Come funziona un oscilloscopio

Un oscilloscopio è uno strumento elettronico essenziale per visualizzare e analizzare segnali elettrici variabili nel tempo. Si utilizza principalmente in campi come l’ingegneria elettronica, la fisica, le telecomunicazioni e la ricerca scientifica per misurare tensioni, tempi di salita e discesa, frequenze e altre caratteristiche dei segnali elettrici. Questo dispositivo converte segnali elettrici in rappresentazioni visive su uno schermo, permettendo agli utenti di osservare la forma d’onda del segnale e di analizzare le sue proprietà con precisione.

 

 

Funzionamento di un oscilloscopio

Il principio di base di un oscilloscopio è la conversione di un segnale elettrico in un’immagine visiva che rappresenta l’andamento del segnale nel tempo. Un oscilloscopio tradizionale utilizza un tubo a raggi catodici (CRT), mentre i modelli moderni impiegano display a cristalli liquidi (LCD) o tecnologie simili. Il segnale elettrico da analizzare viene applicato all’ingresso dell’oscilloscopio, dove viene amplificato e trasformato in un segnale adatto per essere visualizzato. Il segnale viene quindi inviato a una coppia di piastre di deflessione che deviano il raggio di elettroni sullo schermo per creare un’immagine della forma d’onda.

Le principali componenti di un oscilloscopio includono:

Sistema di ingresso: Comprende i connettori e i circuiti che accettano il segnale elettrico da analizzare. I connettori più comuni sono BNC (Bayonet Neill-Concelman), che assicurano una connessione sicura e a bassa perdita. Amplificatore verticale: Aumenta il livello del segnale in modo che possa essere visualizzato sullo schermo (questo nei tubi catodici). Questo amplificatore deve avere una larghezza di banda sufficiente per preservare l’integrità del segnale. Convertitore analogico-digitale (ADC): Nei moderni oscilloscopi digitali, l’ADC converte il segnale analogico in dati digitali, che possono essere elaborati e visualizzati. Sistema di deflessione: Utilizza piastre o bobine di deflessione per deviare il raggio di elettroni (nei CRT) o per indirizzare i pixel (nei display moderni) in modo da tracciare la forma d’onda. Triggering: Un meccanismo cruciale che stabilizza la visualizzazione del segnale, permettendo di vedere forme d’onda stabili. Il trigger sincronizza il segnale con la scansione orizzontale, permettendo di analizzare specifiche parti del segnale. Schermo di visualizzazione: Dove viene visualizzata la forma d’onda. Nei CRT, il raggio di elettroni colpisce lo schermo fosforescente, mentre nei display moderni i pixel LCD o OLED vengono illuminati.

Setting dell’oscilloscopio

Configurare correttamente un oscilloscopio è fondamentale per ottenere misurazioni accurate. Ecco i passaggi essenziali per impostare un oscilloscopio: Connessione del segnale: Collega il segnale di prova all’ingresso dell’oscilloscopio utilizzando sonde appropriate. Le sonde devono essere compensate per garantire che il segnale non venga distorto. Impostazione della base dei tempi: La base dei tempi controlla la velocità con cui il segnale viene tracciato sullo schermo. Imposta un valore che permetta di visualizzare correttamente il segnale desiderato. Regolazione della sensibilità verticale: La sensibilità verticale (o scala di tensione) determina quanto un’unità di tensione sposta la traccia verticalmente. Imposta questo valore in modo che la forma d’onda sia ben visibile senza essere tagliata. Triggering: Regola il trigger per stabilizzare la forma d’onda. Può essere impostato su vari tipi di segnali (bordo, livello, etc.) e su canali specifici.

Compensazione delle sonde: Le sonde passive devono essere compensate per abbinare la capacità della sonda con quella dell’oscilloscopio. Questo processo si fa osservando una forma d’onda di riferimento e regolando la sonda fino a ottenere una forma d’onda precisa.

 

 

Applicazioni dell’oscilloscopio
L’oscilloscopio è uno strumento versatile utilizzato in molteplici applicazioni: Gli ingegneri elettronici usano gli oscilloscopi per progettare e testare circuiti elettronici. Questo strumento permette di verificare la corretta funzionalità dei circuiti, analizzare segnali di clock, bus dati, e segnali di alimentazione. È essenziale per la progettazione di circuiti digitali e analogici, debugging di microcontrollori, e la verifica di schede a circuito stampato (PCB).

Telecomunicazioni
Nelle telecomunicazioni, l’oscilloscopio è utilizzato per analizzare segnali modulati, valutare la qualità del segnale, e risolvere problemi di interferenza. Permette di osservare la forma d’onda del segnale trasmesso e ricevuto, essenziale per l’ottimizzazione delle reti e per garantire la qualità del servizio.

Fisica e ricerca scientifica
In ambito scientifico, gli oscilloscopi sono utilizzati per misurare fenomeni fisici. Ad esempio, nella ricerca sulle onde elettromagnetiche, gli scienziati utilizzano oscilloscopi per visualizzare e analizzare i segnali rilevati da vari sensori. Sono anche impiegati negli esperimenti di fisica delle particelle e nello studio delle proprietà dei materiali.

Medicina
Gli oscilloscopi trovano applicazione anche in campo medico, ad esempio negli elettrocardiogrammi (ECG) e nell’elettroencefalografia (EEG), dove è necessario visualizzare e analizzare segnali bioelettrici per diagnosticare condizioni mediche.

Caratteristiche di un oscilloscopio

Larghezza di Banda
La larghezza di banda di un oscilloscopio indica la gamma di frequenze che può misurare con precisione. Un oscilloscopio con una larghezza di banda elevata può catturare segnali più veloci e dettagliati. La larghezza di banda deve essere almeno cinque volte superiore alla frequenza massima del segnale da misurare per garantire misurazioni accurate.

Velocità di campionamento
La velocità di campionamento rappresenta il numero di campioni al secondo che l’oscilloscopio può acquisire. Una velocità di campionamento elevata permette di catturare più dettagli del segnale. Generalmente, una velocità di campionamento almeno dieci volte superiore alla frequenza del segnale è ideale.

Risoluzione
La risoluzione di un oscilloscopio digitale è determinata dal numero di bit dell’ADC. Una maggiore risoluzione significa una rappresentazione più precisa del segnale. Ad esempio, un ADC a 8 bit può rappresentare 256 livelli discreti di tensione, mentre un ADC a 12 bit ne può rappresentare 4096.

Memoria
La memoria di acquisizione di un oscilloscopio determina quanto a lungo può registrare un segnale. Una memoria più grande permette di catturare segnali più lunghi e di analizzare eventi che si verificano su periodi di tempo estesi.

Funzioni di misurazione e analisi
Gli oscilloscopi moderni offrono una varietà di funzioni di misurazione automatica e analisi, come la misura di frequenza, periodo, ampiezza, duty cycle, tempi di salita e discesa, jitter, e molto altro. Queste funzioni semplificano il lavoro dell’utente, automatizzando molte misurazioni complesse.

Oscilloscopi digitali vs. oscilloscopi analogici

Oscilloscopi analogici
Gli oscilloscopi analogici utilizzano un tubo a raggi catodici per visualizzare il segnale. Sono più semplici da usare e forniscono una rappresentazione diretta del segnale senza bisogno di conversione digitale. Tuttavia, hanno limiti in termini di larghezza di banda, precisione, e capacità di memorizzazione dei dati.

Oscilloscopi digitali
Gli oscilloscopi digitali utilizzano un ADC per convertire il segnale analogico in dati digitali, che possono essere elaborati e visualizzati su un display digitale. Offrono una maggiore flessibilità, precisione, e capacità di memorizzazione. Possono anche eseguire analisi complesse sui segnali, come la trasformata di Fourier, l’analisi di spettro, e altre funzioni avanzate.

Vantaggi degli oscilloscopi digitali

Maggiore precisione: Gli oscilloscopi digitali offrono una risoluzione superiore e capacità di misurazione più accurate rispetto ai modelli analogici. Memoria e registrazione: Possono memorizzare grandi quantità di dati, permettendo l’analisi post-acquisizione e la registrazione di eventi rari o intermittenti. Funzioni avanzate: Offrono una vasta gamma di funzioni di analisi e misurazione, come la trasformata di Fourier, la decodifica di protocolli seriali, e l’analisi di spettro. Interfacce digitali: Possono essere facilmente integrati con computer e altri dispositivi digitali per il controllo remoto, la registrazione dei dati, e l’elaborazione avanzata.

Uso avanzato degli oscilloscopi

Analisi del Jitter
Il jitter è una variazione temporale nella posizione dei segnali di clock o di dati. L’analisi del jitter è cruciale nelle comunicazioni ad alta velocità e nei sistemi digitali. Gli oscilloscopi moderni possono misurare e visualizzare il jitter, aiutando a identificare le cause di instabilità nel sistema.

Analisi di spettro
Gli oscilloscopi con capacità di analisi di spettro possono trasformare un segnale nel dominio del tempo in uno spettro di frequenza utilizzando la trasformata di Fourier. Questa funzione è utile per analizzare la composizione in frequenza dei segnali, identificare interferenze, e valutare la purezza dei segnali sinusoidali.

Decodifica di protocolli seriali
Molti oscilloscopi digitali offrono la decodifica automatica di protocolli seriali come I2C, SPI, UART, CAN, e altri. Questa funzione permette di visualizzare e analizzare le comunicazioni tra microcontrollori e dispositivi periferici, semplificando il debug dei sistemi embedded.

Analisi di potenza
Gli oscilloscopi possono essere utilizzati per analizzare le prestazioni dei circuiti di alimentazione. Misure di ripple, rumore, efficienza, e tempi di risposta dei convertitori DC-DC sono alcune delle analisi che possono essere effettuate.

 

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