Indice
In questa guida spieghiamo quali sono le caratteristiche dell’oscilloscopio digitale e vediamo quali risultano essere i prezzi dei vari prodotti.
Caratteristiche
L’oscilloscopio è uno strumento di misura elettronico che permette di visualizzare l’andamento temporale dei segnali elettrici su un grafico bidimensionale, misurando in modo piuttosto semplice tensioni, correnti, energie e potenze elettriche.
Nel grafico l’asse orizzontale rappresenta in genere il tempo, in questo modo lo strumento è in grado di analizzare grandezze periodiche; l’asse verticale invece rappresenta la tensione. La frequenza massima dei segnali visualizzabili, insieme alla risoluzione temporale ( la più rapida variazione rilevabile) dipende dal’ intervallo di frequenze stesse che lo strumento è in grado di contenere. La banda passante a sua volta dipende da qualità e costo. Si va dalle decine di megahertz, ottimi per segnali audio o televisivi, fino ai gigahertz dei più dispendiosi modelli digitali.
Un classico oscilloscopio si caratterizza di una scatola di forma rettangolare, su cui si trovano diverse manopole e uno schermo, a cui è sovrapposto un reticolo che favorisce l’interpretazione dei dati. Gli intervalli di questo reticolo prendono il nome di “divisioni”: sull’asse orizzontale se ne contano solitamente una decina, su quello orizzontale sono minimo 6, in base alla geometria dello schermo. Oggi sono stati però introdotti gli oscillatori digitali, dotati di un microprocessore che permette l’installazione di sistemi operativi e che, insieme alla tecnologia touch screen, hanno completamente rivoluzionato aspetto e operatività dello strumento.
Attraverso un apposito connettore, in genere di tipo coassiale BNC per frequenze basse e di tipo N per quelle molto elevate, in segnale da misurare viene introdotto nello strumento. Collegate al connettore d’ingresso possiamo trovare delle sonde, accessori utilizzate per il prelievo di segnali dai circuiti interessati. Utilizzando una modalità semplice, un punto luminoso si muove sullo schermo da sinistra verso destra con velocità costante e disegna ripetutamente una linea orizzontale. La velocità può essere selezionata attraverso la manopola del pannello che comanda il circuito base dei tempi, capace di generare intervalli di tempo precisi e che variano da pochi secondi a nanosecondi. I valori selezionabili sono specificati sulla manopola ed espressi in unità di tempo per divisione.
Quando il segnale è assente la traccia si trova al centro dello schermo e quando all’ingresso se ne applica uno si ha una deflessione verso il basso o verso l’alto, in base alla polarità del segnale stesso. L’unità di misura della scala verticale è espressa in volt per divisione e va da decine a millesimi di volt; esistono comunque oscilloscopi capaci di effettuare misure in ordine di microvolt. In ogni caso l’offset, cioè l’altezza iniziale del grafico, viene stabilita dall’utente che può anche escludere la componente in corrente continua propria del segnale esaminato e scegliere l’impedenza di ingresso. Così facendo vera visualizzato un grafico di tensione in funzione del tempo.
Nel caso in cui il segnale sia periodico, sarà possibile ottenere una traccia stabile facendo coincidere la base dei tempi con la frequenza del segnale, o con un suo sottomultiplo. Consideriamo, per esempio, un segnale di tipo sinusoidale con frequenza di 50 Hz : la base dei tempi può essere regolata in modo da far avvenire una scansione orizzontale in 20 millisecondi. Questo particolare sistema viene chiamato “sweep continuo”. L’oscillatore della base dei tempi non è sincronizzato con il segnale di analisi e per questo motivo è impossibile avere una traccia ferma e stabile; essa infatti si sposterà lentamente da sinistra a destra o viceversa.
Una traccia stabile può oggi essere ottenuta grazie ad una particolare funzione di cui sono stati dotati gli oscilloscopi moderni: il trigger, cioè l’innesco. L’invenzione di questo circuito, ad opera dei due fondatori della Tektronix, risale al 1946 e ha permesso di far partire la scansione solo nel momento esatto in cui si verifica un evento sul segnale in ingresso come, per esempio, il superamento di una soglia di tensione, positiva o negativa che sia. Una volta completata l’oscillazione da sinistra a destra, lo strumento si ferma e attende un nuovo evento. Grazie a questo metodo la visualizzazione resta in sincronia con il segnale e la traccia risulta perfettamente stabile. Come gli altri parametri dell’oscilloscopio, anche la soglia del trigger è regolabile dall’operatore.
Poiché il circuito del trigger è configurabile per mostrare solamente una scansione di un segnale non periodico ( singoli impulsi o sequenze di impulsi non ripetitivi), è possibile inserire un ritardo tra il verificarsi dell’evento e l’inizio della scansione, in modo tale da poter analizzare quelle parti del segnale che si trovano fuori dal campo di visualizzazione. Esistono diverse modalità di trigger, tra cui
-trigger esterno, dotato di un segnale applicato ad un ingresso specifico e del tutto indipendente rispetto a quello analizzato;
-trigger di soglia, che si basa sul superamento, in discesa o in salita, di un livello prestabilito;
-trigger video, che si regola sui riferimenti di sincronismo di quadro o di riga del segnale televisivo. È infatti utilissimo per lavorare con i segnali video;
-trigger sulla rete elettrica, è molto utile in elettrotecnica e lo si trova negli oscilloscopi alimentati da rete in corrente alternata.
Molti oscilloscopi sono dotati della modalità X-Y, attraverso la quale si può escludere la base dei tempi e anche garantire all’asse orizzontale un segnale esterno. Per mezzo di questa modalità è possibile visualizzare le relazioni di fase tra due segnali in campo radiotelevisivo. Applicando agli ingressi due segnali sinusoidali, in rapporto armonico di frequenza, sullo schermo verranno mostrate le cosiddette “figure di Lissajous”, ovvero figure molto particolari attraverso cui si potrà venire a conoscenza dei rapporti di frequenza e fase tra i due segnali stessi.
Sullo schermo di alcuni oscilloscopi possiamo trovare dei cursori e, spostandoli, possono essere utilizzati per una precisa misurazione degli intervalli di tempo e delle d.d.p.(differenze di potenziale). In genere questi strumenti sono dotati di due o più ingressi verticali, che consentono di visualizzare contemporaneamente diversi segnali. Le regolazione degli ingressi verticali sono separate da quelle orizzontali, mentre trigger e base dei tempi sono in comune.
Esistono alcuni oscilloscopi provvisti di doppio trigger, in questo modo è possibile osservare un segnale con diversa base dei tempi ed avere la modalità “zoom”, con cui l’immagine di una parte specifica del segnale mostrato su una traccia può essere ingrandita e mostrata sull’altra. Poiché con gli oscillatori vengono misurati anche fenomeni non ripetitivi, alcuni di essi sono dotati di una memoria di traccia, un sistema, cioè, che permette di visualizzare l’ultima traccia apparsa. In alcuni modelli digitali la durata della scansione può essere di alcune ore e, in questo caso, la traccia viene visualizzata sullo schermo scorrendo da destra a sinistra, come in un registratore su striscia di carta.
Tutti gli oscillatori sono caratterizzati da un calibratore, ovvero un circuito che genera in modo costante un segnale costituito da un’onda quadra di ampiezza e frequenza conosciute. Una volta collegato l’ingresso di misura con l’uscita del calibratore si potrà non solo controllare il corretto funzionamento e fare pratica, ma anche e soprattutto eseguire quando necessario un’operazione di compensazione delle sonde, dotate di un trimmer capacitivo.
Memoria digitale
Gli oscilloscopi a memoria digitale sono utilizzati soprattutto in ambito professionale mentre gli appassionati prediligono quelli analogici. In quest’ultimo fondamentale era il ruolo del tubo catodico, mentre nell’oscilloscopio digitale le componenti principali sono il convertitore analogico – digitale (ADC) e la RAM.
In genere il convertitore è di tipo FLASH a 8 bit, questo perché è molto importante ottenere una conversione rapida del segnale d’ingresso ( per la legge di Shannon la massima frequenza catturata dal segnale di ingresso corrisponde a metà della frequenza di campionamento ). Questi ACD, essendo in grado di campionare ad una frequenza di 20 GHz , hanno bisogno di una RAM con una banda passante di almeno 20 GB al secondo. La RAM è però sottoposta a stringenti vincoli che ne limitano le prestazioni e la loro capacità non supera infatti i 64 MB. Nel 2003 il prezzo di un oscilloscopio digitale da 20 GHz con 64 MB di RAM era di circa 100.000 euro.
Il segnale viene campionato e memorizzato nella RAM per poi essere elaborato da un microprocessore capace di ricavarne i dati di interesse quali tempi, ampiezze, forme d’onda, spettri di frequenza, che vengono poi visualizzati sullo schermo, in genere con uno standard VGA 640 x 480 e un’area di 500 x 400 pixel, sulla quale viene mostrata la forma d’onda con la griglia di divisione tipica del modello analogico. Per i segnali in DC si ha una precisione di visualizzazione del 1-3 %, mentre ai limiti del funzionamento AC il margine d’errore può aumentare fino al 30 %.
Gli oscilloscopi digitali sono in grado di operare il campionamento in tempo equivalente: studiando un segnale periodico infatti, sarà possibile campionare il segnale per più periodi in modo ripetitivo e, in questo modo, raggiungere una banda passante di oltre 50 GHz., nonostante si stia campionando a 20 GHz. In questo caso la legge di Shannon non risulta valida in quanto applicabile soltanto al campionamento di segnali non periodici.
Oltre ai semplici oscilloscopi “stand – alone” , oggi sono stati immessi sul mercato anche strumenti di tipo “periferico” collegabili da un normale computer. È utile specificare che la RAM utilizzata per i campionamenti si trova all’interno dell’oscilloscopio, ma è possibile acquisire dati anche dal PC.
Alcuni oscilloscopi sono dotati di una funzione di autoregolazione. In questo caso basterà premere un semplice tasto per fare in modo che lo strumento, autoconfigurandosi, permetterà una miglior visualizzazione del segnale entrante. Per i modelli ad alte prestazioni è addirittura prevista una funzione di auto calibrazione, implementata nel firmware, che l’utente potrà saltuariamente attivare premendo un tasto. Gli attuali modelli non sono poi così diversi da un normale PC, anche dal punto di vista ingegneristico: sono dotati un ampio schermo touch screen e di almeno un processore, due o più banchi di RAM, connettori PCI per eventuali periferiche, circuiti hardware di acquisizione; il software utilizzato è Windows 2000. Tutte queste caratteristiche vanno a incidere sul costo dello strumento.
In genere gli oscilloscopi digitali possono essere collegati in rete in modo da essere comandati a distanza ma anche sincronizzati con altri strumenti; si può per esempio collegare l’oscilloscopio ad un generatore di impulsi. Per i collegamenti viene usato di solito un bus IEEE – 488 che mette in relazione fino a 15 apparecchi su una linea di massimo 20 metri. Esso consente buona interoperabilità: in quanto asincrono infatti può mettere in comunicazione dispositivi con velocità differenti. Oltre ad essere molto resistente ha poi una buona banda passante: per il 488.1 è di 1 MB/s e per il 488.2 di 8 MB/s. Il cavo, piuttosto ingombrante, è formato da 8 linee dati, 7 GND e una schermatura a calza.
Utilizzo
L’oscilloscopio viene usato soprattutto per le diagnosi di guasti negli apparecchi elettronici. Prendiamo per esempio un televisore: si considera lo schema elettrico in cui sono indicati i vari stadi del sistema (oscillatori, sintonizzatore radio, amplificatori, ecc) e i segnali che dovrebbero trovarsi in determinati punti. Dopo aver unito le masse di oscilloscopio e apparecchio esaminato, la sonda dello strumento viene collegata in un preciso punto tra due stadi: se il segnale è assente in quel punto significa che uno stadio precedente è guasto. Si dovrà allora procedere a ritroso per esclusione. È opportuno ricordare che un tecnico competente dovrebbe essere in grado di individuare il punto del guasto.
Questo strumento è anche usato per provare circuiti di nuova progettazione , oltre che per la verifica della correttezza dei parametri calcolati e l’individuazione di eventuali errori. Per verificare la presenza di sorgenti di disturbo, in elettronica digitale, si dispongono oscilloscopi di almeno due tracce in modo da poter confrontare tra loro segnali come, per esempio, la linea dati con il segnale di clock. Un altro uso è nella progettazione di software con microprocessore ( embedded ). Qui l’oscilloscopio controlla che il software invii i corretti segnali all’hardware.
Nel suo utilizzo è molto importante il collegamento delle masse. Esse infatti costituiscono il riferimento per le tensioni misurate. In linea generale la massa è collegata a quella del circuito analizzato; le sonde sono dotate di connettore a pinza utile a questo scopo. Se però è alimentato da rete elettrica allora la sua massa sarà probabilmente collegata alla messa a terra e, di conseguenza, lo sarà anche in connettore di massa posto sulla sonda. Nel caso in cui anche il circuito esaminato sia collegato alla messa a terra allora unire la massa della sonda ad un punto del circuito diverso dalla massa stessa potrebbe causare un cortocircuito passante per l’oscilloscopio e si rischierebbe di danneggiare entrambe le apparecchiature. Alcuni strumenti hanno la massa generale isolata dalla massa d’ingresso.
Una precauzione, assolutamente indispensabile durante misurazioni effettuate direttamente sulla rete elettrica, è costituita dall’ alimentazione dell’apparecchio esaminato con un trasformatore di isolamento, in grado di separare la massa dalla messa a terra. Essendo uno strumento di misura dev’essere manipolato con estrema cura e, perché le prestazioni si mantengano sempre ottime, deve essere periodicamente calibrato con strumenti campione in specifici istituti di metrologia. In particolare, devono essere curate attentamente le sonde, in quanto molto delicate e molto costose.
Le sonde sono classificabili in due gruppi: attive e passive. Le prime, costituite all’interno da circuiti amplificatori che necessitano di un proprio amplificatore, sono indispensabili per l’analisi del segnale in tensione e corrente molto deboli.
Prezzi Oscilloscopio
Nella tabella che segue è possibile trovare informazioni sui prezzi degli oscilloscopi digitali in vendita online.
Cliccando sui vari prodotti è possibile visualizzare maggiori informazioni, come la descrizione delle caratteristiche e le opinioni e recensioni.
