Come funzionano gli oscilloscopi?

Come funziona l’oscilloscopio

L’oscilloscopio è un dispositivo di visualizzazione grafica bidimensionale dell’andamento di un segnale elettrico e consente di effettuare misure di tensione (rappresentate sull’asse verticale) e di periodo (con il tempo rappresentato sull’asse orizzontale).

Gli oscilloscopi possono essere classificati in due categorie principali:

  • oscilloscopi analogici, per mezzo dei quali è possibile ricavare la misura di grandezze quali corrente, potenza ed energia del segnale (ormai residuali per usi amatoriali);
  • oscilloscopi digitali che, grazie alla possibilità di memorizzare la forma d’onda sotto forma di campioni, permettono di effettuarne una lettura diretta per mezzo di calcoli sui campioni medesimi, la cui elaborazione viene visualizzata sullo schermo.

Mentre gli oscilloscopi tradizionali utilizzano una tecnologia interamente analogica,  visualizzando sullo schermo quanto corrisponde esattamente ai segnali che vengono immessi tramite le sonde, gli oscilloscopi digitali usano convertitori da analogico a digitale per trasformare quei segnali analogici in ingresso in codici numerici (digitali) che, estrapolati, vengono riprodotti sullo schermo.

Come funziona l’oscilloscopio

Un oscilloscopio (Oscilloscopi analogicioscilloscopi digitali ) è costituito da quattro diversi sistemi che, tutti insieme, vengono utilizzati per  fornire la maggior parte delle informazioni sul segnale e consentire all’operatore di valutare l’integrità, la prevedibilità e l’affidabilità di questi segnali:

  • il sistema verticale, che è il punto di ingresso per i segnali provenienti dalla sonda e ne ottimizza l’ampiezza al fine della lettura e della codifica;
  • il sistema orizzontale, che grazie al proprio orologio di campionamento 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.
  • il sistema di trigger, che rileva una condizione specificata dall’operatore nel flusso del segnale in entrata e la applica come riferimento temporale nella registrazione della forma d’onda. Il sistema di trigger consente che una forma d’onda stabile e coerente venga visualizzata sullo schermo.
  • il sistema di visualizzazione, che tiene conto dei parametri e dei risultati dei sistemi precedenti per riportarli correttamente sullo schermo.

Infatti, il segnale, una volta campionato e memorizzato nella RAM, può essere elaborato da un microprocessore in grado di ricavare dai campioni i dati che sono oggetto della misurazione, come le forme d’onda, i tempi, le ampiezze, gli spettri di frequenza, etc. e visualizzarli su uno schermo monitor.

Una particolarità degli oscilloscopi digitali è la possibilità di operare il campionamento di un segnale periodico in tempo equivalente, elaborando ripetutamente più campioni, ad esempio a 20 GHz, per raggiungere una banda passante di oltre 50 GHz.

Grazie alla tecnologia, ormai gli oscilloscopi digitali possono essere collegati via USB ai computer e in rete per essere comandati a distanza ed essere sincronizzati con altri strumenti di misura.

Per poter funzionare adeguatamente, un oscilloscopio deve essere accompagnato da una sonda di qualità, che è un accessorio fondamentale in quanto serve a prelevare il segnale da esaminare, alterandolo il meno possibile al fine di garantire affidabilità nelle misure.

A cosa serve un oscilloscopio

L’uso più comune di un oscilloscopio è nella diagnosi di guasti in apparecchiature elettroniche.

Di norma, si parte dallo schema elettrico dove sono indicati i diversi stadi del sistema (sintonizzatore, oscillatori, amplificatori, alimentazione etc.) e i segnali (corrente, tensione, resistenza) che dovrebbero essere presenti in diversi punti.

Si collega la sonda dell’oscilloscopio nel punto indicato tra due stadi, dopo avere collegato assieme le masse di oscilloscopio ed apparecchio in esame per evitare di determinare un pericoloso corto circuito.

Se il segnale in un certo punto è assente o significativamente alterato, si può ritenere che uno stadio precedente della catena sia difettoso per cui, risalendo all’indietro, per esclusione si può individuare quale sia il componente che non funzioni.

In maniera similare si possono testare circuiti appena progettati per verificare la correttezza dei parametri calcolati o individuare eventuali errori.

In elettronica è necessario disporre di oscilloscopi con almeno due tracce per poter confrontare tra loro i segnali, al fine verificare la presenza di sorgenti di disturbo e di anomalie.

Un altro impiego è nella progettazione di software embedded (integrato), dato che l’oscilloscopio permette di verificare se il software stia inviando i giusti segnali all’hardware.

Come ogni apparecchiatura di precisione, soprattutto in caso di uso intenso, un oscilloscopio necessita periodicamente di operazioni di taratura, indispensabili per garantirne l’attendibilità.