma il circuito in un filtro passa-basso rendendo impossibile far funzionare lo schermo ad elevate frequenze. Applicato a segnali televisivi ciò non comporta alcun problema, dovendo lo schermo lavorare alla frequenza di 25 Hz (160 Hz nei migliori monitor CRT), ma un oscilloscopio è usato per tracciare segnali che possono avere frequenze anche oltre 1 GHz, ed è quindi necessario rinunciare alla maggiore curvatura offerta dai campi magnetici e optare per soli campi elettrici. Ciò rende il tubo molto più allungato e non permette di avere schermi con un diametro superiore ai 20cm, originariamente la forma del tubo era completamente tonda, nel tempo, la parte anteriore prese la forma rettangolare, in seguito, con l'avvento degli LCD non vi furono più limiti alla dimensioni dello schermo.
Quando il campo tra le placche è nullo, gli elettroni procedono il linea retta, provocando la visualizzazione di un singolo punto luminoso al centro dello schermo. L'applicazione di un campo provoca la deflessione del fascio con ampiezza funzione della differenza di potenziale e verso dipendente della polarità applicata alle placche. Scopo dell'amplificatore orizzontale, è di elevare i valori di tensione e corrente del segnale a dente di sega generato dall'oscillatore, portandoli a livelli ottimali per il pilotaggio delle placche.
Entrambi gli amplificatori hanno guadagno fisso, il verticale necessita di un circuito chiamato attenuatore, posto tra il connettore di ingresso dello struumento e l'amplificatore, la sua funzione è di attenuare con fattori fissi e calibrati, i segnali in ingresso, mantenendoli all'interno di un range corretto per pilotare le placche di deflessione. Segnali di ingresso molto piccoli andranno direttamente all'amplificatore, altrimenti passeranno nell'attenuatore.
Un esempio, reticolo verticale: 4 quadretti, traccia al centro, massima sensibilità dello strumento: 5 millivolt per quadretto, segnale in ingresso: sinusoide di 40 millivolt picco-picco, in questo caso, per visualizzare il segnale sugli 8 quadretti costituenti l'ntero schermo, è necessario escludere l'attenuatore, se aumentiamo il livello del segnale portandolo a 60 millivolt, i picchi della sinusoide andranno fuori schermo e oltre a non vederli non potremmo misurarne il valore Picco-Picco, per rivisualizzare l'intero segnale dovremo usare l'attenuatore, posizionandolo sul primo fattore di attenuazione.
Gli ingressi degli oscilloscopi hanno solitamente due valori selezionabili di impedenza, 50 Ohm e 1 MegaOhm, il primo è utilizzato per l'uso di segnali standard provenienti da calibratori e generatori di segnali, il secondo con l'uso di varie tipologie di sonde. Caratteristica dello strumento, è la velocità di risposta, enormemente maggiore di un sistema meccanico,(per esempio di un multimetro analogico), essendo il fascio elettronico quasi privo di massa, la sua inerzia è nulla, il limite alla velocità di risposta è data dagli amplificatori, la qualità dei quali, contribuisce a determinare il costo dell'oscilloscopio; considerare che una base dei tempi posizionata su 10 nanosecondi per quadretto, impone al fascio di spostarsi da un lato all'altro dello schermo in un decimo di microsecondo, alla velocità di 100 chilometri al secondo.
La base dei tempi è un circuito oscillatore che genera un segnale a dente di sega chiamato anche "rampa", di frequenza regolabile. Una tensione, da zero cresce linearmente fino ad un valore massimo, quindi torna rapidamente a zero e il ciclo riprende. Questo segnale amplificato applicato alle placche orizzontali, provoca la scansione del fascio elettronico attraverso lo schermo. Un circuito chiamato "Unblanking" (spegnimento), si incarica di generare un impulso della stessa durata del tempo che impiega il segnale a dente di sega a portarsi dal suo massimo al suo minimo, viene usato per evitare di vedere la "ritraccia", cioè lo spostamento del punto luminoso da destra a sinistra.
Gli oscilloscopi multitraccia non hanno diversi cannoni elettronici. In realtà le tracce sono visualizzate alternativamente ad ogni scansione orizzontale (modalità alternative) oppure i punti che costituiscono le tracce sono visualizzati alternativamente in rapida alternanza (modalità chop). In entrambi i casi l'effetto e così rapido che le tracce sembrano effettivamente due o più. Sono stati realizzati pochissimi modelli di oscilloscopi con due cannoni elettronici e due serie di placche verticali (le orizzontali sono in comune), la Philips produsse negli anni 70 un modello di questo tipo.
L'alimentatore è un componente importante in un oscilloscopio, poiché fornisce le varie tensioni di valore appropriato, per riscaldare il catodo, per alimentare la base dei tempi, gli amplificatori e l'alta tensione per le placche e l'accelerazione degli elettroni. Questi valori di tensione devono essere molto stabili e precisi, poiché ogni variazione si ripercuote sulla posizione della traccia con conseguente errore nella misurazione del segnale analizzato. Generalmente queste tensioni sono regolabili per mezzo di trimmer, necessari per la messa a punto periodica dello strumento. Generalmente nel manuale di servizio, il costruttore indica gli intervalli di tempo entro i quali lo strumento deve essere ricalibrato perché mantenga prestazioni dichiarate. Negli anni 80, il servizio interno di certificazione del costruttore Olivetti, imposto dalle normative ISO 9000, gestiva la ricalibrazione di questi strumenti a cadenza trimestrale
Alcuni oscilloscopi analogici recenti integrano alcune funzioni digitali alla struttura descritta. La deflessione del fascio elettronico è controllata da circuiti digitali che possono così visualizzare, oltre alla traccia analogica, grafici e scritte. Alcuni elementi visualizzati sono:
- Visualizzazione sullo schermo delle impostazioni degli amplificatori e della base dei tempi.
- Linee orizzontali posizionabili (cursori) per effettuare misure di tensione.
- Linee verticali posizionabili (cursori) per effettuare misure di tempi.
- Valori di Tempo, Frequenza e Tensione del segnale in esame, in forma digitale.
- Menù per le impostazioni dei trigger e altre funzioni.
[modifica] Oscilloscopio a memoria analogica
Alcuni oscilloscopi analogici sono dotati di memoria. Questa funzione fa si che la traccia, che normalmente si cancella in una frazione di secondo, persista per alcuni minuti o oltre. La funzione può essere attivata o disattivata con una apposito comando.
Per ottenere questa funzione si frutta il fenomeno della emissione secondaria: quando un elettrone colpisce un fosforo sullo schermo, l'energia cinetica trasferita può provocare, oltre all'emissione di luce, l'espulsione di altri elettroni dal materiale, che assume così una carica positiva. Negli oscilloscopi a memoria un secondo cannone elettronico produce un flusso disperso di elettroni a bassa energia che vengono attirati dai fosfori caricati positivamente. Se l'energia di questi elettroni è opportunamente regolata il fenomeno dell'emissione secondaria può ripetersi indefinitamente. In realtà un inevitabile leggero sbilanciamento provoca una progressiva illuminazione di tutto lo schermo (energia eccessiva) oppure la progressiva estinzione della traccia (poca energia).
In alcuni modelli la memoria è esclusivamente bistabile: l'immagine residua può essere presente o assente. In altri la cancellazione avviene progressivamente. In altri ancora è possibile sopprimere temporaneamente la visualizzazione della memoria (spegnendo il cannone secondario) e richiamarla successivamente, su alcuni modelli degli anni 60 era possibile attivare parzialmente la memoria, solo sulla metà superiore o inferiore del tubo.
[modifica] Oscilloscopio a memoria digitale
Gli oscilloscopi digitali sono ampiamente preferiti nelle applicazioni professionali, lasciando agli hobbisti i modelli analogici. Se nell'oscilloscopio analogico il ruolo fondamentale era svolto dal tubo catodico, nell'oscilloscopio digitale il componente principale è l'accoppiata convertitore analogico-digitale e RAM.
L'ADC è di tipo FLASH (solitamente ad 8-bit) poiché è fondamentale avere una conversione veloce del segnale di ingresso: per la legge di Shannon, infatti, la massima frequenza catturata dal segnale di ingresso sarà la metà della frequenza di campionamento. Questi convertitori sono tipicamente in grado di campionare a una frequenza di 20 GHz e richiedono quindi una RAM con una banda passante di oltre 20 GB/s.
La RAM, a causa dei stringenti vincoli prestazionali, ha una capacità tipica che non supera i 64 MB. Nel 2003, per un oscilloscopio digitale a 20 GHz con una RAM di 64 MB erano necessari circa 100.000 euro.
Il segnale, una volta campionato e memorizzato nella RAM, può essere elaborato da un microprocessore in grado di ricavare dai campioni i dati di interesse (forme d'onda, tempi, ampiezze, spettri di frequenza, statistiche varie etc..) e visualizzarli su di un monitor, solitamente in standard VGA 640x480 con un'area di 500x400 pixel dedicata alla visualizzazione della forma d'onda con le divisioni tipiche dei modelli analogici. La precisione di visualizzazione tipica è del 1~3% per segnali in DC mentre l'errore può salire al 30% ai limiti del funzionamento AC.
Una particolarità degli oscilloscopi digitali è la possibiltà di operare il campionamento in tempo equivalente. Infatti se si studia un segnale periodico, è possibile campionare ripetutamente il segnale per più periodi, raggiungendo una banda passante di oltre 50 GHz campionando a soli 20 GHz; la legge di Shannon qui non vale perché essa si applica al campionamento di segnali aperiodici.
Oltre agli oscilloscopi stand-alone, vengono oggi prodotti oscilloscopi anche sotto forma di periferiche da collegare ad un PC standard. La RAM usata per i campionamenti ovviamente è interna alla periferica, ma da PC è possibile acquisire tutti i dati di interesse.
A volte è presente una funzione di autoregolazione: premendo un solo tasto, lo strumento si autoconfigura per visualizzare al meglio il segnale entrante. Sui modelli ad alte prestazioni è implementata la funzione di autocalibrazione, saltuariamente l'operatore può attivare la "routine" implementata nel firmware semplicemente premendo un tasto.
Quasi tutti gli oscilloscopi digitali possono essere collegati in rete per essere comandati a distanza e sincronizzati con altri strumenti di misura (per esempio si può coordinare l'uso dell'oscilloscopio con un generatore di impulsi). Usualmente si usa un bus IEEE 488, che consente una buona interoperabilità (possono comunicare dispositivi che hanno velocità diverse, essendo asincrono) e ha una buona banda passante (1 MB/sec per il 488.1 e 8 MB/s per il 488.2), unitamente ad una buona resistenza ai disturbi esterni. Il cavo è composto da 8 linee dati, 7 di GND e 1 schermatura a calza; ci sono inoltre 8 linee di controllo. Si tratta di un cavo abbastanza ingombrante. Il Bus può collegare fino a 15 dispositivi su una linea lunga al massimo 20 metri.
[modifica] Impieghi
L'uso classico dell'oscilloscopio è nella diagnosi di guasti in apparecchiature elettroniche. Per esempio nel caso di un televisore si parte dallo schema elettrico dove sono indicati i diversi stadi del sistema (sintonizzatore radio, oscillatori, amplificatori ecc) e i segnali che dovrebbero essere presenti in diversi punti.
Si collega la sonda dell'oscilloscopio nel punto indicato tra due stadi, dopo avere collegato assieme le masse di oscilloscopio ed apparecchio in esame. Semplificando molto, abbiamo che se il segnale è assente, uno stadio precedente della catena è difettoso. Retrocedendo progressivamente per esclusione, un tecnico competente è in grado di individuare il componente difettoso.
Un altro uso è per provare circuiti appena progettati per verificare la correttezza dei parametri calcolati o individuare eventuali errori. In elettronica digitale è necessario disporre di oscilloscopi con almeno due tracce per confrontare tra loro i segnali, per esempio la linea dei dati con il segnale di clock. È possibile verificare in questo modo la presenza di sorgenti di disturbo.
Un altro impiego è nella progettazione di software embedded. L'oscilloscopio permette di verificare se il software sta inviando i giusti segnali all'hardware.
Un elemento importante nell'uso dell'oscilloscopio è il collegamento delle masse. La massa infatti è il riferimento per le tensioni misurate. In generale la massa dell'oscilloscopio va collegata alla massa del circuito in esame e le sonde in genere hanno un apposito connettore a pinza per questo scopo. Se l'oscilloscopio è alimentato dalla rete elettrica, è probabile che la sua massa sia collegata alla messa a terra e in tale caso lo è anche il connettore di massa sulla sonda. Se anche il circuito in esame è collegato alla messa a terra, collegare la massa della sonda ad un punto del circuito diverso dalla massa può provocare un cortocircuito attraverso l'oscilloscopio, con il rischio di causare danni ad entrambi gli apparecchi.
Alcuni apparecchi hanno la massa di ingresso isolata dalla massa generale. Come precauzione l'apparecchio in esame può essere alimentato attraverso un trasformatore di isolamento, che separa la massa dal circuito di messa a terra, questo accorgimento è assolutamente indispensabile quando si effettuano misure direttamente sulla rete elettrica.
L'oscilloscopio è uno strumento di misura e come tale deve essere manipolato con cura. Dovrebbe inoltre essere sottoposto a periodiche calibrature con strumenti campione presso appositi istituti di metrologia. Particolare cura deve essere prestata alle sonde, che sono fragili e costose. Queste si dividono grosso modo in due gruppi, passive e attive, queste ultime, necessarie per l'analisi di segnali in corrente o tensioni debolissime, hanno al loro interno circuiti amplificatori i quali necessitano di un proprio alimentatore. Le passive necessitano solo di una regolazione saltuaria chamata "compensazione".
[modifica] Collegamenti esterni
