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Come usare l'oscilloscopio: scale, trigger e misure
7 min di lettura · Team bitGateLab
Il multimetro ti dà un numero; l'oscilloscopio ti mostra la forma del segnale nel tempo. Ti permette di vedere se una sinusoide è tagliata, quanto ripple ha un alimentatore o di quanto l'uscita di un filtro è in ritardo rispetto al suo ingresso. All'inizio la quantità di manopole intimorisce, ma tutto si riduce a quattro idee: la scala verticale, la scala orizzontale, il trigger e l'accoppiamento. Qui imparerai a regolarle e a misurare ampiezza, periodo, frequenza e sfasamento con numeri concreti.
Lo schermo: un grafico della tensione in funzione del tempo
Lo schermo dell'oscilloscopio è suddiviso da un reticolo, in genere di 10 divisioni orizzontali e 8 verticali. L'asse verticale rappresenta la tensione e quello orizzontale il tempo. Ogni misura consiste nel contare le divisioni e moltiplicarle per la scala corrispondente:
tensione = divisioni verticali × (V/div) tempo = divisioni orizzontali × (s/div)
Ogni divisione ha di solito cinque suddivisioni segnate sugli assi centrali, il che permette di leggere con una risoluzione di 0.2 divisioni.
Scala verticale (V/div) e posizione
Il comando della scala verticale stabilisce quanti volt rappresenta ogni divisione. I valori seguono la sequenza 1-2-5: 10 mV, 20 mV, 50 mV, 100 mV, 200 mV, 500 mV, 1 V, 2 V, 5 V… Il comando di posizione sposta la traccia verso l'alto o verso il basso senza cambiare la scala; serve a portare il riferimento di 0 V dove ti è più comodo.
La regola pratica è scegliere la scala più sensibile con cui il segnale completo rientra ancora nello schermo. Un segnale che occupa 6 divisioni si misura con molta più precisione di uno che occupa mezza divisione.
Scala orizzontale (s/div)
La base dei tempi indica quanto tempo rappresenta ogni divisione orizzontale. L'intero schermo copre 10 × (s/div). Per misurare il periodo con precisione conviene vedere da due a cinque cicli completi: con meno di uno non puoi misurare il periodo, e con decine di cicli i dettagli si ammassano.
Esempio 1: ampiezza, periodo e frequenza. Nella figura, la scala verticale è di 2 V/div e quella orizzontale di 0.5 ms/div.
- CH1 va da +3 a −3 divisioni: 6 div × 2 V/div = 12 V picco-picco.
- Ampiezza: 12/2 = 6 V di picco. Se è sinusoidale, il suo valore RMS è 6/√2 = 4.24 V.
- Un ciclo completo occupa 4 divisioni: T = 4 × 0.5 ms = 2 ms.
- Frequenza: f = 1/T = 1/0.002 s = 500 Hz.
- CH2 misura 4 divisioni picco-picco: 8 V picco-picco, ovvero 4 V di picco.
Il trigger (sincronismo)
L'oscilloscopio disegna il segnale con una scansione dello schermo ripetuta di continuo. Se ogni scansione cominciasse in un punto diverso dell'onda, vedresti le tracce sovrapposte e «in movimento». Il trigger risolve il problema: la scansione parte solo quando il segnale attraversa una certa tensione in una certa direzione, così tutte le scansioni coincidono e l'immagine resta ferma. Le sue regolazioni principali sono:
- Sorgente: quale canale viene sorvegliato dal trigger. Quando confronti due segnali, sincronizza su quello di riferimento.
- Livello: la tensione che il segnale deve attraversare. Deve trovarsi all'interno dell'escursione del segnale; se lo metti al di sopra del suo picco, il trigger non scatta mai.
- Pendenza: fronte di salita o di discesa.
- Modo: in automatico l'oscilloscopio esegue la scansione anche senza trigger, utile per trovare il segnale; in normale disegna solo quando scatta il trigger, meglio per i segnali irregolari; in singolo cattura un solo evento e si ferma, ideale per i transitori come l'accensione di un alimentatore.
Sfasamento tra due canali
Con due segnali della stessa frequenza sullo schermo, misura la distanza temporale Δt tra due punti equivalenti, per esempio gli attraversamenti dello zero in salita, e convertila in gradi:
φ = 360° × Δt / T
Se il secondo segnale arriva dopo quello di riferimento, è in ritardo; se arriva prima, è in anticipo. Per una maggiore precisione, espandi la base dei tempi attorno agli attraversamenti oppure usa la stessa scala verticale su entrambi i canali e centra le tracce sullo zero.
Esempio 2: sfasamento. Nella figura, CH2 attraversa lo zero in salita 0.4 divisioni dopo CH1.
- Δt = 0.4 div × 0.5 ms/div = 0.2 ms.
- φ = 360° × 0.2 ms/2 ms = 36°.
- CH2 è in ritardo di 36° rispetto a CH1.
Applicazione: nel circuito RC serie di corrente alternata e fasori (1 kΩ, 1 µF, 100 Hz) la tensione sul resistore, che ha la stessa forma della corrente, è in anticipo di 57.9° sul generatore. Con T = 10 ms ti aspetteresti di vedere Δt = 57.9/360 × 10 ms = 1.61 ms. È così che si misura la fase di una corrente con l'oscilloscopio: tramite la tensione su un resistore.
Accoppiamento CC e CA
Ogni canale ha un selettore di accoppiamento:
- CC: mostra il segnale completo, compreso il suo valore medio. È la modalità predefinita e quella corretta per misurare tensioni continue, livelli logici o segnali a bassa frequenza.
- CA: inserisce in serie un condensatore che blocca la componente continua, così la traccia risulta centrata sullo zero. Equivale a un filtro passa-alto con frequenza di taglio di pochi hertz.
- Massa: scollega il segnale e mostra una linea orizzontale a 0 V, utile per individuare il riferimento.
Esempio 3: misurare il ripple. Un alimentatore fornisce 5 V in continua con 0.2 V picco-picco di ripple.
- Con accoppiamento CC a 2 V/div la traccia appare 2.5 divisioni sopra il centro, e il ripple occupa appena 0.1 divisioni: non si distingue.
- Se scendi a 50 mV/div senza cambiare l'accoppiamento, i 5 V mandano la traccia fuori dallo schermo.
- Con accoppiamento CA la componente di 5 V viene eliminata. A 50 mV/div il ripple occupa 0.2/0.05 = 4 divisioni e puoi misurarne la forma e la frequenza.
Attenzione: poiché l'accoppiamento CA è un passa-alto, deforma i segnali a frequenza molto bassa. Un'onda quadra lenta si vede con il tratto piatto inclinato.
Errori comuni
- Impostare il livello di trigger fuori dall'escursione del segnale e concludere che «non c'è segnale».
- Dimenticare il fattore di attenuazione della sonda e riportare una tensione dieci volte più piccola.
- Misurare una tensione continua con accoppiamento CA: la traccia resta a zero.
- Misurare lo sfasamento tra attraversamenti di pendenza opposta (uno in salita e uno in discesa), il che aggiunge 180°.
- Scegliere una base dei tempi che mostra meno di un ciclo o decine di cicli, rendendo imprecisa la lettura del periodo.
Provalo nel simulatore
L'oscilloscopio virtuale del simulatore ha gli stessi comandi concettuali di uno da laboratorio, quindi è un buon posto per esercitarsi senza rischi.
- Inserisci una sorgente sinusoidale da 6 V di ampiezza e 500 Hz e collegala al canale 1.
- Regola la scala verticale a 2 V/div e quella orizzontale a 0.5 ms/div, e verifica di vedere 6 divisioni picco-picco e 4 divisioni per ciclo.
- Sposta il livello di trigger al di sopra di 6 V e osserva che cosa succede all'immagine; riportalo a 0 V.
- Monta un filtro RC e collega il canale 2 alla sua uscita; misura Δt tra gli attraversamenti dello zero e calcola lo sfasamento.
- Aggiungi una componente continua alla sorgente e alterna tra accoppiamento CC e CA per vedere la differenza.
Esercizi
Una sinusoide occupa 3.2 divisioni picco-picco con 5 V/div. Calcola la sua tensione picco-picco, di picco e RMS.
Mostra la soluzione
3.2 × 5 = 16 V picco-picco; 8 V di picco; 8/√2 = 5.66 V RMS.
Un ciclo occupa 2.5 divisioni con la base dei tempi a 20 µs/div. Qual è la frequenza?
Mostra la soluzione
T = 2.5 × 20 µs = 50 µs. f = 1/50 µs = 20 kHz.
Due segnali a 1 kHz sono separati da 1.5 divisioni a 0.1 ms/div. Qual è lo sfasamento?
Mostra la soluzione
Δt = 1.5 × 0.1 ms = 0.15 ms e T = 1 ms. φ = 360° × 0.15/1 = 54°.
Vuoi vedere almeno tre cicli completi di un segnale a 1 kHz su uno schermo da 10 divisioni. Quale base dei tempi della sequenza 1-2-5 scegli?
Mostra la soluzione
Tre cicli durano 3 ms, quindi ti servono almeno 0.3 ms/div. Il primo valore della sequenza che soddisfa la condizione è 0.5 ms/div, che mostra 5 ms, cioè 5 cicli. Con 0.2 ms/div ne vedresti solo 2.