13. Oscilloscopi - ingbeninato

13. Oscilloscopi
13.1. Generalità
13.1. Generalità
L’oscilloscopio è uno strumento comunemente utilizzato per l’analisi di segnali variabili nel
tempo. In genere il segnale misurato è una tensione, anche se introducendo convertitori o trasduttori
è possibile analizzare ogni genere di grandezza.
Gli oscilloscopi sono di diversi tipi a seconda della misura da eseguire, della frequenza e
dell’ampiezza del segnale da misurare. Inoltre un segnale variabile nel tempo può essere analizzato
in tempo reale (oscilloscopio tradizionale) o memorizzato per essere ripreso successivamente
(oscilloscopio a memoria).
Lo schema a blocchi semplificato di un oscilloscopio tradizionale è illustrato in Figura 13.1.
Tramite un interruttore è possibile selezionare se rappresentare la variabile Y in funzione di
un’altra variabile X o in funzione del tempo. Nel caso venga rappresentata Y in funzione del
tempo, un opportuno circuito, detto Base dei Tempi, genera un segnale di tensione a dente di
sega VdX = k t che scandisce il CRT in direzione orizzontale. Il segnale da misurare VY , invece,
viene elaborato in modo da ottenere una tensione VdY = kY VY tale da deflettere il fascio elettronico
in direzione verticale. Sul CRT viene, quindi, rappresentata l’evoluzione del segnale VY durante l’intervallo di tempo definito da VdX , come illustrato in Figura 13.2. Un opportuno
segnale detto “trigger”, permette di sincronizzare la scansione verticale con quella orizzontale,
in modo da mostrare sullo schermo un forma d’onda stabile (qualora ovviamente il segnale sia
periodico).
V Y
V X
Canale Y
Base dei
Tempi
Canale X
V dY
V dX
CRT
Fig. 13.1 Schema a blocchi semplificato di un oscilloscopio analogico tradizionale
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 261
X
Y

13 Oscilloscopi
a
Y – Segnale da Analizzare
Fig. 13.2 Principio di funzionamento dell’oscilloscopio con base dei tempi
Nel caso in cui venga rappresentato il segnale V Y in funzione di un segnale esterno V X , si utilizza
una tensione V dX = k X V X invece del segnale generato dalla Base dei Tempi, in modo da produrre
un’opportuna deflessione del fascio elettronico in direzione X. In questo caso, quindi, sul CRT,
viene rappresentata l’evoluzione del segnale Y in funzione del segnale X senza alcuna informazione
temporale, come mostrato in Figura 13.3.
13.2. Tubo a Raggi Catodici
b
X – Base dei Tempi
L’elemento base di un oscilloscopio per uso generale analogico o digitale è il tubo a raggi catodici
(CRT). In un oscilloscopio analogico, infatti, esso permette di rappresentare visivamente
l’andamento di un segnale nel dominio del tempo o in funzione di un altro segnale. In un oscilloscopio
digitale, invece, esso è utilizzato come monitor (anche se in realtà in questo caso è possibile
utilizzare anche displays di altro tipo, per esempio dispositivi a cristalli liquidi).
Come illustrato in Figura 13.4, un tubo a raggi catodici è costituito da un cannone elettronico,
composto a sua volta da un catodo e da una serie di griglie o lenti, dalle placchette di deflessione
e da uno schermo su cui viene visualizzata la forma d’onda.
Esistono anche tubi catodici speciali che permettono di visualizzare due segnali allo stesso
tempo. Essi sono in genere basati su tre tecniche: tecnica a doppia traccia (un singolo sistema
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 262
a
b
CRT

Y – Segnale da Analizzare
X – Segnale da Analizzare
Fig. 13.3 Principio di funzionamento dell’oscilloscopio in modalità XY
Filamento
Catodo
Crossover
Luminosità
Fig. 13.4 Tubo a raggi catodici (CRT)
13.2. Tubo a Raggi Catodici
CRT
Primo Anodo Anodo Focalizzatore
Griglia di Controllo
Secondo Anodo
–(VA + VG )
0 –V 0
Placchette di Deflessione Y
–V A
Fuoco Astigmatismo
Placchette di Deflessione X
di deflessione viene commutato tra i due segnali), tecnica dual gun (vi sono due cannoni elettronici
e due sistemi di deflessione ma un singolo schermo) e tecnica dual beam (vi è un singolo
cannone elettronico ma il fascio viene diviso in due da apposite placchette, vi è poi una singola
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 263
Schermo
Simmetria Cilindrica

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coppia di placchette di deflessione orizzontale seguita da due coppie di placchette di deflessione
verticale).
13.2.1. Cannone Elettronico
All’interno del cannone elettronico il fascio di elettroni viene generato e focalizzato. Gli elettroni,
infatti, si comportano sotto molti aspetti in modo simile a un raggio luminoso, in quanto
essi possono essere rifratti, riflessi e focalizzati tramite lenti. Le lenti elettroniche, però, a differenza
di quelle ottiche, sono costituite da campi elettrici opportunamente sagomati, invece che
da materiali con proprietà ottiche diverse.
Gli elettroni, emessi per effetto termoionico dal catodo (a potenziale –VA ) riscaldato da un apposito
filamento, vengono accelerati verso il primo anodo (a potenziale 0) dalla differenza di
potenziale VA . La griglia di controllo (a potenziale –VA – VG ), posta tra il catodo e il primo
anodo, determina il numero di elettroni che costituiscono il fascio, permettendo così di controllare
la Luminosità dello schermo. La dimensione del foro denominato “crossover” nella griglia
di controllo, invece, determina la dimensione geometrica del punto luminoso sullo schermo.
L’anodo focalizzatore (a potenziale –V) ha la funzione di concentrare il fascio di elettroni,
mentre il secondo anodo (a potenziale 0) introduce una ulteriore accelerazione. Il controllo del
Fuoco viene normalmente posto sul secondo anodo in modo da non interferire con l’azione
dell’anodo focalizzatore. Il controllo dell’Astigmatismo (normalmente non accessibile) è invece
connesso a un ulteriore anodo.
La griglia di controllo, oltre a determinare la luminosità dello schermo, può anche essere utilizzata,
tramite opportuni circuiti (Circuiti Asse Z), per bloccare il fascio di elettroni tra una scansione
dello schermo e la successiva (Figura 13.5a). Alternativamente, questa stessa funzione
può essere realizzata tramite opportune placchette di spegnimento che deviano il fascio al di
fuori dello schermo (Figura 13.5b).
Griglia di Controllo
Filamento
Catodo
Circuiti
Asse Z
Primo Anodo
(a)
Luminosità
Impulso di Sblocco
Dalla Base dei Tempi
Placchette di Spegnimento
Livello di Interdizione
Fascio Deviato
Fig. 13.5 Interdizione del fascio elettronico tra una scansione e l’altra dello schermo tramite
griglia di controllo (a) o placchette di spegnimento (b)
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 264
(b)
Schermo

13.2.2. Placchette di Deflessione
13.3. Base dei Tempi
Il fascio di elettroni generato e focalizzato dal cannone elettronico deve, poi, essere indirizzato
verso le coordinate desiderate sullo schermo. Questa funzione viene svolta dalle placchette di
deflessione (X e Y). Negli oscilloscopi, in genere, si utilizza la deflessione elettrostatica, realizzata
tramite placchette parallele a cui è applicata una differenza di potenziale. Ovviamente, si
potrebbe ottenere lo stesso risultato anche utilizzando due coppie di bobine (deflessione magnetica),
come nei televisori.
13.2.3. Schermo
Lo schermo di un CRT è costituito da una lastra di vetro (in genere il tubo a vuoto stesso) sulla
cui parete interna vengono depositate sostanze (fosfori) che, colpite dagli elettroni emettono
radiazioni luminose visibili. L’energia degli elettroni incidenti, infatti, in parte viene dissipata
sotto forma di calore, in parte ionizza il materiale e in parte eccita il materiale provocando
un’emissione luminosa per un certo periodo di tempo, come illustrato in Figura 13.6.
Luminosità
100%
90%
10%
Fig. 13.6 Comportamento dello schermo colpito dal fascio di elettroni
13.3. Base dei Tempi
Corrente del Fascio
Tempo di Formazione Tempo di Decadimento
Fluorescenza Fosforescenza
Uscita Luminosa Complessiva
Lo schema a blocchi della Base dei Tempi è illustrato in Figura 13.7. Il blocco più importante è
ovviamente il Generatore di Rampa che genera il segnale per il canale X, mentre gli altri blocchi
servono per controllare e selezionare le diverse modalità di funzionamento. Il Circuito di Prelievo
è in realtà parte del canale verticale.
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 265
t

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Segnale di Ingresso (Y)
EXT
Circuito di
Prelievo
INT
1
LINE
220 V 10 V
Canale Y
Level Slope (+/–)
Generatore
di Trigger
Selettore di Trigger
Fig. 13.7 Schema a blocchi della Base dei Tempi
13.3.1. Modalità di Funzionamento
Selettore di Sweep Mode
10
Auto / Trigger / Single
Circuito
Auto
2 3
Circuito di
Ripristino
Generatore
di Gate
Circuiti Asse Z
Circuito di
Hold-Off
Canale X
Generatore
di Rampa
Time / Division
Nella base dei tempi esistono tipicamente tre modalità di funzionamento (triggered, auto e
single-sweep) che possono essere selezionate tramite il Selettore di Sweep Mode.
Modo Triggered
La modalità di funzionamento triggered viene in genere utilizzata per visualizzare segnali periodici.
La Base dei Tempi, infatti, viene avviata da un opportuno segnale di trigger, sincrono col
segnale da visualizzare (Y), permettendo così di ottenere sullo schermo una traccia stabile. Tramite
un selettore (Selettore di Trigger) è possibile scegliere se prelevare il segnale di trigger dal
segnale Y, da un segnale esterno oppure dalla tensione di linea (per esempio 220 V, 50 Hz).
In questa modalità di funzionamento il blocco chiamato Circuito Auto è disabilitato, mentre il
Generatore di Trigger fornisce in uscita un impulso ogni qual volta il segnale selezionato (INT,
EXT o LINE) attraversa una determinata soglia (controllo Level) con una determinata pendenza
(controllo Slope), come mostrato in Figura 13.8 (segnali 1 e 2). Il segnale ottenuto dal Generatore
di Trigger viene fornito in ingresso al Generatore di Gate, che è costituito da un circuito
bistabile (stati A e B) con uno terzo stato C metastabile indotto dal segnale generato dal Circuito
di Ripristino (segnale 7). Quando nel segnale di trigger (2) compare un impulso negativo tale
da portare la tensione in ingresso al Generatore di Gate al di sotto della tensione di soglia V1 (segnale 3), il circuito bistabile commuta dallo stato A allo stato B, avviando così il Generatore
di Rampa (segnali 4 e 5).
Il segnale in uscita dal Generatore di Gate viene fornito ingresso ai Circuiti Asse Z in modo da
sbloccare il fascio elettronico, mentre il segnale in uscita dal Generatore di Rampa viene fornito
in ingresso al Canale X e allo stesso tempo al Circuito di Hold-Off che a sua volta fornisce in
uscita una rampa con pendenza diversa (segnale 6). Questa rampa rappresenta il segnale di
ingresso al Circuito di Ripristino che è normalmente costituito da un trigger di Schmidt con
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 266
9
8
7
4
6
5

Slope –
Stato A
1
V S
V R
V 1
V 2
Level
Stato B
0
0
Stato C
13.3. Base dei Tempi
Fig. 13.8 Forme d’onda della base dei tempi in modalità di funzionamento triggered
soglie V S e V R . Quando la rampa raggiunge la tensione V S , l’uscita del Circuito di Ripristino
cambia di stato (segnale 7), portando il Generatore di Gate nello stato C. L’uscita del Generatore
di Gate, quindi, cambia stato e il Generatore di Rampa viene azzerato (segnali 3, 4 e 5).
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 267
1
1
Stato A
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8

13 Oscilloscopi
Mentre il Generatore di Gate si trova negli stati B e C, gli impulsi di trigger eventualmente
sopravvenuti vengono ignorati.
A questo punto, la rampa in uscita dal Circuito di Hold-Off inizia a scendere (segnale 6).
Quando essa raggiunge la tensione VR , il Circuito di Ripristino cambia nuovamente stato
(segnale 7), riportando così il Generatore di Gate nello stato iniziale A. Conseguentemente,
quando compare il successivo impulso nel segnale di trigger, il ciclo ricomincia, provocando
una nuova scansione orizzontale dello schermo. Nella modalità di funzionamento triggered,
quindi, la Base dei Tempi si comporta come un circuito monostabile.
Modo Auto
La modalità di funzionamento auto ovvia agli inconvenienti che presenta la modalità di funzionamento
triggered quando il segnale di trigger è assente o molto lento (in genere per frequenze
inferiori a 40 Hz). In questa modalità di funzionamento il Circuito Auto è attivo. Esso riceve in
ingresso un impulso generato dal Circuito di Ripristino (segnale 8), nonché il segnale di uscita
del Generatore di Trigger (segnale 10). Qualora non compaia alcun un impulso di trigger per
un determinato tempo (generalmente 25 ms, fissato da un circuito monostabile), l’impulso
generato dal Circuito di Ripristino viene direttamente fornito in ingresso al Generatore di Gate
attraverso un interruttore (S), come mostrato in Figura 13.9 (segnale 9). Pertanto, una volta terminato
un ciclo di funzionamento della Base dei Tempi (rampa e hold-off), inizia automaticamente
un nuovo ciclo, provocando così una continua scansione dello schermo. Il primo impulso
al Generatore di Gate viene fornito manualmente quando si seleziona il modo auto. Nella
modalità di funzionamento auto, quindi, la Base dei Tempi si comporta come un circuito astabile.
Level Slope (+/–)
Generatore
di Trigger
Circuito Auto
Monostabile
T = 25 ms
10
1 25 ms
0
1
2 3
Circuito di
Ripristino
Generatore
di Gate
Fig. 13.9 Schema a blocchi semplificato della Base dei Tempi in modalità auto
Modo Single-Sweep
La modalità di funzionamento single-sweep viene in genere utilizzata per visualizzare segnali
non periodici. In questo caso, infatti, in modalità triggered o auto si otterrebbe una traccia non
stabile sullo schermo. In modalità single-sweep, pertanto, vengono inibiti tutti gli impulsi di
trigger successivi al primo, provocando una singola scansione dello schermo. Questo viene ottenuto
inibendo il cambiamento di stato del segnale in uscita al Circuito di Ripristino (segnale 7)
quando la rampa in uscita dal Circuito di Hold-Off (segnale 6) scende al di sotto della tensione
VR . Il Generatore di Gate, quindi, dopo la prima scansione rimane nello stato C finché l’utente
non decide di effettuare un nuova scansione.
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 268
9
S
8
7

13.3.2. Generatore di Trigger
13.3. Base dei Tempi
Il Generatore di Trigger ha il compito di trasformare il segnale selezionato tramite il Selettore
di Trigger in una serie di impulsi con caratteristiche predefinite (ampiezza, durata e ritardo). Lo
schema a blocchi del Generatore di Trigger è illustrato in Figura 13.10.
Segnale di Trigger
DC
AC
HFR
LFR
Selettore di Accoppiamento
Fig. 13.10 Schema a blocchi del Generatore di Trigger
Esso è sostanzialmente costituito da un Circuito ad Isteresi (trigger di Schmidt o circuito a
diodo tunnel), che determina l’attraversamento da parte del segnale di trigger del livello di tensione
Level con pendenza Slope, seguito da un Derivatore, che trasforma il gradino in uscita dal
Circuito ad Isteresi in un singolo impulso di ampiezza e durata costanti. Il Circuito ad Isteresi
è connesso al segnale di trigger tramite quattro sezioni di accoppiamento (DC, AC, HFR e
LFR), selezionabili tramite il Selettore di Accoppiamento:
• accoppiamento in DC (continua): il segnale di trigger passa inalterato;
• accoppiamento in AC (alternata): passano solo le componenti spettrali del segnale di trigger
con frequenza maggiore di fL (tipicamente 10 Hz);
• accoppiamento HFR (reiezione delle alte frequenze): passano solo le componenti spettrali
del segnale di trigger con frequenza minore di fH (tipicamente 30 kHz);
• accoppiamento LFR (reiezione delle basse frequenze): passano solo le componenti spettrali
del segnale di trigger con frequenza maggiore di fH (tipicamente 30 kHz).
13.3.3. Generatore di Gate
1
Level Slope
Circuito a
Isteresi
Derivatore
Generatore di Gate
Il Generatore di Gate è sostanzialmente un circuito bistabile che viene attivato (set) dal Generatore
di Trigger e disattivato (reset) dal Circuito di Ripristino. Esso è in genere realizzato tramite
un diodo tunnel, come mostrato in Figura 13.11.
Data una corrente di polarizzazione IB , il diodo tunnel può presentare due diversi valori stabili
di tensione (VA e VB ). Quando il Generatore di Gate si trova nello stato A (in attesa di trigger),
nel diodo fluisce la corrente IB (l’interruttore S è chiuso) e VP = VA . Quando si presenta un
impulso di trigger di ampiezza sufficiente, la tensione ai capi del diodo diviene maggiore di VH ,
portando il Generatore di Gate nello stato B. Successivamente il segnale proveniente dal Circuito
di Ripristino apre l’interruttore S, interrompendo la corrente nel diodo e portando il Gene-
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 269

13 Oscilloscopi
Generatore di Trigger
Diodo Tunnel
I t
I V
S
I t
V P
V Ri
I B
Fig. 13.11 Schema a blocchi e principio di funzionamento del Generatore di Gate
ratore di Gate nello stato C. In Figura 13.11 si può notare che, quando il Generatore di Gate si
trova negli stati B e C, gli impulsi di trigger non producono alcun effetto. Quando l’interruttore
S viene richiuso, infine, il Generatore di Gate si porta nuovamente nello stato A e il ciclo può
ricominciare.
13.3.4. Generatore di Rampa
t
V P
I
I B
C
t
V A
A
G
Circuito di Ripristino
V H
Circuito di
Uscita Generatore di Rampa
Il Generatore di Rampa è normalmente un integratore di Miller con resistenza (R) o capacità
(C) variabile tramite il controllo Time / Division. Inoltre, vi è un interruttore che permette di
azzerare l’integratore al termine di ogni scansione.
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 270
V L
V B
B
V Ri
V
t

13.3.5. Circuito di Hold-Off
13.3. Base dei Tempi
Il Circuito di Hold-Off, il cui diagramma a blocchi è illustrato in Figura 13.12, preleva una frazione
(β V I ) della tensione in uscita dal Generatore di Rampa e la fornisce in ingresso al Circuito
di Ripristino (trigger di Schmidt) attraverso l’interruttore S 1 (V H = β V I ), caricando il condensatore
C H .
Generatore
di Rampa
β V I
V I
V H
V S
V R
V Ri
Fig. 13.12 Diagramma a blocchi del Circuito di Hold-Off
S 1
Circuito di
Ripristino
Quando la tensione VH all’ingresso del Circuito di Ripristino raggiunge la soglia di scatto del
Circuito di Ripristino (VH = VS ), l’uscita del Circuito di Ripristino (VRi ) cambia stato, chiudendo
l’interruttore S2 e aprendo S1 . Il condensatore CH viene, quindi, scaricato a corrente
costante (I), dando luogo a una rampa con pendenza negativa. Il valore di CH viene determinato
dal controllo Time / Division insieme ai valori di capacità e resistenza del Generatore di Rampa,
in modo da mantenere costante il rapporto tra il tempo di salita (ts ) e il tempo di discesa (td ) della
rampa stessa. Siccome il tempo di discesa della rampa deve essere molto più breve del tempo
di salita (ts / td ≅ 1000), il valore di CH è in genere molto minore del valore di C.
Quando la tensione VH scende al di sotto della soglia di riscatto del Circuito di Ripristino (VR ),
l’uscita del Circuito di Ripristino cambia nuovamente stato, riportando il Circuito di Hold-Off
nelle condizioni iniziali.
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 271
C H
V H
S 2
Time / Division
t
t
I
V Ri
Generatore di Gate

13 Oscilloscopi
13.4. Canale Verticale (Y)
La funzione principale del Canale Verticale è di portare il segnale d’ingresso al livello di tensione
necessario a deflettere opportunamente il fascio elettronico. Lo schema a blocchi del
Canale Verticale è mostrato in Figura 13.13. Esso è sostanzialmente costituito da un Selettore
di Ingresso che determina il tipo di accoppiamento (AC, DC o GND) e da una catena di attenuatori
e amplificatori, il cui guadagno è determinato dal controllo V / Division.
V Y
AC
GND
DC
Selettore di Ingresso
Fig. 13.13 Schema a blocchi del Canale Verticale
L’ampiezza a della traccia visualizzata sullo schermo (numero di divisioni) risulta data da
(13.1)
dove K1 , K2 e K3 rappresentano il guadagno (o l’attenuazione) dei diversi blocchi della catena.
Variando uno qualsiasi di questi parametri (in genere K1 a scatti a K2 in modo fine), è quindi
possibile variare l’ampiezza della traccia.
L’accoppiamento GND permette di connette l’ingresso Y a massa in modo da determinare lo
zero del segnale. Tramite il controllo Posizione, è poi possibile aggiustare verticalmente il
livello di zero in modo da porre la forma d’onda da visualizzare al centro dello schermo.
13.4.1. Attenuatore
V / Division Coarse
K 1
Attenuatore
Y
Amplificatore
Y
Il primo stadio del Canale Verticale è un attenuatore programmabile (Attenuatore Y). L’Attenuatore
Y deve avere due caratteristiche fondamentali: attenuare il segnale indipendentemente
dalla frequenza e presentare un’impedenza d’ingresso indipendente dall’attenuazione selezionata
(l’impedenza d’ingresso dell’Attenuatore Y è anche l’impedenza d’ingresso dell’oscilloscopio).
Pertanto, per soddisfare questi requisiti è necessario utilizzare un attenuatore compensato.
Esso è costituito da una serie di sezioni (Figura 13.14) che possono essere inserite o disinserite
a seconda dell’attenuazione richiesta. Le capacità C 1 , C 2 e C 3 permettono di mantenere
l’attenuazione costante al variare della frequenza del segnale. La rete costituita da R in e C in (terminazione)
rappresenta l’impedenza d’ingresso dell’Amplificatore Y.
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 272
V 1
a =
K1K2K3VY K 2
V / Division Fine
V 2
Posizione Polarità
Base dei Tempi
CRT
K 3
a

Fig. 13.14 Sezione e terminazione di un attenuatore compensato
13.4.2. Amplificatore Y
13.4. Canale Verticale (Y)
La caratteristica più importante dell’Amplificatore Y è di avere una elevata frequenza di taglio,
in quanto essa determina la banda passante dell’intero oscilloscopio (B), ovvero la massima frequenza
di segnale visualizzabile. Per massimizzare B senza degradare il guadagno, pertanto,
l’Amplificatore Y è normalmente costituito da più stadi in cascata, come mostrato in
Figura 13.15.
Attenuatore
C 3
Adattatore di
Impedenza
Fig. 13.15 Schema a blocchi dell’Amplificatore Y
R 1
C 1
R 2
Il primo stadio è in genere un Adattatore di Impedenza, che funge da terminazione per l’Attenuatore
Y. Il segnale differenziale ottenuto in uscita dall’Adattatore di Impedenza viene fornito
in ingresso a un Preamplificatore Differenziale (secondo stadio), il cui guadagno può essere
variato tramite il controllo V / Division Fine, in modo da determinare accuratamente l’ampiezza
del segnale sullo schermo. Inoltre, il controllo Posizione permette di aggiungere una componente
continua al segnale, determinando così la posizione verticale della traccia sullo schermo.
Infine, il controllo Polarità consente di invertire di segno il segnale (sfasamento di 180˚).
Il terzo stadio dell’Amplificatore Y è in genere un Linea di Ritardo. Essa è necessaria in tutti gli
oscilloscopi con banda superiore a 10 MHz per equalizzare i ritardi del Canale X e del Canale
Y, permettendo così di visualizzare il fronte di attacco del segnale. Infatti, se il ritardo del
Canale X (tdX ) fosse superiore al ritardo del Canale Y (tdY ), il fronte di attacco del segnale non
verrebbe visualizzato, con conseguente perdita di informazione (per questo motivo generalmente
la Linea di Ritardo viene dimensionata in modo da ottenere tdY leggermente maggiore di
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 273
C2
R in
C in
Sezione Terminazione
V / Division Fine
Preamplificatore
Differenziale
Base dei Tempi
Posizione Polarità
Linea di
Ritardo
Beam Finder
Amplificatore
Finale Y
Placchette di Deflessione

13 Oscilloscopi
tdX ). La Linea di Ritardo può essere realizzata a parametri concentrati, a parametri distribuiti
o, più comunemente, con circuito stampato.
Infine, l’ultimo stadio dell’Amplificatore Y è l’Amplificatore Finale Y che pilota le placchette
di deflessione verticale (elevata amplificazione).
13.4.3. Oscilloscopio a Doppia Traccia
Nell’analisi dei segnali nel dominio del tempo è spesso importante poter visualizzare due forme
d’onda contemporaneamente (per esempio i segnali d’ingresso e di uscita di un circuito). Quasi
tutti gli oscilloscopi, pertanto, prevedono questa possibilità (oscilloscopi a doppia traccia). Per
realizzare oscilloscopi a doppia traccia, oltre alle tecniche dual beam e dual gun che prevedono
la duplicazione di parte del tubo a raggi catodici e del Canale Y, esistono anche soluzioni basate
su circuiti di commutazione che, richiedendo meno circuiti addizionali, risultano più economiche
e quindi molto più diffuse. Lo schema a blocchi del canale verticale (Canale Y) di un oscilloscopio
a doppia traccia con circuiti di commutazione è illustrato in Figura 13.16.
V Y, A
V Y, B
V / Division A Posizione A Polarità A
Selettore di
Ingresso
Base dei Tempi
Selettore di
Ingresso
Attenuatore
A
Amplificatore
di Trigger
Selettore Trigger
Attenuatore
B
A
A + B
B
Preamplificatore
A
Preamplificatore
B
V / Division B Posizione B Polarità B
Circuito di Commutazione
Linea di
Ritardo
Circuito
Pilota
Amplificatore
Finale Y
Fig. 13.16 Schema a blocchi del Canale Y di un oscilloscopio a doppia traccia
La struttura del circuito è analoga a quella di un oscilloscopio a singola traccia. Tuttavia, i primi
stadi del Canale Y (Selettore, Attenuatore e Preamplificatore) vengono duplicati per poter prelevare
i due segnale d’ingresso (V Y, A e V Y, B ). I segnali in uscita dal Preamplificatore A e dal
Preamplificatore B vengono poi combinati tramite un Circuito di Commutazione e forniti in
ingresso a una singola Linea di Ritardo e quindi a un singolo Amplificatore Finale Y. Il controllo
Selettore Trigger permette di selezionare il segnale di trigger da inviare alla Base dei Tempi (A,
B o A + B). Inoltre, un apposito Circuito Pilota gestisce la commutazione tra i segnali. Agendo
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 274
TA
Mode
Placchette di Deflessione
A
B
ALT
CHOP
A + B
Base dei Tempi (ALT) Circuiti Asse Z (CHOP)

13.4. Canale Verticale (Y)
sul Circuito Pilota tramite il controllo Mode è possibile selezionare se visualizzare il segnale A
(modalità A), il segnale B (modalità B), la somma dei due segnali (modalità A + B) oppure
entrambi i segnali utilizzando alternativamente la modalità alternate (modalità ALT, normalmente
utilizzata per frequenze superiori a 30 kHz) o la modalità chopped (modalità CHOP, normalmente
utilizzata per frequenze inferiori a 500 Hz). È possibile anche visualizzare la differenza
dei due segnali, invertendo il segnale A o il segnale B tramite il controllo Polarità e selezionando
la modalità A + B.
Modalità Alternate
In modalità alternate i segnali A e B vengono visualizzati alternativamente sullo schermo in
scansioni successive (durante una scansione dello schermo viene visualizzato il segnale A e
durante la scansione seguente il segnale B), come mostrato in Figura 13.17. Se i segnali sono
correlati in frequenza è sufficiente prelevate il segnale di trigger indifferentemente dal segnale
A o dal segnale B. Se i segnali non sono correlati in frequenza, invece, è necessario prelevare il
trigger dal segnale da visualizzare (A + B, come in Figura 13.17). In modalità alternate è
comunque possibile ottenere forme d’onda stabili sullo schermo anche in presenza di segnali
scorrelati in frequenza. Un apposito segnale (TA), fornito dalla Base dei Tempi provoca la commutazione
del Canale Y dal segnale A al segnale B o viceversa (tramite il Circuito Pilota).
V Y, A
V Y, B
Trigger
Rampa
Gate
TA
Fig. 13.17 Principio di funzionamento dell’oscilloscopio a doppia traccia in modalità alternate
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 275
t
t
t
t
t
t

13 Oscilloscopi
Modalità Chopped
In modalità chopped i segnali A e B vengono visualizzati alternativamente sullo schermo
durante la medesima scansione, come mostrato in Figura 13.18. Ovviamente, in questo caso,
per avere una traccia stabile, i due segnali devono essere correlati in frequenza. Inoltre, la frequenza
di commutazione tra un segnale e l’altro (determinata dal Circuito Pilota, normalmente
circa 1 MHz) deve essere molto superiore alla frequenza dei segnali stessi. La modalità chopped,
quindi, viene generalmente utilizzata per segnali lenti.
V Y, A
V Y, B
Chopper
Rampa
Asse Z
Fig. 13.18 Principio di funzionamento dell’oscilloscopio a doppia traccia in modalità chopped
Per evitare che i transitori di commutazione tra un segnale e l’altro appaiano sullo schermo,
occorre inviare appositi impulsi ai Circuiti Asse Z (oltre al segnale di Gate) in modo da bloccare
il fascio elettronico in corrispondenza delle commutazioni. Il segnale di Chopper viene generato
dal Circuito Pilota.
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 276
t
t
t
t
t

13.5. Canale Orizzontale (X)
13.5. Canale Orizzontale (X)
Lo schema a blocchi del Canale Orizzontale è illustrato in Figura 13.19. Esso è costituito
dall’Attenuatore X (analogo all’Attenuatore Y), da un Preamplificatore X (analogo al Preamplificatore
Y) e da un Amplificatore Finale X (analogo all’Amplificatore Finale Y). Tramite un
selettore (controllo Horizontal Display), la rampa generata dalla Base dei Tempi viene connessa
all’Amplificatore Finale X in alternativa al segnale fornito dal Preamplificatore X. I controlli
del Canale Orizzontale (V / Division, Posizione e Polarità) sono analoghi a quelli del Canale
Verticale.
V / Division Coarse
V X
Attenuatore
X
V / Division Fine
Preamplificatore
X
Posizione Polarità
Fig. 13.19 Schema a blocchi del Canale Orizzontale
13.6. Oscilloscopio Digitale
Base dei
Tempi
Beam Finder
Amplificatore
Finale X
Horizontal Display
Al giorno d’oggi, grazie al progresso delle tecnologie integrate, gli oscilloscopi analogici per
applicazioni generiche, sono stati quasi completamente soppiantati dagli oscilloscopi digitali,
come è del resto accaduto in molti altri casi (per esempio i multimetri o gli analizzatori di armoniche).
La tecnologia digitale, infatti, offre prestazioni e funzioni indiscutibilmente superiori a
parità di costo. Benché il principio di funzionamento di un oscilloscopio digitale non differisca
di molto da quello di un oscilloscopio analogico (i controlli sono gli stessi, come pure i blocchi
base), le architetture interne nei due casi sono sostanzialmente diverse.
Lo schema a blocchi semplificato di un oscilloscopio digitale è illustrato in Figura 13.20. Esso
è costituito fondamentalmente da un Circuito di Ingresso (come nell’oscilloscopio analogico),
da un Convertitore A/D, da un Microprocessore, da una Memoria e dallo Schermo (con i relativi
Convertitori D/A e Amplificatori Finali).
Il segnale da analizzare viene convertito in forma digitale, memorizzato, elaborato dal Microprocessore
ed infine visualizzato sullo Schermo. I vantaggi di un oscilloscopio digitale sono
innumerevoli. Innanzitutto, grazie alla possibilità di memorizzare il segnale, è possibile visualizzare
chiaramente anche forme d’onda non periodiche o molto lente. Inoltre, l’elaborazione
digitale del segnale permette di includere nell’oscilloscopio numerose funzioni di misura (cursori
sullo schermo, misure di frequenza, trasformata di Fourier, operazioni matematiche, zoom)
tipicamente non disponibili in oscilloscopi analogici. Infine, siccome lo Schermo è gestito diret-
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 277
Placchette di Deflessione

13 Oscilloscopi
V Y
Circuito di
Ingresso
Clock
Volt / Division
f S
Interfaccia
Utente
Convertitore
A/D
Base dei
Tempi
Time / Division
Fig. 13.20 Schema a blocchi semplificato di un oscilloscopio digitale
tamente dal Microprocessore, è possibile realizzare facilmente oscilloscopi con numerosi canali
(tipicamente quattro).
13.6.1. Convertitore Analogico/Digitale
Memoria Microprocessore
Ricostruzione e
Elaborazione
Convertitori
D/A X e Y
Amplificatori
Finali X e Y
Schermo
La conversione analogico/digitale del segnale da analizzare è la caratteristica peculiare di un
oscilloscopio digitale. La precisione (risoluzione) e la velocità (frequenza di campionamento)
del Convertitore A/D, infatti, determinano le prestazioni dell’intero oscilloscopio. La digitalizzazione
di un segnale analogico tempo-continuo coinvolge due processi di discretizzazione: un
processo di discretizzazione nel dominio del tempo (campionamento) e un processo di discretizzazione
in ampiezza (quantizzazione).
In base al teorema di Shannon, il processo di campionamento non comporta perdita di informazione
purché la frequenza di campionamento fS sia almeno il doppio della banda del segnale da
convertire (frequenza di Nyquist), come mostrato in Figura 13.21. In pratica, per non avere perdita
di informazione le “immagini” del segnale introdotte dal campionamento intorno ai multipli
interi di fS non si devono sovrapporre. La banda passante B di un oscilloscopio digitale risulta,
quindi, limitata dal massimo valore di fS (B = fS / 2).
Il processo di discretizzazione in ampiezza o quantizzazione, invece, introduce inevitabilmente
un errore, detto errore di quantizzazione. Il segnale digitale in uscita da un Convertitore A/D,
infatti, è per definizione costituito da un numero finito di bit (N) che identificano 2 N – 1 intervalli
di quantizzazione, ciascuno di ampiezza ∆ / (2 N – 1), dove ∆ denota l’ampiezza massima
del segnale (Figura 13.22). Pertanto, tutti i livelli analogici compresi in un particolare intervallo
di quantizzazione dopo la conversione A/D risultano indistinguibili, provocando una perdita di
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 278

13.7. Probe
informazione. L’entità dell’errore di quantizzazione risulta tanto minore quanto maggiore è la
risoluzione del Convertitore A/D, definita dal numero N di bit in uscita. Ovviamente, il segnale
minimo rivelabile da un oscilloscopio digitale è legato alla risoluzione del Convertitore A/D.
In oscilloscopi a larga banda, per soddisfare il teorema di Shannon vengono in genere utilizzati
n convertitori A/D in parallelo che campionano il segnale in n istanti successivi, come illustrato
in Figura 13.23. Gli n segnali digitali così ottenuti vengono poi ricombinati in modo da produrre
un unico segnale campionato a frequenza più alta.
13.7. Probe
B f S
B f S
Fig. 13.21 Campionamento di un segnale analogico tempo-continuo
N out
2 N
Spettro del Segnale Tempo-Continuo
Fig. 13.22 Quantizzazione di un segnale analogico
i
0
Spettro del Segnale Campionato
2f S 3f S 4f S 5f S
Il probe o sonda di un oscilloscopio è costituito da un cavetto coassiale completato ad un
estremo da un sistema divisore e all’altro da un connettore per il collegamento all’ingresso
dell’oscilloscopio (Figura 13.24).
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 279
V in
∆ Intervallo di Quantizzazione (Qi )
f
f

13 Oscilloscopi
V in
Fig. 13.23 Convertitore A/D per oscilloscopi a larga banda
Fig. 13.24 Probe dell’oscilloscopio
1
2
n
Convertitore
A/D
Convertitore
A/D
Convertitore
A/D
Unità di
Controllo
I1 cavo coassiale ha la funzione di proteggere dai disturbi esterni il segnale da inviare all’oscilloscopio,
ma costituisce un carico per il circuito di misura e può produrre fenomeni di attenuazione.
Per evitare che il carico costituito dal cavetto e dalla impedenza di ingresso dell’oscilloscopio
influiscano sulla misura, è necessario aumentare l’impedenza vista al terminale del probe
mediante opportuni artifici.
Per chiarire le idee si consideri il caso di un generatore di impulsi con resistenza interna
Rg = 50 Ω e capacità di uscita Cg = 20 pF, come indicato in Figura 13.25.
Con questi parametri la risposta del sistema non è più rettangolare ma esponenziale. Convenzionalmente
si indica con tr il tempo necessario al segnale per passare dal 10% al 90% del valore
di cresta, per cui nel caso considerato tr è dato da
tr = 2.2Cg Rg =
2.2 ns
Multiplexer N out
(13.2)
Se si considera ora anche l’impedenza di ingresso dell’oscilloscopio, il circuito si modifica
come indicato in Figura 13.26a. Se la resistenza R i è elevata (ad esempio 1 MΩ), il circuito può
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 280

Fig. 13.25 Circuito equivalente di un generatore di impulsi
13.7. Probe
essere semplificato come illustrato in Figura 13.26b, in cui C g e C i sono considerate in parallelo.
Conseguentemente il tempo t r diviene
(a)
(b)
Rg
50 Ω
Cg
20 pF
Fig. 13.26 Circuito equivalente di un generatore di impulsi connesso a un oscilloscopio
(13.3)
Gli effetti della resistenza e della capacità introdotti dal cavetto e dell’oscilloscopio possono
essere ridotti inserendo un resistore (R 1 ) in serie con il conduttore nel cavo coassiale. Questo
resistore viene collocato sulla testa del probe come indicato in Figura 13.27.
C1
11.1 pF
Fig. 13.27 Circuito equivalente del probe dell’oscilloscopio
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 281
90%
10%
tr = 2.2( Cg + Ci)Rg= 13 ns
Generatore
Rg
50 Ω
Rg
50 Ω
Cg
20 pF
Cg + Ci
120 pF
Probe + Cavetto
R1
9 MΩ Ccomp Cc
tr
Oscilloscopio
Ci
100 pF
Oscilloscopio
Ci
100 pF
Ri
1 MΩ
Ri
1 MΩ

13 Oscilloscopi
Con l’inserimento del resistore R 1 un segnale a bassa frequenza che giunge all’ingresso
dell’oscilloscopio risulta attenuato nel rapporto
(13.4)
Di solito questo rapporto viene scelto in modo che sia un numero intero (1:10 oppure 1:50). Per
ottenere una corretta risposta in funzione della frequenza (mantenere l’attenuazione costante) è
però necessario includere nel circuito anche delle capacità come indicato in Figura 13.27. La
capacità C comp detta di compensazione può essere adattata e si fa in modo che risultino uguali i
seguenti rapporti:
⎧
⎪
⎪
⎨
⎪
⎪
⎩
(13.5)
dove kR rappresenta l’attenuazione per le basse frequenze e kC quella per le altre frequenze.
In questo modo con i parametri di Figura 13.27 la resistenza totale è di 10 MΩ e la capacità
totale di 10.3 pF. È evidente il vantaggio che si ottiene se si confrontano questi valori con quelli
propri dell’oscilloscopio (Ri = 1 MΩ e Ci = 100 pF).
13.8. Taratura di un Oscilloscopio
k R
k C
=
=
k
=
R i
-----------------
R1 + Ri R i
-----------------
R1 + Ri C 1
---------------------------------------------------
C1 + Ci + Cc + Ccomp L’oscilloscopio è uno strumento per la misurazione di segnali nel dominio del tempo. Il processo
di taratura di un oscilloscopio (indifferentemente analogico o digitale), pertanto, deve
necessariamente prevedere la verifica di tutti i parametri che determinano la qualità della misurazione
nel dominio del tempo.
In particolare, è necessario verificare la precisione della risposta dell’oscilloscopio in ampiezza
e in fase (ovvero la funzione di trasferimento) su tutta la banda di funzionamento dello strumento.
Inoltre, è necessario verificare l’uniformità della risposta in frequenza tra i diversi canali
dell’oscilloscopio, nonché l’uniformità dei ritardi introdotti dallo strumento sui diversi canali e
nella Base dei Tempi. Infine è necessario verificare la precisione e la stabilità con cui viene prelevato
il segnale di trigger. Tutti questi parametri vanno, ovviamente, verificati in tutte le condizioni
di funzionamento dello strumento (tipicamente con diverse ampiezze dei segnali e con
diversa selezione dell’accoppiamento dei segnali di ingresso e di trigger).
Per la verifica della funzione di trasferimento dell’oscilloscopio può essere utilizzato un analizzatore
di rete (network analyzer) di elevata precisione, in grado di generare e misurare segnali
sinusoidali di frequenza e ampiezza variabili. Un generatore di impulsi e un oscilloscopio di
precisione più elevata dello strumento sotto taratura possono invece essere utilizzati per la verifica
dei ritardi.
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 282

13.8. Taratura di un Oscilloscopio
Le caratteristiche di linearità dell’oscilloscopio possono infine essere verificate alternativamente
tramite analisi armonica di segnali sinusoidali oppure tracciando la caratteristica di trasferimento
ingresso/uscita in continua.
Queste considerazioni, abbastanza generali, vanno poi precisate e specificate a seconda del
modello e della casa costruttrice dell’oscilloscopio.
In generale, comunque, le case costruttrici di strumenti forniscono, oltre a un servizio di taratura,
anche tutte le procedure da utilizzare per effettuare una corretta taratura dell’oscilloscopio.
A. Bossi e P. Malcovati, Misure Elettriche 283