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Lezione 2 (mercoledì 11 e martedì 17 marzo). Introduzione all’utilizzo dell’oscilloscopio, del generatore di segnale e dell’alimentatore in DC

Lezione 2. Introduzione all’utilizzo dell’oscilloscopio, del generatore di segnale e dell’alimentatore in DC 1. Introduzione Nel corso della presente lezione l’attenzione sarà focalizzata sul funzionamento di tre strumenti molto diffusi: l’oscilloscopio digitale, il generatore di segnale e l’alimentatore in DC.

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Utilizzo dell’oscilloscopio digitale

L’oscilloscopio è uno strumento molto diffuso che consente la misura e la visualizzazione della tensione applicata al suo o ai suoi canali di ingresso. Il segnale viene visualizzato su di uno schermo che riporta sull’asse verticale la tensione e sull’asse orizzontale il tempo. Lo schermo è diviso da un reticolo in una sorta di matrice; ciascuna elemento del reticolo è detto divisione. Come riportato in figura 2.1, il numero di divisioni in cui è suddiviso l’asse del tempo (nell’esempio 10) può essere differente dal numero di divisioni in cui è suddiviso l’asse della tensione (nell’esempio 8).

Figura 2.1. Esempio dello schermo di un oscilloscopio, in cui sono evidenziate le 8 divisioni dell’asse del tempo e le 10 dell’asse della tensione.

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Lezione 2 (mercoledì 11 e martedì 17 marzo). Introduzione all’utilizzo dell’oscilloscopio, del generatore di segnale e dell’alimentatore in DC

2.1 Prelievo del segnale Il segnale misurato dall’oscilloscopio viene prelevato, tipicamente, tramite un cavo coassiale e un connettore BNC. Il cavo coassiale è molto utilizzato per trasportare segnali elettrici di bassa potenza e consta di un materiale conduttore centrale e di un conduttore più esterno concentrici tra loro (per questo e perché hanno il medesimo asse sono detti coassiali). Tali conduttori sono separati da uno strato isolante, inoltre, vi è un isolante esterno di protezione (figura 2.2.A).

Figura 2.2. A) Struttura di un cavo coassiale (lato sinistro) e struttura di un connettore BNC; B) terminazione di cavi coassiali con connettori BNC e banana, ed esempio di connettore banana BNC.

Il conduttore esterno, detto anche calza, funge da protezione da disturbi per il segnale elettrico trasportato dal conduttore interno. Come mostrato in figura 2.2.B, i cavi coassiali possono terminare con connettori BNC oppure con cavi con spina a banana. Opportuni connettori possono essere utilizzati per passare da connessione a spina a banana a connettori BNC.

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I connettori BNC (Bayonet Neill Concelman, o Bayonet Nut Concelman) consentono una connessione molto stabile tra maschio e femmina, tramite l’aggancio molto particolare da cui prendono il nome. La figura 2.2A mostra la struttura di un cavo BNC. Il conduttore centrale del BNC è connesso al conduttore centrale del coassiale, mentre il materiale conduttore esterno è connesso alla calza.

2.2 Utilizzo dell’oscilloscopio Nella visualizzazione di un segnale risultano essere cruciali alcune impostazioni, tra le quali quelle descritte di seguito: ü Impostazione dei V/DIV Da tale impostazione dipende la dinamica del segnale che può essere rappresentata sullo schermo dell’oscilloscopio e l’ampiezza della forma d’onda visualizzata sullo schermo. Il valore impostato di V/DIV rappresenta il valore di tensione di ciascuna divisione. Se l’oscilloscopio presente più di un canale, questa impostazione può essere regolata in modo differente e indipendente tra i vari canali. Al fine di comprendere meglio l’impatto che ha tale impostazione sulla visualizzazione della forma d’onda facciamo riferimento alla figura 2.3. In tale figura è simulata la visualizzazione di un segnale sinusoidale sullo schermo di un oscilloscopio al variare del valore di V/DIV impostato. Altre specifiche sono che il segnale ha ampiezza 1V, che l’oscilloscopio ha 8 divisioni sull’asse verticale e che il riferimento (V=0) è posizionato al centro dello schermo dell’oscilloscopio.

Figura 2.3. Influenza dell’impostazione V/DIV sulla visualizzazione di un segnale sinusoidale misurato dall’oscilloscopio.

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Lezione 2 (mercoledì 11 e martedì 17 marzo). Introduzione all’utilizzo dell’oscilloscopio, del generatore di segnale e dell’alimentatore in DC

In particolare, vengono considerate 4 impostazioni e come tali impostazioni influiscono sulla visualizzazione del succitato segnale sinusoidale: i) V/DIV=1V, il che significa che ogni divisione rappresenta un valore di tensione di 1V. Considerando che V=0 è posizionato al centro dello schermo, vi sono 4 divisioni sotto tale riferimento e 4 divisioni sopra di esso. Quindi, lo schermo dell’oscilloscopio ha una dinamica compresa tra +4V e -4V. Tali valori sono calcolati moltiplicando il valore impostato di V/DIV per il numero di divisioni. In questo caso il segnale è centrato al centro dello schermo e occupa solo le due divisioni al cui centro vi è il riferimento; ii) V/DIV=0.1V, il che significa che ogni divisione rappresenta un valore di tensione di 0.1V. Considerando che V=0 è posizionato al centro dello schermo, vi sono 4 divisioni sotto e 4 divisioni sopra tale riferimento. Quindi, lo schermo dell’oscilloscopio ha una dinamica compresa tra +0.4V e -0.4V. In questo caso il segnale è centrato al centro dello schermo, ma non viene visualizzato in tutta la sua ampiezza, poiché tale ampiezza è maggiore della dinamica dello schermo (il massimo è 1V, mentre lo schermo visualizza fino a 0.4 V; il minimo è -1V, mentre lo schermo visualizza fino a -0.4 V). Il risultato è quello di visualizzare solo una parte della forma d’onda della tensione in ingresso, mentre la restante parte esterna all’intervallo [-0.4V; +0.4V] viene tagliata; iii) V/DIV=10V, il che significa che ogni divisione rappresenta un valore di tensione di 10V. In tale situazione lo schermo dell’oscilloscopio ha una dinamica compresa tra +40V e -40V. In questo caso il segnale è centrato al centro dello schermo, ma viene visualizzato in modo molto schiacciato, poiché occupa solo una frazione di una singola divisione (1/10 di divisione); iv) V/DIV=2V, il che significa che ogni divisione rappresenta un valore di tensione di 2V. In tale situazione lo schermo dell’oscilloscopio ha una dinamica compresa tra +8V e -8V. In questo caso il segnale è centrato al centro dello schermo, viene visualizzato in modo leggermente più schiacciato rispetto all’impostazione 1V/DIV e meno schiacciato dell’impostazione 10V/DIV. ü Impostazione del t/DIV Da tale impostazione dipende l’intervallo di tempo in cui viene rappresentato il segnale sullo schermo dell’oscilloscopio. Infatti, il valore impostato di t/DIV rappresenta l’intervallo di tempo di ciascuna divisione. Se l’oscilloscopio presente più di un canale, questa impostazione non può essere regolata in modo differente e indipendente tra i vari canali, pertanto il t/DIV sarà lo stesso per tutti i canali. Al fine di comprendere meglio l’impatto che ha tale impostazione sulla visualizzazione della forma d’onda facciamo riferimento alla figura 2.4. In tale figura è simulata la visualizzazione di un segnale sinusoidale sullo schermo di un oscilloscopio al variare del valore di t/DIV impostato. Altre specifiche sono che il segnale ha frequenza 1Hz (quindi il periodo del segnale è 1s), che 4

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l’oscilloscopio ha 10 divisioni sull’asse orizzontale e che il riferimento (V=0) è posizionato al centro dello schermo dell’oscilloscopio.

Figura 2.4. Influenza dell’impostazione t/DIV sulla visualizzazione di un segnale sinusoidale misurato dall’oscilloscopio.

In particolare, vengono considerate 4 impostazioni e come la visualizzazione del succitato segnale sinusoidale cambi al variare di tali impostazioni: i) t/DIV=1s, il che significa che ogni divisione rappresenta un intervallo di tempo di 1s. Considerando che l’oscilloscopio preso ad esempio presenta 10 divisioni sull’asse orizzontale, su di un’intera schermata viene rappresentato il segnale per un intervallo di tempo pari a 10 s. Tale valore è ottenuto moltiplicando il t/DIV impostato (1s) per il numero di divisioni (10). Pertanto, con l’impostazione t/DIV=1s vengono visualizzati 10 periodi del segnale in ingresso; ii) t/DIV=10s, il che significa che ogni divisione rappresenta un intervallo di tempo di 10s. Dalle considerazioni fatte in precedenza si evince che su di un’intera schermata viene rappresentato il segnale per un intervallo di tempo pari a 100 s. In questo caso vengono visualizzati 100 periodi del segnale in ingresso che appare molto schiacciato; iii) t/DIV=0.01s, il che significa che ogni divisione rappresenta un intervallo di tempo di 0.01s. Dalle considerazioni fatte in precedenza si evince che su di un’intera schermata viene rappresentato il segnale per un intervallo di tempo pari a 0.1 s. In questo caso viene visualizzata solo una parte di un periodo del segnale, che, quindi, non viene visualizzato nella sua interezza;

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Lezione 2 (mercoledì 11 e martedì 17 marzo). Introduzione all’utilizzo dell’oscilloscopio, del generatore di segnale e dell’alimentatore in DC

iv) t/DIV=0.5s, il che significa che ogni divisione rappresenta un intervallo di tempo di 0.5s. Dalle considerazioni fatte in precedenza si evince che su di un’intera schermata viene rappresentato il segnale per un intervallo di tempo pari a 5 s. In questo caso vengono visualizzati 5 periodi del segnale in ingresso che risulta essere visualizzato in modo meno schiacciato rispetto all’utilizzo di un t/DIV maggiore (es. 1s). ü Impostazione della posizione del riferimento sull’asse verticale Negli esempi precedenti è stata utilizzata come posizione di riferimento il centro dello schermo. È possibile modificare tale impostazione con il solo effetto di traslare la forma d’onda sullo schermo. Può essere utile per visualizzare al meglio un segnale che ha un valore medio non nullo; inoltre, può risultare utilissima quando vengono visualizzate contemporaneamente più forme d’onda (ad esempio il modello di oscilloscopio presente in lab consente di visualizzarne 2, avendo due canali, e, sono diffusi oscilloscopi con un numero maggiore di canali). Nel caso della visualizzazione di due o più forme d’onda, la loro sovrapposizione potrebbe renderne difficile l’analisi, in questo caso è utile traslarne una, modificando la posizione del riferimento. Infatti, la posizione del riferimento può essere regolata in modo differente e indipendente per i diversi canali dell’oscilloscopio. In figura 2.5 viene simulata la visualizzazione sullo schermo dell’oscilloscopio di due forme d’onda sinusoidali di stessa ampiezza, valore medio nullo e frequenza simile, utilizzando la stessa posizione del riferimento (grafico a sinistra) e traslando una delle due forme d’onda di 3V attraverso l’impostazione della posizione del riferimento (grafico a destra).

Figura 2.5. Esempio per illustrare l’utilità dell’impostazione t/DIV nella visualizzazione di due segnali.

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Lezione 2 (mercoledì 11 e martedì 17 marzo). Introduzione all’utilizzo dell’oscilloscopio, del generatore di segnale e dell’alimentatore in DC

ü Accoppiamento di ingresso Negli oscilloscopi si ha la possibilità di utilizzare diverse modalità di acquisizione del segnale in ingresso: i.

Modalità AC (Alternating Current) coupling. Tale modalità è utile quando si desidera acquisire solo la componente alternata del segnale in ingresso. Infatti, utilizzando questo accoppiamento, il segnale in ingresso all’oscilloscopio viene inviato a un circuito basato su di un condensatore che funge da filtro passa alto. Dopo questa operazione, la componente continua del segnale in ingresso viene eliminata, non vengono per nulla attenuate le componenti ad alta frequenza del segnale; vengono attenuate componenti a frequenze basse (tipicamente...