Oscilloscopio: cos’è, a cosa serve e come funziona?

E’ lo strumento più utilizzato in Elettronica. Serve a “vedere” come variano nel tempo le tensioni e le correnti elettriche.

Se devi misurare il valore di una tensione di una batteria o della “corrente di casa” è sufficiente un Tester, detto anche Multimetro.

Ma se devi “vedere” il segnale elettrico generato da un microfono, oppure un calo di tensione veloce nel circuito di alimentazione, o anche verificare un segnale digitale nel tuo circuito creato con un Arduino allora vorrai avere un Oscilloscopio al tuo fianco.

Parlando in termini matematici un Oscilloscopio “crea” in tempo reale (o quasi), un grafico Cartesiano dove sull’asse Y c’è la tensione, che stai misurando, e sull’asse X c’è il tempo.

I primi Oscilloscopi erano Analogici, diciamo che c’erano solo quelli. Il primissimo “Oscilloscopio”, che stampava su carta l’andamento nel tempo di un segnale elettrico, risale al 1893.

Lo ha inventato il fisico André Blondel per studiare la corrente elettrica Alternata.

A destra puoi vedere un Ondografo del 1902.

Questo strumento viene ancora oggi utilizzato negli igrometri e nei sismografi a carta.

Nel 1897 il fisico Karl Ferdinand Braun inventa il primo oscilloscopio sfruttando il tubo a raggi catodici da lui inventato (da questa invenzione deriverà anche la televisione e i display). Nel 1932 l’azienda Inglese A. C. Cossor utilizza l’oscilloscopio per creare il primo radar.

Nel 1946 nasce la Tektronix che diventerà la più importante azienda costruttrice di Oscilloscopi. Howard Vollum inventa il moderno sistema di trigger, che permette di “fermare” un segnale variabile sul display.

Gli oscilloscopi Analogici sono basati sul tubo catodico usato come display, e valvole termoioniche oggi rimpiazzate da transistor. A sinistra vedi il modello Tektronix 310A del 1955.

Nel 1985 viene realizzato il primo Oscilloscopio Digitale nei laboratory del CERN da Walter LeCroy, che fonderà la ditta LeCroy.

Oggi questa marca di Oscilloscopi è molto apprezzata per la loro capacità di visualizzare segnali elettrici molto veloci, nell’ordine dei picosecondi, o con frequenze di GigaHertz.

Il loro Oscilloscopio di punta vanta una larghezza di Banda di 30 GHz, e una velocità di acquisizione del convertitore digitale di 80 GS/s (Giga Sample per secondo = 80’000’000’000 di campionamenti al secondo).

E’ formato da 4 blocchi principali:

• Front End – amplificatore Verticale
• Base dei tempi – amplificatore Orizzontale
• Sistema di Trigger
• Tubo catodico – display analogico

Front End – Amplificatore Verticale

Il Front End è formato da un partitore di tensione, che abbassa la tensione di ingresso, e da un amplificatore che la alza se inferiore a quella necessaria.

Esempio: stiamo misurando un segnale elettrico, con forma d’onda sinusoidale, e ampiezza picco-picco di 6 Volt. Ricordando che il display ha 8 divisioni Orizzontali, se impostiamo 1 sul selettore (Volts/Div), Potremo visualizzare una tensione massima picco-picco, di 8 Volt. Per cui vedremo per intero la forma d’onda del segnale di ingresso.

Noterai che c’è una manopola con le scritte AC e DC. AC significa tensione alternata e DC continua. Quando selezioni AC interponi tra il segnale elettrico in ingresso e il Front End (cioè l’ingresso dell’Oscilloscopio), un condensatore che “blocca” la componente continua del segnale che stai misurando.

Faccio un esempio per capire l’utilità pratica. Voglio misurare la capacità di regolazione di un alimentatore (cioè la capacità di attenuare/diminuire il residuo di “disturbi” in uscita). Metto la punta della sonda sull’uscita positiva dell’alimentatore e amplifico l’ingresso fino a visualizzare tutto il segnale nel display (in pratica giro la manopola Volts/Div verso la sensibilità maggiore). Se l’uscita ha 3,3 Volt continui e un residuo di 60 mV picco-picco, dovrò impostare la manopola sulla tacca “0.01” e “AC”. Così ad ogni divisione verticale corrisponde una tensione di 10 mV (millesimi di Volt). Il residuo corrisponderà ad una ampiezza di 6 Divisioni.

Anche la sonda (Probe) è importante nella qualità del Front End e nel preservare l’integrità del segnale in ingresso.

La sonda, al cui termine c’è un puntale metallico appuntito, serve a collegare l’ingresso dell’oscilloscopio al punto elettrico (pin di un componente).

La sonda per Oscilloscopio è stata inventata dalla Tektronix nel 1959 ed era protetta da brevetto.

La sonda, insieme al circuito di Front End, hanno una resistenza interna (1 Mega Ohm) e una capacità che può variare dai 5 ai 15 pF.

Nella pratica se per esempio vuoi misurare la frequenza o ampiezza di oscillazione di un quarzo, potrebbe succedere che anche se il circuito normalmente funziona, quando colleghi il puntale della sonda non vedi il segnale elettrico. E’ successo che il circuito di oscillazione è stato eccessivamente “caricato” dalla resistenza dell’ingresso Oscilloscopio.

Usando una sonda con ingresso 10x dovresti vederlo funzionare (perchè questa sonda aumenta la resistenza di ingresso che diventa 10 Mega Ohm).

Il segnale elettrico in ingresso viene comparato con la tensione di trigger. Quando la tensione in ingresso supera la tensione di soglia (trigger level) l’uscita del comparatore si porta a livello alto. Si crea così un evento di trigger.

L’evento viene memorizzato con un flip-flop tipo D. Viene fatta partire la rampa di sweep, che determina la deflessione dell’asse orizzontale nel tubo catodico.

Il segnale di HoldOff azzera l’evento di trigger memorizzato dal flip-flop.

Il Trigger è un sistema che sincronizza il segnale elettrico in ingresso, con un criterio o evento, per “disegnarlo” in modo stabile sul display.

Un esempio di evento: la tensione di ingresso passa dal valore di 1 Volt al valore di 2 Volt. Il trigger è impostato con modalità soglia di tensione (threshold). La soglia che provoca un evento di trigger è impostata a 1,5 Volt con slope/pendenza positiva (cioè il valore del segnale aumenta, rising edge). Appena il valore di tensione arriva a 1,5 Volt viene attivata la visualizzazione, sul display, del segnale elettrico. Si dice che il segnale è stato “triggerato”. Il trigger fa partire la generazione della rampa di sweep.

L’accuratezza e la velocità con cui viene riconosciuto l’evento di trigger determinano la qualità del segnale visualizzato, ed in generale la qualità di un oscilloscopio.

Per fare un paragone: guarda una persona che corre! si muove in modo fluido. Quando una persona fa un passo alla volta lentamente produce un movimento a scatti. Possiamo semplificare dicendo che puoi paragonare un segnale analogico ad un movimento fluido, e all’opposto un segnale digitale come un movimento a scatti.

Lo stesso discorso vale se riprendi un filmato con il time laps o normalmente. Il video sotto ti fa vedere un filo che oscilla e “disegna” una sinusoide. Quando viene usata una luce stroboscopica con un tempo di flash uguale alla frequenza con cui oscilla la corda, il movimento della corda sembra fermo.

Con questo trucco i meccanici verificano la velocità del motore di una macchina.