Guida: cosa serve oscilloscopio

L’oscilloscopio è uno strumento che presenta due ingressi chiamati x e y, sensibili ai valori istantanei delle tensioni applicate agli ingressi stessi. Pertanto le entrate dell’oscilloscopio vanno considerate, ai fini dei collegamenti con i circuiti esterni, come se fossero dei voltmetri.

L’oscilloscopio è dotato di uno schermo sul quale, tramite un punto luminoso, prodotto internamente al tubo a raggi catodici (CRT= cathode ray tube) e posto in movimento tramite segnali opportuni, è possibile tracciare delle immagini.

Come si vede in fig. 16 sullo schermo è presente un reticolo utile alla misura dell’ampiezza della immagine visualizzata (ogni quadrato corrisponde normalmente a un cm²).

Il segnale applicato all’ingresso dell’asse x produce spostamenti orizzontali del punto luminoso, direttamente proporzionali al valore istantaneo della tensione presente all’ingresso stesso.

Il segnale applicato all’ingresso dell’asse y produce spostamenti verticali del punto luminoso, direttamente proporzionali al valore istantaneo della tensione applicata all’ingresso stesso.

Pertanto è possibile tracciare sullo schermo dei grafici, ottenuti inviando opportuni segnali ai due ingressi, usando lo schermo come un piano cartesiano. In questo caso si dice che l’oscilloscopio funziona in modo x-y.

Se il segnale che comanda il movimento secondo l’asse x è prodotto internamente allo strumento, in modo che questo spostamento avvenga a velocità costante nota, l’asse x diventa asse dei tempi.

Si dice, in questo caso, che l’oscilloscopio funziona con base dei tempi interna e serve a visualizzare il grafico dell’andamento temporale di un segnale variabile applicato all’ingresso y. Il segnale da visualizzare deve essere periodico, nei normali oscilloscopi, perché altrimenti risulterebbe visualizzato sullo schermo per un tempo troppo breve; esistono particolari oscilloscopi a memoria che non hanno questa limitazione.

Esistono oscilloscopi monotraccia e doppia traccia; questi ultimi per mettono la contemporanea visualizzazione di due segnali e presentano quindi due ingressi y.

Si riassumono qui di seguito le funzioni svolte dai principali comandi dello strumento.

Volt/div.

Serve per fissare la sensibilità dell’asse y ed è regolabile a scatti per valori compresi tra pochi millivolt ed alcune decine di volt, per ogni divisione dello schermo; in alcuni casi è anche possibile una regolazione fine tra i valori compresi tra due posizioni successive della manopola. Poiché questo comando serve a regolare la sensibilità dell’asse y, se lo strumento è a doppia traccia ne sono presenti due.

Normalmente se l’oscilloscopio è a doppia traccia e viene usato nel modo x-y uno dei due ingressi y diventa x e quindi le due manopole volt/ div. permettono la corretta regolazione della sensibilità degli assi x e y.

Time/div.

È il comando della base dei tempi e la sua regolazione avviene in secondi (sottomultipli) per divisione; anche in questo caso è presente una regolazione a scatti ed eventualmente una fine.

Luminosità

Serve a regolare la luminosità della traccia sullo schermo. Si consiglia di scegliere la minima necessaria perché al suo crescere la traccia si allarga, peggiorando la definizione dell’immagine.

Fuoco

Serve alla messa a fuoco della traccia; si usa in combinazione con la luminosità.

Trìgger

È un comando, dal punto di vista concettuale, abbastanza complesso; dal punto di vista operativo può essere così sintetizzato: nella posizione manuale per visualizzare il segnale si deve regolare la manopola del trigger level (livello di trigger) fino a ottenere una visualizzazione stabile del segnale; nella posizione automatica nei casi migliori il segnale si stabilizza da solo, in altri casi, con strumenti più economici, è comunque garantita la presenza della traccia orizzontale e per stabilizzare l’immagine si usa ancora il trigger level.

La funzione di trigger va esclusa nell’uso x-y.

È normalmente consigliabile, perché più comodo, il funzionamento automatico; si ricorre a quello manuale nei casi in cui, con particolari segnali, quello automatico non riesce ad operare correttamente.

ac/dc/gnd

Permette di eliminare la componente continua di un segnale se posto in ac; in de la lascia passare; in gnd (ground=massa) l’ingresso dell’oscilloscopio viene posto a potenziale zero.

Un’ultima caratteristica da menzionare è la banda passante, che con segnali sinusoidali esprime l’intervallo di frequenze in cui lo strumento funziona correttamente.

II limite inferiore in un buon oscilloscopio corrisponde alla componente continua; un tipico valore del limite superiore di uno strumento di costo contenuto ma di discreta qualità è 20 MHz. Il costo di un oscilloscopio cresce rapidamente all’aumentare della banda passante.

LE PRIME ESPERIENZE CON OSCILLOSCOPIO

a) Visualizzazione di un segnale periodico Lo scopo di questa prima esperienza può essere così sintetizzato: acquisire una certa conoscenza operativa dell’oscilloscopio e del generatore di funzioni, attraverso la visualizzazione di alcune forme d’onda periodiche e la misura dei loro principali parametri.

Strumenti necessari

• Oscilloscopio;
• generatore di funzioni.

Considerazioni teoriche

Se si collega un g.d.f., tramite cavo schermato con BNC, a uno dei due ingressi y di un oscilloscopio è possibile, se quest’ultimo è predisposto per funzionare con base dei tempi interna, visualizzare la forma d’onda dei vari segnali forniti dal generatore. Tramite un’analisi grafica, sarà possibile misurare i vari parametri dei segnali scelti (frequenza-periodo-valore di picco ecc).

Descrizione operativa dell’esperienza

• Predisporre l’oscilloscopio per funzionare con il solo canale y scelto.
• Regolare il comando ac/dc/gnd dell’ingresso y scelto in GND, in modo da porre in ingresso un segnale nullo.
• Posizionare il comando time/div. in una posizione intermedia.
• Predisporre il trigger in funzionamento automatico.
• Accendere l’oscilloscopio.
• Attendere alcuni secondi per permettere al CRT di scaldarsi. A riscaldamento avvenuto sullo schermo dovrebbe apparire una traccia orizzontale.

Se la traccia è presente ottimizzarla con i comandi di fuoco e luminosità e centrarla sullo schermo, con i comandi di posizione x e y (permettono uno spostamento della traccia in orizzontale e in verticale).

Se la traccia non è presente, dopo aver controllato la correttezza delle precedenti operazioni, ricercarla con i comandi di posizione x e y; se questo non basta, si tenga presente che una traccia poco luminosa e/o sfuocata può non essere facilmente individuabile e ricorrere, in conseguenza, ai comandi corrispondenti.

Si tenga anche presente che se la traccia non risulta sufficientemente stabile la si può stabilizzare scegliendo valori più piccoli della base dei tempi (rotazione verso destra della manopola time/div.).

• Predisporre il g.d.f. per fornire un segnale alternato (ad es. sinusoidale) di frequenza nota di 1 kHz.
• Predisporre il generatore di funzioni affinchè il segnale in uscita abbia un’ampiezza nell’ordine di grandezza previsto (ad es., Ih-2 Vpp). Si consiglia, al riguardo, di scegliere segnali non troppo piccoli perché a causa degli inevitabili disturbi e limiti del trigger la misura risulterebbe più difficoltosa.
• Collegare l’uscita (output) del g.d.f. con l’ingresso (input) y scelto.
• Regolare la sensibilità del canale y (volt/div.) in modo che in base al segnale previsto si abbia sullo schermo dell’oscilloscopio un’escursione verticale della traccia di alcuni quadretti (ad es., se si pone la sensibilità pari a 0,2 V/div. e il segnale previsto è di 1 Vpp si ha un’escursione verticale di 5 quadretti: infatti 5-0,2 = 1 VPp).
• Regolare l’oscilloscopio per funzionare in ac.
• Accendere il generatore di funzioni.
• Agire sulla manopola che regola l’ampiezza del segnale in uscita al g .d.f. e sulla manopola volt/div. dell’oscilloscopio qualora l’escursione verticale sullo schermo risulti troppo limitata o eccessiva.
• Regolare la base dei tempi per avere una visualizzazione del segnale n on troppo compressa o espansa nella direzione orizzontale.
• Procedere alla misura dei parametri del segnale visualizzato.

Si consiglia di ripetere più volte l’esperienza con segnali diversi nella forma, nella frequenza e nell’ampiezza. Si tenga comunque presente che, per il momento, è opportuno considerare solo segnali con frequenze comprese tra 1 kHz e 10 kHz e con duty cycle del 50%.

Di seguito sono riportati due esempi di possibili oscillogrammi con le rispettive misure.

In fig. 17 si vede che sull’asse x, poiché a un periodo corrispondono 4 quadretti, si ottiene:

T = 4-0,5-10″3 = 2 ms; f = 1/T = 1/2-10^-3 500 Hz

Sull’asse y si ha una escursione picco-picco di 5 quadretti e quindi:

V_pp = 0,2-5 = 1 V e V_eff = Vp√2 = 0,355 V

In fig. 18 risulta, per l’asse x:

T = 40,1-10^-3 = 0,4 ms; f = 1/0,4-10^-3 = 2500 Hz
e per quello y:

Vpp = 3*1 = 3 V; V_eff = V_p = 1,5 V

b) Integrazioni sull’uso del generatore di funzioni e dell’oscilloscopio

Si tratta di un’esperienza che, attraverso una sequenza di brevi prove, ha lo scopo di far acquisire maggiore confidenza con questi due strumenti.

Strumenti necessari e considerazioni teoriche

Gli strumenti sono gli stessi della precedente esperienza.

Non si ritiene utile, in questo caso, nessuna considerazione teorica : liminare; al termine delle singole fasi operative dell’esperienza si traranno le necessarie conclusioni teoriche, a giustificazione dei risultati sperimentali.

Descrizione operativa dell'esperienza

Supposto che, a conclusione della precedente esperienza, gli strumenti siano tra loro già collegati, risultino accesi e siano già predisposti ad corretto funzionamento, si propone la seguente sequenza operativa.

• Si regoli il g.d.f. per produrre un segnale alternato armonico e kHz e, in conseguenza, l’oscilloscopio per ottimizzare l’immagine.
• Si riduca la frequenza a 100 Hz e si regoli opportunamente la base. tempi, ruotando la manopola relativa verso sinistra, al fine di ottenere una immagine la più stabile possibile. Si noti che quest’ultima, nelle condizioni di migliore regolazione, risulterà ancora un po’ “traballante”.
• Si proceda ora a un’ulteriore riduzione di frequenza scendendo inizialmente a 50 Hz e successivamente arrivando a 1 Hz e anche meno, noti che in pratica sotto i 50 Hz l’immagine non può essere considerarsi continua ma, al contrario, risulta intermittente. Per frequenze di 1 F o meno è poi possibile vedere il punto che descrive la sinusoide. A giustificazione di questi risultati si deve tenere presente che l’immagine sullo schermo ha una sua persistenza, misurabile in frazioni di secondo, e che anche la retina del nostro occhio presenta una sua persistenza; quindi, sia lo schermo che il nostro occhio hanno una memoria nei confronti dell’immagine. Se la persistenza è superiore al tempo che impiega il punto luminoso, partendo da una certa posizione dello schermo per ritornare alla stessa, l’immagine è stabile; di solito con normali oscilloscopi questo si verifica sopra i 50 Hz.
• Si regoli il g.d.f. per produrre un’onda quadra a 100 kHz; dopo avere opportunamente regolato la base dei tempi ci si troverà di fronte a una situazione del tipo di fig. 19.

FIG.19

FIG.20

Come si vede è ora presente una traccia di raccordo tra i due livelli che a frequenze più basse non era visibile (qualora questa traccia non risulti sufficientemente visibile aumentare la luminosità).

Questo fenomeno deriva dal fatto che esiste un tempo di salita e un tempo di discesa della linea luminosa sullo schermo; questo fatto può essere ulteriormente evidenziato espandendo in modo opportuno la base dei tempi (fig. 20).

A giustificazione di questo fenomeno si devono fare alcune considerazioni:

1. anche se la definizione teorica non lo prevede, il segnale a due livelli, prodotto dal g.d.f., presenta sempre, a qualunque frequenza, dei tempi di salita e di discesa non nulli;
2. anche l’oscilloscopio presenta dei tempi di salita e di discesa non nul li (diminuiscono al crescere della banda passante; con una banda di 20 MHz si hanno valori di 17,5 ns);
3. ulteriori ritardi sono introdotti dai cavi di raccordo;
4. il fatto che a frequenze più basse il fenomeno non sia visibile dipende solo dalla base dei tempi che risulta più compressa.

Vedremo in seguito, come siano definibili con precisione questi tempi e come siano misurabili; è sin d’ora comunque possibile farne una prima valutazione misurando sull’asse x i tempi che intercorrono nel passaggio tra un livello e l’altro.

Nella fig. 20 risulta un tempo di salita di circa 40 ns con una base dei tempi di 0,1 μs/div.

• Si porti ora l’onda quadra a 1 MHz.
• Si dovrebbe notare che non solo i tempi di salita e di discesa risultano più evidenti, ma che sono inoltre presenti altri tipi di deformazioni nel segnale segnale. Anche usando segnali sinusoidali e triangolari, al crescere della frequenza le deformazioni risultano sempre più evidenti.

Si possono considerare due tipi di deformazioni:

1. deformazioni dipendenti dal g.d.f.;
2. deformazioni dovute ai collegamenti e ai metodi di misura.

Le prime sono imputabili alle inevitabili imperfezioni di qualunque apparecchiatura.

Le seconde derivano da fenomeni la cui giustificazione teorica non è semplice e, come tale, non è affrontabile in questa prima fase dello studio dell’elettronica.

Si tenga comunque presente che con opportuni accorgimenti è possibile ridurre queste deformazioni; per il momento si può fare presente che un accorgimento sempre utile, a tal fine, è quello di effettuare collegamenti i più corti possibile.

Si deve anche notare che le deformazioni del primo tipo sono sostanzialmente imputabili agli stessi fenomeni fisici che provocano le seconde. Il fatto che questi fenomeni risultino più evidenti al crescere della frequenza deriva, a sua volta, da due fattori:

1. la base dei tempi più espansa rende più evidenti le deformazioni;
2. i fenomeni fisici che provocano le deformazioni tendono, nella maggioranza dei casi, a risultare più significativi al crescere della frequenza.

In alcuni casi può essere poco agevole lavorare anche a frequenze molto basse (un esempio al riguardo si è già visto nella prima parte di questa esperienza) e quindi si può trarre da questa fase sperimentale il seguente insegnamento; se la frequenza di lavoro del circuito in prova non è significativa, ai fini della misura che si vuole effettuare, conviene operare con frequenze né troppo basse né troppo alte.

Un valore tipico normalmente usato è 1 kHz.

Di seguito sono riportati alcuni esempi di segnali deformati a frequenze abbastanza alte. Si tenga presente che i risultati sperimentali, in relazione al g.d.f. scelto, potranno risultare anche abbastanza diversi rispetto a quelli riportati negli oscillogrammi proposti.

Esempi di segnali deformati

FIG.21

FIG.22

In fig. 21 è riportato un segnale compatibile TTL, prelevato dal g.d.f. ed applicato, tramite cavo schermato, all’oscilloscopio.

La fig. 22 si riferisce a un collegamento analogo al precedente, ma con uscita a 50 il del g.d.f.

FIG.23

Nell’oscillogramma di fig. 23 è riportato un segnale triangolare prelevato, tramite cavo schermato, dall’uscita a 600 D. del g.d.f.

• Si regoli ora il g.d.f. in modo da produrre un segnale a due livelli, a valore medio nullo, con duty cycle regolabile e a frequenza tale da non evidenziare deformazioni.

Agendo sull’apposito comando si modifichi più volte il duty cycle e se ne misurino i valori osservando lo schermo dell’oscilloscopio.

Di seguito sono riportati sue esempi, per chiarire il procedimento di In fig. 24 sono evidenziati degli impulsi positivi con ciclo utile <50%; infatti:

D =t_d/T 100 = 25%

Analogamente in fig. 25 si hanno degli impulsi negativi con D=25%.

• Si regoli ora il g.d.f. in modo da produrre un’onda quadra di 1 KHz compatibile TTL. Allo scopo, normalmente è disponibile un’uscita BNC apposita; in questo caso l’unica regolazione da effettuare è quella della frequenza.

Fig. 24 – 25

• Si regoli l’asse y a 2 V/div. e si fissi un valore adeguato alla base dei tempi.
• Si ponga il comando ac/dc su ac e si controlli la posizione dell’onda quadra; si sposti ora il deviatore su de e si riosservi la posizione dell’on- da quadra. Se non si sono commessi errori questa si è spostata verso l’alto di circa 1 quadretto, ovvero di circa 2 V. Se in de il segnale si sposta verso l’alto vuole dire che questo presenta una componente continua positiva.

Si sposti ora il comando ac/dc in GND e si confronti la posizione della riga continua con quella del livello basso dell’onda quadra in dc: il livello basso dovrebbe trovarsi nella stessa posiziona, o poco sopra rispetto al livello GND.

Questo significa dire che il livello basso del segnale compatibile TTL è circa zero.

FIG. 26

Si può quindi concludere (fig. 26) che un segnale compatibile TTL è un’onda quadra unidirezionale somma di un segnale alternato con Vpp di circa 4 V e di un segnale continuo Vdc di circa 2 V che rappresenta il valore medio del segnale per iodico risultante.

Il valore di picco V_pQ del segnale TTL è ovviamente uguale a V_pp del segnale alternato.

I valori numerici di 2 e 4 V sono solo indicativi; si vedrà successivamente, che questi possono subire variazioni anche rilevanti.

Salvatore Sciacca © riproduzione riservata
ultimo aggiornamento: 04 Giugno 2016