tubo a raggi catodici -...

Oscilloscopio (Analogico)

- visualizzazione di una tensione in funzione di un’altra tensione;

- visualizzazione di una tensione in funzione del tempo:

- il segnale � ��

è inviato alle p.d.v.;

- viene generato segnale “proporzionale al tempo”;

- “lavora” alla velocità del segnale;

- evento di trigger, riferimento temporale;

- segnali periodici (o ripetitivi).

- limitate capacità di elaborazione;

Oscilloscopio – p.1/52

Tubo a raggi catodici

filamento

catodo

griglia defl. vert.

defl. orizz.

schermo

aquadag

acceler.fuoco

(anche altri tipi di display)

�

�

��

��

��

��

��

�

� � � � � � �

� � � � � �

��

��

� � � � � �


Deflessione

��

��

� necessità di amplificare il segnale da visualizzare

�� ATT. Y

amp. vert.


Amplificatori per Oscilloscopi

Amplificatori

attenuatore alle placche

� � ��

� a. differenziali bilanciati;

� possibilità di sommare tensioni continue (traslazione);

� necessità di pilotare carico capacitivo;

� oggi amplificatori integrati;

� � limite superiore di banda.


Stadio d’ingresso

��

� ��

� ��

� resistenza: valore standard;

� capacità: valore tipico (ordine di grandezza);

� diminuisce ad alte frequenze;

� � si utilizza

� � ��

:

� � possibilità di lavorare in condizioni di adattamento;

� in ogni caso

� �� non è puramente resistiva.


Accoppiamento

1 (AC)2 (DC)

��

��

� ��

50

��

� �� : AC/DC;

� �� : gnd (livello di zero, allineamento traccia);

� �� :

��

.


Attenuatori

��(

� �

)��

��

��

��

� ��

� ��

� � � � �

1M1M1M

1M1M

1M

900k3-12p

111k

3-12p

47p

1.5-7p 4.5-25p500k990k4.5-25p

10.1k

1.5-7p

270p 1M


Base dei tempi

� �

� ��

��

� � � � ��

��

� �

� sincronizzazione della scansione orizzonale con il segnale;

� segnale di trigger;

� soglia/pendenza (circuito specifico).


Base dei tempi ritardata

Necessità di attivare la scansione orizzontale con un certo ritardo (delay)rispetto all’evento di trigger.

� �

base dei tempi “ordinaria” (non ritardata)


Base dei tempi ritardatacon una base dei tempi “ordinaria”:

�

il risultato non è utile.


Base dei tempi ritardatabase dei tempi ritardata:

� �

�

(trigger)

trigger

rampa ausiliaria

scansione orizzontale

delay ��


Base dei tempi ritardatacon una base dei tempi ritardata:

si riesce a “selezionare” l’impulso di interesse


Sistemi multitraccia

F.F. Tdal circ. di trigger alt.

chop.

ATT.

ATT.

Y

amp. vert.

� ��

� ��

� Modalità alternata o chopped


Oscilloscopio analogico: limiti

- possibilità di lavorare solo con segnali periodici;

(assenza di memoria)

- scarse possibilità di elaborazione del segnale;

(elaborazione analogica richiede specifici circuiti)

- . . .


Oscilloscopio numerico(Schumann’s folly)

Schema di principio:

- attenuazione/amplificazione;

- campionamento (S/H) e conversione A/D;

- memorizzazione dei campioni

- ...

- visualizzazione

AMPL. A-D MEM.S/HATT.

AMPL. A-D MEM.S/HATT. DIS

PLA

Y

. . .


Modalita di scansione

Scansione vettoriale

Y

X

MEMORIA

oscill. contr.

CRTD-A

��


Modalita di scansione

Scansione raster

��

�


Scansione raster

La soluzione . . .

xyz

MEMORIA PROC. NUM. DISPLAY

Il processore numerico svolge anche altre operazioni


Oscilloscopio Digitale

Principali differenze rispetto all’O.A.

- campionamento del segnale;

- conversione in digitale;

- memorizzazione;

- necessità di ricostruire il segnale;

Possibilità offerte

- visualizzazione di segnali non periodici (memoria);

- “tempi negativi” (

� � �� );

- operazioni sui segnali;

- eventi di trigger più complessi;

- ...


Campionamento

* Processo di conversione di una porzione (record) di segnale in unnumero di valori discreti con lo scopo di memorizzarli, elaborarli,visualizzarli, ecc.

��

��

��

��

��

��

��

��

� ��

��

* il valore del campione corrisponde all’ampiezza del segnalenell’istante di campionamento.


Campionamento

- frequenza di campionamento

��

- "passo" temporale

�� (teoricamente) costante

- quantizzazione del segnale (ADC);

�

- � elevato � minore velocità;

- � elevato � maggior costo;

- in un oscillocopio generalmente � � �: � ��

;


Rappresentazione dei soli punti acquisiti

t

v

�

Difficoltà a riconoscere la forma d’onda:


Alias percettivo

alias percettivo (a) - xrange [-10:0]

Gli stessi campioni possono dare luogo a rappresentazioni “diverse”,

dipendentemente (p. es.) dalla scala


Alias e interpolazione

alias percettivo (a) - interpolazione lineare

t

v

interpolazione lineare


Alias e interpolazione

t

v

interpolazione lineare


Interpolazioneformula di Nyquist:

� � � � ��

� ��

� ��

��

�

��

��

��

� � � � � ��

� � � � � � � � � � � �

� � � � � ��

media pesata dei campionifunzione peso:


Interpolazione

��

��

� � � � ��

� � ��

� � ��

��

� � ��

��

ricostruzionein un istante diverso

��

� � ��


Interpolazione

- l’algoritmo di Nyquist è pesante

- altri algoritmi di interpolazione:

� ��

� ��

� � � �

� ��

��

è una diversa funzione “peso”.


Teorema del campionamento

��

� � �� camp. �

� ��

�

� � ��

- � � � � � � � ��

: min 2 campioni/periodo

- onda quadra: min 2 campioni per ogni periodo della max componentespettrale che deve essere correttamente rappresentata (ricostruita).

� �� camp. �

altroalgoritmo � � ��

��

� ��

� � � ��

- qualità della ricostruzione dipendente dalla forma del segnale


Interpolazione

Sull’oscilloscopio:* (non sempre) possibilità di selezionare:

- interpolazione lineare

- eventuale altra interpolazione

- nessuna interpolazione

- Intensified Samples:

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�

�


Memoria dati

��

��

larghezza

prof

ondi

tà1 0 1 1 0 1 0 01 0 1 0 0 1 0 1

� � �

� ��

� � � �

- maggiore profondità � �

grande;

- memoria ricircolante;

- memoria veloce;

- parametro di merito di un oscil-loscopio;

MEMcampioni

PROCNUM video

MEMDISPLAY


Campionamento

Modalità:

* tempo reale

segnali anche non periodici

* tempo equivalente

segnali periodici

- casuale

- sequenziale


Campionamento in tempo reale

- avviene alla massima frequenza di campionamento possibile

- segnale acquisito continuamente;

- anche segnali non ripetitivi, transitorii, ...

- l’evento di trigger determina l’invio al display;


Trigger e visualizzazione

campioni acquisiti continuamente:(

�

= intervallo “visualizzato”)

��

� ��

� ��

�

tr. �

- visualizzazione per tempinegativi (delay)

- differenze con o.a.

- possibilità di visualizzare ilsegnale prima di una (sua)anomalia

- istante di trigger indicato suldisplay (T,

�

, ...)


Trigger, campionamento e visualizzazione

- L’istante di triggergeneralmente non coincidecon un istante dicampionamento

- La frequenza dicampionamento non ègeneralmente multipla diquella del segnale

�

- necessità di misurare iltempo tra il trigger e l’istantedi campionamento.

sampling pulses

trigger pulses

trigger level

input signal


Trigger, campionamento e visualizzazione

- La misura permette di posizionare correttamente i valori del segnalelungo l’asse dei tempi.

- La misura è resa possibile da un segnale di clock a frequenza moltoelevata (contatore)

�

elevata � migliore risoluzione temporale.

- Possibilità di jitter o ispessimento della traccia per distanze temporalidello stesso ordine del periodo di clock �

interpolatore di trigger

tr. camp.

� ��

�

�

��


Circuiti di campionamento

- frequenze di campionamento dell’ordine del gigahertz(

� � � ��

� � �� )

- � digitalizzatori per (massimo) � canali

� �

canali digitalizzatori max vel.

attivi /canale acquisizione

4 1 500 MSa/s

2 2 1 GSa/s

1 4 2 GSa/s


Circuiti di campionamento

Esempio: 4 canali disponibili, 2 canali attivi

ADC1

ADC2

MEMCOND

S/H

� ��

MEMCOND

S/H

� ��

ADC4

ADC3


Campionamento in tempo reale

(riepilogo)- avviene alla massima frequenza di campionamento possibile

- generalmente il segnale viene acquisito continuamente;

- l’evento di trigger determina l’invio al display;

- anche segnali non ripetitivi, transitorii, ...

- necessità di “rispettare” teor. del campionamento

- aumento della banda � aumento di

�� ($!)


Campionamento in tempo equivalente

Per segnali ripetivi

� Campionamento (ripetitivo) casuale

� Campionamento (ripetitivo) sequenziale

In entrambi i casi i campioni del segnale vengono prelevati in periodi diversi

�

� ��

� � �


Conversione a campionamento

� � � � � ��

�

� � ��

�

� � � ��

�

��

� � ��

� �

� � �

� � � �

��

� campioni/periodo

periodo apparente:

� � � � � � � � � � � � � �

.

frequenza apparente:

� � ��

� � �

�

� � � �

� � � �

� �

� � � �

� � � � � ��


Conversione a campionamento

�

�

�

�

�

�

�

�

�

��

�

�

�

�

�

�

�

�

�


Campionamento casuale:

� clock interno opera in modo asincrono rispetto al trigger

� campioni acquisiti continuamente e visualizzati secondo la distanzatemporale tra campione e trigger

� frequenza di campionamento non costante

� modulata in modo aleatorio � trama fitta

� � interpolazione generalmente inutile

! lungo tempo di acquisizione per segnali lenti

! misura del ritardo rispetto all’evento di trigger


Campionamento sequenziale

� campione acquisito con un ritardo noto rispetto all’evento di trigger

� il ritardo aumenta a ogni nuova acquisizione

� ��

� ��

��

��

��

��

� ��

��

� accuratezza nella generazione del ritardo (fino a 10 fs!)


Operazioni sui segnali

� svolte in modo numerico (via software)

-

�

,

��

� � � � autoscale

-

��

��

��

� � � , ...

- duty-cycle,

��

,

-

� � ��

� ��

��

, FFT ...

- medie su � acquisizioni (v. osc. analogico)

- ...

- calibrazione


Modalita di trigger

- Edge

- Pulse

�

(glitch)

(slew rate)

�

(stays high/low)

(width)


Modalita di trigger

- Logic

- pattern

- state

- setup-hold

ckin

- Video: impulso di sincronismo orizzontale o verticale di segnaleviedo (PAL, SECAM, NTSC ...)


Altre modalita di funzionamento

- ROLL (per segnali lenti rispetto alla velocità di rinfresco del display)

� �

��

500

pt


Varie

� Sonde attive

� Oscilloscopio su PC (sch. di acquisizione)

� Sistema operativo su oscilloscopio

� Oscilloscopi portatili (palmari)


Caratteristiche

Scelta- banda ! (t. reale e t. equivalente)

- n. canali

- freq. di campionamento (

� � ��

� � � � ��

� � � � (no interpol.))

- profondità di memoria

- modalità di trigger

- sonda (

� � � �

)

- interfaccia (display, HPIB, ecc.)

- possibilità di lavorare con segnali digitali


��

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