Analisi circuito RC con oscilloscopio

Salve gente, la prossima settimana ho una prova basata sulla misurazione e sul graficare le forme d'onda di un circuito RC.
Il problema è che sfortunatamente non ho appunti sufficienti riguardante i criteri operativi,...
Sapreste darmi una mano?

In particolare devo calcolare:
Rise time e full time (che so come calcolarli e dovrei riuscire ad ottenere il grafico per misurarli)
Tensione in ingresso (Vi)
Tensione in uscita (Vo)
Tensione sul condensatore (Vc)

Poi dovrei calcolare Vr (Tensione sulla resistenza) cambiando il circuito in uno di tipo CR.

Credo di non dimenticare niente

[alemoppo]

Urca, mi ero perso questo topic.

Iniziamo col dire che per fare delle misure con l'oscilloscopio occorre conoscerlo a fondo ed avere una certa esperienza: teoricamente bisognerebbe conoscere circa tutti i "pulsantini", perché uno sballato può farti misurare tutt'altra cosa.

I principali parametri da impostare per una corretta misura sono (spero di non dimenticarne nessuno!):

• Ampiezza: questo parametro quasi sempre si regola tramite una manopola, e serve per impostare il guadagno (o l'attenuazione) del segnale in ingresso all'oscilloscopio prima di esser "elaborato" dalla macchina (per capirci l'asse y dello schermo). Rappresenta il valore verticale di uno "scacco (grande)" (o meglio divisione) del reticolato nello schermo. Per una corretta misura, andrebbe impostato in modo che il segnale sia completamente visibile nello schermo (quindi non troppo amplificato), anche se dovrebbe essere più amplificato possibile per esaltare i punti focali del segnale.
• "Risoluzione" del tempo: anche questo parametro in generale si regola sempre tramite una manopola, e serve per impostare la risoluzione del tempo (per capirci dell'asse "x" dello schermo). Rappresenta il valore orizzontale del tempo di una divisione del reticolato dello schermo. Anche in questo caso è bene impostare questo parametro in modo che il monitor visualizzi pienamente solo un periodo del segnale considerato (ovviamente se stiamo parlando di segnali periodici, che è il nostro caso), anche qui per evidenziare al meglio le caratteristiche fondamentali del segnale.
• Trigger: questo parametro specialmente agli inizi può sembrare una cosa trascurabile o inutile, ma è fondamentale nella misura, ed è una delle cose che caratterizza la qualità dello strumento. Anche in questo caso, negli oscilloscopi a due canali è la terza manopola o comunque di solito è la manopola posta a destra in alto nello strumento (normalmente più piccola rispetto le altre due). Serve per impostare l'inizio del segnale da campionare. È un livello di tensione che specifica da dove l'oscilloscopio deve iniziare a mostrare il segnale. Se ad esempio impostiamo il livello a 0v, una ipotetica sinusoide la vedremmo iniziare nello schermo a 0v. Però ora potrebbe venire il dubbio: in un periodo di una sinusoide ci sono due zeri, ovvero il segnale passa due volte per lo zero! Con quale dei due inizia? Non ricordo negli oscilloscopi analogici, ma in quelli digitali si possono impostare dei parametri per il trigger, ed uno di questi è proprio il fronte: salita o discesa. Impostando quindi il fronte in salita (sempre a 0v) vedremmo il segnale partire con fase 0, mentre impostandolo in discesa vedremmo una sinusoide sfasata di PI (180°).
  È molto importante conoscere questo parametro perché se per sbaglio è preimpostato in modo che il segnale non passa per questa soglia (ad esempio, una sinusoide di ampiezza 5V, ed il trigger impostato a 8V), a schermo non si riesce a veder nulla, mostrando un segnale "traballante".
• Livello moltiplicatore: questo parametro "fisicamente" non si trova nell'oscilloscopio ma sulla sonda: solitamente nelle sonde degli oscilloscopi si trova un cursore dove è possibile scegliere il livello di attenuazione: 1X, 10X, 100X (a volte il 100X non c'é: dipende dalle sonde). Anche in questo caso è importante impostare questo parametro in modo uguale all'oscilloscopio (di solito lo si imposta nel menù del canale), e deve essere uguale a quello impostato nella sonda: se per sbaglio si imposta 10X nell'oscilloscopio e 1X nella sonda, vedresti un segnale 10 volte più grande di quello reale! Perché introdurre questa cosa e non lasciare sempre 1X? Principalmente, ponendo 10X, si aumenta l'impedenza di ingresso della sonda, quindi si carica meno il circuito di misura (il circuito di misura non dovrebbe influire sul circuito misurato, per non alterarne i parametri). Nel tuo caso, comunque, è ininfluente.

Dopo una ripassata veloce di tutti i parametri fondamentali (spero di non averne dimenticato qualcuno), dai potenti mezzi che abbiamo noi moderatori di altervista so che utilizzate oscilloscopi analogici e non digitali: io ho approfondito molto (anche a livello matematico) il funzionamento e le varie architetture di quelli digitali, ma a livello di "usabilità" elementare sono circa uguali. Quelli digitali però offrono funzioni molto utili come il fermo immagine o la possibilità di vedere il segnale anche prima dell'impulso di trigger, o la possibilità di caricare i dati in un PC o il campionamento in tempo equivalente (se vuoi approfondimenti, chiedi pure). Però una delle funzioni utili per una persona che si avvicina alla prima volta ad uno strumento (che in realtà non andrebbe mai usata), è l'auto-set: negli oscilloscopi digitali, dopo la pressione di questo pulsante vengono impostati automaticamente tutti i parametri esposti sopra per una corretta misura. In realtà non andrebbero mai usati sia perché in quel modo fai capire che non sai utilizzare lo strumento, sia perché non vengono impostati al meglio: un esempio è che se vuoi misurare soltanto un segnale, l'auto-set imposta i parametri in modo di vedere tutti i canali dell'oscilloscopio, prendendo "posto" al segnale che vuoi misurare. Comunque non hai questo problema utilizzando un oscilloscopio analogico

Passando al tuo problema, un circuito RC è un passa basso, ovvero una rete passiva (filtro passivo) che attenua le armoniche che si trovano dopo una certa frequenza (chiamata frequenza di taglio: f=2* π * R * C). Si utilizza questa frequenza per convenzione ed esprime la frequenza dell'armonica che il filtro attenua di 0.707 (o più precisamente, 1/sqrt(2)). Non so se avete già fatto i diagrammi di bode in elettronica, ma il filtro RC passa basso introduce un polo, con tutte le relative conseguenze (in ampiezza e fase).
I rise time e fall time sono rispettivamente il tempo di salita e di discesa di un segnale: sono definiti rispettivamente come il tempo che il segnale impiega per arrivare dal 10% al 90% dei suoi picchi. Quindi non dovrai far altro che "contare" gli scacchi orizzontali e moltiplicare quel numero per il parametro " Risoluzione del tempo", che indica appunto il tempo per ogni scacco. In questo caso ovviamente dovrai zoomare molto la "risoluzione del tempo" (contrariamente a quel che ho detto sopra per una misura standard), in modo di focalizzarti solo nel tempo di salita per avere una misura più precisa: in questo caso l'interezza del periodo non ti serve a nulla. Immagino che ve li facciano calcolare nell'uscita del filtro, quindi "ai capi del condensatore", dove devi misurare anche Vo..
Per la tensione in ingresso, semplicemente non si tratta che misurare la tensione che esce dal generatore di funzioni (Vi). Quindi banalmente colleghi la massa dell'oscilloscopio alla massa del generatore di funzione, e la sonda dell'oscilloscopio nel nodo tra il generatore di funzioni ed il resistore del filtro. Per la tensione di uscita devi banalmente spostare la sonda nel nodo di uscita del filtro, quindi tra il condensatore e il resistore. Non capisco cosa cambi dalla tensione di uscita (Vo) alla tensione ai capi del condensatore (Vc), visto che è la stessa .

Per Vr invece contrariamente a quel che ho capito dal tuo messaggio, non devi modificare il circuito, quindi non devi fare un CR (che sarebbe un filtro passa alto), ma devi soltanto disporre gli ingressi dell'oscilloscopio in modo differente, mettendo l'oscilloscopio in parallelo al resistore: la massa dell'oscilloscopio la colleghi in uscita (nel nodo tra R e C), mentre la sonda in ingresso (tra il generatore di funzioni e il resistore).
Facendo un circuito CR e misurando la tensione su R alla fine fai la stessa cosa, ma non ha senso modificare il circuito per quella misura! A meno che tu non possa collegare la massa dell'oscilloscopio dove vuoi, magari perché è collegata internamente con la massa del generatore di funzioni ( ?? sarebbe comunque poco istruttivo ).

Probabilmente mi sarò dimenticato la metà di cose da dire... Ovviamente chiedi pure!

Ciao!

Ciao, c'è da dire che io ora mi sto trovando ad usare un oscilloscopio digitale (ho usato l'analogico per il primo quadrimestre).
Io quando eseguo una misurazione del circuito (le masse le collego tutte tra di loro, agganciate all'uscita del condensatore):
*
Canale 1: Lo collego all'uscita del generatore, prima del resistore. (angolo in alto a sinistra)
Canale 2: All'uscita del resistore, prima del condensatore. (angolo in alto a destra)


Visualizzo questi segnali:


Qui, elimino il 3 e il 4 quadrante portando l'offset in basso in modo da calcolare meglio il rise time e il full time.

E poi, a quanto letto dal tuo messaggio, io per calcolare V(i) e V(o)=V(c) devo fare i collegamenti come detto sopra*?

[alemoppo]

Sì: l'uscita è la tensione ai capi del condensatore (quella in rosso nel tuo grafico). L'ingresso è quella che arriva dal generatore di funzioni (quella in blu nel tuo grafico).
Infatti il segnale rosso è il blu filtrato: non so se avete già fatto (o vi hanno accennato) che tramite fourier un qualsiasi segnale può essere espresso come somma di coseni. Come vedi, filtrando i coseni (armoniche dello spettro) di frequenze più alte, ottieni un segnale che ha meno "ripidità", o discontinuità meno brusche. Questo è dato dalla mancanza delle armoniche a frequenze alte.

Non ho capito con "elimino il 3 e il 4 quadrante". Comunque in effetti l'offset è un parametro che mi son dimenticato :D

Ciao!

Non ho capito con "elimino il 3 e il 4 quadrante". Comunque in effetti l'offset è un parametro che mi son dimenticato :D

Lo schermo dell'oscilloscopio è un piano cartesiano quindi:


Per calcolare il rise time e il full time in maniera più precisa (quindi "zoomando" i segnali) posso eliminare il III e il IV quadrante (visto che entrambi i segnali non presentano valori negativi) abbassando l'offset, giusto?

Quindi comunque, tensione in ingresso è quella blu mentre quella in uscita la rossa (che dovrebbe equivalere a quella sul condensatore).
Ma come faccio ad esprimerle in termini numerici?

E poi, la tensione sulla resistenza [V(r)] non potrei calcolarla come V(r)=V(i)-V(c)?

[alemoppo]

Ah, ora ho capito cosa intendi con il piano cartesiano. La risposta è sì, anche se in realtà un'onda quadra ha valor medio nullo, quindi è anche negativa.

In che senso esprimerlo in termini numerici? L'onda in ingresso è una quadra. Quindi al massimo puoi dire che è "V+" per t=0,T/2; "V-" per t=T/2, T per ogni periodo. L'onda in uscita è la tipica scarica/carica di un condensatore. Quindi al più puoi esprimerlo con le formule della carica/scarica.

La tensione su v_r(t) è vero che è v_i(t) - v_c(t), ma avendo l'oscilloscopio non capisco perché devi far calcoli quando puoi misurarla direttamente facendo come ti ho detto sopra.

Ciao!

Quindi, V(i) e V(c) fino a qui li abbiamo misurati.
Per V(r) basta che io colleghi la massa dell'oscilloscopio nel nodo tra R e C mentre la sonda tra il generatore e il resistore?
Quindi:


Massa: angolo in alto a destra
Sonda: angolo in alto a sinistra?

[alemoppo]

Esatto... Ovvero devi collegare l'oscilloscopio in parallelo al resistore (in generale, qualsiasi onda vuoi vedere dall'oscilloscopio, devi collegarlo in parallelo al componente che vuoi analizzare). Se vuoi tenere la massa "a massa" puoi modificare come hai detto il circuito facendo un CR, e misurare l'uscita del passa alto... Ma non vedo perché modificare il circuito quando lo hai già.

Ciao!