Come funziona l’Oscilloscopio

L’oscilloscopio è lo strumento di misura fondamentale per l’analisi dei segnali nel dominio del tempo. Vedremo in questa guida come funziona l’oscilloscopio.

Questo dispositivo, permette la visualizzazione di segnali su una scala graduata bidimensionale (reticolo) variabili nel tempo. Più in generale, ricorrendo all’uso di opportuni sensori (trasduttori) è comunque possibile adottare questo strumento per la visualizzazione dell’andamento temporale di qualsiasi grandezza fisica.

Il grafico rappresentato sullo schermo dell’oscilloscopio consente di effettuare misure e di fornire molteplici informazioni:

• Misurare l’ampiezza e il periodo di un segnale;
• Determinare indirettamente la frequenza di un segnale;
• Distinguere la componente DC e AC di un segnale;
• Localizzare avarie in un circuito;
• Misurare l’angolo di fase tra due segnali (sfasamento);
• Determinare quale parte del segnale è rumore e come varia nel tempo;
• Analizzare dei transitori del segnale.

Oscilloscopi analogici e digitali

Gli oscilloscopi si suddividono in 2 categorie: digitali ed analogici.

Nell’oscilloscopio analogico il segnale di ingresso, dopo un limitato condizionamento (amplificazione o attenuazione), viene direttamente inviato al sistema di visualizzazione. Nell’oscilloscopio digitale il segnale di ingresso dopo il condizionamento viene convertito nel dominio digitale con un processo di conversione analogico/digitale e solo successivamente viene visualizzato.

Un oscilloscopio digitale può essere di tipo DSO (Digital Storage Oscilloscope), DPO (Digital Phosphor Oscilloscope) o MSO (Mixed Signal Oscilloscope).

Funzionamento dell’oscilloscopio analogico

Un oscilloscopio analogico funziona applicando la tensione del segnale misurato direttamente all’asse di deflessione verticale di un fascio di elettroni. Il fascio di elettroni si sposta da sinistra a destra lungo il display dell’oscilloscopio, in genere un tubo a raggi catodici (CRT).

Schermo a raggi catodici (CRT)

La parte posteriore del display è ricoperta da fosfori che emettono energia luminosa quando vengono colpiti dagli elettroni.

La tensione del segnale deflette il fascio in su o in giù di una quantità proporzionale alla tensione stessa mentre esso si muove in orizzontale sul display, tracciando la forma d’onda.

Quanto più spesso il fascio colpisce un punto particolare del display, tanto maggiore è la luminosità di quel punto.

Il CRT limita la gamma di frequenze dei segnali visualizzabili da un oscilloscopio analogico.

A frequenze molto basse, il segnale appare come un punto luminoso che si sposta lentamente e che è quindi difficile individuare come forma d’onda. A frequenze elevate il limite è imposto dalla velocità di riscrittura del CRT. Gli oscilloscopi analogici più veloci possono visualizzare segnali sino a frequenze di circa 1 GHz. 

Visualizzazione della forma d’onda

Quando si collega la sonda di un oscilloscopio a un circuito, il segnale di tensione si propaga nella sonda fino al sistema di deflessione verticale dell’oscilloscopio.

La figura illustra come un oscilloscopio analogico visualizza un segnale misurato. A seconda di come si regola la scala verticale (comando Volts/div), la tensione del segnale viene ridotta da un attenuatore o aumentata da un amplificatore.

Successivamente il segnale si propaga alle placchette di deflessione verticale del CRT.

Il segnale misurato si propaga anche al sistema di trigger, usato per comandare la scansione orizzontale.

Quando si comanda il trigger, il sistema della base dei tempi causa lo spostamento del punto luminoso sullo schermo da sinistra a destra in un determinato intervallo. Numerose scansioni in rapida sequenza fanno sì che il movimento del punto luminoso sia percepito come una linea continua.

Insieme, le azioni di scansione orizzontale e di deflessione verticale tracciano un grafico del segnale sullo schermo.

Il trigger è necessario per stabilizzare un segnale periodico, in quanto assicura che la scansione cominci sempre allo stesso punto, in modo da ottenere un’immagine chiara e stabile.

Come funziona il Trigger negli Oscilloscopi

Come già detto, i comandi di trigger servono a stabilizzare forme d’onda periodiche o ad acquisire forme d’onda a evento singolo.

Il trigger sul fronte, disponibile sia negli oscilloscopi analogici sia in quelli digitali, è il tipo fondamentale e più comune di trigger.

Oltre al trigger sulla soglia, offerto da entrambi i tipi di oscilloscopio, molti tipi di oscilloscopi digitali offrono svariate impostazioni speciali di trigger, non disponibili negli strumenti analogici.

I comandi di trigger avanzati permettono di individuare eventi specifici allo scopo di ottimizzare la frequenza di campionamento e la lunghezza di registrazione dell’oscilloscopio.

Trigger su oscilloscopi digitali

In alcuni tipi di oscilloscopio, le funzioni avanzate di trigger ne consentono la regolazione con grande precisione; si può comandare il trigger su impulsi specificati dall’ampiezza, qualificati nel tempo (durata dell’impulso, glitch, slew rate, setup e hold, e time-out) oppure individuati da sequenze o stati logici (trigger logico).

Il comando di posizione orizzontale del trigger è disponibile solo sugli oscilloscopi digitali. Può essere situato nella sezione dei comandi orizzontali dell’oscilloscopio e rappresenta la posizione orizzontale del trigger nella registrazione della forma d’onda. 

Gli oscilloscopi digitali possono visualizzare il segnale di pre-trigger in quanto elaborano costantemente il segnale d’ingresso.

Gli oscilloscopi analogici, invece, si limitano a visualizzare il segnale, ossia a tracciarlo sullo schermo, una volta comandato il trigger. La visualizzazione di pretrigger non è quindi disponibile negli oscilloscopi analogici. 

Circuito di Trigger

I comandi di livello (Level) e pendenza (Slope) del trigger servono a regolarne i punti fondamentali e determinano come visualizzare la forma d’onda.

Il circuito di trigger funziona come un comparatore. A un ingresso del comparatore si selezionano il livello di tensione e la pendenza. Sull’altro ingresso del comparatore viene inviato il segnale che quando raggiunge i parametri impostati, invia il comando di trigger. 

Il comando Slope determina se il punto di trigger si trova sul fronte ascendente o discendente di un segnale.

Il comando Level determina il punto del fronte in corrispondenza del quale si presenta il trigger.

L’oscilloscopio non deve necessariamente attivare il circuito di trigger per avviare la scansione. Si possono impiegare sorgenti esterne per attivare il trigger.

Display oscilloscopio

Qualunque oscilloscopio presenta un display con una griglia costituita da 10 divisioni orizzontali e 8 divisioni verticali, ed ognuna di queste divisa a sua volta in 5 tacche.

Nelle divisioni orizzontali si parla di TIME/DIV (secondi per divisione) ed in quelle verticali di VOLTS/DIV (volt per divisione). Quindi conoscendo il valore di ogni divisione verticale e orizzontale possiamo eseguire misurazioni sul segnale visualizzato.

È evidente che non si potranno effettuare misure di elevata precisione, poiché la traccia ha un certo spessore, causato per effetto del rumore sovrapposto. Quindi questo strumento non è adatto per misure ad elevatissima precisone, ma ha il vantaggio di mostrare concretamente il segnale ed il suo andamento nel tempo e addirittura vedere se tale segnale presenta dei transitori.

Pannelli Comandi di un oscilloscopio

In genere la maggior parte degli oscilloscopi in commercio presentano lo stesso pannello dei comandi. Le sezioni principali di un oscilloscopio sono quelle dei comandi verticali, comandi orizzontali e di trigger.

Ma analizziamo nel dettagli tutte le sezioni che troviamo.

Sezione di Input

La sezione di input in genere presenta i seguenti connettori:

1. Connettori BNC per i segnali di input al canale 1 e 2
2. Connettore di massa
3. Connettore BNC per una sorgente esterna di Trigger

Sezione Display

Il display in un oscilloscopio digitale mostra le seguenti informazioni:

Sezione Verticale

Tutte le operazioni verticali influenzano la forma d’onda selezionata tramite i pulsanti CH1, CH2 (2), o MATH (3).

Manopola VOLT/DIV (4): consentono di modificare la scala verticale della forma d’onda associata a CH1 o CH2. Le variazioni sono “discrete”, ad esempio 1[V], 2[V], 5[V], 10[mV], 20[mV], 50[mV], ecc.

Manopola Position (1): regolano la posizione verticale delle forme d’onda. Quando la posizione verticale viene regolata, l’indicatore di posizione del canale (situato sul lato sinistro dello schermo) si sposterà.

Il tasto MATH attiva un menu dal quale possiamo selezionare le seguenti operazioni: CH1+CH2, CH1-CH2 or FFT (Fast Fourier Transform). Sarà possibile convertire un segnale dal dominio del tempo, nelle sue componenti di frequenza attraverso la funzione matematica FFT.

Impostazioni canale

Tramite i pulsanti CH1 e CH2 è possibile visualizzare i menu verticali dei canali o di attivare/disattivare la visualizzazione della traccia relativa a un canale.

1 – Accoppiamento dei canali

L’ accoppiamento del segnale di ingresso può essere di tre tipi AC / DC / GND.

Con AC scegliamo l’accoppiamento “alternato”, in questo modo tramite il condensatore eliminiamo eventuali componenti continue del segnale di ingresso.

Se invece volessimo il segnale così com’è, senza modificare alcuna delle componenti, bisognerà settare l’accoppiamento in DC.

Infine l’accoppiamento GND serve per inviare un segnale di riferimento nullo agli stadi a valle del nostro selettore.

Osserviamo che se il segnale non avesse la componente continua la scelta tra DC e AC sarebbe praticamente equivalente, come può accadere per una sinusoide. Mentre per un segnale che ha uno spettro molto più ricco della sinusoide, ad esempio un’onda quadra, l’accoppiamento in AC potrebbe deformare il segnale.

2 – Inversione

• Il comando Invert On/Off serve per “ribaltare” il segnale sullo schermo; in alcune occasioni è utile per valutare un ritardo di fase tra due segnali.

3 – Band Width Limit

Il comando Bw Limit On/Off (Band Width Limit) attiva o disattiva un filtro a banda passante di 20 MHz

4 – Probe

Probe 1/10/100 (Sonda) regola l’attenuazione della sonda a x1/x10/x100

5 – Impedence

L’oscilloscopio essendo un misuratore di tensione, ha un’impedenza d’ingresso molto elevata. Tipicamente è di tipo ohmico-capacitivo ed è formata dal parallelo di un resistore da 1MΩ e un condensatore dell’ordine della decina di picofarad.

Tuttavia gli oscilloscopi a più ampia banda passante (ordine del gigahertz, quindi utilizzabili per l’analisi di segnali RF), possono avere impedenza di ingresso regolabili. In quest’ultimo caso viene attivata una circuiteria per modificare l’impedenza di ingresso per motivi di adattamento alla linea.

Sezione Orizzontale

La manopola TIME/DIV (3), consente di modificare la scala orizzontale dell’asse dei tempi. Anche in questo caso le variazioni sono “discrete” e rispettano l’andamento 1–2.5–5 (con i rispettivi multipli e sottomultipli). La manopola Position (2), invece, regola la posizione orizzontale delle forme d’onda.

Una cosa da tener presente è che la base dei tempi è la stessa per entrambi i canali e dunque i due segnali devono essere isofrequenzali o avere comunque frequenze prossime tra loro, per essere analizzati contemporaneamente.

Sezione Trigger

Nel menu di trigger, possiamo scegliere tra quattro tipi di trigger Edge/Video/Pulse/Delay. Analizziamo più nel dettaglio il tipo Edge (Fronte) e le impostazioni che si possono modificare:

• Source (Sorgente): Seleziona la sorgente del trigger che può essere ricavata da CH1, CH2 o da un segnale External (esterno).
• Slope/Coupling (Pendenza/Accoppiamento): modifica la pendeza (fronte di salita o discesa) e l’accoppiamento (AC/DC) dell’evento di trigger.