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1

OSCILLOSCOPIO ANALOGICO

2Umberto Pisani: Fondamenti di misure elettroniche

Indice

Oscilloscopi analogici 1a parteOscilloscopi analogici 2a parte

3

Oscilloscopi analogici


Indice

Generalità e formazione dell’immagine Tubo a raggi catodiciPresentazione nel dominio del tempo Base tempiEsercitazione su simulatore di Oscilloscopio

5

Oscilloscopi analogici 1a parte


Elemento principale di un oscilloscopio

Tubo a Raggi Catodici (TRC) evoluzione dei tubi di

Crookes 1879Braun 1897


Costruzione dell’immagine


Schema a blocchi di un oscilloscopio

S in posizione 1: rappresentazione di grandezze nel dominio del tempo (grandezze periodiche transitori)S in posizione 2: composizione di due segnali su assi ortogonali


S in posizione 1


S in posizione 2: rappresentazione XY


S in posizione 2: rappresentazione XY

X

Y

12



Tubo a raggi catodici

1 - Riscaldatore2 - Catodo3 - Cilindro di Wehnelt (Griglia di controllo)4, 5 ,6 - Elettrodi di focalizzazione7 - Placchette deflessione verticale 8 - Placchette deflessione orizzontale9 - Elettrodo di postaccelerazione


Schermo 1/2

Lo schermo è una lastra di vetro piana rivestita, nella superficie interna al TRC, di particolari materiali elettroluminescenti (i fosfori)

Questi colpiti dal fascio elettronico emettono luce trasformando energia cinetica in energia luminosa

Sullo schermo è anche depositato un strato sottile metallico che funziona da elettrodo di raccolta degli elettroni


Schermo 2/2

Tipi di fosforo determinanocolore di emissionepersistenza luminosa: in presenza di attivazione elettronica i fosfori emettono luce per fluorescenza, se cessa l’eccitazione si ha il fenomeno di emissione per fosforescenza con coda luminosa

t p costante di tempo di decadimento1 ~ 10 ms <t p< 1 s


Valutazione della sensibilità di deflessione

accd

bd

LD

V

V

⋅

⋅⋅⋅=

2

1

Si può dimostrare che la deflessione D sullo schermo è calcolabile con la relazione

Funzione della geometria del sistema e delle tensioni• Vacc di accelerazione • Vd differ. di deflessione


Parametri che influenzano D

Per rendere elevato D occorre avere:elevata tensione di deflessione Vd e quindi guadagno dell’amplificatore elevatoelevata lunghezza b delle placchette e quindi capacità di carico alta per l’amplificatoreelevata lunghezza del tubo e quindi elevato ingombrobassa tensione accelerazione Vacc che comporta una scarsa luminositàpiccola distanza tra le placchette d con alta capacitàequivalente


Sensibilità di deflessione 1/2

Si definisce un fattore di deflessione

valutazione di massima di Hd ipotizzandob ≅ 3 cmd ≅ 1 cmL ≅ 40 cmVacc ≅ 3 kVrisulta Hd = 50 V/cm

⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

=D

VH d

d


Sensibilità di deflessione 2/2

Si parla anche di sensibilità di deflessione

⎟⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

=d

d H1S


Deflessione verticale 1/2

Con i valori numerici definiti, per una deflessione di 10 cm occorre avere V0 = 500 V; Se Vin=1mV occorre un guadagnodell’amplificatore

G = 500 x 103 → 114 dB


Deflessione verticale 2/2

Caratteristiche amplificatore:guadagno elevatobanda estesa da d.c. a frequenze elevaterisposta piatta


Banda passante del sistema

Banda passante del sistema di deflessione

SENSIBILITÀ ELEVATA DI DEFLESSIONECOMPORTA

PICCOLA DISTANZATRA PLACCHETTE

ELEVATA LUNGHEZZADELLE PLACCHETTE

CAPACITÀELEVATA

BANDA PASSANTE RIDOTTA

In pratica la banda passante del canale verticale èperò limitata dall’amplificatore

23



Presentazione nel dominio del tempo

S in posizione 1: rappresenta grandezze nel dominio del tempo


Tensioni di deflessione Vx e Vy


X

Y

Rappresentazione nel dominio del tempo

27



Circuito base tempi

TRIGGER SOURCE

GENERATORE DI TRIGGER GENERATORE DI RAMPA

SLOPE

TRIGGER LEVEL

+ -TIME/DIV

Y

IINT

EXT

LINE


Circuito base tempi

VF

VCFR

flipflop

×

CFR

generatore di rampa

comparatore di fine rampa

alle placche di deflessione verticale

integratoredi Miller

-1

+

—VD

VBVT VE

+—

comparatore di soglia

generatore di trigger

formatore di impulsi

livello di trigger

selettore di ingresso

Invertitore

SLOPE±

Y

IINT

EXT

LINE

sorgente di trigger


Sorgente di trigger

Il selettore d’ingresso seleziona il segnale da utilizzare per generare il sincronismo (sorgente di trigger).

Y

INT

EXT

LINE

sorgente di trigger

“INT”, viene utilizzato lo stesso segnale del canale verticale“EXT”, è possibile utilizzare come sorgente di trigger un segnale esterno“LINE”, la sorgente di trigger è il segnale a frequenza di rete (50Hz)


Generatore di trigger

-1

+

—VD

VBVT VE

+—

comparatore di soglia

generatore di trigger

formatore di impulsi

Trigger Level

selettore di ingresso

InvertitoreSLOPE±

Livello di trigger (LT) = 2V

Slope -VB

VT

VE

t

t

t

LT

“SLOPE” permette di scegliere di generare la rampa sui fronti in salita o in discesa del segnale di trigger.il comparatore di soglia e il formatore di impulsi generano un impulso, nell'istante in cui il segnale della sorgente di trigger supera la soglia VD

con il comando “LEVEL”, è possibile variare il valore di tensione VD (LT)


Generatore di rampa

VE

VG

VCFR

t

t

t

—

+

VG

Comando Fine Rampa SW

R C

VE

VCFR

flipflop

×

CFR

generatore di rampa

comparatore di fine rampa

alle placche di deflessione verticale

integratoredi Miller

VG

R e C possono essere variati, tramite il comando “TIME/DIV”

33



Esercitazione pratica con Swilab 1/2

Attivare il pannello del Analog Oscilloscope (AO)

Attivare il pannello del Analog Generator (AG)

Collegare il morsetto OUT di AG con CH1 (IN selection) di AO

Compare la traccia sinusoidale di default


Esercitazione pratica con Swilab 2/2

Verificare l’effetto dei controlli sul canale verticale Volt/div

Verificare l’effetto dei controlli sulla base tempi SEC/DIV

Verificare l’effetto dei controlli sul Trigger Setupin particolare variando il “level”

36

Oscilloscopi analogici


Indice

Modalità di trigger Canale verticaleEffetti di carico e scopo delle sondeLa doppia base tempiOscilloscopio a doppia traccia

38



Generatore base tempi

Trigger source:

slope: ±trigger level: regolabile con continuitàcircuito porta: definisce inizio rampageneratore rampa: start da porta

stop da circ. fine rampacircuito di hold - off: inibizione inizio di rampa

successivacircuito di spegnimento: impedisce visualizzazione

della traccia di ritorno

Interno

Esterno

linea 50 Hz


Trigger automatico

Si ha l’esigenza di far partire la rampa in modoautomatico quando mancano gli impulsi al trigger e cioè nei casi seguenti:

quando il segnale di sincronismo è una tensione continua (per esempio si utilizza il sincronismo interno per misurare il livello di una tensione continua)quando il segnale di sincronismo ha ampiezza picco-picco inferiore all’ampiezza della fascia di isteresi del circuito di trigger

Fascia di isteresi del trigger

Segnale di sincronismo


Immagine non sincronizzata 1/2


Immagine sincronizzata 2/2


Velocità di scansione diverse

44



Canale verticale: schema a blocchi

RIN=1MΩ±1%CIN=10÷40 pF


Canale verticale: Caratteristiche 1/2

Amplificatore Verticaleingresso a FET (per avere alta impedenza )stadi differenziali (deve operare anche in continua)guadagno elevato e taratobanda sufficientemente elevatauscita bilanciata per pilotare correttamente il sistema di deflessionedinamica di uscita elevata (± 300÷400 V)


Canale verticale: Caratteristiche 2/2

Attenuatore Taratoresistenza caratteristica costante al variare dell’attenuazione (1 M Ω)bassa capacità di ingressoattenuazione tarata per valori discreti(definisce il fattore di deflessione verticale)banda elevata adeguata a quella dell’amplificatore verticale


Comportamento in frequenza

Ipotesi di amplificatore ad un solo polo Modello in frequenza tipo filtro passa basso

R

fp = (2πRC)−1

ffp

Filtro P.B. OUT. (DEFL.) CIN (V)

Equivale a


Comportamento nel dominio del tempo 1/2

Invece della costante di tempo τ =RC, per motivi pratici di misura sullo schermo, conviene definire il tempo di salita ts0

R

CVi Vu

t

Vu

Vi

90%

10%

ts0


Comportamento nel dominio del tempo 2/2

ts0 il tempo compreso tra il 10% ed il 90% del valore asintotico della deflessione prodotta da un segnale a gradino ideale

ts0 viene chiamato tempo di salita proprio(intrinseco) dell’oscilloscopio


Risposta al gradino e Tempo di salita

Dalla risposta al gradino Vu(t)= Vumax(1-e-t/RC) , si possono calcolare gli istanti

t1 per cui Vu(t1)=0.1Vumax

t2 per cui Vu (t2)=0.9Vumax

Da cui si ricava ts0= t2-t1Risulta ts0≅ 0.35/fp ≅ 2.2RC

R

CVi Vu

t

Vu

Vi

90%

10%

ts0


Impedenza di ingresso 1/2

Se interessa solo il comportamento in frequenza, il canale verticale può essere modellato come in figura

Ri

VeCiVu

fp

AMPL.

Vi

oscilloscopio

Impedenza di ingresso

t

Vu

Vi

90%

10%

ts0Ze→∞

=Ve


Impedenza di ingresso 2/2

Se si invia un gradino ideale di tensione, fornito da un generatore ideale, sullo schermo si avràun esponenziale con tempo di salita ts0 ≅ 0.35/fp

L’impedenza di ingresso non ha effetto

54



Effetto dell’impedenza di ingresso 1/2

Se si invia un gradino ideale di tensione, prodotto da un generatore reale (per semplicitàcon impedenza di uscita R0 resistiva) la situazione diventa quella di figura

(Ri//R0≅ R0 essendo normalmente Ri>> R0)2π Ci(Ri//R0)

t

Ve

Vi

90%

10%

tp1

R0

RiVe

fp1 =

Ci

Vi Vu

fb

AMPL.

1


Effetto della impedenza di ingresso 2/2

L’impedenza di ingresso dell’oscilloscopio in combinazione con la R0 , introduce un filtro passa basso la cui funzione di trasferimento Ve / Vi ha frequenza di taglio fp1

Conseguentemente si introduce un ulteriore tempo di salita

tp1 ≅ 0.35/fp1 ≅ 2.2 Ci(Ri//Req)

(Ri//R0≅ R0 essendo normalmente Ri>> R0)2π Ci(Ri//R0)

t

Ve

Vi

90%

10%

tp1

R0

RiVe

fp1 =

Ci

Vi Vu

fb

AMPL.

1


Effetto sul tempo di salita misurato 1/6

La teoria dei circuiti elettronici permette di calcolare la frequenza di taglio f ∗ di una cascata di doppi bipoli

fp1 fp f∗Vi VuVi Vu

E quindi il tempo di salita equivalente t ∗ della cascata

tp1 ts0 t∗Vi Vu Vi Vu



Risulta con una sufficiente approssimazione che, se si invia un gradino ideale di tensione, prodotto da un generatore ideale, il tempo di salita misurato sullo schermo vale

t

Vu

Vi

90%

10%

tm

tm=t∗≅ (tp12+ts0

2)1/2



Se il generatore di gradino ha un tempo di salita tg≠0, il tempo di salita misurato tm può essere stimato utilizzando il modello

Il generatore con tempo di salita tg è stato realizzato applicando un gradino ideale ad un filtro passa basso con tempo di salita tg.

ts0tp1 tmVi tg Vu VuVi



Con una sufficiente approssimazione si può stimare che il tempo di salita misurato sullo schermo vale

t

Vu

Vi

90%

10%

tm

tm=t∗≅ (tg2 + tp1

2+ts02)1/2



In linea di principio questo errore di misura potrebbe essere corretto secondo la relazione

tg= (tm2 − tp12−ts02)1/2

Però l’incertezza su tp1 e su ts0 e l’approssimazione della relazione matematica non giustificano tale correzione



Si preferisce solo fare una valutazione grossolana dell’errore per decidere se:

è il caso di utilizzare un altro oscilloscopio a banda piùlarga (ts0 minore) è il caso di ridurre tp1 intervenendo sul collegamento tra oscilloscopio e circuito di misura (riduzione dell’effetto di carico)

Si ricorda che tp1 si manifesta a causa della resistenza di uscita del generatore equivalente


Effetto di carico dell’oscilloscopio

RoRIN CIN

– in D.C. attenuazione

– in A.C. rotazione di faseattenuazione

limitazione di banda

L’effetto provoca:


Per ridurre l’effetto di carico

Occorre ridurre possibilmente il rapporto R0/ RIN

Si possono utilizzare due tecniche:

introdurre una sonda attiva

introdurre una sonda che realizzi un partitore compensato


Sonda Attiva

Problemi presentati:amplificatore a larga bandanecessità di elevata dinamica di ingressorichiede linee di alimentazione

CIRCUITO IN MISURAOSCILLOSCOPIO

SONDA ATTIVA

Ro


Sonda Passiva: Attenuatore compensato 1/3

Si regola CS per avere RSCS = RINCIN

In tali condizioni:la FDT Vu / Vi ha idealmente banda infinitala RE = RS+RIN

la CE = CS×CIN/(CS+CIN)

RS

R0CS

RIN CINViVu

ZE

RE CE

OSCILLOSCOPIO+SONDA



L’effetto di carico del sistema oscilloscopio+sonda risulta inferiore a quello del solo oscilloscopio

Normalmente la sonda attenua di un fattore 10RS=9 RIN , CS = CIN /9

e quindi RE=10RIN, CE = CIN /10



Il polo introdotto nel collegamento vale f*

R0

RE

Vl

f* =

CEVi Vu

fb

AMPL.

2π CE(RE //R0)

1 RE //R0 ≅ R0 ,

CE = CIN /10= fp1x10


Osservazione dei fronti ripidi

A causa del ritardo tra partenza della rampa e l’istante di triggerSi perde l’osservazione del fronte


Rimedio

Introduzione di una linea di ritardo sul canale verticale


Compensazione del ritardo di start rampa


Problemi di sincronizzazione 1/2

Problemi di sincronizzazione per la osservazione di particolari del segnale

Se si vuole rappresentare il dettaglio A sull’intero schermo

t

Trigger level

A


Problemi di sincronizzazione 2/2

Occorre far partire le rampe immediatamente prima di A

È però molto difficile sincronizzare con un livello di trigger posto sui tratti orizzontali della forma d’onda

t

Trigger level

74



Oscilloscopi a doppia base di tempi

Il problema di sincronizzare in punti difficili del segnale è risolto con gli oscilloscopi a doppia base tempiSchema a blocchi di principio

Canale Vert.

Base tempi B1

Base tempi B2

IN

TRC

Si hanno due generatori di base tempi


Schema a blocchi

GeneratoreBase Tempi B1 (principale)

Time/divA

TriggerLevel

Slope

+

_

Time/divB

Trigger

Level

DeflessioneOrizzontale

Segnale di triggerPer BT B1

Segnale di triggerPer BT B2 Generatore

Base Tempi B2 (secondaria)


Oscilloscopi a doppia base tempi

Modalità di generazione della 2a base tempiB2 ritardata rispetto a B1

GeneratoreBase Tempi B1

(principale)

Time/divB TriggerLevel→ DELAY

DeflessioneOrizzontale

Segnale di triggerPer BT B1

La rampa generata da B1 è utilizzata come segnale di triggerper BT B2

GeneratoreBase Tempi B2

(secondaria)


B2 ritardata rispetto a B1

LIVELLO DI TRIGGERPER B2


Scansione sola rampa B1

TENSIONE DI DEFL. ORIZZONTALE

VY RAPPRESENTATA CONDEFL. ORIZZONTALE DATA DA B1

1

2

3

45

B2


Rampa B1 intensificata per la durata di B2

Tensione diintensificazioneluminosità


Scansione con la sola rampa B2

42

3

Vy(B2)


1 2

3

4

5

2

3

4

Vy(B1)

Vy(B2)

Rampe B1 e B2 scansioni alternate


Scansione B1 + B2 ( MISTA )

84



Oscilloscopi a Doppia Traccia

A doppio cannone (Soluzione costosa non più adottata)

A commutazione delle due tracce

alternate (per segnali A F)

chopped (per segnali B F)Modalità di presentazione


Modalità alternate (ALT)

YY1 Y2

X

LT S1

F1

S2

F2

Y1Y2

t

t


Modalità CHOPPED (CHOP)

SEGNALE DI TRIGGER


Problemi di sincronismo interno (ALT) 1/2

Sincronismo prelevato a monte del commutatore (es. Y2)

mantiene le relazioni di fasei segnali devono essere sincroni altrimenti uno scorre sullo schermo

COMMUTATORE

SEGNALE DI SINCRONISMO

CH2

CH1

YY1 Y2

X

LT S1

F1

S2

F2Y1

Y2

t

t


Problemi di sincronismo interno (ALT) 2/2

Sincronismo prelevato a valle del commutatore

non si mantiene la relazione di fasesi possono però sincronizzare anche i segnali di differenti frequenze

COMMUTATORE


CH2

CH1Vo

LT

LT

2

2

1

1

2

2

Y1

Y2

Y1 e Y2 rappresentati con stessafase


Funzionamento chopped

a monte del commutatore (CH1 o CH2)

sincronismo corretto ma i segnali devono essere sincroni altrimenti uno scorre sullo schermomantiene le relazioni di fase

a valle del commutatoresincronismo difficoltoso per la complessità del segnale sincronizzantesu molti oscilloscopi questa scelta viene impedita

COMMUTATORE


CH2

CH1

Problemi di sincronismo interno (CHOP)

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