1
Pag. 1
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
1
2
Indice unità 2
Oscilloscopi analogici 1a parteOscilloscopi analogici 2a parte
2
Pag. 2
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
3
Oscilloscopi analogici
4
Indice
Generalità e formazione dell’immagine Tubo a raggi catodiciPresentazione nel dominio del tempo Base tempiEsercitazione su simulatore di Oscilloscopio
3
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
5
Oscilloscopi analogici 1a parte
6
Elemento principale di un oscilloscopio
Tubo a Raggi Catodici (TRC) evoluzione dei tubi di
Crookes 1879Braun 1897
4
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
7
Costruzione dell’immagine
8
Schema a blocchi di un oscilloscopio
S in posizione 1: rappresentazione di grandezze nel dominio del tempo (grandezze periodiche transitori)S in posizione 2: composizione di due segnali su assi ortogonali
5
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
9
S in posizione 1
10
S in posizione 2
6
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
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Oscilloscopi analogici 1a parte
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Tubo a raggi catodici
1 - Riscaldatore2 - Catodo3 - Cilindro di Wehnelt (Griglia di controllo)4, 5 ,6 - Elettrodi di focalizzazione7 - Placchette deflessione verticale 8 - Placchette deflessione orizzontale9 - Elettrodo di postaccelerazione
7
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
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Schermo 1/2
Lo schermo è una lastra di vetro piana rivestita, nella superficie interna al TRC, di particolari materiali elettroluminescenti (i fosfori)
Questi colpiti dal fascio elettronico emettono luce trasformando energia cinetica in energia luminosa
Sullo schermo è anche depositato un strato sottile metallico che funziona da elettrodo di raccolta degli elettroni
14
Schermo 2/2
Tipi di fosforo determinatocolore di emissionepersistenza luminosa: in presenza di attivazione elettronica i fosfori emettono luce per fluorescenza, se cessa l’eccitazione si ha il fenomeno di emissione per fosforescenza con coda luminosa
t p costante di tempo di decadimento1 ~ 10 ms <t p< 1 s
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
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Valutazione della sensibilità di deflessione
DL
db
d acc= ⋅
⋅ ⋅
⋅12
V
V
Si può dimostrare che la deflessione D sullo schermo è calcolabile con la relazione
Funzione della geometria del sistema e delle tensioni• Vacc di accelerazione • Vd di deflessione
16
Parametri che influenzano D
Per rendere elevato D occorre avere:elevata tensione di deflessione Vd e quindi guadagno dell’amplificatore elevato
elevata lunghezza b delle placchette e quindi capacità di carico alta per l’amplificatoreelevata lunghezza del tubo e quindi elevato ingombrobassa tensione accelerazione Vacc che comporta una scarsa luminositàpiccola distanza tra le placchette d con alta capacità equivalente
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
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Sensibilità di deflessione 1/2
Si definisce un fattore di deflessione
valutazione di massima di Hd ipotizzandob ≈ 3 cm
d ≈ 1 cmL ≈ 40 cmVacc ≈ 3 kV risulta Hd = 50 V/cm
=DV
H dd
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Sensibilità di deflessione 2/2
Si parla anche di sensibilità di deflessione
=dd H
1S
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
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Deflessione verticale 1/2
Con i valori numerici definiti, per una deflessione di 10 cm occorre avere V0 = 500 V; Se Vin=1mV occorre un guadagnodell’amplificatore
G = 500 x 103 → 114 dB
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Deflessione verticale 2/2
Caratteristiche amplificatore:guadagno elevato
banda estesa da d.c. a frequenze elevaterisposta piatta
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
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Banda passante del sistema
Banda passante del sistema di deflessione
SENSIBILITÀ ELEVATA DI DEFLESSIONECOMPORTA
PICCOLA DISTANZATRA PLACCHETTE
ELEVATA LUNGHEZZADELLE PLACCHETTE
CAPACITÀ ELEVATA
BANDA PASSANTE RIDOTTA
In pratica la banda passante del canale verticale è però limitata dall’amplificatore
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Oscilloscopi analogici 1a parte
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
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Presentazione nel dominio del tempo
S in posizione 1: rappresenta grandezze nel dominio del tempo
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Tensioni di deflessione Vx e Vy
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
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Oscilloscopi analogici 1a parte
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Circuito base tempi
VF
VCFR
flipflop
×
CFR
generatore di rampa
comparatore di fine rampa
alle placche di deflessione verticale
integratoredi Miller
-1
+
—VD
VBVT VE
+—
comparatore di soglia
generatore di trigger
formatore di impulsi
livello di trigger
selettore di ingresso
InvertitoreSLOPE±
Y
IINT
EXT
LINE
sorgente di trigger
14
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
27
Sorgente di trigger
Il selettore d’ingresso seleziona il segnale da utilizzare per generare il sincronismo (sorgente di trigger).
Y
INT
EXT
LINE
sorgente di trigger
“INT”, viene utilizzato lo stesso segnale del canale verticale“EXT”, è possibile utilizzare come sorgente di trigger un segnale esterno
“LINE”, la sorgente di trigger è il segnale a frequenza di rete (50Hz)
28
Generatore di trigger
-1
+
—VD
VBVT VE
+—
comparatore di soglia
generatore di trigger
formatore di impulsi
Trigger Level
selettore di ingresso
InvertitoreSLOPE±
Livello di trigger (LT) = 2V
Slope -VB
VT
VE
t
t
t
LT
“SLOPE” permette di scegliere di generare la rampa sui fronti in salita o in discesa del segnale di trigger.il comparatore di soglia e il formatore di impulsi generano un impulso, nell'istante in cui il segnale della sorgente di trigger supera la soglia VD
con il comando “LEVEL”, è possibile variare il valore di tensione VD (LT)
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
29
Generatore di rampa
VE
VG
VCFR
t
t
t
—
+
VG
Comando Fine Rampa SW
R C
VE
VCFR
flipflop
×
CFR
generatore di rampa
comparatore di fine rampa
alle placche di deflessione verticale
integratoredi Miller
VG
R e C possono essere variati, tramite il comando “TIME/DIV”
30
Oscilloscopi analogici 1a parte
16
Pag. 16
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
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Esercitazione pratica con Swilab 1/2
Attivare il pannello del Analog Oscilloscope (AO)
Attivare il pannello del Analog Generator (AG)
Collegare il morsetto OUT di AG con CH1 (IN selection) di AO
Compare la traccia sinusoidale di default
32
Esercitazione pratica con Swilab 2/2
Verificare l’effetto dei controlli sul canale verticale Volt/div
Verificare l’effetto dei controlli sulla base tempi SEC/DIV
Verificare l’effetto dei controlli sul Trigger Setup in particolare variando il “level”
17
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
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Oscilloscopi analogici
34
Indice
Modalità di trigger Canale verticaleEffetti di carico e scopo delle sondeLa doppia base tempiOscilloscopio a doppia traccia
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
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Oscilloscopi analogici 2a parte
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Generatore base tempi
Trigger source:
slope: ±
trigger level: regolabile con continuitàcircuito porta: definisce inizio rampageneratore rampa: start da porta
stop da circ. fine rampacircuito di hold - off: inibizione inizio di rampa
successivacircuito di spegnimento: impedisce visualizzazione
della traccia di ritorno
Interno
Esterno
linea 50 Hz
19
Pag. 19
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
37
Trigger automatico
Si ha l’esigenza di far partire la rampa in modoautomatico quando mancano gli impulsi al trigger e cioè nei casi seguenti:
quando il segnale di sincronismo è una tensione continua (per esempio si utilizza il sincronismo interno per misurare il livello di una tensione continua)quando il segnale di sincronismo ha ampiezza picco-picco inferiore all’ampiezza della fascia di isteresi del circuito di trigger
Fascia di isteresi del trigger
Segnale di sincronismo
38
Immagine non sincronizzata 1/2
20
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
39
Immagine sincronizzata 2/2
40
Velocità di scansione diverse
21
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
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Oscilloscopi analogici 2a parte
42
Canale verticale: schema a blocchi
R IN=1MΩ±1%C IN=10÷40 pF
22
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
43
Ch vert.: Caratteristiche 1/2
Amplificatore Verticaleingresso a FET (per avere alta impedenza )
stadi differenziali (deve operare anche in continua)guadagno elevato e taratobanda sufficientemente elevatauscita bilanciata per pilotare correttamente il sistema di deflessionedinamica di uscita elevata (± 300÷400 V)
44
Ch vert.: Caratteristiche 2/2
Attenuatore Taratoresistenza caratteristica costante al variare dell’attenuazione (1 M Ω)bassa capacità di ingressoattenuazione tarata per valori discreti(definisce il fattore di deflessione verticale)
banda elevata adeguata a quella dell’amplificatore verticale
23
Pag. 23
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
45
Comportamento in frequenza
Ipotesi di amplificatore ad un solo polo Modello in frequenza tipo filtro passa basso
R
fp = (2πRC)−1
ffp
Filtro P.B. OUT. (DEFL.) CIN (V)
Equivale a
46
Comportamento nel dominio del tempo 1/2
Invece della costante di tempo τ =RC, per motivi pratici di misura sullo schermo, conviene definire il tempo di salita ts0
R
CV i Vu
t
Vu
V i
90%
10%
ts0
24
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
47
Comportamento nel dominio del tempo 2/2
ts0 il tempo compreso tra il 10% ed il 90% del valore asintotico della deflessione prodotta da un segnale a gradino ideale
ts0 viene chiamato tempo di salita proprio (intrinseco) dell’oscilloscopio
48
Risposta al gradino e Tempo di salita
Dalla risposta al gradino Vu(t)= Vumax(1-e-t/RC) , si possono calcolare gli istanti
t1 per cui Vu(t1)=0.1Vumax
t2 per cui Vu (t2)=0.9Vumax
Da cui si ricava ts0= t2-t1Risulta ts0≅ 0.35/fp ≅ 2.2RC
R
CV i Vu
t
Vu
V i
90%
10%
ts0
25
Pag. 25
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
49
Impedenza di ingresso 1/2
Se interessa solo il comportamento in frequenza, il canale verticale può essere modellato come in figura
R iVeCi
Vu
fp
AMPL.
V i
oscilloscopio
Impedenza di ingresso
t
Vu
V i
90%
10%
ts0Ze→∞
=Ve
50
Impedenza di ingresso 2/2
Se si invia un gradino ideale di tensione, fornito da un generatore ideale, sullo schermo si avrà un esponenziale con tempo di salita ts0 ≅ 0.35/fp
L’impedenza di ingresso non ha effetto
26
Pag. 26
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
51
Oscilloscopi analogici 2a parte
52
Effetto dell’impedenza di ingresso 1/2
Se si invia un gradino ideale di tensione, prodotto da un generatore reale (per semplicità con impedenza di uscita R0 resistiva) la situazione diventa quella di figura
(Ri//R0≅ R0 essendo normalmente R i>> R0)2π Ci(R i//R0)
t
Ve
V i
90%
10%
tp1
R0
R iVe
fp1 =
CiV i Vu
fb
AMPL.
1
27
Pag. 27
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
53
Effetto della impedenza di ingresso 2/2
L’impedenza di ingresso dell’oscilloscopio in combinazione con la R0 , introduce un filtro passa basso la cui funzione di trasferimento Ve / Vi ha frequenza di taglio fp1
Conseguentemente si introduce un ulteriore tempo di salita
tp1 ≅ 0.35/fp1 ≅ 2.2 Ci(Ri//Req)
(Ri//R0≅ R0 essendo normalmente R i>> R0)2π Ci(R i//R0)
t
Ve
V i
90%
10%
tp1
R0
R iVe
fp1 =
CiV i Vu
fb
AMPL.
1
54
Effetto sul tempo di salita misurato 1/6
La teoria dei circuiti elettronici permette di calcolare la frequenza di taglio f ∗ di una cascata di doppi bipoli
fp1 fp f∗V i VuV i Vu
E quindi il tempo di salita equivalente t ∗ della cascata
tp1 ts0 t∗V i Vu V i Vu
28
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
55
Effetto sul tempo di salita misurato 2/6
Risulta con una sufficiente approssimazione che, se si invia un gradino ideale di tensione, prodotto da un generatore ideale, il tempo di salita misurato sullo schermo vale
t
Vu
V i
90%
10%
tm
tm=t∗≅ (tp12+ts02)1/2
56
Effetto sul tempo di salita misurato 3/6
Se il generatore di gradino ha un tempo di salita tg≠0, il tempo di salita misurato tm può essere stimato utilizzando il modello
Il generatore con tempo di salita tg è stato realizzato applicando un gradino ideale ad un filtro passa basso con tempo di salita tg.
ts0tp1 tmV itg
Vu VuV i
29
Pag. 29
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
57
Effetto sul tempo di salita misurato 4/6
Con una sufficiente approssimazione si può stimare che il tempo di salita misurato sullo schermo vale
t
Vu
V i
90%
10%
tm
tm=t∗≅ (tg2 + tp1
2+ts02)1/2
58
Effetto sul tempo di salita misurato 5/6
In linea di principio questo errore di misura potrebbe essere corretto secondo la relazione
tg= (tm2 − tp12−ts02)1/2
Però l’incertezza su tp1 e su ts0 e l’approssimazione della relazione matematica non giustificano tale correzione
30
Pag. 30
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
59
Effetto sul tempo di salita misurato 6/6
Si preferisce solo fare una valutazione grossolana dell’errore per decidere se:
è il caso di utilizzare un altro oscilloscopio a banda più larga (ts0 minore)
è il caso di ridurre tp1 intervenendo sul collegamento tra oscilloscopio e circuito di misura (riduzione dell’effetto di carico)
Si ricorda che tp1 si manifesta a causa della resistenza di uscita del generatore equivalente
60
Effetto di carico dell’oscilloscopio
– in D.C. attenuazione
– in A.C. rotazione di faseattenuazione
limitazione di banda
RoR IN C IN
L’effetto provoca:
31
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Misure Elettroniche - Lezione n. 1
61
Per ridurre l’effetto di carico
Occorre ridurre possibilmente il rapporto R0/ RIN
Si possono utilizzare due tecniche:
introdurre una sonda attiva
introdurre una sonda che realizzi un partitore compensato
62
Sonda Attiva
Problemi presentati:amplificatore a larga bandanecessità di elevata dinamica di ingressorichiede linee di alimentazione
CIRCUITO IN MISURAOSCILLOSCOPIO
SONDA ATTIVA
Ro
32
Pag. 32
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
63
Sonda Passiva: Attenuatore compensato 1/3
Si regola CS per avere RSCS = RINCIN
In tali condizioni:la FDT Vu / Vi ha idealmente banda infinitala RE = RS+RIN
la CE = CS×CIN/(CS+CIN)
RS
R0CS
RIN CINV iVu
ZE
RE CE
OSCILLOSCOPIO+SONDA
64
Sonda Passiva: Attenuatore compensato 2/3
L’effetto di carico del sistema oscilloscopio+sonda risulta inferiore a quello del solo oscilloscopio
Normalmente la sonda attenua di un fattore 10RS=9 RIN , CS = CIN /9
e quindi
RE=10RIN, CE = CIN /10
33
Pag. 33
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
65
Sonda Passiva: Attenuatore compensato 3/3
Il polo introdotto nel collegamento vale f*
R0
RE
V l
f* =
CEV i Vu
fb
AMPL.
2π CE(RE //R0)
1 RE //R0 ≅ R0 ,
CE = CIN /10= fp1x10
66
Osservazione dei fronti ripidi
A causa del ritardo tra partenza della rampa e l’istante di triggerSi perde l’osservazione del fronte
34
Pag. 34
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
67
Rimedio
Introduzione di una linea di ritardo sul canale verticale
68
Compensazione del ritardo di start rampa
35
Pag. 35
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
69
Problemi di sincronizzazione 1/2
Problemi di sincronizzazione per la osservazione di particolari del segnale
Se si vuole rappresentare il dettaglio A sull’intero schermo
t
Trigger level
A
70
Problemi di sincronizzazione 2/2
Occorre far partire le rampe immediatamente prima di A
È però molto difficile sincronizzare con un livello di trigger posto sui tratti orizzontali della forma d’onda
t
Trigger level
36
Pag. 36
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
71
Oscilloscopi analogici 2a parte
72
Oscilloscopi a doppia base di tempi
Il problema di sincronizzare in punti difficili del segnale è risolto con gli oscilloscopi a doppia base tempiSchema a blocchi di principio
Canale Vert.
Base tempi B1
Base tempi B2
IN
TRC
Si hanno due generatori di base tempi
37
Pag. 37
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
73
Schema a blocchi
GeneratoreBase Tempi B1 (principale)
Time/divA
TriggerLevel
Slope
+
_
Time/divB
Trigger
Level
DeflessioneOrizzontale
Segnale di triggerPer BT B1
Segnale di triggerPer BT B2 Generatore
Base Tempi B2 (secondaria)
74
Oscilloscopi a doppia base tempi
Modalità di generazione della 2a base tempiB2 ritardata rispetto a B1
GeneratoreBase Tempi B1
(principale)
Time/divB TriggerLevel→ DELAY
DeflessioneOrizzontale
Segnale di triggerPer BT B1
La rampa generata da B1 è utilizzata come segnale di triggerper BT B2
GeneratoreBase Tempi B2
(secondaria)
38
Pag. 38
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
75
B2 ritardata rispetto a B1
LIVELLO DI TRIGGERPER B2
76
Scansione sola rampa B1
TENSIONE DI DEFL. ORIZZONTALE
VY RAPPRESENTATA CONDEFL. ORIZZONTALE DATA DA B1
1
2
3
45
B2
39
Pag. 39
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
77
Rampa B1 intensificata per la durata di B2
Tensione diintensificazioneluminosità
78
Scansione con la sola rampa B2
42
3
Vy(B2)
40
Pag. 40
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
79
1 2
3
45
2
3
4
Vy(B1)
Vy(B2)
Rampe B1 e B2 scansioni alternate
80
Scansione B1 + B2 ( MISTA )
41
Pag. 41
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
81
Oscilloscopi analogici 2a parte
82
Oscilloscopi a Doppia Traccia
A doppio cannone (Soluzione costosa non più adottata)
A commutazione delle due tracce
alternate (per segnali A F)
chopped (per segnali B F)Modalità di presentazione
42
Pag. 42
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
83
Modalità alternate (ALT)
YY1 Y2
X
LT S1
F1
S2
F2Y1
Y2
t
t
84
Modalità CHOPPED (CHOP)
SEGNALE DI TRIGGER
43
Pag. 43
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
85
Problemi di sincronismo interno (ALT) 1/2
Sincronismo prelevato a monte del commutatore (es. Y 2)
mantiene le relazioni di fasei segnali devono essere sincroni altrimenti uno scorre sullo schermo
COMMUTATORE
SEGNALE DI SINCRONISMO
CH2
CH1
YY1 Y2
X
LT S1
F1
S2
F2Y1
Y2
t
t
86
Problemi di sincronismo interno (ALT) 2/2
Sincronismo prelevato a valle del commutatore
non si mantiene la relazione di fasesi possono però sincronizzare anche i segnali di differenti frequenze
COMMUTATORE
SEGNALE DI SINCRONISMO
CH2
CH1Vo
LT
LT
2
2
1
1
2
2
Y1
Y2
Y1 e Y2 rappresentati con stessafase
44
Pag. 44
Misure Elettroniche - Lezione n. 1
87
Funzionamento chopped
a monte del commutatore (CH1 o CH2)
sincronismo corretto ma i segnali devono essere sincroni altrimenti uno scorre sullo schermomantiene le relazioni di fase
a valle del commutatoresincronismo difficoltoso per la complessità del segnale sincronizzantesu molti oscilloscopi questa scelta viene impedita
COMMUTATORE
SEGNALE DI SINCRONISMO
CH2
CH1
Problemi di sincronismo interno (CHOP)