Nozioni base su l’oscilloscopio

Sommario Contenuti

Ti sei mai trovato a risolvere un circuito, avendo bisogno di più informazioni di quelle che un semplice multimetro può fornire? Se hai bisogno di scoprire informazioni come frequenza, rumore, ampiezza o qualsiasi altra caratteristica che potrebbe cambiare nel tempo, hai bisogno di un oscilloscopio!

Lo scopo principale di un oscilloscopio è di rappresentare graficamente un segnale elettrico mentre varia nel tempo . La maggior parte degli oscilloscopi produce un grafico bidimensionale con il tempo sull’asse x e la tensione sull’asse y .

Un esempio di visualizzazione di un oscilloscopio. Un segnale (l’onda sinusoidale gialla in questo caso) è rappresentato graficamente su un asse temporale orizzontale e su un asse verticale della tensione.

I controlli che circondano lo schermo dell’oscilloscopio consentono di regolare la scala del grafico, sia verticalmente che orizzontalmente, consentendo di ingrandire e ridurre un segnale. Ci sono anche controlli per impostare il grilletto sull’oscilloscopio, che aiuta a mettere a fuoco e stabilizzare il display.

COSA POSSONO MISURARE ?

Oltre a queste caratteristiche fondamentali, molti oscilloscopi dispongono di strumenti di misurazione che aiutano a quantificare rapidamente frequenza, ampiezza e altre caratteristiche della forma d’onda. In generale un oscilloscopio può misurare sia le caratteristiche basate sul tempo che quelle basate sulla tensione:

Caratteristiche di temporizzazione :
- Frequenza e periodo : la frequenza è definita come il numero di volte al secondo che una forma d’onda si ripete. E il periodo è il reciproco di quello (numero di secondi che ogni forma d’onda ripetuta impiega). La frequenza massima che un oscilloscopio può misurare varia, ma è spesso nell’intervallo dei 100 MHz (1E6 Hz).
- Ciclo di lavoro : la percentuale di un periodo in cui un’onda è positiva o negativa (ci sono cicli di lavoro sia positivi che negativi). Il ciclo di lavoro è un rapporto che ti dice per quanto tempo un segnale è “acceso” rispetto a quanto tempo è “spento” ogni periodo.
- Tempo di salita e discesa : i segnali non possono passare istantaneamente da 0 V a 5 V, devono salire gradualmente. La durata di un’onda che va da un punto basso a un punto alto è chiamata tempo di salita e il tempo di caduta misura l’opposto. Queste caratteristiche sono importanti quando si considera la velocità con cui un circuito può rispondere ai segnali.
Caratteristiche di tensione :
- Ampiezza : l’ampiezza è una misura della grandezza di un segnale. Esistono diverse misurazioni dell’ampiezza, inclusa l’ampiezza picco-picco, che misura la differenza assoluta tra un punto di alta e bassa tensione di un segnale. L’ampiezza di picco, d’altra parte, misura solo quanto un segnale è alto o basso oltre 0V.
- Tensioni massime e minime : l’oscilloscopio può dirti esattamente quanto alta e quanto bassa arriva la tensione del tuo segnale.
- Tensioni medie e medie : gli oscilloscopi possono calcolare la media o la media del segnale e possono anche dirti la media della tensione minima e massima del segnale.

QUANDO USARE L’OSCILLOSCOPIO?

L’oscilloscopio è utile in una varietà di situazioni di ricerca e risoluzione dei problemi, tra cui:

Determinazione della frequenza e dell’ampiezza di un segnale, che può essere fondamentale per il debug dell’ingresso, dell’uscita o dei sistemi interni di un circuito. Da questo, puoi capire se un componente nel tuo circuito ha funzionato male.
Identificare quanto rumore c’è nel tuo circuito.
Identificare la forma di un’onda: quadra, triangolare, dente di sega, ecc.
Quantificare le differenze di fase tra due diversi segnali.

LESSICO DELL’OSCILLOSCOPIO

Imparare a usare un oscilloscopio significa, essere indotti a un lessico di termini specifici alcuni dei quali importanti, acquisite familiarità prima di attivarne uno:

SPECIFICHE CHIAVE

Alcuni telescopi sono migliori di altri. Queste caratteristiche aiutano a definire le prestazioni previste da un ambito:

Larghezza di banda : gli oscilloscopi sono più comunemente usati per misurare forme d’onda che hanno una frequenza definita. Tuttavia, nessun oscilloscopio è perfetto: tutti hanno dei limiti alla velocità con cui possono vedere un cambiamento di segnale. La larghezza di banda di un oscilloscopio specifica l’ intervallo di frequenze che può misurare in modo affidabile.
Digitale vs. Analogico – Come con la maggior parte di tutto ciò che è elettronico, gli oscilloscopi possono essere analogici o digitali. Gli oscilloscopi analogici utilizzano un raggio di elettroni per mappare direttamente la tensione di ingresso su un display. Gli oscilloscopi digitali incorporano microcontrollori, che campionano il segnale di ingresso con un convertitore analogico-digitale e mappano la lettura sul display. Generalmente gli oscilloscopi analogici sono più vecchi, hanno una larghezza di banda inferiore e meno funzionalità, ma possono avere una risposta più rapida (e sembrare molto più interessanti).
Channel Amount : molti oscilloscopi possono leggere più di un segnale alla volta, visualizzandoli tutti contemporaneamente sullo schermo. Ogni segnale letto da un oscilloscopio viene immesso in un canale separato. Gli oscilloscopi da due a quattro canali sono molto comuni.
Frequenza di campionamento : questa caratteristica è unica per gli oscilloscopi digitali, definisce quante volte al secondo viene letto un segnale. Per gli oscilloscopi che hanno più di un canale, questo valore può diminuire se sono in uso più canali.
Tempo di salita: il tempo di salita specificato di un oscilloscopio definisce l’impulso di salita più veloce che può misurare. Il tempo di salita di un oscilloscopio è strettamente correlato alla larghezza di banda. Può essere calcolato come Rise Time= 0.35/ Bandwidth.
Tensione di ingresso massima : ogni componente elettronico ha i suoi limiti quando si tratta di alta tensione. Gli oscilloscopi dovrebbero essere tutti classificati con una tensione di ingresso massima. Se il tuo segnale supera quella tensione, ci sono buone probabilità che l’oscilloscopio venga danneggiato.
Risoluzione : la risoluzione di un oscilloscopio rappresenta la precisione con cui può misurare la tensione di ingresso. Questo valore può cambiare quando viene regolata la scala verticale.
Sensibilità verticale : questo valore rappresenta i valori minimo e massimo della scala di tensione verticale. Questo valore è elencato in volt per div.
Base dei tempi — La base dei tempi di solito indica l’intervallo di sensibilità sull’asse del tempo orizzontale. Questo valore è elencato in secondi per div.
Impedenza di ingresso : quando le frequenze del segnale diventano molto alte, anche una piccola impedenza (resistenza, capacità o induttanza) aggiunta a un circuito può influenzare il segnale. Ogni oscilloscopio aggiungerà una certa impedenza a un circuito che sta leggendo, chiamata impedenza di ingresso. Le impedenze di ingresso sono generalmente rappresentate come una grande impedenza resistiva (>1 MΩ) in parallelo (||) con una piccola capacità (nell’intervallo pF). L’impatto dell’impedenza di ingresso è più evidente quando si misurano segnali ad altissima frequenza e la sonda utilizzata potrebbe dover aiutare a compensarlo.

Usando il GA1102CAL come esempio, ecco le specifiche che potresti aspettarti da un oscilloscopio di fascia media:

Caratteristica	Valore
Larghezza di banda	100 MHz
Frequenza di campionamento	1 GSa/s (1E9 campioni al secondo)
Ora di alzarsi	<3.5ns
Conteggio canali	2
Tensione di ingresso massima	400V
Risoluzione	8 bit
Sensibilità verticale	2mV/div – 5V/div
Tempo base	2ns/div – 50s/div
Impedenza di ingresso	1 MΩ ±3% \|\| 16pF ±3pF

Comprendendo queste caratteristiche, dovresti essere in grado di scegliere l’oscilloscopio più adatto alle tue esigenze. Ma devi ancora sapere come usarlo… alla prossima pagina!

ANATOMIA DI UN OSCILLOSCOPIO

Sebbene nessun ambito sia creato esattamente uguale, tutti dovrebbero condividere alcune somiglianze che li fanno funzionare in modo simile. In questa pagina discuteremo alcuni dei sistemi più comuni di un oscilloscopio:
display, orizzontale , verticale , trigger e ingressi .

IL DISPLAY

Un oscilloscopio non va bene a meno che non sia in grado di visualizzare le informazioni che stai cercando di testare, il che rende il display una delle sezioni più importanti dell’oscilloscopio.

Ogni display dell’oscilloscopio dovrebbe essere attraversato da linee orizzontali e verticali chiamate divisioni . La scala di tali divisioni viene modificata con i sistemi orizzontale e verticale. Il sistema verticale è misurato in “volt per divisione” e l’orizzontale è “secondi per divisione”. Generalmente, gli oscilloscopi presenteranno circa 8-10 divisioni verticali (tensione) e 10-14 divisioni orizzontali (secondi).
Gli oscilloscopi più vecchi (specialmente quelli della varietà analogica) di solito dispongono di un semplice display monocromatico, sebbene l’intensità dell’onda possa variare. Gli oscilloscopi più moderni sono dotati di schermi LCD multicolori, che sono di grande aiuto per mostrare più di una forma d’onda alla volta.
Molti display dell’oscilloscopio sono situati accanto a una serie di circa cinque pulsanti, a lato o sotto il display. Questi pulsanti possono essere utilizzati per navigare nei menu e controllare le impostazioni dell’oscilloscopio.

SISTEMA VERTICALE

La sezione verticale dell’oscilloscopio controlla la scala di tensione sul display. Ci sono tradizionalmente due manopole in questa sezione, che consentono di controllare individualmente la posizione verticale e volt/div.

I volt più critici per manopola di divisione consentono di impostare la scala verticale sullo schermo. Ruotando la manopola in senso orario si diminuirà la scala e in senso antiorario si aumenterà. Una scala più piccola – meno volt per divisione sullo schermo – significa che sei più “ingrandito” sulla forma d’onda.
Il display del GA1102, ad esempio, ha 8 divisioni verticali e la manopola volt/div può selezionare una scala tra 2 mV/div e 5 V/div. Quindi, ingrandito fino a 2 mV/div, il display può mostrare una forma d’onda di 16 mV dall’alto verso il basso. Completamente “rimpicciolito”, l’oscilloscopio può mostrare una forma d’onda che va oltre i 40V. (La sonda, come discuteremo di seguito, può aumentare ulteriormente questo intervallo.)
La manopola di posizione controlla l’offset verticale della forma d’onda sullo schermo. Ruotare la manopola in senso orario e l’onda si sposterà verso il basso, in senso antiorario si sposterà verso l’alto sul display. È possibile utilizzare la manopola di posizione per spostare parte di una forma d’onda dallo schermo.

Usando insieme le manopole di posizione e volt/div, puoi ingrandire solo una piccola parte della forma d’onda a cui tieni di più. Se avessi un’onda quadra da 5 V, ma ti importasse solo di quanto suonasse sui bordi, potresti ingrandire il bordo di salita usando entrambe le manopole.

SISTEMA ORIZZONTALE

La sezione orizzontale dell’oscilloscopio controlla la scala temporale sullo schermo. Come il sistema verticale, il controllo orizzontale offre due manopole: posizione e secondi/div.

La manopola dei secondi per divisione (s/div) ruota per aumentare o diminuire la scala orizzontale. Se ruoti la manopola s/div in senso orario, il numero di secondi rappresentato da ciascuna divisione diminuirà: ingrandirai la scala temporale. Ruota in senso antiorario per aumentare la scala temporale e mostrare una quantità di tempo più lunga sullo schermo.
Usando ancora il GA1102 come esempio, il display ha 14 divisioni orizzontali e può mostrare ovunque tra 2nS e 50s per divisione. Quindi ingrandito completamente sulla scala orizzontale, l’oscilloscopio può mostrare 28 nS di una forma d’onda e ingrandito può mostrare un segnale mentre cambia in 700 secondi.
La manopola di posizione può spostare la forma d’onda a destra oa sinistra del display, regolando l’ offset orizzontale; usando il sistema orizzontale, puoi regolare quanti periodi di una forma d’onda vuoi vedere. Puoi rimpicciolire e mostrare più picchi e minimi di un segnale:

Oppure puoi ingrandire e utilizzare la manopola di posizione per mostrare solo una piccola parte di un’onda:

SISTEMA DI TRIGGER

La sezione trigger è dedicata alla stabilizzazione e alla messa a fuoco dell’oscilloscopio. Il trigger indica all’oscilloscopio su quali parti del segnale “attivare” e avviare la misurazione. Se la tua forma d’onda è periodica , il trigger può essere manipolato per mantenere il display statico e stabile. Un’onda mal innescata produrrà onde ampie che inducono convulsioni come questa:

La sezione trigger di un oscilloscopio è solitamente composta da una manopola di livello e da una serie di pulsanti per selezionare la sorgente e il tipo di trigger. La manopola del livello può essere ruotata per impostare un trigger su un punto di tensione specifico.

Una serie di pulsanti e menu sullo schermo costituiscono il resto del sistema di attivazione. Il loro scopo principale è selezionare la sorgente e la modalità del trigger. Esistono diversi tipi di trigger , che manipolano il modo in cui viene attivato il trigger:

Un trigger edge è la forma più elementare di trigger. Farà in modo che l’oscilloscopio inizi a misurare quando la tensione del segnale supera un certo livello. È possibile impostare un trigger sul fronte per rilevare un fronte di salita o di discesa (o entrambi).
Un trigger a impulsi indica all’oscilloscopio di digitare un “impulso” specificato di tensione. È possibile specificare la durata e la direzione dell’impulso. Ad esempio, può essere un piccolo blip di 0V -> 5V -> 0V, oppure può essere un tuffo di pochi secondi da 5V a 0V, di nuovo a 5V.
È possibile impostare un trigger di pendenza per attivare l’oscilloscopio su una pendenza positiva o negativa per un periodo di tempo specificato.
Esistono trigger più complicati per concentrarsi su forme d’onda standardizzate che trasportano dati video, come NTSC o PAL . Queste onde utilizzano uno schema di sincronizzazione unico all’inizio di ogni fotogramma.

Di solito puoi anche selezionare una modalità di attivazione , che, in effetti, dice all’oscilloscopio quanto ti senti forte riguardo al tuo trigger. In modalità di attivazione automatica, l’oscilloscopio può tentare di tracciare la forma d’onda anche se non si attiva. La modalità normale disegnerà la tua onda solo se vede il trigger specificato. E la modalità singola cerca il trigger specificato, quando lo vede disegnerà la tua onda e poi si fermerà.

LE SONDE

Un oscilloscopio è buono solo se puoi effettivamente collegarlo a un segnale e per questo hai bisogno di sonde. Le sonde sono dispositivi a ingresso singolo che instradano un segnale dal circuito all’oscilloscopio. Hanno una punta affilata che sonda un punto del circuito. La punta può anche essere dotata di ganci, pinzette o clip per facilitare l’aggancio su un circuito. Ogni sonda include anche una clip di massa , che deve essere fissata in modo sicuro a un punto di massa comune sul circuito in prova.

Mentre le sonde possono sembrare semplici dispositivi che si agganciano al circuito e portano un segnale all’oscilloscopio, in realtà c’è molto che va nella progettazione e nella selezione delle sonde.
In modo ottimale, ciò che una sonda deve essere è invisibile: non dovrebbe avere alcun effetto sul segnale in prova. Sfortunatamente, i cavi lunghi hanno tutti induttanza, capacità e resistenza intrinseche, quindi, in ogni caso, influenzeranno le letture dell’oscilloscopio (specialmente alle alte frequenze).
Esistono diversi tipi di sonde, la più comune delle quali è la sonda passiva , inclusa nella maggior parte dei telescopi. La maggior parte delle sonde passive “di serie” sono attenuate . Le sonde di attenuazione hanno una grande resistenza intenzionalmente incorporata e deviata da un piccolo condensatore , che aiuta a ridurre al minimo l’effetto che un cavo lungo potrebbe avere sul caricamento del circuito. In serie con l’ impedenza di ingresso di un oscilloscopio, questa sonda attenuata creerà un divisore di tensione tra il segnale e l’ingresso dell’oscilloscopio.

La maggior parte delle sonde ha un resistore da 9 MΩ per l’attenuazione che, se combinato con un’impedenza di ingresso standard di 1 MΩ su un oscilloscopio, crea un partitore di tensione di 1/10. Queste sonde sono comunemente chiamate sonde attenuate 10X . Molte sonde includono un interruttore per selezionare tra 10X e 1X (nessuna attenuazione).

Le sonde attenuate sono ottime per migliorare la precisione alle alte frequenze, ma ridurranno anche l’ampiezza del segnale. Se stai cercando di misurare un segnale a bassissima tensione, potresti dover utilizzare una sonda 1X. Potrebbe anche essere necessario selezionare un’impostazione sull’oscilloscopio per indicare che stai utilizzando una sonda attenuata, sebbene molti oscilloscopi possano rilevarlo automaticamente.
Oltre alla sonda attenuata passiva, ci sono una varietà di altre sonde là fuori. Le sonde attive sono sonde alimentate (richiedono una fonte di alimentazione separata), che possono amplificare il segnale o addirittura pre-elaborarlo prima che raggiunga l’oscilloscopio. Mentre la maggior parte delle sonde è progettata per misurare la tensione, esistono sonde progettate per misurare la corrente CA o CC. Le sonde di corrente sono uniche perché spesso si stringono attorno a un filo, senza mai entrare effettivamente in contatto con il circuito.

UTILIZZO DI UN OSCILLOSCOPIO

L’infinita varietà di segnali disponibili significa che non utilizzerai mai un oscilloscopio allo stesso modo due volte. Ma ci sono alcuni passaggi che puoi contare sull’esecuzione quasi ogni volta che provi un circuito. In questa pagina mostreremo un segnale di esempio e i passaggi necessari per misurarlo.

SELEZIONE E IMPOSTAZIONE DELLA SONDA

Prima di tutto, dovrai selezionare una sonda. Per la maggior parte dei segnali, la semplice sonda passiva inclusa con l’oscilloscopio funzionerà perfettamente.
Quindi, prima di collegarlo all’oscilloscopio, imposta l’attenuazione sulla sonda. 10X, il fattore di attenuazione più comune, è solitamente la scelta più completa. Tuttavia, se stai cercando di misurare un segnale a bassissima tensione, potrebbe essere necessario utilizzare 1X.

COLLEGA LA SONDA E ACCENDI L’OSCILLOSCOPIO

Collega la sonda al primo canale dell’oscilloscopio e accendilo. Abbiate un po’ di pazienza qui, alcuni oscilloscopi impiegano il tempo per avviarsi come un vecchio PC.
Quando l’oscilloscopio si avvia, dovresti vedere le divisioni, la scala e una linea piatta e rumorosa di una forma d’onda.

Lo schermo dovrebbe anche mostrare i valori precedentemente impostati per tempo e volt per div. Ignorando queste scale per ora, apporta queste modifiche per inserire il tuo mirino in una configurazione standard :

Accendi il canale 1 e spegni il canale 2.
Impostare il canale 1 su accoppiamento CC .
Imposta la sorgente di trigger sul canale 1 — nessuna sorgente esterna o trigger di canale alternativo.
Imposta il tipo di trigger sul fronte di salita e la modalità di trigger su automatico (invece di single).
Assicurarsi che l’ attenuazione della sonda dell’oscilloscopio sull’oscilloscopio corrisponda all’impostazione sulla sonda (ad es. 1X, 10X).

Per assistenza nell’effettuare queste regolazioni, consultare il manuale dell’utente dell’oscilloscopio (ad esempio, ecco il manuale GA1102CAL ).

TESTARE LA SONDA

Colleghiamo quel canale a un segnale significativo. La maggior parte degli oscilloscopi avrà un generatore di frequenza integrato che emette un’onda a frequenza impostata affidabile: sul GA1102CAL c’è un’uscita a onda quadra da 1kHz nella parte inferiore destra del pannello frontale. L’uscita del generatore di frequenza ha due conduttori separati: uno per il segnale e uno per la terra. Collega la clip di massa della sonda a terra e la punta della sonda all’uscita del segnale.

Non appena colleghi entrambe le parti della sonda, dovresti vedere un segnale iniziare a danzare sullo schermo. Prova ad armeggiare con le manopole del sistema orizzontale e verticale per manovrare la forma d’onda intorno allo schermo. Ruotando le manopole della scala in senso orario si “ingrandisce” la forma d’onda e in senso antiorario si rimpicciolisce. È inoltre possibile utilizzare la manopola di posizione per individuare ulteriormente la forma d’onda.
Se la tua onda è ancora instabile, prova a ruotare la manopola della posizione del grilletto . Assicurati che il trigger non sia più alto del picco più alto della tua forma d’onda . Per impostazione predefinita, il tipo di trigger dovrebbe essere impostato su edge, che di solito è una buona scelta per onde quadre come questa.
Prova a giocherellare con quelle manopole abbastanza da visualizzare un singolo periodo della tua onda sullo schermo.

Oppure prova a ingrandire la scala temporale per mostrare dozzine di quadrati.

COMPENSAZIONE DI UNA SONDA ATTENUATA

Se la sonda è impostata su 10X e non si dispone di una forma d’onda perfettamente quadra come mostrato sopra, potrebbe essere necessario compensare la sonda . La maggior parte delle sonde ha una testa a vite incassata, che è possibile ruotare per regolare la capacità di shunt della sonda.

Prova a usare un piccolo cacciavite per ruotare questo trimmer e guarda cosa succede alla forma d’onda.

Regolare il cappuccio di rifinitura sull’impugnatura della sonda fino a ottenere un’onda quadra con bordi dritti . La compensazione è necessaria solo se la tua sonda è attenuata (es. 10X), nel qual caso è fondamentale (soprattutto se non sai chi ha usato il tuo mirino per ultimo!).