Oscilloscopio -Principio di utilizzo Zoleo Lab.Chim. Fis. 3 -Principio di utilizzo -Schema e principio di funzionamento dell’oscilloscopio analogico e digitale L’oscilloscopio fornisce su uno schermo i valori di tensione in funzione del tempo. NB: una intensità può sempre essere trasformata in una ddp. Principio di utilizzo Si usa un oscilloscopio quando si ha una grandezza elettrica (potenziale o intensità) che VARIA NEL TEMPO.

Oscilloscopio analogico Control Grid Focusing anode Electron gun Deflecting plates Un fascio di elettroni viene deflesso dal campo elettrico prodotto da due coppie di armature. Una coppia regola la deflessione lungo x, l’ altra lungo y. Il fascio colpisce uno schermo a fosfori. Un puntino luminoso indica il punto di arrivo del fascio.

Si supponga di avere solo un potenziale, variabile lungo x. Che relazione c’e’ fra il punto di arrivo sullo schermo e le ddp applicate? Si supponga di avere solo un potenziale, variabile lungo x. Vx = f (t) In un certo istante, (solo) per piccoli angoli di deflessione il sistema è analogo a

t X -X0 T/4 -X0/2 T/2 3T/4 X0/2 T +X0 -X0 -X0/2 X0/2 X0 Equazione parametrica* (1 D) t  X(t) t X -X0 T/4 -X0/2 T/2 3T/4 X0/2 T +X0 -X0 -X0/2 X0/2 X0 C’e’ una correlazione lineare fra X sullo schermo e il tempo: Facendo una spazzata lineare di Vx creiamo un asse dei tempi. v. E. Barbozzi, E. Gonzales Calculus, Ed. Lib.Progetto 1989

t X Y -X0 T/4 -X0/2 Y0sin (π/2) T/2 Y0sin (π) 3T/4 X0/2 Y0sin (3π/2) T Equazione parametrica (2 D) t  P(t) t X Y -X0 T/4 -X0/2 Y0sin (π/2) T/2 Y0sin (π) 3T/4 X0/2 Y0sin (3π/2) T +X0 Y0sin (2π) -X0 -X0/2 X0/2 X0

In questo modo sono riuscito a riprodurre su uno schermo un segnale Cosa succede quando invece introduco due sinusoidi? t X=sin(col(t)/10) Y=sin(col(t)/4) Figure di Lissajous

Misure fondamentali all’oscilloscopio Periodo / Frequenza Ampiezza

Il nuovo mondo: l’oscilloscopio digitale

Sezioni o fasi di misura ) 1) aCondizionamento analogico:, campionamento e conversione in sequenza numerica del segnale di misura (ADC) 2) 2) Memorizzazione dei campioni (memoria fisica)3) 3) Elaborazione numerica (ricostruzione andamento del segnale nel tempo, CPU) ) 4) Visualizzazione sullo schermo (display):oscillogramma del segnale (scheda grafica/CPU)

Analog-to-Digital converter (A/D o ADC) Dispositivo elettronico che converte un segnale in ingresso (ddp) in un numero proporzionale al valore del segnale stesso Lo caratterizzano due quantita’: Risoluzione (in bit, il corrispondente numero massimo che può fornire) Frequenza di campionamento (ogni quanto la ADC card compie una lettura e rimanda un numero)

Frequenza di campionamento Risoluzione La risoluzione può essere espressa in bit. E’ il numero massimo di intervalli in cui il segnale massimo di ingresso viene suddiviso. Se il dato in bit è N, il corrispondente numero di intervalli valori è In funzione del tipo di applicazione, i numeri possono essere nell’intervallo [0,2N-1] Oppure nell’intervallo [-2N-1,2N-1-1] Può anche essere espresso in %: Es 8 bit=> 3.9% Frequenza di campionamento Rappresenta il numero di letture che il dispositivo compie per unità di tempo. La Frequenza di campionamento in genere determina la risoluzione temporale del dispositivo

Teorema di Nyquist Importante teorema sulla frequenza di campionamento di un segnale: Se abbiamo un segnale oscillante, per risalire correttamente alle frequenze che lo compongono, quale deve essere la frequenza minima di campionamento? In altre parole: per riprodurre correttamente un segnale ogni quanto tempo dobbiamo prendere un punto? Il teorema dice che dobbiamo prenderlo almeno con una frequenza doppia della frequenza più alta della componente oscillante presente nel segnale. Questo segnale è la somma di due funzioni seno con frequenza diversa.Prendendo un valore di frequenza di campionamento intermedia fra le due frequenze riesco a ‘ricostruire’ solo la funzione con frequenza minore. Aumentando la frequenza di campionamento ad almeno 3 volte la frequenza maggiore, riesco a riconoscere anche l’altra componente (Pb. aliasing percettivo: è comunemente accettato che per ricostruire ‘a occhio’ l’andamento di un segnale oscillante il num di punti per oscillazione deve essere>2).

Interpolazione Interpolando anche con semplici segmenti i punti acquisiti e visualizzati sullo schermo dell’oscilloscopio si aumenta la percezione della forma del segnale acquisito. Questa modalità aiuta a limitare il numero di punti necessari a ‘riconoscere’ sullo schermo un segnale oscillante. Segnale acquisito con campionamento pari a ca 7 punti/periodo (v. fig. in basso della precedente diapositiva). Confronto fra la rappresentazione a punti del segnale acquisito e lo stesso in cui è presente l’interpolazione con segmenti.

Un potenziale genera un evento di trigger quando il suo valore supera un valore di soglia stabilito. L’attraversamento può avvenire in presenza di derivata (slope) positiva o negativa. Nell’oscilloscopio si deve impostare il valore di soglia e il segno della derivata. Trigger Per un ‘single shot’ il vantaggio è evidente: facciamo in modo che la raccolta del segnale avvenga dall’inizio, facendo in modo che il segnale di trigger sia posizionato temporalmente vicino a quello che noi stabiliamo essere il tempo zero dell’evento che noi vogliamo seguire. Per un segnale ripetitivo il vantaggio risiede nel fatto che due acquisizioni successive sono sincronizzate Acquisizioni successive non sincronizzate Acquisizioni successive sincronizzate

DC input coupling vs AC Input Coupling Il tipo di accoppiamento determina l’eventuale inserimento di dispositivi filtranti che vengono utilizzati al fine di migliorare la misura condotta. L’accoppiamento diretto è in modalità DC. Questo accoppiamento permette di condurre misure assolute di potenziale rispetto a terra. Nell’accoppiamento AC si inseriscono degli elementi filtranti che non fanno passare le componenti continue. In altri termini al potenziale in ingresso viene sottratto il suo valore medio nel tempo. La differenza fra i due tipi di misura è mostrata nella figura: DC input coupling vs AC Input Coupling

Il pannello frontale dell’oscilloscopio

In un oscilloscopio, vi sono da due a quattro canali di ingresso per i segnali Per ogni canale di ingresso ci sono i seguenti pulsanti: Posizione: regola la posizione verticale della traccia sullo schermo Ch1 menu: permette di visualizzare il menu del canale sullo schermo, scegliendo, ad es., il tipo di coupling (DC,AC) Volt/div: regola il guadagno verticale, variando i volt per divisione sull’asse y dell’oscilloscopio Ingresso BNC del canale: va collegato il cavo che porta il segnale da vedere Selettori del menu: permettono di selezionare un’opzione del menu visualizzato

Sezione orizzontale (base dei tempi) Posizione: regola la posizione orizzontale della traccia Accede al menu orizzontale Time/div: regola la velocità di spazzolamento orizzontale, espressa come il tempo necessario a percorrere una divisione orizzontale

Sezione Trigger Livello del trigger: regola il voltaggio del segnale di trigger al quale ha luogo l’evento di spazzolamento Menu del trigger: permette di selezionare il tipo di trigger (INT, EXT o LINE), il tipo di accoppiamento (DC, AC, AC LF) e la slope Trigger esterno (Ext): ingresso per un segnale di trigger esterno

Tasti di menu Esegue automaticamente (ove possibile), misure di ampiezza di segnale, di durata, di valore medio Visualizza cursori verticali/orizzontali per misure di ampiezza/durata