Oscilloscopio: Guida completa alla scelta

L’oscilloscopio è uno strumento utilizzato per visualizzare e misurare segnali elettrici su di un apposito display. Viene comunemente impiegato in laboratorio per analizzare la forma d’onda della tensione in funzione del tempo ma con appositi sensori che trasformano le grandezze fisiche in tensione elettrica, è possibile misurare l’andamento di tutti i tipi di segnale (corrente, onde sonore, onde cerebrali, vibrazioni di un motore...), compresi gli eventi casuali. Questo dispositivo è usato per analizzare qualsiasi fenomeno fisico, sia dai tecnici di laboratorio che da appassionati del fai da te.

L’oscilloscopio permette di visualizzare graficamente su di uno schermo la forma d’onda di un segnale. Lungo l’asse verticale dello schermo (asse delle ordinate Y) viene rappresentata la tensione o la grandezza che si vuole analizzare, lungo l’asse orizzontale (asse delle ascisse X) viene invece indicato il tempo. Il segnale viene quindi mostrato su di una scala graduata reticolare, a due dimensioni.

Grazie alla scala calibrata dell'oscilloscopio si possono fare misure di ampiezza di una grandezza fisica, come ad esempio il valore di picco o la distorsione, ma anche di tempo, come ad esempio il periodo, il tempo di salita o la frequenza. Ancora, se l’altezza della forma d’onda varia nel tempo significa che il segnale non è costante, se ci sono angoli acuti significa invece che c’è stata una variazione improvvisa. In questo modo, è possibile individuare anomalie e disturbi nel funzionamento di un’apparecchiatura, di un motore o di un circuito elettrico, per poterlo poi riparare.

Grazie all’oscilloscopio, i tecnici possono ricavare dal segnale dei dati importanti per le loro diagnosi o per i propri progetti: la forma; il periodo e quindi indirettamente la frequenza che è l’inverso del periodo; la componente continua e alternata; il range di tensione (escursione picco-picco); l’eventuale presenza di distorsione, di rumore e di disturbo.

L’oscilloscopio nacque nel 1958 come strumento analogico che utilizzava un tubo catodico per rappresentare visivamente il segnale ed era noto come oscilloscopio CRT. Finchè le apparecchiature elettroniche rimasero analogiche, gli strumenti di misura analogici furono adeguati ma con con l’avvento del digitale, anche l’oscilloscopio dovette evolversi perchè lo strumento a tubo catodico era in grado di visualizzare solamente segnali di tipo periodico.

Gli oscilloscopi moderni sono degli apparecchi digitali avanzati in grado di processare segnali aperiodici complessi (discreti ovvero digitali) e di individuare errori in sistemi elettronici sofisticati. A seconda delle esigenze,i tecnici oggi hanno la possibilità di analizzare segnali attraverso oscilloscopi con monitor touchscreen ad alta definizione oppure possono utilizzare direttamente il display del computer.

Gli oscilloscopi si possono classificare fondamentalmente in analogici e digitali. A loro volta gli oscilloscopi digitali si suddividono in varie tipologie:

• Oscilloscopi digitali standard (Digital Storage Oscilloscope o DSO), dotati di varie funzionalità;
• Oscilloscopi a dominio misto (Mixed Domain Oscilloscope o MDO), utilizzati ad esempio per visualizzare sia le forme d’onda che per effettuare analisi spettrali;
• Oscilloscopi a segnale misto (Mixed Signal Oscilloscope o MSO), fungono sia da oscilloscopio per misurare segnali analogici che da analizzatori di segnali digitali.
• Oscilloscopi con display a fosfori  (DPO) che permettono un elevato livello di analisi dei segnali complessi.

Gli oscilloscopi analogici vengono ancora utilizzati per vari motivi. La loro prerogativa è di mandare direttamente a monitor il segnale di ingresso, senza elaborarlo; in tal modo essi visualizzano in modo preciso la forma del segnale. La fedeltà di rappresentazione è dovuta anche al fatto che sulla parte interna dello schermo c’è uno strato di fosfori, un materiale in granuli sottilissimi che si illumina se colpito da un fascio elettronico; l’immagine risultante ha quindi una definizione elevata. Vari oscilloscopi analogici possono visualizzare segnali di frequenza molto alta ed hanno elevata sensibilità di ingresso.

Questi strumenti sono più facili da usare e più economici rispetto agli oscilloscopi digitali. Sono adatti ad effettuare analisi non complesse, a visualizzare segnali periodici, di tipo analogico. Anche se il mondo odierno è digitale, i segnali analogici si trovano ancora nelle applicazioni video, audio e nelle telecomunicazioni. Per queste caratteristiche, gli oscilloscopi analogici trovano impiego ad esempio nei laboratori di ricerca & sviluppo delle telecomunicazioni e in quelli in cui si riparano radio e televisioni. Per la loro semplicità di utilizzo, vengono anche utilizzati nelle scuole e nelle università.

Anche se alcuni produttori hanno smesso di realizzare strumentazione analogica, le due tipologie di oscilloscopio possono considerarsi complementari. Gli oscilloscopi analogici sono meno costosi, più semplici da usare e rappresentano fedelmente la forma d’onda. Quelli digitali invece sono più difficili da utilizzare perché integrano numerose funzionalità per permettere un’analisi del segnale anche molto complessa e proprio per questo sono anche più costosi. Si può sintetizzare questo confronto affermando che gli analogici servono a visualizzare il segnale mentre i digitali servono ad analizzarlo in modo approfondito. Va da sé che anche i campi applicativi e gli utilizzatori sono diversi.

Il grado di precisione con cui l’oscilloscopio digitale converte i segnali in ingresso in valori digitali, si definisce risoluzione hardware e viene espressa in bit. Gli strumenti tradizionali hanno una risoluzione di 8 bit sull’asse verticale mentre quelli più performanti hanno una risoluzione di 12 bit. Una risoluzione hardware verticale elevata consente di osservare nel dettaglio piccole variazioni di segnale che si sormontano a segnali con variazioni ampie . Per misurazioni di segnali propri del settore elettromeccanico, o delle automotive o ancora del biomedicale, sono indicati oscilloscopi ad alta risoluzione.

Data l’ampia gamma di oscilloscopi sul mercato, la scelta dello strumento più adatto deve essere fatta sulla base di esigenze specifiche: di quanti canali si ha bisogno? Servono canali analogici? Quali segnali si dovranno analizzare? Qual è la larghezza di banda necessaria?

Oltre queste considerazioni ce ne sono sicuramente molte altre, perché ciascun tecnico ha le proprie necessità. Una di queste è ad esempio la tensione massima di lavoro su cui si prevede di utilizzare l’oscilloscopio, così com’è stabilito dalla normativa CEI 11.1. Sono poi le prestazioni dello strumento (memoria di acquisizione, banda passante, frequenza di campionamento, risoluzione verticale...), a fare la differenza in termini di qualità e di costo.