Concetti fondamentali sull'oscilloscopio

Per studenti universitari di Ingegneria elettronica e Fisica

Agenda

Che cosa è un oscilloscopio?

Concetti di base sulle sonde (modello a bassa frequenza)

Effettuazione di misurazioni relative a tensione e andamento temporale

Definizione della scala appropriata per le forme d'onda sullo schermo

Informazioni sulla creazione di trigger per l'oscilloscopio

Teoria del funzionamento dell'oscilloscopio e specifiche relative alle prestazioni

Ulteriori informazioni sulle sonde (modello dinamico/CA ed effetti del caricamento)

Utilizzo della Guida di laboratorio/esercitazioni su DSOXEDK

Risorse tecniche aggiuntive

Che cosa è un oscilloscopio?

Gli oscilloscopi convertono segnali elettrici in ingresso in una traccia visibile su uno schermo, ovvero convertono l'elettricità in luce.

Gli oscilloscopi creano in modo dinamico grafici di segnali elettrici variabili nel tempo a due dimensioni, in genere tensione/tempo.

Gli oscilloscopi vengono utilizzati da ingegneri e tecnici per testare, verificare e risolvere problemi di progetti elettronici.

Gli oscilloscopi costituiranno lo strumento principale che verrà utilizzato nelle esercitazioni di Ingegneria elettronica o Fisica per testare gli esperimenti assegnati.

o·scil·lo·scopio

Terminologia

Oscilloscopio – Terminologia di uso più frequente

DSO – (Digital Storage Oscilloscope

Oscilloscopio digitale

Oscilloscopio a digitalizzazione

Oscilloscopio analogico – Oscilloscopio basato su tecnologia meno recente, ma ancora in uso.

CRO – (Cathode Ray Oscilloscope) Oscilloscopio a raggi catodici. Benché la maggior parte degli oscilloscopi non utilizzi più tubi a raggi catodici per la visualizzazione di forme d'onda, tale definizione è ancora in uso in Australia e Nuova Zelanda.

Oscilloscopio

MSO – (Mixed Signal Oscilloscope) Oscilloscopio a segnali misti (include canali dell'analizzatore logico di acquisizione)

Concetti di base sulle sonde

Le sonde vengono utilizzate per trasferire il segnale dal dispositivo sottoposto a test agli ingressi BNC dell'oscilloscopio.

Sono disponibili molti tipi diversi di sonde, utilizzate per scopi diversi e specifici (applicazioni ad alta frequenza, applicazioni ad alta tensione, corrente, e così via).

Il tipo di sonda utilizzato più spesso è chiamato “Sonda passiva con attenuazione di tensione 10:1”.

Sonda passiva con attenuazione di tensione 10:1

Passiva: non include alcun elemento attivo, ad esempio transistor o amplificatori.

10 a 1: riduce l'ampiezza del segnale trasmesso all'ingresso BNC dell'oscilloscopio di un fattore pari a 10. Incrementa inoltre di 10 volte l'impedenza di ingresso.

Nota: tutte le misurazione devono essere effettuate relativamente al punto di terra!

Modello di sonda passiva 10:1

Modello a bassa frequenza/CC

Modello a bassa frequenza/CC: si semplifica in un resistore da 9 MΩ in serie con la terminazione in ingresso da 1 MΩ dell'oscilloscopio.

Fattori di attenuazione della sonda: Alcuni oscilloscopi, ad esempio quelli appartenenti alla Serie 3000 X di Agilent,

rilevano automaticamente le sonde 10:1 e regolano tutte le impostazioni verticali e le misurazioni di tensione relativamente al puntale della sonda.

Alcuni oscilloscopi, ad esempio quelli appartenenti alla serie 2000 X di Agilent, necessitano dell'immissione manuale di un fattore di attenuazione di una sonda 10:1.

Modello dinamico/CA: illustrato più avanti e durante l'Esercitazione n.5.

Modello di sonda passiva 10:1

Informazioni sul display dell'oscilloscopio

Area di visualizzazione della forma d'onda con griglia (o divisioni). Spaziatura verticale della griglia relativamente all'impostazione Volt/divisione. Spaziatura orizzontale della griglia relativamente all'impostazione

sec/divisione.

Vo

lt

Tempo

Verticale = 1 V/div Orizzontale = 1 µs/div1 Div

1 D

iv

Misurazioni in base a valutazione visiva

Periodo (T) = 4 divisioni x 1 µs/div = 4 µs, Freq = 1/T = 250 kHz. V p-p = 6 divisioni x 1 V/div = 6 V p-p V max = +4 divisioni x 1 V/div = +4 V, V min = ?

V p

-p

Periodo

Verticale = 1 V/div Orizzontale = 1 µs/div

V m

ax

Indicazione del livello di

terra (0,0 V)

Tecnica di misurazione più comune

Misurazioni mediante i cursori

Posizionare manualmente i cursori X e Y in corrispondenza dei punti di misurazione desiderati.

L'oscilloscopio esegue automaticamente la moltiplicazione per i fattori di scala verticali e orizzontali, in modo da fornire misurazioni assolute e delta.

Cu

rso

re X

1

Cu

rso

re X

2

Cursore Y1

Cursore Y2

Lettura di Δ

Lettura di V e T assoluti

Controlli dei cursori

Misurazioni tramite le misurazioni parametriche automatiche dell'oscilloscopio

Selezionare fino a un massimo di 4 misurazioni parametriche automatiche con lettura aggiornata in modo continuativo.

Lettura

Controlli di impostazione principali dell'oscilloscopio Scala orizzontale

(s/div)Posizione orizzontale

Posizione verticale

Scala verticale (V/div)

Connettori BNC di ingresso

Livello di trigger

Oscilloscopio Agilent InfiniiVision serie 2000 e 3000 X

Definizione della scala appropriata per la forma d'onda

Regolare la manopola V/div fino a riempire verticalmente la maggior parte della schermata con la forma d'onda.

Regolare la manopola verticale Posizion (Posizione) fino a centrare verticalmente la forma d'onda.

Regolare la manopola s/div fino a visualizzare orizzontalmente solo alcuni cicli. Regolare la manopola Trigger Level (Livello di trigger) fino a ottenere il livello

impostato vicino alla metà verticale della forma d'onda.

- Troppi cicli visualizzati.- Scala dell'ampiezza troppo bassa.

Condizione di impostazione iniziale (esempio) Condizione di impostazione ottimale

Livello di trigger

L'impostazione della scala della forma d'onda è un processo iterativo di regolazione del pannello di controllo fino a ottenere la visualizzazione sullo schermo della “immagine” desiderata.

Informazioni sui trigger dell'oscilloscopio

I “trigger” dell'oscilloscopio sono analoghi allo “scatto sincronizzato di fotografie”.

Una “fotografia” di una forma d'onda è costituita da molti campioni digitalizzati consecutivi.

Lo “scatto delle fotografie” deve essere sincronizzato su un punto univoco sulla forma d'onda che si ripete.

La maggior parte dei trigger dell'oscilloscopio è basata sulla sincronizzazione delle acquisizioni (scatto delle fotografie) su un fronte di salita o di discesa di un segnale a un livello specifico di tensione.

I trigger sono spesso la funzionalità di più difficile comprensione di un oscilloscopio, ma sono una delle funzionalità più importanti

da comprendere.

Una corsa di cavalli al fotofinish è analoga ai trigger

dell'oscilloscopio

Esempi di trigger

Posizione di default del trigger (tempo zero) su Oscilloscopi a memoria digitale = centro dello schermo (orizzontalmente)

Unica posizione di trigger su oscilloscopi analogici meno recenti = lato sinistro dello schermo

Punto di trigger

Punto di trigger

Senza trigger(scatto di fotografie non

sincronizzato)

Trigger = Fronte di salita @ 0,0 V

Trigger = Fronte di discesa @ +2,0 V

Livello di trigger impostato sopra la forma d'onda

Tempo positivo

Tempo negativo

Trigger avanzati dell'oscilloscopio

La maggior parte dei vostri esperimenti di laboratorio universitari sarà basata sull'utilizzo di “edge” trigger standard

L'uso dei trigger su segnali più complessi necessita di opzioni di trigger avanzate.

Esempio: trigger su un bus seriale I2C

Teoria del funzionamento dell'oscilloscopio

Diagramma a blocchi dell'oscilloscopio a memoria digitale

Giallo = Blocchi specifici del canaleBlu = Blocchi di sistema (supporta tutti i canali)

Specifiche relative alle prestazioni dell'oscilloscopio

Tutti gli oscilloscopi presentano una risposta in frequenza a passa basso.

La frequenza in cui un'onda sinusoidale in ingresso viene attenuata di 3 dB definisce la larghezza di banda dell'oscilloscopio.

-3 dB equivale a un errore di ampiezza pari a ~ -30% (-3 dB = 20 Log ).

Risposta in frequenza “gaussiana” dell'oscilloscopio

La “larghezza di banda” è la specifica più importante dell'oscilloscopio

Selezione della larghezza di banda corretta

Larghezza di banda necessaria per applicazioni analogiche: ≥ 3X la frequenza di onda sinusoidale più alta.

Larghezza di banda necessaria per applicazioni digitali: ≥ 5X la frequenza di clock digitale più alta.

Determinazione più precisa della larghezza di banda basata sulle velocità del fronte del segnale (vedere la nota relativa all'applicazione “Larghezza di banda” riportata alla fine della presentazione)

Risposta tramite un oscilloscopio con larghezza di banda di 100-MHz

Ingresso = Clock digitale 100-MHz

Risposta tramite un oscilloscopio con larghezza di banda di 500-MHz

Altre specifiche importanti dell'oscilloscopio Frequenza di campionamento

(in campioni/sec) – Dovrebbe essere pari a ≥ 4X la larghezza di banda

Profondità di memoria – Determina le forme d'onda più lunghe che possono essere acquisite quando è ancora in corso il campionamento alla frequenza massima di campionamento dell'oscilloscopio.

Numero di canali – Sono in genere disponibili 2 o 4 canali. I modelli di oscilloscopio a segnali misti aggiungono tra gli 8 e i 32 canali di acquisizione digitale, con risoluzione a 1 bit (alta o bassa).

Velocità di aggiornamento della forma d'onda – Maggiori velocità di aggiornamento incrementano la probabilità di acquisire problemi sporadici del circuito.

Qualità del display – Dimensione, risoluzione, numero di livelli di gradazione di intensità.

Modalità di trigger avanzate – Larghezze di impulso con qualificatore temporale, Pattern, Video, Serial (Seriale), Pulse Violation (Violazione dell'impulso, ovvero velocità del fronte, tempo di impostazione/ritenuta, anomalie), e così via.

Ulteriori informazioni sulle sonde - Modello di sonda dinamico/CA

Coscilloscopio e Ccavo sono capacitanze inerenti/parrassitiche (non previste intenzionalmente nella progettazione)

Cpuntale e Ccompensazione sono state previste intenzionalmente nella progettazione, in modo da compensare per Coscilloscopio e Ccavo.

Con una compensazione delle sonde regolata in modo appropriato, l'attenuazione dinamica/CA dovuta alle reattanze capacitative dipendenti dalla frequenza dovrebbero corrispondere all'attenuazione dell'attenuatore di tensione resistivo previsto nella progettazione (10:1).

Modello di sonda passiva 10:1

Dove Cparallela è la combinazione parallela di Ccompensazione + Ccavo + Coscilloscopio

Compensazione delle sonde

Collegare le sonde Channel-1 (Canale-1) e Channel-2 (Canale-2) al terminale “Probe Comp” (Comp. sonda), uguale a Demo 2.

Regolare le manopole V/div e s/div, in modo da visualizzare entrambe le forme d'onda sullo schermo.

Utilizzando un piccolo cacciavite piatto, regolare il condensatore a compensazione variabile della sonda (Ccomp) su entrambe le sonde per una risposta piatta (quadra).

Compensazione corretta Channel-1 (Canale-1) (giallo) = SovracompensatoChannel-2 (Canale-2) (verde) = Sottocompensato

Caricamento delle sonde Il modello di ingresso di sonde e oscilloscopio può essere semplificato fino a un

singolo resistore e condensatore.

Qualsiasi strumento, non solo gli oscilloscopi, collegato a un circuito diventa parte del circuito sottoposto a test e influirà sui risultati misurati, in particolare a frequenze più elevate.

Nel “caricamento” sono impliciti gli effetti negativi che la sonda/l'oscilloscopio potrebbe avere sulle prestazioni del circuito.

CCaricamento

Modello di caricamento di sonda + oscilloscopio

RCaricamento

Assegnazione

1. Supponendo che Coscilloscopio = 15pF, Ccavo = 100pF e Cpuntale = 15pF, calcolare Ccompensazione se regolato correttamente. Ccompensazione = ______

2. Utilizzando il valore calcolato di Ccompensazione, calcolare CCaricamento. CCaricamento = ______

3. Utilizzando il valore calcolato di CCaricamento, calcolare la reattanza capacitiva di CCaricamento a 500 MHz. XC-Caricamento = ______

C caricamento = ?

Utilizzo della Guida di laboratorio/esercitazioni sull'oscilloscopio

Compito a casa – Leggere le sezioni seguenti prima della vostra 1° sessione di laboratorio sull'oscilloscopio:

Sezione 1 – Operazioni preliminari Utilizzo delle sonde dell’oscilloscopio Informazioni preliminari sul pannello frontale

Appendice A – Diagramma a blocchi dell'oscilloscopio e teoria del funzionamento

Appendice B – Esercitazione sulla larghezza di banda dell'oscilloscopio

Esercitazioni pratiche sull'oscilloscopioSezione 2 – Esercitazioni di base sulle misurazioni negli

oscilloscopi e in WaveGen (Gen. onde) (6 esercitazioni individuali)

Sezione 3 – Esercitazioni avanzate sulle misurazioni negli oscilloscopi (9 esercitazioni facoltative che il vostro professore potrà assegnarvi)

Oscilloscope Lab Guide and TutorialDownload @ www.agilent.com/find/EDK

Suggerimenti su come seguire le istruzioni della Guida di laboratorioLe parole in grassetto racchiuse tra parentesi, ad esempio [Help] Guida, fanno riferimento a un tasto del pannello frontale.

Il termine “softkey” indica i 6 tasti/pulsanti sotto il display dell'oscilloscopio. La funzione di questi tasti cambia in base al menu selezionato.

Un softkey con una freccia verde circolare ( ) come etichetta indicache la manopola generica “Entry” controlla tale selezioneo variabile.

Softkey

Etichette dei tasti softkey

Manopola Entry (Immissione)

Accesso ai segnali di addestramento incorporati

1. Collegare una sonda tra il connettore BNC di ingresso Channel-1 (Canale-1) dell'oscilloscopio e il terminale con etichetta “Demo1”.

2. Collegare un'altra sonda tra il connettore BNC di ingresso Channel-2 (Canale-2) dell'oscilloscopio e il terminale con etichetta “Demo2”.

3. Collegare le pinze di messa a terra di entrambe le sonde al terminale centrale di messa a terra.

4. Premere [Help] Guida, quindi premere i softkey Training Signals (Segnali addestr.). Collegamento ai terminali di test dei segnali di

addestramento tramite sonde passive 10:1

La maggior parte delle esercitazioni pratiche sugli oscilloscopi è basata sull'utilizzo di diversi segnali di addestramento incorporati negli oscilloscopi Agilent serie 2000 o 3000 X, se si dispone della licenza relativa al Kit di formazione dell'educatore DSOXEDK.

Risorse tecniche aggiuntive disponibili da Agilent Technologies

Nota relativa all'applicazione Pubblicazione n.

Valutazione dei concetti fondamentali sull'oscilloscopio 5989-8064EN

Valutazione delle larghezze di banda dell'oscilloscopio per le applicazioni 5989-5733EN

Valutazione della relazione tra frequenze di campionamento dell'oscilloscopio e fedeltà del campionamento

5989-5732EN

Valutazione degli oscilloscopi in base alle migliori velocità di aggiornamento della forma d'onda

5989-7885EN

Valutazione degli oscilloscopi in base alla migliore qualità del display 5989-2003EN

Valutazione delle caratteristiche di rumore verticale dell'oscilloscopio 5989-3020EN

Valutazione degli oscilloscopi per il debug di progetti a segnale misto 5989-3702EN

Valutazione della memoria segmentata dell'oscilloscopio per applicazioni a bus seriale

5990-5817EN

Pagina 28

http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/xxxx-xxxxEN.pdf

Inserire il numero della pubblicazione al posto di “xxxx-xxxx”

Pagina 29

Domande e risposte