Come misurare tensione, corrente e resistenza con il potenziometro DC

Il potenziometro DC è uno strumento fondamentale per effettuare misurazioni precise di tensione, corrente e resistenza in circuiti a corrente continua. Esso utilizza un principio di bilanciamento tra una tensione sconosciuta e una tensione di riferimento nota, permettendo così di ottenere letture estremamente precise. Questo approccio è particolarmente utile quando è richiesta una precisione di alto livello, come nei laboratori di misurazione scientifica e nelle applicazioni industriali.

Un altro aspetto cruciale della misurazione con il potenziometro è l'uso di un galvanometro di alta qualità. Esistono diverse varianti di galvanometri, tra cui quelli economici con una sensibilità di 1°/μA e quelli a luce spot, che permettono una risoluzione dell'ordine dei 10 nA, come illustrato nella figura 4.10. Questi strumenti sono dotati di una resistenza variabile in serie, che consente di regolare la sensibilità in base alla posizione di bilanciamento del potenziometro. All'inizio della misurazione, la resistenza serie è al massimo, riducendo la sensibilità per evitare danni al galvanometro durante il bilanciamento. Man mano che ci si avvicina al punto di bilanciamento, la resistenza in serie viene progressivamente ridotta per migliorare la risoluzione della misurazione.

Nel caso in cui si debba misurare una tensione sconosciuta inferiore alla massima tensione applicabile sul potenziometro, il processo è piuttosto semplice. Dopo aver standardizzato il potenziometro utilizzando una cella di riferimento o un altro standard di tensione, si procede a collegare la tensione sconosciuta al galvanometro, regolando i poli del potenziometro per ottenere la lettura zero sul galvanometro. Ad esempio, se la posizione del polo PoP è sulla tacca da 0,9 V e quella di PoS è al 87,6 cm sulla scala di 1 m, la tensione sconosciuta può essere letta come 0,9876 V.

Oltre alla misurazione di tensioni, il potenziometro DC può essere utilizzato anche per misurare correnti e resistenze sconosciute. La misura della corrente avviene convertendo la corrente sconosciuta in una tensione, passando la corrente attraverso una resistenza standard nota. Successivamente, si misura la tensione sviluppata sulla resistenza tramite il potenziometro, e da questa si calcola la corrente. Un aspetto importante in questa applicazione è l'uso di una resistenza standard a quattro terminali, che elimina l'effetto delle resistenze di contatto.

Per misurare una resistenza sconosciuta, il potenziometro viene utilizzato per misurare la tensione ai capi di una resistenza sconosciuta, che è collegata in serie con una resistenza standard. Dopo aver standardizzato il potenziometro, si misurano le tensioni ai capi della resistenza sconosciuta e della resistenza standard, da cui si può determinare il valore della resistenza sconosciuta tramite il principio di Ohm.

In ogni caso, la precisione delle misurazioni dipende dalla qualità dei componenti utilizzati, in particolare dai galvanometri e dalle resistenze standard, nonché dalla corretta calibrazione del potenziometro. Un errore nel bilanciamento o nelle connessioni potrebbe compromettere la qualità della misurazione. Pertanto, è essenziale utilizzare strumenti di alta precisione e assicurarsi che le condizioni di laboratorio siano ottimali per ottenere risultati affidabili.

Come funziona il Trigger e il Generatore Sawtooth negli Oscilloscopi con Modalità Triggerata

Ogni volta che la forma d'onda a denti di sega transita da +VXm a −VXm o quando il generatore di denti di sega è fermo (uscita a −VXm), viene applicata una tensione di blanking (−VB) sulla griglia di controllo, come mostrato nella Figura 7.9c. Con tutte le altre impostazioni invariati e modificando solo la pendenza da positiva a negativa, le forme d'onda sull'oscilloscopio cambiano come illustrato nella Figura 7.10. Qui possiamo osservare che il trigger si genera quando il livello è zero e la pendenza è negativa, avviando così la forma d'onda a denti di sega da quel punto. Inoltre, la forma d'onda del blanking appare come mostrato nella Figura 7.10d, con il risultato visualizzato nella Figura 7.10e.

Il generatore di trigger è essenziale per avviare la generazione di una forma d'onda a denti di sega nel momento in cui l'ingresso y raggiunge un determinato livello e la pendenza in quel punto è positiva o negativa. Questo processo è realizzato da un circuito noto come generatore di trigger, che riceve un ingresso e fornisce un segnale di avvio quando l'ingresso raggiunge il livello di trigger impostato e la pendenza desiderata. Un circuito molto semplice di generatore di trigger e generatore di denti di sega a start-stop è mostrato nelle Figure 7.11a e 7.11b.

Il generatore di trigger può essere configurato in modo che il segnale venga emesso all'edge di salita, quando l'ingresso raggiunge il livello VL con una pendenza positiva, oppure all'edge di discesa, quando l'ingresso raggiunge lo stesso livello con una pendenza negativa. Questo è gestito tramite un multivibratore monostabile, che fornisce un impulso di trigger di durata preimpostata quando l'ingresso del circuito di trigger raggiunge il livello VL con una pendenza positiva o negativa, come mostrato nella Figura 6.11d.

Nel caso del generatore di sawtooth, come illustrato nella Figura 7.11b, quando viene generato un impulso di trigger, il circuito integratore produce una rampa che aumenta linearmente nel tempo. Il segnale di uscita del sommatorio tra il segnale integrato e −VXm segue la formula VS = −VXm + VXm RC t, e una volta che il segnale raggiunge +VXm, il comparatore OC2 diventa "1", facendo chiudere l'interruttore SPST. Da quel momento, il condensatore C viene cortocircuitato, e l'uscita dell'integratore scende a zero, riportando la forma d'onda al valore −VXm, pronto per il prossimo ciclo.

In questo contesto, il periodo della forma d'onda a denti di sega generata dipende dalle resistenze e dai condensatori utilizzati nel circuito, e può essere regolato modificando i valori di RC. Il periodo della forma d'onda, che oscilla da −VXm a +VXm con una pendenza di VXm/RC, è dato dalla formula VS = 2RC. Pertanto, scegliendo opportunamente i valori di RC, è possibile ottenere diverse impostazioni di base temporale.

Inoltre, l'amplificatore y gioca un ruolo fondamentale, poiché standardizza la sensibilità della deflessione y, seguendo la sequenza 1-2-5-10-20-50-100, indipendentemente dal produttore dell'oscilloscopio. Il sistema di accoppiamento può essere in corrente continua (DC) o in corrente alternata (AC), con un interruttore che consente all'utente di scegliere tra i due. Nel caso dell'accoppiamento AC, il condensatore inserito tra l'ingresso e l'amplificatore y blocca qualsiasi componente DC del segnale, lasciando passare solo la parte AC (variabile nel tempo), il che consente di visualizzare con maggiore chiarezza i segnali alternati.

Qual è il tempo minimo di campionamento e il tasso di abbassamento per un campionatore a mantenimento con opamp e ADC da 10 bit?

Il campionatore a mantenimento (S/H) è un dispositivo cruciale in molti sistemi di acquisizione di segnali, in particolare per il campionamento di segnali analogici prima della loro conversione in segnali digitali tramite un convertitore analogico-digitale (ADC). Per ottenere il miglior funzionamento di tale dispositivo, è fondamentale determinare vari parametri, tra cui il tempo minimo di campionamento e il tasso di abbassamento (droop rate) durante il processo di mantenimento.

In un campionatore S/H con amplificatori operazionali (opamps) dotati di una velocità di variazione (slew rate) di 20 V/μs, corrente di polarizzazione di 10 nA e capacità di corrente di cortocircuito di 10 mA, il tempo minimo di campionamento può essere calcolato utilizzando la velocità di variazione dell’amplificatore. Poiché la velocità di variazione determina quanto rapidamente l'uscita dell'opamp può rispondere a un cambiamento di segnale, il tempo minimo necessario per acquisire correttamente un campione è inversamente proporzionale alla velocità di variazione dell'opamp.

Nel caso di un ADC a 10.23 V a piena scala (FS), l’obiettivo è determinare il tempo in cui il segnale può essere mantenuto stabile senza significativi errori. Il tempo minimo di campionamento si calcola considerando il tempo necessario affinché l’amplificatore operazionale risponda completamente alla variazione del segnale di ingresso prima che venga campionato. Questo calcolo tiene conto delle caratteristiche specifiche del campionatore, come la velocità di variazione e la capacità di corrente di cortocircuito, che influenzano direttamente l'accuratezza e la velocità del campionamento.

Il tasso di abbassamento, o droop rate, è un altro parametro critico da considerare. Questo parametro indica la velocità con cui il livello del segnale mantenuto scende dopo che è stato campionato. Il droop rate dipende dalla capacità di mantenimento del campionatore, che può essere influenzata da fattori come la capacità di ingresso e la resistenza del circuito di mantenimento. Più basso è il droop rate, più stabili sono i dati acquisiti durante il periodo di mantenimento, riducendo gli errori nelle letture ADC.

Il tempo di campionamento minimo e il droop rate sono quindi determinati dall'interazione tra la velocità di variazione dell'opamp, le caratteristiche del circuito di mantenimento e le specifiche dell'ADC. In sistemi con ADC ad alta risoluzione, come un ADC a 10 bit, è fondamentale ottimizzare queste variabili per garantire che il segnale campionato sia il più preciso possibile, minimizzando gli effetti di errore durante la conversione.

Quando si lavora con un ADC a 8 bit, come nel caso di un convertitore flash con comparatori che hanno un tempo di assestamento di 20 ns, è necessario considerare anche il ritardo di propagazione dei decodificatori digitali. Un ADC flash è caratterizzato dalla rapidità del processo di conversione, ma anche qui la misura del tempo di conversione dipende dalle specifiche dei comparatori e del decodificatore digitale, nonché dalle caratteristiche di propagazione dei segnali nel circuito.

Nel caso di un ADC a doppia pendenza (dual slope), che utilizza due condensatori nel percorso di feedback di un amplificatore operazionale, il tempo richiesto per completare la conversione dipenderà da quanto velocemente l'uscita dell'integratore raggiunge zero. Il tempo T2, che viene misurato per determinare il periodo del ciclo di conversione, è strettamente legato alla capacità dei condensatori nel circuito e alla velocità di risposta del sistema. Questo tipo di ADC è noto per la sua precisione ma anche per un tempo di conversione più lungo, che deve essere preso in considerazione quando si analizzano i tempi di risposta complessivi di un sistema di acquisizione.

I metodi di misurazione avanzati come il Q meter, utile per la misurazione di induttori, rientrano in un'ulteriore categoria di misure. Il Q meter fornisce informazioni precise sui parametri di un induttore, tra cui la sua resistenza, l'induttanza e la capacità distribuita, utilizzando un circuito che può essere regolato per ottenere letture precise. Queste misure sono particolarmente utili nei sistemi di misura avanzati, dove è necessario determinare la qualità del componente e correggere errori derivanti dalla resistenza interna delle fonti di eccitazione.

Per l'uso del Q meter, è necessario impostare una frequenza di misura, solitamente inizialmente settata come f1. Successivamente, un condensatore variabile (CS) viene regolato fino a quando la lettura di un voltmetro o amperometro non raggiunge il massimo. Da lì, vengono effettuate ulteriori misure, come la variazione della frequenza a 2f1, che consente di ottenere parametri come la qualità dell'induttore (Q) e la sua impedenza. Le letture di f1 e f2, così come i valori dei condensatori e dei componenti associati, consentono di calcolare l'induttanza e la capacità distribuita, determinando infine la qualità dell'induttore.

Oltre a queste considerazioni, è fondamentale considerare le correzioni necessarie per compensare gli errori derivanti dalla resistenza interna delle sorgenti di eccitazione e dalla capacità distribuita che può influire sulla misurazione della qualità dell'induttore. Queste correzioni sono essenziali per ottenere letture accurate, soprattutto quando si lavora con oscillatori pratici che possiedono una resistenza interna significativa.