In questa esercitazione utilizzeremo un oscilloscopio digitale per effettuare misure su segnali variabili. Si tratta di una pagina introduttiva per l'uso dello strumento fondamentale del laboratorio di elettronica (nota 3).
Lo strumento che utilizzeremo è Picoscope 2205A-MSO prodotto da Pico Technology, Il software usato 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 un qualunque produttore purché dotato di generatore di funzioni interno o anche separato. Ovviamente i dettagli potranno essere diversi.
Prima di iniziare verifichiamo di:
Individuiamo sullo strumento:
Attenzione: pur essendo questi connettori meccanicamente compatibili è importante usare esclusivamente le sonde (probe) per gli ingressi e i cavi RG58 per l'uscita del generatore di segnali.
Osserviamo come abbiamo impostato in commutatore x1 / x10 della sonda, se presente: ci servirà. In genere, soprattutto nelle misure più semplici e nelle prime esperienze d'uso, si preferisce la posizione x1 (nota 5).
Individuare infine sulla schermata del programma:
Il primo circuito che andremo a realizzare è un... non circuito; lo useremo per fare le prime misure e acquisire confidenza con il software.
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:
Per effettuare correttamente le misure occorre visualizzare il segnale in modo simile a quanto mostrato nelle immagini di questa pagina agendo sui comandi:
Esistono due tipi di cursori:
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):
Realizziamo su breadboard il seguente circuito:
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:
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.
Alcune osservazioni:
Il guadagno di tensione (GV, 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):
GV = Vo / Vi
Ovviamente è adimensionale, cioè senza unità di misura.
Le tensioni usate nella formula possono essere la VRMS (scelta vivamente consigliata), la VPP o la VP, purché venga scelta la stessa misura per ingresso ed uscita: il risultato numerico non cambia!
Nell'esempio mostrato il guadagno è:
GV = 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".
Realizzare il circuito sopra presentato, visualizzare i segnali e fare le seguenti misure, da riportare in una tabella:
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.
I segnali mostrati potrebbero essere simili ai seguenti:
Si noti che i due segnali hanno la stessa frequenza, ma ampiezza MOLTO diversa. Inoltre non sono in fase tra di loro: il passaggio dall'asse orizzontale non è contemporaneo!
Per misurare la differenza di fase (o semplicemente fase) tra i due segnali occorre:
La fase tra i due segnali è indicata nella tabella (-85° nell'esempio mostrato).
Il guadagno di tensione è già stato definito in questa pagina. Nel caso mostrato: GV = VOUTRMS / VINRMS = 37.2 mV / 667 mV = 0.0557.
Realizzare il circuito sopra descritto ed effettuare le seguenti misure:
La frequenza del segnale sinusoidale in ingresso deve essere:
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.
Agendo sui comandi del generatore di funzione, modificare la forma del segnale di ingresso ed osservare la forma del segnale di uscita.
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.
L'oscilloscopio può essere utilizzato per osservare i segnali generati da circuiti digitali, per esempio Arduino.
Scriviamo il seguente piccolo programma, dall'immediata comprensione:
void setup() { pinMode(2, OUTPUT);
}
void loop() { digitalWrite(2, HIGH);
digitalWrite(2, LOW);
}
Si noti l'assenza di qualsivoglia ritardo; in questa situazione l'occhio umano è troppo lento per vedere, per esempio, l'accensione e lo spegnimento di un LED collegato al piedino di I/O.
Colleghiamo un canale dell'oscilloscopio al piedino 2 di Arduino e rispondiamo alle seguenti domande, sia usando i ruler, sia contando le divisioni (nota 7), sia utilizzando le misure automatiche;
Colleghiamo al piedino 2 un LED in serie ad una resistenza da qualche centinaio di ohm ed osserviamo i cambiamenti. Motivare i cambiamenti osservati ripetendo le stesse misure descritte poco sopra
Sempre con Arduino, generiamo un segnale "analogico" ed osserviamolo con l'oscilloscopio, rispondendo alle stesse domande poste nel paragrafo precedente.
int PWM = 9;
void setup() {
pinMode(PWM, OUTPUT);
}
void loop() {
analogWrite(PWM, 25);
}
Colleghiamo un LED in serie ad una resistenza da qualche centinaio di ohm ed osserviamo i cambiamenti. Motivare i cambiamenti osservati ripetendo le stesse misure poste nel paragrafo precedente.
Modificare il secondo argomento di analogWrite() all'interno di un loop, per esempio facendolo variare dal suo valore massimo al suo valore minimo. Visualizzarlo con l'oscilloscopio; quest'ultimo è uno dei casi in cui il trigger potrebbe non essere utile per "bloccare" il segnale: motivare questa affermazione.
[ Avanzato] Colleghiamo l'oscilloscopio al pin Tx ed osserviamo il segnale generato dal seguente codice:
void setup() {
Serial1.begin(9600);
}
void loop() {
Serial1.write(10);
delay(10);
}
Si tratta di una trasmissione seriale, anch'essa non facile da bloccare con il trigger, soprattutto se si toglie o diminuisce il delay().
Osservare gli effetti della modifica dell'argomento di:
Data di creazione di questa pagina: ottobre 2023
Ultima modifica: 8 giugno 2024
Appunti scolastici - Versione 0.1026 - Agosto 2024
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