l’Oscilloscopio (di Edoardo De Noni)

by / martedì, 07 luglio 2020 / Published in Collaboratori, Il blog, Lezioni On-line, Scuola

 

l’OSCILLOSCOPIO

 

Ricerca Edoardo De Noni

I.T.I.S.GIOVANNI XXIII – Classe 3° “D” – A.S.2019-20

Elettronica ed Elettrotecnica

07/07/2020

 

Indice dell’articolo:

  1. L’oscilloscopio analogico.
  2. – Schema a blocchi di un canale.
  3. – Funzionalità di base.
  4. – Principali misure.

 

Va precisato che questo strumento è complesso e questo articolo vuole darne una spiegazione semplice. Per una spiegazione dettagliata vedere altri articoli più specifici.

 

1. L’oscilloscopio analogico.

L’oscilloscopio analogico è uno strumento di misura che utilizza uno schermo formato da un tubo a raggi catodici per rappresentare i segnali elettrici in funzione del tempo (asse X o orizzontale) e la loro ampiezza (asse Y o asse verticale) su un piano bidimensionale, che possiamo pensare simile ad un piano cartesiano.

Questo piano bidimensionale è diviso in un reticolo composto da varie divisioni (i quadratini visti sullo schermo) e sotto divisioni. Ogni divisione è divisa in 5 sottodivisioni.

 

Immagine “reale” dello schermo dell’oscilloscopio preso ad esempio (il modello GOS-620 della insteck – che è un modello fuori produzione ma ancora utilizzato nel laboratorio di Elettronica).

 

-Funzionamento di un tubo catodico.

Il tubo catodico (CRT) è un tubo in vetro mantenuto a bassa pressione, un cannone elettronico emette fasci di elettroni verso lo schermo che ricoperto (nella parte interna) da fosfori, comincia ad emettere fluorescenza nei punti colpiti.

Per formare un immagine vengono usate delle placche di deflessione, sia in orizzontale che in verticale, che cambiano la rotta del fascio di elettroni. In questo modo riusciamo a “disegnare” la nostra immagine che sarà formata da piccoli punti uno dopo l’altro sulla stessa riga, per poi passare alla riga successiva finché non finisce di “disegnare” tutto lo schermo per poi ritornare al punto di partenza, diciamo che abbiamo eseguito un Frame. Per avere una visione fluida l’occhio umano richiede almeno 25 frame al secondo.

 

Un esempio di come lavora un tubo catodico

P.S. Da notare che qui i punti sono distanziati in verità sono uno accanto all’altro.

 

2 – Schema a blocchi di un Canale.

Prima di analizzare la parte “esterna” dell’oscilloscopio vediamo, in maniera funzionale, cosa troviamo al suo interno.

La funzione di un oscilloscopio come menzionato prima è di rappresentare su un reticolato, un segnale elettrico, cosi da visualizzarlo per poter effettuare le misure richieste.

A tal fine vediamo lo schema a blocchi dei circuiti al suo interno. Questi circuiti elettrici, opportunamente sincronizzati manipolano il segnale per rappresentarlo, su un display reticolato a tubi catodici nel miglior modo possibile. Ovviamente il secondo canale sarà analogo.

Per descrivere lo schema a blocchi immaginiamo due persone (deflessione orizzontale e verticale) con il compito di disegnare su un foglio, l’attenuatore d’ingresso e amplificatore verticale sono responsabili di quanto il braccio si deve spostare verso l’alto o in basso una linea proporzionale al segnale (ovviamente l’osservatore non riuscirà a decifrare il disegno se esso è troppo grande, da non entrare sul foglio o troppo piccolo, da non essere distinguibile).

Mentre l’amplificatore trigger, il circuito trigger, la base tempi e l’amplificatore orizzontale sono usati per gestire il movimento del foglio, più specificatamente i comandi per vedere tutto il disegno risultante.

Infine il circuito di Blanking è responsabile per la gestione dei ritorno del foglio nella posizione iniziale, staccando la matita dal foglio (vedere la parte soprastante “funzionamento di un tubo catodico”).

 

Lo schema è composto da:

  • ingresso del segnale da visualizzare (21)
  • eventuale ingresso del segnale di trigger esterno (13)
  • circuiti di regolazione dei livelli del segnale sia di ingresso che del trigger
  • manopole esterne per la regolazione dei livelli (16, 5, 14, 15, 9, 4, 8, 3, 2 )
  • generatore della base dei tempi
  • circuito del blanking
  • tubo catodico per la visualizzazione (CRT)

 

Dal punto 21 viene immesso il segnale da misurare nell’oscilloscopio (A).

Dopo le opportune elaborazioni il segnale viene applicato alle placche di deflessione verticale (B).

Il generatore del segnale di trigger produce un segnale a dente di sega (C) che viene applicato alle placche di deflessione orizzontale (D).

Gestendo al meglio tutto il sistema avremo la rappresentazione (E) sullo schermo.

  

Vediamo, in modo visivo, che cosa succede quando operiamo:

Nessun segnale applicato sulle placche di deflessione sinusoide in ingresso al punto (21) ma nessun segnale di trigger
Segnale di trigger (questo segnale è “interno” e non viene visualizzato) Segnale visibile sullo schermo
GIF
Gif animata per capire come si vede la sinusoide senza il segnale di trigger.

3 – Funzionalità di base.

Useremo come esempio un oscilloscopio analogico di marca INSTEK modello GOS-620.

-Analizziamo il pannello frontale evidenziando con un colore e numero gli elementi presenti suddividendoli per la loro funzionalità.

 

PANNELLO FRONTALE dell’OSCILLOSCOPIO GOS-620
 

clicca qui per aprire l’immagine in alta risoluzione

Blu: marca del produttore dell’oscilloscopio modello e valore massimo della frequenza misurabile.

Verde: comandi schermo e alimentazione.

Celeste: comandi orizzontali

Viola: comandi Trigger

Arancione: comandi verticali

– Rosso scuro: calibrazione

 

Blu: oscilloscopio INSTEK modello GOS-620 che misura fino alla frequenza di 20 MHerz.

Verde: comandi schermo e alimentazione.

  1. Pulsante d’accensione e led indicatore.
  2. Manopola per la messa a fuoco dello schermo.
  3. Manopola per regolare l’intensità o luminosità dello schermo.
  4. Manopola per regolare la posizione orizzontale dei segnali elettrici (CH1 e CH2) sullo schermo.
  5. Manopola per regolare la posizione verticale del segnale elettrico sullo schermo, collegato al canale 1.
  6. Manopola per regolare la posizione verticale del segnale elettrico sullo schermo, collegato al canale 2.
  7. Potenziometro per allineare all’asse X le linee orizzontali del reticolato.

 

Celeste: comandi orizzontali, timebase, ingrandimento per 10.

8. Pulsante Ingrandimento per 10 dello schermo.

9. Manopola del Time-base o TIME/DIV. Serve a impostare la base dei tempi per l’asse X (asse orizzontale). Partendo dal basso a sinistra notiamo tre diversi gruppi S cioè i secondi, mS i millisecondi e µS i microsecondi. Per ogni sezione troviamo inoltre dei numeri che rappresentano il valore per divisione assunto quando vengono selezionati. Nell’immagine si vede che la manopola è impostata su 0.2 millisecondi quindi ogni divisione sull’asse X vale 0.2 mS.

 

8. Pulsante Ingrandimento per 10 dello schermo.

 

9. Manopola del Time-base o TIME/DIV.

 

 

Esempio mediante Multisim:

Per far capire meglio la manopola TIME/DIV calcoliamo la frequenza di una sinusoide usando il display per misurare il periodo (Il periodo è il tempo in cui l’onda compie unoscillazione completa e torna alla condizione iniziale, in questo caso il tempo tra due valori massimi).

Onda che andremo a analizzare per calcolare la frequenza attraverso il periodo

Come scritto nel punto 9 le divisioni sull’asse X o orizzontale, varranno quanto selezionato sulla time-base, in questo caso la time-base vale 50 µS e le divisioni tra il punto massimo della prima semionda e la seconda sono 5

 

Quindi il periodo occupa 5 divisioni ognuna con il valore di 50 µS perciò esso varrà in totale 250 µS.

Sapendo questo applichiamo la formula F(frequenza)=1/T(periodo)→F=1/0,000250 →F=4000.

Quindi la frequenza sarà 4000Hz o 4kHz.

 

 

Viola: comandi Trigger.

 

Immaginiamo che il display del nostro oscilloscopio sia un fumetto che qualcuno ci stia cercando di leggere e illustrare.

Ad un certo punto il lettore comincia a leggere e sfogliare il fumetto cosi velocemente che perdiamo il senso del discorso, quindi gli diciamo di rallentare e quando voltare la pagina. In un oscilloscopio, a volte, i segnali elettrici sono troppo veloci per vederli; quindi con il trigger andiamo ad impostare quando il monitor deve “voltar pagina” o fermarsi cosi da vedere un immagine catturata sempre visibile e decifrabile.

 

10. Source:

– CH1: è il canale 1 che viene utilizzato come trigger per il sistema

– CH2: è il canale 2 che viene utilizzato come trigger per il sistema

– LINE: l’oscilloscopio si innesca sull’ingresso di potenza o sulla forma d’onda della tensione di linea. Questa forma di attivazione è stata utile per rilevare problemi associati alla linea elettrica.

– EXT: viene utilizzato come segnale di trigger un segnale esterno (che viene immesso attraverso un connettore BNC).

11. Mode:

– AUTO: modalità automatica del trigger, trascorso un certo periodo di tempo dall’ultimo comando, la traccia parte senza sincronizzazione.

– NORM: modalità normale che in assenza di trigger fa restare lo schermo nero.

– TV-V: quando si vuole vedere delle forme d’onda composite in questa modalità vengono selezionati gli impulsi verticali.

– TV-H: quando si vuole vedere delle forme d’onda composite in questa modalità vengono selezionati gli impulsi orizzontali.

12. TRIG. ALT:

– il trigger viene alternativamente preso tra il canale 1 ed il canale 2

13. Entrata BNC Trigger EXT:

TRIG IN: connettore BNC per l’entrata del segnale di trigger esterno

14. Slope:

Selettore per la scelta del fronte del segnale di trigger (salita “+” o discesa “-“)

15. Value:

+ il valore iniziale per il segnale di trigger viene aumentato, sul fronte fissato.

– il valore iniziale per il segnale di trigger viene diminuito, sul fronte fissato.

 

10. Source:

 

11. Mode:

 

12. TRIG. ALT:

 

13. Entrata BNC Trigger EXT:

 

14. Slope: selezione fronte

 

15. Level selezione valore

 

Esempio:

Per capire alcune funzioni del trigger riportiamo varie fotografie dello schermo scattate in diverse modalità.

Immagine di due sinusoidi con il livello del segnale di trigger errato.

Immagine di due sinusoidi con il livello del segnale di trigger corretto.

Immagine con la funzione trigger attiva sul fronte di salita del segnale

Immagine con la funzione trigger attiva sul fronte di discesa del segnale

 

Arancione: comandi verticali: controlli per i canali di entrata, selezione della modalità di visualizzazione dei canali, selezione del re-fresh dello schermo, entrate dei canali per i segnali elettrici, e connettore ground.

 

16. Manopola del Volt-base o VOLT/DIV per il canale 1 (CH1). Serve a impostare la base delle ampiezze per l’asse Y (asse verticale). Partendo dal basso a sinistra notiamo due diversi gruppi V cioè i Volt, e i mV i millesimi di Volt. Per ogni sezione troviamo inoltre dei numeri che rappresentano il valore per divisione assunto quando vengono selezionati. Nell’immagine si vede che la manopola è impostata su 10 milli Volt quindi ogni divisione sull’asse Y vale 0.01 Volt.

17. Manopola del Volt-base o VOLT/DIV per il canale 2 (CH2). Serve a impostare la base delle ampiezze per l’asse Y (asse verticale). Partendo dal basso a sinistra notiamo due diversi gruppi V cioè i Volt, e i mV i millesimi di Volt. Per ogni sezione troviamo inoltre dei numeri che rappresentano il valore per divisione assunto quando vengono selezionati. Nell’immagine si vede che la manopola è impostata su 10 milli Volt quindi ogni divisione sull’asse Y vale 0.01 Volt.

 

Esempio mediante Multisim:

Per far capire meglio come si misura l’ampiezza attraverso la manopola di Volt-base calcoliamola attraverso il display dell’oscilloscopio.

Come si vede le divisioni sull’asse Y o verticale valgono 1V per divisione, visto che ci sono 2 divisioni tra il punto massimo della semi onda e il punto “medio” l’ampiezza si calcola moltiplicando il numero di divisioni per l’unita di misura applicata quindi: 2 (N.divisioni) per 1(Volt-base)= 2 Volt.→2*1=2V.

Analogamente se vogliamo calcolare la tensione o ampiezza negativa, la volt-base è 1V per divisione e misurate 2 divisioni dal valore “medio” al punto minimo della semi onda l’ampiezza (negativa) è -2V.

Forma d’onda visualizzata sullo schermo per calcolarne l’ampiezza

Analisi della sinusoide

Confronto con dati simulati e dati analizzati

 

18. Selettore AC-DC-GND ingresso 1:

19. Selettore AC-DC-GND ingresso 2:

-Questi selettori servono per immettere la grandezza voluta del segnale di ingresso da analizzare (ognuno ovviamente si riferisce al proprio ingresso)

  • Modalità “AC” il segnale in ingresso sarà filtrato per far passare il segnale alternato mentre bloccherà ogni segnale DC.
  • Modalità “DC” il segnale in ingresso non verrà filtrato.
  • Modalità GND il selettore andrà direttamente a massa.

20. Pulsante ALT-CHOP, Selettore MODE, Pulsante CH2 INV

  • ALT-CHOP:

-ALT: In caso vengano messi due segnali essi verranno “aggiornati” sullo schermo in tempi diversi ma alternati.

-CHOP: In caso vengano messi due segnali essi verranno “aggiornati” sullo schermo in tempi diversi.

  • MODE:

– CH1: Visualizza sullo schermo canale 1.

– CH2: Visualizza sullo schermo canale 2.

– DUAL: Visualizza sullo schermo canale 1 e 2 contemporaneamente.

– ADD: Visualizza sullo schermo l’addizione (algebrica) dei due segnali in ingresso, se si preme il pulsante CH2 INV viene visualizzata la differenza (algebrica) tra i due segnali.

  • CH2 INV:

Tasto che inverte la fase del segnale del secondo canale (CH2)

 

21. INGRESSI CANALI 1-2 e GROUND (MASSA).

21a – connettore BNC per il canale CH1

21b – connettore BNC per il canale CH2

21c – connettore per la massa

 

I primi due connettori presentano una parte resistiva che vale 1MΩ, è il valore della resistenza di ingresso, mentre la parte capacitiva vale 15pF, è il valore della la capacita di ingresso dell’oscilloscopio.

In basso troviamo la segnalazione del pericolo quando se l’ingresso supera i 300 Vpk cioè 300 Volt picco-picco o 600 V al massimo. Il grado di sicurezza dello strumento è CATII.

Il terzo connettore viene utilizzato per collegare ad una massa comune lo strumento ed il circuito.

 

16. Manopola del Volt-base o VOLT/DIV per il canale 1 (CH1)

17. Manopola del Volt-base o VOLT/DIV per il canale 2 (CH2).

18. Selettore AC-DC-GND ingresso 1:

19. Selettore AC-DC-GND ingresso 2:

20. Pulsante ALT-CHOP, Selettore MODE, Pulsante CH2 INV

21a. Connettore BNC CH1.

21b. Connettore BNC CH2.

21c. Connettore per la MASSA.

 

ROSSO SCURO: calibrazione

 

22. CALIBRAZIONE SONDA:

– Connettore per la calibrazione del segnale (argomento trattato in un prossimo articolo).

 

23. CALIBRAZIONE.

– Potenziometro (per CH1 o CH2) usato per la regolazione dell’attenuatore interno per ottenere la calibrazione del canale.

 

4- Principali Misure.

Riportiamo a titolo di esempio le principali misure che possiamo eseguire con l’oscilloscopio (come eseguire le misure sarà spiegato in un successivo articolo):

Misure Preliminari:

  • Preparazione generale dello strumento
  • Calibrazione

Misure in Continua:

  • Tensione
  • Tempo di carica/scarica di un Condensatore

Misure in Alternata con un solo segnale:

  • Ampiezza
  • Tempo
  • Frequenza

Misure in Alternata con due segnali:

  • Sfasamento

Ovviamente alcune di queste misure sono possibili sono in “circostante mirate”. Ad esempio le misure a frequenze bassissime (1-2 Herz) sono di lettura molto complicata.

Va precisato che la maggior parte sono misure dirette, mentre alcune sono indirette (dobbiamo utilizzare una formula per arrivare al risultato).

  

Per finire riportiamo una misura …. tutta da scoprire

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