oscilloscopio
Strumento che permette la visualizzazione e la misura di fenomeni oscillatori o comunque variabili nel tempo. L’uso dell’o. è essenziale nel campo delle misure elettriche ed elettroniche.
O. analogici
Un o. analogico usa come elemento rivelatore e visualizzatore un tubo a raggi catodici (CRT, cathode ray tube), essenzialmente costituito da un cannone elettronico, da un sistema di lenti elettrostatiche per focalizzare il fascetto elettronico, da due sistemi ortogonali di deflessione (a loro volta formati da due coppie di placchette piane) e da uno schermo elettroluminescente (➔ tubo).
Principi di funzionamento. - Una tensione elettrica applicata a una delle coppie di placchette (v. fig.) provoca la deflessione del fascetto elettronico e quindi uno spostamento (di entità proporzionale alla tensione) del punto luminoso prodotto dal fascetto sullo schermo fluorescente. Nel caso più comune, una tensione variabile linearmente nel tempo, applicata alle placchette di deflessione orizzontale (asse x), provoca lo spostamento del punto luminoso da sinistra verso destra con velocità costante. Raggiunto il limite destro, il fascetto elettronico viene riportato indietro al limite sinistro dello schermo per permettere una nuova scansione. Tale traccia di ritorno viene resa non visibile per non disturbare la visualizzazione del segnale d’interesse. I circuiti che consentono tale tipo di scansione orizzontale sono detti generatori della base dei tempi e permettono un’ampia scelta di scale temporali. Alle placchette di deflessione verticali (asse y) viene inviato il segnale da esaminare, dopo opportuna amplificazione.
Oscillogramma. - Come conseguenza della deflessione verticale, il punto luminoso si sposta verso l’alto o verso il basso, a seconda che il segnale di ingresso sia positivo o negativo, in modo proporzionale all’intensità del segnale stesso, permettendo in tal modo l’effettuazione di misure di tipo quantitativo. Poiché il segnale d’ingresso e la base dei tempi agiscono contemporaneamente, sullo schermo si ottiene una traccia corrispondente alla forma d’onda (oscillogramma) del segnale stesso. In tal modo è possibile visualizzare sia forme d’onda di tipo transitorio, sia forme d’onda di tipo periodico. Nel primo caso, l’oscillogramma si ottiene una sola volta e può essere reso visibile utilizzando tubi con elevato tempo di persistenza dell’immagine. Nel secondo caso la forma d’onda periodica di ingresso è visualizzata per immagini successive, utilizzando come base dei tempi una forma d’onda anch’essa periodica, detta onda a denti di sega.
Circuiti di sincronismo. - Per ottenere sullo schermo la parte desiderata della forma d’onda d’ingresso e per rendere stabile l’immagine, è necessario utilizzare opportuni circuiti di sincronismo, mediante i quali la base dei tempi viene generata con la corretta relazione di fase rispetto al segnale. È comune l’uso dell’o. per l’osservazione di due (o più) tracce oscillografiche contemporaneamente. In tal caso la tecnica più comune consiste nell’inviare i segnali da visualizzare alle placchette di deflessione verticale uno per volta, utilizzando circuiti di commutazione elettronica a divisione di tempo. È così possibile presentare alternativamente i diversi oscillogrammi di ciascuna forma d’onda in periodi di scansione differenti (modo detto alternate) ovvero dividendo l’intervallo di scansione in un elevato numero di piccoli segmenti adiacenti, in ciascuno dei quali è presentata ciascuna forma d’onda (modo detto chopped). Sono anche costruiti o. a due tracce mediante l’uso di due fascetti elettronici distinti, generati mediante due cannoni elettronici o suddividendo in due il singolo fascetto.
Sensibilità verticale e larghezza di banda. - Le caratteristiche tecniche di un o. dipendono da due parametri fondamentali che sono la sensibilità verticale, cioè la più piccola variazione del segnale d’ingresso che l’o. è in grado di apprezzare, e la larghezza di banda, che indica la gamma di frequenze che lo strumento è in grado di visualizzare. Essi sono generalmente differenti se valutati relativamente al solo tubo a raggi catodici ovvero all’intero oscilloscopio. Nel primo caso, la sensibilità di deflessione cresce con la lunghezza delle placchette e con la distanza di queste ultime dallo schermo e, viceversa, decresce all’aumentare della distanza fra le placchette e della tensione di accelerazione del fascetto. Sebbene l’uso di basse tensioni di accelerazione renda maggiore la sensibilità di deflessione, tensioni relativamente alte sono richieste per ottenere un’adeguata luminosità dell’oscillogramma. Entrambe le esigenze possono essere soddisfatte utilizzando basse tensioni per il cannone elettronico e disponendo degli elettrodi postacceleratori fra le placchette e lo schermo.
La larghezza di banda intrinseca dell’apparato di deflessione dipende dal tempo di transito del fascetto elettronico attraverso le placchette. In genere i tubi per o. raggiungono larghezze di banda di alcune centinaia di megahertz. Le caratteristiche tecniche di un o. non dipendono solo dal tubo utilizzato, quindi nella valutazione complessiva della sensibilità verticale o della larghezza di banda si dovranno considerare, oltre al CRT, tutti gli altri circuiti e amplificatori necessari al funzionamento dell’oscilloscopio.
O. a memoria. - Utilizzano speciali tubi a raggi catodici che permettono di memorizzare con vari artifici l’immagine oscillografica ottenuta. I tipi più semplici impiegano tubi a persistenza variabile, nei quali il tempo di persistenza dell’immagine può essere variato, a seconda delle esigenze, da frazioni di secondo alla decina di minuti. Tale possibilità è molto utile per visualizzare con comodità sia immagini a bassa frequenza sia forme d’onda relative a fenomeni non periodici. Essi sono ormai superati in quasi tutte le applicazioni dagli o. digitali.
O. a campionamento. - Per aumentare la larghezza di banda di questi o., il segnale d’ingresso ad alta frequenza, di tipo periodico, è sottoposto a un processo di campionamento, mediante il quale sono prelevati campioni in punti diversi della forma d’onda, ma a intervalli di numerosi periodi. I campioni così ottenuti sono memorizzati e inviati alle placchette di deflessione verticale del CRT. Se, per es., viene prelevato un campione ogni 100 periodi della forma d’onda originale, il segnale da visualizzare avrà una frequenza pari a un centesimo di quella del segnale d’ingresso. In tal modo è possibile visualizzare segnali di frequenza largamente superiore al gigahertz utilizzando CRT aventi larghezza di banda non superiore al centinaio di megahertz.
O. digitali
In tali o. la rivelazione dei segnali è realizzata mediante tecniche digitali. I segnali presenti a ciascun canale d’ingresso, infatti, dopo opportuna amplificazione sono sottoposti a un processo di conversione da analogico a digitale. Tale processo è sincronizzato dagli impulsi generati da una base dei tempi e dà luogo a una sequenza di segnali numerici che possono essere memorizzati in memorie di tipo digitale. Sono predisposti vari canali in modo da rendere possibile l’accesso a tali memorie da parte di una o più unità di calcolo, costituite da microcalcolatori, a loro volta controllati attraverso il pannello frontale dell’oscilloscopio. La visualizzazione delle sequenze numeriche memorizzate viene eseguita mediante un opportuno display, che può essere ancora costituito da un tubo a raggi catodici o, più frequentemente, da un display avente dimensioni ridotte (plasma, LCD, LED ecc.).
Le caratteristiche tecniche che distinguono i vari o. digitali sono la frequenza di campionamento, la larghezza di banda, la risoluzione verticale e la memoria di acquisizione. La frequenza di campionamento è rappresentata dal numero di campioni per secondo che possono essere ottenuti dal segnale di ingresso. Occorre distinguere il caso di segnale non ripetitivo (single-shot) rispetto al segnale periodico. Nel primo caso la larghezza di banda è pari alla metà della massima frequenza di campionamento utilizzabile, mentre nel secondo caso la larghezza di banda efficace può essere aumentata in modo notevole con l’uso di tecniche simili a quelle utilizzate negli o. a campionamento (deterministic or random interleaved sampling techniques). La risoluzione verticale dipende sia dal numero di bit con il quale il segnale è quantizzato nella fase di conversione analogico-digitale, sia da altri fattori, quali il rumore, la larghezza di banda dell’amplificatore di ingresso o le non linearità del convertitore stesso. Infine, l’ampiezza della memoria di acquisizione è un parametro fondamentale per valutare la risoluzione dell’asse dei tempi.
Gli o. digitali rappresentano un tipo di strumentazione facilmente adattabile al controllo remoto, tramite dispositivi di acquisizione ed elaborazione esterni. Sono normalmente presenti canali di comunicazione seriale o parallela mediante i quali è possibile sia l’acquisizione dei dati di misura, sia il comando dell’o. tramite calcolatore.