STRUMENTAZIONE DI LABORATORIO____________________________________________________________________________________________

OSCILLOSCOPIO (analogico)

Strumento che serve a visualizzare i segnali elettrici come livelli di tensione.Tubo catodico (Tubo a raggi catodici; "CRT": cathod ray tube).Cannoncino elettronico: genera il raggio che va a colpire lo schermo, illuminandolo.Schermo a cristalli di fosforo fotosensibile.Placche di deflessione- orizzontale - La tensione applicata fa scorrere la traccia luminosa in direzione orizzontale, da sinistra a destra dello schermo. Tale tensione cresce linearmente nel tempo, descrivendo una rampa, in modo che la velocità di spostamento sullo schermo (sweep: spazzolata) risulti costante. La tensione minima deflette il raggio all'estremità sinistra dello schermo, la tensione massima deflette il raggio all'estremità destra dello schermo. La rampa viene ripetuta periodicamente, con regolarità (disegnando un profilo a denti di sega), in modo che le tracce delle spazzolate consecutive si sovrappongano sullo schermo. Il raccordo fra il livello alto, alla fine della rampa precedente, e il livello basso, all'inizio della rampa successiva, avviene secondo un fronte ripidissimo; in tal modo la traccia viene riportata rapidamente dalla destra alla sinistra dello schermo, preparando così una nuova spazzolata. Durante questa fase di ritorno generalmente viene inibita la visualizzazione della traccia, altrimenti la sovrapposizione al segnale provocherebbe confusione. In alcuni modelli è possibile abilitare a comando la visualizzazione della traccia di ritorno.La cadenza delle spazzolate consecutive viene fornita da un circuito interno chiamato "generatore della base dei tempi" ("TBG": time base generator), o semplicemente "base-tempi". - verticale -La tensione applicata è quella proveniente dall'esterno, che si vuole visualizzare. Tale tensione viene introdotta attraverso gli appositi connettori presenti sul pannello frontale dello strumento. I connettori possono essere del tipo a boccola (per gli spinotti) o del tipo "BNC" per cavi coassiali.Se viene introdotta una tensione costante, lo scorrimento orizzontale della traccia visualizza un segnale che rimane sempre dello stesso livello. A tensione più bassa corrisponde un percorso orizzontale posizionato più in basso. A tensione più alta corrisponde un percorso orizzontale posizionato più in alto. Se viene introdotta una tensione che oscilla in modo armonico fra due estremi contenuti nello schermo, lo scorrimento orizzontale della traccia a velocità costante visualizza una sinusoide.

Sincronismo, sincronizzazione ("trigger")Consideriamo un segnale di ingresso periodico, ad esempio una sinusoide. Se il generatore della base-tempi viene sincronizzato con il segnale di ingresso la traccia spazzola lo schermo con la stessa frequenza del segnale da visualizzare. Se il tempo impiegato dalla traccia a percorrere lo schermo in orizzontale è diverso dal tempo impiegato dal segnale per compiere un'oscillazione completa, la traccia termina a destra dello schermo in un punto diverso da quello in cui era iniziata la visualizzazione, a sinistra. La nuova spazzolata comincia da un punto diverso dell'oscillazione e sullo schermo vengono a sovrapporsi tracce differenti.Per iniziare la visualizzazione sempre nello stesso punto dell'oscillazione e sovrapporre sullo schermo sempre lo stesso tratto di segnale, occorre mettere in fase la base-tempi con il segnale stesso; cioè occorre che la base-tempi aspetti, prima di iniziare una nuova spazzolata, che il segnale ritorni al punto dal quale era iniziata la spazzolata precedente.

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Fasatura, sincronizzazione ("trigger")La scelta dell'istante in cui iniziare la visualizzazione del segnale sullo schermo, cioè la scelta dell'istante in cui la base-tempi inizia la spazzolata, avviene per mezzo di una tensione continua di livello regolabile, usata come termine di riferimento.Si confronta il livello del segnale di riferimento "LSR" con il livello del segnale da visualizzare "LSV". Finchè LSV < LSR la base-tempi resta in attesa e la spazzolata orizzontale NON parte. Non appaena LSV = LSR parte la spazzolata orizzontale e viene visualizzata la traccia sullo schermo. Si può scegliere anche la logica opposta: finchè LSV > LSR la base-tempi resta in attesa e la spazzolata orizzontale NON parte; non appaena LSV = LSR parte la spazzolata orizzontale e viene visualizzata la traccia sullo schermo. Nel primo caso "LSV" interseca "LSR" con pendenza positiva (slope "+"; il "trigger" aggancia il segnale sul fronte di salita); nel secondo caso "LSV" interseca "LSR" con pendenza negativa (slope ""; il "trigger" aggancia il segnale sul fronte di discesa).Trigger- normale: visualizza solo se aggancia- auto: visualizza anche se non aggancia, mostrando un segnale asincrono con la spazzolata- single sweep: spazzolata singola Segnale di ingresso- monocanale- bicanale- a quattro canali- differenziale- .......Filtri in ingresso- DC: fa passare tutte le frequenze, anche la componente continua- AC: filtra le bassissime frequenze (taglia la componente continua)- LFR: filtra le basse frequenze, ad esempio la frequenza di rete- HFR: filtra le alte frequenze, ad esempio quelle dovute a scariche di disturboCollegamento a terra dell'ingresso, per verificare lo zero.Tracce- singola (single beam)- doppia (dual beam)- a quattro tracce- .......

Modi di visualizzazione e di sincronizzazione- CH1: visualizza soltanto il segnale sul canale "1"- CH2: visualizza soltanto il segnale sul canale "2"- ALT (alternate): visualizza i segnali di due canali alternativamente ad ogni spazzolata- CHOP: visualizza i segnali di due canali "affettandoli" in finestre temporali molto minori del tempo di spazzolata dello schermo, e descrivendoli a tratti alterni nel corso di una stessa spazzolata; i vuoti vengono riempiti nelle spazzolate successive perchè il "chopper" (circuito che "affetta") è asincrono rispetto alla base-tempi e affetta i segnali in tratti diversi ad ogni spazzolata- ADD: visualizza un segnale che è la somma dei segnali entranti da due canali distinti

Regolazione della posizione della traccia sullo schermo (offset, position)Una componente continua regolabile viene sommata o sottratta al segnale.in orizzontale- somma: traslazione del segnale verso destra- sottrazione: traslazione del segnale verso sinistra

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STRUMENTAZIONE DI LABORATORIO____________________________________________________________________________________________

in verticale- somma: traslazione del segnale verso l'alto- sottrazione: traslazione del segnale verso il basso

Scelta della scala delle ascisse e delle ordinate- scala orizzontale -t : tempo impiegato dalla traccia per spostarsi orizzontalmente di un tratto di lunghezza "x", con velocità costante vsx = x/t . Se l'intero schermo ha larghezza "L" e la tensione da applicare per la deflessione completa da un estremo all'altro è "V", allora V = (V/L)x è la tensione necessaria a provocare lo spostamento "x" nel tempo "t".Se "t" è il tempo impiegato per lo spostamento "x", allora il tempo "T" necessario per la spazzolata completa sarà T = Lt/x = (L/x)t .- scala verticale -V : tensione corrispondente a uno spostamento verticale "y" della traccia sullo schermo.Per facilitare la lettura delle scale, a seconda dei modelli sono previste diverse indicazioni:- tacche e valori "t" vicino alla manopola di regolazione delle ascisse- tacche e valori "V" vicino alla manopola di regolazione delle ordinate- griglia sullo schermo, generalmente ortogonale, a maglie quadrate x = y, di lato pari a 1 cm.- scritte visualizzate sullo schermo ("read-out")

MemoriaMemoria analogica, a schermi sovrapposti : in genere volatile; si cancella quando si spegne lo strumento. - a persistenza variabile : degrada nel tempo- a fosfori bistabili : maggiore durata, minore contrasto luminoso fra traccia e fondo, minore risoluzione della grana- opzione veloce ("fast") : schermo particolarmente sensibile, da usare per segnali deboli o rapidi, che non riuscirebbero a impressionare gli altri schermi Memoria digitale : in genere permanente; può essere conservata anche quando si spegne lo strumento e richiamata ad una accensione successiva.

RegistrazioneFotografia dello schermoTrasferimento dei dati numerici su dischettoTrasferimento diretto all'esterno, per esempio a un calcolatore (memoria centrale, disco fisso, ecc.); connettori adatti: porta seriale, porta parallela, ecc.

Funzioni specialiDoppia base- tempi e "trigger" ritardato- lo schermo viene diviso in due zone, con scale dei tempi diverse: la prima parte del segnale viene visualizzata sulla sinistra dello schermo con una certa scala delle ascisse, la seconda parte del segnale viene visualizzata sulla destra dello schermo con una diversa scala delle ascisse; la traccia non perde di continuità alla transizione, ma il segnale appare più dilatato orizzontalmente in una zona dello schermo rispetto all'altra.- sul segnale visualizzato con la prima base-tempi viene evidenziata la finestra temporale selezionata con la seconda base-tempi; attivando la seconda base-tempi la porzione di segnale interna alla finestra temporale suddetta viene dilatata a pieno schermo, mentre la porzione di segnale restante non viene più visualizzata.Uscita del segnale della base-tempi (sew-tooth)Ingresso asse "z"

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STRUMENTAZIONE DI LABORATORIO____________________________________________________________________________________________

Composizione di segnali : si sostituisce il segnale della base-tempi con un segnale di ingresso esterno, per la deflessione orizzontale; tale segnale si compone ortogonalmente, nel piano cartesiano, con il segnale di ingresso per la deflessione verticale. Se i due segnali hanno caratteristiche particolari vengono disegnate forme dette "figure di Lissajous".

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GENERATORE DI FUNZIONI

Lo strumento è in grado di generare segnali elettrici periodici di caratteristiche prefissate.Il generatore può produrre impulsi (pulse generator), onde (wave generator) e funzioni periodiche composte (function generator).- Onda quadra simmetrica: ciclo di oscillazione simmetrico (metà periodo a livello alto e metà periodo a livello basso; "duty-cycle" 50%); onda tutta positiva, tutta negativa, simmetrica a cavallo dello zero. - Regolazione della frequenza (frequency): pulsanti per selezionare l'ordine di grandezza (1 Hz, 10 Hz, 100 Hz, 1 kHz, ecc.); manopola per la regolazione fine - Regolazione dell'ampiezza (amplitude): manopola di regolazione continua- Somma (DC offset): somma algebrica di una componente continua, per la traslazione verticale del segnale- Regolazione del ciclo di oscillazione (width, "ampiezza"): durata del livello alto; es. duty cycle 25%; pulsanti per la selezione del fondo-scala; manopola per la regolazione continua - Regolazione del ritardo (delay) rispetto a un riferimento: pulsanti per la selezione del fondo-scala; manopola per la regolazione continua; si può scegliere come riferimento un segnale esterno, oppure la stessa funzione NON ritardata e produrre entrami i segnali mediante la opzione "doppio impulso" (double pulse) - Doppio impulso (double pulse): produzione di un ulteriore impulso con ritardo regolabile rispetto all'impulso originale selezionato- Onda triangolare simmetrica- Onda sinusoidale- Uscite- bassa (low): 2 V p-p- alta (high): 20 V p-p- sincrona (sync out): 0-5 V (logica "TTL"), onda quadra simmetrica con livello alto dove l'oscillazione ha pendenza positiva e livello basso dove l'oscillazione ha pendenza negativa- Ingressi- sincronismo esterno (external trigger, trig in): l'uscita della funzione selezionata viene abilitata all'arrivo di un segnale esterno di livello adeguato - finestra di abilitazione (gate): l'uscita della funzione selezionata viene abilitata entro una finestra temporale in cui un segnale proveniente dall'esterno supera il livello necessario; se tale segnale è una funzione periodica, l'abilitazione e la soppressione si susseguono con regolarità; la funzione appare come un pacchetto di oscillazioni all'interno della finestra di abilitazione; se la fine della finestra non coincide con la fine dell'oscillazione, l'oscillazione iniziata viene comunque portata a termineAbilitazione manuale: l'uscita di una oscillazione singola della funzione selezionata viene abilitata a seguito di comando manuale da pannelloRegolazione esterna della frequenza del segnale (VCG: voltage controlled generator; generatore regolato da una tensione esterna): il generatore produce una frequenza del segnale di uscita proporzionale al livello di tensione di un segnale esterno; se tale livello varia periodicamente, il segnale di uscita viene prodotto con una frequenza che varia periodicamente.

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MULTIMETRO "V,R,i" ("tester")

Lo strumento è costituito dall'insieme di un voltmetro per la misura delle tensioni, un ohmmetro per la misura delle resistenze e un amperometro (o galvanometro) per la misura delle correnti.Può essere analogico o digitale, con quadrante di visualizzazione analogico (diverse scale graduate sovrapposte) o digitale (a quattro cifre, a cinque cifre, ecc.)Sul quadrante frontale ci sono gli ingressi per il segnale da misurare, provvisti di cavetti con connettori a un'estremità e puntali o pinze di prelievo del segnale all'estremità opposta (detti anche "sonde").

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REGISTRATORE DI TRANSIENTI E ANALIZZATORE DI SPETTRO

Lo strumento capta e memorizza segnali qualsiasi, anche NON periodici, all'interno di una finestra temporale prefissata. Fra le diverse funzioni consentite, c'è la possibilità di eseguire l'analisi in serie di Fourièr, con rappresentazione della composizione armonica del segnale nel diagramma delle ampiezze in funzione delle frequenze ("spettro" del segnale, diagramma spettrale).

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ALTRI STRUMENTI

Generatore di impulsi Generatore di ondeMisuratore di frequenza ("frequenzimetro")Misuratore di capacità ("capacitimetro")Misuratore di induttanza ("induttimetro")Multimetri : consentono di misurare più di una grandezza (es. resistenza, capacità, induttanza) Filtri regolabili: PB, PA, con frequenze di taglio selezionabili da pannello

Strumenti in versione "palmare" (che stanno nel palmo di una mano, tascabili), comodi da trasportare e da usare anche in situazioni critiche, quando l'impiego di uno strumento da tavolo, pesante e ingombrante, sarebbe proibitivo.

Oscilloscopio, generatore di funzioni, multimetro, analizzatore di spettro (registratore di transienti), Generatore di impulsi, Tester, Encoder, Sistemi di acquisizione-dati.

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VOLTMETRO DIGITALE (CONVERTITORE RAZIOMETRICO A DOPPIA RAMPA)

Esempio di convertitore A/D del tipo "raziometrico" o "a doppia rampa" usato per la misura di una tensione costante in un voltmetro digitale

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STRUMENTAZIONE DI LABORATORIO____________________________________________________________________________________________

Vi : tensione costante di ingresso, da misurareT1 : tempo di integrazione preliminare

S V T V t dt V Ti i

T

i( , ) ( )10

1

1

valore dell'integrale del segnale di ingresso dopo il tempo "T1"Vr : tensione costante di riferimento, da integrare per azzerare l'integrale "preliminare"T2 : tempo di integrazione necessario per l'azzeramento dell'integrale "preliminare"

S V T V T V T V t dt V T V Ti r i rT

T T

i r( , , , ) ( )1 2 1 1 2

1

1 2

0

valore dell'integrale dopo il tempo "T1+ T2"Occorre un dispositivo capace di riconoscere il segno del segnale di ingresso "V i", in modo da integrare il segnale di riferimento "Vr" con segno opposto e ottenere l'azzeramento.Dalla relazione ViT1 = VrT2 si ricava Vi = VrT2/T1 = (Vr/T1)T2

Siccome la tensione di riferimento "Vr" e il tempo di integrazione preliminare "T1" sono valori caratteristici dello strumento, il tempo "T2" diventa una misura della tensione di ingresso "Vi".Il tempo "T2", a sua volta, viene misurato per mezzo di un orologio elettronico.

Misura per integrazioni successive

V T V Ti 1 r 2 ; VVT

Tir

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T N2 o o

Determinazione della tensione "Vi"attraverso la misura del tempo "T2"

Voltmetro digitale

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Vi

T1

Vr

T2

VrT2

ViT1

o = 1/fo

T2

STRUMENTAZIONE DI LABORATORIO____________________________________________________________________________________________

Schema funzionale dello strumento

GALVANOMETRO A BOBINA MOBILE

xxx

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+/–

VR

Vi* =

T2·VR/T1

segno di "Vi"

segno(VR) ≠ segno(Vi)

Vi

a/i

T2

T2, (T1)

(VR)

Vi*

risultatointegrale

T1, T2

∫Vi·dt

t

comando esterno di abilitazione / inibizione

orologio

commutatore

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Schema costruttivo dello strumento

xxx

Schema funzionale dello strumento

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N

S

N S