[How to] – Tarare un oscilloscopio

oscilloscopio RTO

Eseguire la taratura di un oscilloscopio è un’operazione delicata ma indispensabile e tra un attimo vi spiego il perché. Cosa vuole dire taratura? È una tipologia di caratterizzazione che ha come scopo la definizione delle caratteristiche metrologiche di uno strumento di misura. Questo processo si svolge tramite un confronto di misure con uno strumento di riferimento, definito campione, al fine di stabilire l’errore dello strumento in verifica denominato UUT (Unit Under Test). Cosa serve per eseguire la taratura di un oscilloscopio? Sono indispensabili un calibratore di riferimento e della cavetteria per connettere i segnali di riferimento provenienti dal calibratore. E tutto va svolto con la massima precisione ed attenzione.

Per la verifica degli oscilloscopi ci sono calibratori costruiti appositamente come ad esempio il Wavetek 9500. Le verifiche minime richieste per questo tipo di strumento (anche in ambito laboratori accreditati di taratura) sono la tensione continua, eseguita su tutte le portate e su tutti i canali dell'UUT e la base dei tempi. Queste misure sono eseguite in funzione delle capacità metrologiche del laboratorio e dello strumento in taratura.

Durante le fasi di taratura ci si può imbattere in una serie di problemi. Per esperienza diretta è meglio risolverli in maniera preventiva onde evitare di dover rifare le misure.

I problemi (o complicazioni) nei quali potreste incorrere sono:

  1. falsi contatti sulla cavetteria che porta il segnale dal calibratore al UUT, dovuti ad ossidazione dei connettori o a connettori troppo usurati;
  2. tempi di warm-up (precedenti la verifica), eseguiti non adeguatamente. Quindi, tenete sempre conto dell'importanza degli effetti della temperatura interna dello strumento sulle misure che eseguirete;
  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 a punto dell'UUT, oppure si possono risolvere seguendo correttamente i due punti precedenti.

La prima operazione da fare, dopo le verifiche citate, è la fase di warm-up. Ogni costruttore riporta per quanto tempo lo strumento deve rimanere acceso (possibilmente in un ambiente a temperatura ed umidità controllate) prima di raggiungere la stabilizzazione termica al suo interno. Eseguite sempre questa fase poiché si possono riscontrare differenze di misura anche importanti tra uno strumento che non ha eseguito questa procedura ed uno che invece è stato portato a regime termico in modo corretto.

Quasi tutti gli oscilloscopi (almeno quelli digitali di ultima generazione) hanno la possibilità di eseguire l’auto-calibrazione di fabbrica. Questa, tramite i riferimenti interni, riporta l’oscilloscopio nelle condizioni ottimali per eseguire le misure. Solitamente questa funzione si trova all’interno del menù "Utility". Ricordatevi di eseguirla solamente dopo che lo strumento è termicamente stabile (cioè a seguito del warm-up).

Per settare l’oscilloscopio al meglio vi invito a seguire le indicazioni riportate sul manuale d’uso del costruttore; egli, infatti, solitamente, per ogni tipologia di misura, indica sul manuale come deve essere settato l’UUT per rispondere al meglio durante le misure. Quello che mi sento comunque di consigliarvi è 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 20 MHz e, se possibile, eseguire le misure utilizzando la funzione acquire average impostandola a 16 acquisizioni (consiglio riportato sul manuale di diversi Tektronix).

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

Dopo aver collegato l’oscilloscopio al calibratore, passate alla generazione dei valori di riferimento che avete deciso di utilizzare per la verifica del UUT. Vi consiglio di utilizzare Excel per la raccolta dei dati di taratura, così lo potrete sfruttare anche per calcolare le medie delle 5 o 10 misure che eseguirete per ogni valore scelto. Gli scostamenti tra il valore di riferimento ed il valore misurato (indicato dall'UUT) saranno le correzioni che dovrete adottare per l’utilizzo dell’oscilloscopio in futuro.

Per eseguire queste misure su un oscilloscopio analogico, cioè uno strumento che non vi da la possibilità di fare una misura diretta del segnale indicato, le cose si complicano un pochino. In questi casi, dovendo usare la griglia del monitor per eseguire la misura, è consigliabile far variare il segnale di riferimento del calibratore sino a far posizionare la traccia del segnale misurato esattamente sulla linea di riferimento della griglia dell’oscilloscopio. Registrate il valore generato ed il valore nominale preso dall'UUT, calcolate l’errore ed il gioco è fatto.
Terminate le misure in tensione continua si passa alla verifica della base dei tempi dell’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 5 o 10 misure consecutive. Per questa misura solitamente si utilizza l’onda quadra di 1 mVPP con duty cycle al 50%. Si imposta il segnale con il calibratore e si eseguono le letture sull’UUT. In caso di oscilloscopio digitale eseguite la misura direttamente dall’indicazione fornita dell’oscilloscopio. In caso di strumento analogico, cioè senza indicazione diretta del valore, vi dovete regolare come in precedenza, variando il segnale "di poco" con il calibratore, sino ad ottenere una forma d’onda che coincida con la griglia dell’oscilloscopio.

Fatte tutte le misure, non vi resta che verificare i dati e calcolare gli scostamenti del valore di riferimento rispetto al valore misurato, ottenendo gli errori da associare alla vostra taratura. Solitamente al termine dell’operazione si redige un documento denominato “Rapporto di taratura” contenente tutte le misure eseguite (desunte dai calcoli di Excel) che raccoglie tutte le indicazioni emerse durante le operazioni di verifica.

La procedura descritta è sufficiente a darvi i risultati richiesti e/o desiderati. Per eventuali dubbi o domande, sono comunque a disposizione nei commenti.

Alla prossima.

 

Image credits: Rohde & Schwartz

One Response

  1. Enrico.Reccagni 21 agosto 2014

Leave a Reply