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L’oscilloscopio L’oscilloscopio Samuele Samuele Straulino Straulino [email protected] [email protected] http://hep.fi.infn.it/ol/samuele/dida.php http://hep.fi.infn.it/ol/samuele/dida.php
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L’oscilloscopioL’oscilloscopioSamueleSamuele StraulinoStraulino
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Banda passante intervallo di frequenze osservabili
Cos’è un oscilloscopio
πωνω 2/ ; cos0 == tVV
Si tratta sostanzialmente di un voltmetro capace di visualizzare in funzione del tempo la differenza di potenziale fra due terminali d’ingresso.
Segnale sinusoidale
⎩⎨⎧
≈≈
= digitali pioscilloscoper GHz 1
analogici pioscilloscoper MHz 250 a fino 0 da andare Puòνν
ν
Schema a blocchi dell’oscilloscopio
placchette deflettrici
focheggiamento
fosfori
Tubo a raggi catodici Cathode Ray Tube (CRT)
schermo magneticoCATODO
emissione di elettroniper effetto termoionico:Ni + ossidi di Sr o BaT ~ 800 -900°C
cannoneelettronico
cannoneelettronico
Schema a blocchi dell’oscilloscopio
Gli elettroni sono confinati all’interno di un metallo per la presenza di un potenziale di altezza EB che non sono in grado di superare.Il numero di elettroni nel metallo per unità di volume e di energia a una temperatura T è espresso dalla relazione:
Elettroni in un metallo: livelli energetici
kTEEEcE
F )(exp1)(
−+=ρ
dove EF è detta energia di Fermi.Si osserva che per T = 0 sono occupati tutti e soli gli stati per cui E < EFmentre per T > 0 anche stati a energia più alta possono essere popolati (figura a lato). Tuttavia, solo se E > EB = EF + EW l’elettrone può lasciare il metallo.
eV 12 <= kTE Energia media degli elettroni emessi
Accelerazione degli elettroni
Langmuir I. Phys. Rev. II serie,vol. II (1913) 450
La carica spaziale dà luogo a un regime autoregolato in cui la corrente che si ottiene fra catodo e anodo dipende solo dalla geometria e dalle tensioni applicate, ma non dalla temperatura del catodo. In particolare vale la legge:
(legge di Langmuir-Child)
23cVI =
Estrazione del fascetto di elettroni
V 0=cV
V 10−≈conVV 2000+≈accV
focheggiamento
Schema a blocchi dell’oscilloscopio
Focheggiamento del fascetto di elettroni
Un elettrone che viaggia lungo l’asse del sistema sente soltanto forze dirette lungo l’asse, che lo rallentano nel passaggio fra il primo e il secondo elettrodo e lo accelerano fra il secondo e il terzo.
Il fascetto di elettroni passa attraverso tre elettrodi cilindrici tenuti a potenziali opportuni: il potenziale VF è regolato dall’utente tramite il controllo focus ed è comunque inferiore a V0.
1
Focheggiamento del fascetto di elettroni
Invece l’effetto netto su un elettrone che viaggia fuori dall’asse del sistema è convergente, perché la sua velocità nella zona centrale (a potenziale inferiore) è più piccola.
Il fascetto di elettroni passa attraverso tre elettrodi cilindrici tenuti a potenziali opportuni: il potenziale VF è regolato dall’utente tramite il controllo focus ed è comunque inferiore a V0.
2
placchette deflettrici
Schema a blocchi dell’oscilloscopio
Deflessione del fascetto di elettroni
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
⋅=
=
tam
eVv
aeV
dtydm
y
2
2
⎪⎪⎪
⎩
⎪⎪⎪
⎨
⎧
⋅+=
=
=
tmeVztz
meVv
eVmv
z
z
00
0
02
2)(
/221
00
2
0
00
2tan
22tan
2)(
aVbVLLd
aVbV
eVmb
ameV
vv
eVmbtbztz
z
y ===⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡⋅==
=∆→=−
ϑϑ
lungo y : lungo z :
02aVLb
Vd= sensibilità
di deflessione(V0 potenziale dell’anodo)
Placchette deflettrici & creazione del segnale• Alle placchette deflettrici verticali viene applicata la differenza di
potenziale da visualizzare.• Alle placchette orizzontali, invece, viene applicata una tensione
linearmente crescente (dente di sega) di durata proporzionale al valore scelto dall’utente per la scala dei tempi.
trigg
er
trigg
er
trigg
er
Trigger con un segnale esterno scorrelato
Placchette deflettrici & creazione del segnale
• Se acquisisco lo stesso segnale, ma dimezzo il valore impostato sulla scala dei tempi, osserverò una porzione più ristretta della sinusoide:
L’oscilloscopio digitale
Vantaggi rispetto all’oscilloscopio analogico :• Compattezza dello strumento;• Banda passante più ampia;• Informazioni sul segnale disponibili per successiva analisi-dati;• Funzione di pre-trigger • Numerose altre funzioni utili: RUN/STOP, linee di riferimento spostabili ecc.
Oltre alla banda passante (es. 500 MHz) è caratterizzato dalla frequenza massimadi campionamento (es. 2 GS/s, cioè 2 GigaSamples/second)
L’oscilloscopio digitale
In questo secondo tipo di oscilloscopio il segnale in ingresso viene campionatoda un ADC (convertitore analogico-digitale), memorizzato e quindi visualizzato.
Se la frequenza di campionamento è f , è possibile visualizzare segnali che oscillano in un intervallo di frequenze fino a f/2
(teorema del campionamento di Nyquist)
segnale vero
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2
t (ms)
Am
piez
za
sinusoide a 3.5 kHz
Aliasing
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2
t (ms)
Am
piez
za
sinusoide a 3.5 kHz campionamento a 4 kHz
Aliasing
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2
t (ms)
Am
piez
za
campionamento a 4 kHz
Aliasing
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2
t (ms)
Am
piez
za
sinusoide a 3.5 kHz campionamento a 4 kHz sinusoide a 0.5 kHz
Aliasing
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2
t (ms)
Am
piez
za
sinusoide a 3.5 kHz sinusoide a 0.5 kHz campionamento a 8 kHz
Aliasing
Lettura della tensione
Flash ADC
tensione di riferimentotensione da misurare
In un oscilloscopio che abbia un ADC a n bit (in figura n=3) la tensione da misurare viene confrontata con 2n-1 tensioni di riferimento prodotte a partire da VREF da un partitore di tensione: le risposte dei 2n-1 comparatori (una sequenza ordinata del tipo 0001111) vengono gestite da una logica combinatoriale che fornisce il valore binario della tensione.
I prin
cipa
li co
man
di
• Regolazioni (INTENSITY, BEAM FIND, FOCUS, x or y POSITION)
• Impostazione VOLTS/DIV su canale 1 e canale 2• Impostazione SEC/DIV per entrambi i canali (o
funzione X-Y)• Scelta del trigger (SOURCE, SLOPE, LEVEL)• Altri comandi (AC, DC, GND, ALT, CHOP, ADD) DC AC
Visualizzare un segnale sinusoidale
Visualizzare un segnale sinusoidale
L’oscilloscopio digitale
Registrazione dei segnali con l’oscilloscopio digitale
Registrazione dei segnali con l’oscilloscopio digitale
FFT
Dominio del tempo(T = 2.27 ms)
Dominio della frequenza( f = 440 Hz e armoniche!)
decibel:0
10log10(dB) AAA =
440 Hz1320 Hz
2200 Hz
-1.2
-1
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 1 2 3 4 5 6 7
txf sin)(1 =
16.0211
5sin04.03sin1.0sin)(
00
2
≈=→=
++=
πω f
tttxf
-0.5
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10
-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10
t
f
f
Accorgimenti per l’uso dell’oscilloscopio
CAVETTI COASSIALIriducono l’effetto di interferenze esterne al sistema
SONDE ATTENUATE Attenuano il segnale in ingresso di un fattore
indipendente dalla frequenza (tipicamente 10)
Accorgimenti per l’uso dell’oscilloscopio
TERMINAZIONI A 50 Ωriducono le riflessioni del segnale che si verificano ad alte frequenze quando il cavo è utilizzato per connettersia un dispositivo con ingresso ad alta impedenza
![The second term is equal to E U;T h E U0 hX 0 f^ (U+ T^U0) i E U00 hX f^ 0 0(U+ T^U00) ii = E U;T hX ; 0 f^ f^ 0E U0 [˜ (U+ T^U0)] E U00 [˜ 0(U+ T^U00)] i = X ; 0 f^ f^ 0E U [˜](https://static.fdocument.org/doc/165x107/5fe5c11270cbbb18821dcc13/the-second-term-is-equal-to-e-ut-h-e-u0-hx-0-f-u-tu0-i-e-u00-hx-f-0-0u.jpg)
