L'oscilloscopio

Materie:	Appunti
Categoria:	Fisica
Voto:	1 (2)
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Data:	11.10.2001
Numero di pagine:	12
Formato di file:	.doc (Microsoft Word)

OSCILLOSCOPIO DIGITALE
• Disponibilitа di microprocessori molto potenti
• Strumento numerico: la struttura di base dello strumento non viene modificata per ottenere la misura diversi parametri (algoritmi differenti)
• Costo inferiore, migliore accuratezza, possibilitа di misure automatiche
Conversione A/D funzione di due parametri:
• Numero massimo di bit per la codifica (N)
• Massima velocitа di conversione
• Blocchi in serie e blocchi in parallelo
• Banda di frequenza
• Attendibilitа dei risultati
• Blocco I/O (Si puт anche controllare il DSO da PC)
LA MEMORIA DI ACQUISIZIONE
• Buffer circolare: conserva gli ultimi N campioni
• Il trigger influisce sulla memorizzazione
• Se M1Gs/s)
Esempio:
Strumento commerciale alte prestazioni:
,
In realtа solamente N=512,

I SEGNALI RIPETITIVI
• One-shot ==> transitorio o fenomeno singolo
• Ma cosм, per Th. Shannon,
• E’ possibile superare queste restrizioni se si accettano alcune restrizioni sul sn di ingresso.
• Sn periodico:
• Questa condizione doveva valere anche per gli oscilloscopi analogici (rinfresco dei fosfori)
• Campionamento sincrono sequenziale
(analogici a campionamento)
• Campionamento asincrono in tempo equivalente (dso = Oscilloscopi numerici)
CAMPIONAMENTO ASINCRONO IN TEMPO EQUIVALENTE
HP di partenza:
• Sn periodico di periodo T
• Possibilitа di valutare intervalli =
• Periodo di campionamento
(POST-TRIGGER)
• Gli impulsi di trigger si verificano in modo completamente casuale (asincrono) rispetto agli istanti di campionamento
• Sfruttando la ripetitivitа del sn di ingresso и possibile ricostruirne l’andamento con una risoluzione temporale equivalente ad un time-slot (T/8) pur avendo campionato il segnale con (3T/8)
(PRE-TRIGGER)
RICOSTRUZIONE DELLA TRACCIA OTTENUTA (Asse temporale espanso)
Esempio:
;
• Coeff. di deflessione orizzontale==> 0.5 ns/div
• Schermo con 10 div. PV=10x0.5=5 ns S
• Traccia di 500 punti ==>
• 500 Time-slot di durata 10 ps ciascuno
==> Tempo di acquisizione molto lungo
RICOSTRUZIONE DELLA TRACCIA OTTENUTA (Asse temporale compresso)
Esempio:
;
• Coeff. di deflessione orizzontale==> 100 s/div
• Schermo con 10 div. PV=10x100=1 ms
==> Decimazione
IL BLOCCO DI INGRESSO
• Agisce sull’ampiezza e sul contenuto spettrale del sn analogico in ingresso
• Presentazione all’A/D converter (no aliasing)
• Realizzazione complessa ==> Autoscale
• Impedenze di in e out costanti al variare di V/div
• Frequenza di taglio inferiore (a 3 dB) F 10 Hz
• Frequenza di taglio superiore (a 3 dB) F MHz/GHz
ATTIVITA’ DI VISUALIZZAZIONE
VETTORIALE - RASTER
Vettoriale: 2 DAC, prestazioni in frequenza indipendenti (Banda passante non necessariamente ampia)
Raster: Matrice di NxM pixel eccitabili dal fascio
• Modulazione del fascio
• Visualizzazione di tracce o caratteri alfanumerici
Media qualitа: 368x576 Di pregio: 810x696
Frequenza di refresh: 50 : 70 Hz
Qualitа raster inferiore al vettoriale
Risoluzione paragonabile ma espandibile
PROBLEMI NELLA RAPPRESENTAZIONE

Interpolazione dei campioni di un sn analogico
Interpolazione lineare

PARAMETRI CHE CARATTERIZZANO UN OSCILLOSCOPIO DIGITALE
• Non definiti ancora in modo rigoroso e universalmente accettato (analogico: Banda passante BW, sensibilitа, accuratezza)
• Vengono fornite indicazioni ottenibili dallo strumento solo nelle migliori condizioni di impiego ==> difficili valutazioni e/o confronti
• Due BW, una per l’one-shot, l’altra per il campionamento asincrono
• In generale la BW e la fq. di taglio superiore coincidono e si intende BW a -3dB. Per avremo:
• Il sn visualizzato и molto attenuato e le correzioni per risalire al valore originale sono complesse
• Attenuazione subita:
• Attenuazione subita:
• Limite inferiore del tempo di salita del sn, URR (Usable Repetitive Response).
• Ad esempio:
BW=1GHz ==> misura di ts s URR=1.1 ns (inc. 5%)
FREQUENZE DI CAMPIONAMENTO
Esempi dai manuali / data sheet
• BW=1GHz ==>
ONE SHOT: Max freq. in ingresso : 1 MHz
ASINCRONO: Max freq. in ingresso : 100 MHz
• BW=300 Mhz ==>
ONE SHOT: Max freq. in ingresso : 40 MHz
ASINCRONO: freq. di taglio superiore:100 MHz
• BW ONE SHOT: = 50 Mhz (3 dB)
BW ASINCRONO: = 300 Mhz (3 dB)
Algoritmo di interpolazione non specificato
• BW ONE SHOT: = 250 Mhz (3 dB)
BW ASINCRONO: = 500 Mhz (3 dB)
Freq. campionamento effettiva
(se ne deducono 4 campioni per periodo)
• BW ONE SHOT: = 2 Mhz (3 dB) (portatile)
BW ASINCRONO: = 100 Mhz (3 dB)
Freq. campionamento effettiva
(se ne deducono 10 campioni per periodo)
ACCURATEZZA VERTICALE
statica (DC) e dinamica (AC)
• DC ACCURACY: :1% - 13% f.s. + qtа cost. (mV)
• A volte comprende sia il rumore introdotto dal blocco di condizionamento analogico che l’errore di quantizzazione e anche altri errori
• La qtа costante assume diverso significato a seconda della costante di taratura adottata
• Gain acc.: .2% f.s. DC Offset acc.: .1.5% of setting: a seconda che si consideri un valore letto sullo schermo o un offset introdotto (e 100 V)
• Risoluzione: Errore di quantizzazione introdotto dalla conversione A/D - numero di bit
Quantizzazione: 8 bit (256 livelli di tensione),
8 divisioni verticali, costante di taratura 1 V/div,
• Ris. dimensionale =
• Bit equivalenti: n° bit inferiori al ADC ideale
ACCURATEZZA TEMPORALE
• A volte comprende tutte le diverse sorgenti di incertezza che si possono manifestare nella misura della durata di un intervallo temporale
• Time Base Accuracy = 0.005% of reading
•
Esempio:
e al solito il peso del valore costante dipende dalla costante di taratura orizzontale adottata.
• Real Time Sampling:
max ( m 2ns, 0.2 % of time range)
• Repetitive Sampling:
max ( m 200 ps, 0.2 % of time range)
PRESTAZIONI LEGATE ALLA PRESENZA DEL BLOCCO DI MEMORIA
• La crescente e diffusa disponibilitа delle funzioni di memorizzazione ed elaborazione sono le vere caratteristiche che differenziano le prestazioni del DSO rispetto ad un oscilloscopio analogico
• Memoria suddivisa in blocchi (acq., vis., CPU)
• Mem. di acquisizione: possibili confronti tra porzioni diff. del sn acquisito (memoria=50/70K)
• Mem. di visualizzazione: concettualmente si puт ritenere che ad ogni pixel dello schermo sia associato un bit della memoria.
• Sono possibili confronti successivi, ad esempio tra la fdo presente nel nodo di un circuito prima e dopo un evento di guasto
• Persistenza infinita: Lo strumento continua ad eccitare un determinato pixel fino a che non riceve un opportuno comando dall’esterno
• Persistenza infinita: Disponibili diversi reticoli per lo strumento e registrazione di tensioni approssimativamente periodiche con lente e modeste variazioni (intervalli di ore)
• Persistenza infinita: E’ possibile la valutazione (memorizzazione) dei valori estremi assunti dal segnale di ingresso durante un intervallo di tempo specificato (extrema, roof, floor)
• Esempio: Si desidera valutare il ritardo di attivazione di un sn rispetto a un altro, considerato come riferimento in un circuito elettronico di tipo digitale

• Utilitа di queste prestazione in un sistema di misura automatico
• Utilizzo di cursori forniti in forma numerica sia per UV che per VT (es. tempo di salita)
DISPONIBILITA’ DI CAPACITA’ ELABORATIVA
• Esempio: un periodo di sn sinusoidale visualizzato sullo schermo. E’ possibile ottenere in modo automatico Vpp, frequenza, periodo, ecc...
• Ma occorre conoscere sempre il tipo di algoritmo adottato per il calcolo di quel preciso parametro !
• Ad esempio per Vpp и semplice ma per il calcolo del periodo e/o frequenza le cose possono essere piщ complicate
• Infatti non sempre l’intervallo di tempo che intercorre tra passaggi successivi (livello/pendenza) coincide con il periodo del sn stesso (come sin)
• Anche per il calcolo del valor medio occorre attenzione perchи si basa sul conteggio di un certo n° di campioni
==> E’ necessario molto senso critico nell’accettare i risultati forniti in modo automatico dallo strumento
Inoltre la determinazione della scarsa significativitа dei risultati puт essere complessa quando lo strumento и inserito in un sistema di mis. automatico
• Sono inoltre possibili alcune operazioni elementari sui dati acquisiti (+, -, *, /) e anche in questo caso la responsabilitа и dell’operatore che fa la misura.
DISPONIBILITA’ DI CAPACITA’ ELABORATIVA
• Esempio: sfruttamento dell’operazione differenza per la determinazione della d.d.p. tra due nodi fuori massa:

• Non и possibile collegare i due terminali di una sonda (BNC) ai nodi 1 e 2 in quanto si porrebbe a massa uno dei nodi, tramite lo strumento, alterando cosм il funzionamento del circuito con probabile danneggiamento del circuito e/o dello strumento
• Tramite un DSO a due canali ==>
• Se la tensione presente in un canale, proporzionale alla corrente che attraversa la sezione di un circuito, и moltiplicata per un’opportuna d.d.p. presente sull’altro canale ==> il loro prodotto и proporzionale alla potenza istantanea che interessa la sezione in esame e puт essere visualizzata, mediata, ecc...
• Il quoziente puт fornire utili informazioni sull’impedenza di un bipolo, ecc...
LA SONDA COMPENSATA
• Realizza un collegamento schermato tra oscilloscopio analogico/digitale e mondo esterno
• Potrebbero essere raccolti dal collegamento segnali per induzione o irradiazione (antenna)
• Cavetto con capacitа verso massa Cc=1 pF/cm
• Il sistema si comporta come un filtro passa-basso
• Per ovviare a questo si usa una sonda compensata
• Se le due celle hanno la stessa costante di tempo, l’insieme realizza un attenuatore compensato
• Esempio: R2=1ME Attenuazione = 10
• Regolando C1 si ottiene la condizione di non distorsione, a scapito di una attenuazione del segnale.
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OSCILLOSCOPIO DIGITALE
• Disponibilitа di microprocessori molto potenti
• Strumento numerico: la struttura di base dello strumento non viene modificata per ottenere la misura diversi parametri (algoritmi differenti)
• Costo inferiore, migliore accuratezza, possibilitа di misure automatiche
Conversione A/D funzione di due parametri:
• Numero massimo di bit per la codifica (N)
• Massima velocitа di conversione
• Blocchi in serie e blocchi in parallelo
• Banda di frequenza
• Attendibilitа dei risultati
• Blocco I/O (Si puт anche controllare il DSO da PC)
LA MEMORIA DI ACQUISIZIONE
• Buffer circolare: conserva gli ultimi N campioni
• Il trigger influisce sulla memorizzazione
• Se M1Gs/s)
Esempio:
Strumento commerciale alte prestazioni:
,
In realtа solamente N=512,

I SEGNALI RIPETITIVI
• One-shot ==> transitorio o fenomeno singolo
• Ma cosм, per Th. Shannon,
• E’ possibile superare queste restrizioni se si accettano alcune restrizioni sul sn di ingresso.
• Sn periodico:
• Questa condizione doveva valere anche per gli oscilloscopi analogici (rinfresco dei fosfori)
• Campionamento sincrono sequenziale
(analogici a campionamento)
• Campionamento asincrono in tempo equivalente (dso = Oscilloscopi numerici)
CAMPIONAMENTO ASINCRONO IN TEMPO EQUIVALENTE
HP di partenza:
• Sn periodico di periodo T
• Possibilitа di valutare intervalli =
• Periodo di campionamento
(POST-TRIGGER)
• Gli impulsi di trigger si verificano in modo completamente casuale (asincrono) rispetto agli istanti di campionamento
• Sfruttando la ripetitivitа del sn di ingresso и possibile ricostruirne l’andamento con una risoluzione temporale equivalente ad un time-slot (T/8) pur avendo campionato il segnale con (3T/8)
(PRE-TRIGGER)
RICOSTRUZIONE DELLA TRACCIA OTTENUTA (Asse temporale espanso)
Esempio:
;
• Coeff. di deflessione orizzontale==> 0.5 ns/div
• Schermo con 10 div. PV=10x0.5=5 ns S
• Traccia di 500 punti ==>
• 500 Time-slot di durata 10 ps ciascuno
==> Tempo di acquisizione molto lungo
RICOSTRUZIONE DELLA TRACCIA OTTENUTA (Asse temporale compresso)
Esempio:
;
• Coeff. di deflessione orizzontale==> 100 s/div
• Schermo con 10 div. PV=10x100=1 ms
==> Decimazione
IL BLOCCO DI INGRESSO
• Agisce sull’ampiezza e sul contenuto spettrale del sn analogico in ingresso
• Presentazione all’A/D converter (no aliasing)
• Realizzazione complessa ==> Autoscale
• Impedenze di in e out costanti al variare di V/div
• Frequenza di taglio inferiore (a 3 dB) F 10 Hz
• Frequenza di taglio superiore (a 3 dB) F MHz/GHz
ATTIVITA’ DI VISUALIZZAZIONE
VETTORIALE - RASTER
Vettoriale: 2 DAC, prestazioni in frequenza indipendenti (Banda passante non necessariamente ampia)
Raster: Matrice di NxM pixel eccitabili dal fascio
• Modulazione del fascio
• Visualizzazione di tracce o caratteri alfanumerici
Media qualitа: 368x576 Di pregio: 810x696
Frequenza di refresh: 50 : 70 Hz
Qualitа raster inferiore al vettoriale
Risoluzione paragonabile ma espandibile
PROBLEMI NELLA RAPPRESENTAZIONE

Interpolazione dei campioni di un sn analogico
Interpolazione lineare

PARAMETRI CHE CARATTERIZZANO UN OSCILLOSCOPIO DIGITALE
• Non definiti ancora in modo rigoroso e universalmente accettato (analogico: Banda passante BW, sensibilitа, accuratezza)
• Vengono fornite indicazioni ottenibili dallo strumento solo nelle migliori condizioni di impiego ==> difficili valutazioni e/o confronti
• Due BW, una per l’one-shot, l’altra per il campionamento asincrono
• In generale la BW e la fq. di taglio superiore coincidono e si intende BW a -3dB. Per avremo:
• Il sn visualizzato и molto attenuato e le correzioni per risalire al valore originale sono complesse
• Attenuazione subita:
• Attenuazione subita:
• Limite inferiore del tempo di salita del sn, URR (Usable Repetitive Response).
• Ad esempio:
BW=1GHz ==> misura di ts s URR=1.1 ns (inc. 5%)
FREQUENZE DI CAMPIONAMENTO
Esempi dai manuali / data sheet
• BW=1GHz ==>
ONE SHOT: Max freq. in ingresso : 1 MHz
ASINCRONO: Max freq. in ingresso : 100 MHz
• BW=300 Mhz ==>
ONE SHOT: Max freq. in ingresso : 40 MHz
ASINCRONO: freq. di taglio superiore:100 MHz
• BW ONE SHOT: = 50 Mhz (3 dB)
BW ASINCRONO: = 300 Mhz (3 dB)
Algoritmo di interpolazione non specificato
• BW ONE SHOT: = 250 Mhz (3 dB)
BW ASINCRONO: = 500 Mhz (3 dB)
Freq. campionamento effettiva
(se ne deducono 4 campioni per periodo)
• BW ONE SHOT: = 2 Mhz (3 dB) (portatile)
BW ASINCRONO: = 100 Mhz (3 dB)
Freq. campionamento effettiva
(se ne deducono 10 campioni per periodo)
ACCURATEZZA VERTICALE
statica (DC) e dinamica (AC)
• DC ACCURACY: :1% - 13% f.s. + qtа cost. (mV)
• A volte comprende sia il rumore introdotto dal blocco di condizionamento analogico che l’errore di quantizzazione e anche altri errori
• La qtа costante assume diverso significato a seconda della costante di taratura adottata
• Gain acc.: .2% f.s. DC Offset acc.: .1.5% of setting: a seconda che si consideri un valore letto sullo schermo o un offset introdotto (e 100 V)
• Risoluzione: Errore di quantizzazione introdotto dalla conversione A/D - numero di bit
Quantizzazione: 8 bit (256 livelli di tensione),
8 divisioni verticali, costante di taratura 1 V/div,
• Ris. dimensionale =
• Bit equivalenti: n° bit inferiori al ADC ideale
ACCURATEZZA TEMPORALE
• A volte comprende tutte le diverse sorgenti di incertezza che si possono manifestare nella misura della durata di un intervallo temporale
• Time Base Accuracy = 0.005% of reading
•
Esempio:
e al solito il peso del valore costante dipende dalla costante di taratura orizzontale adottata.
• Real Time Sampling:
max ( m 2ns, 0.2 % of time range)
• Repetitive Sampling:
max ( m 200 ps, 0.2 % of time range)
PRESTAZIONI LEGATE ALLA PRESENZA DEL BLOCCO DI MEMORIA
• La crescente e diffusa disponibilitа delle funzioni di memorizzazione ed elaborazione sono le vere caratteristiche che differenziano le prestazioni del DSO rispetto ad un oscilloscopio analogico
• Memoria suddivisa in blocchi (acq., vis., CPU)
• Mem. di acquisizione: possibili confronti tra porzioni diff. del sn acquisito (memoria=50/70K)
• Mem. di visualizzazione: concettualmente si puт ritenere che ad ogni pixel dello schermo sia associato un bit della memoria.
• Sono possibili confronti successivi, ad esempio tra la fdo presente nel nodo di un circuito prima e dopo un evento di guasto
• Persistenza infinita: Lo strumento continua ad eccitare un determinato pixel fino a che non riceve un opportuno comando dall’esterno
• Persistenza infinita: Disponibili diversi reticoli per lo strumento e registrazione di tensioni approssimativamente periodiche con lente e modeste variazioni (intervalli di ore)
• Persistenza infinita: E’ possibile la valutazione (memorizzazione) dei valori estremi assunti dal segnale di ingresso durante un intervallo di tempo specificato (extrema, roof, floor)
• Esempio: Si desidera valutare il ritardo di attivazione di un sn rispetto a un altro, considerato come riferimento in un circuito elettronico di tipo digitale

• Utilitа di queste prestazione in un sistema di misura automatico
• Utilizzo di cursori forniti in forma numerica sia per UV che per VT (es. tempo di salita)
DISPONIBILITA’ DI CAPACITA’ ELABORATIVA
• Esempio: un periodo di sn sinusoidale visualizzato sullo schermo. E’ possibile ottenere in modo automatico Vpp, frequenza, periodo, ecc...
• Ma occorre conoscere sempre il tipo di algoritmo adottato per il calcolo di quel preciso parametro !
• Ad esempio per Vpp и semplice ma per il calcolo del periodo e/o frequenza le cose possono essere piщ complicate
• Infatti non sempre l’intervallo di tempo che intercorre tra passaggi successivi (livello/pendenza) coincide con il periodo del sn stesso (come sin)
• Anche per il calcolo del valor medio occorre attenzione perchи si basa sul conteggio di un certo n° di campioni
==> E’ necessario molto senso critico nell’accettare i risultati forniti in modo automatico dallo strumento
Inoltre la determinazione della scarsa significativitа dei risultati puт essere complessa quando lo strumento и inserito in un sistema di mis. automatico
• Sono inoltre possibili alcune operazioni elementari sui dati acquisiti (+, -, *, /) e anche in questo caso la responsabilitа и dell’operatore che fa la misura.
DISPONIBILITA’ DI CAPACITA’ ELABORATIVA
• Esempio: sfruttamento dell’operazione differenza per la determinazione della d.d.p. tra due nodi fuori massa:

• Non и possibile collegare i due terminali di una sonda (BNC) ai nodi 1 e 2 in quanto si porrebbe a massa uno dei nodi, tramite lo strumento, alterando cosм il funzionamento del circuito con probabile danneggiamento del circuito e/o dello strumento
• Tramite un DSO a due canali ==>
• Se la tensione presente in un canale, proporzionale alla corrente che attraversa la sezione di un circuito, и moltiplicata per un’opportuna d.d.p. presente sull’altro canale ==> il loro prodotto и proporzionale alla potenza istantanea che interessa la sezione in esame e puт essere visualizzata, mediata, ecc...
• Il quoziente puт fornire utili informazioni sull’impedenza di un bipolo, ecc...
LA SONDA COMPENSATA
• Realizza un collegamento schermato tra oscilloscopio analogico/digitale e mondo esterno
• Potrebbero essere raccolti dal collegamento segnali per induzione o irradiazione (antenna)
• Cavetto con capacitа verso massa Cc=1 pF/cm
• Il sistema si comporta come un filtro passa-basso
• Per ovviare a questo si usa una sonda compensata
• Se le due celle hanno la stessa costante di tempo, l’insieme realizza un attenuatore compensato
• Esempio: R2=1ME Attenuazione = 10
• Regolando C1 si ottiene la condizione di non distorsione, a scapito di una attenuazione del segnale.
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