Segnali elettrici: ampiezza, frequenza, periodo e fase
Un segnale elettrico descrive come una tensione o una corrente cambia nel tempo. Per interpretarlo correttamente dobbiamo conoscere ampiezza, valore di picco, picco-picco, offset, periodo, frequenza, pulsazione e fase. Questi parametri sono alla base dell’oscilloscopio, dell’elettronica analogica, del PWM, delle comunicazioni e dell’analisi dei circuiti in corrente alternata.
Che cos’è un segnale elettrico?
Un segnale elettrico è una grandezza, tipicamente tensione o corrente, che varia nel tempo e può trasportare energia o informazione. In forma matematica possiamo descrivere una tensione come v(t) e una corrente come i(t).
Ampiezza
Quanto è grande la variazione del segnale.
Periodo
Quanto dura un ciclo completo.
Frequenza
Quanti cicli avvengono in un secondo.
Fase
Posizione temporale relativa di un segnale periodico.
Valore istantaneo
Il valore istantaneo è il valore assunto dal segnale in un preciso istante. Per una tensione viene indicato spesso con v(t). Non va confuso con valore di picco, valore medio o RMS: sono grandezze diverse.
Ampiezza, valore di picco e picco-picco
Nel linguaggio tecnico bisogna specificare quale misura di ampiezza stiamo usando. Per una sinusoide simmetrica rispetto allo zero:
| Parametro | Simbolo | Significato |
|---|---|---|
| Picco positivo | Vpk | Distanza da zero al massimo positivo. |
| Picco negativo | −Vpk | Massimo valore negativo. |
| Picco-picco | Vpp | Distanza dal minimo al massimo del segnale. |
Offset DC: quando il segnale non è centrato sullo zero
Un segnale periodico può essere sovrapposto a una componente continua chiamata offset DC. In questo caso il centro della forma d’onda non coincide con 0 V.
Vmax = 3,5 V
Vmin = 1,5 V.
Il valore picco-picco resta 2 Vpp, ma il segnale non attraversa mai lo zero.
Periodo: durata di un ciclo
Il periodo T è il tempo necessario perché un segnale periodico completi un ciclo e torni nella stessa condizione.
Un ciclo dura 0,020 secondi.
Un ciclo dura un milionesimo di secondo.
Frequenza: quanti cicli in un secondo?
La frequenza f indica il numero di cicli completi che avvengono in un secondo. L’unità di misura è l’hertz (Hz).
T = 1/50 = 20 ms
T = 1/10000 = 100 µs
Pulsazione o frequenza angolare
Nei circuiti AC e nell’analisi matematica incontriamo spesso la pulsazione, indicata con la lettera greca omega (ω) e misurata in radianti al secondo.
Equazione completa di una sinusoide
| Termine | Significato |
|---|---|
| VDC | Offset continuo del segnale. |
| Vpk | Ampiezza di picco della componente sinusoidale. |
| ω | Pulsazione in rad/s. |
| t | Tempo. |
| φ | Fase iniziale. |
Fase e sfasamento
La fase descrive la posizione di un segnale periodico all’interno del proprio ciclo. Quando confrontiamo due segnali con la stessa frequenza, possiamo parlare di differenza di fase o sfasamento.
φ = 360° × 0,25/1 = 90°.
Sinusoide, onda quadra e onda triangolare
| Forma | Caratteristica | Dove la troviamo |
|---|---|---|
| Sinusoidale | Variazione continua e regolare | AC, oscillatori, segnali analogici |
| Quadra | Commutazione tra due livelli | Clock, GPIO, comunicazioni digitali |
| Triangolare | Salita e discesa lineari | Generatori, PWM, modulazione |
| Impulso | Evento di durata limitata | Trigger, digitali, controllo |
Duty cycle nelle onde quadre e PWM
Il duty cycle indica per quale percentuale del periodo un segnale impulsivo resta nello stato attivo.
Il segnale resta HIGH per metà periodo.
Il segnale resta HIGH per un quarto del periodo.
Valore medio e valore RMS
Ampiezza di picco e picco-picco non descrivono direttamente l’effetto energetico di un segnale. Per questo si usano anche valore medio e valore efficace RMS.
Come leggere questi parametri con l’oscilloscopio
L’oscilloscopio mostra la tensione sull’asse verticale e il tempo sull’asse orizzontale. Conoscendo le scale possiamo ricavare quasi tutti i parametri descritti in questa guida.
Determina quanti volt corrispondono a ogni divisione verticale.
Determina il tempo rappresentato da ogni divisione orizzontale.
Conta le divisioni tra massimo e minimo e moltiplica per V/div.
Conta le divisioni di un ciclo e moltiplica per time/div.
T = 5 × 200 µs = 1000 µs = 1 ms
f = 1/T = 1 kHz.
Campionamento e larghezza di banda: perché contano?
Un oscilloscopio digitale non osserva il segnale in modo infinitamente continuo: lo campiona. La qualità della rappresentazione dipende dalla frequenza di campionamento, dalla larghezza di banda analogica e dalle caratteristiche della sonda.
Errori comuni da evitare
- confondere ampiezza di picco con picco-picco;
- confondere periodo e frequenza;
- usare millisecondi nella formula f=1/T senza convertirli correttamente in secondi;
- considerare ogni segnale AC necessariamente sinusoidale;
- ignorare l’offset DC;
- confondere fase con frequenza;
- usare VRMS=Vpk/√2 su forme d’onda non sinusoidali;
- confondere duty cycle e frequenza nel PWM;
- leggere una forma d’onda senza controllare V/div e time/div;
- ignorare banda, sonda e frequenza di campionamento dell’oscilloscopio.