Oscilloscopio

-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.

V (

t)time

Principio di utilizzo

Si usa un oscilloscopio quando si ha una grandezza elettrica (potenziale o intensità) che

VARIA NEL TEMPO.

A. ZoleoLab.Chim. Fis. 3

Oscilloscopio analogico

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.

Control Grid

Focusing anode

Electron gun

Deflecting plates

Si supponga di avere solo un potenziale, variabile lungo x.

Vx = f (t)xqVqF E

In un certo istante, (solo) per piccoli angoli di deflessione il sistema è analogo a

Che relazione c’e’ fra il punto di arrivo sullo schermo e le ddp applicate?

xVR

d sin

dD

X

tan

XVx

Equazione parametrica* (1 D)XVx

tT

VVVx

00

2 t

T

XXX 0

02

t X

0 -X0

T/4 -X0/2

T/2 0

3T/4 X0/2

T +X0

-X0 -X0/2 0 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.

t X(t)

•v. E. Barbozzi, E. Gonzales Calculus, •Ed. Lib.Progetto 1989

tT

XXX 0

02

T

tYYtVy

2sin)( 0

-X0 -X0/2 0 X0/2 X0

t X Y

0 -X0 0

T/4 -X0/2 Y0sin (π/2)

T/2 0 Y0sin (π)

3T/4 X0/2 Y0sin (3π/2)

T +X0 Y0sin (2π)

Equazione parametrica (2 D)

t P(t)

In questo modo sono riuscito a riprodurre su uno schermo un segnale

T

ttVy

2sin)(

Cosa succede quando invece introduco due sinusoidi?

tX=sin(col(t)/10)

Y=sin(col(t)/4)

Figure di Lissajous

1. Periodo / Frequenza

2. Ampiezza

3.8

3.8

A B

Vp-p Vp

T

10

TD

2.5

Misure fondamentali all’oscilloscopio

Il nuovo mondo: l’oscilloscopio digitale

) 1) aCondizionamento analogico:, campionamento e conversione in sequenza numerica del segnale di misura (ADC)

2) 2) Memorizzazione dei campioni (memoria fisica)3)

Sezioni o fasi di misura

3) Elaborazione numerica (ricostruzione andamento del segnale nel tempo, CPU)

) 4) Visualizzazione sullo schermo (display):oscillogramma del segnale (scheda grafica/CPU)

A D C co n v e r te r

an a lo g - to -d ig ita l

N u m ero d i 8 -11 b it

(co n v e rsio n tim e) M em o ria ; f issa il n u m d i p u n ti

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)

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

Può anche essere espresso in %: 1002

1N

N2

In funzione del tipo di applicazione, i numeri possono essere nell’intervallo [0,2N-1]Oppure nell’intervallo [-2N-1,2N-1-1]

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

Es 8 bit=> 3.9%

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.

Teorema di Nyquist

-2

0

2

4

time

VQuesto 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.

0

3

time

VAumentando 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.

time

V

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.

Trigger 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.

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

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:

Il pannello frontale dell’oscilloscopio

Per ogni canale di ingresso ci sono i seguenti pulsanti:

Ingresso BNC del canale: va collegato il cavo che porta il segnale da vedere

In un oscilloscopio, vi sono da due a quattro canali di ingresso per i segnali

Volt/div: regola il guadagno verticale, variando i volt per divisione sull’asse y dell’oscilloscopio

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)

Selettori del menu: permettono di selezionare un’opzione del menu visualizzato

Sezione orizzontale (base dei tempi)

Time/div: regola la velocità di spazzolamento orizzontale, espressa come il tempo necessario a percorrere una divisione orizzontale

Posizione: regola la posizione orizzontale della traccia

Accede al menu orizzontale

Sezione Trigger

Livello del trigger: regola il voltaggio del segnale di trigger al quale ha luogo l’evento di spazzolamento

Trigger esterno (Ext): ingresso per un segnale di trigger esterno

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

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