Caratterizzazione di strumenti di misura a microonde

 Università Degli Studi di Messina 
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 
1 Introduzione 
 
2 
 
nel campo dei segnali ad alta frequenza. Inoltre per mezzo dell‟acquisizione automatica 
della misura, è possibile manipolare, mediante l‟utilizzo del calcolatore, le forme d‟onda 
acquisite, fornendo una ulteriore analisi del comportamento del sistema soggetto a 
misure. 
In altre parole l‟acquisizione dei dati è il processo di raccolta o di generazione di 
informazioni in modo automatizzato da fonti analogiche e digitali, come sensori, 
dispositivi di prova, generatori di segnali, strumenti di misura. L‟acquisizione dei dati 
utilizza una combinazione di computer, strumenti di misura Hardware e Software per 
fornire sistemi di misura flessibili e rendere la misura stessa il più esatta possibile. La 
crescita continua dell‟elettronica e delle telecomunicazioni ha reso disponibile sul 
mercato un numero di dispositivi elettronici di notevoli prestazioni con cui è possibile 
interagire quotidianamente; in particolare nel campo della strumentazione elettronica, 
questa evoluzione ha permesso la realizzazione di strumenti capaci di effettuare misure 
anche complesse in tempi sempre più piccoli, di immagazzinare quantità di 
informazioni sempre più grandi e di trasmettere per brevi, lunghe e lunghissime 
distanze, informazioni in modo veloce e sempre più precise. L‟aumento delle 
potenzialità della strumentazione comporta anche un incremento delle difficoltà e del 
costo dell‟esecuzione delle misure in modo manuale (cioè mediante l‟intervento 
dell‟operatore). È quindi giustificabile e giustificato l‟interesse dei costruttori di 
strumentazione elettronica allo sviluppo di sistemi in grado di sostituire l‟operatore (e 
tutti i possibili errori da esso derivanti) per svolgere compiti di misura complessi dal 
punto di vista esecutivo (algoritmi di misura complicati) e/o ripetitivi. Inoltre rendendo 
l‟azione di misura automatizzata, con procedure automatiche, si ha un notevole 
incremento dell‟affidabilità della procedura di misura e di conseguenza anche dei 
risultati ottenuti. 
 
1.1 Il caso di studio 
 
Oggetto di questa tesi è la connessione tra l‟oscilloscopio campionatore 11801B della 
Tektronix e un calcolatore mediante interfaccia IEEE-488 per PC della National 
 Università Degli Studi di Messina 
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 
1 Introduzione 
 
3 
 
Instrument, atto ad acquisire una forma d‟onda, generata dallo Sweep Oscillator 
8350A dell‟HP attraverso l’Instrument Control Toolbox (ICT) di Matlab.  
Nello specifico, l‟esperienza proposta consiste nella gestione con il calcolatore 
dell‟oscilloscopio campionatore su citato. Il controllo avviene tramite una connessione 
di tipo GPIB, utilizzando lo standard di trasmissione IEE-488. Il software attraverso 
cui è stata creata l‟acquisizione delle forme d‟onda è l’Instrument Control Toolbox 
(ICT) di Matlab. L‟oscilloscopio, il controller (PC) e il generatore sono connessi 
mediante una connessione di tipo party-line. 
L‟esperienza è stata svolta nel seguente modo: 
In una prima fase si sono studiati il funzionamento ed il controllo in maniera remota 
dell‟oscilloscopio, tramite la lettura dei manuali specifici. In un secondo momento sono 
state eseguite prove di acquisizione di forme d‟onda e di misure frontali e manuali 
grazie agli esercizi proposti nel manuale dello strumento stesso. In seguito si sono 
studiati le generalità tecniche e teoriche e i principi di funzionamento dello standard 
IEEE-488 e delle porte GPIB. In ultimo si sono acquisiti le informazioni sull‟utilizzo 
del software (il Matlab, e del Tool specifico utilizzato per il controllo dello strumento, 
l‟Instrument Control Toolbox (ICT) di Matlab) e sulle funzioni e istruzioni da 
utilizzare per il collegamento dello strumento con il calcolatore e l‟acquisizione di 
forme d‟onda. 
 
  
 Università Degli Studi di Messina 
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 
1 Introduzione 
 
4 
 
1.2 Presentazione del lavoro 
 
Questo lavoro di tesi si propone di descrivere il progetto di Controllo remoto 
dell’oscilloscopio campionatore 11801B della Tektronix realizzato nel laboratorio di 
misure a microonde dell‟ Università di roma Tor Vergata, descrivendo in dettaglio le 
tecnologie utilizzate. 
 
Capitolo 2. “Generalità sugli oscilloscopi digitali”, descrive il principio di 
funzionamento, le architetture, i metodi di campionamento e i tipi di oscilloscopi 
digitali esistenti. 
 
Capitolo 3 “Controllo remoto”, descrive l‟interfacciamento e la trasmissione seriale e 
parallela, i problemi legati al sincronismo dei bit e dei caratteri, lo standar paralello 
GPIB-488. 
 
Capitolo 4. “Remotizzazione”, questo capitolo descrive, in modo generale il softwere e 
il Toolbox utilizzato nel controllo degli strumenti, inoltre riporta il listato del 
programma utilizzato e i risultati ottenuti. 
 
Conclusioni 5. Quest‟ultimo capitolo completa la trattazione del Progetto. 
 
 
 
 Università Degli Studi di Messina 
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 
2 Generalità sugli oscilloscopi digitali 
 
5 
 
2 Generalità sugli oscilloscopi digitali 
 
 
“Nemo omnia scire potest.” 
(Varro, De Re Rustica, 2.1.2)  
 
 
 
 
2.1 Oscilloscopio digitale 
 
 
 L'oscilloscopio fa parte della classe degli strumenti nati per la rilevazione 
dell'andamento di un segnale elettrico nel tempo. Il suo uso non è limitato alle sole 
grandezze elettriche, ma può essere esteso, attraverso opportuni trasduttori, a tutte le 
altre grandezze fisiche. È sicuramente lo strumento più utilizzato nel campo elettronico. 
Data la sua media complessità d'uso, richiede una precisa conoscenza delle sue 
potenzialità di misura, dei suoi limiti e delle sue caratteristiche costruttive. Attraverso lo 
studio di questi aspetti, si apprezzerà il significato dei controlli disponibili nella maggior 
parte degli strumenti commerciali e ci si potrà orientare in modo corretto sia alla sua 
scelta, sia al suo uso. In questo capitolo sarà esaminato l'oscilloscopio digitale, naturale 
sviluppo tecnologico e di prestazioni dell'oscilloscopio analogico.  
 Gli oscilloscopi digitali, differiscono dagli analogici principalmente dalla 
presenza, nella circuiteria interna, di un convertitore analogico/digitale che trasforma il 
segnale misurato in dati digitali e di una memoria RAM. Lo strumento acquisisce la 
forma d‟onda sottoforma di una serie di campioni, li memorizza finché ne ha 
accumulato un numero sufficiente per tracciarla e in seguito la ricostruisce e la 
visualizza.  
 Università Degli Studi di Messina 
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 
2 Generalità sugli oscilloscopi digitali 
 
6 
 
In altre parole il segnale è campionato, convertito da analogico a digitale (la velocità di 
tale operazione determina la bontà di risoluzione dello strumento), quindi convertito in 
una parola binaria e in seguito memorizzato nella memoria RAM. 
Un possibile schema è il seguente: 
 
 
Attenuatore
Amplificatore 
Verticale
Sezione Verticale
Convertitore A\D
Processore
Memoria
Sistema di Acquisizione Dati
Sezione di 
visualizzazione
Sistema di trigger
Sezione Orizzontale
Sistema di 
campionamento
BASE DEI TEMPI
SCHERMO
 
0
0
0
0
0
 
Figura 2.1: Architettura di un oscilloscopio digitale 
 
 
 Come è mostrato in figura, il segnale, prelevato attraverso la sonda dal circuito 
esterno, interessa la sezione verticale che ne aggiusta l‟ampiezza allo stesso modo 
dell‟oscilloscopio analogico. L‟ADC del sistema di acquisizione dati campiona il 
segnale a frequenza determinata e converte il segnale in una serie di valori digitali noti 
come punti di campionamento. La sezione orizzontale presenta un segnale di clock che 
 Università Degli Studi di Messina 
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 
2 Generalità sugli oscilloscopi digitali 
 
7 
 
comunica al convertitore A\D quando prendere il campione. La velocità di questo clock 
determina la frequenza di campionamento indicata in campioni al secondo. I campioni 
sono immagazzinati in memoria come punti del segnale; l‟insieme del numero di punti 
costituisce il “pacchetto” che sarà utilizzato per la ricostruzione del segnale e la 
visualizzazione. La sezione di trigger determina l‟inizio e la fine dell‟insieme dei punti 
che rappresenta il segnale. In fine, la sezione di visualizzazione, riceve i punti 
rappresentativi del segnale (cioè la traccia immagazzinata nella memoria) e li invia allo 
schermo per la rappresentazione. L‟ADC è di tipo flash (solitamente a 8-bit) dato che è 
fondamentale avere una conversione veloce del segnale in ingresso, infatti, per la legge 
di Shannon, la frequenza massima del segnale d‟ingresso deve essere la metà della 
frequenza di campionamento. Questo tipo di convertitori è in genere, in grado di 
campionare a una frequenza di 20 GHz e dunque richiedono una RAM con una banda 
passante di circa 20GB/s. 
Gli oscilloscopi digitali possono essere classificati nel seguente modo: Oscilloscopi a 
memoria digitale (DSO); Oscilloscopi ai fosfori digitali (DPO); Oscilloscopi 
campionatori. 
 
 
 
2.1.1 Base dei tempi e risoluzione orizzontale. 
 
 Nell'oscilloscopio digitale, il compito del circuito di scansione orizzontale è 
quello di assicurare che i campioni siano acquisiti ognuno al momento opportuno. 
L'insieme dei campioni che costituiscono una forma d'onda si chiama record; 
quest‟ultimo è caratterizzato da un parametro, la lunghezza di registrazione (o 
profondità di memoria), che indica il numero di elementi presente nel record. Ad 
esempio, un DSO avente lunghezza di registrazione pari a 2500 è in grado di acquisire 
2500 campioni; ai fini della visualizzazione, però, solo una parte di questi campioni 
sono utilizzati: un record può quindi essere impiegato per ricostruire una o più 
schermate. Di solito l‟oscilloscopio configura, su tutto l‟asse orizzontale, 512 campioni 
 Università Degli Studi di Messina 
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 
2 Generalità sugli oscilloscopi digitali 
 
8 
 
e, per maggior comodità, questo numero di campioni viene a trovarsi predisposto con 
una risoluzione orizzontale di 50 campioni per divisione. Ciò significa che l‟asse 
orizzontale ha una lunghezza di 512/50 = 10.24 divisioni. Pertanto, l'intervallo di tempo 
tra due campioni consecutivi può essere calcolato come segue: 
 
 
Intervallo di campionamento = settaggio base tempi (sec/div) / numero di campioni 
 
 
Per un settaggio della base dei tempi di 1 msec/div, con 50 campioni per divisione, 
l'intervallo di campionamento è: 
 
 
Intervallo di campionamento = 1 msec / 50 = 20 μsec 
 
 
La velocità di campionamento risulta, naturalmente, il reciproco dell'intervallo di 
campionamento: 
 
Velocità di campionamento = 1 / intervallo di campionamento 
 
 
Ricapitolando: 
il numero di campioni rappresentato sul display è fisso;settando la velocità della base 
dei tempi si stabilisce anche la velocità di campionamento. 
La velocità di campionamento specificata per un particolare strumento è quindi valida 
solo per un preciso settaggio della base dei tempi: per esempio, quando quest'ultima 
viaggia lentamente (con fattori dell‟ordine del sec/div) saranno impiegate basse velocità 
di campionamento. Considerando un oscilloscopio avente una frequenza massima di 
campionamento di 1GS/s, la velocità massima alla quale può operare la base dei tempi è 
pari a: 
 Università Degli Studi di Messina 
Corso di Laurea in Ingegneria Elettronica 
2 Generalità sugli oscilloscopi digitali 
 
9 
 
 
Minimo fattore SEC/DIV = 50 campioni * intervallo di campionamento 
= 50 / velocità di campionamento 
= 50 / (1 x 109) 
= 50 ns/div. 
 
 
L‟acquisizione dei segnali alla massima frequenza di campionamento è eseguita 
solamente per questo fattore dei SEC/DIV; se tale velocità fosse utilizzata per qualsiasi 
altra impostazione della base tempi, ne potrebbero derivare problemi di ricostruzione 
delle forme d‟onda. Considerando, ad esempio, di analizzare un segnale sinusoidale 
avente frequenza 1 KHz,  visualizzandone un periodo sullo schermo, si potrebbe 
impostare la velocità della base dei tempi a 100 μsec/div.  
Se l‟acquisizione avvenisse alla massima frequenza di campionamento, per avere una 
visualizzazione completa del periodo dovrebbero essere memorizzati 1*106 elementi, 
cifra che va abbondantemente in conflitto con la lunghezza di registrazione (pari a 
2500). In realtà nell‟oscilloscopio digitale con le suddette specifiche tecniche il 
campionamento avverrebbe ogni 100*10-6 / 50 = 2 μsec (fattore che garantisce il 
rispetto del teorema di Shannon).  
 
 
2.1.2 Frequenza massima catturata e criterio di Shannon 
 
 Quando furono eseguiti i primi tentativi di digitalizzazione dei segnali, uno 
studio rivelò che la frequenza di campionamento del segnale doveva avere un valore 
almeno doppio di quello della frequenza più alta contenuta nel segnale sotto esame: 
 
fc ≥ 2 fm