Oscilloscopio 101

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

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.

Preliminari

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:

Attenuatore di ingresso

Generatore di funzioni

Base dei tempi

Trigger

Running

Segnale sinusoidale

Generiamo una sinusoide

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

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:

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:

Usiamo i cursori

Esistono due tipi di cursori:

Picoscope: misure con cursori

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

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 in genere scelto dal produttore (nel caso del Picoscope qui utilizzato è fisso e vale 600 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 alla relazione tra 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 al seguente; sono visibile sulla destra le due sonde (canale A, sonda più alta, collegato a Vi; canale B collegato a Vo), i due resistori da 10 kΩ e, in alto a sinistra, il collegamento al generatore di funzioni. Si noti che nel circuito realizzato su breadboard non è presente Req, ma solo i due resistori dal 10 kΩ. Perché?

Partitore resistivo

Si osservi in particolare come i coccodrilli delle due sonde (le "code" delle freccie che indicano le tensioni sullo schema elettrico) devono essere collegati entrambi al cavetto nero del cavo RG58: questo punto è collegato alla terra dell'impianto elttrico attraverso i cavi di alimentazione degli strumenti.

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:

Misurare il guadagno

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".

Attività 2

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

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. 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:

  1. Attivare i cursori per la misura della fase: cliccare Rulers e quindi Phase rulers On (nota 4)
  2. Posizionare il rettangolo azzurro in corrispondenze del periodo di VIN,
  3. Posizionare un cursore del tempo in corrispondenza  VOUT (nota 1)

La fase tra i due segnali è indicata nella tabella (-85° nell'esempio mostrato).

Misurare il guadagno

Segnali sfasati: guadagno 

Il guadagno di tensione è già stato definito in questa pagina. Nel caso mostrato: GV = VOUTRMS / VINRMS = 37.2 mV / 667 mV = 0.0557.

Attività 3

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.

Attività 4

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.

Attività 5

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;

On/Off

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

Attività 6

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.

Trasmissione seriale

[ 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:

Note

  1. 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°
  2. 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
  3. 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
  4. Per alcune versioni del software Picoscope la procedura potrebbe essere diversa
  5. 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.
  6. Per utilizzare una versione precedente del software: Oscilloscopio 101 - Versione 6.14
  7. Il termina divisione (div.) indica semplicemente un quadretto che, tradizionalmente forma una griglia 10 x 8
  8. Nell'esempio mostrato è stato utilizzato Arduino 101, diverso da Arduino uno


Data di creazione di questa pagina: ottobre 2023
Ultima modifica: 18 dicembre 2023


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