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Principio di funzionamento di un oscilloscopio

Esistono due grandi famiglie di oscilloscopi: quelli analogici e quelli digitali. Gli oscilloscopi analogici sfruttano un principio di funzionamento piuttosto semplice, basato sul particolare pilotaggio del loro tubo catodico. Le griglie dell'asse Y del CRT sono pilotate dal segnale di ingresso che si desidera mostrare, mentre le griglie dell'asse X sono pilotate da un generatore a dente di sega con frequenza impostabile dall'utente (la base dei tempi). Il dente di sega fa procedere il pennello a velocità costante lungo l'asse orizzontale, da sinistra verso destra; nel mentre le variazioni del segnale fanno salire o scendere il pennello, che così disegna l'andamento del segnale in funzione del tempo. Questa operazione è ripetuta per ogni dente di sega; sul video si sovrappongono tante "spazzolate", che grazie alla persistenza dei fosfori dello schermo (e delle immagini sulla retina) formano un'immagine. Per mostrare in modo stabile un segnale periodico è necessario che tutte le spazzolate si sovrappongano perfettamente fra di loro, il che equivale a dire che la frequenza del dente di sega deve essere un multiplo o sottomultiplo della frequenza del segnale periodico; questo si può ottenere agendo manualmente sulla regolazione fine della base dei tempi, oppure utilizzando un particolare circuito (detto "trigger") che permette di sincronizzare i denti di sega direttamente con il segnale di ingresso.

Questa è una descrizione molto grossolana del funzionamento di un oscilloscopio analogico, che ho fatto soltanto per farvi notare come in effetti in questi strumenti il segnale in ingresso sia completamente tracciato sullo schermo. È solo per una limitazione dei fosfori del CRT, del nostro occhio e ovviamente del nostro cervello che non possiamo "percepire" l'intero segnale in maniera continua, in tutta la sua evoluzione temporale.

Gli oscilloscopi digitali sono diversi proprio in questo. In un oscilloscopio digitale il segnale in ingresso viene campionato da un ADC, memorizzato e mostrato in un secondo tempo su un display. Non c'è un CRT da aggiornare continuamente, la scheda video che pilota il monitor o l'LCD è in grado di mantenere le immagini mostrate per un tempo indeterminato. E anche se si volesse, un LCD non potrebbe reggere le frequenze di scansione orizzontale tipiche di un oscilloscopio analogico (decine o centinaia di MHz): al massimo si parla di frequenze di aggiornamento di qualche decina o centinaia di Hz.
Tutto ciò ha un'implicazione molto importante: gli oscilloscopi digitali in genere mostrano soltanto una "fetta" dell'evoluzione temporale di un segnale. Per noi umani non c'è differenza, tanto non riusciremmo comunque a vedere dei fenomeni della durata di microsecondi "in tempo reale". Ciò determina però una caratteristica importante del funzionamento dell'oscilloscopio digitale: esso non deve limitarsi a mostrare quanto più segnale possibile su schermo, ma può decidere con relativa calma quali fette mostrare, in quale ordine e con quale combinazione.

Queste scelte sono ciò che distinguono i vari tipi di oscilloscopio digitale. Non è mia intenzione fare una trattazione approfondita dell'argomento; per questo trovate degli articoli molto interessanti su Internet, ad esempio questo articolo su EDN. Io mi limiterò a descrivere le due architetture fondamentali.

Il primo tipo è quello più intuitivo, che fa semplicemente ciò che ho descritto in precedenza: campiona una fetta di segnale a una certa  frequenza e la mostra su schermo a intervalli stabiliti. Questi intervalli sono automaticamente allungati o accorciati da un circuito di trigger (questa volta costituito da logica digitale) in modo che i segnali periodici siano mostrati in maniera stabile sullo schermo:

Come sempre vale il teorema del campionamento di Nyquist: se ciascuna fetta viene campionata ad esempio a 10 MSPS (milioni di campioni al secondo), potremo ricostruire al massimo fino alle componenti spettrali a 5 MHz del segnale. Nel caso che ci siano componenti a frequenza superiore esse creeranno degli alias a frequenze più basse, e noi vedremo segnali che in realtà non esistono. Un oscilloscopio di questo genere è caratterizzato quindi da una banda passante pari alla metà della frequenza di campionamento dei suoi ADC; tutto ciò che è al disopra di queste frequenze deve essere filtrato ancora prima di entrare nell'ADC.

Il secondo tipo di oscilloscopio  è quello che sfrutta la tecnica dell'equivalent time sampling, o ETS. Ormai tutti gli oscilloscopi professionali funzionano così; questa tecnica permette di ricostruire componenti a frequenza molto più alta di quella di campionamento degli ADC, anche di un ordine di grandezza e oltre.
Come si spiega questa apparente profanazione del teorema di Nyquist? Se guardate la figura precedente potrete farvi un'idea. In quel caso le fette vengono lette a intervalli di tempo doppi rispetto al periodo del segnale; in teoria avremmo potuto leggere ogni periodo, quindi abbiamo buttato via metà del contenuto informativo che potevamo sfruttare. In realtà i segnali che si leggono su un oscilloscopio hanno una frequenza molto superiore a quella di refresh dello schermo, quindi le letture scartate diventerebbero migliaia o milioni anziché una su due. L'oversampling sfrutta questo principio, ricostruisce la forma d'onda in più passate "fotografandola" ogni volta in un punto diverso:

Supponete che quello in figura sia un singolo periodo del nostro segnale e TS sia il tempo di campionamento dell'ADC utilizzato. Come si vede TS è maggiore della metà del tempo di un periodo, per cui il principio di Nyquist non è soddisfatto e anche se il segnale fosse perfettamente sinusoidale non riusciremmo a campionarlo con il metodo "tradizionale". Campioneremmo quindi il punto 1a e 1b e da essi non riusciremmo a ricostruire il segnale originale.
Con l'ETS sfruttiamo invece più periodi consecutivi e "trasliamo" ogni volta la lettura di un tempo molto più breve di quello di campionamento; nella figura ho chiamato questo tempo TC. Nel primo periodo leggeremo i punti 1a e 1b, nel secondo periodo i punti 2a e 2b, nel terzo periodo i punti 3a e 3b e così via. Mettendo assieme tutte queste letture è possibile ricostruire il segnale periodico anche se esso ha componenti spettrali a frequenza molto più alta di 1/(2TS).

La tecnica dell'ETS è un trucco che permette di sfruttare porzioni temporali del segnale che altrimenti non sarebbero mostrate per aumentare la banda passante percepita. Dato che il segnale viene ricostruito in più letture, la tecnica funziona solo ed esclusivamente per i segnali periodici; è per questo motivo che molti degli oscilloscopi digitali da centinaia o migliaia di MSPS hanno delle prestazioni molto più modeste per quanto riguarda la visualizzazione dei transitori e degli eventi non ripetitivi in generale. Provate a fare una lettura con trigger "one-shot" sul vostro mirabilante oscilloscopio da 500 MSPS, e vedrete come esso magicamente si trasformerà in un oscilloscopio molto più modesto...

Ci sono diverse tecniche per ovviare a questo problema; la più comune è quella di sfruttare gli ADC dei canali eventualmente non utilizzati. Se ad esempio abbiamo a nostra disposizione quattro ADC per leggere un singolo canale, basterà "traslare" il clock di ciascuno di essi di un tempo pari a TS/4 e farli lavorare assieme in modo "interlacciato". In questo modo la frequenza di campionamento sarà quadruplicata, e ciò varrà anche per i segnali non periodici. Gli oscilloscopi digitali di punta sfruttano entrambe queste tecniche (ETS e riassegnamento di ADC non utilizzati).

Di che tipo sarà il nostro oscilloscopio? Presumibilmente del primo tipo (senza ETS). Questa tecnica non è difficilissima da implementare, ma richiede elettronica più complessa; inoltre ormai si trovano degli ADC da decine di MSPS a un prezzo ridottissimo, e ritengo che per un hobbista già avere un oscilloscopio da 20-30 MHz sia in molti casi sufficiente. Poi è sempre il solito discorso: se volete di più probabilmente siete anche disposti a spendere di più, e al disopra di una certa soglia non ha più senso autocostruirsi le cose.

 

Indice

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