Costruzione di un oscilloscopio analogico
7 December 2008 da Marco
Premessa
Prima di tutto va detto che in questo articolo non descriverò la costruzione di un moderno oscilloscopio, e non ne tratterò nemmeno la parte pratica. Lo scopo è quello di analizzare lo schema di un rudimentale oscillografo a transistor più che altro a scopo di studio. Comunque nessuno vieta, a chi lo volesse, di costruire realmente questo strumento, infatti posso garantire che se seguirete bene lo schema esso funzionerà senza troppi problemi. La pecca è che potrete misurare al massimo frequenze di 1 mhz, oltre ad essere monotraccia e ad essere privo – ovviamente – delle caratteristiche degli ultimi oscilloscopi digitali.
L’oscillografo che andrò a descrivere è decisamente rudimentale, e le sue caratteristiche non sono certo al passo con i tempi, tuttavia è ottimo per arrivare a comprendere meglio come funziona questo utilissimo strumento di misura:
Può effettuare misure da 3hz a 1 mhz (ma già qui si ha qualche perdita in db); Possibilità di trigger; Amplificatore anche per tensioni continue; Attenuatore con scala pretarata con una buona approssimazione; Amplificatore orizzontale (X) con fase identica a quello verticale (Y); Possibilità di essere alimentato sia in continua che in alternata. Si sa, inoltre, che per gli strumenti di misura è sempre necessaria un’alimentazione il più possibile stabile, e che non muti né in frequenza né in tensione. Per questo sarà presentato anche uno schema di un alimentatore sufficientemente stabile. Questo oscilloscopio utilizza un tubo a raggi catodici, anche perché non c’è proprio nulla di digitale in questo schema, e vi posso assicurare che schemi come questi, dove non ci sia neanche l’ombra di un integrato, sono davvero difficili da reperire al giorno d’oggi malgrado siano ottimi per scopi di studio.
Ma passiamo ad analizzare il circuito:
Gli schemi del progetto possono essere scaricati qui: schemi oscilloscopio
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Amplificatore verticale (Y)
L’amplificatore verticale è formato soltanto da due stadi amplificatori in controfase: questa soluzione è adottabile preferibilmente perché consente di ottenere un’ottima stabilità contro le variazioni di temperatura e dei parametri dei transistor. All’ingresso dell’amplificatore si trova un partitore di tensione tarato che, eventualmente, può essere compensato anche in frequenza, nel modo che citerò più avanti; l’impedenza di ingresso risulta costante per ciascuna posizione del commutatore ed ha un valore di 1 megaohm, compresa la sonda inserita nel puntale.
A causa delle tensioni di lavoro relativamente elevate, le resistenze di carico del collettore sono alquanto elevate. Ad ogni modo l’amplificatore fornisce un’ottima risposta e quindi un buon guadagno fino alla frequenza di un megahertz. Nel circuito di ingresso di questo amplificatore è inserita una compensazione in corrente continua tarata per il valore di zero volt, per cui, cortocircuitando l’ingresso dell’amplificatore, la linea di riferimento della base dei tempi sullo schermo del tubo a raggi catodici rimane al centro dello schermo. L’amplificatore è insensibile alle variazioni di temperatura comprese tra i 10° C ed i 45° C. Quando lo strumento è alimentato con l’accumulatore (batteria), se la tensione di alimentazione dovesse diminuire, può darsi che la linea dello 0 sullo schermo del tubo si sposti: per ovvia a questo inconveniente si provvederà a regolare il potenziometro P5 (vedere schema) fino a riportare nelle normali posizioni la linea di riferimento.
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Amplificatore del trigger
L’esatto triggering è ottenuto mediante un circuito trigger di Shmitt. Questo circuito, come qualcuno saprà, ha l’inconveniente di richiedere all’ingresso tensioni elevate. Pertanto, per avere quest’impulso trigger di valore elevato, si usa un amplificatore sovrapilotato. Ogni volta che la somma risultante dal segnale e dall’impulso trigger, sulla base del transistor AC107, sorpassa lo zero, la tensione al collettore di questo transistor cambia. Il fianco di questo impulso di commutazione viene differenziato ed applicato alla base dei tempi. A motivo di questo particolare circuito triggering, il livello dell’impulso differenziato viene a dipendere dalla frequenza, per cui si rende necessario commutare contemporaneamente il condensatore differenziatore insieme a quelli della base dei tempi orizzontale.
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Generatore della base dei tempi orizzontale
La base dei tempi dell’oscilloscopio è formata da un circuito flip-flop monostabile, che riceve una reazione aggiuntiva attraverso l’emettitore. Mediante il potenziometro da 20 kohm (P7 nello schema), il circuito monostabile trigger si può regolare fino alla posizione astabile. Il punto di lavoro ottimo si trova poco prima della condizione di funzionamento auto-oscillante.
La tensione a dente di sega viene prelevata dal condensatore che si trova nel circuito dell’emettitore. Il dente di sega viene portato all’amplificatore orizzontale (X), attraverso uno stadio a collettore comune, con collettore a massa. Un altro transistor amplificatore produce una tensione rettangolare ricavata dalla base dei tempi con una ampiezza di ben 70 volt, che serve per la regolazione della luminosità del tubo a raggi catodici. Anche qui si richiede un transistor che possa sopportare un valore di tensione considerevole.
Amplificatore orizzontale (X)
L’amplificatore orizzontale è formato da un solo stadio in controfase. Questo stadio è dimensionato più o meno come l’analogo stadio dell’amplificatore verticale. Si deve fare attenzione che le placchette di deflessione degli assi X ed Y abbiamo lo stesso valore di tensione, in modo da impedire, sullo schermo a raggi catodici, possibili distorsioni.
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Il tubo a raggi catodici e l’alimentazione
Per la produzione delle varie tensioni di alimentazione degli amplificatori e del tubo a raggi catodici vengono impiegati due alimentatori, per cui è possibile adoperare lo strumento sia con una batteria che con la tensione di rete (230 v). Ovviamente i trasformatori – i cui dati verranno forniti in seguito – sono abbastanza particolari, e probabilmente sarà necessario crearseli da se o farseli avvolgere da qualche professionista. La frequenza di detti trasformatori non è la stessa: quella per la conversione CC/CA deve avere circa 40 khz, l’altra, quella per la rete luce, deve avere 50 hz.
Nell’ impiego ad accumulatore, nel caso questo iniziasse a scaricarsi, non soltanto vengono a diminuire le tensioni di alimentazione degli amplificatori (e quindi anche l’amplificazione), ma diminuisce contemporaneamente anche l’alta tensione. Questo, che a prima vista potrebbe sembrare un difetto, in effetti non lo è, poiché la sensibilità di deflessione del tubo catodico aumenta, per cui la diminuzione di amplificazione viene alquanto compensata da questo fatto. Così, per una variazione di tensione del 10% sull’accumulatore, non si ha nessuna perdita di guadagno o difetto di funzionamento. L’accumulatore dovrebbe essere da 6 volt, ed in grado di erogare 2 Ah.
Tubo a raggi catodici
Il tubo a raggi catodici più adatto a questo schema sarebbe uno non più grande di 3”, che possieda inoltre controlli di luminosità, fuoco ed astigmatismo. Questi controlli sono incredibilmente utili per uno strumento come l’oscilloscopio, e ne aumentano l’usabilità. L’accumulatore, invece, dovrebbe essere da 6 volt, ed in grado di erogare 2 Ah.
Trasformatore
Per quanto concerne il trasformatore di alimentazione dirò che esso deve essere costituito dai seguenti avvolgimenti:
Primario:
2×75 spire 0,3 (W1)
2×40 spire 0,8 (W2)
Secondario:
36 spire 0,9 (W3)
120 spire 0,45 (W4)
685 spire 0,15 (W5)
Le tensioni al secondario dopo i duplicatori di tensione dovranno risultare con il carico accoppiato:
da W3 = +12 V e -12 V
da W4 = -70 V
da W5 = -500V
Per ottenere questi valori dovrete utilizzare un voltometro settato su 20 kohm per volt, misurando dalla massa.
Riguardo il trasformatore alimentato con la rete luce i valori sono i seguenti:
Primario:
Universale; potenza 40 Watt; frequenza 50 hz
Secondario:
6,3 V 1,2 A
35 V 300 mA
125 V 6 mA
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Funzione dei comandi
Per finire vi illustro le funzioni dei vari interruttori e potenziometri.
SW1: Tensione CC o CA in entrata al canale Y
SW2: Rotazione di fase positiva o negativa
SW3: Sincronizzazione trigger interna od esterna
SW4: Entrata orizzontale interna od esterna
S1: Partitore di tensione con i seguenti valori: 100 mV; 300 mV; 1 V; 3 V; 10 V; 30 V; 100 V
S2: Tempi per la base dei tempi per i seguenti valori: 0,01 ms; 0,03 ms; 0,1 ms; 0,3 ms; 1 ms; 3 ms; 10 ms
S3: Interruttore di alimentazione (rete/spento/accumulatore)
Potenziometri:
P5: Canale verticale, regolazione di posizione
P6: Scelta del livello trigger
P7: Regolazione della stabilità del trigger
P8: Regolazione unità dei tempi
P9: Regolazione di posizione del canale orizzontale
P10: Luminosità
P11: Fuoco
P12: astigmatismo
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Spero di avervi dato i giusti input per riuscire a comprendere al meglio i principi che stanno alla base di questo strumento di misura professionale, nonché adattabile ad innumerevoli campi applicativi.
Tags: analogico, costruzione, oscilloscopio, schema, transistor
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