Appunti + Esercitazioni di Laboratorio Misure elettriche

R

rampa determina la velocità di scansione: più ripida è la rampa, più veloce è la scansione. Durante il tempo di

discesa della rampa l’asse z è disabilitata (il display scorre solo da destra a sinistra non viceversa).

Nell’oscilloscopio analogico è presente anche:

- Generatore di rampa ritardato (base dei tempi B, ausiliaria)

Genera una rampa ritardata rispetto alla principale di un ritardo regolabile dal pannello frontale, agendo su un

potenziometro. Questo sistema confronta la rampa principale con un livello di tensione continua più piccolo di V R

(prelevo una tensione fra 0 e V tramite una resistenza). Quando la rampa

R

principale attraversa il livello stabilito il sistema genera un impulso che genera la

rampa ritardata. Essa va poi al sistema di deflessione orizzontale, attraverso un

interruttore che decide se mandare la rampa principale o quella ritardata. Questo

interruttore può funzionare anche in maniera alternata, assegnando una scansione

alla principale e una alla ritardata (con ALT). La rampa ritardata è utile per

espandere dettagli della forma d’onda. È sostituita nei digitali dal sistema di pre-

trigger, che permette di visualizzare la forma d’onda anche prima dell’istante di

trigger. Es: Suppongo di avere un’onda quadra, di cui voglio

osservare il fronte di salita: rallentando la base dei tempi

principale vedo una porzione più ampia ma non tutto il

fronte di salita se è troppo ripido. Si usa quindi il sistema

della rampa ritardata:

Si fa partire una rampa veloce dopo un certo tempo di ritardo dalla principale. Il ritardo è

T , dopo il quale parte la rampa ritardata che ha un tempo/div più piccolo della principale.

D

T è determinato dal livello Vx, con la seguente proporzione:

D

Vx : V = T : T , con T tempo di scansione della principale.

R D →

T = (Vx/V )T regolando il potenziometro (che determina Vx) determino il tempo di

D R

ritardo. Vx/V è detto moltiplicatore del tempo di ritardo, ed è il rapporto di partizione del

R

potenziometro, cioè un numero tra 0 e 1.

Quando viene sganciata la rampa ritardata l’asse z si intensifica: regolando T grazie a

D

questo meccanismo si riesce a capire quale porzione di onda viene espansa, perché si

intensifica la traccia là dove avviene l’espansione. Una volta regolato T , l’interruttore viene

D

regolato sulla base dei tempi ritardata e si vede l’onda espansa; oppure si commuta

alternativamente tra la principale e la ritardata per vederle entrambe.

Il meccanismo ha però delle debolezze: se ho un rapporto tra base dei tempi principale e ritardata troppo grande, il

sistema va in crisi perché quando il T è molto lento la pendenza della rampa principale è molto bassa rispetto a

quella ritardata e basta un po’ di rumore sovrapposto alla base principale, che questo rumore determina incertezza

nell’istante di attraversamento del livello Vx. Quest’incertezza si traduce in incertezza temporale, e se è comparabile

alla durata della rampa ritardata il segnale espanso si muove tantissimo. Se invece è piccola la porzione espansa

appare stabile. Questo si traduce in equazione così:

Il rumore è pescato dalla manopola di regolazione di Vx, che ha un range di 10 e una

precisione di 0.1.

Modalità XY

Il segnale orizzontale può essere diverso dalla rampa interna. Permette di

parametrizzare il segnale sull’asse verticale in funzione del segnale applicato

sull’asse orizzontale.

Es: segnali uguali: bisettrice 1° e 3°

Segnali uguali fase opposta: bisettrice 2° e 4°

Segnali sfasati generano cerchi ed ellissi ecc.

Hold-off (T )

HO

Regolando l’hold-off si può triggerare segnali periodici (periodo Ts) con più punti

di trigger possibili in quel periodo.

Es: immagino di avere un segnale periodico del genere

Se imposto livello e pendenza positiva ho tre punti di trigger possibili:

1, 2, 3

Nel caso A (massimo T ) la seconda scansione parte dal punto 6, che

HO

è un punto del segnale diverso dal punto 1: avrò una sovrapposizione.

Cosa simile nel caso C, dove ho il minimo T . Se regolo l’hold-off in

HO

modo che si esaurisca prima del punto 4 o poco prima del 3 (Casi B e

D) la rampa riparte nel punto giusto.

Nel caso di circuito sottosmorzato, il livello del trigger deve essere abbastanza alto

da essere superiore al secondo picco, ma anche più alto della campana in salita in

corrispondenza della commutazione negativa della forma d’onda:

Per commutazione negativa si intende che al generare

dell’onda quadra periodica, con periodo grande

rispetto al transitorio, nelle commutazioni alto-basso e basso-alto abbiamo un transitorio

che si esaurisce nel semiperiodo dell’onda quadra. Avrò una serie di commutazioni basso-

alto (con prima campata positiva) e alto-basso (con prima campata negativa). Sul display posso avere la sovrapposizione delle

due onde.

Misurazioni del Rise time

Gli oscilloscopi analogici hanno una risposta in frequenza e una risposta impulsiva che è approssimativamente una

Gaussiana, che è particolarmente simmetrica e non presenta discontinuità né sulla risposta né sulle sue derivate.

Il tempo di salita della risposta al gradino dal 10% al 90% è t = 0.340/B (posso trovare nei manuali anche 0.350 o

3

OX

0.400). Per i digitali è tipicamente 0.400. Se si applica in ingresso un gradino di

tensione con un certo tempo di salita non nullo sul display si vede un altro tempo

di salita che è il risultato della combinazione del tempo di salita del gradino

applicato e il tempo di risposta dell’oscilloscopio stesso (è un passa-basso).

Per misurare il tempo di salita effettivo si usa la formula

Oscilloscopio digitale

L’uso del tubo a raggi catodici per mostrare le forme d’onda implica severe limitazioni di banda per l’oscilloscopio

analogico. Quando veloci digitalizzatori diventarono disponibili, apparse negli anni 80 il primo oscilloscopio digitale. I

segnali di tensione in ingresso vengono campionati, convertiti da analogici a digitali, immagazzinati nella memoria,

ricostruiti in una forma d’onda da un microprocessore e mostrati sul display. Una volta che i campioni di forma

d’onda sono immagazzinati nella memoria, possono essere mostrati, stampati, processati, trasferiti in un’unità

remota. Possono essere effettuate misurazioni automatiche, è disponibile l’auto calibrazione e possono essere

applicati fattori di correzione numerici (ottenuti dall’auto calibrazione o dalla calibrazione) ai data di misurazione

grezzi. È disponibile il pretrigger (una porzione selezionabile dell’onda prima dell’istante di trigger può essere

acquisita e immagazzinata), opzione che nell’analogico era più o meno possibile tramite l’uso della doppia base dei

tempi. È possibile la simultanea acquisizione di segnali applicati ai canali (anche se con un possibile decremento della

frequenza di campionamento se il convertitore A/D è condiviso tra canali), senza il bisogno delle modalità di input

analogiche ALT e CHOP.

Update rate

Indica ogni quanto tempo il display si aggiorna e si tratta dell’unica limitazione dell’oscilloscopio digitale rispetto

all’analogico, anche se oggi i migliori oscilloscopi digitali hanno un update rate comparabile con quello degli

analogici.

Un oscilloscopio analogico di buona qualità:

- Impostazione della base dei tempi: 20ns/div --> per tutto il display: 200ns

- Minimo tempo di hold-off: 1µs

- Minimo tempo tra scansioni: 1.2µs --> 833333 scansioni al secondo

Un oscilloscopio digitale di buona qualità (anni 2000, con M la profondità della memoria e S i campioni):

- Frame rate: 500/s se M = 10000 S

- Frame rate: 10000/s se M = 500 S

Gli oscilloscopi digitali moderni, tramite la tecnica FastAcq della Tektronix hanno ad esempio un Frame rate di

250000/s se M = 1000 S.

Schema a blocchi di un oscilloscopio digitale a 2 canali

Parte iniziale analogica (attenuatori e amplificatori verticali). Amplificatore può attenuare di 10 o di 2. Comparatore

di trigger riceve segnale di sincronismo dal canale 1 o 2. L’oscillatore a cristallo genera la base dei tempi.

Flash A/D converter

Converte il segnale applicato in ingresso in un codice d’uscita confrontando il segnale in

ingresso tramite la divisione di un segnale di riferimento su un partitore resistivo. Il segnale in

ingresso deve stare perciò tra 0 e V . Inoltre, il più piccolo livello rivelabile da questo

REF

meccanismo è V /2^N, dove 2^N sono le R. I segnali in ingresso se sono grandi vanno

REF

attenuati, quindi ridotti in ampiezza, per essere portati tra 0 e VREF, o amplificati se troppo

piccoli, per non rimanere al di sotto del livello minimo e occupare la dinamica piena del

convertitore.

Il meccanismo è ben funzionante se tutte le R sono uguali, se ci sono disomogeneità perdo

linearità (Component Matching). Maggiore è il numero di bit, più è richiesto un component

matching stringente.

Con 8 bit ci sono 256 livelli, il segnale applicato in ingresso viene confrontato con questi livelli, l’uscita viene

memorizzata in un latch all’impulso di clock e poi trasferita a un decodificatore per avere gli 8 bit in uscita.

Generalmente quando si acquisisce una forma d’onda su un canale si ha una fc più elevata di quella che abbiamo

acquisendo più forme d’onda su più canali. Ipotizzando di avere 1 GS/s su un canale, 500MS/s per canale se ne

utilizzo due e 250 MS/s ciascuno se ne ho 4, la massima fc disponibile (1GS/s) viene suddivisa sui canali attivi; quindi,

se li attivo tutti e 4 si viaggia a 250 MS/s, se ne ho uno si può campionare a 1GS/s, se sono due a 500MS/s.

Questo perché ci sono 4 convertitori che

viaggiano a 250MS/s l’uno e lavorano

acquisendo a distanza di 1 ns dal precedente,

sfasando il clock di 1 ns su questi campionatori.

Se tutti e 4 lavorano sul canale 1 (caso A) la

matrice di interruttori è sempre sul canale 1,

così si ottengono 4 campioni sfasati di 1 ns

come se fossero stati acquisiti da un

campionatore che viaggia a 1GS/s, e si passa

poi all’acquisizione successiva. Se campiono 4

canali, il primo è assegnato al canale 1 e

acquisisce un campione ogni 4ns, il secondo è

sul canale 2 e così via, ognuno a 250MS/s. Questa tecnica prende il nome di campionamento sequenziale.

Per funzionare bene i sincronismi devono essere molto stretti.

Gli oscilloscopi a campionamento si differenziano in oscilloscopi a campionamento a tempo reale e a tempo

equivalente.

Campion