Laboratorio

Oscilloscopio

oscillo.jpgL’oscilloscopio a raggi catodici è certamente lo strumento principe del laboratorio elettronico.
La sua caratteristica essenziale è quella di visualizzare l’andamento nel tempo dei segnali elettrici, ma poiché è possibile convertire in grandezze elettriche la maggior parte delle grandezze fisiche, come, ad esempio la temperatura, la velocità dell’aria, la pressione, l’umidità ecc., si può, di fatto rappresentare visivamente qualunque grandezza fisica dopo un’opportuna conversione nel segnale elettrico corrispondente.

 

Questa conversione è effettuata da specifici trasduttori come il microfono, ad esempio, che è il trasduttore in grado di trasformare la pressione sonora generata dalla voce umana in segnale elettrico.   Si può dire allora che l’oscilloscopio è in grado di visualizzare la voce umana.
L’oscilloscopio può inoltre effettuare misure di frequenza, di intervalli di tempo, può rilevare il ciclo di isteresi dei materiali ferrosi.

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L’elemento fondamentale dell’oscilloscopio è il tubo catodico, detto anche CRT.
(Catode Ray Tube = tubo a raggi catodici), costituito da un’ampolla di vetro entro la quale è stato fatto il vuoto spinto, cioè è stata tolta tutta l’aria.
Al suo interno è presente, ad un estremo, il cannone elettronico subito seguito dalle lenti di focalizzazione, quindi dalle placche di deflessione verticali e orizzontali, mentre all’altra estremità vi è lo schermo sul quale si formano le immagini.
Tra il catodo, che corrisponde al cannone elettronico, e l’anodo che si trova sullo schermo, è applicata una d.d.p. (EAT) di circa 15KV in continua che è ricavata dalla tensione di rete alternata a 230V, tramite il trasformatore di alimentazione, raddrizzata ed elevata da un dispositivo moltiplicatore di tensione fatto a diodi e condensatori.

Il catodo, costituito da un cilindretto di nickel, coperto esternamente da una vernice in grado di emettere elettroni se riscaldato, è cavo, ed al suo interno c’è un vermiglione di tungsteno, alimentato a 6,3V dal trasformatore di alimentazione, che diventa incandescente.
Il cilindretto, riscaldato indirettamente dal vermiglione, emette elettroni che vengono controllati da un cilindro cavo più grande, detto cilindretto di Wehnelt.
Gli elettroni, uscendo sotto forma di fascio da un foro, vengono focalizzati da un sistema di due o tre lenti elettroniche determinando un puntino luminoso sullo schermo dove si trova l’anodo.
Il pennello elettronico, così venutosi a formare, può essere deflesso da un sistema di placche di deflessione orizzontali e verticali costituite da coppie di superfici metalliche caricate con una d.d.p. bilanciata rispetto a massa dell’ordine delle centinaia di Volt.

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Il pennello, costituito da elettroni, cioè da cariche elettriche negative, è attratto dalla placca a potenziale positivo e respinto da quella a potenziale negativo e devia dalla traiettoria rettilinea secondo lo schema sopra rappresentato.
Quando il pennello elettronico arriva sullo schermo, attratto dal potenziale positivo dell’anodo, colpisce una superficie interna coperta di sostanze fluorescenti, le quali, emettono luce che appare all’esterno del tubo.
Se il pennello elettronico è stato ben focalizzato, al centro dello schermo si determina un puntino luminoso, detto spot.
Applicando alle placche di deflessione orizzontale un segnale elettrico a dente di sega, il pennello elettronico viene deviato da sinistra a destra lentamente e, una volta arrivato all’estrema destra, ritorna rapidamente a capo e così via, determinando sullo schermo l’immagine di una riga luminosa orizzontale.
Per evitare di vedere la traccia di ritorno, l’oscillatore a dente di sega genera anche un segnale impulsivo di valore negativo, detto di blanking, in corrispondenza della discesa improvvisa del dente di sega, che, applicato al cilindro di Wehnelt lo interdice spegnendo la traccia di ritorno.
Uno schema a blocchi semplificato dello strumento è il seguente:

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Il segnale da esaminare è applicato all’ingresso Y - input dello strumento per mezzo di una boccola BNC dove un deviatore permette di scegliere fra tre opzioni:

L’attenuatore d’ingresso ha il compito di ridurre la tensione del segnale da visualizzare al valore di circa 1 volt, quando questo fosse maggiore.
E' un attenuatore compensato, costituito da un partitore resistivo con dei condensatori in parallelo di valore regolabile in fase di taratura iniziale, e che hanno il compito di rendere l’attenuazione del segnale indipendente dalla frequenza al fine di non distorcerlo.
E' seguito dall’amplificatore verticale con ingresso sbilanciato rispetto a massa ed uscita bilanciata che a sua volta pilota le placche di deflessione verticale.
Una manopola Volt/div regola a scatti la posizione dell’attenuatore compensato ed il guadagno dell’amplificatore verticale, mentre una manopola, spesso interna alla precedente, consente una regolazione continua, ma fuori taratura.

Un’altra manopola, Y–pos, anch’essa agente sull’amplificatore verticale, regola il livello di riferimento verticale del segnale sullo schermo.
La frequenza dell’oscillatore a dente di sega è regolata a scatti, da una manopola Time/div che consente di visualizzare segnali a frequenza molto diversa fra loro.
La posizione orizzontale del segnale sullo schermo è regolata da una manopola X–pos, mentre un’altra manopola, che aumenta di 5 o 10 volte il guadagno dell’amplificatore orizzontale, consente praticamente di allargare l’immagine.
L’amplificatore orizzontale, sbilanciato in ingresso e bilanciato in uscita, come quello verticale, pilota le placche di deflessione orizzontale.
Un deviatore all’ingresso dell’amplificatore orizzontale, consente di pilotare l’asse orizzontale con segnale esterno accessibile dall’ingresso X-input.

Il circuito di trigger svolge il compito di sincronizzare il dente di sega con il segnale d’ingresso consentendo di avere una immagine ferma sullo schermo e permettendo la scelta dell’istante d’inizio dell’immagine.
Anche in questo caso è consentito un ingresso esterno di trigger detto trigger - input, a mezzo di un deviatore.
La manopola intensity agisce sul potenziale negativo del cilindretto di Wehnelt nel senso che rendendolo ancor più negativo interdice il pennello elettronico che riducendosi di intensità rende meno luminoso lo schermo o viceversa.
La manopola focus agisce invece sul potenziale della lente elettronica consentendo una migliore messa a fuoco dell’immagine sullo schermo.

La formazione dell’immagine sullo schermo è dovuta all’applicazione del segnale all’amplificatore verticale mentre il dente di sega deflette il pennello in orizzontale, ottenendo dalla composizione delle due deflessioni, l’immagine del segnale richiesta.
Un terzo ingresso, Z–input, applicato al cilindretto di Wehnelt, consente di interdire il pennello elettronico dando luogo a immagini tratteggiate.
Tutto quanto detto è riferito ad un solo canale dell’oscilloscopio, che invece di norma ne ha due, denominati CH A e CH B.
Pur avendo due canali, gli oscilloscopi, di solito hanno un solo cannone elettronico che alternativamente determina la due tracce sullo schermo descrivendone prima una e poi l’altra senza che l’occhio per la rapidità con cui ciò avviene, se ne possa accorgere.
Quanto descritto è riferito ad un oscilloscopio analogico, ma oggi sono molto numerosi gli strumenti totalmente digitali, con memoria di schermo e che si presentano in tutto e per tutto eguali ad un computer in cui le manopole sono state sostituite da pulsanti.

Un normale oscilloscopio consente la visione di segnali fino a 30, 50, 60, 100 o, al massimo, 200 MHz.   L’impedenza di ingresso degli oscilloscopi è di 1 MΩ.   Quelli da 100 MHz in su prevedono anche un ingresso a 50Ω.   Il prezzo di mercato di uno strumento fino a 50 MHz è di circa €500.  Ne esiste qualche esemplare, molto costoso, che raggiunge, con complicate tecnologie, frequenze dell’ordine di 500 MHz.  Esiste infine un tipo, pochissimo diffuso, detto campionatore, che con la tecnica del campionamento, consente di vedere segnali fino al Gigahertz.

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