Concetti fondamentali sull'oscilloscopio
Per studenti universitari di Ingegneria elettronica e Fisica
Agenda
− Che cosa è un oscilloscopio?
− Concetti di base sulle sonde (modello a bassa frequenza)
− Effettuazione di misurazioni relative a tensione
e andamento temporale
− Definizione della scala appropriata per le forme d'onda sullo schermo
− Informazioni sulla creazione di trigger per l'oscilloscopio
− Teoria del funzionamento dell'oscilloscopio e specifiche relative alle
prestazioni
− Ulteriori informazioni sulle sonde (modello dinamico/CA ed effetti del
caricamento)
− Utilizzo della Guida di laboratorio/esercitazioni su DSOXEDK
− Risorse tecniche aggiuntive
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Che cosa è un oscilloscopio?
o·scil·lo·scopio
― Gli oscilloscopi convertono segnali elettrici in ingresso in una traccia
visibile su uno schermo, ovvero convertono l'elettricità in luce.
― Gli oscilloscopi creano in modo dinamico grafici di segnali elettrici
variabili nel tempo a due dimensioni, in genere tensione/tempo.
― Gli oscilloscopi vengono utilizzati da ingegneri e tecnici per testare,
verificare e risolvere problemi di progetti elettronici.
― Gli oscilloscopi costituiranno lo strumento principale che verrà utilizzato
nelle esercitazioni di Ingegneria elettronica o Fisica per testare gli
esperimenti assegnati.
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Terminologia
− Oscilloscopio – Terminologia di uso più frequente
− DSO – (Digital Storage Oscilloscope
− Oscilloscopio digitale
− Oscilloscopio a digitalizzazione
− Oscilloscopio analogico – Oscilloscopio basato
su tecnologia meno recente, ma ancora in uso.
− CRO – (Cathode Ray Oscilloscope) Oscilloscopio a raggi
catodici. Benché la maggior parte degli oscilloscopi non utilizzi
più tubi a raggi catodici per la visualizzazione di forme d'onda,
tale definizione è ancora in uso in Australia e Nuova Zelanda.
− Oscilloscopio
− MSO – (Mixed Signal Oscilloscope) Oscilloscopio a segnali
misti
(include canali dell'analizzatore logico di acquisizione)
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Concetti di base sulle sonde
− Le sonde vengono utilizzate per
trasferire il segnale dal dispositivo
sottoposto a test agli ingressi BNC
dell'oscilloscopio.
− Sono disponibili molti tipi diversi di
sonde, utilizzate per scopi diversi
e specifici (applicazioni ad alta
frequenza, applicazioni ad alta
tensione, corrente, e così via).
− Il tipo di sonda utilizzato più
spesso è chiamato “Sonda
passiva con attenuazione di
tensione 10:1”.
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Sonda passiva con attenuazione di tensione 10:1
Modello di sonda passiva 10:1
Passiva: non include alcun elemento attivo, ad esempio transistor o
amplificatori.
10 a 1: riduce l'ampiezza del segnale trasmesso all'ingresso BNC
dell'oscilloscopio di un fattore pari a 10. Incrementa inoltre di 10 volte
l'impedenza di ingresso.
Nota: tutte le misurazione devono essere effettuate
relativamente al punto di terra!
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Modello a bassa frequenza/CC
Modello di sonda passiva 10:1
Modello a bassa frequenza/CC: si semplifica in un resistore da 9 MΩ in serie con
la terminazione in ingresso da 1 MΩ dell'oscilloscopio.
Fattori di attenuazione della sonda:
 Alcuni oscilloscopi, ad esempio quelli appartenenti alla Serie 3000 X di Keysight,
rilevano automaticamente le sonde 10:1 e regolano tutte le impostazioni verticali e le
misurazioni di tensione relativamente al puntale della sonda.
 Alcuni oscilloscopi, ad esempio quelli appartenenti alla serie 2000 X di Keysight,
necessitano dell'immissione manuale di un fattore di attenuazione di una sonda 10:1.
Modello dinamico/CA: illustrato più avanti e durante l'Esercitazione n.5.
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Informazioni sul display dell'oscilloscopio
Orizzontale = 1 µs/div
1 Div
Verticale = 1 V/div
Volt
1 Div
Tempo
― Area di visualizzazione della forma d'onda con griglia (o divisioni).
― Spaziatura verticale della griglia relativamente all'impostazione Volt/divisione.
― Spaziatura orizzontale della griglia relativamente all'impostazione sec/divisione.
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Misurazioni in base a valutazione visiva
Misurazioni in base a valutazione visiva
Indicazione del
livello di
terra (0,0 V)
Orizzontale = 1 µs/div
V p-p
V max
Verticale = 1 V/div
Period
− Periodo (T) = 4 divisioni x 1 µs/div = 4 µs, Freq = 1/T = 250 kHz.
− V p-p = 6 divisioni x 1 V/div = 6 V p-p
− V max = +4 divisioni x 1 V/div = +4 V, V min = ?
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Misurazioni mediante i cursori
Cursore X2
Cursore X1
Cursore Y2
Controlli dei
cursori
Lettura di Δ
Cursore Y1
Lettura di V e T
assoluti
― Posizionare manualmente i cursori X e Y in corrispondenza dei punti di
misurazione desiderati.
― L'oscilloscopio esegue automaticamente la moltiplicazione per i fattori di
scala verticali e orizzontali, in modo da fornire misurazioni assolute e delta.
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Misurazioni tramite le misurazioni parametriche
automatiche dell'oscilloscopio
Lettura
– Selezionare fino a un massimo di 4 misurazioni
parametriche automatiche con lettura aggiornata in modo
continuativo.
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Controlli di impostazione principali dell'oscilloscopio
Oscilloscopio Keysight InfiniiVision serie 2000 e 3000 X
Scala orizzontale
(s/div)
Livello di trigger
Posizione orizzontale
Scala verticale
(V/div)
Posizione
verticale
Connettori BNC di
ingresso
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Definizione della scala appropriata per la forma
d'onda
- Troppi cicli visualizzati.
- Scala dell'ampiezza troppo bassa.
Condizione di impostazione iniziale (esempio)
Livello di
trigger
Condizione di impostazione ottimale
− Regolare la manopola V/div fino a riempire verticalmente la maggior parte della schermata
con la forma d'onda.
− Regolare la manopola verticale Posizion (Posizione) fino a centrare verticalmente la forma
d'onda.
− Regolare la manopola s/div fino a visualizzare orizzontalmente solo alcuni cicli.
− Regolare la manopola Trigger Level (Livello di trigger) fino a ottenere il livello impostato
vicino alla metà verticale della forma d'onda.
L'impostazione della scala della forma d'onda è un processo iterativo di regolazione del
pannello di controllo fino a ottenere la visualizzazione sullo schermo della “immagine”
desiderata.
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Informazioni sui trigger dell'oscilloscopio
I trigger sono spesso la funzionalità di più difficile comprensione di un
oscilloscopio, ma sono una delle funzionalità più importanti da
comprendere.
– I “trigger” dell'oscilloscopio sono analoghi
allo “scatto sincronizzato di fotografie”.
– Una “fotografia” di una forma d'onda è
costituita da molti campioni digitalizzati
consecutivi.
– Lo “scatto delle fotografie” deve essere
sincronizzato su un punto univoco sulla
forma d'onda che si ripete.
– La maggior parte dei trigger
dell'oscilloscopio è basata sulla
sincronizzazione delle acquisizioni
(scatto delle fotografie) su un fronte di
salita o di discesa di un segnale a un
livello specifico di tensione.
Una corsa di cavalli al fotofinish è
analoga ai trigger dell'oscilloscopio
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Esempi di trigger
Livello di trigger impostato sopra la forma
d'onda
Punto di trigger
Punto di trigger
Senza trigger
(scatto di fotografie non
sincronizzato)
Trigger = Fronte di salita @
0,0 V
Tempo
negativo
Tempo
positivo
Trigger = Fronte di discesa @ +2,0 V
― Posizione di default del trigger (tempo zero) su Oscilloscopi a memoria digitale = centro
dello schermo (orizzontalmente)
― Unica posizione di trigger su oscilloscopi analogici meno recenti = lato sinistro dello
schermo
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Trigger avanzati dell'oscilloscopio
Esempio: trigger su un bus seriale I2C
− La maggior parte dei vostri esperimenti di laboratorio universitari sarà
basata sull'utilizzo di “edge” trigger standard
− L'uso dei trigger su segnali più complessi necessita di opzioni di trigger
avanzate.
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Teoria del funzionamento dell'oscilloscopio
Giallo = Blocchi specifici del canale
Blu = Blocchi di sistema (supporta tutti i canali)
Diagramma a blocchi dell'oscilloscopio a
memoria digitale
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Specifiche relative alle prestazioni dell'oscilloscopio
La “larghezza di banda” è la specifica più importante dell'oscilloscopio
Risposta in frequenza “gaussiana”
dell'oscilloscopio
– Tutti gli oscilloscopi presentano una risposta in frequenza a passa basso.
– La frequenza in cui un'onda sinusoidale in ingresso viene attenuata di 3
dB definisce la larghezza di banda dell'oscilloscopio.
– -3 dB equivale a un errore di ampiezza pari a ~ -30% (-3 dB = 20 Log
).
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Selezione della larghezza di banda corretta
Ingresso = Clock digitale 100-MHz
Risposta tramite un oscilloscopio con
larghezza di banda di 100-MHz
Risposta tramite un oscilloscopio con
larghezza di banda di 500-MHz
– Larghezza di banda necessaria per applicazioni analogiche: ≥ 3X la
frequenza di onda sinusoidale più alta.
– Larghezza di banda necessaria per applicazioni digitali: ≥ 5X la frequenza
di clock digitale più alta.
– Determinazione più precisa della larghezza di banda basata sulle velocità
del fronte del segnale (vedere la nota relativa all'applicazione “Larghezza
di banda” riportata alla fine della presentazione)
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Altre specifiche importanti dell'oscilloscopio
― Frequenza di campionamento
(in campioni/sec) – Dovrebbe essere pari a ≥ 4X
la larghezza di banda
― Profondità di memoria – Determina le forme
d'onda più lunghe che possono essere acquisite
quando è ancora in corso il campionamento alla
frequenza massima di campionamento
dell'oscilloscopio.
― Numero di canali – Sono in genere disponibili 2
o 4 canali. I modelli di oscilloscopio a segnali
misti aggiungono tra gli 8 e i 32 canali di
acquisizione digitale, con risoluzione a 1 bit (alta
o bassa).
− Velocità di aggiornamento della forma d'onda – Maggiori velocità di aggiornamento
incrementano la probabilità di acquisire problemi sporadici del circuito.
− Qualità del display – Dimensione, risoluzione, numero di livelli di gradazione di intensità.
− Modalità di trigger avanzate – Larghezze di impulso con qualificatore temporale,
Pattern, Video, Serial (Seriale), Pulse Violation (Violazione dell'impulso, ovvero velocità
del fronte, tempo di impostazione/ritenuta, anomalie), e così via.
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Ulteriori informazioni sulle sonde - Modello di sonda
dinamico/CA
Modello di sonda passiva 10:1
― Coscilloscopio e Ccavo sono capacitanze inerenti/parrassitiche (non previste intenzionalmente
nella progettazione)
― Cpuntale e Ccompensazione sono state previste intenzionalmente nella progettazione, in modo
da compensare per Coscilloscopio e Ccavo.
― Con una compensazione delle sonde regolata in modo appropriato, l'attenuazione
dinamica/CA dovuta alle reattanze capacitative dipendenti dalla frequenza dovrebbero
corrispondere all'attenuazione dell'attenuatore di tensione resistivo previsto nella
progettazione (10:1).
Dove Cparallela è la combinazione parallela di Ccompensazione + Ccavo + Coscilloscopio
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Compensazione delle sonde
Compensazione corretta
Channel-1 (Canale-1) (giallo) = Sovracompensato
Channel-2 (Canale-2) (verde) = Sottocompensato
− Collegare le sonde Channel-1 (Canale-1) e Channel-2 (Canale-2) al
terminale
“Probe Comp” (Comp. sonda), uguale a Demo 2.
− Regolare le manopole V/div e s/div, in modo da visualizzare entrambe le
forme d'onda sullo schermo.
− Utilizzando un piccolo cacciavite piatto, regolare il condensatore a
compensazione variabile della sonda (Ccomp) su entrambe le sonde per
una risposta piatta (quadra).
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Caricamento delle sonde
― Il modello di ingresso di sonde e oscilloscopio può essere semplificato
fino a un singolo resistore e condensatore.
RCaricamento
CCaricamento
Modello di caricamento di sonda + oscilloscopio
― Qualsiasi strumento, non solo gli oscilloscopi, collegato a un circuito
diventa parte del circuito sottoposto a test e influirà sui risultati misurati, in
particolare a frequenze più elevate.
― Nel “caricamento” sono impliciti gli effetti negativi che la
sonda/l'oscilloscopio potrebbe avere sulle prestazioni del circuito.
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Assegnazione
C caricamento = ?
1. Supponendo che Coscilloscopio = 15pF, Ccavo = 100pF e Cpuntale = 15pF, calcolare
Ccompensazione se regolato correttamente. Ccompensazione = ______
2. Utilizzando il valore calcolato di Ccompensazione, calcolare CCaricamento. CCaricamento = ______
3. Utilizzando il valore calcolato di CCaricamento, calcolare la reattanza capacitiva di CCaricamento a
500 MHz. XC-Caricamento = ______
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Utilizzo della Guida di laboratorio/esercitazioni
sull'oscilloscopio
Compito a casa – Leggere le sezioni seguenti
prima della vostra 1° sessione di laboratorio
sull'oscilloscopio:
Sezione 1 – Operazioni preliminari
Utilizzo delle sonde dell’oscilloscopio
Informazioni preliminari sul pannello frontale
Appendice A– Diagramma a blocchi
dell'oscilloscopio e teoria del funzionamento
Appendice B – Esercitazione sulla larghezza di
banda dell'oscilloscopio
Esercitazioni pratiche sull'oscilloscopio
Sezione 2 – Esercitazioni di base sulle
misurazioni negli oscilloscopi e in WaveGen
(Gen. onde) (6 esercitazioni individuali)
Sezione 3 – Esercitazioni avanzate sulle
misurazioni negli oscilloscopi (9 esercitazioni
facoltative che il vostro professore potrà
assegnarvi)
Oscilloscope Lab Guide and Tutorial
Download @
www.keysight.com/find/EDK
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Suggerimenti su come seguire le istruzioni della
Guida di laboratorio
Le parole in grassetto racchiuse tra parentesi, ad esempio [Help] Guida,
fanno riferimento a un tasto del pannello frontale.
Il termine “softkey” indica i 6 tasti/pulsanti sotto il display
dell'oscilloscopio.
La funzione di questi tasti cambia in base al menu selezionato.
Etichette dei
tasti softkey
Softkey
Un softkey con una freccia verde circolare (
) come etichetta indica
che la manopola generica “Entry” controlla tale selezione
Manopola Entry
o variabile.
(Immissione)
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Accesso ai segnali di addestramento incorporati
La maggior parte delle esercitazioni pratiche sugli oscilloscopi è basata
sull'utilizzo di diversi segnali di addestramento incorporati negli
oscilloscopi Keysight serie 2000 o 3000 X, se si dispone della licenza
relativa al Kit di formazione dell'educatore DSOXEDK.
1. Collegare una sonda tra il connettore
BNC di ingresso Channel-1 (Canale-1)
dell'oscilloscopio e il terminale con
etichetta “Demo1”.
2. Collegare un'altra sonda tra il
connettore BNC di ingresso Channel-2
(Canale-2) dell'oscilloscopio e il
terminale con etichetta “Demo2”.
3. Collegare le pinze di messa a terra di
entrambe le sonde al terminale
centrale di messa a terra.
4. Premere [Help] Guida, quindi premere
i softkey Training Signals (Segnali
addestr).
Collegamento ai terminali di test dei segnali
di addestramento tramite sonde passive
10:1
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Risorse tecniche aggiuntive disponibili da
Keysight Technologies
Nota relativa all'applicazione
Pubblicazione n.
Valutazione dei concetti fondamentali sull'oscilloscopio
5989-8064EN
Valutazione delle larghezze di banda dell'oscilloscopio per le applicazioni
5989-5733EN
Valutazione della relazione tra frequenze di campionamento dell'oscilloscopio e
fedeltà del campionamento
5989-5732EN
Valutazione degli oscilloscopi in base alle migliori velocità di aggiornamento
della forma d'onda
5989-7885EN
Valutazione degli oscilloscopi in base alla migliore qualità del display
5989-2003EN
Valutazione delle caratteristiche di rumore verticale dell'oscilloscopio
5989-3020EN
Valutazione degli oscilloscopi per il debug di progetti a segnale misto
5989-3702EN
Valutazione della memoria segmentata dell'oscilloscopio per applicazioni a bus
seriale
5990-5817EN
http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/xxxx-xxxxEN.pdf
Insert pub # in place of “xxxx-xxxx”
Page
Page 28
Domande e risposte
Page
Page 29