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Taratura di un oscilloscopio
#1
In questo thread cercherò di spiegarvi come avviene la taratura di un oscilloscopio, cercando magari di approfondire maggiormente gli aspetti per quanto riguarda gli oscilloscopi analogici che presentano qualche piccola difficoltà in più.
Non riuscendo a scrivere tutto d’un fiato aggiungerò pezzi e bocconi sino a portare a termine la discussione nel giro di qualche giorno. Vi chiedo di intervenire se ritenete si possano approntare degli aggiustamenti in modo di fornire un quadro dettagliato e corretto riguardante il modus operandi per eseguire la verifica in oggetto.
La verifica viene eseguita utilizzando come campione di riferimento un calibratore Wavetek 9500 abbinato ad una testina ad alta frequenza mod. 9510. Le verifiche richieste per questo tipo di strumento in ambito accreditato sono la tensione continua eseguita su tutte le portate e su tutti i canali del UUT e la base dei tempi in funzione delle capacità metrologiche del laboratorio.

Le problematiche che si possono presentare durante la verifica di un oscilloscopio e che è meglio risolvere prima di eseguire la taratura sono:

1-falsi contatti sulla cavetteria che porta il segnale dal calibratore al UUT dovuti a ossidazione dei connettori o a connettori troppo usurati

2-tempi di warm-up, precedenti alla verifica, eseguiti non adeguatamente. Quindi importanza degli effetti della temperatura interna dello strumento.

3-seguire le indicazioni riportate sul manuale d’uso del costruttore. Spesso vengono indicati test di verifica da eseguire precedentemente alla taratura in modo di evidenziare eventuali malfunzionamenti che molte volte si risolvono semplicemente con la messa in punto del UUT, oppure si possono risolvere seguendo i due punti precedenti.

Quindi una volta controllate le precedenti voci possiamo iniziare a impostare l’UUT nel modo più consono per eseguire le prime misure.

Prima del settaggio e dopo il warm-up dovete eseguire l’autocalibrazione di fabbrica che di solito si trova all’interno del menù utility.

Per settare l’oscilloscopio al meglio vi invito a seguire le indicazioni riportate sul manuale d’uso del costruttore, quello che mi sento comunque di consigliarvi sono di impostare la sonda o probe a 1x quindi senza nessun moltiplicatore (se avete sonde de moltiplicatrici da verificare con lo strumento vi consiglio di verificarle in catena con l’oscilloscopio) limitare la banda passante a 20Mhz e se possibile eseguire la media delle misure (acquire avarage) impostandola a 16 acquisizioni (consiglio riportato sul manuale di diversi Tektronix).

Ok Ora passiamo alla scelta dei punti di misura. Credo sia ragionevole per ogni portata in DC del UUT selezionare 1 o 2 punti di misura, diciamo che i punti ad inizio scala e a fine scala possano dare una buona indicazione di come si comporta l’oscilloscopio. Per farvi un esempio sulla portata 50mV/div possiamo scegliere di eseguire di eseguire le misure a 50mV e 150mV. Le stesse misure vanno eseguite invertendo la polarità del segnale generato. Eseguiamo 5 punti di misura in modo di avere la media delle misure su un ragionevole numero di acquisizioni. Se preferite, o in caso di misure un po’ ballerine, potere eseguire anche più punti di misura ad esempio 10 o 15.

Come vi dicevo per eseguire queste misure su un oscilloscopio analogico, cioè uno strumento che non vi da la possibilità di eseguire una misura diretta del segnale indicato, le cose si complicano un pochino. In questi casi l’unico riferimento sicuro che avete è la griglia del monitor dell’oscilloscopio quindi vi conviene affidavi a lei. In che modo lo potete fare?? Facendo in modo di variare il segnale in ingresso dal calibratore sino a visualizzare il valore misurato del UUT perfettamente un asse con i riferimenti della griglia. Ovviamente lo scostamento dei due sarà l’errore che lo strumento commette durante le misure.

Terminate le misure in tensione continua si passa alla verifica della base dei tempi del’oscilloscopio. In questo caso si esegue 1 misura per ogni portata, ad esempio alla portata di 1 ms si verifica il punto di misura di 1 ms. Per questa misura solitamente si utilizza l’onda quadra di 1 mVPP con deuty cicle al 50%. Si imposta il segnale con il calibratore e si eseguono le letture sull’UUT in caso questo abbia la lettura dretta del valore di base dei tempi. In caso di strumento analogico, cioè senza indicazione diretta del valore, vi dovete regolare come in precedenza, variando il segnale di quel poco con il calibratore sino ad ottenere una forma d’onda che coincida con la griglia dell’oscilloscopio.

Aspetto vostri commenti per affinare la procedura di taratura appena descritta.
Grazie a tutti
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#2
Presente!!!!
Dennis

Ricordate..... Le prove vanno fatte bene!!!! Tongue

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#3
Bene
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#4
Ciao

Avrei delle piccole note che se vuoi e ti pare il caso puoi integrare.

(04-04-2014, 10:12)enrico.reccagni Ha scritto:  Prima del settaggio e dopo il warm-up dovete eseguire l’autocalibrazione di fabbrica che di solito si trova all’interno del menù utility.

Prima di eseguire una autocalibrazione dovrebbe essere verificato l'oscilloscopio, o almeno verificato su qualche punto per vedere lo stato dell'arte dell'apparato. Il cliente deve sapere se l'oscilloscopio prima della messa in punto era starato e di quanto, o detta meglio: fuori punto rispetto le specifiche metrologiche dichiarate dal costruttore.
Per far capire meglio il concetto faccio un esempio.
Normalmente utilizzo l'oscilloscopio all'interno del mio reparto di collaudo per mettere in punto con un trimmer una tensione alternata a 10MHz su una scheda elettronica fatta per funzionare su una automobile; per il buon funzionamento in temperatura dell'apparato da collaudare, la tensione deve essere impostata con una incertezza massima del 5%. Per fare questo lavoro utilizzo un oscilloscopio che su quel punto di misura presenta una accuratezza dichiarata dal costruttore dell'1,5%. L'oscilloscopio, dovuto all'aging di alcuni componenti, inizia leggermente a derivare e si porta ad avere una accuratezza del 6% (sono tutti esempi estremizzati ed ipotesi), ma io non mi accorgo di niente perchè non faccio verifiche incrociate con apparati precedentemente collaudati e non possiedo calibratori. Come tutti gli anni mando l'oscilloscopio a tarare ed il laboratorio me lo rimette subito in punto ,cancellando la situazione degradata, e poi gli verifica la taratura trovandolo conforme rispetto a quanto dichiarato dal costruttore.
Io costruttore non ho quindi la minima idea di aver venduto merce con possibili problemi in temperatura. Se invece ,prima della messa in punto ,ci fosse stato un controllo avrei potuto prendere provvedimenti per tutte le apparecchiature collaudate dall'ultima taratura certa dell'oscilloscopio. Se invece la deriva fosse stata del 2% avrei potuto per esempio ancora ammettere validi i risultati ottenuti, ma in ogni caso devo saperlo.
Quindi direi di vedere sempre in che stato è lo strumento prima di piallare tutto........Smile
Personalmente la messa in punto la eseguo qualora riscontri dei valori che differiscano più del 50% della massima accuratezza prevista dal costruttore.


(04-04-2014, 10:12)enrico.reccagni Ha scritto:  Per settare l’oscilloscopio al meglio vi invito a seguire le indicazioni riportate sul manuale d’uso del costruttore, quello che mi sento comunque di consigliarvi sono di impostare la sonda o probe a 1x quindi senza nessun moltiplicatore (se avete sonde de moltiplicatrici da verificare con lo strumento vi consiglio di verificarle in catena con l’oscilloscopio) limitare la banda passante a 20Mhz e se possibile eseguire la media delle misure (acquire avarage) impostandola a 16 acquisizioni (consiglio riportato sul manuale di diversi Tektronix).

Anche Agilent consiglia i medesimi settaggi. Mio consiglio personale per oscilloscopi digitali ,avvalorato da quanto riportato dalle guide di taratura dei costruttori e da prove eseguite, è di eseguire le misure in DC con la base tempi il più vicina possibile a 1ms. Riportare inoltre nel certificato la base tempi utilizzata durante le misure.
Cambiando la base tempi i risultati cambiano leggermente per effetti dovuti a rumore e campionamento.

(04-04-2014, 10:12)enrico.reccagni Ha scritto:  Ok Ora passiamo alla scelta dei punti di misura. Credo sia ragionevole per ogni portata in DC del UUT selezionare 1 o 2 punti di misura, diciamo che i punti ad inizio scala e a fine scala possano dare una buona indicazione di come si comporta l’oscilloscopio. Per farvi un esempio sulla portata 50mV/div possiamo scegliere di eseguire di eseguire le misure a 50mV e 150mV. Le stesse misure vanno eseguite invertendo la polarità del segnale generato. Eseguiamo 5 punti di misura in modo di avere la media delle misure su un ragionevole numero di acquisizioni. Se preferite, o in caso di misure un po’ ballerine, potere eseguire anche più punti di misura ad esempio 10 o 15.

Come vi dicevo per eseguire queste misure su un oscilloscopio analogico, cioè uno strumento che non vi da la possibilità di eseguire una misura diretta del segnale indicato, le cose si complicano un pochino. In questi casi l’unico riferimento sicuro che avete è la griglia del monitor dell’oscilloscopio quindi vi conviene affidavi a lei. In che modo lo potete fare?? Facendo in modo di variare il segnale in ingresso dal calibratore sino a visualizzare il valore misurato del UUT perfettamente un asse con i riferimenti della griglia. Ovviamente lo scostamento dei due sarà l’errore che lo strumento commette durante le misure.

Su questo avrei da fare un appunto.
L'oscilloscopio è un visualizzatore di forme d'onda e non un misuratore. Io devo essere sicuro di che ciò che visualizzo sia corretto. Sia per oscilloscopi analogici che digitali devo verificare che la traccia sia in corrispondenza della divisione voluta indipendentemente dalla misura che può eseguire un digitale.
Ricordo a tal proposito che l'oscilloscopio misura ciò che vede nello schermo e quindi se ad esempio chiedo l'RMS di una forma d'onda visualizzata per meno di un periodo sullo schermo non ottengo un valore accettabile e congruo con quella che è la realtà.
Io ad esempio eseguo su tutte le scale una misura a 6 divisioni (spostando lo zero a -3 divisioni) e su una o due scale provo anche le 2 e le 4 divisioni. Però sempre aiutandomi con l'occhio metto la traccia a combaciare la divisione.
Potrei invece se voglio fare delle prove come misuratore di tensione e quindi utilizzo le funzioni measure dell'oscilloscopio, ma non quando provo la deflessione verticale.

Spero di essere stato esaustivo e di aiuto.
Dennis

Ricordate..... Le prove vanno fatte bene!!!! Tongue

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#5
Grazie Dennis per l'intervento... più tardi leggo tutto con calma e integro nel primo post.
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#6
Siete da applausi.
grazie
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#7
Ottima procedura, penso sia la stessa utilizzata quasi da tutti!

Aggiungerei qualche nota sulla risposta in frequenza dell'oscilloscopio, dato che non l'hai trattata.
La risposta in frequenza (denominata anche flatness) è la caratterizzazione del comportamento dell'oscilloscopio in funzione della frequenza.
Si genera un'onda sinusoidale conosciuta e si misura l'ampiezza (picco picco) sull'oscilloscopio. Questo si ripete per più valori di frequenza fino ad arrivare alla banda passante dichiarata dal costruttore.

Fin qui sembra tutto semplice, ma l'alzarsi in frequenza porta non pochi problemi nella lettura di ampiezze.
Per fare solo un esempio, questa mattina ho calibrato il mio cavo per farvi capire di cosa parlo. Con taratura del cavo intendo che ho fatto delle prove di caratterizzazione per valutarne l'attenuazione (e coefficiente di riflessione) in funzione della frequenza.
Il risultato è stato il seguente:

[Immagine: 29tyyg.png]

Si nota come a una frequenza di 2 GHz il segnale sia attenuato di circa 0.7 dB.
0.7 dB equivalgono a quasi il 10% di potenza persa!
Ossia se sto generando 10V a 2 GHz e sull'oscilloscopio leggo 9V, a priori direi che ho un errore di 1V, ma in realtà l'oscilloscopio è perfetto perchè al connettore dell'oscilloscopio arrivano in effetti 9V e non 10V! 1V è andato perduto sul cavo.

Questo è solo un esempio per far capire quanto la frequenza complichi le cose sulle misure in ampiezza. E adesso ho trattato solo l'attenuazione, ma in realtà è da tenere conto anche della riflessione dei connettori, del contributo armonico e altri contributi che diventano molto pesanti salendo in frequenza.

Da qui nasce la necessità di conoscere accuratamente tutti questi coefficienti in modo da poterli andare a compensare nella taratura ed avere una misura affidabile.
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#8
Ci sono. Dopo due giorni di visita ispettiva da lunedì riparto alla grande con il forum. Vi ringrazio per gli interventi.
Ho avuto anche da fare come webmaster e marketing non vi ho abbandonati.
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#9
Ottime osservazioni Syndrome. La catena metrologica deve essere considerata in toto.

Aggiungo inoltre che per la verifica della base tempi, anzichè usare un onda quadra, risulta più specifico utilizzare il segnale marker.
Tale segnale è costituito da una treno infinito di burst con periodo impostabile pari alla base tempi da verificare. Ogni burst ha un fronte di salita rapidissimo, pari alla massima banda possibile del calibratore / generatore, ed un fronte di discesa un pò più blando. In ogni caso quello che serve per la calibrazione è il fronte di salita che deve essere fatto combaciare con le divisioni orizzontali presenti a schermo.
Problemi si possono avere nel caso in cui dobbiamo misurare base tempi piccole (< o = ns) su degli oscilloscopi con banda passante più ampia della banda passante del calibratore; in questo caso si può notare un fronte di salita non tanto ripido come pensiamo. In questo, ma del resto in tutti i casi, è più giusto utilizzare sempre dei calibratori con banda passante maggiore rispetto alla banda passante dell'UUT, oppure limitare le misure a valori più grandi di base

Ciao
Dennis

Ricordate..... Le prove vanno fatte bene!!!! Tongue

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#10
Che bella discussione che è nata. Bravi e molto preparati ottimo lavoro
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