Concetti fondamentali sull'oscilloscopio

1. Concetti fondamentali sull'oscilloscopio Per studenti universitari di Ingegneria elettronica e Fisica

2. Agenda • Che cosa è un oscilloscopio? • Concetti di base sulle sonde (modello a bassa frequenza) • Effettuazione di misurazioni relative a tensione e andamento temporale • Definizione della scala appropriata per le forme d'onda sullo schermo • Informazioni sulla creazione di trigger per l'oscilloscopio • Teoria del funzionamento dell'oscilloscopio e specifiche relative alle prestazioni • Ulteriori informazioni sulle sonde (modello dinamico/CA ed effetti del caricamento) • Utilizzo della Guida di laboratorio/esercitazioni su DSOXEDK • Risorse tecniche aggiuntive

3. Che cosa è un oscilloscopio? • Gli oscilloscopi convertono segnali elettrici in ingresso in una traccia visibile su uno schermo, ovvero convertono l'elettricità in luce. • Gli oscilloscopi creano in modo dinamico grafici di segnali elettrici variabili nel tempo a due dimensioni, in genere tensione/tempo. • Gli oscilloscopi vengono utilizzati da ingegneri e tecnici per testare, verificare e risolvere problemi di progetti elettronici. • Gli oscilloscopi costituiranno lo strumento principale che verrà utilizzato nelle esercitazioni di Ingegneria elettronica o Fisica per testare gli esperimenti assegnati. o·scil·lo·scopio

4. Terminologia Oscilloscopio – Terminologia di uso più frequente DSO – (Digital Storage Oscilloscope Oscilloscopio digitale Oscilloscopio a digitalizzazione Oscilloscopio analogico – Oscilloscopio basato su tecnologia meno recente, ma ancora in uso. CRO – (Cathode Ray Oscilloscope) Oscilloscopio a raggi catodici. Benché la maggior parte degli oscilloscopi non utilizzi più tubi a raggi catodici per la visualizzazione di forme d'onda, tale definizione è ancora in uso in Australia e Nuova Zelanda. Oscilloscopio MSO – (Mixed Signal Oscilloscope) Oscilloscopio a segnali misti (include canali dell'analizzatore logico di acquisizione)

5. Concetti di base sulle sonde • Le sonde vengono utilizzate per trasferire il segnale dal dispositivo sottoposto a test agli ingressi BNC dell'oscilloscopio. • Sono disponibili molti tipi diversi di sonde, utilizzate per scopi diversi e specifici (applicazioni ad alta frequenza, applicazioni ad alta tensione, corrente, e così via). • Il tipo di sonda utilizzato più spesso è chiamato “Sonda passiva con attenuazione di tensione 10:1”.

6. Sonda passiva con attenuazione di tensione 10:1 Passiva: non include alcun elemento attivo, ad esempio transistor o amplificatori. 10 a 1: riduce l'ampiezza del segnale trasmesso all'ingresso BNC dell'oscilloscopio di un fattore pari a 10. Incrementa inoltre di 10 volte l'impedenza di ingresso. Nota: tutte le misurazione devono essere effettuate relativamente al punto di terra! Modello di sonda passiva 10:1

7. Modello a bassa frequenza/CC • Modello a bassa frequenza/CC: si semplifica in un resistore da 9 MΩ in serie con la terminazione in ingresso da 1 MΩ dell'oscilloscopio. • Fattori di attenuazione della sonda: • Alcuni oscilloscopi, ad esempio quelli appartenenti alla Serie 3000 X di Agilent, rilevano automaticamente le sonde 10:1 e regolano tutte le impostazioni verticali e le misurazioni di tensione relativamente al puntale della sonda. • Alcuni oscilloscopi, ad esempio quelli appartenenti alla serie 2000 X di Agilent, necessitano dell'immissione manuale di un fattore di attenuazione di una sonda 10:1. • Modello dinamico/CA: illustrato più avanti e durante l'Esercitazione n.5. Modello di sonda passiva 10:1

8. Informazioni sul display dell'oscilloscopio Verticale = 1 V/div Orizzontale = 1 µs/div • Area di visualizzazione della forma d'onda con griglia (o divisioni). • Spaziatura verticale della griglia relativamente all'impostazione Volt/divisione. • Spaziatura orizzontale della griglia relativamente all'impostazione sec/divisione. 1 Div 1 Div Volt Tempo

9. Misurazioni in base a valutazione visiva Tecnica di misurazione più comune • Periodo (T) = 4 divisioni x 1 µs/div = 4 µs, Freq = 1/T = 250 kHz. • V p-p = 6 divisioni x 1 V/div = 6 V p-p • V max = +4 divisioni x 1 V/div = +4 V, V min = ? Verticale = 1 V/div Orizzontale = 1 µs/div V max V p-p Indicazione del livello di terra (0,0 V) Periodo

10. Misurazioni mediante i cursori • Posizionare manualmente i cursori X e Y in corrispondenza dei punti di misurazione desiderati. • L'oscilloscopio esegue automaticamente la moltiplicazione per i fattori di scala verticali e orizzontali, in modo da fornire misurazioni assolute e delta. Cursore Y2 Controlli dei cursori Cursore X1 Cursore X2 Lettura diΔ Cursore Y1 Lettura di V e T assoluti

11. Misurazioni tramite le misurazioni parametriche automatiche dell'oscilloscopio • Selezionare fino a un massimo di 4 misurazioni parametriche automatiche con lettura aggiornata in modo continuativo. Lettura

12. Controlli di impostazione principali dell'oscilloscopio Scala orizzontale (s/div) Livello di trigger Posizione orizzontale Scala verticale (V/div) Posizione verticale Connettori BNC di ingresso Oscilloscopio Agilent InfiniiVision serie 2000 e 3000 X

13. Definizione della scala appropriata per la forma d'onda Condizione di impostazione iniziale (esempio) Condizione di impostazione ottimale • Regolare la manopola V/div fino a riempire verticalmente la maggior parte della schermata con la forma d'onda. • Regolare la manopola verticale Posizion (Posizione) fino a centrare verticalmente la forma d'onda. • Regolare la manopola s/div fino a visualizzare orizzontalmente solo alcuni cicli. • Regolare la manopola Trigger Level (Livello di trigger) fino a ottenere il livello impostato vicino alla metà verticale della forma d'onda. - Troppi cicli visualizzati. - Scala dell'ampiezza troppo bassa. Livello di trigger L'impostazionedella scala della forma d'onda è un processo iterativo di regolazione del pannello di controllo fino a ottenere la visualizzazione sullo schermo della “immagine” desiderata.

14. Informazioni sui trigger dell'oscilloscopio I trigger sono spesso la funzionalità di più difficile comprensione di un oscilloscopio, ma sono una delle funzionalità più importanti da comprendere. • I “trigger” dell'oscilloscopio sono analoghi allo “scatto sincronizzato di fotografie”. • Una “fotografia” di una forma d'onda è costituita da molti campioni digitalizzati consecutivi. • Lo “scatto delle fotografie” deve essere sincronizzato su un punto univoco sulla forma d'onda che si ripete. • La maggior parte dei trigger dell'oscilloscopio è basata sulla sincronizzazione delle acquisizioni (scatto delle fotografie) su un fronte di salita o di discesa di un segnale a un livello specifico di tensione. Una corsa di cavalli al fotofinish è analoga ai trigger dell'oscilloscopio

15. Esempi di trigger Livello di trigger impostato sopra la forma d'onda • Posizione di default del trigger (tempo zero) su Oscilloscopi a memoria digitale = centro dello schermo (orizzontalmente) • Unica posizione di trigger su oscilloscopi analogici meno recenti = lato sinistro dello schermo Punto di trigger Punto di trigger Senza trigger (scatto di fotografie non sincronizzato) Trigger = Fronte di salita @ 0,0 V Tempo negativo Tempo positivo Trigger = Fronte di discesa @ +2,0 V

16. Trigger avanzati dell'oscilloscopio • La maggior parte dei vostri esperimenti di laboratorio universitari sarà basata sull'utilizzo di “edge” trigger standard • L'uso dei trigger su segnali più complessi necessita di opzioni di trigger avanzate. Esempio: trigger su un bus seriale I2C

17. Teoria del funzionamento dell'oscilloscopio Giallo = Blocchi specifici del canale Blu = Blocchi di sistema (supporta tutti i canali) Diagramma a blocchi dell'oscilloscopio a memoria digitale

18. Specifiche relative alle prestazioni dell'oscilloscopio La “larghezza di banda” è la specifica più importante dell'oscilloscopio • Tutti gli oscilloscopi presentano una risposta in frequenza a passa basso. • La frequenza in cui un'onda sinusoidale in ingresso viene attenuata di 3 dB definisce la larghezza di banda dell'oscilloscopio. • -3 dB equivale a un errore di ampiezza pari a ~ -30% (-3 dB = 20 Log ). Risposta in frequenza “gaussiana” dell'oscilloscopio

19. Selezione della larghezza di banda corretta Ingresso = Clock digitale 100-MHz • Larghezza di banda necessaria per applicazioni analogiche: ≥ 3X la frequenza di onda sinusoidale più alta. • Larghezza di banda necessaria per applicazioni digitali: ≥ 5X la frequenza di clock digitale più alta. • Determinazione più precisa della larghezza di banda basata sulle velocità del fronte del segnale (vedere la nota relativa all'applicazione “Larghezza di banda” riportata alla fine della presentazione) Risposta tramite un oscilloscopio con larghezza di banda di 100-MHz Risposta tramite un oscilloscopio con larghezza di banda di 500-MHz

20. Altre specifiche importanti dell'oscilloscopio • Frequenza di campionamento(in campioni/sec) – Dovrebbe essere pari a ≥ 4X la larghezza di banda • Profondità di memoria – Determina le forme d'onda più lunghe che possono essere acquisite quando è ancora in corso il campionamento alla frequenza massima di campionamento dell'oscilloscopio. • Numero di canali– Sono in genere disponibili 2 o 4 canali. I modelli di oscilloscopio a segnali misti aggiungono tra gli 8 e i 32 canali di acquisizione digitale, con risoluzione a 1 bit (alta o bassa). • Velocità di aggiornamento della forma d'onda – Maggiori velocità di aggiornamento incrementano la probabilità di acquisire problemi sporadici del circuito. • Qualità del display – Dimensione, risoluzione, numero di livelli di gradazione di intensità. • Modalità di trigger avanzate – Larghezze di impulso con qualificatore temporale, Pattern, Video, Serial (Seriale), Pulse Violation (Violazione dell'impulso, ovvero velocità del fronte, tempo di impostazione/ritenuta, anomalie), e così via.

21. Ulteriori informazioni sulle sonde - Modello di sonda dinamico/CA • Coscilloscopio e Ccavo sono capacitanze inerenti/parrassitiche (non previste intenzionalmente nella progettazione) • Cpuntale e Ccompensazione sono state previste intenzionalmente nella progettazione, in modo da compensare per Coscilloscopio e Ccavo. • Con una compensazione delle sonde regolata in modo appropriato, l'attenuazione dinamica/CA dovuta alle reattanze capacitative dipendenti dalla frequenza dovrebbero corrispondere all'attenuazione dell'attenuatore di tensione resistivo previsto nella progettazione (10:1). Modello di sonda passiva 10:1 Dove Cparallela è la combinazione parallela di Ccompensazione + Ccavo + Coscilloscopio

22. Compensazione delle sonde • Collegare le sonde Channel-1 (Canale-1) e Channel-2 (Canale-2) al terminale “Probe Comp” (Comp. sonda), uguale a Demo 2. • Regolare le manopole V/div e s/div, in modo da visualizzare entrambe le forme d'onda sullo schermo. • Utilizzando un piccolo cacciavite piatto, regolare il condensatore a compensazione variabile della sonda (Ccomp) su entrambe le sonde per una risposta piatta (quadra). Compensazione corretta Channel-1 (Canale-1) (giallo) = Sovracompensato Channel-2 (Canale-2) (verde) = Sottocompensato

23. Caricamento delle sonde • Il modello di ingresso di sonde e oscilloscopio può essere semplificato fino a un singolo resistore e condensatore. • Qualsiasi strumento, non solo gli oscilloscopi, collegato a un circuito diventa parte del circuito sottoposto a test e influirà sui risultati misurati, in particolare a frequenze più elevate. • Nel “caricamento” sono impliciti gli effetti negativi che la sonda/l'oscilloscopio potrebbe avere sulle prestazioni del circuito. CCaricamento RCaricamento Modello di caricamento di sonda + oscilloscopio

24. Assegnazione • Supponendo che Coscilloscopio = 15pF, Ccavo = 100pF e Cpuntale = 15pF, calcolare Ccompensazione se regolato correttamente. Ccompensazione = ______ • Utilizzando il valore calcolato di Ccompensazione, calcolare CCaricamento. CCaricamento = ______ • Utilizzando il valore calcolato di CCaricamento, calcolare la reattanza capacitiva di CCaricamento a 500 MHz. XC-Caricamento = ______ C caricamento = ?

25. Utilizzo della Guida di laboratorio/esercitazioni sull'oscilloscopio • Compito a casa – Leggere le sezioni seguenti prima della vostra 1°sessione di laboratorio sull'oscilloscopio: • Sezione 1 – Operazioni preliminari • Utilizzo delle sonde dell’oscilloscopio • Informazioni preliminari sul pannello frontale • Appendice A – Diagramma a blocchi dell'oscilloscopio e teoria del funzionamento • Appendice B – Esercitazione sulla larghezza di banda dell'oscilloscopio • Esercitazioni pratiche sull'oscilloscopio • Sezione 2 – Esercitazioni di base sulle misurazioni negli oscilloscopi e in WaveGen (Gen. onde) (6 esercitazioni individuali) • Sezione 3 – Esercitazioni avanzate sulle misurazioni negli oscilloscopi (9 esercitazioni facoltative che il vostro professore potrà assegnarvi) Oscilloscope Lab Guide and Tutorial Download @ www.agilent.com/find/EDK

26. Suggerimenti su come seguire le istruzioni della Guida di laboratorio • Le parole in grassetto racchiuse tra parentesi, ad esempio [Help] Guida, fanno riferimento a un tasto del pannello frontale. Il termine “softkey” indica i 6 tasti/pulsanti sotto il display dell'oscilloscopio. La funzione di questi tasti cambia in base al menu selezionato. Un softkey con una freccia verde circolare ( ) come etichetta indica che la manopola generica “Entry” controlla tale selezione o variabile. Etichette dei tasti softkey Softkey Manopola Entry (Immissione)

27. Accesso ai segnali di addestramento incorporati La maggior parte delle esercitazioni pratiche sugli oscilloscopi è basata sull'utilizzo di diversi segnali di addestramento incorporati negli oscilloscopi Agilent serie 2000 o 3000 X, se si dispone della licenza relativa al Kit di formazione dell'educatore DSOXEDK. • Collegare una sonda tra il connettore BNC di ingresso Channel-1 (Canale-1) dell'oscilloscopio e il terminale con etichetta “Demo1”. • Collegare un'altra sonda tra il connettore BNC di ingresso Channel-2 (Canale-2) dell'oscilloscopio e il terminale con etichetta “Demo2”. • Collegare le pinze di messa a terra di entrambe le sonde al terminale centrale di messa a terra. • Premere [Help] Guida, quindi premere i softkey Training Signals (Segnali addestr.). Collegamento ai terminali di test dei segnali di addestramento tramite sonde passive 10:1

28. Risorse tecniche aggiuntive disponibili da Agilent Technologies http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/xxxx-xxxxEN.pdf Inserire il numero della pubblicazione al posto di “xxxx-xxxx”

29. Domande e risposte D & R