Come scegliere un oscilloscopio digitale

Come scegliere un oscilloscopio digitale

L'evoluzione della tecnica ad oggi

Anche se ormai siamo abituati a vedere enormi progressi nel campo della tecnologia, la funzione dell’oscilloscopio è rimasta pressoché uguale fin dagli albori dell’elettronica: Misurare un segnale in tensione, anziché utilizzando un comune multimetro, che varia velocemente di valore nel tempo. Se si usasse un voltmetro, nel migliore dei casi si rileverebbe soltanto un valore medio della tensione senza possibilità di sapere se la tensione è più o meno corretta ad esempio su un iniettore rispetto agli altri.

Inoltre, nel caso di sensori presenti in un sistema di accensione elettronica, l’oscilloscopio ci permette di vedere la forma d’onda del segnale e valutare la sua correttezza cosa che con un comune voltmetro non sarebbe possibile, sempre per il problema sopracitato.

L’oscilloscopio ci può quindi indicare la misura di grandezze elettriche come: VOLT, TEMPO, FREQUENZA.

Mentre le prime due sono rilevabili direttamente dallo schermo, la frequenza è un calcolo derivato dall’inverso di un ciclo sul tempo, e quindi come risulta dalla formula:

Lo schermo dell’oscilloscopio è sempre disegnato con un reticolo che divide e delimita la visualizzazione delle forme d’onda in tante piccole celle, ognuna di queste e definita normalmente DIVISIONE.

Ogni DIVISIONE è costituita quindi da una porzione di Tensione e Tempo che vediamo nello schermo dell’oscilloscopio, in pratica questa cella diventa un’unità di misura grafica facilmente intuibile mentre si visualizza una forma d’onda. Non a caso nelle impostazioni che vedremmo successivamente, in qualsiasi oscilloscopio troveremo le voci V/div e T/div che rispettivamente indicano la tensione per ogni divisione e il tempo per ogni divisione.

Inizialmente gli oscilloscopi erano nati con circuiti di acquisizione analogici e visualizzazione con tubi a raggi catodici e venivano chiamati tecnicamente Oscilloscopio CRT.

Oggi questa soluzione ormai è stata abbandonata da molti anni per usare versioni con schermo LCD e acquisizione digitale (DSO).

Questa soluzione tecnologica permette evidenti vantaggi di utilizzo, come dimensioni e peso ridotti, possibilità di memorizzare le forme d’onda e di collegare l’interfaccia di acquisizione direttamente ad un PC.

Nel campo dell’automobile l’oscilloscopio indubbiamente ha spaventato e spaventa più di qualche autoriparatore, e a tal proposito questo articolo vuol essere un modo per contribuire alla comprensione di questo strumento per una corretta interpretazione dei segnali presenti nei vari sistemi di gestione del motore e non solo.

Caratteristiche di un buon oscilloscopio

Nell'acquisto di un oscilloscopio da utilizzare in officina, prima di iniziare a confrontare il rapporto qualità/prezzo tra i vari produttori dobbiamo inizialmente tenere presente soprattutto se la tipologia dei segnali che dovremmo analizzare è per la bassa tensione oppure per l’alta tensione, questo ci dà la possibilità da subito di escludere alcune categorie di strumenti sul mercato. Innanzi tutto cosa significa bassa e alta tensione?

Le categorie previste dalle Norme Cei, per la classificazione delle tensioni, sono:

Sistemi di categoria 0 (bassa/bassissima tensione):

U < 50 V in c.a. (corrente alternata);

U < 120 V in c.c. (corrente continua);

Sistemi di categoria I (bassa tensione):

50 V< U <1000 V in c.a.;

120 V < U < 1500 V in c.c.;

Sistemi di categoria II (media tensione):

1000 V < U <30 kV in c.a.;

1500 V < U <30 kV in c.c.;

Sistemi di categoria III (alta tensione):

U>30 kV

C’è poi da osservare che la Norma CEI 11.1 include nella sua definizione di alta tensione anche i sistemi di categoria II, eliminando di fatto la media.

Nell'ambito dell’officina la categoria interessata è prevalentemente la prima, dove la maggioranza delle alimentazioni e dei segnali sono determinati dalla tensione della batteria a 12V.  Dobbiamo però considerare anche le categorie I e II, la prima nel caso di rilevazioni di segnali di comando attuatori come gli iniettori piezoelettrici dei sistemi common rail (arrivano con picchi di oltre 100V), la seconda per le rilevazioni dei secondari nei sistemi di accensione per il comando candele. Altra novità da considerare è rappresentata dai sistemi ibridi che incominciano ad essere presenti nel ventaglio dei modelli proposti dalle case costruttrici. Le tensioni in gioco sono come minimo sopra i 100V. Quindi riassumendo per quanto concerne la tipologia delle tensioni che troveremo sulle auto sarà:

Bassa tensione (cat. 0 e I) = Alimentazioni da batteria fino a segnali attuatori: da 0 fino a 150 Volt.

Media tensione (cat. I) = Alimentazioni batterie e motori elettrici dei sistemi ibridi: da 150 fino a 800 Volt.

Alta tensione (cat.II) = Sistemi di accensione comandata candele: da 1000 fino  a 30.000 Volt.

Dopo aver scelto la categoria di tensione su cui maggiormente si vorrà utilizzare l’oscilloscopio passiamo ora su quelle che sono le caratteristiche prestazionali che fanno la differenza nella qualità  e nel prezzo tra i vari oscilloscopi. Ecco i punti focali da considerare, prima dell’acquisto, per un buon oscilloscopio sono:

-          Numero di canali,

-          Tempo di campionamento,

-          Banda passante,

-          Trigger,

-          Memoria di acquisizione,

-          Tipo di sonde,

-          Tipo di connessione al PC,

-          Software funzioni automatiche,

-          Risoluzione verticale.

Numero di canali

La scelta più semplice perché dettata esclusivamente dal prezzo, infatti le differenze sostanziali tra due oscilloscopi con differenza del numero di canali è il costo finale. Le soluzioni sul mercato sono normalmente da 2 o 4 canali, naturalmente la scelta migliore è sempre la seconda perché permette di verificare simultaneamente più ingressi, l’eventuale scelta del 2 canali è dettata da avere un oscilloscopio meno costoso pur avendo le stesse prestazioni del 4 canali.

Tempo di campionamento

Ovvero la frequenza di campionamento la cui unità di misura è il numero di campioni per secondo, ovvero Samples per second (S/sec). Attenzione! Questa è la specifica fondamentale dell’oscilloscopio digitale, bisogna sempre tener conto di questo valore indicato nelle tabelle caratteristiche e se non è presente lo si deve richiedere assolutamente. Da questo valore si determina la prestazione in velocità dello strumento, questo numero identifica il numero di campioni letti per secondo del segnale analogico che si sta analizzando, quindi più e alto questo valore maggiore sarà la precisione dei punti visualizzati nello schermo e dunque migliore sarà la possibilità di riconoscere eventuali dettagli di anomalie nel segnale analizzato.

Portando all’estremo questo concetto abbiamo fatto finta di avere un segnale, tipo di un sensore di posizione, che nella figura di sinistra A è come si vedrebbe la forma reale con un oscilloscopio con alto numero di campioni per secondo, mentre a destra la figura B ci mostra se avessimo un oscilloscopio con basso numero di campioni per secondo, identificati con i cerchi arancioni, in sostanza ne uscirebbe un’elaborazione di un tipo di forma d’onda non simile all’originale ma addirittura deformata non permettendo all’operatore di riconoscere eventuali transitori anomali, come si può vedere nella parte centrale manca totalmente il picco di caduta di tensione che è avvenuto per troppo breve tempo perché l’oscilloscopio B lo potesse rilevare.

Dalla lettura di questo esempio il risultato che ne esce è la differenza tra riuscire ad individuare un guasto oppure non vederlo per niente!

Bisogna ricordarci che una caratteristica comune a molti oscilloscopi è il ricorso al campionamento interlacciato (interleaving) per aumentare la frequenza di campionamento massima, a discapito però del numero di canali utilizzabili contemporaneamente. Per esempio, un oscilloscopio a 4 canali potrebbe funzionare alla frequenza di campionamento massima solo con uno o due canali (sfruttando l'interleaving), mentre se si vogliono utilizzare tutti e 4 i canali di cui è dotato lo strumento, bisogna accontentarsi di frequenze di campionamento inferiori, spesso non indicate chiaramente o solo nelle note delle specifiche tecniche dello strumento alla fine del depliant.

Per valutare la frequenza di campionamento ottimale in pratica si deve determinare la risoluzione temporale desiderata tra i punti di acquisizione. In parole povere la frequenza di campionamento che permette di rilevare i punti nel tempo con una risoluzione di 50nsec (ad esempio per vedere distintamente la fase dell’iniezione di un common rail multijet che dura poco più di 1microsecondo) è il suo reciproco, quindi:  1/50nsec = 20 MS/sec.

Banda passante

La banda passante identifica quella banda di frequenze in cui i segnali che dobbiamo analizzare spaziano e quindi come per il precedente tempo di campionamento la larghezza di banda deve essere dimensionata in modo tale da vedere i segnali soprattutto quelli con grande variabilità di frequenza oppure per esempio i segnali delle linee digitali CAN, in cui i tempi di salita sono molto brevi. La trattazione matematica tra banda dei segnali, ripidità dei fronti e prestazioni ottenibili è piuttosto complessa, per adesso ci basti sapere che il minimo per un campionamento di 20MS/sec e una banda passante di 10Mhz.

Trigger

Con questo termine si identifica la funzionalità di poter dare un livello di tensione ben preciso come punto di partenza della visualizzazione sullo schermo dell’oscilloscopio, se fatto correttamente il risultato sarà una forma d’onda molto stabile nella visualizzazione, senza quel fastidioso effetto rincorsa, cioè di muoversi in continuazione all’interno dello schermo dello strumento.

Funzionalità essenziale per l’utilizzo di un oscilloscopio multicanale, nell’automobile questo permette di dare una sincronizzazione unica tra i segnali che si stanno visualizzando. L’utilizzo di questa funzione in concomitanza di quella che vedremo successivamente, la memoria di acquisizione, si rivelano un ottimo strumento per registrare eventuali anomalie che compaiono sporadicamente. Oltre a questo si possono eseguire anche controlli di fasatura motore. Questa funzione presente in tutti gli oscilloscopi deve essere però messa sotto esame in quanto la differenza avviene sulla precisione e la stabilità con cui il segnale è stato “agganciato” indifferentemente dalla scala dei tempi scelta, infatti si notato grandi differenze quando si usano scale molto piccole e segnali elettrici impulsivi molto brevi.

Memoria di acquisizione

Non esiste un metodo unico nella modalità di memorizzazione, ogni costruttore interpreta e personalizza questa funzione come meglio crede.

Molti pensano, sbagliando, che la velocità di acquisizione massima specificata nei messaggi pubblicitari degli strumenti sia sempre applicabile con qualunque impostazione della base dei base tempi.

Un oscilloscopio del genere costerebbe parecchio caro perché avrebbe bisogno di tantissima memoria, per cui in genera si accetta un compromesso: con impostazioni lente della base dei tempi, la velocità di campionamento massima viene ridotta quanto basta affinché non si esaurisca la memoria di acquisizione dello strumento. Quindi quello che si deve capire da un oscilloscopio è la quantità di memoria e tempo disponibile per realizzare una registrazione.

Tipo di sonde

Un plus alle solite sonde in bassa tensione sono quelle tipo “da laboratorio” che permettono con un commutatore integrato di dividere il segnale x10, questo significa che si possono estendere le scale di misura di 10 volte, ad esempio se l’oscilloscopio ha una tensione massima letta di 50Volt, grazie al divisore di segnale si può arrivare fino ai teorici 500Volt. Attenzione: il termine “teorici” è usato non a caso perché al di sopra dei 150Volt si considera alta tensione quindi cambia la tipologia dei materiali dielettrici impiegati, prima di collegare una sonda di questo tipo a punti con alta tensione verificare le sue caratteristiche elettriche e dotarsi di opportune protezioni contro eventuali folgorazioni!

Tipo di connessione al PC

La maggior parte degli oscilloscopi moderni ha almeno una delle interfacce standard che consente di collegarsi ad un PC, come Ethernet o USB, il che facilita notevolmente lo scambio dei dati e l'eventuale controllo automatico o remoto dello strumento. Alcuni modelli utilizzano la comunicazione radio come il Bluetooth o protocolli proprietari, sono sistemi molto più comodi perché permetto una mobilità maggiore all’operatore, ma che ne risentono delle condizioni ambientali dei disturbi elettrici e radio, spesso in questa modalità lo strumento ha una banda passante più ristretta rispetto al cavo.

Software funzioni automatiche

La disponibilità di funzioni di misura automatiche o di veri e propri pacchetti per l'analisi del segnale in base al componente da testare può far risparmiare un sacco di tempo, soprattutto nelle applicazioni più complesse. L'architettura degli oscilloscopi digitali moderni facilita la proliferazione di software aggiuntivo di misura per applicazioni specializzate, in base al costruttore questo può essere fornito di serie o come opzione a pagamento.

Risoluzione verticale

Anche se trattato come ultimo punto in realtà fa la differenza tra gli oscilloscopi di vecchia generazione a 8 bit rispetto a quelli nuovi con risoluzione da 10 bit in su. Andiamo per ordine, tra i primi punti descritti precedentemente abbiamo parlato dei tempi di campionamento, cioè la caratteristica che un oscilloscopio ha nell’essere il più preciso possibile nell’acquisizione del segnale nel tempo, in realtà esiste anche la sensibilità di campionamento sull’asse verticale, quello della tensione, di base un oscilloscopio digitale ha una risoluzione di 8bit questo significa che tradotto in un numero decimale abbiamo a disposizione da zero 256 valori per descrivere in modo digitale la tensione letta durante il campionamento. Considerando una scala di 100V quando andremo a leggere il valore ad un determinato istante in realtà non avremo un numero infinito di valori di tensione ma la scala scelta (100V) diviso i 256 livelli, quindi la formula:

Il valore di 0,39V rappresenta l’intervallo di tensione tra ogni singolo passo di lettura in quella scala.

Quindi, ricollegandomi alla frase detta all’inizio, più bit ci sono e più preciso è il valore di tensione letto.

Analisi dei principali oscilloscopi sul mercato professionale automotive

Tabella di confronto tra alcuni costruttori di oscilloscopi:

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