Misure con l'oscilloscopio

A. Costantini | (la videolezione)  L'oscilloscopio è uno strumento che consente di misurare una differenza di potenziale (ddp) variabile nel tempo. A differenza del multimetro digitale, che consente di misurare ddp costanti o al più variabili in modo sinusoidale e con ampiezza costante, l' oscilloscopio consente di effettuare misure su qualsiasi tipo di segnale dipendente dal tempo, sia esso ripetitivo in modo periodico o non ripetitivo. Esistono due grandi famiglie di oscilloscopi: quelli analogici e quelli digitali. Gli oscilloscopi analogici, universalmente diffusi a tutti i livelli (da quello amatoriale a quello scientifico) fino a pochi anni fa, sono stati oggi soppiantati da quelli digitali in virtù delle loro maggiori funzionalità.  L'oscilloscopio si presenta con un pannello di controlli abbastanza più complicato di un semplice multimetro digitale, in conseguenza del numero più elevato di funzionalità offerte. I controlli essenziali sono le manopole per regolare le scale degli assi verticale ed orizzontale. Agendo sui controlli verticali si può variare la sensibilità della misura e si possono visualizzare sul monitor segnali con ampiezza variabile da pochi mV ad alcuni Volt. Agendo invece sui controlli dell'asse orizzontale si può scegliere di visualizzare il segnale su intervalli di tempo variabili o da pochi nanosecondi ad alcune decine di secondi. Si possono quindi visualizzare, ad esempio, segnali sinusoidali con frequenza variabile da un GHz fino a frazioni di Hertz. Generalmente sia l'asse verticale che quello orizzontale sono suddivisi in intervalli o divisioni (nel nostro caso 10 divisioni per l' asse orizzontale e 8 per quello verticale). La scala selezionata per l'asse orizzontale è indicata in secondi per divisione, quella dell' asse verticale in Volt per divisione (vedi figura).

In un oscilloscopio digitale, come quello in figura, il segnale in ingresso viene campionato, ovvero ne viene acquisito il valore in vari istanti di tempo. I valori acquisiti vengono convertiti in formato digitale da un convertitore analogico-digitale (ADC) e memorizzati nella memoria dello strumento. La forma del segnale viene quindi ricostruita sullo schermo per consentire all' operatore di effettuare le misurazioni. Sono possibili anche operazioni di elaborazione dei dati acquisiti prima della visualizzazione; si possono ad esempio eseguire medie, ricerche di valori di picco, integrazione di segnali ed altre operazioni atte ad estrarre informazioni di interesse. In genere la digitalizzazione del segnale in ingresso avviene ad 8 bit. Il che vuol dire che si hanno 256 possibili valori del segnale in ingresso che possono essere discriminati (si dice in questo caso che il range dinamico è 256). Questo vuol dire che la sensibilità dello strumento è 1/256 del valore di tensione corrispondente all' intera estensione verticale dello schermo. I parametri essenziali che determinano il livello delle prestazioni di un oscilloscopio digitale sono la banda passante (bandwidth), la frequenza di campionamento (sampling rate) e la memoria (memory length). Per dirla semplicemente, la banda passante di un oscilloscopio definisce la massima componente di frequenze che l'oscilloscopio riesce a visualizzare correttamente. Il prezzo degli oscilloscopi sale in maniera molto rapida all' aumentare della banda passante, per cui spesso si deve cercare un ragionevole compromesso. La frequenza di campionamento (o sampling rate) è il numero di valori che l'oscilloscopio è in grado di acquisire per unità di tempo. Essa viene normalmente espressa in milioni o miliardi di campioni al secondo (MSa/s o GSa/s). In generale per stabilire qual è la frequenza di campionamento necessaria per acquisire un determinato segnale ci si può riferire al teorema di Shannon o del campionamento.  L'ultimo parametro importante da tenere presente è il massimo numero di punti che il microprocessore dell' oscilloscopio è in grado di tenere in memoria. Tale numero è indicato in inglese come memory length. Tale valore deve essere tenuto in considerazione in quanto in un oscilloscopio un elevato sampling rate deve essere accompagnato da una memoria suffciente per poter immagazzinare tutti i punti acquisiti. In particolare, si ha una relazione di proporzionalità tra sampling rate e memory length: Sample rate = Memory length T dove T è l'intervallo di tempo corrispondente all' intero asse dei tempi. Il circuito di trigger di un oscilloscopio ha lo scopo di fare partire la memorizzazione (e quindi la visualizzazione) del segnale in ingresso all' istante voluto, permettendone una chiara visualizzazione (in inglese trigger è il grilletto della pistola). L' opportuna regolazione del circuito di trigger permette di visualizzare in modo stabile un segnale ripetitivo, o di catturare la parte voluta di un segnale non ripetitivo. Negli oscilloscopi moderni esistono vari tipi di trigger, ma quello fondamentale è il trigger a livello di soglia (edge trigger ). In questa modalità la traccia sullo schermo inizia quando il segnale in ingresso supera un determinato valore, selezionabile mediante l' opportuna manopola. Si può anche selezionare la direzione, o pendenza (slope), con la quale il segnale supera il valore di soglia di trigger: pendenza positiva (positive slope) se la soglia viene superata mentre il segnale sta crescendo, pendenza negativa (negative slope) se la soglia viene superata mentre il segnale sta decrescendo. In figura è illustrata l' importanza del circuito di trigger per la visualizzazione di un segnale ripetitivo.


La regolazione del circuito di trigger offre solitamente varie opzioni. Una che si ritrova in tutti gli oscilloscopi è la scelta della sorgente del trigger (source), vale a dire la scelta del segnale su cui si vuole sincronizzare la traccia. Ad esempio si può scegliere di visualizzare un segnale presente sull' ingresso numero uno (canale uno, indicato con CH1), e sincronizzare la partenza della traccia sul segnale presente sul canale 2 (in questo caso la sorgente del trigger è CH2), oppure si può sincronizzare il trigger utilizzando un segnale riportato su un ulteriore ingresso denominato EXT (external trigger ). In questo caso il segnale riportato all' ingesso EXT è utilizzato come sorgente del trigger ma non viene visualizzato sullo schermo. Oltre al modo di trigger a soglia, presente in tutti gli oscilloscopi, gli oscilloscopi digitali più evoluti hanno una serie di modi di trigger specializzati che non erano presenti negli apparecchi analogici, e che li rendono strumenti estremamente flessibili e adatti alla rivelazione di segnali di qualsiasi tipo. Questi modi di trigger possono rispondere a determinate caratteristiche del segnale di ingresso, rendendo ad esempio possibile, in un segnale costituito da una serie di impulsi, rivelare la presenza di un impulso di durata inferiore a quella aspettata. Questa condizione sarebbe impossibile da rivelare con il semplice trigger a livello di soglia.