Tubo a r. c.docenti.ing.unipi.it/~a008052/Strumentazione/Lucidi_misbio/sl_09... · Segnali lenti -...

Oscilloscopio (Analogico)

- visualizzazione di una tensione in funzione di un’altratensione;

- visualizzazione di una tensione in funzione del tempo:- il segnale � ��

è inviato alle p.d.v.;- viene generato segnale “proporzionale al tempo”;

- “lavora” alla velocità del segnale;

- evento di trigger, riferimento temporale;

- segnali periodici (o ripetitivi).

- limitate capacità di elaborazione;

Oscilloscopio – p.1/65

Tubo a r. c.

filamento

catodo

griglia defl. vert.

defl. orizz.

schermo

aquadag

acceler.fuoco

(anche altri tipi di display) �

�

schermo

�

��

��

��

��

�

� � � � � �

� ��

� � �

� � � � � �


Deflessione

� ��

� � � � � � � � ��

� necessità di amplificare il segnale da visualizzare

�� ATT. Y

amp. vert.


Amplificatori per Oscilloscopi

Amplificatori

attenuatore alle placche

��

� a. differenziali bilanciati;

� possibilità di sommare tensioni continue (traslazione);

� necessità di pilotare carico capacitivo;

� oggi amplificatori integrati;

� � limite superiore di banda.


Stadio d’ingresso

��

� ��

��

� resistenza: valore standard;

� capacità: valore tipico (ordine di grandezza);

� diminuisce ad alte frequenze;

� � si utilizza

� � ��

:

� � possibilità di lavorare in condizioni di adattamento;

� in ogni caso

�� non è puramente resistiva.


Accoppiamento

1 (AC)2 (DC)

��

��

� ��

50

��

� �� : AC/DC;

� �� : gnd (livello di zero, allineamento traccia);

� �� :

��

.


Attenuatori

��

(

�

) �

� ��

� ��

��

� � � � ��

� �

� ��

1M1M1M

1M1M

1M

900k3-12p

111k

3-12p

47p

1.5-7p 4.5-25p500k990k4.5-25p

10.1k

1.5-7p

270p 1M


Base dei tempi

� �

��

��

��

�

�

� sincronizzazione della scansione orizzonale con ilsegnale;

� segnale di trigger;

� soglia/pendenza (circuito specifico).


Base dei tempi ritardata

Necessità di attivare la scansione orizzontale con un certoritardo (delay) rispetto all’evento di trigger.

� �

base dei tempi “ordinaria” (non ritardata)



con una base dei tempi “ordinaria”:

�

il risultato non è utile.



base dei tempi ritardata:

� �

�

(trigger)

trigger

rampa ausiliaria

scansione orizzontale

delay ��



con una base dei tempi ritardata:

si riesce a “selezionare” l’impulso di interesse


Sistemi multitraccia

F.F. Tdal circ. di trigger alt.

chop.

ATT.

ATT.

Y

amp. vert.

� � ��

� � ��

� Modalità alternata o chopped


Oscilloscopio analogico: limiti

- possibilità di lavorare solo con segnali periodici;

(assenza di memoria)

- scarse possibilità di elaborazione del segnale;

(elaborazione analogica richiede specifici circuiti)

- . . .


Oscilloscopio numerico

(Schumann’s folly)Schema di principio:

- attenuazione/amplificazione;

- campionamento (S/H) e conversione A/D;

- memorizzazione dei campioni

- ...

- visualizzazione

AMPL. A-D MEM.S/HATT.

AMPL. A-D MEM.S/HATT. DIS

PLA

Y

. . .


Modalità di scansione

Scansione vettoriale

Y

X

MEMORIA

oscill. contr.

CRTD-A

��


Modalità di scansione

Scansione raster

��

�


Scansione raster

La soluzione . . .

xyz

MEMORIA PROC. NUM. DISPLAY

Il processore numerico svolge anche altre operazioni


Oscilloscopio Digitale

Principali differenze rispetto all’O.A.

- campionamento del segnale;

- conversione in digitale;

- memorizzazione;

- necessità di ricostruire il segnale;

Possibilità offerte

- visualizzazione di segnali non periodici (memoria);

- “tempi negativi” (

� � � �� );

- operazioni sui segnali;

- eventi di trigger più complessi;

- ...


Campionamento

* Processo di conversione di una porzione (record) disegnale in un numero di valori discreti con lo scopo dimemorizzarli, elaborarli, visualizzarli, ecc.

��

��

��

��

��

��

��

��

��

�

* il valore del campione corrisponde all’ampiezza delsegnale nell’istante di campionamento.


Campionamento

- frequenza di campionamento

��

- "passo" temporale

�� (teoricamente) costante

- quantizzazione del segnale (ADC);

�- � elevato � minore velocità;

- � elevato � maggior costo;

- in un oscillocopio generalmente � � �

: � � � � ��

;


Rappresentazione dei soli punti acquisiti

t

v

�

Difficoltà a riconoscere la forma d’onda:


Alias percettivo

alias percettivo (a) - xrange [-10:0]

Gli stessi campioni possono dare luogo a rappresentazioni

“diverse”, dipendentemente (p. es.) dalla scala


Alias e interpolazione

alias percettivo (a) - interpolazione lineare

t

v

interpolazione lineare


Alias e interpolazione

t

v

interpolazione lineare


Interpolazioneformula di Nyquist:

��

� ��

� ��

� �

� �

�

� �

� �

�

��

� � ��

� � ��

� � � � � �

� � � � ��

media pesata dei campionifunzione peso:


Interpolazione

��

��

� � � � ��

� � ��

� � ��

��

� � ��

��

ricostruzionein un istante diverso

��

� � ��


Interpolazione

- l’algoritmo di Nyquist è pesante

- altri algoritmi di interpolazione:

��

� ��

� ��

� �

� ��

� ��

� �

è una diversa funzione “peso”.


Teorema del campionamento

��

� � �� camp. ��

�

� ��

- ��

: min 2 campioni/periodo

- onda quadra: min 2 campioni per ogni periodo dellamax componente spettrale che deve esserecorrettamente rappresentata (ricostruita).

�� camp. �

altroalgoritmo � � ��

��

� ��

� � ��

- qualità della ricostruzione dipendente dalla forma delsegnale


Interpolazione

Sull’oscilloscopio:* (non sempre) possibilità di selezionare:

- interpolazione lineare

- eventuale altra interpolazione

- nessuna interpolazione

- Intensified Samples:

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�


Memoria dati

��

�

larghezza

prof

ondi

tà1 0 1 1 0 1 0 01 0 1 0 0 1 0 1

� � �

� ��

� � � �

- maggiore profondità � �

grande;

- memoria ricircolante;

- memoria veloce;

- parametro di merito di unoscilloscopio;

MEMcampioni

PROCNUM video

MEMDISPLAY


Campionamento

Modalità:

* tempo reale

segnali anche non periodici

* tempo equivalente

segnali periodici- casuale- sequenziale


Campionamento in tempo reale

- avviene alla massima frequenza di campionamentopossibile

- segnale acquisito continuamente;

- anche segnali non ripetitivi, transitorii, ...

- l’evento di trigger determina l’invio al display;


Trigger e visualizzazione

campioni acquisiti continuamente:(

�

= intervallo “visualizzato”)

��

� ��

� ��

�

tr. �

- visualizzazione per tempinegativi (delay)

- differenze con o.a.

- possibilità di visualizzareil segnale prima di una(sua) anomalia

- istante di trigger indicatosul display (T,

�

, ...)


Trigger, campionamento e visualizzazione

- L’istante di triggergeneralmente noncoincide con un istantedi campionamento

- La frequenza dicampionamento non ègeneralmente multipladi quella del segnale

�

- necessità di misurareil tempo tra il triggere l’istante di campiona-mento.

sampling pulses

trigger pulses

trigger level

input signal


Trigger, campionamento e visualizzazione

- La misura permette di posizionare correttamente i valoridel segnale lungo l’asse dei tempi.

- La misura è resa possibile da un segnale di clock afrequenza molto elevata (contatore)

�

elevata � migliore risoluzione temporale.

- Possibilità di jitter o ispessimento della traccia perdistanze temporali dello stesso ordine del periodo diclock �

interpolatore di trigger

tr. camp.

� ��

��

��

�


Circuiti di campionamento

- frequenze di campionamento dell’ordine del gigahertz(

� � � �� )

- � digitalizzatori per (massimo) � canali

� � �

canali digitalizzatori max vel.

attivi /canale acquisizione

4 1 500 MSa/s

2 2 1 GSa/s

1 4 2 GSa/s


Circuiti di campionamento

Esempio: 4 canali disponibili, 2 canali attivi

ADC1

ADC2

MEMCOND

S/H

� � ��

MEMCOND

S/H

� � ��

ADC4

ADC3


Campionamento in tempo reale

(riepilogo)- avviene alla massima frequenza di campionamento

possibile

- generalmente il segnale viene acquisito continuamente;

- l’evento di trigger determina l’invio al display;

- anche segnali non ripetitivi, transitorii, ...

- necessità di “rispettare” teor. del campionamento

- aumento della banda � aumento di

�� ($!)


Campionamento in tempo equivalente

Per segnali ripetivi

� Campionamento (ripetitivo) casuale

� Campionamento (ripetitivo) sequenziale

In entrambi i casi i campioni del segnale vengono prelevatiin periodi diversi

�

� ��

� � �


Conversione a campionamento

� ��

��

� � �

�

� � � �

�

��

� ��

��

� �

�

� � �

� � ��

� campioni/periodo

periodo apparente:

� � � � � ��

.

frequenza apparente:

� � ��

� �

�

�

� � �

� � � ��

� � �

� � � � � ��


Conversione a campionamento

�

�

�

�

�

�

�

�

�

��

�

�

�

�

�

�

�

�

�


Campionamento casuale:

� clock interno opera in modo asincrono rispetto al trigger

� campioni acquisiti continuamente e visualizzati secondola distanza temporale tra campione e trigger

� frequenza di campionamento non costante

� modulata in modo aleatorio � trama fitta

� � interpolazione generalmente inutile

! lungo tempo di acquisizione per segnali lenti

! misura del ritardo rispetto all’evento di trigger


Campionamento sequenziale

� campione acquisito con un ritardo noto rispettoall’evento di trigger

� ritardo accresciuto a ogni nuova acquisizione

� ��

� ��

��

��

��

��

� ��

��

� accuratezza nella generazione del ritardo (fino a 10 fs!)


Operazioni sui segnali

� svolte in modo numerico (via software)

-

�

,

� ��

� � � autoscale

-

��

� ��

��

� � � , ...

- duty-cycle,

��

,

-

� � ��

� � ��

��

, FFT ...

- medie su � acquisizioni (v. osc. analogico)

- ...

- calibrazione


Modalità di trigger

- Edge

- Pulse

�

(glitch)

(slew rate)

�

(stays high/low)

(width)


Modalità di trigger

- Logic- pattern

- state

- setup-hold

ckin

- Video: impulso di sincronismo orizzontale o verticale disegnale video (PAL, SECAM, NTSC ...)


Altre modalità di funzionamento

- ROLL (per segnali lenti rispetto alla velocità di rinfrescodel display)

� �

��

500

pt


Varie

� Sonde attive

� Oscilloscopio su PC (sch. di acquisizione)

� Sistema operativo su oscilloscopio

� Oscilloscopi portatili (palmari)


Caratteristiche

Scelta- banda ! (t. reale e t. equivalente)

- n. canali

- freq. di campionamento (

� � ��

� � � ��

� � � � (nointerpol.))

- profondità di memoria

- modalità di trigger

- sonda (

� � � �

)

- interfaccia (display, HPIB, ecc.)

- possibilità di lavorare con segnali digitali


��

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��

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Dithering

Tecnica per accrescere la risoluzione

�

� �

� � � �

�

��

��

tensione costante:

� � � � � ADC � �

��

,

� ��

: d.d.p. uniforme su��


Dithering

� ��

p.es. onda triangolare (segnale deterministico)

� �

� � �

�

��

��

�

��

� �

�� ADC � �� aspettazione:

� � �


Dithering

� �

� � �

�

��

��

�

��

� �

��

��

� � �

� �

��

� � � � ��

� � �

�

��

��

��


Dithering

� � � ��

� � �

Detto

� � � � ��

� � si ottiene

� � � � � � �

� �

� � �

�

��

��

�

��

� �

� � � �


� � � �

misurato

n. bit equivalenti:

� � � �

e oltre.


In laboratorio

� compensazione della sonda

� misure su segnali prodotti con g.f.o.

� trigger ed effetti soglia

� segnali lenti

� risoluzione verticale

� sweep (gen. forme d’onda)

� traslazione della traccia

� . . . oscilloscopio analogico

Misure con l’scilloscopio – p.58/65

Compensazione della sonda

� Collegare la sonda dal canale 1 al segnale dicalibrazione sul pannello frontale dell’oscilloscopio.

� Premere autoscale .

� Usare un cacciaviti per regolare la capacità dicompensazione sulla sonda in modo da ottenere sulloschermo l’andamento corretto.

Nel dominio del tempo:

sovracompensazione compensazione sottocompensazione


Misure su segnali

� Produrre un segnale sinusoidale (

� � � �� ,

�� )e misurarne le caratteristiche mediante l’oscilloscopio;eliminare eventuali discrepanze tra valore atteso evalore misurato dall’oscilloscopio.

� Agire sui comandi di autoscale, sensibilità verticale,base dei tempi, posizione verticale e orizzontale eosservare l’effetto sullo schermo.

� Visualizzare un segnale (p. es.) sinusoidale e verificarela risoluzione ottenibile nella misura di ampiezza condiversi fattori di sensibilità verticale:-

� � � � � ,

� � �� , scala

� � �� ;-

� � � � � ,

� � �� , scala

� � � � � �� ;


Trigger

� Visualizzare un segnale qualsiasi e osservare laposizione dell’“istante di trigger” al centro delloschermo.

� Produrre un segnale sinusoidale (

� � � �� ,

� � ��

e osservare le variazioni nella sua rappresentazionedovute a modifiche di livello/pendenza del trigger.

� c.s. con segnale a onda quadra.

� c.s. con segnale “cardiaco” (� � � �� ,

� � �� )

( SHIFT Arb List , > , > . . . ENTER ).

� . . . o con segnale � � � ��

( SHIFT Arb List , > , > . . . ENTER ).


Segnali lenti - modalità roll

La modalità roll permette di osservare variazioni dinamiche(frequenza, ampiezza, ecc.) su segnali a bassa frequenza(calibrazioni, tarature, ecc.).

� Produrre un segnale sinusoidale a bassissimafrequenza ( � � �� ), agire sul comando di regolazionedell’ampiezza (o della frequenza), variandola.Osservare l’effetto sullo schermo sia in modalitànormale, sia in modalità roll.


Trigger esterno

In alcune situazioni non si ottiene una visualizzazionecorretta generando il segnale di trigger con le usualimodalità a partire dal segnale in ingresso:(più di un attraversamento della soglia (qualsiasi valore!)nel corso del periodo).

� Produrre un segnale sinusoidale con frequenzamodulata linearmente nel tempo da

� � �� a

� � �� (3decadi) in

� �: visualizzare il segnale generando iltrigger a partire dal segnale stesso, oppure prelevandoil trigger (esterno) dall’uscita sync del generatore diforme d’onda.


Mod. di frequenza

� selezionare forma e ampiezzadella forma d’onda

Shift – Sweep attivare modo scansioneShift – < 1: START F

V 10.00 Hz

Enter (salva modifica)Shift – < > 1: START F �

2: STOP F

V 1.000 kHz

Enter (salva modifica). . . . . .Shift – < > > � �

3: SWP TIME

Shift – < > > > � � �

4: SWP MODE


Figure di Lissajous

� Applicare in ingresso a una squadra

� � �

passa bassoun segnale sinusoidale (

� � �� ) di frequenza��

tale da osservare, tra ingresso e uscita, unosfasamento apprezzabile, ma senza che l’attenuazionesia eccessiva(

� � � � � � � ��

� � � ��

� � � � � �� ).

� Visualizzare i segnali in funzione del tempo e inmodalità

� �

;

� in modalità

� �

osservare l’effetto di una variazionedella frequenza di lavoro (e quindi dello sfasamento edel rapporto tra le ampiezze).


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