Introduzione

Per definizione una  misura consiste nella determinazione del valore di una grandezza fisica mediante il confronto di questa con un'altra grandezza omogenea, la cosidettà unità di misura. L'effettuazione di misure è una delle operazioni più frequenti nell'ambito dell'elettronica. In questa sezione spiegheremo le tecniche di misura basilari per realizzare misure corrette con l'oscilloscopio. In modo diretto verranno eseguite misure di ampiezza e tempo ed in modo indireto di frequenza, direttamente sullo schermo dello strumento.

Alcuni oscilloscopi digitali dispongono di un software interno che permette di eseguire le misure in modo automatico. Ma in questo caso, per meglio apprendere le tecniche di misura andremo ora a realizzare le misure manualmente con uno strumento tradizionale. 

Lo schermo

La figura sotto riportata rappresenta lo schermo di un oscilloscopio. Sullo schermo è inciso un reticolo formato da linee orizzontali e verticali che lo suddividono in divisioni. Normalmente il reticolo è composto da 10 divisioni orizzontali e 8 verticali che consentono di eseguire la misura. Le linee centrali, sia orizzontali che verticali, sono suddivise a loro volta da 5 piccoli tratti per ogni divisione, utilizzati come vedremo dopo per eseguire misure più accurate.

Normalmente gli oscilloscopi hanno indicato sul'asse orizzontale dello schermo alcune scritte ( 0%, 10%, 90%, 100%) che servono a facilitare la misura del tempo nei fronti di salita e discesa del segnale (si posiziona il fronte tra il 10% e il 90% della tensione di picco-picco). Se dispongono di readout alfanumerico, sullo schermo apparirà anche quanti volt rappresenta ogni divisione verticale e quanti secondi rappresenta ogni divisione orizzontale.

Misura di ampiezza

Generalmente quando parliamo di misure di tensione indichiamo la differenza di potenziale elettrico, espressa in volt, tra due punti del circuito. Normalmente uno dei due punti è connesso a massa (0 volt) e allora si semplifica parlando di misura di ampiezza nel punto A (differenza di potenziale tra il punto A e GND). La  tensione viene misurata in picco-picco, tra il valore massimo e minimo del segnale. E' molto importante specificare il tipo di tensione misurata quando andiamo a realizzare una misura di ampiezza. Come viene rappresentato in figura, di un segnale possiamo esprimere il valore di picco V_p, il valore di picco-picco V_pp (normalmente il doppio del valore V_p) e il valore efficace V_ef o V_RMS (che si ottiene dal  valore V_p diviso per la radice di due).

Le misure di tensione vengono eseguite con l'oscilloscopio direttamente sullo schermo. Ma altre misure possono essere eseguite a partire da questa per semplice calcolo (per esempio della corrente o della potenza), anche se può risultare complicato il calcolo su segnali in AC.

Procedimento di misura

Applicare il segnale da misurare ad uno degli ingressi verticali (preferibilmente il canale 1) e settare lo switch "Vertical Mode" sul canale utilizzato. Posizionare il "Trigger Source" sullo stesso canale.

Regolare la sensibilità "Volt/Div" in modo che la traccia riempia la maggior parte dello schermo (questo accorgimento permette di realizzare misure con maggior precisione). Il verniero VAR deve essere tenuto in posizione calibrata CAL per evitare la scalibratura dell'amplificatore verticale.

Scegliere una adeguata portata della base dei tempi agendo sul commutatore "Time/Div" in modo da visualizzare sullo schermo alcuni periodi del segnale. Regolare il livello di trigger "Trigger Level" fino ad ottenere una traccia stabile, a meno che lo strumento non sia posizionato in trigger automatico "Auto".

Spostare la traccia in orizzontale fino a fare coincidere uno dei picchi con l'asse verticale centrale del reticolo. A questo punto basta semplicemente contare il numero di divisioni verticali che occupa il segnale sullo schermo. Potremo anche utilizzare le sotto-divisioni del reticolo per eseguire una misura accurata (una sotto-divisione equivale ad 1/5 di divisione).

Per misurare il valore picco-picco V_pp  misurare la distanza tra il valore massimo e minimo del segnale.

Per la misura del valore medio, selezionare l'ingresso in DC, annotare con precisione la posizione di un punto caratteristico del segnale (ad esempio il picco positivo), quindi commutare l'accoppiamento d'ingresso in AC e misurare di quanto si è spostato il riferimento scelto rispetto alla misura precedente. Questa distanza, moltiplicata per la portata, dà la misura della componente continua del segnale. 

Alcuni oscilloscopi dispongono sullo schermo di cursori per eseguire le misure di tensione, e questo permette di posizionarsi tra i due punti del segnale e leggerne direttamente il valore senza dover contare le divisioni che occupa il segnale. I cursori vengono rappresentati sullo schermo con due linee orizzontali per le misure di ampiezza e verticali per le misure di tempo e frequenza, che possono essere usate singolarmente l'una dall'altra. A lato dello schermo comparirà automaticamente il valore della misura eseguita.

Misura di tempo e frequenza

I parametri fondamentali per lo studio del comportamento nel tempo di un segnale periodico sono il periodo e la frequenza. Per eseguire questo tipo di misure viene utilizzata la scala orizzontale dell'oscilloscopio. Nel caso di segnali di tipo impulsivo si prendono in considerazione anche la misura della larghezza degli impulsi e la misura dei fronti di salita e discesa. La frequenza viene misurata in modo indiretto calcolando il valore inverso del periodo. Come per le misure di ampiezza, le misure di tempo saranno più precise se la porzione misurata occuperà la maggior parte dello schermo, e per fare questo agiremo sul commutatore della base dei tempi. Centrando il segnale sullo schermo, con il relativo comando verticale,  potremo utilizzare le sotto-divisioni del reticolo per eseguire una misura accurata (una sotto-divisione equivale ad 1/5 di divisione).

Procedimento di misura

Applicare il segnale da misurare ad uno degli ingressi verticali (preferibilmente il canale 1) e settare lo switch "Vertical Mode" sul canale utilizzato. Posizionare il "Trigger Source" sullo stesso canale. Regolare il livello di trigger "Trigger Level" fino ad ottenere una traccia stabile, a meno che lo strumento non sia posizionato in trigger automatico "Auto".

Regolare il commutatore della base dei tempi "Time/Div" in modo da otenere la massima estensione orizzontale di un periodo del segnale (questo accorgimento permette di realizzare misure con maggior precisione). Il verniero VAR deve essere tenuto in posizione calibrata CAL per evitare la scalibratura dell'amplificatore orizzontale.

Posizionare accuratamente la traccia in modo che l'intervallo di tempo da misurare occupi la parte centrale dello schermo.

Valutare la distanza orizzontale fra i due punti desiderati contando il numero di divisioni orizzontali sullo schermo. Potremo anche utilizzare le sotto-divisioni del reticolo per eseguire una misura accurata (una sotto-divisione equivale ad 1/5 di divisione). Moltiplicando il valore del Time/Div per il numero di divisioni avremo la   misura di tempo.

Se un segnale si ripete nel tempo, possiede una frequenza di ripetizione espressa con ( f ). Per effettuare una misura di frequenza del segnale presente sullo schermo è importante misurare il periodo, definito come il tempo che impiega il segnale a completare un ciclo. Sapendo che periodo e frequenza sono reciproci l'uno dell'altro è molto facile calcolare la frequenza del segnale.

Misura del tempo di salita e discesa

In molte applicazioni è importante avere dettagliate informazioni sulle caratteristiche di un impulso, come in particolare del tempo di salita e discesa. Le misure standard in un impulso sono la sua larghezza e il tempo di salita e discesa. Il tempo di salita di un impulso è la transizione tra il livello basso e il livello alto della tensione. Per convenzione, si misura il tempo tra il 10% e il 90% dell'ampiezza del segnale. Questo elimina le irregolarità che potrebbero essere presenti ai margini dell'impulso. Ecco spiegato perchè compaiono i marcatori sul reticolo di alcuni oscillosopi (altri invece hanno una semplice linea tratteggiata).

La misura degli impulsi richiede un aggiustamento fine dei comandi di trigger. Per diventare esperti nella cattura degli impulsi è importante conoscere bene i comandi di trigger che possiede il nostro oscilloscopio. Una volta catturato l'impulso, il processo di misura è il seguente: agendo sul commutatore di amplificazione verticale e sul relativo verniero si aggiusta l'ampiezza picco-picco dell'impulso fino a farla coincidere con le due linee punteggiate (esattamente dove compaiono i marcatori 0% e 100% sul reticolo dello schermo). Si misura l'intervallo di tempo che intercorre tra il 10% e il 90% del fronte, aggiustando il commutatore della base dei tempi in modo che il segnale occupi il massimo spazio dello schermo dell'oscilloscopio. Questo permetterà di eseguire misure con la massima precisione. 

Misura di fase tra due segnali

Quando due segnali sinusoidali vengono comparati alla stessa frequenza può accadere che entrambi non siano in fase, oppure, che i due segnali non coincidano in modo equivalente nel tempo. In questo caso i segnali vengono definiti sfasati, e allora si rende necessario misurarne lo sfasamento. Per eseguire questo tipo di misure viene utilizzata la funzione X-Y dell'oscilloscopio.

Un periodo completo di un segnale corrisponde ad una fase di 360º. Lo sfasamento indica l'angolo di anticipo o ritardo che possiede un segnale rispetto ad un altro se possiedono entrambi lo stesso periodo. Dato che l'oscilloscopio può effettuare direttamente solo misure di tempo, la misura di fase sarà indiretta.

Uno dei metodi utilizzati per le misure di sfasamento tra due segnali è il modo X-Y. Questo implica introdurre un segnale nel canale verticale (generalmente il canale 1I) e l'altro nel canale orizzontale (il canale 2I). Questo metodo è utilizzabile solo se entrambi i segnali sono sinusoidali. La forma d'onda risultante sullo schermo viene chiamata figura di Lissajous (dal nome del físico francese Jules Antoine Lissajous). Si può dedurre lo sfasamento tra due segnali, così come la loro relazione di frequenza osservando la figura sotto riportata.

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