Come calibrare la precisione verticale del tuo oscilloscopio

L'asse Y viene utilizzato, quasi esclusivamente, per visualizzare l'ampiezza dei segnali in ingresso. Questi vengono elaborati tramite amplificatori di «canale» (almeno due canali, ma spesso quattro o più). Le funzioni di configurazione di base per la calibrazione dell'ampiezza comprendono:

• Allineamento dello zero al reticolo (offset)
• Bilanciamento dell'amplificatore verticale
• Commutazione dei canali verticali
• Funzionamento delle modalità di visualizzazione alternata/chopped

Precisione della deflessione orizzontale: ampiezza

Le tracce multiple vengono create tramite commutazione a scansione alternata o commutazione «chopped» ad alta velocità.

Commutazione a scansione alternata: la traccia viene completata prima di passare alla successiva.

Commutazione «chopped» ad alta velocità: gli ingressi vengono campionati alternativamente ad alta velocità e indirizzati verso canali separati (solitamente utilizzata per segnali a bassa frequenza).

Tutti gli oscilloscopi commutano tra diversi canali di ingresso, indirizzando solitamente gli ingressi verso un sistema di misura comune, ma ogni canale dispone di amplificatori e attenuatori diversi, le cui caratteristiche di guadagno costituiscono il principale fattore che influenza la precisione verticale.

Vi sono cinque parametri principali da verificare nella calibrazione di ciascun sistema di amplificazione verticale:

• Offset
• Guadagno
• Linearità
• Larghezza di banda
• Risposta all'impulso

Questi parametri sono fondamentali per ottenere una rappresentazione accurata del segnale. Per confronti efficaci tra segnali applicati tramite canali diversi, i parametri dei relativi canali devono essere equalizzati.

La misurazione del guadagno di un amplificatore di canale viene solitamente effettuata iniettando un segnale standard e confrontandone la rappresentazione con il reticolo del display. Poiché l'accoppiamento dell'amplificatore può essere commutato tra AC e DC, e spesso tra 50 Ω e 1 MΩ, sarà necessario iniettare segnali che verifichino il funzionamento di ciascuna di queste modalità di accoppiamento.

Per misurare il guadagno di un amplificatore vengono generalmente impiegati due segnali standard:

1. Con accoppiamento DC, viene iniettato un segnale DC oppure un'onda quadra, e la risposta del canale viene misurata rispetto alle divisioni del reticolo o alle letture dei cursori sul display.

Tutti i calibratori di oscilloscopi Fluke forniscono uscite di tensione DC e di onda quadra a 1 kHz per testare il guadagno e l'offset degli amplificatori con accoppiamento DC.

2. Con accoppiamento AC, viene iniettato un segnale a onda quadra a 1 kHz e, anche in questo caso, la risposta del canale viene misurata rispetto alle divisioni del reticolo o alle letture dei cursori sul display.

L'utilizzo di un impulso a bassa frequenza può inoltre fornire una verifica approssimativa della risposta complessiva in bassa frequenza (LF) e alta frequenza (HF). Si tratta però solo di un test molto approssimativo delle distorsioni importanti. Un risultato che appare squadrato deve comunque essere verificato per quanto riguarda la risposta all'impulso e la larghezza di banda.

Tutti i calibratori di oscilloscopi Fluke forniscono un'onda quadra a 1 kHz per testare il guadagno LF degli amplificatori con accoppiamento AC.

La linearità degli amplificatori di canale può essere testata iniettando un segnale DC o un'onda quadra, variando l'ampiezza e verificando le variazioni rispetto al reticolo o alle letture dei cursori.

Risposta all'impulso

L'osservazione del tempo di salita dei fronti rapidi di un impulso è uno dei due metodi complementari per misurare la risposta del canale verticale a ingressi impulsivi (dovrebbe essere misurata anche la larghezza di banda dell'amplificatore).

La risposta ai fronti rapidi dipende dall'impedenza di ingresso dell'oscilloscopio da testare. Sono generalmente in uso due impedenze di ingresso standard: 50 Ω e 1 MΩ/(tipicamente) 15 pF. 1 MΩ è l'ingresso standard del settore, generalmente utilizzato con sonde passive. Dove è disponibile l'ingresso a 50 Ω, questo garantisce un adattamento ottimale ai segnali HF.

Per misurare il tempo di salita, il segnale impulsivo viene iniettato nel canale da testare; il trigger e la base dei tempi vengono regolati per ottenere un'immagine misurabile a schermo, e il tempo di salita/discesa viene misurato rispetto al reticolo o alle letture dei cursori. Il tempo di salita/discesa osservato è composto da due componenti: quella relativa al segnale applicato e quella relativa al canale sotto test. Queste vengono combinate come radice della somma dei quadrati, per cui, per calcolare il tempo relativo al canale dell'unità sotto test (UUT), è necessario utilizzare una formula:

Tempo di salita/discesa dell'UUT = Radice quadrata [(tempo osservato)2 – (tempo del segnale applicato)2 ]

In alcuni oscilloscopi il reticolo verticale è appositamente contrassegnato con 0%, 10%, 90% e 100%, per facilitare l'allineamento dell'ampiezza dell'impulso con i riferimenti 0% o 100%, e quindi misurare i punti di incrocio 10%/90% rispetto ai riferimenti sulla linea orizzontale centrale del reticolo. Molti DSO moderni dispongono di cursori di misura o di funzioni che consentono di eseguire le misurazioni del tempo di salita in questi stessi punti.

Misurazione

In tutti i modelli Fluke vengono utilizzati due diversi tipi di impulsi:

• Funzione Low Edge: un impulso di bassa ampiezza di tensione adattato a 50 Ω, con un tempo di salita/discesa significativamente inferiore a 1 ns. Quando si utilizza la formula per calcolare il tempo di salita/discesa dell'unità sotto test (UUT), il tempo di salita del segnale applicato deve essere certificato all'ultima calibrazione del calibratore, il più vicino possibile all'ampiezza dell'impulso applicato.
• Funzione High Edge: un impulso di alta ampiezza di tensione adattato a 1 MΩ, con un tempo di salita inferiore o uguale a 100 ns. Questa funzione viene utilizzata principalmente per calibrare la risposta degli attenuatori di canale dell'oscilloscopio.

Aberrazione del fronte di salita

Le aberrazioni, ovvero overshoot e undershoot, sono visibili sul display. Spesso compaiono all'estremità superiore del fronte, prima che la tensione si assesti sul valore finale (definito come 100%).

Quando le aberrazioni vengono visualizzate per la misurazione, dovrebbero rientrare nei limiti di specifica. Quando la specifica di aberrazione dell'oscilloscopio si avvicina a quella del calibratore, è necessario utilizzare altri metodi di calibrazione.

Larghezza di banda del canale

Oltre a determinare la risposta all'impulso osservando un impulso campione sullo schermo, ciò dovrebbe essere supportato dalla misurazione della larghezza di banda dell'amplificatore utilizzando un'«onda sinusoidale livellata». Questa misurazione viene effettuata a un'impedenza di ingresso di 50 Ω, per preservare l'integrità della sorgente e del sistema di trasmissione a 50 Ω.

Per gli oscilloscopi ad alta impedenza di ingresso, viene utilizzato un terminatore da 50 Ω in linea per adattare la linea all'ingresso dell'oscilloscopio. Il terminatore da 50 Ω in linea può presentarsi come terminatore separato oppure essere integrato in una testina «attiva»: quest'ultima opzione offre il vantaggio di un'automazione completa e non richiede calibrazioni aggiuntive.

Innanzitutto viene misurata l'ampiezza visualizzata dell'onda sinusoidale in ingresso a una frequenza di riferimento (solitamente 50 kHz), quindi la frequenza viene aumentata, mantenendo la stessa ampiezza, fino alla frequenza a 3 dB specificata del canale. L'ampiezza visualizzata viene misurata nuovamente.

La larghezza di banda è corretta se l'ampiezza osservata nel punto a 3 dB è pari o superiore al 70% del valore rilevato alla frequenza di riferimento.

Se è necessario stabilire il punto a 3 dB effettivo, la frequenza deve essere aumentata finché l'ampiezza picco-picco non raggiunge il 70% del valore rilevato alla frequenza di riferimento; tale frequenza sarà quindi prossima al punto a 3 dB.