L’oscilloscopio: lo strumento preferito dal tecnico

STRUMENTAZIONE –

Come il famoso coltellino svizzero, i moderni oscilloscopi sono un “attrezzo tuttofare”. Nati come strumenti per la visualizzazione, negli anni si sono evoluti fino a offrirci oggi una vasta gamma di funzioni utili per la ricerca, la progettazione, la produzione e l’assistenza tecnica. L’oscilloscop

Gli oscilloscopi hanno giocato un ruolo importante nello sviluppo dei prodotti elettronici fin dagli albori dell'industria, negli anni 30 del secolo scorso. Gli oscilloscopi furono, e lo sono tuttora, usati estensivamente nello sviluppo dei sistemi radar e dell'avionica, dei computer, nei programmi spaziali, nelle telecomunicazioni, nell'elettronica di consumo, per i sistemi “embedded” integrati dappertutto nei dispositivi elettronici che usiamo ogni giorno. L'oscilloscopio serve fondamentalmente per visualizzare i segnali elettrici. Osservando i segnali, puoi individuare e risolvere i problemi del tuo progetto. Però i moderni oscilloscopi digitali possono fare molto di più che farti semplicemente vedere delle forme d'onda su di uno schermo. Gli oscilloscopi del giorno d'oggi sono dei veri e propri sistemi di misura: sono “attrezzi” di una versatilità incredibile e sono equipaggiati per svolgere una vasta gamma di funzioni richieste dalle attività di ricerca, progettazione, produzione e manutenzione. Pensiamo all'oscilloscopio come a una sorta di “coltellino svizzero” del tecnico elettronico. In questo articolo daremo un'occhiata giusto a qualcuna delle tante applicazioni possibili per un oscilloscopio digitale.

Visualizzare le forme d'onda
Naturalmente l'oscilloscopio ci permette di osservare le forme d'onda. L'oscilloscopio è fondamentalmente un dispositivo di visualizzazione grafica: disegna il grafico dell'andamento di un segnale elettrico. Nella maggior parte delle applicazioni, questo grafico mostra come i segnali evolvono in funzione del tempo: sull'asse verticale (Y) si rappresenta la tensione mentre su quello orizzontale (X) è rappresentato il tempo.
Questo semplice grafico può dirci molte cose del nostro segnale, come ad esempio:

  • i suoi valori di tempo e tensione.
  • la sua frequenza.
  • come “si muove” percorrendo un circuito elettrico, osservandone l'andamento.
  • la frequenza di una porzione particolare del segnale in relazione ad altre porzioni del medesimo segnale.
  • la sua distorsione causata da un componente che funziona male.
  • si possono quantificare le sue componenti continua ad alternata.
  • si può capire quanta parte del segnale è costituita da rumore elettrico e come questo rumore cambia nel tempo.


Un sistema di misura
In passato sullo schermo dell'oscilloscopio si poteva misurare solo “ad occhio”, contando i quadretti. Oggi gli strumenti usano il Digital Signal Processing come tecnica per automatizzare molte delle misure più comuni, tipo: frequenza, periodo, tensione, tempi di salita e discesa, larghezza dell'impulso, duty cycle, overshoot ed undershoot (ground bounce), burst width, fase, ritardo e molto altro ancora a seconda del tipo di oscilloscopio. In alcuni modelli la disponibilità di funzioni statistiche permette di misurare anche per lunghi periodi di tempo, per poi elaborare i dati registrati ed estrarne i valori minimi e massimi, la media o la deviazione standard, ad esempio. Tutto ciò è perfetto per la convalida delle prestazioni di progetto, verificandole nelle varie condizioni di funzionamento…ma è solo l'inizio! Collegando l'oscilloscopio ad un Pc, le misure effettuate possono essere immagazzinate per un tempo indefinito, anche lunghissimo, quindi l'oscilloscopio può essere lasciato incustodito per ore, giorni od anche settimane, come una sorta di “baby sitter” molto… particolare, intento a registrare l'andamento a lungo termine del segnale oppure a “far la posta” alle anomalie sporadiche ed intermittenti che altrimenti sarebbe praticamente impossibile isolare.

Analizzatore nel dominio della frequenza
Il rumore presente nei segnali a componenti miste, analogiche e digitali, può essere facilmente osservato con un oscilloscopio nel dominio del tempo, però capire da dove questo rumore provenga può essere difficile, se non addirittura impossibile. Un oscilloscopio che utilizzi la Fft (Fast Fourier Transform - trasformata veloce di Fourier) può convertire e visualizzare le forme d'onda anche nel dominio della frequenza. Passando il rumore attraverso la Fft riveleremo lo spettro delle varie frequenze che lo compongono. Ne osserveremo il contenuto armonico. In tal modo ogni frequenza potrà essere messa in relazione con quelle che conosciamo, per esempio le frequenze di “clock”, di “strobe”, quelle degli oscillatori o di altri dispositivi interni al sistema e quindi potremo decidere come e dove intervenire per eliminare le eventuali interferenze. Questo lo sanno bene i progettisti di alimentatori, che devono fronteggiare ogni giorno una sfida simile quando hanno a che fare con segnali che appaiono loro sullo schermo di un oscilloscopio con un andamento caotico nel tempo. Invece, un oscilloscopio dotato della funzione Fft ci aiuta a localizzare la provenienza di un problema ed a caratterizzarlo, risparmiandoci così ore ed ore di tentativi empirici e le conseguenti, ripetute, frustranti modifiche del progetto per trovare la soluzione.

Il collaudo in produzione
Alcuni oscilloscopi digitali, come il TDS3000C di Tektronix, offrono la possibilità di effettuare il test per confronto con dei limiti preimpostati oppure utilizzando le cosiddette “maschere”. Queste funzioni sono ideali per effettuare i controlli direttamente sulla linea di produzione, usando un campione di riferimento noto come sicuramente buono, il “golden standard”. Qualsiasi porzione del segnale che fuoriesca dalla maschera costituirà una violazione del test, che l'oscilloscopio evidenzierà immediatamente. Si può predisporre l'oscilloscopio perché fermi il test al verificarsi di un errore oppure ci potrà avvertire emettendo un semplice beep, e così via. Una maschera di collaudo può essere facilmente disegnata attorno ad un segnale campione di riferimento, usando le divisioni delle scale orizzontali e verticali per dimensionarla. L'uso di queste funzioni permette di effettuare i cosiddetti test “go - no go” con una velocità considerevole.

La messa a punto di un progetto a segnali misti
Gli odierni progetti integrati o “embedded” incorporano sia segnali analogici, sia comunicazioni digitali seriali a bassa ed alta velocità ed i bus dei microprocessori. I protocolli seriali come lo I2C (Inter Integrated Circuit) e lo Spi (Serial Peripheral Interface bus) sono di sovente usati per la comunicazione “chip-to-chip”, ma non possono sostituire completamente i bus paralleli in tutte le applicazioni. La messa a punto dell'hardware risulta difficile e frustrante per un tecnico “armato” solo di un oscilloscopio con due o al massimo quattro canali. Per fortuna i più recenti oscilloscopi per segnali misti combinano la funzionalità di un logic analyzer con le prestazioni affidabili e facili da usare di un oscilloscopio a quattro canali. I protocolli seriali, come lo I2C e lo Spi, sono ormai comunemente usati per collegare i blocchi di sistema in un modulo elettronico. Mentre l'impiego di questi protocolli riduce la complessità dei cablaggi, la loro implementazione e messa a punto è divenuta un'impresa veramente scomoda da affrontare solo con gli oscilloscopi tradizionali, costringendo così i progettisti, loro malgrado, a decodificare a mano i dati seriali acquisiti. Gli oscilloscopi moderni sono però in grado di effettuare direttamente la decodifica dei dati seriali, il che può risparmiare ai tecnici innumerevoli ore di lavoro, permettendo loro di vedere e contemporaneamente decodificare i segnali in tempo reale. Un Mso può infatti “triggerarsi” e decodificare sia i bus paralleli, sia gli standard seriali come I2C, Spi, Can, Lin, FlexRay, e RS-232 e questa sua capacità costituisce un valore inestimabile per i tecnici che debbono valutare la complessa interazione tra hardware e software negli odierni progetti integrati.

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