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Appunti di Misure ElettricheAppunti di Misure ElettricheCapitolo 6

Oscilloscopio analogico (parte I)

Introduzione ............................................................................................... 1Concetti generali ........................................................................................ 2

Sezioni verticali .................................................................................... 4Sezione orizzontale ............................................................................... 7Sezione di trigger.................................................................................. 9Collegamenti dell’oscilloscopio al circuito sotto misura .................... 12Sonde compensate ............................................................................... 13

Misure fondamentali con l’oscilloscopio .................................................. 15Componenti di base di un oscilloscopio.................................................... 16

Osservazione: connettori BNC ...................................................... 18

INTRODUZIONE

L’oscilloscopio a raggi catodici (CRO, Cathode-Ray Oscilloscope), o semplicementeoscilloscopio, è attualmente il più versatile ed utile strumento di misura. La sua larga diffusione èdovuta alla possibilità da esso offerta non solo di visualizzare l’andamento temporale di grandezze dinatura elettrica e non elettrica (tramite l’uso di opportuni sensori), ma anche di misurare tensioni ecorrenti in corrente continua o alternata, tempi, frequenze, sfasamenti, sovraoscillazioni e tante altrecaratteristiche statiche e dinamiche.

Si tratta di uno strumento impiegato prevalentemente per misure qualitative di grandezzeelettriche; le sue applicazioni sono numerose:

• analisi di qualsiasi tipo di corrente alternata;• studio di oscillazioni e vibrazioni;• verifica della funzionalità di circuiti elettronici;• controllo dei diagrammi dei motori a scoppio;• visualizzazione delle immagini di Radar e Sonar;• monitoraggio delle correnti cerebrali e della funzionalità di cuore e polmoni.

La differenza sostanziale tra un normale sistema di registrazioneed un oscilloscopio sta nella maggiore ampiezza di banda diquest’ultimo. Questa è dovuta al fatto di visualizzare il segnale sotto misura tramite l’usodi un sottile fascio luminoso incidente su uno schermo fluorescente: la sensibilità nellaregolazione della posizione di questo fascio luminoso proporzionalmente al segnale in ingresso è taleda poter seguire variazioni temporali del suddetto segnale anche nell’arco dei nanosecondi (almenonei migliori oscilloscopi).

Appunti di “Misure Elettriche” - Capitolo 6

Autore: Sandro Petrizzelli2

Il campo di frequenza di un oscilloscopio varia da modello a modello: si va dai 20 MHz per gliapparecchi più economici ai 100 MHz per gli apparecchi tipicamente usati in laboratorio fino ai 500MHz degli apparecchi migliori (e quindi più costosi).Un’altra caratteristica di grande pregio, peraltro comune ad altri

strumenti elettronici, è l’elevata impedenza di ingresso, che èdell’ordine di qualche MΩ. Essa garantisce, nella maggior parte delle applicazioni dimisura, un basso effetto di carico sul circuito di misura e quindi un basso errore di consumo (chericordiamo essere un errore di tipo sistematico).

I maggiori svantaggi degli oscilloscopi sono i seguenti:

• alto costo;

• fragilità, essenzialmente legata alla presenza del tubo a raggi catodici (CRT, Cathode-RayTube), che ha la funzione basilare di convertire il segnale in una immagine su uno schermo;

• ingombro e peso elevati, anch’essi legati alla presenza del CRT;

• ridotta accuratezza (si va dal 90% degli strumenti più economici a non oltre il 99% per quellimigliori).

CONCETTI GENERALI

L’oscilloscopio è uno strumento atto a visualizzare la tensione (costante o variabile) ai capi di unbipolo; questo bipolo può essere sia un elemento di un circuito sia anche un sensore. Ad esempio,nella figura seguente è riportato l’uso di un oscilloscopio insieme ad un sensore di luce:

La luce, emessa da una certa sorgente (naturale o artificiale) è captata dal sensore (tipicamenteuna fotocellula); il sensore genera ai propri capi una tensione proporzionale all’intensità della lucecaptata; questa tensione, tramite un apposito cavo di interconnessione, viene portata all’ingressodell’oscilloscopio al fine di visualizzarne l’andamento temporale sullo schermo.

Essendo un misuratore di tensione, sappiamo bene che l’impedenza d’ingresso di un oscilloscopiodeve essere alta ed in effetti lo è: come anticipato nel precedente paragrafo, un valore tipico(normalmente indicato sul pannello frontale) è 1 MΩΩ. In realtà, tale impedenza non è puramenteresistiva, ma presenta in parallelo una capacità di circa 10 pF. Come è ben noto, la rilevanza diquesta capacità è tanto maggiore quanto maggiore è la frequenza del segnale applicato in ingressoallo strumento.

Un oscilloscopio può essere analogico oppure digitale. La differenza sostanziale èschematizzata nella figura seguente:



Nell’oscilloscopio analogico, la tensione da misurare comanda direttamente la deflessione delfascio d’elettroni in un tubo a raggi catodici; questo comporta che sullo schermo fluorescente siavisualizzata una traccia continua corrispondente a tale tensione. Al contrario, nell’oscilloscopiodigitale la tensione di misura è prima convertita in valori numerici e poi tali valori vengonorappresentati su uno schermo simile al monitor di un PC; su tale monitor si ottiene dunque unatraccia formata da punti discreti (eventualmente interpolati).

In aggiunta a ciò, proprio per la disponibilità dei campioni del segnali l’oscilloscopio digitalepermette l’elaborazione numerica del segnale, cosa che invece non è possibile nell’oscilloscopioanalogico.

Lo schermo dell’oscilloscopio è evidentemente usato per visualizzare la forma d’onda (o leforme d’onda, se ci sono più ingressi allo strumento) sotto misura. Per facilitare le misure, loschermo è dotato di una griglia, formata (sempre) da 10 divisioni orizzontali e 8 divisioniverticali:

Sempre al fine di ottimizzare la visualizzazione delle forme d’onda, lo schermo dispone di uncerto numero di controlli, che generalmente sono delle manopoline poste sulla parte inferiore delloschermo stesso (come indicato in figura). I controlli più comuni sono i seguenti:

• intensity: regolazione dell’intensità della traccia;

• focus: messa a fuoco della traccia;



• scale illumination: illuminazione della griglia;

• trace rotation: regolazione per rendere perfettamente orizzontale la traccia

Nel seguito vedremo in dettaglio come questi comandi intervengono fisicamente sul dispositivo e,in particolare, sul tubo a raggi catodici.

Sul pannello frontale dell’oscilloscopio sono presenti, oltre allo schermo ed ai relativi controlli,svariate altre sezioni:

Abbiamo

- una o più sezioni verticali (tante quanti sono i canali in ingresso);- una sezione orizzontale;- una sezione di trigger.

Sezioni verticali

Ci sono tante sezioni verticali quanti sono i canali dell’oscilloscopio (di solito almeno due).Schematicamente, una sezione appare verticale è del tipo seguente:



I primi due controlli della sezione verticale sono:

• position: serve a regolare la posizione verticale della traccia sullo schermo;

• volt/div: serva a regolare il guadagno verticale (sensitivity).

Supponiamo ad esempio che la tensione sotto misura sia una tensione costante di 2V. Se lamanopola position è nella posizione intermedia (0), la linea orizzontale della griglia dello schermocorrisponde a 0V (livello di riferimento), per cui sullo schermo vedremo una traccia orizzontaleposta al di sopra di tale linea:

0 V

traccia(tensione positiva)

livello diriferimento

Se invece ruotiamo in senso orario la manopola position, in pratica alziamo il livello diriferimento a 0V rispetto al centro dello schermo, per cui si alza anche la traccia; viceversa, ruotandola manopola in senso antiorario, la traccia si abbassa in quanto abbiamo abbassato il livello diriferimento:

0 V

0 V

La posizione della traccia non dipende però solo dalla manopola position, ma anche dalguadagno verticale che stiamo adottando. Supponiamo ad esempio che il livello di riferimento a0V sia al centro dello schermo (manopola position in posizione intermedia). Se fissiamo unguadagno verticale di 1 volt/div, vedremo la traccia orizzontale in corrispondenza della seconda lineadella griglia al di sopra della linea centrale (corrispondente a 0V). Se invece fissiamo un guadagnoverticale di 2 volt/div, allora la traccia sarà in corrispondenza della prima linea al di sopra di quellacentrale:

0 V

1 volt/div

2 V

0 V

2 volt/div

2 V



Come vedremo nel dettaglio più avanti, la regolazione della manopola VOLT/div consiste nellaregolazione dell’attenuazione che viene imposta al segnale sotto misura in modo che l’ampiezzarisultante sia adeguata a pilotare la deflessione del fascio di elettroni che incide sullo schermo.

Ancora riguardo i pulsanti posti nella generica sezione verticale, sono molto importanti quelli peril controllo di accoppiamento (coupling) del bipolo sotto misura con lo strumento. Abbiamo leseguenti possibilità:

• DC: con il commutatore in questa posizione, si ha un accoppiamento in continua, il chesignifica che il bipolo è collegato direttamente all’oscilloscopio;

• AC: con il commutatore in questa posizione, viene inserito un condensatore in serie tra bipoloe strumento, al fine di rimuovere l’eventuale componente continua presente nel segnale damisurare; è chiaro che la presenza di questo condensatore altera l’impedenza d’ingresso e larisposta dinamica dello strumento;

• GND: in questo caso, il bipolo è scollegato dall’oscilloscopio, a cui è applicata invece unatensione nulla; portare il commutatore su questa posizione serve semplicemente a verificare laposizione sullo schermo del livello di riferimento a 0V;

• Bandwidth Limit: in quest’ultimo caso, l’ingresso è filtrato passabasso, in modo da ridurre ilrumore in alta frequenza; abbiamo ancora una volta una alterazione dell’impedenza di ingressoe della risposta dinamica. E’ ovvio che non andrà fatta questa scelta quando il segnale è di tipopassa banda, in quanto verrebbe filtrato anche il segnale oltre il rumore.

Un modo banale per comprendere le posizioni DC e AC è rappresentato nella figura seguente:

La tensione di misura è sinusoidale con sovrapposta una componente continua (pensiamo adesempio alla tensione di uscita di un amplificatore elettronico, in cui la componente continua èdovuta alla polarizzazione degli elementi attivi come i transistor). Con l’accoppiamento in DC, vienevisualizzata la forma d’onda nella sua completezza, cioè con inclusa la componente continua, checomporta semplicemente una traslazione del valor medio (in questo caso a +2V). Conl’accoppiamento in AC, invece, la continua viene soppressa, per cui risulta visualizzata la classicaforma d’onda sinusoidale a valor medio nullo.

Nella sezione verticale troviamo anche il controllo per visualizzare più canali simultaneamente. Inparticolare, oltre a poter scegliere quali canali visualizzare (canale 1, canale 2, canali 1 e 2, ecc.),possiamo scegliere tra due modalità di visualizzazione simultanea:

• alternate: in questo caso, viene riportato prima l’andamento di un segnale e poi quellodell’altro e la cosa si ripete per ciascun periodo;



• chop: in quest’altro caso, i due segnali vengono diagrammati alternativamente, riservando cioèal primo una prima frazione di tempo, poi al secondo la frazione successiva, poi ancora alprimo e così via fino alla completa scansione dello schermo.

La figura seguente chiarisce il concetto:

Infine, è spesso possibile (anche sugli oscilloscopi analogici) qualche semplice elaborazione tra isegnali dei diversi canali. Per esempio, è possibile visualizzare la forma d’onda ottenuta comesomma o differenza di due canali:

Al contrario degli oscilloscopi analogici, gli oscilloscopi digitali permettono invece divisualizzare manipolazioni matematiche del segnale anche molto più complesse (moltiplicazione,divisione, integrazione, derivazione, FFT, ecc.)

Sezione orizzontale

Come detto in precedenza, mentre ci sono tante sezioni verticali quanti sono i canali, la sezioneorizzontale è unica ed è del tipo seguente:



Si distinguono qui due controlli principali:

• x position: serve a regolare la posizione orizzontale della traccia sullo schermo;

• time/div: serve a regolare la velocità della base dei tempi o tempo di spazzolamento(timebase, sweep time).

Sulla questione della regolazione della base dei tempi torneremo approfonditamente in seguito.Per il momento, ci limitiamo a dire che spesso, se sullo schermo vediamo una forma d’ondainaspettata o irriconoscibile, la causa è una regolazione grossolanamente errata proprio del valore ditime/div.

Un altro importante controllo della sezione orizzontale è quello che permette di scegliere il tipodi visualizzazione. Anche se ne parleremo in dettaglio più avanti, anticipiamo che la traccia deisegnali sullo schermo fluorescente del CRT è ottenuta spostando, su tale schermo, un fascio sottile dielettroni; in ciascun istante di tempo, lo spostamento verticale di tale fascio è proporzionale alsegnale y applicato in ingresso, mentre invece la deflessione orizzontale dipende dal tipo divisualizzazione che si vuole:

• la visualizzazione cosiddetta in modo normale è tale da visualizzare la curva di equazioney(t); questo lo si ottiene usando, come segnale di comando per la deflessione orizzontale, undente di sega generato internamente al dispositivo;

• al contrario, la visualizzazione in modo XY serve a diagrammare la curva di equazione

==

)t(yy

)t(xx

dove x è un segnale applicato all’altro ingresso dell’oscilloscopio.

Un facile esempio per comprendere quanto appena detto è illustrato nella figura seguente:



Si suppone che i due segnali x ed y in ingresso siano due sinusoidi isofrequenziali ed inquadratura di fase:

• nella visualizzazione in modo normale, i due segnali vengono diagrammati nella loro classicaforma, proprio perché il segnale che comanda la deflessione orizzontale consente di seguirel’andamento temporale di tali segnali;

• nella visualizzazione in modo XY, invece, non c’è nessun dente di sega, per cui, in ciascunistante t, il fascio elettronico illumina il punto di coordinate (x(t),y(t)).

La sostanziale differenza tra i due casi è nel fatto che, mentre il dente di sega spostaprogressivamente il fascio elettronico orizzontalmente da sinistra verso destra dello schermo, nellavisualizzazione XY tale spostamento orizzontale dipende dal segnale x, per cui non necessariamenteè progressivo; per esempio, nel caso riportato in figura, in cui x(t) è sinusoidale, la posizioneorizzontale oscilla sullo schermo.

Sezione di trigger

Anche la sezione di trigger è unica (come quella orizzontale) ed se il suo uso è meno intuitivodelle precedenti. Una corretta impostazione del trigger è indispensabile sia per ottenere un’immaginestabile sullo schermo sia per visualizzare il segnale nel modo voluto e più utile. Nella figuraseguente sono riportate due tipiche situazioni, con riferimento ad un segnale in ingresso puramentesinusoidale:

Nella figura di sinistra è mostrato quello che si vede quando il trigger è mal regolato: vediamo suldisplay più curve, che appaiono anche in continuo movimento. Al contrario, nella figura di sinistra èmostrato ciò che si vede nel caso di una corretta regolazione del trigger: una curva unica e ferma,corrispondente alla successione di fotografie del segnale applicato.



Questo concetto della “successione di fotografie del segnale” è alla base del funzionamentodell’oscilloscopio. Per ottenere una traccia stabile sullo schermo sono necessarie due condizionifondamentali:

• in primo luogo, il segnale in ingresso deve essere periodico;

• in secondo luogo, esso deve essere tracciato partendo sempre dallastessa “fase”, ossia dallo stesso istante rispetto all’inizio di un periodo.

Il concetto da tenere presente è che il pennello elettronico, dopo aver scandito l’intero schermo(orizzontalmente da sinistra verso destra), impiega un certo tempo (molto breve, come si vedrà) pertornare nuovamente a sinistra dello schermo e quindi riprendere la propria scansione. Quindi, ogniscansione rappresenta di fatto una fotografia del segnale in ingresso, ossia una osservazione di talesegnale per un tempo (detto tempo di spazzolamento) pari a quello necessario per la scansionecompleta dello schermo. Allora, se il segnale non fosse periodico, cioè cambiasse continuamente edin modo casuale, ciascuna fotografia sarebbe diversa dalla precedente, per cui vedremmo sulloschermo una successione di tracce tutte diverse tra loro, il che servirebbe a ben poco. Se invece ilsegnale è periodico, allora potremo ottenerne una rappresentazione stabile, ma solo alla condizioneche le fotografie siano fatte nello stesso modo, cioè partendo dallo stesso punto e finendo nellostesso punto1.

Per spiegarci ancora meglio, consideriamo una sinusoide: supponiamo di effettuare la primafotografia partendo da un istante in cui essa ha fase π/2 (se si tratta di un Seno, siamo perciò alvalore massimo, +1, del segnale); se la successiva fotografia non viene fatta nuovamente partendo daun istante in cui la fase è π/2, otterremo un andamento diverso dal precedente, cadendo nello stessoproblema di prima, cioè con un segnale apparentemente in movimento e quindi inutilizzabile per lemisure:

Chiarito questo, è evidente che otteniamo una traccia stabile sullo schermo quando sia il tempo dispazzolamento sia il tempo di ritorno del pennello sono dei multipli interi del periodo del segnale davisualizzare: in questo caso, infatti, possiamo star certi che la scansione comincia nei punti in cui ilsegnale ha sempre la stessa fase. Il problema, invece, è che lo spazzolamento non necessariamentedura un numero intero di periodi: la durata del tempo di spazzolamento è stabilita dalla manopolatime/div presente nella sezione orizzontale. In aggiunta a questo, bisogna anche tener conto che ilsegnale non è visualizzato senza interruzioni, ma sono “saltati” pezzi anche molto lunghi rispettoallo spazzolamento.

La figura seguente aiuta a comprendere il concetto:

1 In realtà, deve essere verificata una ulteriore condizioni, relativa però al funzionamento dell’oscilloscopio e non al segnale sotto

misura: la frequenza di ripetizione (cioè la frequenza con cui la traccia viene ridisegnata) deve essere superiore a quella dipersistenza dell’immagine sulla retina



Il cosiddetto istante di trigger è l’istante (ricavato direttamente dal segnale in ingresso) in cui ilpennello elettronica comincia la propria scansione. Il già citato tempo di spazzolamento è invecela durata della scansione.

Concentriamoci proprio sull’istante di trigger: è l’istante in cui il segnale raggiunge un certovalore (detto trigger level) con pendenza di segno fissato (trigger slope). La figura seguentechiarisce questo aspetto:

A sinistra è indicato l’andamento (periodico) del segnale da diagrammare (input signal). Iltrigger level è impostato sul valore 3V, il che significa che la scansione deve cominciare quando ilsegnale è a 3V. Questo, però, non basta, in quanto il segnale attraversa i 3V sia in aumento sia indiminuzione. E’ possibile allora settare il trigger slope, sul valore positivo (il trigger scatta quando ilsegnale raggiunge i 3V in fase di aumento) o sul valore negativo (il trigger scatta quando il segnaleraggiunge i 3V in fase di diminuzione).

Entrambi questi valori (livello e segno) del trigger possono essere impostati manualmente tramitegli appositi comandi.

In alcuni casi, è molto importante disporre di un ulteriore controllo della sezione trigger, cheprende il nome di holdoff (trattenimento) del trigger. Consideriamo per esempio un segnale del tiporiportato nella figura seguente:



Se il livello di trigger è quello indicato dalla linea orizzontale tratteggiata, avremmo tre scattimolto ravvicinati del trigger, il che non ci andrebbe bene perché la natura periodica del segnale nonverrebbe tenuta in conto: vedremmo prima un impulso, poi l’altro, poi un altro ancora, poi unatraccia nulla e poi di nuovo un impulso e così via.

Allora, il comando di holdoff permette di risolvere il problema, in quanto permette di fissare untempo, successivo allo spazzolamento, in cui il verificarsi della condizione di trigger viene ignorato.Con riferimento al caso preso in esame, grazie alla regolazione opportuna dell’holdoff lospazzolamento viene eseguito sempre sul solo primo impulso di ogni sequenza di tre, ottenendo cosìuna immagine stabile.

Collegamenti dell’oscilloscopio al circuito sotto misura

Dal punto di vista elettrico, gli ingressi dell’oscilloscopio sono normalmente di tipo groundedsingle-ended, vale a dire con filo di ritorno del segnale in comune e messo a terra.

Ci sono però altre configurazioni possibili:

• floating single-ended (filo di ritorno isolato)

• differential (fili di ritorno separati)

Le abbiamo citate in ordine decrescente di vantaggio e di costo.Si deve sempre tenere presente che nel connettere l’oscilloscopio a un circuito si collegano

insieme e si mettono a terra determinati punti.



Sonde compensate

Un accessorio importante per la connessione dell’oscilloscopio è la sonda compensata(compensated probe), di cui abbiamo già parlato in precedenza:

Una sonda compensata non è altro che il parallelo tra una resistenza ed una capacità variabili.La figura seguente mostra lo schema circuitale di una connessione dell’oscilloscopio alla sorgente

di misura (VS) tramite un connettore BNC2 (posto sul pannello dell’oscilloscopio), un cavocoassiale ed una sonda compensata:

Il tipo più semplice di sonda compensata è provvisto di un commutatore a slitta a dueposizioni: nella posizione 1X non si ha compensazione, mentre nella posizione 10 X il segnale èattenuato di 10 volte e ma si ha compensazione.

In posizione 10X, la sonda è sostanzialmente una resistenza elevata con in parallelo una capacitàvariabile. Abbiamo perciò la seguente schematizzazione:

2 Parleremo più avanti di questo tipo di connettore



A sinistra abbiamo il generatore di segnali che vogliamo connettere all’oscilloscopio, mentre adestra abbiamo l’oscilloscopio stesso, del quale viene visualizzata solo l’impedenza di ingresso (ilnoto parallelo tra una resistenza da 1MΩ ed una capacità da circa 20 pF). I comuni dell’oscilloscopioe del generatore sono messi entrambi a terra (grounded), per cui il collegamento viene fatto tramiteun unico cavo (ad esempio un coassiale), che termina con la sonda compensata, in posizione 10X: sitratta, come evidenziato in figura, in un parallelo tra una resistenza da circa 9MΩ ed una capacitàvariabile.

Ruotando una apposita vite predisposta esternamente alla sonda, è possibile regolare questacapacità, fin quando non viene annullato l’effetto passabasso della capacità equivalentedell’oscilloscopio: si tratta in pratica di abbassare la costante di tempo con cui l’oscilloscopiorisponde all’eccitazione in ingresso, in modo da aumentare la velocità di risposta dello strumento,cioè da ridurne l’effetto passa-basso.

Data l’attenuazione introdotta sul segnale, con la sonda si ottiene di caricare 10 volte di meno ilcircuito e di annullare quindi l’effetto della capacità.

Un procedimento di questo tipo andrebbe sempre usato per segnali a frequenza superiore a 5 kHze di entità sufficientemente alta rispetto al rumore.

Anche la regolazione della sonda (tramite la suddetta vite) è stata già descritta in precedenza, percui facciamo un riepilogo rapido:

• si connette al suo ingresso un generatore di onda quadra (di solito a 1 kHz con picco di 5V);

• si regola la vite (condensatore variabile) col cacciavite di plastica fornito, fino allavisualizzazione ottima dell’onda:



MISURE FONDAMENTALI CON L’OSCILLOSCOPIO

Prima di passare alla descrizione dettagliata delle singole parti da cui è costituito un oscilloscopio,accenniamo ad alcune semplici misure eseguibili con l’oscilloscopio.

Una misura molto semplice è quella della ampiezza picco-picco per una tensione sinusoidale:

Se il livello di riferimento a 0V è stato posto al centro dello schermo ed il segnale sinusoidale iningresso ha valor medio nullo, otterremo una visualizzazione del tipo riportato in figura, con lasinusoide perfettamente centrata (verticalmente). Potremo allora semplicemente contare le divisioniche ci sono tra i picchi positivi e negativi (ampiezza picco-picco) oppure quelle tra il genericopicco ed il valor medio (ampiezza).

Con lo stesso criterio, applicato però in orizzontale, possiamo anche misurare il periodo T dellasinusoide, contando le divisioni tra un picco ed il successivo con la stessa fase, e quindi la frequenza,che vale 1/T. Ricordiamo, a tal proposito, che, per risalire dal numero di divisioni ad un quantitàespressa in secondi è sufficiente conoscere il valore (impostato manualmente tramite la manopolatime/div) di tempo corrispondente a ciascuna divisione: indicato con tdiv tale valore, avremo che

divdiv ntT ⋅=

dove ovviamente divn è il numero di divisioni che abbiamo contato (in orizzontale).

Discorso assolutamente analogo in verticale, cioè per la misura dell’ampiezza: in questo caso, ivolt corrispondenti a ciascuna divisione sono dati dal valore impostato (sempre manualmente) con lamanopola volt/div; indicato con Vdiv tale valore, avremo che

divdivpp mVA ⋅=−

dove divm è il numero di divisioni che abbiamo contato (in verticale).

Altre tipiche misure eseguibili con l’oscilloscopio sono quelle sui parametri temporali di unimpulso:



I parametri tipici sono tempo di salita o discesa (tra 10% e 90%) e la durata dell’impulso (dettaanche tempo di emivalore, in quanto corrisponde alla distanza temporale tra i punti al 50%dell’ampiezza).

Spesso l’oscilloscopio permette la regolazione fine del guadagno verticale, in modo da farcoincidere la base e il tetto dell’impulso con dei marcatori prestampati (marker) sulla griglia.

COMPONENTI DI BASE DI UN OSCILLOSCOPIO

I componenti di base di un oscilloscopio sono i seguenti:

• il tubo a raggi catodici (CRT), comprendente al suo interno il cannone elettronico, gli anodidi accelerazione e focalizzazione, le placchette di deflessione orizzontale e verticale, loschermo fluorescente;

• il sistema relativo all’ingresso Y, comprendente i circuiti di condizionamento,l’amplificatore verticale, una linea di ritardo ed un amplificatore in controfase;

• il sistema relativo all’ingresso X, comprendente i circuiti di condizionamento,l’amplificatore orizzontale ed un altro amplificatore in controfase;

• la base dei tempi, il cui cuore è un generatore a dente di sega;

• il sistema di sincronizzazione, il cui cuore è il circuito di scatto (detto comunementetrigger);

• il sistema di alimentazione dei circuiti e dei dispositivi elettronici interni.

La figura seguente riporta uno schema a blocchi semplificato di un oscilloscopio a singolocanale3:

3 Sui canali di un oscilloscopio si è già detto qualcosa in precedenza e si dirà qualcosa in più in seguito.



Schema a blocchi di un oscilloscopio a singolo canale

Il cuore dell’oscilloscopio è senz’altro costituito dal tubo a raggi catodici, del quale possiamodare subito una semplice schematizzazione:

All’interno del tubo, un sottile fascio di elettroni, dopo aver subito una accelerazione ad altavelocità, viene focalizzato tramite l’azione di due lenti elettrostatiche (una collimatrice e l’altrafocalizzatrice, costituite in entrambi i casi da una serie di dischi e cilindri a diverso potenzialeelettrico); il fascio attraversa successivamente due placchette parallele di deflessione verticale edue di deflessione orizzontale, per giungere poi in un preciso punto dello schermofluorescente.

La messa a punto della focalizzazione avviene attraverso la manopola FOCUS posta sul pannellofrontale dello strumento. Sullo stesso pannello c’è anche una manopola INTENSITY che consente diregolare la luminosità della traccia sullo schermo: essa agisce sostanzialmente sulla velocità diemissione del fascio di elettroni, in quanto regola la corrente di riscaldamento del catodo cheemette gli elettroni stessi.

L’azione combinata delle placchette deflettrici orizzontali e verticali, alle quali sono applicatetensioni indipendenti tra loro, permette il movimento del fascio di elettroni sullo schermo e quindidella traccia.



Come sottolineato, l’ultima figura si riferisce ad un semplice oscilloscopio a singola traccia, chequindi può essere usato per seguire l’andamento di un unico segnale. In effetti, gli attualioscilloscopi hanno invece la possibilità di mostrare due o più segnali contemporaneamente: bastainfatti riprodurre N volte (dove N sono gli ingressi, detti canali) i componenti relativi all’ingressoY.

Per il generico canale, gli oscilloscopi più economici hanno un ingresso adun solo morsetto, il che significa che consentono la misura di tensioni verso terra, come nellafigura seguente:

Gli oscilloscopi di maggior pregio presentano invece i cosiddetti ingressi differenziali: perogni canale sono disponibili 3 distinti morsetti, di cui uno specifico per il collegamento a terra.

Osservazione: connettori BNC

Nella maggior parte degli oscilloscopi, gli ingressi relativi a ciascun canale sono di tipoBNC, come si vede nell’ultima figura ed ancora meglio nella prossima:

Gli ingressi BNC consentono di misurare la tensione applicata rispetto al comunedell’oscilloscopio, in genere posto al potenziale di terra (grounded).Un ingresso BNC si presta particolarmente ad un collegamento con la sorgente di misuratramite cavo coassiale: quest’ultimo, infatti, è notoriamente composto tra un’anima eda una calza (quest’ultima generalmente portata al potenziale di riferimento), per cuil’anima viene connessa al “polo interno” del connettore BNC, mentre la calza vieneconnessa al cilindro esterno (sempre collegato a massa, come in figura).I connettori BNC sono generalmente usati negli oscilloscopi ad ampia banda, mentre nonsono presenti in quelli a bassa frequenza, che invece presentano, per ogni canale, due



boccole isolate rispetto alla massa dell’oscilloscopio (che è tipicamente ancorata alla terradell’alimentazione elettrica). Questo tipo di connessione presenta vantaggi e svantaggi: ilvantaggio è nella possibilità di misurare tensioni aventi componenti anche rilevanti dimodo comune rispetto a terra; lo svantaggio è invece che il collegamento della sorgenteallo strumento non avviene tramite un cavo schermato, ma con una coppia di conduttoriisolati, i cui parametri parassiti (capacità e induttanze) provocano distorsioni del segnaletanto più rilevanti quanto maggiore è la frequenza del segnale stesso.

Sempre con riferimento allo schema a blocchi generale visto prima, l’unico canale previsto è statocontrassegnato con Y. Concentriamoci allora sui componenti fondamentali relativi al canale Y:

Come si vede, il canale Y è inizialmente caratterizzato da un sistema di condizionamento:esso serve appunto a condizionare il segnale di misura in modo da ottenere l’ampiezza di tensioneottima per l’amplificatore verticale principale, posto immediatamente in cascataall’attenuatore; l’uscita di tale amplificatore va in ingresso ad una linea di ritardo (la cuipresenza sarà giustificata in seguito) e poi ad un amplificatore in controfase (indicato comeamplificatore deflessione Y), che comanda le placchette deflettrici verticali. Inoltre, ilsegnale in uscita dall’amplificatore verticale principale viene portato in ingresso ad un’altra sezioneimportante dello strumento, quella di trigger, di cui parleremo in seguito.

La scelta della migliore attenuazione da imporre al segnale, in base alla sua ampiezza, avvienemediante una manopola sul pannello frontale dell’oscilloscopio, marcata con la scritta VOLT/div.Come si è già detto in precedenza, tale manopola è presente per ciascun canale dell’oscilloscopio, inmodo da avere regolazioni del tutto indipendenti le une dalle altre.

Mentre le placchette deflettrici verticali sono sempre pilotate dal segnale di misura(opportunamente condizionato e soprattutto attenuato, in base alle considerazioni fatte prima), leplacchette deflettrici orizzontali possono essere pilotate in vario modo, a seconda di come vieneposizionato un apposito commutatore presente sempre sul pannello frontale dello strumento:

• nel funzionamento in modo XY, il segnale pilota delle placchette orizzontali è prelevato dauno dei canali (indicato convenzionalmente come canale X), per cui può essere di naturaqualsiasi;

• invece, nel funzionamento in modo normale, il segnale è un classico dente di segaprelevato da un generatore interno. Questa è la situazione riportata nella figura di prima.

Nel funzionamento in modo normale, l’organo denominato base tempi deve creare una tensione(che appunto pilota le placchette deflettrici orizzontali) che consenta di determinare una relazione diproporzionalità tra il tempo e la posizione del fascio nella sua escursione tra le placchette deflettrici



orizzontali. Affinché sullo schermo si possa vedere una figura stabile, questa tensione, a forma dirampa, deve essere applicata ripetutamente alle placchette e deve inoltre essere sincronizzata con ilsegnale in ingresso al canale Y (almeno nel caso generale in cui questo sia tempo-variante). Aquest’ultimo compito si dedica un circuito di sincronizzazione:

• ogni ciclo della forma d’onda visualizzata sullo schermo è attivato da un impulso disincronizzazione, che determina l’innesco della rampa nel generatore della base tempi;

• gli impulsi di sincronizzazione provengono da un apposito generatore di impulsi (dettocircuito di scatto o circuito di trigger), che a sua volta è comandato in ingresso da unsegnale che prende il nome di segnale di scatto o TRIGGER.

Questo segnale di trigger può provenire da tre distinte sorgenti:

• il caso più frequente è quello in cui il segnale di trigger è derivato direttamente dal segnale damisurare (trigger interno);

• se invece il segnale di trigger proviene dall’esterno, si parla di trigger esterno; questa sceltaè adottata quando il segnale su Y non è sufficiente a pilotare il generatore di impulsi di scattooppure quando si vogliono misurare differenze di fase tra due segnali sinusoidali le cuifrequenze siano in rapporto intero e costante (condizione necessaria per avere sullo schermouna figura stabile);

• infine, se il segnale di trigger è un segnale alla stessa frequenza della linea di alimentazione, siparla di trigger di linea: tipicamente, questa scelta viene fatta quando anche il segnale dimisura è alla frequenza dell’alimentazione.

La scelta tra queste tre possibilità è effettuata tramite un apposito commutatore sul pannellodell’oscilloscopio, che pilota un corrispondente commutatore all’interno del dispositivo:

Riepilogando, quindi, il segnale per la deflessione orizzontale può essere prelevato dall’esterno(modo di funzionamento XY) oppure generato internamente (modo di funzionamento normale); inquesto secondo caso, il circuito di scatto può essere pilotato nei tre modi descritti (trigger interno,esterno o di linea):



La figura mette in evidenza le possibilità di commutazione, presenti in corrispondenza sia del bloccodi generazione della base tempi sia del blocco di sincronizzazione (trigger)

E’ importante osservare la funzione della linea di ritardo con cui il segnale viene portatoall’amplificatore verticale ed a quello orizzontale (entrambi in controfase4): infatti, quando si usa iltrigger interno, occorrono alcune frazioni di microsecondo per attivare, mediante il segnale su Y, ilgeneratore di impulsi di scatto; di conseguenza, la linea di ritardo serve a ritardare l’arrivo dellaforma d’onda alle placchette deflettrici sia verticali sia orizzontali, in modo da avere una perfettasincronizzazione.

Tornando ancora al trigger, abbiamo già osservato in precedenza che, tramite due manopole(trigger level e trigger slope) sul pannello, è inoltre possibile definire in corrispondenza di qualepunto del segnale di scatto si deve avere l’innesco dell’impulso di sincronizzazione, comeampiamente descritto in precedenza:

Caso di trigger interno: il segnale di trigger è proporzionale al segnale sul canale Y; il livello di trigger èstato fissato a 3V, mentre la pendenza è fissata positiva nella figura superiore e negativa in quella inferiore

4 Gli amplificatori in controfase consentono di avere disponibili, sulle placchette sia orizzontali sia verticali, due segnali uguali ma

in opposizione di fase per ciascuna coppia di placchette, il che migliora notevolmente la linearità di deflessione del fascio nelCRT.



Infine, ricordiamo che il tempo di spazzolamento, cioè il tempo necessario affinché il fascioelettronico scandisca l’intero schermo (da sinistra verso destra) è controllato mediante la manopolaTIME/div sul pannello.

Per concludere con questa panoramica generale, ricordiamo che l’alimentazionedell’oscilloscopio è generalmente prelevata dalla linea di potenza a bassa tensione5; la tensioneprelevata dall’esterna viene inviata sia ad un trasformatore elevatore, che fornisce in uscita l’altatensione necessaria per il funzionamento del CRT, sia ad uno stadio di raddrizzamento, chefornisce la bassissima tensione continua per la polarizzazione dei dispositivi attivi.

Autore: SANDRO PETRIZZELLIe-mail: [email protected]

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5 Ad ogni modo, molti oscilloscopio prevedono anche una alimentazione interna in corrente continua, tramite apposite batterie.

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