Esercizio 6risposta dell'ingresso in accoppiamento AC (temi d'esame febbraio 2022, febbraio 2023 e settembre 2025)
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Testo (temi d'esame febbraio 2022 quesito 1, febbraio 2023 quesito 2, settembre 2025 quesito 1). Un DSO ha impedenza di ingresso M in parallelo a una capacità parassita (alcune decine di pF); in accoppiamento AC si inserisce in serie una capacità di disaccoppiamento .
(a) febbraio 2022 ( nF, pF, banda MHz): ricavare la risposta in frequenza in AC con circuito equivalente; calcolare la frequenza di taglio inferiore; con tolleranze su , su , su calcolare l'incertezza estesa () della frequenza di taglio; per con mV, V, Hz, ricavare il segnale visualizzato in AC; come impostare il trigger.
(b) febbraio 2023 ( nF): in AC, rampa con ms, mV, mV: valori minimo e massimo visualizzati; con ms: attenuazione della fondamentale e se la forma cambia rispetto al DC.
(c) settembre 2025 ( nF): con Hz, V, mV in AC: come impostare il trigger; ampiezza e frequenza misurate; tipo di errore, errore relativo percentuale e come migliorare.
Teoria usata: Banda, tempo di salita e accoppiamento AC-DC dell'ingressoLo stadio d'ingresso dell'oscilloscopio è un doppio bipolo con impedenza $Z_i=R_i\parallel C_i$ ($1\ \mathrm{M}\Omega$, decine di pF) e risposta $G(f)$ in banda $B$. Senza distorsione: $|G|$ costante e fase lineare. Tempo di salita dello strumento $T_r=0{,}35/B$; un fronte di durata $T_s$ si vede lungo $T_v=\sqrt{T_s^2+T_r^2}$, con errore $\simeq\frac12(T_r/T_s)^2$. Accoppiamento AC: capacità $C_{ac}$ in serie, filtro passa-alto $H(s)=\frac{sR_iC_{ac}}{1+sR_iC_{ac}}$, $f_T=\frac1{2\pi R_iC_{ac}}$ ($7{,}96$ Hz per $20$ nF); alla frequenza $f$: $|H|=\frac{f/f_T}{\sqrt{1+(f/f_T)^2}}$. Toglie la componente continua ma attenua e deforma le componenti lente.Banda, tempo di salita e accoppiamento AC-DC dell'ingresso →, Trigger e sincronizzazioneIl trigger fa partire l'acquisizione sempre dallo stesso punto di un segnale periodico, per avere una traccia stabile. Si imposta con sorgente, livello, pendenza (fronte di salita o discesa), modo (auto, normal, single), hold-off e posizione ($t=0$ = istante di trigger). Il livello deve cadere dentro l'escursione del segnale, $V_{min}<V_{trig}<V_{max}$ (meglio dove la pendenza è massima); con accoppiamento AC cambia l'escursione. Segnali con più passaggi per il livello in un periodo si risolvono con un livello tra le ampiezze degli impulsi o con un hold-off poco più corto del periodo. Per segnali a bassissima frequenza si disattiva l'auto.Trigger e sincronizzazione →, Propagazione dell'incertezza e bilancio di incertezzaSe $y=f(x_1,\dots,x_K)$ con ingressi indipendenti, l'incertezza standard combinata è $u_C(y)=\sqrt{\sum_i c_i^2u^2(x_i)}$ con coefficienti di sensibilità $c_i=\partial f/\partial x_i$ (Taylor al primo ordine). Casi tipici: somma/differenza $u=\sqrt{u_1^2+u_2^2}$ (la differenza di due misure con lo stesso cursore dà $\sqrt2,u$); prodotti e quozienti $\frac{u_y}{y}=\sqrt{\sum(\frac{a_iu_i}{x_i})^2}$. Il bilancio di incertezza confronta i contributi $|c_i|u_i$ e indica quale ottimizzare. Con ingressi correlati si aggiunge $2\sum c_ic_j,u(x_i,x_j)$. Il metodo Monte Carlo propaga le distribuzioni senza derivate.Propagazione dell'incertezza e bilancio di incertezza →.
Risposta in frequenza in AC
Il segnale della sorgente arriva all'ingresso attraverso : il canale è il partitore tra la reattanza e l'impedenza di ingresso . Il segnale visualizzato è È un passa-alto: (la continua è eliminata) e per . Costante di tempo e frequenza di taglio:
(a) Frequenza di taglio, incertezza, segnale visualizzato
Taglio. ms e Hz. Considerando anche ( pF) il valore cambierebbe di ( Hz): trascurabile.
Incertezza. Poiché le derivate danno e , quindi La soluzione ufficiale legge le tolleranze come incertezze estese con : , ( non compare: è trascurato). Allora Hz e (Se si trattassero le tolleranze come limiti certi, distribuzione uniforme, e Hz: stesso ordine.) Domina la capacità di disaccoppiamento.
Segnale visualizzato. Il sistema è lineare e tempo-invariante: la sinusoide non è distorta, solo attenuata (la fase è irrilevante con un solo segnale), e la continua sparisce: Con Hz (): , quindi ampiezza visualizzata V (se si pone esattamente, V). Senza continua: valori tra e V.
Trigger. Il segnale ha Hz: la frequenza è molto bassa e in modalità auto lo strumento può forzare il trigger e rendere la traccia instabile; si disattiva l'auto (modo normal). In AC il livello va scelto nell'escursione V (ottimo V); in DC l'escursione sarebbe ... V (ottimo V) (Trigger e sincronizzazioneIl trigger fa partire l'acquisizione sempre dallo stesso punto di un segnale periodico, per avere una traccia stabile. Si imposta con sorgente, livello, pendenza (fronte di salita o discesa), modo (auto, normal, single), hold-off e posizione ($t=0$ = istante di trigger). Il livello deve cadere dentro l'escursione del segnale, $V_{min}<V_{trig}<V_{max}$ (meglio dove la pendenza è massima); con accoppiamento AC cambia l'escursione. Segnali con più passaggi per il livello in un periodo si risolvono con un livello tra le ampiezze degli impulsi o con un hold-off poco più corto del periodo. Per segnali a bassissima frequenza si disattiva l'auto.Trigger e sincronizzazione →).
(b) Rampa in AC (febbraio 2023)
Il valore medio della rampa è mV (in AC viene tolto).
ms ( Hz): : , attenuazione trascurabile; il segnale è semplicemente traslato: V e V.
ms ( Hz, rad/s, rad/s): la fondamentale è un po' sotto la frequenza di taglio, (A sarebbe dB.) In DC la forma resterebbe inalterata; in AC non solo si trasla il segnale togliendo la continua: tutte le componenti a bassa frequenza sono attenuate in misura diversa, la forma cambia (non una semplice scala) e la fondamentale cala di circa il .
(c) Sinusoide a Hz con nF (settembre 2025)
s, rad/s, Hz. Da :
- Trigger: in AC la continua è eliminata, il segnale ha V e V; si sceglie un livello nell'escursione (la soluzione ufficiale indica V come intervallo nominale; il livello ottimo è comunque V). L'unica sorgente è il canale di ingresso e, essendo a Hz, si usa il modo normal; la pendenza è ininfluente.
- Ampiezza e frequenza misurate: V; la frequenza non cambia in un sistema lineare tempo-invariante: Hz. Il segnale visualizzato è .
- Errore: è un errore sistematico (ogni misura dello stesso segnale dà la stessa attenuazione, dipende dal sistema di misura): errore relativo (da non confondere con l'incertezza).
- Come migliorare: per misurare l'ampiezza della componente alternata si usa l'accoppiamento DC (e si sposta l'offset) in modo da non attenuarla; oppure una capacità più grande, o si corregge la misura con sapendo i valori dei componenti.
Errori comuni
- Dire che in AC la frequenza del segnale cambia, o che il segnale è solo traslato anche a frequenza bassa.
- Calcolare la frequenza di taglio con (parassita) invece che con .
- Dimenticare di disattivare l'auto-trigger per segnali di pochi hertz.
- Calcolare con senza la radice o confondere e (usare oppure ).
Versione ripasso
Testo. DSO con M e in serie in AC ( nF nel 2022 e 2023, nF nel 2025): risposta in frequenza, frequenza di taglio con incertezza, segnali visualizzati e trigger (febbraio 2022, febbraio 2023, settembre 2025).
- Risposta: è un passa-alto con : Hz con nF, Hz con nF. (Banda, tempo di salita e accoppiamento AC-DC dell'ingressoLo stadio d'ingresso dell'oscilloscopio è un doppio bipolo con impedenza $Z_i=R_i\parallel C_i$ ($1\ \mathrm{M}\Omega$, decine di pF) e risposta $G(f)$ in banda $B$. Senza distorsione: $|G|$ costante e fase lineare. Tempo di salita dello strumento $T_r=0{,}35/B$; un fronte di durata $T_s$ si vede lungo $T_v=\sqrt{T_s^2+T_r^2}$, con errore $\simeq\frac12(T_r/T_s)^2$. Accoppiamento AC: capacità $C_{ac}$ in serie, filtro passa-alto $H(s)=\frac{sR_iC_{ac}}{1+sR_iC_{ac}}$, $f_T=\frac1{2\pi R_iC_{ac}}$ ($7{,}96$ Hz per $20$ nF); alla frequenza $f$: $|H|=\frac{f/f_T}{\sqrt{1+(f/f_T)^2}}$. Toglie la componente continua ma attenua e deforma le componenti lente.Banda, tempo di salita e accoppiamento AC-DC dell'ingresso →).
- Incertezza di : . Con tolleranze su e su lette come estese con : Hz e Hz; domina la capacità (Propagazione dell'incertezza e bilancio di incertezzaSe $y=f(x_1,\dots,x_K)$ con ingressi indipendenti, l'incertezza standard combinata è $u_C(y)=\sqrt{\sum_i c_i^2u^2(x_i)}$ con coefficienti di sensibilità $c_i=\partial f/\partial x_i$ (Taylor al primo ordine). Casi tipici: somma/differenza $u=\sqrt{u_1^2+u_2^2}$ (la differenza di due misure con lo stesso cursore dà $\sqrt2,u$); prodotti e quozienti $\frac{u_y}{y}=\sqrt{\sum(\frac{a_iu_i}{x_i})^2}$. Il bilancio di incertezza confronta i contributi $|c_i|u_i$ e indica quale ottimizzare. Con ingressi correlati si aggiunge $2\sum c_ic_j,u(x_i,x_j)$. Il metodo Monte Carlo propaga le distribuzioni senza derivate.Propagazione dell'incertezza e bilancio di incertezza →).
- Segnali (febbraio 2022): sinusoide da V a Hz: , ampiezza visualizzata V e senza continua. Trigger in modo normal con livello V.
- Rampa (febbraio 2023): con ms ( Hz) l'attenuazione è trascurabile, il segnale è solo traslato, con minimo V e massimo V. Con ms la fondamentale a Hz ha ( dB): la forma cambia.
- Sinusoide a Hz con nF (settembre 2025): , ampiezza V invece di V, errore sistematico . Per misurare l'ampiezza si usa il DC o una maggiore (Trigger e sincronizzazioneIl trigger fa partire l'acquisizione sempre dallo stesso punto di un segnale periodico, per avere una traccia stabile. Si imposta con sorgente, livello, pendenza (fronte di salita o discesa), modo (auto, normal, single), hold-off e posizione ($t=0$ = istante di trigger). Il livello deve cadere dentro l'escursione del segnale, $V_{min}<V_{trig}<V_{max}$ (meglio dove la pendenza è massima); con accoppiamento AC cambia l'escursione. Segnali con più passaggi per il livello in un periodo si risolvono con un livello tra le ampiezze degli impulsi o con un hold-off poco più corto del periodo. Per segnali a bassissima frequenza si disattiva l'auto.Trigger e sincronizzazione →).
- Errori: usare al posto di per il taglio, lasciare l'auto-trigger con pochi hertz, dimenticare la radice in .
- Frequenze vicine a : con Hz e Hz la sinusoide è attenuata; con Hz la fondamentale cala del e la forma cambia, non solo la scala.
- Trigger: con segnali di pochi hertz il modo auto forza il trigger e rende la traccia instabile, quindi si usa il modo normal (Trigger e sincronizzazioneIl trigger fa partire l'acquisizione sempre dallo stesso punto di un segnale periodico, per avere una traccia stabile. Si imposta con sorgente, livello, pendenza (fronte di salita o discesa), modo (auto, normal, single), hold-off e posizione ($t=0$ = istante di trigger). Il livello deve cadere dentro l'escursione del segnale, $V_{min}<V_{trig}<V_{max}$ (meglio dove la pendenza è massima); con accoppiamento AC cambia l'escursione. Segnali con più passaggi per il livello in un periodo si risolvono con un livello tra le ampiezze degli impulsi o con un hold-off poco più corto del periodo. Per segnali a bassissima frequenza si disattiva l'auto.Trigger e sincronizzazione →).