Come scegliere e usare un oscilloscopio

Gli oscilloscopi sono utilizzati da tutti, dai professionisti delle riparazioni TV ai fisici. Sono fondamentali per chiunque stia pianificando o riparando attrezzature elettroniche. L’utilità di un oscilloscopio non è limitata all’universo dell’hardware. Con il trasduttore corretto, un oscilloscopio può quantificare una vasta gamma di meraviglie. Un trasduttore è un gadget che emette un segnale elettrico alla luce di stimoli fisici, ad esempio suono, peso, luce o calore. Ecco quindi perché è utile saper scegliere e usare tale strumento, e questo articolo vuole essere una guida pratica per lo scienziato dilettante.

Un oscilloscopio è uno strumento elettronico di test che consente l’osservazione di diverse tensioni di segnale, solitamente come un grafico bidimensionale di uno o più segnali in funzione del tempo. Anche altri segnali (come suoni o vibrazioni) possono essere convertiti in tensioni e visualizzati. Ad esempio, un ingegnere può usare un oscilloscopio per misurare le vibrazioni del motore, mentre uno specialista di medicinali può utilizzare un oscilloscopio per misurare le onde mentali.

Gli oscilloscopi sono utilizzati per osservare il cambiamento di un segnale elettrico nel tempo, in modo tale che tensione e tempo descrivano una forma che è continuamente rappresentata graficamente su una scala calibrata. La forma d’onda osservata può essere analizzata per proprietà quali ampiezza, frequenza, tempo di salita, intervallo di tempo, distorsione e altre. A differenza degli oscilloscopi analogici, i moderni oscilloscopi digitali possono calcolare e visualizzare direttamente queste proprietà.

Guida alla scelta dello strumento giusto

Per molte persone, la scelta di un oscilloscopio può essere scoraggiante: ci sono centinaia di diversi modelli tra cui scegliere con costi e specifiche molto variabili. Ad ogni modo, gli oscilloscopi analogici (ne trovate alcuni e relativi prezzi qui) hanno poche, se non nessuna, funzionalità che non possono essere superate da un moderno oscilloscopio digitale (ne trovate alcuni fra i più recenti e affidabili, e relativi prezzi, qui). Il primo passo nella scelta di un oscilloscopio non è guardare subito gli annunci o le specifiche tecniche, piuttosto investire un po’ di tempo pensando a cosa lo userete e dove.

Un oscilloscopio digitale che usa lo schermo di un computer. Potete trovare vari tipi di oscilloscopi digitali oggi in commercio cliccando qui.

In pratica, dovrai porti domande del tipo: Quanti segnali ho bisogno di misurare in una sola volta? Quali sono le ampiezze massime e minime dei segnali che devo misurare? Qual è la più alta frequenza di segnale che devo misurare? I miei segnali sono ripetitivi o singoli? Ho bisogno di visualizzare i segnali nel dominio della frequenza (analisi dello spettro) e nel dominio del tempo?

Ecco come scegliere l’oscilloscopio giusto per le proprie applicazioni:

Larghezza di banda: se la frequenza massima che si desidera misurare è 100 MHz, per poter effettuare misurazioni corrette (in pratica con circa il 5% di errore) scegliete un oscilloscopio di almeno 300 MHz, una scelta migliore (con circa il 3% di errore sulla misurazione) sarebbe uno strumento da 500 MHz. Purtroppo questo parametro ha la maggiore influenza sul prezzo dell’apparecchio.

Tipo di segnali. I segnali di oggi non sono più onde sinusoidali, ma il più delle volte onde quadrate, costruite “aggiungendo” le armoniche dispari dell’onda sinusoidale fondamentale insieme. Quindi un’onda quadra a 10 MHz viene “costruita” aggiungendo un’onda sinusoidale a 10 MHz + un’onda sinusoidale a 30 MHz + un’onda sinusoidale 50 MHz e così via. Quindi, se vuoi visualizzare onde quadre, è meglio avere una portata con una larghezza di banda almeno della 9a armonica, cioè di almeno 10 volte la frequenza della tua onda quadra. Per onde quadre da 100 MHz, significa una larghezza di banda di 1 GHz.

Considera il tempo di salita (discesa). Le onde quadre hanno tempi di salita e di discesa elevati. Esiste una semplice regola empirica per sapere quale larghezza di banda deve essere il tuo obiettivo se questi tempi sono importanti per te. Per oscilloscopi con larghezze di banda inferiori a 2,5 GHz, il tempo di salita più rapido (caduta) che può misurare è dato 0,35 / Larghezza di Banda. Quindi un oscilloscopio di 100MHz può misurare tempi di salita fino a 3,5 ns. Se, all’inverso, hai bisogno di misurare ad es. tempi di salita di 100 ps (picosecondi), avrai bisogno di un oscilloscopio di almeno 0,4 / 100 ps = 4 GHz.

Scegli la tua velocità di campionamento. Gli oscilloscopi odierni sono quasi tutti digitali. I passaggi precedenti riguardavano la parte analogica dello strumento, prima che si arrivasse ai convertitori A/D che hanno permesso la “digitalizzazione”. Qui il calcolo dell’ampiezza di banda può rivelarsi utile: un oscilloscopio di 500 MHz ha un tempo di risalita di 700 ps. Per campionarlo con uno strumento digitale, hai bisogno di almeno 2 punti campione, quindi almeno un campionamento ogni 350 ps, o 2,8 Gsa/s (gigacampionamenti al secondo). Se non esiste, scegli un modello con una velocità di campionamento più veloce, ad es. 5 Gsa/s (con conseguente “risoluzione temporale” di 200ps).

Un classico oscilloscopio analogico. Ne trovate i modelli più vari qui.

Decidi il numero di canali. Questo è un parametro più facile: la maggior parte dei moderni oscilloscopi vengono forniti con configurazioni a 2 canali od a 4 canali, quindi puoi scegliere quello che ti serve. Fortunatamente i prezzi non raddoppiano da 2 canali a 4 canali, ma ciò ha comunque un grande impatto sul prezzo dello strumento. Gli ambiti oscilloscopi high-end (> = 1 GHz) hanno sempre 4 canali.

Calcola la quantità di memoria necessaria. A seconda di quanto del tuo segnale vuoi vedere in una “acquisizione single shot”, fai i conti bene: a 5 Gsa/s, hai un campione ogni 200ps. Un oscilloscopio con una memoria di 10.000 punti campione, può memorizzare 2 μs del segnale. Un oscilloscopio con 100 milioni di campioni può memorizzare 20 secondi! Guardando segnali ripetitivi, la memoria è meno importante.

Considera il tasso di ripetizione. Un oscilloscopio digitale utilizza molto tempo per calcolare: diversi millisecondi. Questa cosiddetta “frequenza di ripetizione” è importante perché rari errori e guasti nel segnale potrebbero verificarsi proprio nel momento in cui l’oscilloscopio non sta acquisendo, ma è impegnato a calcolare l’ultima acquisizione acquisita. Maggiore è il tasso di ripetizione (wfms/s rate), maggiori sono le probabilità di catturare quell’evento raro.

I controlli base di un oscilloscopio

In considerazione della flessibilità e del livello di controllo richiesto per l’uso di un oscilloscopio, è presente un numero elevato di controlli. Questi devono essere impostati correttamente se si desidera ottenere la visione richiesta del segnale. Fortunatamente è abbastanza facile abituarsi a utilizzare un oscilloscopio ed i suoi controlli per poter visualizzare correttamente la forma d’onda.

Di seguito è riportato un riepilogo dei controlli principali su un oscilloscopio:

I vari controlli presenti su un oscilloscopio.

Guadagno verticale: questo controllo sull’oscilloscopio altera il guadagno dell’amplificatore che controlla la dimensione del segnale nell’asse verticale. È generalmente calibrato in termini di un certo numero di volt per centimetro. Pertanto, impostando l’interruttore di guadagno verticale in modo che venga selezionato un numero inferiore di volt per centimetro, il guadagno verticale viene aumentato e l’ampiezza della forma d’onda visibile sullo schermo aumenta. Viene normalmente impostato in modo che la forma d’onda sia il più grande possibile senza uscire dall’area visibile o calibrata.

Posizione verticale: questo controllo sull’oscilloscopio regola la posizione della traccia quando non è presente alcun segnale. Normalmente è impostato su una linea conveniente sul reticolo in modo che le misurazioni sopra e sotto la posizione “zero” possano essere misurate facilmente. Ha anche un equivalente controllo di posizione orizzontale che imposta la posizione orizzontale. Ancora una volta questo dovrebbe essere impostato su una posizione comoda per effettuare qualsiasi misurazione di temporizzazione.

Base dei tempi: il controllo della base dei tempi imposta la velocità di scansione dello schermo. È calibrato in termini di un certo periodo di tempo per la calibrazione di ogni centimetro sullo schermo. Da questo può essere calcolato il periodo di una forma d’onda. Dunque, se un ciclo completo di una forma d’onda richiede 10 microsecondi per essere completato, ciò significa che il suo periodo è di 10 microsecondi e la frequenza è il reciproco del periodo di tempo, cioè 1/10 microsecondi = 100 kHz. Anche la base dei tempi viene di solito regolata in modo tale che la forma d’onda possa essere vista al meglio.

Cosa succede quando variamo la base dei tempi. (fonte: Wikipedia)

Trigger: il controllo del trigger sull’oscilloscopio imposta il punto in cui inizia la scansione sulla forma d’onda. Sugli oscilloscopi analogici, solo quando veniva raggiunto un determinato livello di tensione dalla forma d’onda, la scansione si avviava. Ciò consente alla scansione della forma d’onda di iniziare allo stesso tempo su ciascun ciclo, consentendo di visualizzare una forma d’onda costante. Modificando la tensione di trigger, la scansione può essere avviata in un punto diverso della forma d’onda. È anche possibile scegliere se attivare l’oscilloscopio su una parte positiva o negativa della forma d’onda. Ciò può essere ottenuto grazie a un interruttore separato contrassegnato con segni + e -.

Trigger hold-off: questo è un altro controllo importante associato alla funzione trigger. Conosciuta come funzione “hold-off”, aggiunge un ritardo al trigger per impedirne l’attivazione troppo presto dopo il completamento della scansione precedente. Talvolta questa funzione è necessaria in quanto vi sono diversi punti su una forma d’onda in cui l’oscilloscopio può attivarsi. Regolando la funzione di hold-off, è possibile ottenere una visualizzazione stabile della forma d’onda.

Mirino: alcuni oscilloscopi possiedono una funzione di ricerca del fascio. Ciò può essere particolarmente utile in quanto è possibile che a volte la traccia non sia visibile. Premendo il pulsante del mirino, si può trovare e regolare il fascio in modo che si trovi al centro dello schermo.

Primi passi nell’uso di un oscilloscopio

La procedura di base per testare un circuito elettronico con un oscilloscopio consiste nell’attaccare il connettore di messa a terra del puntale di test dell’oscilloscopio a un punto di massa nel circuito, quindi far toccare la punta della sonda al punto del circuito che si desidera testare. Ad esempio, se si desidera verificare che l’uscita da un piedino di un circuito integrato emetta un’onda quadra, toccate con la sonda dell’oscilloscopio sul piedino e guardate il display sull’oscilloscopio.

L’uso della sonda di un oscilloscopio.

Per il resto, l’utilizzo di un oscilloscopio è abbastanza semplice, una volta che ci si mette le mani sopra ed è possibile acquisire familiarità con l’uso dei controlli. Il primo stadio è quando si accende un oscilloscopio ed è qui che il conoscere alcuni passaggi su come utilizzare un oscilloscopio può essere molto utile:

1 – Accensione: può sembrare ovvio, ma è il primo passo. Di solito l’interruttore sarà etichettato come “Power” o “Line”. Una volta acceso, è normale che si accenda un indicatore di alimentazione o una spia dell’indicatore. Questo dimostra che l’alimentazione è stata applicata.

2 – Attendere la visualizzazione del display dell’oscilloscopio: Sebbene molti oscilloscopi odierni abbiano display basati su semiconduttori (LCD), molti di quelli più vecchi usano ancora tubi catodici (CRT), e questi richiedono un po’ di tempo per riscaldarsi prima che appaia il display. Persino i moderni semiconduttori hanno spesso bisogno di tempo affinché la loro elettronica faccia “boot-up”. È quindi spesso necessario attendere un minuto prima che l’oscilloscopio possa essere utilizzato.

3 – Trova la traccia: una volta che l’oscilloscopio è pronto, è necessario trovare la traccia. Spesso sarà visibile, ma prima che si possano vedere altre forme d’onda, questo è il primo stadio. In genere il trigger può essere impostato al centro e il fermo viene girato completamente in senso antiorario. Imposta anche i controlli di posizione orizzontale e verticale al centro, se non vi sono già. Di solito la traccia diventerà visibile. In caso contrario, il pulsante “mirino” può essere premuto e questo localizzerà la traccia.

4 – Imposta il controllo del guadagno: lo stadio successivo è impostare il controllo del guadagno orizzontale. Quest’ultimo dovrebbe essere impostato in modo che la traccia prevista riempia quasi lo schermo verticale. Se si prevede che la forma d’onda sia ad es. di 8 V picco-picco e la sezione calibrata dello schermo sia alta 10 centimetri, impostate il guadagno in modo che sia di 1 volt / centimetro (V/cm). In questo modo la forma d’onda occuperà 8 centimetri, quasi riempiendo lo schermo.

5 – Impostate la velocità della base dei tempi: è anche necessario impostare la velocità della base dei tempi sull’oscilloscopio. L’impostazione effettiva dipenderà da ciò vogliamo vedere. In genere, se una forma d’onda ha, ad esempio, un periodo di 10 ms e lo schermo ha una larghezza di 12 centimetri, verrà scelta una velocità base di 1 ms per centimetro o divisione.

6 – Applica il segnale: con i controlli impostati in modo approssimativo nel modo appena illustrato, il segnale può essere a questo punto applicato, dopodiché si dovrebbe vedere un’immagine sullo schermo.

Un oscilloscopio usato come monitor vettoriale. (fonte: Wikipedia)

7 – Regola il trigger: in questa fase è necessario regolare il livello di trigger e se lo si applica sul fronte positivo o negativo. Il controllo del livello di trigger sarà in grado di controllare in quale punto sulla forma d’onda viene attivata la base dei tempi e quindi la traccia inizia a essere tracciata sulla forma d’onda. Può anche essere importante scegliere se attivare o meno il fronte positivo o negativo. Questi comandi dovrebbero venire regolati per fornire l’immagine richiesta.

8 – Regola i controlli per l’immagine migliore: con una forma d’onda stabile in posizione, i controlli del guadagno verticale e della base dei tempi possono essere regolati nuovamente dall’utente per ottenere l’immagine richiesta in una forma migliore rispetto alla precedente.

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