Concetti fondamentali sull'oscilloscopio

Concetti fondamentali sull'oscilloscopioPer studenti universitari di Ingegneria elettronica e Fisica

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

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

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)

http://simple.wikipedia.org/wiki/File:Oscilloscope_diagram.png

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”.

http://en.wikipedia.org/wiki/File:ScopeProbe.JPG

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

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 Keysight,

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 Keysight, 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.


Informazioni sul display dell'oscilloscopio

― 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.

Vo

lt

Tempo

Verticale = 1 V/div Orizzontale = 1 µs/div1 Div

1 D

iv

Misurazioni in base a valutazione visiva

− 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 = ?

V p

-p

Period

Verticale = 1 V/div Orizzontale = 1 µs/div

V m

axIndicazione del

livello di terra (0,0 V)

Misurazioni in base a valutazione visiva

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.

Cu

rso

re X

1

Cu

rso

re X

2

Cursore Y1

Cursore Y2

Lettura di Δ

Lettura di V e T assoluti

Controlli dei cursori

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

Controlli di impostazione principali dell'oscilloscopioOscilloscopio Keysight InfiniiVision serie 2000 e 3000 X

Scala orizzontale (s/div)

Posizione orizzontale

Posizione verticale

Scala verticale (V/div)

Connettori BNC di ingresso

Livello di trigger

Definizione della scala appropriata per la forma d'onda

− 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'impostazione della 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.

Condizione di impostazione iniziale (esempio) Condizione di impostazione ottimale

Informazioni sui trigger dell'oscilloscopio

– 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.

I trigger sono spesso la funzionalità di più difficile comprensione di un oscilloscopio, ma sono una delle funzionalità più importanti da

comprendere.

Una corsa di cavalli al fotofinish è analoga ai trigger dell'oscilloscopio

Esempi di trigger

― 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

Trigger = Fronte di discesa @ +2,0 V

Livello di trigger impostato sopra la forma d'onda

Tempo positivo

Tempo negativo

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

Teoria del funzionamento dell'oscilloscopio

Diagramma a blocchi dell'oscilloscopio a memoria digitale

Giallo = Blocchi specifici del canaleBlu = Blocchi di sistema (supporta tutti i canali)

Specifiche relative alle prestazioni 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 ).

La “larghezza di banda” è la specifica più importante dell'oscilloscopio

Risposta in frequenza “gaussiana” dell'oscilloscopio

Selezione della larghezza di banda corretta

– 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)

Ingresso = Clock digitale 100-MHz

Risposta tramite un oscilloscopio con larghezza di banda di 100-MHz

Risposta tramite un oscilloscopio con larghezza di banda di 500-MHz

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.

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).


Dove Cparallela è la combinazione parallela di Ccompensazione + Ccavo + Coscilloscopio

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) = SovracompensatoChannel-2 (Canale-2) (verde) = Sottocompensato

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

Assegnazione

1. Supponendo che Coscilloscopio = 15pF, Ccavo = 100pF e Cpuntale = 15pF, calcolare Ccompensazione se regolato correttamente. Ccompensazione = ______

2. Utilizzando il valore calcolato di Ccompensazione, calcolare CCaricamento. CCaricamento = ______

3. Utilizzando il valore calcolato di CCaricamento, calcolare la reattanza capacitiva di CCaricamento a 500 MHz. XC-Caricamento = ______

C caricamento = ?

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 preliminariUtilizzo delle sonde dell’oscilloscopioInformazioni preliminari sul pannello frontaleAppendice A– Diagramma a blocchi dell'oscilloscopio e teoria del funzionamentoAppendice B – Esercitazione sulla larghezza di banda dell'oscilloscopio

Esercitazioni pratiche sull'oscilloscopioSezione 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 TutorialDownload @

www.keysight.com/find/EDK

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 indicache la manopola generica “Entry” controlla tale selezioneo variabile.

Softkey

Etichette dei tasti softkey

Manopola Entry (Immissione)

1. Collegare una sonda tra il connettore BNC di ingresso Channel-1 (Canale-1) dell'oscilloscopio e il terminale con etichetta “Demo1”.

2. Collegare un'altra sonda tra il connettore BNC di ingresso Channel-2 (Canale-2) dell'oscilloscopio e il terminale con etichetta “Demo2”.

3. Collegare le pinze di messa a terra di entrambe le sonde al terminale centrale di messa a terra.

4. Premere [Help] Guida, quindi premere i softkey Training Signals (Segnali addestr).

Accesso ai segnali di addestramento incorporatiLa maggior parte delle esercitazioni pratiche sugli oscilloscopi è basata

sull'utilizzo di diversi segnali di addestramento incorporati negli oscilloscopi Keysight serie 2000 o 3000 X, se si dispone della licenza

relativa al Kit di formazione dell'educatore DSOXEDK.

Collegamento ai terminali di test dei segnali di addestramento tramite sonde passive

10:1

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Risorse tecniche aggiuntive disponibili da Keysight Technologies

Nota relativa all'applicazione Pubblicazione n.

Valutazione dei concetti fondamentali sull'oscilloscopio 5989-8064EN

Valutazione delle larghezze di banda dell'oscilloscopio per le applicazioni 5989-5733EN

Valutazione della relazione tra frequenze di campionamento dell'oscilloscopio e fedeltà del campionamento

5989-5732EN

Valutazione degli oscilloscopi in base alle migliori velocità di aggiornamento della forma d'onda

5989-7885EN

Valutazione degli oscilloscopi in base alla migliore qualità del display 5989-2003EN

Valutazione delle caratteristiche di rumore verticale dell'oscilloscopio 5989-3020EN

Valutazione degli oscilloscopi per il debug di progetti a segnale misto 5989-3702EN

Valutazione della memoria segmentata dell'oscilloscopio per applicazioni a bus seriale

5990-5817EN

Insert pub # in place of “xxxx-xxxx”

http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/xxxx-xxxxEN.pdf

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Domande e risposte

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