Oscilloscopi, seconda parte

La prima puntata di questa serie (ELEVATOR WORLD, maggio 2016) ha esaminato le radici storiche dell'oscilloscopio, tra cui alcune delle prime innovazioni e basi teoriche, come la trasformata di Fourier. Questo articolo conclusivo farà un salto al presente e guiderà il lettore attraverso gli esercizi sull'oscilloscopio, iniziando da quelli semplici e procedendo verso quelli più complessi.

obiettivi formativi

Dopo aver letto questo articolo, dovresti aver appreso:
♦ Accesso ai segnali elettrici utilizzando un oscilloscopio
♦ Evitare la corrente di guasto
♦ Come compensare le sonde dell'oscilloscopio e perché è necessario il processo
♦ Visualizzazione di forme d'onda CC e CA su un oscilloscopio
♦ Utilizzo della funzione voltmetro digitale

L'oscilloscopio è essenzialmente un voltmetro, sebbene, come qualsiasi strumento del genere, possa essere configurato e calibrato per leggere corrente e resistenza. L'oscilloscopio utilizzato come strumento campione, il Tektronix MDO3104, incorpora un voltmetro digitale integrato. La tensione viene visualizzata in una lettura nella parte superiore dello schermo, precisa al millesimo di volt. Ciò elimina la necessità di stimare la tensione contando le divisioni nel reticolo, sebbene ciò possa ancora essere fatto se lo si desidera.

Prima di procedere, se l'oscilloscopio è nuovo o se si desidera una verifica, è necessario compensare le sonde del dispositivo. A causa di lievi variazioni nel processo di fabbricazione, l'impedenza di una determinata sonda non corrisponde esattamente all'impedenza del canale analogico. Se questi valori non sono gli stessi, un segnale ad onda quadra (con i suoi tempi di salita e discesa molto rapidi) mostrerà una notevole distorsione nel display. Una sonda mal compensata può introdurre errori di misurazione.

Quando una sonda è collegata a uno dei canali di ingresso analogico, la sonda diventa the sourcee il circuito front-end di quel canale di ingresso analogico diventa il carico. È necessario far corrispondere l'impedenza di ciascuna sonda all'impedenza di qualsiasi canale analogico a cui deve essere collegata. Se queste impedenze non coincidono, è necessario regolare l'impedenza della sonda per fare una buona corrispondenza. Un tempo, ciò veniva fatto girando una vite sul corpo della sonda usando un cacciavite non metallico. L'MDO3104 esegue questa operazione automaticamente quando vengono seguite le sue istruzioni sullo schermo.

Collegare la sonda al canale di ingresso analogico desiderato e collegare la punta della sonda e il cavo di riferimento di massa ai terminali corretti sul lato destro del pannello anteriore dell'oscilloscopio. Questi terminali sono etichettati "Probe Comp" e uno di essi è contrassegnato da un simbolo di massa. Premere il pulsante sul pannello anteriore per il canale di ingresso analogico desiderato. Il menu inferiore visualizzerà il valore di terminazione della sonda. Premere ripetutamente "More" per selezionare "Probe Setup", quindi premere "Compensate Probe".

Ciascuno dei quattro canali di ingresso analogico può memorizzare i valori di compensazione per un massimo di 10 sonde separate. Oltre a ciò, il valore memorizzato più vecchio verrà eliminato a favore di ulteriori compensazioni della sonda e l'oscilloscopio aggiungerà i valori per le nuove sonde man mano che vengono compensate. Questo processo deve essere ripetuto per ogni combinazione sonda/canale. In alternativa è possibile compensare una sola sonda dedicata per ogni canale, nel qual caso le sonde devono essere etichettate.

Esercizio di base

Il nostro primo collegamento sarà una batteria da 9 V. Essendo totalmente isolato da terra, non c'è pericolo di una forte corrente di guasto, come nel caso in cui l'apparecchiatura elettrica in esame sia collegata alla rete elettrica del locale. Per questo motivo, è consentito collegare la punta della sonda e il cavo di riferimento di massa al lato positivo o negativo. Non è necessario utilizzare la sonda differenziale o l'oscilloscopio portatile senza messa a terra.

Notare che il display è costituito da una singola linea orizzontale. Il suo colore corrisponde al colore dedicato del canale in uso. Il canale uno, ad esempio, è giallo. Il livello di tensione può essere stimato contando le divisioni principali lungo l'asse Y e i tick lungo entrambi i lati del display. Una misurazione più accurata può essere effettuata utilizzando il voltmetro digitale integrato. Per fare ciò, premere "Measure" nella sezione "Wave Inspector" del pannello frontale. Apparirà una barra dei menu nella parte inferiore del display. Premere il tasto funzione che corrisponde a "DVM" per visualizzare la barra dei menu DVM a destra del display. L'elemento in alto è "Modalità". "Off" può essere commutato su "On" premendo il tasto funzione. La "a" minuscola indica che la manopola multifunzione "a" deve essere utilizzata per scorrere le modalità, che sono "Off", "AC + DC RMS", "DC", "AC RMS" e "Frequenza". (Poiché lo strumento è collegato a un segnale CC, "Frequenza" non è applicabile.)

Oltre a "Modalità", le voci di menu sulla barra dei menu sul lato destro possono essere scelte utilizzando i tasti software. Sotto "Sorgente", una "b" minuscola indica le scelte che possono essere selezionate utilizzando la manopola multiuso "b". The sources sono i quattro ingressi dei canali analogici disponibili, ciascuno mostrato con il proprio colore dedicato. Il tasto funzione accanto a "Stile display" alterna tra "Completo" e "Ridotto", l'ultimo dei quali elimina alcune delle voci nel display.

Ora siamo pronti per osservare la forma d'onda. In questo caso, poiché il segnale è DC, viene visualizzata una linea orizzontale diritta. Se il cavo di riferimento di massa è collegato al lato negativo, la linea apparirà sopra l'asse X e la tensione può essere stimata contando le divisioni e le tacche mostrate sul reticolo. Oppure è possibile ottenere una misura più precisa (al millesimi di volt) sfruttando la funzione DVM dell'oscilloscopio. Se la punta della sonda e il cavo di riferimento di massa sono invertiti sulla batteria da 9 V, la linea di tensione orizzontale apparirà sotto l'asse X.

È possibile accedere a un frequenzimetro interno premendo “Measure” nella sezione “Wave Inspector”. Nel menu nella parte inferiore del display, premere il tasto funzione sotto "DVM". Sulla destra del display c'è un menu con la voce DVM. Notare la "a" minuscola. Ciò significa che è possibile accedere alle voci del sottomenu ruotando la manopola multifunzione "a". Fallo finché non viene evidenziato "Frequenza" nella parte inferiore del sottomenu. Nella parte superiore del display viene visualizzata una barra dei menu che include "Frequenza". Come accennato in precedenza, la frequenza risulta non applicabile, poiché il segnale è CC.

La maggior parte degli oscilloscopi digitali moderni è disponibile in modelli a due o quattro canali. Il modello a quattro canali in genere aggiunge il 50% al prezzo, quindi si consiglia di anticipare l'utilizzo prima di prendere una decisione di acquisto. L'MDO3104 ha quattro canali e tutto è codificato a colori, dalle singole sonde agli ingressi dei canali, alle forme d'onda visualizzate e alle etichette che appaiono sullo schermo.

Esercizio avanzato uno

Un altro esercizio consiste nell'acquisire una visualizzazione dell'alimentazione di rete AC disponibile nei locali. È considerato più avanzato, perché un lato del circuito da misurare è solidamente messo a terra, mentre l'altro lato è fissato a una tensione specificata sopra terra.

Uno strumento da banco con messa a terra, come l'MDO3104, così come il circuito in esame possono essere danneggiati se il cavo di riferimento di terra della sonda è collegato a un filo o terminale che fa riferimento a terra ma galleggia a una tensione significativa diversa dal potenziale di terra . La procedura sicura, dopo aver ricollegato lo strumento a una presa con messa a terra con continuità di messa a terra verificata dell'apparecchiatura all'apparecchiatura di servizio, consiste nel collegare il cavo di riferimento di terra a una parte del circuito in esame che non fa riferimento a (totalmente isolato da) terra oppure è solidamente messo a terra e allo stesso potenziale della massa di alimentazione dell'oscilloscopio. Innanzitutto, controllare la presa dell'oscilloscopio e la presa che alimenta l'apparecchiatura in esame. Utilizzare un analizzatore di circuiti per eseguire questa misurazione.

Per iniziare, crea un cavo di alimentazione corto con una spina a tre poli a un'estremità. All'altra estremità, tagliare e rimuovere un breve tratto della guaina e spellare l'isolamento alle estremità dei tre conduttori. Lasciare una piccola quantità di rame visibile per ridurre il rischio di contatto o cortocircuito. Assicurarsi di terminare correttamente le estremità della spina in modo che i conduttori con messa a terra (bianco) e senza messa a terra (nero) non siano incrociati. Conserva questo cavo in un luogo sicuro, perché nelle mani sbagliate può essere pericoloso.

Collegare la sonda a uno dei canali di ingresso analogico dell'oscilloscopio. Assicurati che il canale corretto sia attivato premendo il pulsante numerato con codice colore in modo che si accenda. Se non viene visualizzato un display significativo, premere "Impostazione predefinita", "Menu Off" e "Autoset". Se si desidera un canale analogico diverso da "Uno", sarà necessario accenderlo, poiché "Impostazione predefinita" riporta sempre l'oscilloscopio sul canale uno.

Ora dovrebbe essere visibile un'onda sinusoidale generata dall'utilità. Ci sono diversi aspetti di questo display degni di nota. Innanzitutto, un'onda sinusoidale è caratterizzata dal fatto che vi è una maggiore velocità di variazione a un livello di tensione di livello inferiore (più vicino allo zero) e una minore velocità di variazione a un livello di tensione di livello superiore. Ecco perché la curva si livella e diventa più piatta in corrispondenza delle vette. È una conseguenza della natura rotatoria della macchina che genera la potenza.

Un altro aspetto degno di nota del display è che, poiché sono stati premuti i pulsanti "Impostazioni predefinite" e "Autoset", la forma d'onda è centrata sull'asse X. Questa posizione può essere regolata ruotando la piccola manopola sopra il pulsante di selezione del canale. Premendo questa manopola si ricentra il display sull'asse X. La grande manopola sotto il pulsante di selezione del canale cambia la scala verticale. Notare che, una volta eseguita questa operazione, il numero di volt per divisione (mostrato nell'angolo inferiore sinistro del display) cambia di conseguenza. Premere "Autoset" per tornare alla visualizzazione predefinita.

Le manopole di posizione orizzontale e scala eseguono alterazioni simili e, anche qui, "Autoset" ripristina le impostazioni predefinite. Nella sezione “Trigger” è possibile alzare o abbassare il livello di trigger dal livello zero (riferito all'asse Y). Notare che se questo livello viene spostato al di sopra del picco positivo o al di sotto del picco negativo, l'attivazione non si verifica più e la forma d'onda diventa instabile. Premendo "Autoset" si riporta il livello di attivazione a 0 V e la forma d'onda si ristabilizza. Un altro esperimento interessante è inserire un diodo nella linea nera (calda). Questo può essere fatto usando un dado metallico e crea un raddrizzatore a semionda.

Se il diodo è invertito, la metà della forma d'onda che è bloccata sarà di polarità opposta. La restante metà dell'onda sinusoidale apparirà sul lato opposto dell'asse X. Un raddrizzatore a onda intera potrebbe essere costruito con due diodi con un trasformatore a presa centrale o quattro diodi con un trasformatore che non è a presa centrale. L'intera forma d'onda apparirà su un lato dell'asse X. Un ulteriore esperimento sarebbe quello di costruire un filtro usando un condensatore e/o un induttore per vedere quanta ondulazione può essere rimossa.

In tutto questo, ricordarsi di astenersi dal collegare il cavo di riferimento di massa a qualsiasi filo o terminale che galleggia a una tensione diversa rispetto a terra. Un trasformatore con presa centrale può portare la messa a terra attraverso la presa centrale a causa di un collegamento interno intenzionale o di un cortocircuito involontario. L'isolamento da terra può essere verificato mediante una luce di prova al neon. Se una qualsiasi parte dell'uscita del trasformatore è riferita a massa e flottante a un potenziale diverso, è necessario utilizzare una strumentazione alternativa. Un modo per effettuare tali misurazioni consiste nell'utilizzare una sonda differenziale ad alta tensione come Tektronix TMDPO200. Un'altra alternativa consiste nell'utilizzare un oscilloscopio portatile a batteria come il Tektronix THS3024.

Esercizio avanzato due

Un altro esperimento interessante (con il diodo dell'esperimento precedente rimosso) è quello di collegare la sonda, ancora agganciata alla rete elettrica, all'ingresso a radiofrequenza (RF). Il display, che ora rappresenta graficamente l'onda sinusoidale nel dominio della frequenza, mostra la distribuzione della potenza tracciata rispetto alla frequenza (piuttosto che al tempo) sull'asse X. La traccia irregolare lungo il fondo è il rumore di fondo, causato dal movimento casuale degli elettroni. Poiché l'ingresso è un'onda sinusoidale pura senza armoniche, la distribuzione della potenza come mostrato nel display del dominio della frequenza (sotto) e lo spettrogramma (sopra) è un singolo picco. Tutta la potenza del segnale è a una singola frequenza. L'oscilloscopio è in grado di eseguire questa traduzione, perché utilizza elettronicamente la trasformata di Fourier veloce, un insieme di calcoli abbastanza intricato (EW, maggio 2016).

Per il prossimo esperimento, rimuovere la sorgente CA e ricollegare la sonda a un canale analogico. Configurare lo strumento in modo che possa visualizzare qualsiasi suono, compreso quello prodotto dalla voce umana tramite un microfono. La prima cosa da capire è che ci sono due tipi di microfoni: quelli che richiedono alimentazione esterna e quelli che non lo fanno. Un microfono a carbone funziona bene in questa applicazione, ma il suo problema è che richiede alimentazione esterna. Il dispositivo è costituito da un piccolo contenitore di particelle di carbonio. Le variazioni della pressione dell'aria comprimono e decomprimono successivamente il carbonio, rendendo l'intero dispositivo sempre meno conduttivo. Poiché l'oscilloscopio è essenzialmente un voltmetro (piuttosto che un ohmmetro), è necessario un alimentatore CC esterno. Una batteria da 9 V funziona bene, tranne per il fatto che (come si vede dall'oscilloscopio, che è auto-ranging), la tensione CC supererà le fluttuazioni elettriche che corrispondono al suono. Per correggere questo effetto, è possibile posizionare un condensatore in serie con il microfono per eliminare la corrente CC.

Una soluzione più semplice consiste nell'utilizzare un microfono che non richiede alimentazione esterna. Un tale microfono genera effettivamente energia elettrica dall'interno. Un altoparlante è, in realtà, un motore CC lineare o non rotante a commutazione esterna. Come altri motori DC, è anche un generatore DC. Il rumore (come il parlato) può essere prodotto in prossimità del cono e il microfono trasformerà le variazioni della pressione dell'aria in una tensione fluttuante. Di conseguenza, l'altoparlante può essere collegato direttamente alla sonda dell'oscilloscopio.

altri usi

Le forme d'onda di molti strumenti musicali virtuali possono essere visualizzate collegando un oscilloscopio a una tastiera elettronica. Questi segnali sono considerati ricchi di armoniche e possono essere visualizzati nel dominio della frequenza e nello spettrogramma. Tuttavia, non collegare l'oscilloscopio direttamente al jack delle cuffie. Questo potrebbe far saltare i transistor di uscita (stadi finali di amplificazione). Vedendo l'impedenza di ingresso molto elevata della sonda dell'oscilloscopio, verrebbero condotti in un circuito sostanzialmente aperto e sovraccaricano il circuito. Un altro problema che potrebbe essere problematico è che un lato dell'output potrebbe fare riferimento a terra ma fluttuare sopra o sotto di esso. Invece, usa il collegamento dell'altoparlante discusso sopra. Posizionalo vicino all'altoparlante della tastiera e né l'oscilloscopio né la tastiera saranno compromessi.

Un oscilloscopio è molto utile per la risoluzione dei problemi di apparecchiature audio e video. La procedura abituale consiste nell'iniettare un segnale nell'ingresso e, utilizzando un oscilloscopio, visualizzare il segnale in fasi successive. Alcuni schemi TV includono grafici che rappresentano forme d'onda sane in diversi punti del circuito. Una traccia dell'oscilloscopio rivela più informazioni di una semplice lettura del voltmetro, ed è spesso possibile restringere il difetto prima allo stadio, poi al circuito e, infine, a un componente difettoso. Tradizionalmente, a questo scopo veniva utilizzato un generatore di segnale, noto anche come "generatore di funzioni". Un segnale specifico e invariabile di questo tipo è preferibile all'utilizzo della trasmissione in arrivo tramite un'antenna, perché non varia e fornisce una forma d'onda uniforme che può essere vista e confrontata in vari punti.

Gli oscilloscopi digitali avanzati come l'MDO3104 incorporano un generatore di funzioni interno opzionale in grado di sintetizzare una varietà di segnali. È possibile modificare frequenza, ampiezza, duty cycle e offset dall'asse X. Questo modello ha due porte sul pannello posteriore da cui è possibile accedere al segnale del generatore di funzioni arbitrarie (AFG). Può essere iniettato in un circuito in esame, oppure può essere reimmesso nell'oscilloscopio attraverso uno qualsiasi degli ingressi del canale analogico a scopo di visualizzazione. Per fare ciò, viene utilizzata una breve lunghezza del cavo a baionetta Neill-Concelman (BNC). Questo è un coassiale standard con estremità speciali che hanno un'eccellente risposta in frequenza ma non sono compatibili con i connettori coassiali. Sono disponibili adattatori.

È possibile visualizzare e modificare un certo numero di forme d'onda. Sono disponibili seno, quadrato, impulso, rampa, CC, rumore e altri. Inoltre, le forme d'onda dei segnali immessi nei quattro canali analogici e nel canale RF possono essere archiviate nella memoria dell'oscilloscopio, modificate come desiderato e accessibili in qualsiasi momento in futuro. Il rumore può essere aggiunto a un segnale di interesse per vedere come viene influenzato. È possibile eseguire ulteriori modifiche del segnale utilizzando il software Tektronix, disponibile per il download gratuito all'indirizzo www.Tektronix.com.

L'oscilloscopio è un ottimo strumento per la risoluzione dei problemi e la diagnosi di apparecchiature elettroniche difettose. Inoltre, la visualizzazione delle forme d'onda in vari punti del circuito è estremamente istruttiva e fornisce informazioni su alcune proprietà fisiche di base del nostro misterioso universo.

Domande sul rinforzo dell'apprendimento

Utilizzare le seguenti domande di rinforzo dell'apprendimento per studiare per l'esame di valutazione della formazione continua disponibile online su www.elevatorbooks.com oa pag. 137 di questo fascicolo.
♦ Come si può proteggere l'oscilloscopio dalla corrente di guasto?
♦ Come si accede all'AFG?
♦ Come vengono utilizzate le manopole multifunzione “a” e “b”?
In che modo un analizzatore di circuito è utile per evitare correnti di guasto?
♦ Perché le onde sinusoidali sono più piatte ai picchi?