Cos'è l'oscilloscopio, come funziona e tipologie di oscilloscopi: analogico, digitale, LCD, USB

Sommario:

Cos'è l'oscilloscopio?

L'oscilloscopio è un dispositivo di visualizzazione di grafici di un segnale elettrico. Nella maggior parte delle applicazioni, il grafico mostra come i segnali cambiano nel tempo: l'asse verticale (Y) rappresenta la tensione e l'asse orizzontale (X) rappresenta il tempo. L'intensità o la luminosità del display è talvolta chiamata asse Z.

Gli oscilloscopi possono essere classificati in due categorie principali:

• oscilloscopi analogici;
• oscilloscopi digitali.

Contrariamente a un oscilloscopio analogico, un oscilloscopio digitale utilizza un convertitore da analogico a digitale (ADC, Analog to Digital Converter) per convertire la tensione misurata in informazioni digitali. Acquisisce la forma d'onda come una serie di campioni e li conserva fino a quando non accumula abbastanza campioni per descrivere una forma d'onda. L'oscilloscopio digitale quindi ri-assembla la forma d'onda per la visualizzazione sullo schermo.

Gli oscilloscopi digitali possono essere classificati in:

• oscilloscopi a memoria digitale (DSO, Digital Storage Oscilloscope);
• oscilloscopi al fosforo digitale (DPO, Digital Phosphor Oscilloscope);
• oscilloscopi a segnali misti (MSO, Mixed Signal Oscilloscope);
• oscilloscopi a campionamento digitale.

Un oscilloscopio è costituito da quattro diversi sistemi: il sistema verticale, il sistema orizzontale, il sistema di trigger e il sistema di visualizzazione. Tutti questi sistemi sono utilizzati dall'oscilloscopio per fornire la maggior parte delle informazioni sul segnale e consentire all'utente di determinare l'integrità, la prevedibilità e l'affidabilità di questi segnali per qualsiasi numero di applicazioni.

Cosa misura un Oscilloscopio

Gli oscilloscopi vengono utilizzati per molte misurazioni tra cui:

• Misure di tensione;
• Misure di tempo e frequenza;
• Misurazioni della durata dell'impulso e del tempo di salita;
• Misure di sfasamento.

Altre tecniche di misurazione comportano l'installazione dell'oscilloscopio per testare componenti elettrici su una catena di montaggio, catturare segnali transitori sfuggenti e molti altri.

Come funziona un oscilloscopio

Gli oscilloscopi digitali rientrano in una delle tre classi: oscilloscopi a memoria digitale (DSO), oscilloscopi al fosforo digitale (DPO) e oscilloscopi a campionamento. Tutti e tre hanno sistemi verticali, orizzontali, di acquisizione e di innesco.

Il sistema verticale è il punto di ingresso per i segnali provenienti dalla sonda. Ottimizza l'ampiezza del segnale in ingresso nell'intervallo di tensione dei circuiti successivi, in particolare il convertitore da analogico a digitale (ADC).

Il sistema di acquisizione comprende gli elementi della base dei tempi (o orizzontale) più gli attuali elementi di digitalizzazione e memorizzazione. Campiona la tensione del segnale, acquisendo numerosi punti dati per visualizzarla. In un oscilloscopio digitale, il sistema orizzontale contiene l'orologio di campionamento, che fornisce a ciascun campione di tensione una coordinata temporale (orizzontale) precisa.

Il clock di campionamento aziona un convertitore da analogico a digitale (ADC) la cui uscita è memorizzata nella memoria di acquisizione. La capacità di questa memoria è nota come lunghezza del record.  Negli ultimi anni sono stati fatti enormi progressi nell'architettura del sottosistema di acquisizione, tra cui innovazioni come la tecnologia di acquisizione DPX ™ utilizzata negli oscilloscopi al fosforo digitale.

Il sistema di trigger rileva una condizione specificata dall'utente nel flusso del segnale in entrata e la applica come riferimento temporale nella registrazione della forma d'onda. Viene visualizzato l'evento che ha soddisfatto i criteri di trigger, così come i dati della forma d'onda che precedono o seguono l'evento.  In ogni caso, è possibile osservare la posizione temporale dell'evento trigger. Il sistema di trigger garantisce che una forma d'onda stabile e coerente venga visualizzata sullo schermo. Il sistema di trigger cerca soglie di tensione, ampiezze di impulsi, combinazioni logiche (su più ingressi) e molte altre condizioni per qualificare un'acquisizione.

Il grafico dell'oscilloscopio

il grafico di un segnale elettrico di un oscilloscopio mostra come il segnale cambia nel tempo. Negli oscilloscopi al fosforo digitale (DPO), l'asse Z può essere rappresentato dalla classificazione dei colori del display.

Un vantaggio chiave di un oscilloscopio è la sua capacità di ricostruire accuratamente un segnale. Migliore è la ricostruzione del segnale, maggiore è l'integrità del segnale.
I diversi sistemi e le capacità prestazionali di un oscilloscopio contribuiscono alla sua capacità di fornire la massima integrità del segnale possibile. Le sonde influiscono anche sull'integrità del segnale di un sistema di misurazione.

Le forme d'onda

Il termine generico utilizzato per un modello che si ripete nel tempo è un'onda. Le onde sonore, le onde cerebrali, le onde dell'oceano e le onde di tensione sono tutti schemi ripetitivi. Un oscilloscopio misura le onde di tensione creandone una rappresentazione grafica.

Fenomeni fisici come vibrazioni, temperatura o fenomeni elettrici come corrente o potenza possono essere convertiti in tensione da un sensore. Un ciclo d'onda è la porzione dell'onda che si ripete. Una forma d'onda di tensione mostra il tempo sull'asse orizzontale e la tensione sull'asse verticale.

Le forme d'onda rivelano molto su un segnale. Ogni volta ci sarà un cambiamento nell'altezza della forma d'onda, si saprà che la tensione è cambiata. Ogni volta che c'è una linea orizzontale piatta si saprà che non ci sono cambiamenti per quel periodo di tempo.

Le linee rette e diagonali significano un cambiamento lineare; un aumento o una caduta di tensione a un ritmo costante. Gli angoli acuti su una forma d'onda indicano un cambiamento improvviso.

Tipi di onde

Possiamo classificare la maggior parte delle onde in questi tipi:

• Onde sinusoidali;
• Onde quadrate o rettangolari;
• Onde a dente di sega e triangolo;
• Forme del passo e del polso;
• Segnali periodici e non periodici;
• Segnali sincroni e asincroni;
• Onde complesse.

Tipi di oscilloscopi

Oscilloscopio a raggi catodici

Gli oscilloscopi erano originariamente basati su tubi a raggi catodici (CRT), che sono relativamente voluminosi, pesanti, assetati di energia, inaffidabili e costosi.

Oscilloscopi LCD

Proprio come i televisori CRT sono stati in gran parte sostituiti da una più conveniente tecnologia LCD, così molti oscilloscopi CRT sono stati sostituiti da schermi LCD a schermo piatto. Invece di utilizzare fasci di elettroni in movimento per tracciare tracce, gli oscilloscopi LCD utilizzano invece l'elettronica digitale per tracciare una traccia, imitando efficacemente ciò che sta accadendo con la tecnologia più vecchia. Gli oscilloscopi LCD tendono ad essere molto più economici e compatti.

A differenza degli oscilloscopi tradizionali, che utilizzano la tecnologia interamente analogica (visualizzazione di vari segnali sullo schermo che corrispondono esattamente ai segnali che vengono immessi in essi), gli oscilloscopi LCD sono generalmente digitali: usano convertitori da analogico a digitale per trasformare i segnali in ingresso (analogici) in forma numerica (digitale) e poi tracciare quei numeri sullo schermo.

Oscilloscopi USB

Poiché i computer, tablet o smartphone sono già dotati di un display LCD, non è più necessario acquistare un oscilloscopio se non per uso professionale. Esistono aziende che vendono oscilloscopi USB, o cavi equivalenti per dispositivi mobili, che simulano i circuiti in un oscilloscopio tradizionale e visualizzano una traccia sul PC o sullo schermo del cellulare.