In questa serie di articoli vedremo come funziona un oscilloscopio digitale. Iniziamo dalle cose che uno deve sapere assolutamente prima di iniziare per comprendere al meglio il funzionamento in tutte le sue sfaccettature dell’oscilloscopio.

Ampiezza

L’ampiezza esprime la tensione, ovvero la differenza di potenziale elettrico tra due punti di un circuito. Normalmente la misura viene fatta rispetto a massa per cui uno di questi punti è la massa (GND), ma non sempre, per esempio si può misurare la tensione picco-picco di un segnale (Vpp) tra il suo valore massimo e minimo.

Banda passante (frequenza di taglio)

Specifica il campo di frequenza che l’oscilloscopio può misurare con precisione. Per convenzione la banda passante si calcola da 0Hz (continua) fino alla frequenza in cui un segnale di tipo sinusoidale si visualizza al 70.7% del valore applicato in ingresso (che corrisponde a una attenuazione di 3dB).

Approfondimenti: https://it.wikipedia.org/wiki/Frequenza_di_taglio

Tempo di salita

Questo parametro, insieme a quello precedente, ci indicherà la massima frequenza di utilizzo dell’oscilloscopio. E’ un parametro molto importante, fondamentale per eseguire misure di fronti o impulsi (tenere presente che questo tipo di segnali hanno variazioni molto veloci tra i livelli di tensione). Con un oscilloscopio non è possibile visualizzare impulsi con tempi di salita più veloci del suo.

Come tempo di salita si intende il tempo necessario al sistema per variare dal 10% al 90% del valore di regime dello stesso; l’uscita deve raggiungere tale valore senza compiere oscillazioni.

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 salitae il tempo di caduta misura l’opposto. Queste caratteristiche sono importanti quando si considera la velocità con cui un circuito può rispondere ai segnali.

il tempo di salitaspecificato 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 .

Esiste una relazione che lega il tempo di salita alla costante di tempo tau = RC

ts = 2.2 * tau = 2.2 * RC = 2.2 * 1/2pi*f_t

Duty cycle (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.

In elettronica, in presenza di un segnale sotto forma di onda rettangolare, il duty cycle è il rapporto tra la durata del segnale “alto” e il periodo totale del segnale, e serve a esprimere per quanta porzione di periodo il segnale è a livello alto (intendendo con alto il livello “attivo”).

Sensibilità verticale

Indica qual è il minimo segnale che può essere amplificato dallo strumento. Viene normalmente espressa in 1mV/div. per divisione verticale.

L’’incertezza è del 2%/3%.

Velocità

Per gli oscilloscopi analogici questa specifica indica la velocità massima di deflessione orizzontale, che permetterà di visualizzare fenomeni molto veloci. Normalmente le massime portate sono dell’ordine di nanosecondi per divisione orizzontale.

Precisione del guadagno

Indica la precisione con la quale il sistema verticale dell’oscilloscopio amplifica o attenua il segnale. Viene espressa normalmente in percentuale massima di errore.

Precisione della base dei tempi

Indica la precisione della base dei tempi nel sistema orizzontale dell’oscilloscopio per visualizzare il tempo. Viene espressa normalmente in percentuale massima di errore.

Velocità di campionamento

Negli oscilloscopi digitali indica quanti campioni per secondo vengono catturati dal sistema di acquisizione dati (dal convertitore A/D). Negli strumenti di un certo livello si raggiungono velocità di campionamento di Gigasample/secondo. Una velocità di campionamento elevata è fondamentale per poter visualizzare piccoli intervalli di tempo. In contrapposizione è importante avere anche basse velocità di campionamento per osservare segnali con variazione lenta nel tempo. La velocità di campionamento cambia agendo sul commutatore della base dei tempi TIMEBASE, mantenendo costante il numero di punti immagazzinati per rappresentare la forma d’onda.

Risoluzione verticale

La risoluzione verticale è il parametro che indica la risoluzione del convertitore A/D in un oscilloscopio digitale . Viene espressa in bit (normalmente 8bit) e indica con quale precisione viene convertito il segnale d’ingresso in valori digitali immagazzinati nella memoria. Le tecniche di calcolo possono aumentare la risoluzione effettiva dell’oscilloscopio.

Profondità di memoria

Indica la quantità massima di punti che possono essere catturati nella memoria dallo strumento per la ricostruzione del segnale. In alcuni oscilloscopi la profondità di memoria può essere variabile e comunque dipende sempre dalle dimensioni della memoria dello strumento. Una grande profondità di memoria permette di realizzare zoom su alcuni dettagli della forma d’onda (su dati già immagazzinati), senza dover perdere tempo a campionare il segnale completo.

Teorema del campionamento

Vi è data la possibilità di ricostruire in forma esatta il segnale originario purché i campioni siano presi con una frequenza superiore almeno al doppio della massima frequenza contenuta nel segnale.

Se definiamo la banda B del segnale da campionare è sufficiente campionare ad una frequenza fc > 2B.

Incertezza di quantizzazione

Con riferimento alle ampiezze, il segnale quantizzato differisce tanto meno dal segnale originario, quanto più numerosi sono i livelli di discretizzazione (Nbit crescente).

Vedremo che negli oscilloscopi digitali bastano 8 bit per quanto riguarda gli ADC.

Componente continua e alternata di un segnale.

in soldoni un parametro elettrico si dice

• “in continua”
  • non cambia nel tempo, un parametro
• “in alternata”
  • varia nel tempo e l’andamento è ripetitivo (dopo un tempo T si ripete) e ha media nulla.
  • grandezza periodica con valor medio nullo nel periodo T.

un condensatore non fa “passare” la corrente continua mentre quella alternata si. se devi visualizzare graficamente una componente continua questa non sarà altro che una linea retta parallela all’ asse x, mentre una componente alternata altro non e’ che una sinusoide (che ha una determinata ampiezza e frequenza).

Cenni sui filtri

I filtri passivi si individuano in tre tipologie:

• passa basso, se lasciano libero transito alle basse frequenze, bloccando quelle alte;
• passa alto, se lasciano libero transito alle alte frequenze, bloccando quelle basse;
• passa banda, se lasciano libero transito ad un gruppo di frequenze intermedie, bloccando quelle alte e quelle basse.

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