LOSCILLOSCOPIO 17062021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo

L’OSCILLOSCOPIO 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 1

L’oscilloscopio visualizza l'andamento di un segnale elettrico nel tempo: dato un certo segnale di tensione in ingresso, consente misure qualitative e quantitative di: differenza di potenziale e di intervalli di tempo (es. periodo di oscillazione del segnale in ingresso). Esempi di segnali elettrici: • Elettrocardiogramma • Elettroencefalogramma 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 2

In alcuni casi il segnale elettrico riprodotto è proporzionale alla grandezza di interesse, per esempio: • il segnale sonoro prodotto dal cuore che viene convertito tramite un microfono, in un segnale elettrico; • misura della T o della P arteriosa, tradotti da opportuni trasduttori. 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 3

OSCILLOSCOPI ANALOGICI E DIGITALI (I) Questi strumenti di misura elettronici si possono dividere in due gruppi principali: Analogici e Digitali. Per capire meglio la differenza tra i due è come se paragonassimo il giradischi tradizionale, che è un apparecchio analogico, con il più recente Compact Disc (apparecchio audio digitale). Gli oscilloscopi analogici lavorano applicando direttamente una tensione da misurare ad un raggio elettronico che si muove sullo schermo. La tensione deflette il raggio in senso verticale, in proporzione alla sua ampiezza, fornendo una rappresentazione immediata della forma d'onda. L'oscilloscopio digitale campiona la forma d'onda e utilizza un convertitore analogico-digitale (A/D) per trasformare la tensione da misurare in informazioni digitali, informazioni che vengono successivamente utilizzate per ricostruire la forma d'onda sullo schermo 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 4

OSCILLOSCOPI ANALOGICI E DIGITALI (II) Entrambi i tipi presentano vantaggi e svantaggi. Gli oscilloscopi analogici sono preferibili quando si utilizzano in prevalenza segnali ripetitivi ed è prioritario visualizzare variazioni veloci del segnale d'ingresso in tempo reale. Gli oscilloscopi digitali vengono impiegati quando è necessaria l'analisi di segnali non ripetitivi o aventi frequenza molto elevata, oppure ancora quando i segnali presentano variazioni molto lente o quando bisogna catturare singoli eventi. Per offrire un maggiore campo di applicazioni sono nati negli ultimi anni dei modelli ibridi analogico/digitali che racchiudono entrambe le soluzioni in un unico strumento. 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 5

L’OSCILLOSCOPIO ANALOGICO Cannone elettronico: emette elettroni collimati. 17/06/2021 Placche di deflessione perpendicolari tra loro Tubo catodico (CRT = Catode Ray Tube), costituito da un’ampolla di vetro entro la quale è stato fatto il vuoto spinto. III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 6

Schema oscilloscopio analogico Cannone elettronico catodo riscaldatore secondo anodo primo anodo schermo griglia di controllo griglia acceleratrice sistema di focalizzazione 17/06/2021 Placchette di deflessione orizzontale Placchette di deflessione verticale III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 7

catodo schermo Catodo: • cilindretto cavo di nickel, coperto esternamente da una vernice in grado di emettere elettroni se riscaldato, • al suo interno c’è un vermiglione di tungsteno, alimentato diventa incandescente. Il cilindretto, riscaldato indirettamente dal vermiglione, emette elettroni. 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 8

griglia acceleratrice secondo anodo primo anodo schermo sistema di focalizzazione Sistema di focalizzazione: Gli elettroni, uscendo sotto forma di fascio da un foro, vengono focalizzati da un sistema di due o tre lenti elettro-statiche, determinando un puntino luminoso sullo schermo fluorescente dove si trova l’anodo. 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 9

Cannone elettronico Griglia di controllo Griglia acceleratrice Primo anodo Secondo anodo Catodo + V 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 10

Gli elettroni vengono emessi dal catodo caldo (T ~ 1000 °C) per effetto termoionico. In condizione di regime una nuvola elettronica insiste sul catodo (equilibrio dinamico). Variando la tensione della griglia di controllo è possibile modificare l’intensità del fascio di elettroni estratto. Griglia di controllo Griglia acceleratrice VCON<VC VACC>VC nuvola elettronica fascio convergente catodo fascio divergente VC 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 11

Cannone elettronico Il successivo sistema di elettrodi ha la funzione di lente elettrostatica: produce sullo schermo l’immagine del “crossover” (analogia con ottica geometrica). Lo schermo è a grande distanza dal sistema di elettrodi, quindi possiamo considerare il pennello elettronico in uscita ben collimato. Tensione regolabile per la messa a fuoco del fascio VACC Vf < VACC traiettoria diverge 17/06/2021 diverge Modulo di Fisica Applicata Carlo converge. III Altucci a. a. 2011 2012 converge 12

Velocità degli elettroni Velocità quansi relativistica, c/10 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 13

Placchette di deflessione orizzontale Placchette di deflessione verticale schermo Placchette di deflessione: Due coppie di placchette perpendicolari tra loro. Le placchette verticali servono a deflettere il fascio di elettroni orizzontalmente. Le placchette orizzontali servono a deflettere il fascio di elettroni verticalmente. 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 14

DEFLESSIONE DEL FASCIO DI ELETTRONI CASO 1: ddp tra le placche nulla • Campo elettrico tra le placche nullo • Gli elettroni proseguono indisturbati in linea retta E nullo 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 15

• Quando il pennello elettronico arriva sullo schermo, attratto dal potenziale positivo dell’anodo, colpisce una superficie interna coperta di sostanze fluorescenti, le quali, emettono luce che appare all’esterno del tubo. • Se il pennello elettronico è stato ben focalizzato, al centro dello schermo si determina un puntino luminoso, detto spot. 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 16

DEFLESSIONE ORIZZONTALE DEL FASCIO DI ELETTRONI CASO 2: ddp tra le placche non nulla Quando fra le due placche verticali si applica una ddp costante, il fascio elettronico viene deflesso orizzontalmente verso la placca a potenziale più elevato. La deflessione visualizzata sullo schermo è proporzionale alla ddp tra le placche. 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 17

Il puntino luminoso si muove verso destra a velocità costante fino a raggiungere l’estremo dello schermo. Ritorna poi rapidamente nel punto di partenza e inizia una nuova scansione. La deflessione visualizzata sullo schermo è proporzionale alla ddp tra le placche. 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 18

Applicando una rampa di tensione (dente di sega) alle placche deflettrici, il punto luminoso farà una scansione ripetuta dello schermo. La velocità di scansione del punto luminoso è proporzionale alla ddp tra le placche. La velocità con cui si muove il punto luminoso sull’asse x proporzionale al periodo del segnale di rampa, questo significa che il tempo con cui in punto luminoso percorre l’asse x corrisponde al periodo del segnale. V rampa 1° quadro 17/06/2021 2° quadro 3° quadro 4° quadro III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 t 19

ASSE X : BASE DEI TEMPI Per questo motivo, l’asse x è detto ASSE DEI TEMPI. Per questo asse esiste un selettore che imposta la base temporale ossia quanto tempo vale una divisione. Ognuna di queste “passate” si chiama scansione. 10 ms 100 ms 17/06/2021 Se ad esempio lo imposto a 10 ms/Div vuole dire che il tempo impiegato a tracciare tutto l'asse X, dura 0, 1 secondi (10 ms per 10 divisioni = 100 ms). III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 20

DEFLESSIONE VERTICALE Fra le placche orizzontali, viene posto il segnale Vout da studiare. 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 21

Il pennello è attratto dalla placca orizzontale a potenziale positivo e respinto da quella a potenziale negativo e devia dalla traiettoria rettilinea andando verso l’alto. 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 22

DEFLESSIONE VERTICALE DEL FASCIO DI ELETTRONI • Placche conduttrici piane e parallele (ddp tra le placche non nulla) • Gli elettroni vengono deviati, fuori dalle armature procedono in linea retta ma con una nuova direzione ++++++ E uniforme – – – – – 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 23

In base al II principio della dinamica, la carica subisce un’accelerazione data da: vy vf vx DV q vi vx 17/06/2021 l/2 IIIl Modulo 2 cm di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 d 1 cm 24

Scomponendo la velocità lungo x ed y si ha: sostituendo si ha: vy vx DV q vi vx 17/06/2021 vf l/2 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 l 2 cm d 1 cm 25

e quindi: Diretta proporzionalità tra deflessione verticale misurabile sullo schermo e ddp ai capi dello strumento h q L 40 cm distanza tra centro placche e schermo 17/06/2021 Esempio: h 1 cm corrisponde a DV 50 V schermo III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 26

Per visualizzare correttamente il segnale variabile in ingresso occorre che questo non vari sensibilmente nel tempo che l’elettrone impiega per attraversare le placche deflettrici (altrimenti viene visualizzata una tensione media). Questo pone un limite alla massima frequenza del segnale visualizzabile dallo strumento: 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 27

Deflessione verticale Segnale sinusoidale visualizzato sullo schermo: deflessione verticale proporzionale al segnale di ingresso Il puntino luminoso si muove di moto armonico 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 28

ASSE Y : Tensione V Esiste almeno un canale di entrata per il segnale di tensione V da visualizzare. Questo segnale passa attraverso un amplificatore a guadagno regolabile tramite un apposito selettore che imposta il valore in Y di ogni divisione. 2 V 16 V 17/06/2021 Se, per esempio, lo imposto a 2 V/Div significa che la massima ampiezza visualizzabile del segnale in entrata diventa di 16 V (2 V per 8 divisioni), anzi rispetto allo zero centrale III Modulo di Fisica Applicata Carlo 29 sono 8 V positivi ed 8 V negativi. Altucci a. a. 2011 2012

COMBINAZIONE DEI DUE MOTI Supponiamo che siano attivi: • Sulle placche verticali il segnale a dente di sega (riferimento temporale), • Sulle placche orizzontali un segnale sinuisoidale. Si avrà che il segnale sull’oscilloscopio sarà una combinazione dei due segnali: • Un moto uniforme sull’asse x, • Un moto armonico (cioè periodico) sull’asse y. 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 30

Combinazione dei due moti La combinazione delle due deflessioni permette di visualizzare l’andamento del segnale in funzione del tempo e di misurare il periodo del segnale. T Vp 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 31

Il circuito di trigger Per fare in modo che il segnale venga visualizzato sempre in fase con se stesso, è necessario utilizzare un segnale detto di “trigger”. Segnale periodico in ingresso Segnale visualizzato in uscita con trigger disattivato 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 32

Inizio della scansione in corrispondenza dell’attraversamento di una tensione di soglia impostabile dall’utente, grazie ad un comparatore. Segnale periodico in ingresso Soglia 17/06/2021 Segnale visualizzato in uscita con trigger attivato III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 33

La scansione successiva inizia solo quando il segnale attraversa la tensione di soglia. V segnale da studiare segnale di soglia del trigger rampa 1° quadro 17/06/2021 attesa 2° quadro III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 34

La scansione deve iniziare in coincidenza con il segnale da monitorare. In pratica con queste regolazioni definiamo che l'evento di trigger (l'inizio della scansione) avviene quando il segnale di entrata attraversa il livello di trigger in una delle due possibili maniere, in salita per il fronte positivo oppure in discesa per quello negativo. Grazie a questo sistema succede che, per segnali ripetuti costantemente nel tempo, un nuovo evento di trigger si ripeta identico al precedente e quindi una nuova scansione ridisegna esattamente la stessa forma della precedente. In questa situazione si dice che il trigger sia agganciato al segnale, o che il segnale sia triggerato. Ad ogni modo si riesce ad avere una figura stabile sullo schermo. In mancanza di questa condizione invece si vede la forma d'onda del segnale entrante che scorre sull'asse X. 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 35

Dunque, in mancanza di trigger ecco cosa si vede: 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 36

COME SI PRESENTA Lo schermo ha una griglia graduata solitamente con 8 divisioni verticali e 10 orizzontali. Ogni quadretto ha 5 ulteriori suddivisioni per ogni asse, utili ad eseguire misurazioni migliori. Controlli dello schermo: INTENS–intensità della traccia FOCUS–messa a fuoco traccia TR (trace rotation): regolazione per rendere perfettamente orizzontale la traccia 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 37

display controllo del segnale verticale (input) controllo del segnale orizzontale controllo del trigger controllo del display trigger esterno input esterno 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 Segnale orizzontale esterno 38

L’OSCILLOSCOPIO DIGITALE possiede, oltre alla sezione specificata sopra per l'oscilloscopio analogico, un sistema addizionale di processo dei dati che permette di immagazzinare e visualizzare il segnale. I modelli più recenti sono costituiti da memorie di tipo digitale (RAM) le quali possono essere inserite anche in strumenti normali che presentino la capacità di escludere od inserire il sistema di memorizzazione tramite opportuni commutatori. Il segnale in ingresso viene così campionato. NON C’E’ PIU’ BISOGNO DI UN CRT!! Dopo la campionatura il segnale subisce una conversione analogica/digitale (A/D), ed è importante sottolineare che la velocità di tale operazione determina la bontà di risoluzione dello strumento. Il segnale viene quindi convertito in una parola binaria e successivamente memorizzato nella memoria RAM. Da questa lo si preleva quando si desidera analizzarlo e lo si invia in un circuito di riconversione digitale/analogico (D/A) e da qui all'asse Y dell'oscilloscopio. 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 39

SCHEMA DELL’OSCILLOSCOPIO DIGITALE 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 40

CAMPIONAMENTO O SAMPLING (I) Il convertitore analogico-digitale del sistema di acquisizione dati campiona il segnale a intervalli di tempo determinati e converte il segnale in tensione continua in una serie di valori digitali chiamati punti di campionamento. Nella sezione orizzontale un segnale di clock determina quando il convertitore A/D prende un campione. La velocità di questo clock viene chiamata velocità di campionamento e viene indicata in campioni al secondo. 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 41

CAMPIONAMENTO O SAMPLING (II) I valori digitali campionati vengono immagazzinati in una memoria come punti del segnale. L'insieme del numero di punti del segnale costituirà un "pacchetto" che verrà utilizzato per riconstruire il segnale sullo schermo. La sezione di trigger determina l'inizio e la fine del "pacchetto" di punti utilizzati per rappresentare il segnale. La sezione di visualizzazione riceve il "pacchetto" di punti, una traccia immagazzinata nella memoria, per rappresentare il segnale nello schermo dello strumento. A seconda delle capacità dell'oscilloscopio è possibile sviluppare processi addizionali sui punti campionati. Ad esempio molti oscilloscopi digitali dell'ultima generazione dispongono della funzione di pre-trigger per osservare cosa avviene prima della partenza del sincronismo. 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 42

Digital Phosphor Oscillospoes (DPO technology) E’ una tecnologia che permette di unire le caratterisctiche degli oscilloscopi analogici a quelle dei digitali e viene utilizzata negli oscilloscopi di ultima generazione. Così si ovvia ad alcuni inconvenienti degli oscilloscopi digitali puri quali gli impulsi nani, generati da rumore, e problemi relativi a forme d’onda esotiche non vengono campionate bene. Vengono mostrate sul monitor, dotato di una scheda video molto veloce, più di 50000 forme d’onda al sec. In tal modo le forme d’onda sono svrapposte le une alle altre e risultano intensificate quelle che ricorrono più frequentemente, anche se si vedono pure le anomalie e le forme d’onda meno frequenti. Il tempo di persistenza sul monitor può essere scelto tra 0 e . Ciò permette di determinare quanto spesso ricorra un’anomalia. 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 43

Esepio di forma d’onda vista con DPO 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 44

La caratteristica essenziale dell’oscilloscopio è quella di visualizzare l’andamento nel tempo dei segnali elettrici, ma poiché è possibile convertire in grandezze elettriche la maggior parte delle grandezze fisiche, come, ad esempio la temperatura, la velocità dell’aria, la pressione, l’umidità ecc. , si può, di fatto rappresentare visivamente qualunque grandezza fisica dopo un’opportuna conversione nel segnale elettrico corrispondente. Questa conversione è effettuata da specifici trasduttori. 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 45

Un po’ di esempi 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 46

ELETTROFISIOLOGIA OCULARE Cos’è? È una disciplina diagnostica che utilizza test non invasivi per studiare i fenomeni elettrici associati a processi fisiologici come la visione e l’attività cerebrale. Esplorando la funzionalità delle strutture visive e le eventuali patologie, è per l’occhio ciò che l’elettroencefalogramma rappresenta per il cervello o l’elettrocardiogramma per il cuore. A cosa serve? Lo studio elettrofisiologico valuta diverse funzioni visive avvalendosi di esami specifici. È molto utile per differenziare l’origine delle patologie visive: è possibile, con questo esame, individuare difetti della retina, delle vie ottiche o del cervello. La principale applicazione clinica è rappresentata dall’identificazione delle malattie del nervo ottico e dalla localizzazione di eventuali 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo 47 alterazioni. . Altucci a. a. 2011 2012

Gli esami che vengono effettuati sono: elettroculogramma (EOG), elettroretinogramma (ERG), potenziali evocati visivi (PEV) e l’elettroretinogramma da pattern (PERG). Per l’esecuzione di questi esami, viene utilizzato l’oscilloscopio. EOG L’elettroculogramma (EOG) è un esame elettrofisiologico che viene eseguito per valutare la funzionalità dell’epitelio pigmentato retinico (ossia il primo dei dieci strati che formano la retina). Viene eseguito in 40 minuti circa. Si ricorre all’applicazione di elettrodi cutanei che registrano l’attività elettrica dell’epitelio pigmentato retinico come effetto dei movimenti oculari provocati da una mira luminosa (che si accende e si spegne da un lato all’altro del campo visivo). In questo modo vengono misurate le variazioni del potenziale elettrico corneo-retinico (ossia della cornea e della retina): passando da condizioni di illuminazione a quelle di oscurità la retina viene. IIIstimolata di più o di meno e, dunque, la 17/06/2021 Modulo di Fisica Applicata Carlo 48 Altucci essere a. a. 2011 2012 sua attività bioelettrica può monitorata.

ERG L’elettroretinogramma (ERG) è un esame elettrofisiologico con cui si misura l’attività della retina dopo la stimolazione con flash luminosi. Viene eseguito dopo dilatazione delle pupille e ha una durata indicativa di 40 minuti; ma bisogna rimanere in un luogo buio almeno 20 minuti affinché le cellule retiniche si adattino a una condizione di bassissima luminosità. Si utilizzano elettrodi posti sulla cute e sulla superficie dell’occhio dopo aver instillato un collirio anestetico locale. Gli elettrodi registrano l’attività elettrica della retina in seguito alla percezione di flash di diversa frequenza e intensità. L’esame permette al medico di valutare se il difetto è nei coni (fotorecettori retinici che permettono la visione centrale a colori), nei bastoncelli (fotorecettori attivi specialmente ai margini del campo visivo e a bassi livelli di luminosità) oppure nelle cellule di Müller (che hanno funzioni nutritive per la retina) nonché nelle cellule bipolari (che connettono i coni e i. Carlo bastoncelli con le cellule 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata 49 a. a. 2011 2012 ganglionari che formano. Altucci il nervo ottico).

PEV e PERG I due esami vengono eseguiti contemporaneamente e hanno una durata di circa 30 minuti. Vengono applicati degli elettrodi cutanei e corneali. Con i potenziali evocati visivi (PEV) e l’elettroretinogramma da pattern si effettua una registrazione computerizzata dell’attività elettrica nella corteccia cerebrale. La retina viene stimolata con flash luminosi che possono essere piccoli e multifocali o un solo flash grande (a tutto campo). Viene registrata l’attività elettrica delle cellule ganglionari retiniche e delle vie ottiche indotta da stimoli visivi quali una scacchiera, delle barre verticali bianche e nere e flash luminosi. Con questo esame si possono, quindi, studiare i difetti presenti nel tratto nervoso che va dalla retina al cervello. 17/06/2021 III Modulo di Fisica Applicata Carlo Altucci a. a. 2011 2012 50 http: //www. iapb. it/

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