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, sinusoidali in particolare. Si tratta di una pagina introduttiva per l'uso dello strumento fondamentale del laboratorio di elettronica (nota 3).

Lo strumento che utilizzeremo è Picoscope 3405A prodotto da Pico Technology, Il software usato è la versione 6.14.23 del maggio 2020, l'ultima disponibile nel momento della prima stesura di questa pagina. 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 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 si preferisce la posizione x10 (maggiore banda passante, minor carico sul circuito) anche se ciò potrebbe implicare qualche problema nella misura dei segnali più piccoli.

Individuare infine sulla schermata del programma:

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. Il generatore di funzioni presente nello strumento utilizzato in questa prova ha una resistenza equivalente di 600 Ω (il valore più utilizzato in laboratorio è invece 50 Ω); la tensione equivalente può essere impostata via software.

A questo punto possiamo:

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:

Per usarli basta trascinarli con il mouse nella posizione voluta, togliendoli dalla posizione di riposo lungo i bordi.

Misure con i cursori

Le tensioni ed i tempi misurati con i cursori sono presentati in una tabella, sia come valore che come differenza tra i due cursori omologhi (Δ). Per il tempo è mostrata anche il reciproco della differenza, cioè la frequenza se i cursori sono stati posizionati per la misura del periodo.

Misure automatiche

Molte misure possono essere effettuate automaticamente. Nell'esempio seguente è mostrata la misura del valore efficace (True RMS), del valor medio (DC Average) e della frequenza.

Misure automatiche

Attività 1

Misure su più segnali

Realizziamo su breadboard il seguente circuito:

Fisicamente il circuito potrebbe assomigliare al seguente; sono visibile sulla destra le due sonde (canale A e canale B), i due resistori da 10 kΩ e, in alto a sinistra, il collegamento al generatore di funzioni. Si noti che non è presente Req. Perchè?

Partitore

Si osservi in particolare come i coccodrilli delle due sonde devono essere collegati entrambi al cavetto nero del cavo RG58: questo punto è collegato alla terra dell'impianto elettrico attraverso i cavi di alimentazione degli strumenti. Al fine di garantire la necessaria accuratezza nella misura è consigliato impostare le due sonde e la corrispondente voce nel software come x10.

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 = Vout / Vin

Ovviamente è adimensionale, cioè senza unità di misura.

Le tensioni usate nella formula possono essere la VRMS (scelta consigliata), la VPP o la VP, purché venga scelta la stessa grandezza per ingresso ed uscita.

Nell'esempio mostrato il guadagno è:

 GV = 0,5 / 1 = 0,5

A volte il guadagno di tensione è indicato in unità logaritmiche attraverso la formula GdB = 20 · log10(GV). Continua ovviamente ad essere una misura adimensionale, ma è necessario evidenziare che si tratta di una misura logaritmica specificando l'unità di misura adimensionale decibel (dB).

Nell'esempio mostrato il guadagno è:

 GV = 20 · log10(0,5) = -6 dB

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 1 nF circa.  Come frequenza del segnale sinusoidale scegliamo, per cominciare, qualche kHz; l'ampiezza è circa 1 V.

Una possibile realizzazione pratica è visibile nella seguente immagine.

Circuito RC

I segnali mostrati potrebbero essere simili ai seguenti:

Oscilloscopio con due tracce

Misurare la fase

I due segnali mostrati sono chiaramente non in fase tra di loro: il passaggio dall'asse orizzontale non è contemporaneo!

Misura della fase

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

  1. Posizionare il cursore circolare verde con l'etichetta 0° all'inizio di un periodo di VIN, in corrispondenza del passaggio per l'asse orizzontale (nota 4)
  2. Posizionare il cursore circolare verde con l'etichetta 360° alla fine del periodo di VIN
  3. Posizionare un cursore quadrato in corrispondenza del passaggio per l'asse orizzontale di VOUT (nota 1)

La fase tra i due segnali è indicata nella tabella (-48° nell'esempio mostrato).

Misurare il guadagno

Il guadagno di tensione è già stato definito in questa pagina. Nel caso mostrato: GV = VOUTRMS / VINRMS = 443 mV / 694 mV = 0.64

Il guadagno espresso in decibel è: GdB = 20 · log10(0.64) = -3.9 dB

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 (onda triangolare, onda quadra...)  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.

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 i cursori circolari verdi per la misura della fase potrebbero non essere immediatamente visibili. Per attivarli occorre cliccare in basso su Rulers e quindi selezionare Phase Wrap ed eventualmente scegliere il numero desiderato di linee verticali con Phase Partition


Data di creazione di questa pagina: settembre 2020
Ultima modifica: 14 aprile 2022


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