Laboratorio: DSO 101

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L'oscilloscopio che verrà utlizzato come riferimento )Picoscope serie 3000)

In questa esercitazione utilizzeremo un oscilloscopio per osservare segnali sinusoidali generati da un generatore di funzioni.

Lo strumento che utilizzeremo è Picoscope 2205A-MSO prodotto da Pico Technology, un unico apparecchio che svolge sia la funzione di oscilloscopio che di generatore di funzioni. Il software mostrato nelle immagini è la versione 7.1.2 del maggio 2023, l'ultima disponibile nel momento della prima stesura di questa pagina (nota 6). Per i nostri scopi è comunque adatto un qualunque modello di oscilloscopio ed un qualunque modello di generatore di funzioni, di qualunque produttore. Ovviamente i dettagli saranno diversi.

Per utilizzare questa pagina è necessaria avere una qualche familiarità con l'oscilloscopio, ottenuta per esempio consultando la pagina DSO 101, con Arduino.

Generiamo una sinusoide

Individuiamo sullo strumento il connettore BNC del generatore di funzioni identificato dalla scritta GEN (come nell'immagine di apertura) oppure FG (Functions Generator, generatore di funzioni) oppure AWG (Arbitrary Waveform Generator, generatore di forme d'onda arbitrarie). Ad esso collegheremo un cavetto coassiale RG58 con connettore BNC ad un estremo ed una coppia di coccodrilli o headers all'altro, per il collegamento alla breadboard.

Attenzione a non collegare le sonde al generatore di funzioni o il cavetto coassiale all'ingresso dell'oscilloscopio: pur essendo i connettori BNC identici, i due tipi di cavo non sono tra di loro interscambiabili.

Il primo circuito che andremo a realizzare è un... non circuito; lo useremo per fare le prime misure e acquisire confidenza con il software e gli strumenti.

Il primo... non circuito

Occorre semplicemente collegare la sonda al cavetto rosso dal cavo coassiale RG58 ed il coccodrillo dalla sonda a quello nero del RG58. Attenzione a non invertire!

Dal punto di vista elettrico il generatore di funzioni può essere schematizzato come un generatore reale di tensione che può generare tensioni variabili sinusoidali, quadre, triangolari ecc. L'ampiezza, la frequenza e altri parametri possono essere impostate via software.

Avviamo il programma dopo aver collegato lo strumento al PC. In assenza del Picocope collegato il programma parte in modalità "demo".

Attivare il generatore di funzioni scegliendo il tipo di segnale che si vuole generare: forma, frequenza, ampiezza. Nell'immagine seguente vediamo un segnale triangolare con frequenza 2 kHz

Segnale triangolare

Per effettuare correttamente le misure occorre visualizzare il segnale in modo simile a quanto mostrato nelle immagini di questa pagina agendo sui comandi:

Scope (o time per division, nota 7): questo menu permette di "allargare" o "stringere" il grafico orizzontalmente, mostrando un intervallo temporale più o meno ampio. In genere viene impostato per poter vedere 3-5 periodi del segnale
Input range del canale A e del canale B: questo menù permette di "allargare" o "stringere" il grafico verticalmente. Esiste la modalità "Auto", comoda per i segnali più semplici, e quella manuale, necessaria per i segnali complessi. In genere è utile visualizzare il segnale occupando gran parte dello schermo; è importante che non appaia un punto esclamativo rosso e la scritta "Channel overrange"
Trigger permette di bloccare sullo schermo il segnale senza dover mettere lo strumento in stop. Se il trigger è correttamente impostato è visibile sullo schermo un piccolo rombo giallo circa al centro dello schermo, come quello presente in molte delle immagini presenti in questa pagina. Tale rombo può essere spostato con il mouse e deve trovarsi indicativamente a metà tra il minimo ed il massimo del segnale

In generale un segnale è correttamente visualizzato quando sono visibili circa tre-cinque periodi e l'ampiezza occupa una gran parte delle schermo senza causare assolutamente problemi di overrange.

Usiamo i cursori

Esistono due tipi di cursori:

Quelli verticali permettono di misurare intervalli temporali. Per utilizzarli basta trascinarli con il mouse nella posizione voluta, togliendoli dalla "posizione di riposo" lungo i bordi. Nella figura seguente sono stati utilizzati per misurare il periodo, mostrato numericamente nella tabellina che appare automaticamente nella colonna Δ (delta); per questa misura viene in genere utilizzato il passaggio del segnale per il suo valor medio, 0 V in questo caso, perché leggibile con migliore accuratezza:

Picoscope: misure con cursori

Quelli orizzontali, una coppia per ciascun canale (blu per il canale A); permettono di misurare tensioni. Nella figura seguente sono stati utilizzati per la misura del valore picco-picco

Picoscope: misure con cursori

Misure automatiche

Molte misure possono essere effettuate automaticamente. Nell'esempio seguente è mostrata la misura del valore efficace (RMS), del valor medio (Mean), della frequenza (Frequency) e del periodo (Cycle time):

Picoscope: misure automatiche

Attività 1

generare un segnale sinusoidale e visualizzarlo sullo schermo, impostando correttamente Time per division, Input range e Trigger mode
misurare la frequenza e la tensione massima e minima del segnale usando i cursori
misurare la frequenza e la tensione (efficace, di picco e media) usando gli appositi strumenti automatici
modificare il segnale agendo sui comandi del generatore di funzione:
- Forma
- Frequenza
- Ampiezza

Misure su più segnali

Realizziamo su breadboard il seguente circuito:

Partitore di tensione

In questo schema il generatore di funzioni è rappresentato con il suo circuito equivalente secondo Thévenin all'interno del rettangolo verde: Req è fisso e dipende dallo strumento utilizzato (nel caso del Picoscope 2205A-MSO è 600 Ω; in molti casi è 50 Ω); Veq può essere scelto impostando opportunamente i parametri via software, come già visto.

R1 ed R2 sono due resistori e costituiscono in circuito da studiare: si tratta di un partitore di tensione. In particolare siamo interessati ad osservare la tensione di ingresso (Vi) e la tensione di uscita (Vo). Nell'esempio le due resistenze sono state scelte uguali tra di loro e pari a 10 kΩ, ma sono adeguati anche altri valori, a libera scelta.

Fisicamente il circuito potrebbe assomigliare a quanto mostrato nella fotografia seguente:

Partitore resistivo

sulla destra, la sonda collegata al canale A (Vi, caratterizzata dal colore blu)
sempre sulla destra, la sonda collegata al canale B (Vo, caratterizzata dal colore rosso)
sulla sinistra, i collegamenti di tutte le masse. Quando si utilizza un qualunque oscilloscopio tutte le masse devono sempre essere collegate allo stesso nodo
in alto, i coccodrilli collegati al generatore di funzioni
i due resistori da 10 kΩ
non è presente Req. Perché?

L'oscilloscopio può mostrare contemporaneamente due (o più) tracce; per ciascuna di esse è possibile fare le stesse misure già illustrate. In genere le tracce sono identificate da una lettera (A e B) e un colore (blu e rosso in figura) a cui corrisponde il colore degli assi verticali; le scale verticali possono essere uguali (come nell'esempio mostrato) oppure diverse tra di loro.

Due sinusoidi in fase

Alcune osservazioni:

la frequenza delle due sinusoidi è uguale
le due sinusoidi sono in fase: entrambe passano per l'asse orizzontale nello stesso istante.
l'ampiezza delle due sinusoidi è circa una metà dell'altra, cosa ragionevolmente corretta se si osserva che il circuito realizzato è un partitore di tensione

Misurare il guadagno

Il guadagno di tensione (G_V, gain, o anche semplicemente G) di un circuito è definito come il rapporto tra la tensione di uscita e la tensione di ingresso (nota 2):

G_V = Vo / Vi

Ovviamente è adimensionale, cioè senza unità di misura.

Le tensioni usate nella formula possono essere la V_RMS (scelta vivamente consigliata), la V_PP o la V_P, purché venga scelta la stessa misura per ingresso ed uscita: il risultato numerico non cambia!

Nell'esempio mostrato il guadagno è:

G_V = 0,5 / 1 = 0,5

Per questo circuito il guadagno è minore di 1, cioè l'uscita ha ampiezza minore dell'ingresso. Quindi il termine tecnico in questo caso mal di adatta al significato che nella lingua corrente assume la parola"guadagno".

Attività 2

Realizzare il circuito sopra presentato, visualizzare i segnali e fare le seguenti misure, da riportare in una tabella:

misurare la tensione massima e minima in ingresso ed uscita usando i cursori
misurare la tensione in ingresso ed uscita (efficace, di picco e media) con le apposite voci di menù
misurare la frequenza ed il periodo con i cursori
misurare la frequenza ed il periodo le apposite voci di menù
calcolare il guadagno G_V di tensione
osservare se i due segnali hanno la stessa forma (sinusoidale) e se sono in fase
scegliere come ingresso un segnale con frequenza 10 volte minore; ripetere le stesse misure
scegliere come ingresso un segnale con ampiezza 10 volte minore; ripetere le stesse misure

Sinusoidi sfasate

Realizziamo un circuito simile al precedente, sostituendo R2 con un condensatore da pochi nano Farad. Come frequenza del segnale sinusoidale scegliamo, per cominciare, qualche kHz; l'ampiezza circa 1 V.

Una possibile realizzazione pratica è visibile nella seguente immagine.

Circuito RC

I segnali mostrati potrebbero essere simili ai seguenti:

Segnali sfasati

Si noti che i due segnali hanno la stessa frequenza, ma ampiezza MOLTO diversa, infatti la scala del canale A è di ±1 V, quella del canale B di ±0.1 V. Inoltre non sono in fase tra di loro: il passaggio dall'asse orizzontale non è contemporaneo!

Misurare la fase

Segnali sfasati: fase

Per misurare la differenza di fase (o semplicemente fase) tra i due segnali occorre:

attivare i cursori per la misura della fase: cliccare Rulers e quindi Phase rulers On (nota 4). Occorre impostare i "confini" del periodo a 360°, cioè ad un angolo giro

posizionare il rettangolo azzurro in corrispondenze del periodo di VIN, blu nella figura precedente; il periodo deve iniziare in corrispondenza del passaggio di VIN per 0 V, in salita, e terminare al successivo passaggio per 0 V, sempre in salita (punti evidenziati dal cerchio verde in figura)
posizionare un cursore del tempo in corrispondenza del passaggio per 0 V di VOUT, sempre in salita, punto fucsia in figura (nota 1)

La fase tra i due segnali è indicata nella tabella ed in corrispondenza del cursore, 85° nell'esempio mostrato.

Misurare il guadagno

Segnali sfasati: guadagno

Il guadagno di tensione è già stato definito in questa pagina. Nel caso mostrato: G_V = VOUT_RMS / VIN_RMS = 37.2 mV / 667 mV = 0.0557.

Attività 3

Realizzare il circuito sopra descritto ed effettuare le seguenti misure:

tensione massima e minima in ingresso ed uscita usando i cursori
tensione in ingresso ed uscita (efficace, di picco e media) usando le apposite misure automatiche
misurare la frequenza ed il periodo con i cursori
misurare la frequenza ed il periodo usando le apposite misure automatiche
calcolare il guadagno G_V di tensione
misurare la fase

La frequenza del segnale sinusoidale in ingresso deve essere:

qualche kHz
dieci volte maggiore del punto precedente. In linguaggio tecnico una decade sopra
dieci volte minore del primo punto. In linguaggio tecnico una decade sotto

L'ampiezza della sinusoide di ingresso deve essere circa 1 V.

Cosa succede aumentando l'ampiezza del segnale di ingresso?

Nel file EsempiAC.zip sono presenti alcuni esempi che possono essere usati con la versione demo di Picoscope per effettuare alcune delle misure qui descritte senza disporre dello strumento di misura.

Attività 4

Agendo sui comandi del generatore di funzione, modificare la forma del segnale di ingresso ed osservare la forma del segnale di uscita.

Note

Esistono più punti che hanno questa caratteristica. In genere si preferisce scegliere il più vicino alla posizione del cursore identificato dall'etichetta 0°: così facendo la fase è, in modulo, minore di 180°
Si tratta di una definizione parziale perché le due grandezze di ingresso ed uscita potrebbero essere diverse, sia perché in genere si tratta di una funzione e non di un numero. Qui una trattazione più ampia
In American university course numbering systems, the number 101 is often used for an introductory course at a beginner's level in a department's subject area. [...] Based on this usage, the term "101" has been extended to mean an introductory level of learning or a collection of introductory materials to a topic
Per alcune versioni del software Picoscope la procedura potrebbe essere diversa
La posizione x10 garantisce una maggior banda passante ed una maggiore impedenza di ingresso, per questo è preferita nelle misure avanzate. Richiede un'operazione preliminare di compensazione e potrebbe rendere problematico l'esame di segnali di piccola ampiezza. Infine, per ottenere misure di ampiezza corrette, è necessario impostare sull'oscilloscopio la posizione X10.
Per utilizzare una versione precedente del software: Oscilloscopio 101 - Versione 6.14
Il termina divisione (div.) indica semplicemente un quadretto che, tradizionalmente forma una griglia 10 x 8

Data di creazione di questa pagina: ottobre 2023
Ultima modifica: 29 novembre 2024