Comprendere il funzionamento di base dell’oscilloscopio

Cos’è un oscilloscopio e come si utilizza?

Lo scopo principale di un oscilloscopio è quello di misurare e visualizzare l'andamento della tensione in funzione del tempo. Sono strumenti ampiamente utilizzati per la progettazione elettrica/elettronica, il collaudo e il debug di praticamente tutto ciò che funziona con l’elettricità.

Gli oscilloscopi mostrano la tensione in funzione del tempo per forme d’onda periodiche o ripetute. I moderni oscilloscopi a memoria digitale possono anche visualizzare e conservare facilmente forme d’onda non periodiche. Oltre alla visualizzazione di base della tensione rispetto al tempo, la maggior parte degli oscilloscopi moderni hanno spesso anche molte altre funzioni aggiuntive, ad esempio:

• misurazione automatica della frequenza o della tensione da picco a picco
• capacità di osservare i bus seriali e analizzare i segnali misti
• analisi dei segnali nel dominio della frequenza, in modo simile a un analizzatore di spettro

Il sistema verticale

L’asse verticale mostra la tensione in funzione del tempo. Si utilizza per ridimensionare e posizionare verticalmente la forma d’onda. Per visualizzare e ridimensionare le forme d’onda, si utilizza il controllo volt/div, che controlla l’amplificazione o l’attenuazione del segnale d’ingresso.

La cosa più importante da tenere a mente quando si configura il sistema verticale è di utilizzare il controllo volt/div per massimizzare la forma d’onda sullo schermo. In altre parole, visualizzare i picchi positivi e negativi il più vicino possibile alla parte superiore e inferiore senza tagliare la forma d’onda.

Questo assicura che tutti i bit del convertitore analogico-digitale degli oscilloscopi e tutti le potenzialità del convertitore A/D siano utilizzate al meglio. È anche più facile vedere piccoli dettagli o caratteristiche in una forma d’onda quando si massimizza la scala verticale.

Il sistema orizzontale

Quando si tratta del sistema orizzontale, esistono due argomenti o aspetti separati che devono essere trattati: la visualizzazione della forma d’onda e la frequenza di campionamento.

Visualizzazione della forma d’onda

I controlli di visualizzazione della forma d’onda nel sistema orizzontale sono legati all’asse orizzontale, che corrisponde al tempo. Questi controlli possono essere utilizzati per ridimensionare la forma d’onda e/o per cambiare la sua posizione orizzontale. Simile a volt/div nel sistema verticale, s/div cambia la durata di ogni divisione, cioè quanti cicli possono essere visti sullo schermo dell’oscilloscopio. Utilizzare il controllo di posizione per spostare la forma d’onda a destra e a sinistra sullo schermo.

Frequenza di campionamento

L'aspetto più importante del sistema orizzontale si chiama campionamento.
Il sistema orizzontale digitalizza il segnale d'ingresso a una data frequenza di campionamento in campioni al secondo o a ogni intervallo di campionamento. Questi campioni sono immagazzinati nella memoria e insieme formano un cosiddetto record della forma d’onda.

Più alta è la frequenza di campionamento:

• maggiore è la risoluzione / il dettaglio della forma d’onda visualizzata
• maggiore è la probabilità di catturare eventi poco frequenti
• maggiori sono i requisiti di memorizzazione (maggiore profondità di memoria)

Quale frequenza di campionamento va scelta?
Se il segnale d’ingresso è campionato troppo lentamente, c’è il rischio di ottenere un segnale fantasma (alias), che non sarà una rappresentazione accurata del segnale campionato.

Sistema di trigger e modalità di trigger

Il sistema di trigger è estremamente importante, perché il triggering è necessario per quasi tutte le operazioni dell’oscilloscopio. Essenzialmente, un trigger definisce le condizioni che devono essere soddisfatte prima che l’oscilloscopio inizi un’acquisizione o inizi a prelevare dei campioni.
Il triggering può fare due cose diverse:

È importante impostare correttamente il trigger. La configurazione errata del trigger è un problema molto comune quando si utilizzano gli oscilloscopi. Esistono molti tipi diversi di trigger. Gli oscilloscopi moderni possono attivarsi su eventi ben definiti, come la larghezza degli impulsi, i runt o i glitch. Il tipo di trigger più comune è il cosiddetto edge triggering, o trigger sui fronti.

Nell’edge triggering, il trigger scatta quando la soglia della tensione definita è attraversata, sul fronte di salita o su quello di discesa di una forma d’onda.

Oltre ai diversi tipi di trigger esistono anche varie modalità di trigger. La modalità di trigger determina il comportamento dello strumento se non si verifica alcun trigger. Qui si distingue tra modalità Auto e Norm.

Nella modalità Auto l’oscilloscopio esegue il triggering ripetutamente dopo un intervallo di tempo se le condizioni di trigger non sono soddisfatte. Se si verifica un trigger reale, questo ha la precedenza. Questa modalità aiuta a vedere la forma d’onda anche prima che il trigger sia impostato. La forma d’onda sullo schermo non è sincronizzata e le forme d’onda successive non sono sottoposte a triggering nello stesso punto della forma d’onda.

Nella modalità Norm lo strumento acquisisce una forma d’onda normale solo se si verifica un trigger, cioè se tutte le condizioni di trigger sono soddisfatte. Se non si verifica alcun trigger, non è acquisita alcuna forma d’onda ed è visualizzata l’ultima forma d’onda acquisita. Se nessuna forma d’onda è stata catturata precedentemente, non viene visualizzato nulla.

Il sistema di visualizzazione

Negli oscilloscopi analogici il sistema di visualizzazione era poco più di un tubo catodico che mostrava una traccia verde brillante. L’analisi o la misurazione dei segnali si è spesso basata sul conteggio delle divisioni sul display.

I moderni oscilloscopi digitali hanno molte funzioni di visualizzazione e misura, come lo zoom in avanti e all'indietro su un segnale e l'uso di cursori o marcatori per effettuare misure manuali. Ci sono anche un gran numero di funzioni automatiche, come la misura della tensione di picco o picco-picco, della frequenza, dei tempi di salita e discesa, dello slew rate o del fattore di cresta, così come il conteggio degli impulsi.
Molti di questi valori possono anche essere ottenuti su base statistica (misure statistiche).