Introduzione all'uso dell'oscilloscopio
Cos'è un oscilloscopio
L' oscilloscopio è essenzialmente un dispositivo che consente di
visualizzare fenomeni elettrici, il cui andamento nel tempo è riprodotto
su uno schermo luminescente. Di questi fenomeni si possono
essenzialmente rilevare l'ampiezza, la durata e la frequenza. Dopo il
tester, in campo elettronico, l'oscilloscopio è probabilmente il più diffuso
strumento per la visualizzazione, la misura e l'analisi di fenomeni elettrici
e non solo, poichè usando appositi trasduttori quasi tutti i fenomeni fisici
si possono riportare a grandezze elettriche e sono quindi misurabili con
questo strumento. Riassumendo l'oscilloscopio è un dispositivo di
visualizzazione grafica che rappresenta segnali elettrici variabili nel
tempo. L'asse verticale, denominato d'ora in poi " asse Y ", rappresenta
la tensione, mentre quello orizzontale, denominato " asse X " ,
rappresenta il tempo.
Cosa è possibile fare con un oscilloscopio
•
•
Determinare direttamente il periodo e l'ampiezza di
un segnale.
Determinare indirettamente la frequenza di un
segnale.
•
Determinare la componente DC e AC di un segnale.
•
Localizzare avarie in un circuito.
•
Misurare l'angolo di fase tra due segnali. (sfasamento tra due
segnali)
•
Determinare quale parte del segnale è rumore e come varia nel
tempo.
Gli oscilloscopi sono degli strumenti molto versatili largamente impiegati
nel campo elettronico in assistenza tecnica, progettazione e produzione
che permettono di studiare e analizzare le variazioni di un segnale in
funzione del tempo. Un oscilloscopio può misurare un gran numero di
fenomeni inserendo il transduttore adeguato (un elemento che converte
una grandezza física in un segnale elettrico) e può addirittura visualizzare
il valore di una pressione, il ritmo cardiaco, ecc.
Che tipi di oscilloscopi esistono?
Queste strumenti di misura elettronici si possono dividere in due gruppi
principali: Analogici e Digitali. Per capire meglio la differenza tra i due
è come se paragonassimo il giradischi tradizionale, che è un apparecchio
analogico, con il più recente Compact Disc (nuovo apparecchio audio
digitale). Gli oscilloscopi analogici lavorano applicando direttamente una
tensione da misurare ad un raggio elettronico che si muove sullo
schermo. La tensione deflette il raggio in senso verticale, in proporzione
alla sua ampiezza, fornendo una rappresentazione immediata della forma
d'onda. L'oscilloscopio digitale campiona la forma d'onda e utilizza un
convertitore analogico-digitale (A/D) per trasformare la tensione da
misurare in informazioni digitali, informazioni che vengono
successivamente utilizzate per ricostruire la forma d'onda sullo schermo.
Entrambi i tipi presentano vantaggi e svantaggi. Gli oscilloscopi analogici
sono preferibili quando si utilizzano in prevalenza segnali ripetitivi ed è
prioritario visualizzare variazioni veloci del segnale d'ingresso in tempo
reale. Gli oscilloscopi digitali vengono impiegati quando è necessaria
l'analisi di segnali non ripetitivi o aventi frequenza molto elevata, oppure
ancora quando i segnali presentano variazioni molto lente o quando
bisogna catturare singoli eventi. Per offrire un maggiore campo di
applicazioni sono nati negli ultimi anni dei modelli ibridi analogico/digitali
che racchiudono entrambe le soluzioni in un unico strumento.
Quali controlli possiede un oscilloscopio tipico
A prima vista un oscilloscopio può apparire come un piccolo televisore
portatile, salvo per il reticolo che ricopre lo schermo e il maggior numero
di controlli presenti sul pannello frontale.
Nella figura seguente sono rappresentate le varie funzioni suddivise in
cinque sezioni:
** Verticale ** Orizzontale ** Sincronismo ** Controlli di visualizzazione **
Connettori
Come funziona un oscilloscopio?
Per capire il funzionamento dei controlli che possiede un oscilloscopio è
necessario apprendere almeno in parte i principali processi interni di
questo strumento. Cominceremo con il tipo analogico che è il più
semplice da capire.
Oscilloscopio analogico
Il tubo a raggi catodici, indicato con la sigla CRT (Cathode - Ray - Tube) è
costituito da una parte che genera, accelera e focalizza il fascio di
elettroni da inviare sullo schermo denominata cannone elettronico e
da una parte che consente lo spostamento del punto luminoso sullo
schermo denominata sistema di deflessione, che consiste nella
combinazione di due forze prodotte da due campi elettrici applicati in
direzione dell'asse orizzontale e dell'asse verticale del piano dello
schermo. Un segnale da esaminare viene prelevato da un circuito esterno
mediante la sonda che può essere di tipo non attenuato (1:1) o attenuato
(10:1 / 100:1 ecc). Il segnale la attraversa e si dirige alla sezione
verticale. A seconda della posizione in cui si trova il commutatore
dell'amplificatore verticale attenueremo o amplificheremo il segnale
d'ingresso. All'uscita di questo blocco già si dispone di un segnale
sufficiente che viene applicato alle placche di deflessione verticale (che
naturalmente stanno in posizione orizzontale). Quest'ultime hanno il
compito di deviare il fascio di elettroni emessi dal catodo che andranno a
colpire lo strato fluorescente interno dello schermo, in senso verticale,
dando origine alla traccia. La traccia così visualizzata sullo schermo
rappresenterà rispetto al punto di riferimento GND (Ground), verso l'alto
la tensione positiva e verso il basso quella negativa.
Il segnale attraversa anche la sezione di trigger (sincronismo interno) per
poi raggiungere la sezione orizzontale. Si è detto che il segnale viene di
solito rappresentato in funzione del tempo, per questo motivo gli
oscilloscopi hanno al loro interno un generatore di segnali a dente di
sega, da connettere al sistema di deflessione orizzontale (asse X) più
comunemente denominato base dei tempi, che simula il tempo.
Descriveremo adesso come il segnale a dente di sega comanda
l'escursione del fascio di elettroni lungo l'asse X dello schermo. Durante il
fronte di salita della rampa si ha l'escursione a velocità costante
dell'asse, da sinistra verso destra di chi guarda lo strumento. Il breve
fronte di discesa della rampa fa ritornare velocemente al punto di
partenza il fascio di elettroni pronto per un'altra escursione. Il ritorno non
viene visualizzato sullo schermo grazie ad un segnale di spegnimento
che agisce contemporaneamente sul cannone elettronico. In questo
modo l'azione combinata del tracciato orizzontale e della deflessione
verticale rappresenta graficamente il segnale sullo schermo.
Variando il commutatore del base dei tempi (TIME-BASE) dello strumento
si varia la durata del fronte di salita del segnale a dente di sega. Per
poter riprodurre un'immagine stabile sullo schermo, è necessario che vi
sia sincronia fra il segnale da analizzare e la partenza del fronte di salita
della rampa. Tale operazione viene denominata triggeraggio (azione del
trigger) e viene realizzata tramite l'apposito circuito di sincronismo che si
sincronizza sul segnale da visualizzare.
Nelle seguenti figure si può osservare lo stesso segnale in tre differenti
condizioni di trigger: Nella prima il segnale è triggerato nel fronte di
salita, nella seconda è senza trigger (il segnale scorre) e nella terza il
segnale è triggerato nel fronte di discesa.
In conclusione per utilizzare in modo corretto un oscilloscopio analogico è
necessario fare questi tre aggiustamenti basilari:
•
•
•
Provvedere all'attenuazione o amplificazione di cui necessita il
segnale. Utilizzando il commutatore AMPL. si aggiusta
l'amplificazione del segnale che viene applicato alle placche della
deflessione verticale. Per poter meglio apprezzarlo, conviene che il
segnale occupi una buona parte dello schermo, senza comunque
allargare troppo oltrepassando i limiti.
Impostare la base dei tempi. Utilizzando il commutatore TIME
BASE si aggiusta la rappresentazione orizzontale del tempo nello
schermo per ogni divisione. Per segnali ripetitivi è conveniente
ruotare la manopola fino ad osservare 2/3 periodi nello schermo
dello strumento.
Triggerare il segnale. Utilizzando il verniero TRIGGER LEVEL
(livello di trigger) e il selettore di trigger TRIGGER SELECTOR
(seleziona il tipo di trigger) è possibile stabilizzare al meglio i
segnali ripetitivi presenti sullo schermo.
Ovviamente è necessario che prima siano stati effettuati gli opportuni
aggiustamenti sui controlli di visualizzazione: FOCUS (messa a fuoco
della traccia), INTENS. (intensità della traccia) da non eccedere, Y-POS
(posizione verticale della traccia), X-POS (posizione orizzontale della
traccia).
Oscilloscopio digitale
L'oscilloscopio digitale possiede, oltre alla sezione specificata sopra per
l'oscilloscopio analogico, un sistema addizionale di processo dei dati che
permette di immagazzinare e visualizzare il segnale. I modelli più recenti
sono costituiti da memorie di tipo digitale (RAM) le quali possono essere
inserite anche in strumenti normali che presentino la capacità di
escludere od inserire il sistema di memorizzazione tramite opportuni
commutatori. Il segnale in ingresso viene così campionato. Dopo la
campionatura il segnale subisce una conversione analogica/digitale (A/D),
ed è importante sottolineare che la velocità di tale operazione determina
la bontà di risoluzione dello strumento. Il segnale viene quindi convertito
in una parola binaria e successivamente memorizzato nella memoria
RAM. Da questa lo si preleva quando si desidera analizzarlo e lo si invia in
un circuito di riconversione digitale/analogico (D/A) e da qui all'asse Y
dell'oscilloscopio. Vedremo ora di apprendere meglio questo tipo di
funzionamento che trova largo impiego nel mondo industriale.
Quando si connette la sonda di un oscilloscopio digitale ad un circuito, la
sezione verticale aggiusta l'ampiezza del segnale allo stesso modo
dell'oscilloscopio analogico.
Il convertitore analogico-digitale del sistema di acquisizione dati
campiona il segnale a intervalli di tempo determinati e converte il
segnale in tensione continua in una serie di valori digitali chiamati punti
di campionamento. Nella sezione orizzontale un segnale di clock
determina quando il convertitore A/D prende un campione. La velocità di
questo clock viene chiamata velocità di campionamento e viene indicata
in campioni al secondo.
I valori digitali campionati vengono immagazzinati in una memoria come
punti del segnale. L'insieme del numero di punti del segnale costituirà un
"pacchetto" che verrà utilizzato per riconstruire il segnale sullo schermo.
La sezione di trigger determina l'inizio e la fine del "pacchetto" di punti
utilizzati per rappresentare il segnale. La sezione di visualizzazione riceve
il "pacchetto" di punti, una traccia immagazzinata nella memoria, per
rappresentare il segnale nello schermo dello strumento.
A seconda delle capacità dell'oscilloscopio è possibile sviluppare processi
addizionali sui punti campionati. Ad esempio molti oscilloscopi digitali
dell'ultima generazione dispongono della funzione di pre-trigger per
osservare cosa avviene prima della partenza del sincronismo.
Fondamentalmente un oscilloscopio digitale viene utilizzato in modo
molto simile a quello analogico. Per poter effettuare misure accurate è
sempre indispensabile aggiustare il commutatore di ampiezza AMPL.,
della base dei tempi TIMEBASE e del trigger.
Metodi di campionamento
Qui spiegheremo in che modo vengono catturati i punti di campionamento per
ricostruire il segnale negli oscilloscopi digitali. Per segnali che hanno una
variazione molto lenta nel tempo, gli oscilloscopi digitali possono riunire
perfettamente más puntos de los necesarios para reconstruir posteriormente la
señal en la pantalla. No obstante, per segnali veloci (como de rápidas
dependerá de la máxima velocidad de muestreo de nuestro aparato) el
osciloscopio no puede recoger muestras suficientes y debe recurrir a una de
estas dos técnicas:
•
•
Campionamento in tempo reale con interpolazione (oscilloscopi a
memoria digitale) (, Lo strumento, a seconda della sua frequenza di
campionamento, prende un punto cattura un punto di campionamento s
decir, estimar un punto intermedio de la señal basandose en el punto
anterior y posterior.
Campionamento in tempo equivalente (oscilloscopi campionatori) . Se il
segnale è ripetitivo è possibile campionare un certo numero di periodi in
diversi punti del segnale per poterlo ricostruire in modo completo.
Campionamento in tempo reale con Interpolazione
Il metodo standard di campionamento in un oscilloscopio digitale è il
campionamento in tempo reale: l'oscilloscopio cattura e riunisce un sufficiente
numero di punti per ricostruire il segnale. Questo tipo di campionamento è
l'unico utilizzabile per analizzare segnali transitori o non ripetitivi..
Gli oscilloscopi utilizzano la interpolazione per poter visualizzare segnali che
sono troppo veloci rispetto alla velocità di campionamento.
Esistono due tipi di interpolazione:
Lineare: I punti di campionamento vengono uniti con una linea retta.
Sinusoidale: Connette i punti di campionamento con una curva secondo un
processo matematico. Di questa forma i punti intermedi si calcolano per
riempire gli spazi tra i punti reali di campionamento. Usando questo sistema è
possibile visualizzare segnali con grande accuratezza anche disponendo di un
limitato numero di punti di campionamento.
Campionamento in tempo equivalente
Alcuni oscilloscopi digitali utilizzano questo tipo di campionamento. Vengono
impiegati per lo studio e la visualizzazione di segnali aventi frequenze molto
elevate a condizione che presentino forme costanti nel tempo. Si tratta di
ricostruire un segnale ripetitivo catturando una piccola parte del segnale in
ogni periodo. Questi strumenti provvedono a campionare tratti di segnale da
analizzare, presi in periodi successivi, in modo da poter ricostruire fedelmente
il segnale ad una frequenza inferiore di quella reale e quindi poterlo
visualizzare mediante un normale sistema a CRT.
Terminologia usata
nell'oscilloscopio
Per tutti gli strumenti di misura, in particolare per quelli destinati alla misura di
grandezze elettriche, esistono delle specifiche tecniche la cui conoscenza è
indispensabile per un loro corretto utilizzo. Questo capitolo è dedicato alla
spiegazione dei termini utilizzati maggiormente nell'uso di oscilloscopi, sia
analogici che analogici/digitali.
Termini utilizzati nella misura
Esiste un termine generale per descrivere un fenomeno che si ripete nel
tempo: forma onda. Una forma d'onda è la rappresentazione grafica di un
segnale applicato in ingresso allo strumento. Un ciclo o periodo è la minima
parte dell'onda che si ripete nel tempo. Una forma d'onda si presenterà sempre
con il tempo nell'asse orizzontale (X) e l'ampiezza nell'asse verticale (Y).
L'importanza di una forma d'onda è che ci rappresenta una dettagliata
informazione del segnale. In qualsiasi momento possiamo visualizzare
l'ampiezza che rappresenta e, pertanto, sapere se la tensione è variata nel
tempo (se osserviamo, per esempio, una linea orizzontale potremo dedurre che
l'intervallo di tempo del segnale è costante). Con la pendenza della linea
diagonale che rappresenta sia il fronte di salita che il fronte di discesa potremo
conoscere la velocità e con il passaggio da un livello ad un altro potremo
osservare cambi repentini del segnale generalmente dovuti a processi
transitori.
Tipi di forme d'onda
E' possibile classificare le forme d'onda nei seguenti tipi:
•
•
Onda sinusoidale e onda smorzata
Onda quadra e rettangolare
•
Onda triangolare e a dente di sega
•
Onda arbitraria
•
Fenomeno random e Impulso
Onda sinusoidale
La forma d'onda sinusoidale è la più comune ed è forse la più importante per
varie ragioni. Possiede una proprietà matematica molto interessante che le
permette di ricostruire qualsiasi forma d'onda con la combinazione di segnali
sinusoidali di differente ampiezza e frequenza. E' molto facile incontrarla come
segnale prodotto da un circuito oscillatore di un generatore di segnali oppure
nella maggior parte delle sorgenti di alimentazione di potenza AC (corrente
alternata).
La forma d'onda smorzata è un caso speciale di questo tipo di onde e si
produce in fenomeni di oscillazione che non permangono nel tempo. E'
costituita da gruppi successivi di oscillazioni, nei quali, con definita regolarità,
l'ampiezza decresce secondo una certa legge temporale.
Onda quadra e rettangolare
L'onda quadra è praticamente una forma d'onda che passa da uno stato
all'altro di tensione, a intervalli regolari, in un tempo molto breve. Viene
utilizzata normalmente per provare amplificatori (perchè questo tipo di segnale
contiene in se stesso tutte le frequenze). Moltissime apparecchiature
elettroniche utilizzano questo tipo di segnali, fondamentalmente come clock o
timer.
La forma d'onda rettangolare si differenzia dalla quadra perchè varia
l'intervallo di tempo in cui la tensione permane a livello alto e basso. Questo
tipo di segnali sono molto utilizzati per analizzare circuiti digitali.
Onda triangolare e a dente di sega
L'onda triangolare viene utilizzata in circuiti destinati a controllare la tensione
linearmente, come potrebbe essere ad esempio la deflessione orizzontale di un
oscilloscopio analogico. La transizione passa da un livello minimo ad un livello
massimo del segnale ad un ritmo costante. Questa transizione viene
denominata rampa.
La forma d'onda a dente di sega è un particolare caso di segnale triangolare
con una rampa discendente molto più ripida di quella ascendente.
Onda arbitraria
Negli ultimi anni, con l'avvento delle nuove tecnologie, sono stati realizzati dei
generatori di funzioni che dispongono di una nuova forma d'onda denominata
arbitraria. Questi generatori di funzioni arbitrarie sfruttano in realtà una
sequenza di numeri, che sono la rappresentazione campionata di forme d'onda
analogiche, che possono essere facilmente modificate tramite personal
computer, intervenendo sui singoli punti che le rappresentano. In questo modo
è possibile sintetizzare qualsiasi segnale di prova sia necessario ad un tecnico
di laboratorio. Tale caratteristica rende i generatori di funzioni arbitrarie gli
strumenti ideali in molte applicazioni biofisiche, nelle quali sono indispensabili
rappresentazioni precise di segnali molto complessi, che simulano le condizioni
fisiologiche degli esseri viventi (battito cardiaco, impedenza del sangue,
stimolazione muscolare). Molte altre applicazioni sono possibili su ricerche in
campo territoriale, oceanografico e nella fisiologia animale.
Fenomeno random e Impulso
Questi segnali, essendo non ripetitivi, vengono chiamati segnali transitori. I
fenomeni random (casuali) possono essere di varia natura, ma quello
rappresentato in figura indica una variazione repentina della tensione da un
livello ad un'altro, per esempio quando si connette un interruttore di
alimentazione. Esprimeremo ora l'esatta definizione di impulso. Un impulso è
una particolare forma d'onda caratterizzata da un rapido aumento (o
diminuzione) dell'ampiezza del segnale seguita da una rapida diminuzione (o
aumento) che riporta il segnale al livello iniziale. Generalmente l'impulso
rappresenta un bit di informazione in un tradizionale circuito digitale o un
piccolo difetto in un circuito (per esempio un falso contatto momentaneo).
Misura delle forme d'onda
Ora approfondiremo maggiormente l'argomento con la spiegazione di nuovi
termini tecnici. In questa sezione descriveremo le misure più utilizzate per
valutare una segnale.
Periodo e Frequenza
Se un segnale si ripete nel tempo, possiede una frequenza di ripetizione
espressa con ( f ). La frequenza viene espressa in Hertz (Hz) e se il segnale
compie 1 ciclo in un secondo, vuol dire che la sua frequenza è di 1Hz. Per
questo motivo possiamo affermare che periodo e frequenza sono reciproci
l'uno dell'altro.
Un segnale ripetitivo possiede altri parametri: il periodo, definito come il tempo
che impiega il segnale a completare un ciclo.
Ampiezza
L'ampiezza esprime la tensione, ovvero la differenza di potenziale elettrico tra
due punti di un circuito. Normalmente la misura viene fatta rispetto a massa
per cui uno di questi punti è la massa (GND), ma non sempre, per esempio si
può misurare la tensione picco-picco di un segnale (Vpp) tra il suo valore
massimo e minimo.
Fase
La fase si può spiegare molto meglio se consideriamo la forma d'onda
sinusoidale. I segnali sinusoidali si possono mettere in corrispondenza con gli
angoli al centro di un cerchio di raggio unitario. In base a questa
corrispondenza, ad ogni angolo corrisponde un particolare punto della
sinusoide. La forma d'onda sinusoidale si può ricavare dalla circolazione di un
punto su un cerchio a 360º. Un ciclo di un segnale sinusoidale comprende tutti i
360º.
Quando due segnali sinusoidali vengono comparati alla stessa frequenza
può succedere che entrambi non siano in fase, oppure, che i due segnali
non coincidano in modo equivalente nel tempo. In questo caso i segnali
vengono definiti sfasati, e allora si rende necessario misurarne lo
sfasamento.
T= tempo di ritardo tra i due segnali.
Quali parametri si utilizzano per identificare le qualità di
un oscilloscopio
I termini usati in questa sezione sono quelli maggiormente utilizzati per
comparare e valutare differenti modelli di oscilloscopi, sia analogici che
analogici/digitali.
Banda passante
Specifica il campo di frequenza che l'oscilloscopio può misurare con
precisione. Per convenzione la banda passante si calcola da 0Hz
(continua) fino alla frequenza in cui un segnale di tipo sinusoidale si
visualizza al 70.7% del valore applicato in ingresso (che corrisponde a
una attenuazione di 3dB).
Tempo di salita
Questo parametro, insieme a quello precedente, ci indicherà la massima
frequenza di utilizzo dell'oscilloscopio. E' un parametro molto importante,
fondamentale per eseguire misure di fronti o impulsi (tenere presente
che questo tipo di segnali hanno variazioni molto veloci tra i livelli di
tensione). Con un oscilloscopio non è possibile visualizzare impulsi con
tempi di salita più veloci del suo.
Sensibilità verticale
Indica qual'è il minimo segnale che può essere amplificato dallo
strumento. Viene normalmente espressa in 1mV/div. per divisione
verticale.
Velocità
Per gli oscilloscopi analogici questa specifica indica la velocità massima
di deflessione orizzontale, che permetterà di visualizzare fenomeni molto
veloci. Normalmente le massime portate sono dell'ordine di nanosecondi
per divisione orizzontale.
Precisione del guadagno
Indica la precisione con la quale il sistema verticale dell'oscilloscopio
amplifica o attenua il segnale. Viene espressa normalmente in
percentuale massima di errore.
Precisione della base dei tempi
Indica la precisione della base dei tempi nel sistema orizzontale
dell'oscilloscopio per visualizzare il tempo. Viene espressa normalmente
in percentuale massima di errore.
Velocità di campionamento
Negli oscilloscopi digitali indica quanti campioni per secondo vengono
catturati dal sistema di acquisizione dati (dal convertitore A/D). Negli
strumenti di un certo livello si raggiungono velocità di campionamento di
Gigasample/secondo. Una velocità di campionamento elevata è
fondamentale per poter visualizzare piccoli intervalli di tempo. In
contrapposizione è importante avere anche basse velocità di
campionamento per osservare segnali con variazione lenta nel tempo. La
velocità di campionamento cambia agendo sul commutatore della base
dei tempi TIMEBASE, mantenendo costante il numero di punti
immagazzinati per rappresentare la forma d'onda.
Risoluzione verticale
La risoluzione verticale è il parametro che indica la risoluzione del
convertitore A/D in un oscilloscopio digitale . Viene espressa in bit
(normalmente 8bit) e indica con quale precisione viene convertito il
segnale d'ingresso in valori digitali immagazzinati nella memoria. Le
tecniche di calcolo possono aumentare la risoluzione effettiva
dell'oscilloscopio.
Profondità di memoria
Indica la quantità massima di punti che possono essere catturati nella
memoria dallo strumento per la ricostruzione del segnale. In alcuni
oscilloscopi la profondità di memoria può essere variabile e comunque
dipende sempre dalle dimensioni della memoria dello strumento. Una
grande profondità di memoria permette di realizzare zoom su alcuni
dettagli della forma d'onda (su dati già immagazzinati), senza dover
perdere tempo a campionare il segnale completo.
Funzionamento
dell'oscilloscopio
Collegamento a terra dell'oscilloscopio
Un buon collegamento di terra è fondamentale per realizzare misure
corrette con un oscilloscopio.
Inoltre è obbligatorio collegarlo a terra per motivi di sicurezza. Il
contenitore, il telaio e tutti i terminali di misura sono collegati a massa
per motivi di protezione. Se si verificasse una scarica di alta tensione e la
carcassa dell'oscilloscopio non fosse messa a terra, qualunque parte
della carcassa, inclusi i comandi, potrebbero creare all'utente un
pericoloso shock. Mentre se l'oscilloscopio è ben collegato a massa, la
corrente verrebbe deviata al collegamento di terra.
Per connettere a terra un oscilloscopio è necessario collegare il telaio
dello strumento con il punto di riferimento neutro di tensione
(comunemente chiamato terra). Questo si fa normalmente utilizzando
cavi di alimentazione a tre conduttori (due per l'alimentazione e uno per
la messa a terra).
L'oscilloscopio, tra l'altro, deve condividere la medesima massa con tutti
le parti del circuito a cui viene connesso.
Quasi tutti gli oscilloscopi dispongono di un cambio tensione posto sulla
presa di alimentazione. Per poter far funzionare correttamente lo
strumento o addirittura per non rischiare di danneggiarlo è molto
importante assicurarsi che sia impostato nella corretta posizione, in base
al tipo di tensione di cui disponiamo.
Aggiustamento iniziale dei controlli
Dopo aver collegato l'oscilloscopio alla presa di rete, alimentarlo
premendo il tasto di accensione.
E' necessario familiarizzare con il pannello frontale dello strumento. Tutti
gli oscilloscopi dispongono di tre sezioni primarie normalmente ben
suddivise: sezione Verticale, sezione Orizzontale, e Trigger. A seconda
del tipo di strumento impiegato potremo disporre di altre sezioni.
Sulla parte bassa del pannelo frontale troveremo due o quattro
connettori BNC (a seconda che lo strumento sia a due o quattro canali)
dove andranno collegate le sonde di misura. Nella maggior parte degli
oscilloscopi i due canali vengono evidenziati sul pannello con I e II
(oppure A e B).
Sulle versioni di oscilloscopi più evolute troviamo funzioni chiamate
AUTOSET o PRESET che aggiustano i controlli automaticamente con la
semplice pressione di un tasto, rappresentando perfettamente e in modo
veloce i segnali sullo schermo. Se non si dispone di questa funzione è
necessario impostare i vari controlli dello strumento in una posizione
standard prima di procedere alla misura.
Questi sono i controlli da verificare:
•
Premere il tasto per visualizzare il canale 1 (automaticamente si
assegnerà il trigger al canale 1).
•
•
Collocare il commutatore del Volt/div. del canale 1 in una posizione
intermedia (ad esempio 1V/div.).
•
•
Mettere il comando variabile del Volt/div. del canale 1 in posizione
calibrata (potenziometro centrale tutto ruotato a destra o a
sinistra).
•
•
Disattivare qualsiasi tipo di moltiplicatore verticale.
•
Posizionare il commutatore d'ingresso del canale 1 in
accoppiamento DC.
•
•
Mettere il tasto di trigger in modo automatico.
•
•
Disattivare il trigger ritardato.
•
Agire sul controllo di intensità posizionandolo su una condizione
intermedia che permetta di apprezzare la traccia sullo schermo, e
ritoccare il controllo del fuoco fino a far apparire la traccia il più
nitida possibile (generalmente i comandi sono nella condizione
ottimale quando la tacca di riferimento è in posizione verticale).
•
Sonde di misura
Le sonde sono componenti essenziali dell'oscilloscopio e sono costituite
da un cavo coassiale munito di un apposito connettore. Il loro ruolo è di
fare in modo che il segnale visualizzato sullo schermo dello strumento sia
il più possibile conforme a quello prelevato dal circuito, senza disturbi o
distorsioni tali da rendere inattendibile la misura.
Per le applicazioni più comuni è molto importante misurare con
l'oscilloscopio utilizzando un tipo di sonda come quella disegnata in
figura.
Questo tipo di sonda viene data generalmente in dotazione con
l'oscilloscopio ed è particolarmente studiata per applicazioni generali. Per
altri tipi di misure vengono impiegate sonde speciali, come sonde di
corrente o sonde attive.
Ora, dopo aver seguito attentamente le varie istruzioni sopra descritte,
siamo in condizione di connettere la sonda di misura al connettore
d'ingresso del canale 1.
Sonde passive
La maggior parte delle sonde passive sono marchiate con un fattore di
attenuazione, normalmente 10X o 100X. Per convenzione il fattore di
attenuazione compare con il segno X dietro al fattore di divisione. In
contrapposizione il fattore di amplificazione appare con il segno X davanti
(X10 o X100).
Le sonde più utilizzate sono quelle con attenuazione 10X, che riducono
l'ampiezza del segnale di un fattore pari a 10. Vengono utilizzate a
frequenze superiori a 5 kHz e con livelli di segnale superiori a 10 mV. La
sonda 1X è molto simile però introduce troppo carico nel circuito di
prova, anche se però ha il vantaggio di misurare segnali con minore
livello di segnale. Per maggiore comodità d'uso sono state introdotte
sonde speciali dotate di un commutatore che permette di utilizzarle in
posizione 1X o 10X. Quando si utlizza questo tipo di sonda bisogna
sempre assicurarsi della posizione del commutatore prima di eseguire
una misura, per evitare grossolani errori.
Nel caso di misura su frequenze molto elevate sono disponibili sonde
speciali basate su circuiti molto complessi comprendenti anche
induttanze, trimmer e condensatori variabili.
Compensazione della sonda
Prima di utilizzare una sonda attenuata 10X è necessario fare un
aggiustamento nel trimmer della sonda per fare in modo che il segnale
proveniente dal circuito venga trasferito senza alterazioni all'ingresso
dell'oscilloscopio. Questa operazione serve a compensare l'effetto delle
capacità parassite che intervengono all'aumentare della frequenza.
Questa operazione denominata compensazione viene fatta nel
seguente modo:
•
•
Collegare il BNC della sonda all'ingresso del canale 1.
Prelevare con il puntale della sonda il segnale di riferimento a 1KHz
dal calibratore dello strumento (sorgente di segnale ad onda
quadra) per poter effetuare la calibrazione.
•
•
Connettere la pinza a coccodrillo della sonda a massa.
•
Ora osservare attentamente il segnale ad onda quadra presente
sullo schermo.
•
Se la traccia non risultasse perfetta, agire con il cacciavite in
dotazione sul compensatore della sonda, ruotando a destra o a
sinistra fino ad ottenere una forma d'onda quadra come
rappresentato in figura.
Sonde differenziali
Queste nuove sonde permettono di effettuare questo tipo di
misure su potenziali diversi, per esempio su finali a thyristor,
motori elettrici e circuiti di alimentazione, senza alcun pericolo per
l'utilizzatore. Questo perchè la maggior parte degli oscilloscopi
misurano "Single End" e non sono adatti per misure su potenziali
diversi. Spesso viene tolto il collegamento di terra, operazione
molto pericolosa per chi opera con lo strumento che inoltre
esclude da ogni responsabilità il costruttore.
Tensione d'ingresso: 1400 VDC+ACpicco
Precisione: ± 2%
Isolamento: 4000V.
Attenuazione: 200:1, 20:1.
Campo di frequenza: DC-25MHz
Tempo di salita: 14nS.
Impedenza: 3MΩ.
Connettore: BNC, cavo da 95 cm.
Sonde di corrente
Questo tipo di sonde permettono una misura diretta della corrente in un
circuito e possono essere utilizzate per misure di corrente alternata e
continua. Possiedono una pinza che avvolge il cavo attraverso il quale si
vuole misurare la corrente e utilizzano la tecnologia ad effetto Hall che gli permette una
buona risposta in frequenza. Con quella
rappresentata in figura è possibile effettuare
misure accurate di corrente in AC e DC da
5mA a 30A picco con una precisione di ±1%.
Campo di corrente: 20A DC / 30A
AC
Precisione: ± 1% ± 2mA
Isolamento: 3.7kV, 50Hz, 1min.
Sensibilità: 100mV/A
Campo di frequenza: DC-100kHz
Risoluzione: ±1mA
Impedenza: >100kΩ