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Oscilloscopi Digitali��

Monitoraggio dei Processi Industriali

2025-2026

Francesco Santoni

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Oscilloscopio

  • Funzione: visualizzazione di porzioni di segnali ripetitivi in funzione del tempo
  • Tracciando ripetutamente a schermo nella stessa posizione porzioni ripetitive del segnale, permette di visualizzare segnali che variano troppo velocemente per essere percepiti da un essere umano
  • Tecnologia:
    • analogica (AO, Analog Oscilloscope)
    • digitale (Digital Storage Oscilloscope, DSO): strumento a campionamento che emula ed estende le funzionalità dell’oscilloscopio analogico
  • Differenze rispetto DMM:
    • DMM: misura tensioni e correnti lentamente variabili nel tempo con grande accuratezza (6 cifre=errore relativo 1 p.p.m.), numero visualizzato a schermo
    • Oscilloscopio: visualizza andamento temporale di segnali di tensione molto veloci, anche con frequenze superiori a 20 GHz, ma con accuratezza limitata (errore dell’ordine dell’1%)

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Campionamento e quantizzazione

  • Digitalizzazione:
    • Campionamento: segnale acquisito a tempo discreto
    • Quantizzazione: ampiezza segnale analogico convertita a livelli discreti
  • Il risultato della digitalizzazione del segnale è un vettore di numeri interi che viene conservato in RAM e che eventualmente può essere scaricato su memoria di massa

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Modalità di acquisizione e gestione della memoria

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Conversione analogico-digitale

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Conversione A/D

  • Quali sono i requisiti dell’ADC di un DSO?
    • Risoluzioni medio basse (8-10 bit)
    • Velocità di conversione elevate
    • Seguono esempi…

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Es: Analog Devices HMCAD1511, 8 bit ADC, 1 Gsample/s,

  • Single Channel: 1 Gsamples/s
  • Dual Channel: 500 Msamples/s
  • Quad Channel: 250 Msamples/s

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ADC Interlacciati – Interleaved ADC

  • Il segnale alto indica quando l’ADC è attivo (il dato viene acquisito)
  • Con due ADC opportunamente sfasati si ottiene una frequenza di campionamento complessiva doppia rispetto alla frequenza di campionamento del singolo ADC

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ADC Interlacciati – Interleaved ADC

  • Con un opportuno sistema di distribuzione del clock si possono interlacciare M ADC

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Figure 1. An array of M time interleaved n-bit ADCs. The sample rate of each one is fs/M, the resulting sample rate of the time interleaved ADCs is fs. An example of clocking scheme for the case of M = 4 is depicted on the lower part of this figure.

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Es: Texas Instruments ADC08DJ3200

6.4-Gsa/s Single-Channel or 3.2-Gsa/s Dual-Channel, 8-Bit

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Trigger

  • Il trigger è un evento che viene usato come riferimento per la sincronizzazione del segnale e per innescare l’aggiornamento dello schermo
  • Internamente i segnale viene campionato in continuazione, ma solo quando si verifica l’evento di trigger esso viene mostrato a schermo e sincronizzato rispetto all’istante del trigger
  • Il trigger può essere un segnale esterno (EXT), oppure si usa il segnale stesso come trigger osservando quando esso supera (RISE) una certa soglia o scende (FALL) sotto di essa

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Trigger

  • Il segnale di trigger è il canale 2
  • Modalità FALL
  • Quando il segnale 2 scende sotto il trigger level i segnali vengono mostrati
  • L’istante di riferimento T per tutti i segnali è l’istante dell’evento di trigger

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  • Il segnale di trigger è il canale 1
  • Modalità RISE
  • Modalità pre-, post- e center-trigger
  • Qui 60% pre e 40% post
  • Center-trigger=50% pre e 50% post

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  • La regolazione trigger-level permette di impostare il livello del trigger
  • Il controllo horizontal position permette di spostare avanti o indietro l’istante T del trigger

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Modalità di Trigger

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Display

 

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RISE FALL

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Modalità di acquisizione e gestione della memoria

  • Perché nello schema del DSO sono presenti più tipologie di memoria?
  • La memoria di acquisizione è una memoria dedicata all’output del convertitore A/D
  • La gestione delle memoria di acquisizione è definita a run-time, principalmente sulla base del rapporto tra DV e DA e del numero di canali dello strumento

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Flusso delle informazioni

ADC

Mem. Acquisizione

Schermo

Mem. Visualizzazione

  • Principi generali:
    • La memoria di acquisizione memorizza segnale acquisito per una durata non inferiore alla durata DV del segnale da visualizzare
    • La memoria di visualizzazione è gestita dal processore di visualizzazione, con l’obiettivo di definire i pixel dell’immagine mostrata a schermo (NV campioni a traccia!)
    • Le due memorie non sono gestite in modo indipendente
    • Nel seguito: gestione della memoria di acquisizione

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Flusso delle informazioni

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Flusso delle informazioni

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Modalità di acquisizione e gestione della memoria

  •  

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Modalità di acquisizione e gestione della memoria

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DV

 

DV

 

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Modalità di acquisizione e gestione della memoria

  •  

DV

 

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Modalità di acquisizione e gestione della memoria

  •  

 

DV

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Modalità di acquisizione e gestione della memoria

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Modalità di acquisizione e gestione della memoria

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Modalità di acquisizione e gestione della memoria

  •  

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Campionamento in tempo equivalente

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Fig. 4 - Ricostruzione della forma d’onda ripetitiva di Fig. 3 utilizzando i campioni acquisiti, visualizzati in tempo equivalente, cioè per valori crescenti del ritardo di ciascun istante di acquisizione rispetto all’evento di trigger immediatamente precedente. La linea continua unisce i campioni acquisiti, la linea tratteggiata mostra la forma d’onda che si sta ricostruendo.

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Risposta in frequenza e risposta al gradino

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Risposta in frequenza

 

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Risposta in frequenza

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Risposta al gradino

Quando all’oscilloscopio viene applicato un segnale a gradino ideale, ci sono diverse possibili risposte.

Le caratteristiche del segnale in ingresso (transitorio) possono essere analizzate adeguatamente solo nel caso (d), che corrisponde al grafico della slide precedente

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In presenza di overshoot trascurabili:

 

Risposta in frequenza e tempo di salita

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Misurazione del tempo di salita

 

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Riferimenti

[1] http://www.analog.com/en/products/analog-to-digital-converters/standard-adc/high-speed-ad-10msps/hmcad1511.html#product-documentation

[2] http://www.ti.com/lit/ds/symlink/adc08dj3200.pdf

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