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OSCILLOSCOPIO:
Approfondiamo
con qualche esempio
Questa parte della guida (o tutorial come si dice)
viene dedicata ai principianti per capire meglio le
varie situazioni che si possono verificare durante
l'uso dell'oscilloscopio.
Tempo di riscaldamento/assestamento
Dal momento in cui viene acceso ogni strumento
di misura si scalda e quindi solo dopo il tempo
di assestamento gli errori saranno minori della
massima tolleranza ammessa.
Questo è tanto più importante quanto
maggiore è la precisione.
L'oscilloscopio si scalda come gli altri ma,
come accennato nella
sezione introduttiva, le misure non
hanno una precisione molto elevata,
pertanto il tempo di riscaldamento non assume
fondamentale importanza.
L'unica cosa degna di nota anche se molto evidente riguarda
quei 15 o 20 secondi necessari al riscaldamento del catodo
nel CRT (tubo a raggi catodici). Come nelle vecchie radio a
valvole e nei vecchi televisori, incomincia ad emettere il
fascio di elettroni solo quando raggiunge la sua giusta
temperetura di lavoro. Quindi all'accensione siate pazienti.
Misura di picco e picco - picco
Come si intuisce il valore picco picco indica la massima escursione
verticale di un sengale ossia la differenza tra i livelli estremi
(massimo positivo e massimo negativo).
Invece il valore di picco è la metà dato che indica
il massimo valore rispetto allo zero.
Nell'onda triangolare della figura, il valore picco picco
vale due divisioni. Supponendo di avere impostato 1V/Div il valore
risultante è 2 Vpp (picco-picco) cui ovviamente corrisponde un valore
di 1 Vp (picco). Questo concetto si applica ad ogni tipo di forma
d'onda del segnale.
Accoppiamento del segnale entrante
Può essere in corrente continua DC (Direct current coupling)
oppure in corrente alternata AC (Alternating current coupling).
- Quando si accoppia in AC, significa che il segnale entra
passando attraverso un condensatore (in serie) il quale
svolge la funzione di bloccare la componente continua,
lasciando passare solo le variazioni alternate del segnale,
anzi diciamo rapide visto che si realizza un filtro
passa alto (ossia lascia passare le frequenze alte).
-
Quando invece si accoppia in DC significa che il segnale
entra direttamente senza alcun filtro e quindi passa e
si osserva anche la componente continua del segnale.
Supponiamo ora di voler osservare il segnale di ripple
(increspamento) in uscita da un alimentatore.
Si tratta in genere di un piccolo segnale sovrapposto
ad una tensione continua che in confronto è
molto maggiore.
Ad esempio potremmo avere una tensione continua di 12 Volt
sulla quale si sovrappone un ripple di 0,05 Volt picco picco.
Accoppiando in DC e impostando 2 V/Div vedremo una linea
che si trova 6 divisioni sopra lo zero ma il ripple sarà
appena osservabile e di certo non misurabile.
Allora per misurare il ripple dovremo ridurre la scala per
esempio a 20 mV/Div ma il segnale uscirebbe dallo schermo
per via della componente continua e quindi siamo obbligati
ad accoppiare in AC il segnale.
Nel momento in cui ha inizio il disaccoppiamento da parte
del condensatore si osserva un repentino spostamento del segnale
che nel giro di poco tempo si assesta intorno allo zero.
Tutto questo è dovuto alla carica del condensatore
di accoppiamento che deve eguagliare il valore della
tensione continua da bloccare. Se dopo spostiamo la sonda
dal 12V e tocchiamo la massa (lo zero) vedremo il fenomeno
opposto dovuto alla scarica dello stesso condensatore.
Come facilitare le misurazioni
Quando si vuole fare una misura è comodo usare i
potenziometri di posizione X ed Y
per spostare la traccia in modo che incroci
esattamente una riga della griglia e
quello diventa il punto iniziale dal quale contare le divisioni.
Chiariamo meglio osservando la figura.
Per misurare l'ampiezza picco-picco "V" di questo segnale
lo sposto in Y per appoggiare
il suo picco inferiore su una riga della griglia,
poi lo sposto in X centrando un picco superiore
sull'asse graduato e quindi leggo
la sua ampiezza indicata da "V" che vale quattro divisioni
e due quinti. Supponendo che ogni divisione valga
1 Volt
si calcola facilmente il valore di 4,4 Vpp del segnale.
Anche per le misure sull'asse dei tempi "X" vale lo
stesso metodo.
Muovo il segnale in X per incrociare una riga
verticale in una zona ripida del segnale, più è ripida maggiore è la precisione di
posizionamento e lettura.
Ora lo sposto in Y per portare il punto sull'asse
graduato della X e leggo la durata "T" che vale
tre divisioni e tre quinti. Se la base tempi era
di 2ms/Div ottengo un periodo di 7,2ms. Facile vero?
Ultimo consiglio, nell'esempio si osservano sul
quadrante due interi periodi ed oltre, posso dunque
dimezzare la base tempi ad 1ms/Div in modo che
un periodo occupi il doppio (la somma dei due "T"
in figura). In tal modo potrò leggere
con maggior precisione sette divisioni ed un quinto.
Anche in tal caso il risultato sarà
di 7,2ms ovviamente.
Tempi di salita e discesa
Per misurare i tempi di salita e discesa di un segnale
a gradino si deve sapere che il tempo di salita viene
definito come il tempo che un segnale impiega per andare
dal 10 al 90 percento della sua ampiezza. Questo per
poter escludere tutti i fenomeni di overshoot ed undershoot
(sovra e sotto elongazione) dalla misura che sono dovuti
a vari fattori non legati ai tempi in questione ma ad
esempio a riflessioni del segnale, ad instabilità
di un circuito eccetera.
Si tratta dunque di misuare il tempo di transito tra due livelli di
tensione definiti come rapporto rispetto al valore picco picco,
perciò non è indispensabile conoscere l'ampiezza
assoluta del segnale.
Esecuzione della misura
Risulta comodo procedere scalibrando il guadagno sino a portare
il segnale picco picco tra +2,5 e -2,5 divisioni verticali
rispetto allo zero centrale.
Sul quadrante infatti è lì che troviamo le due
demarcazioni dello 0 e del 100 percento.
Va da se che in questo modo le divisioni +2 e -2 sono rispettivamente
il 90% ed il 10% rispetto al valore picco picco.
Ed ecco che dove esse incrociano il segnale definiscono
i due punti di misura del tempo di salita o discesa che sia.
Notare che la base tempi non deve essere scalibrata.
Banda passante per Tempo di salita = 0,35
Moltiplicando la banda passante per il tempo di salita di
un oscilloscopo analogico si ottiene la costante 0,35.
Quella giusta sarebbe 0,339 ma il valore usato in pratica
rimane 0,35 perchè si ricorda meglio ed introduce un
piccolo margine di tolleranza.
Prendiamo ad esempio un oscilloscopio con banda passante di
120MHz, applicando la formula
Tempo di salita = 0,35 / Banda passante
si ricava : T = 0,35 / 120 Mhz = 2,91 ns
Questo significa che lo strumento permette di osservare e misurare
segnali con un tempo di salita maggiore di 2,9 ns
(ossia vedremo solo i più lenti, vedi nota).
Bisogna comunque tenere presente che si tratta di un metodo per dare l'ordine
di grandezza del limite e non di una rigida regola ferrea.
Infatti nell'esempio suddetto, se il tempo di salita del segnale
fosse 2,95 ns piuttosto che 2,80 ns non significherebbe che in un
caso si veda benissimo e nell'altro non si veda per niente.
Tutto questo si deve al fatto che gli oscilloscopi analogici
hanno una risposta in frequenza di tipo gaussiano.
Se volete capire da dove nasce questa formula andatevi a
leggere a questo link le basi del circuito RC, verso il fondo
trovate la risposta.
Invece nei moderni oscilloscopi digitali (detti DSO)
le cose sono cambiate.
Per questi la costante oscilla tra 0,4 e 0,5 ma dipende
da marca e modello,
lo deve quindi necessariamente dichiarare il costruttore.
In generale comunque i modelli digitali sono superiori
da questo punto di vista.
Nota: Non fate mai confusione tra il tempo
di salita e la frequenza del segnale.
Esse sono due grandezze ben diverse
tra loro e non necessariamente legate
come invece il periodo di ripetizione
il quale è sempre l'inverso della frequenza.
Ad esempio si possono avere frequenze
molto basse con tempi di salita molto rapidi
(pensiamo alle onde quadre).
Oscilloscopio analogico e digitale
La memoria
Appare intuitivo che gli oscilloscopi a memoria
siano molto comodi per osservare fenomeni non
ripetitivi. Concettualmente non importa se si
dispone di uno strumento analogico o digitale
quel che importa è che abbia la memoria.
Nella spiegazione del
trigger
abbiamo visto
i tre modi possibili, AUTO, NORMAL e SINGLE.
Ebbene, tra questi il modo SINGLE si presta
perfettamente per stabilire il momento in
cui memorizzare una scansione.
Certamente i moderni oscilloscopi digitali sono
più potenti e facili da usare ma i concetti
di base non cambiano.
Analogico o digitale
Negli oscilloscopi digitali
è implicito che la memoria sia presente.
Bisogna comunque essere coscienti del fatto che i
segnali vengono campionati e quindi la frequenza
di campionamento introduce un battimento con la
frequenza del segnale da visualizzare.
Senza farla troppo lunga in pratica significa
che ad esempio un segnale sinusoidale ad alta
frequenza quando osservato con bassi tempi di
scansione potrebbe essere visualizzato come sinusoide
a bassa frequenza inducendo in errore se non si
è consapevoli del problema.
Gli oscilloscopi analogici con memoria non hanno
questo problema ma sono ormai rari e costosi.
Dubito che ne esistano ancora in commercio.
Comunque la memorizzazione avveniva
direttamente sullo schermo di visualizzazione
in modo analogico.
In conclusione direi che certamente i digitali
hanno soppiantato gli analogici infatti sono oramai
meno costosi e con migliori prestazioni.
Contatti
Per concludere se avete
- correzioni da segnalare
- altre domande sull'oscilloscopio
- suggerimenti di ampliamento alla guida
- altro ancora...
scrivetemi al seguente indirizzo
bbaba chiocciolina tiscali punto it
ed avrete la mia gratitudine oltre ad una risposta.
La cosa potrebbe servire a realizzare una sezione di F.A.Q. (domande frequenti) per esempio.
PS: Per mandare la e-mail bisogna sostituire le parole chiocciolina e punto
con i relativi simboli. Questo accorgimento serve a ridurre lo spam rendendo
difficoltosa la vita ai programmi di ricerca automatica degli indirizzi e-mail.
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