L'oscilloscopio, spiegato semplice

Una pila dà una tensione ferma: 1,5 volt adesso, 1,5 tra un'ora. Si chiama continua. Ma quasi tutto quello che è interessante in elettronica cambia: il suono in un microfono, il battito del cuore, i bit che viaggiano tra due chip.

Un segnale è una tensione che cambia nel tempo portando un'informazione. L'oscilloscopio lo disegna: tempo in orizzontale, tensione in verticale. Tutto il resto dello strumento serve solo a far stare quel disegno nello schermo, fermo e leggibile.

Lo schermo è diviso in 10 quadretti in larghezza e 8 in altezza, le «divisioni». Le due linee centrali hanno anche delle tacche piccole: ogni tacca è un quinto di divisione.

La griglia è un righello: non si misura a occhio la curva, si contano i quadretti e si moltiplica per quanto vale un quadretto. Quel valore lo decidi tu con due manopole, ed è sempre scritto sullo schermo.

Dice quanti volt vale un quadretto in altezza. Gli scatti seguono sempre la serie 1-2-5: 1 mV, 2 mV, 5 mV, 10 mV… fino a 5 o 10 volt.

Regola: il segnale dovrebbe occupare da metà a tre quarti dello schermo in altezza. Troppo piccolo: perdi precisione. Troppo grande: esce dallo schermo e non vedi le creste.

Posizione verticale: sposta la traccia su e giù senza cambiare la scala. La freccia sul bordo sinistro segna dove sta lo zero volt.

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Dice quanto tempo vale un quadretto in larghezza: da miliardesimi di secondo a secondi. Anche qui, scatti 1-2-5.

Regola: cerca di vedere due o tre periodi interi. Se le onde sono fitte come un pettine, diminuisci il tempo per divisione; se vedi solo un pezzo di salita, aumentalo.

Lo strumento disegna lo schermo, da sinistra a destra, migliaia di volte al secondo. Se ogni disegno cominciasse da un punto a caso dell'onda, vedresti un groviglio che scorre. Il trigger («grilletto») dice: comincia a disegnare sempre nello stesso punto dell'onda.

• Livello: la tensione a cui scatta. Deve stare dentro il segnale: se è più alto della cresta, non scatta mai.
• Fronte: scatta mentre il segnale sale (↗) o mentre scende (↘).
• Sorgente: su quale canale guardare.

I tre modi: Auto disegna comunque, anche senza trigger (comodo per cominciare); Normal disegna solo quando scatta (per eventi rari); Single scatta una volta sola e si ferma: cattura un evento unico, come la pressione di un pulsante.

Prova con il rimbalzo di un pulsante →

DC mostra il segnale così com'è, con la sua parte fissa. È la scelta normale.

AC mette un condensatore in serie all'ingresso, che blocca la parte fissa e lascia passare solo quella che varia. Serve per vedere un disturbo di pochi millivolt sopra un'alimentazione di 12 volt: in DC dovresti usare una scala grande e il disturbo sparirebbe.

GND stacca l'ingresso e lo mette a massa: disegna una linea piatta, per vedere dov'è lo zero.

Attenzione: in AC i segnali molto lenti vengono deformati, perché il condensatore li «mangia».

La sonda non è un semplice filo. In posizione ×10 contiene una resistenza da 9 milioni di ohm che, con il milione dell'ingresso, divide il segnale per dieci. Vantaggi: carica dieci volte meno il circuito, regge tensioni più alte e ha una banda più larga. Svantaggio: i segnali piccoli diventano piccolissimi.

Sullo strumento va impostato lo stesso fattore, altrimenti leggi dieci volte di meno.

La compensazione. Ogni sonda ha una vitina che regola un piccolo condensatore. Si collega la punta all'uscita di prova dello strumento (un'onda quadra da 1 kHz) e si gira la vite finché gli spigoli sono netti: se sono arrotondati la sonda è «sottocompensata», se hanno una punta è «sovracompensata». Va fatto ogni volta che si cambia sonda o canale.

Gli strumenti digitali le calcolano da soli, e hanno i cursori: due righe da spostare a mano sullo schermo, che danno la differenza di tempo o di tensione tra due punti.

Guarda le misure su un PWM →Allenati a contarle a mano

Ogni oscilloscopio «taglia» le frequenze alte. La banda è la frequenza a cui una sinusoide viene mostrata al 70,7% della sua vera ampiezza (meno 3 decibel): a quella frequenza l'errore è già del 30%.

Per questo un'onda quadra da 20 MHz, su uno strumento da 20 MHz, sembra una sinusoide.

Un oscilloscopio digitale non vede il segnale di continuo: lo campiona, cioè lo misura tante volte al secondo, e poi unisce i punti.

Aliasing: se campioni troppo piano, i punti cadono su un'onda che non esiste, più lenta di quella vera. È lo stesso effetto delle ruote che sembrano girare al contrario nei film. Se un segnale ti sembra troppo lento per essere vero, diminuisci il tempo per divisione e guarda se cambia.

Attenzione: quando allunghi il tempo per divisione, lo strumento è costretto ad abbassare la frequenza di campionamento per far stare tutto in memoria. Più memoria vuol dire poter guardare a lungo senza perdere i dettagli.

• FFT. La trasformata di Fourier mostra il segnale per frequenze invece che nel tempo: una sinusoide pura è una riga sola, un'onda quadra una fila di righe sempre più basse. Serve a trovare disturbi e armoniche.
• Modalità XY. Un canale muove il punto in orizzontale, l'altro in verticale: nascono le figure di Lissajous, che mostrano il rapporto di frequenza e la fase tra due segnali.
• Matematica. CH1 − CH2 per misurare una tensione tra due punti nessuno dei quali è a massa; CH1 × CH2 per la potenza.
• Decodifica. Lo strumento traduce in lettere e numeri i bit di una comunicazione seriale (UART, I²C, SPI): si vede il segnale e sotto il suo significato.
• Persistenza. Tiene sullo schermo le tracce passate, sbiadite: gli eventi rari, come un disturbo ogni mille cicli, restano visibili.
• Trigger evoluti. Sulla larghezza di un impulso, su un impulso troppo basso («runt»), su una sequenza di bit: per catturare proprio l'evento sbagliato.

1. Il coccodrillo dimenticato. Senza massa collegata, il segnale è pieno dei 50 hertz della rete.
2. Il filo di massa lungo. Fa da antenna e da bobina: sui fronti rapidi compaiono oscillazioni che nel circuito non ci sono. Per i segnali veloci si usa la mollettina corta.
3. La massa nel punto sbagliato. Negli strumenti da banco il coccodrillo è collegato alla terra della presa: attaccarlo a un punto sotto tensione fa un corto circuito.
4. La sonda scompensata o il fattore sbagliato. Spigoli deformati, o numeri sbagliati di dieci volte.
5. Fidarsi del tasto Auto. Sceglie una regolazione che funziona, non quella che serve a te.
6. Dimenticare che lo strumento disturba. La sonda aggiunge una piccola capacità: in certi punti delicati (un oscillatore al quarzo) basta a fermare il circuito.