Oscilloscopio
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 dipendete 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.
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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 percorre lo schermo da sinistra a destra ridisegnando ripetutamente una linea orizzontale. La velocità di scansione è finemente programmata per mezzo della base dei tempi, uno dei controlli presenti sul pannello. Il valore è espresso in unità di tempo per divisione, e può spaziare da un secondo a decine di nanosecondi per divisione.
La traccia verticale si trova solitamente a metà altezza dello schermo, e l'applicazione di un segnale all'ingresso provoca la deflessione verso l'alto o verso il basso in funzione della polarità. La scala verticale è espressa in volt per divisione e può essere regolata da decine a millesimi di volt. 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 da misurare.
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 ingrandito 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 in ogni oscilloscopio è dotato di un circuito di calibrazione, che produce un segnale 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.
Funzionamento
Oscilloscopio a tubo catodico
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Il primo e più semplice tipo di oscilloscopio è costituito da un tubo catodico, un amplificatore verticale, una base dei tempi, un amplificatore orizzontale e un alimentatore di corrente. Questi modelli sono definiti analogici per contrapposizione con i modelli digitali diffusisi a partire dagli anni '90.
Il tubo catodico è un contenitore in vetro in cui è stato praticato il vuoto. 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).
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 25Hz (160Hz nei migliori monitor CRT), ma un oscilloscopio è usato per tracciare segnali che possono avere frequenze anche oltre 1GHz, 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.
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 degli amplificatori orizzontali e verticali è di elevare i segnali in ingresso e della base dei tempi fino ad avere la tensione necessaria per la deflessione elettrostatica.
La base dei tempi è un circuito oscillatore che genera un segnale a rampa di frequenza regolabile. Una tensione cresce linearmente fino ad un valore massimo, quindi torna rapidamente a zero e riprende a salire. Il segnale amplificato e applicato alle placche orizzontali provoca la scansione del fascio elettronico attraverso lo schermo.
L'amplificatore verticale riceve in ingresso il segnale proveniente dal circuito da analizzare. Questo amplificatore ha una elevata impedenza di ingresso, nell'ordine di megaohm o gigaohm, in modo da perturbare al minimo il circuito studiato. Il guadagno dell'amplificatore è regolabile in modo da adattare il segnale alla dimensione dello schermo. Un segnale positivo provoca la deflessione della traccia verso l'alto, un segnale negativo verso il basso. La velocità di risposta è molto più elevata rispetto ad un sistema meccanico (per esempio il multimetro) e dipende dalla qualità (e dal costo) dell'oscilloscopio. Tutto il sistema è accuratamente calibrato in modo che una divisione sullo schermo corrisponda al valore di tensione e di tempo reali.
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).
L'alimentatore è un componente importante in un oscilloscopio, poiché fornisce la bassa tensione per riscaldare il catodo, la base dei tempi e 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 in errori nella posizione della traccia.
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.
- Menù per le impostazioni dei trigger e altre funzioni.
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.
Oscilloscopio a memoria digitale
Gli oscilloscopi digitali sono ampiamente preferiti nelle applicazioni professionali, lasciando agli hobbisti i modelli analogici.
In questi modelli il segnale viene memorizzato in memorie digitali, dove può essere conservato per un tempo illimitato senza degradazione, è può eventualmente essere elaborato.
L'ingresso verticale invece di pilotare l'amplificatore verticale viene digitalizzato da un convertitore analogico-digitale e il flusso di dati generato viene elaborato da un microprocessore. La visualizzazione avveniva nei primi modelli su un tubo catodico, ma sempre più frequentemente su display LCD monocromatici o a colori. I dati possono essere sottoposti al software di analisi incluso per calcolare tempi, ampiezze, spettri di frequenza, statistiche e molti altri dati utili ai diversi rami dell'ingegneria, quali telecomunicazioni, informatica, elettronica di potenza ecc.
A volte è presente un funzione di autoregolazione: premendo un solo tasto lo strumento si autoconfigura per visualizzare al meglio il segnale entrante.
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 un tecnico esperto 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.
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.