Misure Elettroniche - Appunti Teoria 2

E’

misurazioni. Dato che il risultato di ogni misurazione è espresso in forma numerica, si possono

eseguire su di esso ulteriori elaborazioni, utilizzando ad esempio un host computer al quale lo

strumento può essere collegato.

8.2 Blocchi fondamentali di uno strumento numerico

Nella maggior parte degli attuali strumenti numerici, oltre a blocchi dipendenti dal tipo di

strumento considerato e alla grandezza che si vuole misurare, è presente una struttura comune

come in fig. 8.1: Fig. 8.1: modello a blocchi di uno strumento di misura numerico.

67 consiste nell’ amplificare o attenuare

La principale funzione del blocco di condizionamento

il segnale analogico in modo che il successivo blocco di conversione possa eseguire la

trasformazione AD da una grandezza analogica ad una numerica nelle migliori condizioni l’

possibili; il blocco di condizionamento esegue anche un filtraggio passa basso per evitare

insorgere del fenomeno di aliasing nella successiva conversione.

I valori numerici forniti dal blocco AD sono poi conservati nella cosiddetta memoria di

acquisizione: tali valori possono essere sottoposti a successive elaborazioni.

8.3 Struttura generale di un oscilloscopio numerico

Lo strumento che permette di visualizzare un segnale nel dominio del tempo è detto

oscilloscopio. Poiché la capacità di memoria disponibile è finita, lo strumento può memorizzare

e quindi visualizzare solo porzioni di durata limitata del segnale. La scelta del segmento da

memorizzare è eseguita grazie ad un segnale di trigger. Alcuni strumenti numerici sono costituiti

da tre blocchi, come in fig. 8.1.

L’ oscilloscopio digitale invece contiene, oltre ai tre succitati blocchi, sia una capacità

elaborativa di prestazioni più o meno sofisticate, sia un blocco di visualizzazione. Si ha cioè una

struttura capace di esaminare autonomamente l’ andamento temporale di un segnale, fig.8.2.

. 68

Fig. 8.2: schema a blocchi di un oscilloscopio digitale.

La memoria di acquisizione è un elemento di separazione tra due diverse architetture: a

monte di tale blocco si ha un ‘ architettura di tipo serie, a valle è adottata una architettura di

la cui gestione è affidata ad un’ unità centrale.

tipo parallelo,

Con strutture digitali e algoritmi elaborativi si ottengono prestazioni non raggiungibili

con un’ usuale struttura analogica; il raggiungimento di tali prestazioni però richiede che siano

soddisfatte determinate condizioni, altrimenti i risultati ottenuti sono privi di significato.

Poiché generalmente l’ oscilloscopio numerico non è in grado di verificare se le condizioni

richieste per un corretto funzionamento sono soddisfatte, la garanzia della correttezza del

risultato è di competenza dell’ operatore. Anche se uno strumento digitale permette di

ottenere prestazioni notevolmente superiori a quelle del corrispondente strumento analogico

un’ ottima conoscenza delle sue modalità

per evitare errori anche grossolani è richiesta

di funzionamento e di utilizzazione.

Nello schema a blocchi di fig. 8.2, si deve necessariamente riconoscere il giusto peso

al blocco di I/O, grazie al quale è possibile realizzare collegamenti con altri dispositivi. Il caso

d’uso più comune è quello che vede l’ I/O collegato ad un host computer per il trasferimento di

informazioni acquisite ed elaborate dallo strumento.

69 In ogni oscilloscopio digitale, il blocco AD è di fondamentale importanza: parecchi sono gli

sforzi fatti dal costruttore per migliorare le sue prestazioni, soprattutto in termini di frequenza di

campionamento. L’ AD campiona il segnale analogico d’ ingresso e quantizza i campioni

ottenuti: la seconda attività è necessaria per rappresentare su un registro di memoria il valore

numerico del campione acquisito con un numero finito di bit.

Come da fig. 8.2, il comando per il blocco di conversione è fornito da un segnale periodico

(clock) la cui frequenza può essere molto elevata (centinaia di MHz o anche decine di GHz).

I valori numerici così ottenuti vengono tipicamente depositati nella memoria di conversione,

la cui gestione generale si basa su un comando dipendente dalle modalità di funzionamento

ricavato da un segnale d’ ingresso. Tale comando (trigger)

complessivo e usualmente si ottiene

fissando un livello e una pendenza: ogni volta che il segnale di ingresso assume quel livello con

la data pendenza si genera un impulso di trigger.

8.4 La memoria di acquisizione

che i valori numerici forniti dall’ AD sono depositati in successione nella

Si supponga

memoria di acquisizione. Il periodo di campionamento è costante e quindi si può risalire

al legame temporale tra i campioni allocati a partire dalla posizione occupata nella

memoria di acquisizione. Essa può essere vista come un buffer circolare di capacità N.

Una volta riempita la memoria con N campioni, l’ (N+1) – simo campione viene memorizzato

nella posizione occupata dal primo, che si perde. Quindi alla fine di ogni ciclo, nella memoria

sono sempre presenti gli ultimi N campioni.

Il segnale di trigger influisce sulla memorizzazione con modalità scelte dall’ operatore

in base all’ indagine da effettuare. Per illustrare alcune di queste modalità, si suppone che

all’ ingresso dell’ oscilloscopio sia applicato un segnale analogico con andamento temporale 70

illustrato in fig. 8.3:

Fig. 8.3: variazione temporale di un segnale in ingresso all’ oscilloscopio.

istante

Si supponga che all’ nel quale si verifica un evento di trigger, nella memoria sono

già conservati gli ultimi N campioni acquisiti in precedenza. L’ oscilloscopio può essere

predisposto in modo che la memorizzazione si arresti dopo M campioni dall’ istante in cui si è

verificato il trigger. Il blocco di conversione è in funzione continuamente e quindi i campioni

successivi all’ M – simo vanno persi. All’ arresto della memorizzazione in memoria in totale

sono conservati sempre N campioni allocati rispetto al segnale di trigger in base al valore di M

con cui lo strumento è stato predisposto.

La durata temporale del segmento di segnale conservato in memoria rispetto all’ evento di

trigger dipende dalla frequenza di campionamento, dalla capacità complessiva della memoria,

dal valore di M scelto dall’ operatore.

71 Fig. 8.4: esempio di acquisizione dati di un oscillatore digitale.

Se M=0, il trigger blocca la memorizzazione e gli N campioni presenti in memoria sono tutti

relativi ad una porzione di segnale che precede il trigger.

M=N , gli N campioni sono tuti successivi all’ evento di trigger.

Se –

In fig. 8.3, appartiene al passato la porzione costituita da: (N - M) campioni (pre trigger);

la restante porzione costituita da M campioni appartiene al futuro (post-trigger).

Negli oscilloscopi recenti M può assumere un qualsiasi intero compreso tra 0 e un massimo

valori di M negativi dato che l’ arresto della

(anche maggiore di N). Non ha senso considerare

Memorizzazione non avviene prima del trigger. Invece è possibile fissare M N, fissando così

il ritardo (anche elevato) tra l’ evento di trigger e il segmento di segnale che si desidera

analizzare.

8.5 Campionamento in tempo reale –

Il modo più semplice di organizzare la conversione AD prende il nome di one shot. 72

Usando un segnale di clock periodico di frequenza si procede al campionamento del segnale

d’ ingresso depositando in sequenza nel buffer di acquisizione i campioni numerici ottenuti.

L’ operatore sceglie le modalità sulle quali l’ evento di trigger agisce. Quando la

memorizzazione viene arrestata in memoria ci sono N campioni ottenuti da una porzione di

segnale di ingresso di durata: N .

Le frequenze di campionamento negli AD attuali complicano la realizzazione del blocco di

conversione, ma anche di quello di memorizzazione. Ad esempio campionando con

si ha a disposizione per la conversione e per la memorizzazione di ogni dato solo un

nanosecondo. Per ottenere prestazioni di velocità così elevata, si ricorre ad architetture in

parallelo: del resto l’ aumento delle prestazioni è accompagnato da strutture complesse e

costose.

8.6 campionamento in tempo equivalente all’ interno dell’ intervallo di

Assegnato un segnale ripetitivo, caratterizzato dal fatto che

osservazione è possibile individuare un segmento di segnale che si ripresenta più volte, fig. 8.5,

l’ uguaglianza delle diverse sue porzioni può sfruttarsi per ricostruire l’ andamento nel tempo

delle stesse usando i campioni prelevati in ripetizioni successive.

–

Fig. 8.5: esempio di segnale ripetitivo solo le porzioni

di durata D ripropongono lo stesso andamento temporale

73

Il campionamento in tempo equivalente ha senso se la massima frequenza di campionamento

e se la banda passante dell’ oscilloscopio è non inferiore

non rispetta il criterio di Nyquist

alla massima frequenza contenuta dal segnale. Inoltre si deve essere in grado di selezionare

le porzioni di segnale e avere la garanzia che siano effettivamente delle repliche.

Ci sono due differenti modalità di campionamento, il campionamento tempo equivalente

sincrono (per gli oscilloscopi digitali) e il campionamento tempo equivalente asincrono (per gli

oscilloscopi digitali). Si supponga di voler lavorare col campionamento tempo equivalente

asincrono ossia con un oscilloscopio numerico.

Se T non è noto, si associa al campione acquisito il suo ritardo rispetto al precedente evento

di trigger. Il ritardo si traduce nella diversa allocazione dei campioni nelle celle di memoria.

Il segnale di ingresso viene campionato a frequenza costante , indipendentemente dal trigger;

gli impulsi di trigger si ripetono in modo asincrono (o casuale) rispetto agli istanti di

campionamento.

Tra due impulsi di trigger viene prelevato un numero piccolo di campioni, in genere del tutto

per una adeguata ricostruzione della forma d’ onda in esame. Quindi è necessario

insufficiente

coinvolgere nell’ analisi insiemi di campioni ottenuti da diversi periodi del segnale.

In pratica, dato il periodo noto di campionamento, per conoscere il legame temporale tra ogni

impulso di trigger e il corrispondente insieme di campioni acquisiti, bisogna misurare il ritardo

esistente tra ogni impulso e il campione successivo.

La risoluzione temporale con la quale si determina il succitato ritardo dipende anche dalla

porzione di segnale da analizzare e dai campioni usati per rappresentare tale segmento.

Per trovare le principali relazioni tra i diversi parametri usati nel campionamento asincrono, si

supponga di volere analizzare una porzione di segnale di durata con N