Si tratta di uno strumento che permette la visualizzazione attraverso
un'immagine bidimensionale di un segnale elettrico variabile nel
tempo. Nel caso di segnali periodici è quindi possibile
visualizzare la forma dell'onda, rilevando così l'ampiezza,
la frequenza ed il periodo del segnale stesso, oppure, se l'oscilloscopio
è a doppia traccia, confrontare due segnali evidenziandone
le relazioni di fase.
Con riferimento all'oscilloscopio a semplice traccia, il principio
di funzionamento consiste nel disporre di un fascio di elettroni
(raggi catodici) al quale vengono impresse due deviazioni trasversali
rispetto al fascio ed ortogonali tra di loro : la prima deviazione
verticale viene provocata direttamente dal segnale elettrico da
registrare di cui ricopia fedelmente le variazioni, la seconda
deviazione orizzontale è provocata da un segnale elettrico
periodico ausiliario che serve a fornire la misura dei tempi.
L'oscilloscopio è formato da un'ampolla di vetro, ad alto vuoto, avente la forma di un cono a base sferica, munito di un collo cilindrico entro il quale sono sistemati gli organi essenziali dello strumento:
Il filamento riscaldante Fil, percorso da corrente continua, riscalda per irraggiamento il catodo Ca realizzato in nichel e ricoperto di ossidi di bario o stronzio. A causa del riscaldamento subito, gli elettroni contenuti negli ossidi si liberano ed abbandonano disordinatamente il catodo.
La griglia di controllo (chiamata anche griglia di Wehnelt) Gr1 a forma cilindrica con un foro centrale lascia passare un certo numero di elettroni. Siccome tale griglia è tenuta ad un potenziale negativo rispetto al catodo, aumentando la d.d.p. tra griglia e catodo aumenta il numero di elettroni respinti verso il catodo e diminuisce il numero di elettroni che passano attraverso il foro. Il potenziometro RIL (chiamato Intensity)permette quindi di regolare l'intensità del fascio catodico (chiamato anche pennello elettronico) e di conseguenza l'intensità luminosa della traccia sullo schermo S.
La griglia preacceleratrice Gr2 essendo a potenziale positivo rispetto al catodo accelera il fascio catodico.
L'anodo focalizzatore An1 agisce unitamente all'anodo acceleratore An2 sul pennello elettronico così come una lente convergente agisce su di un fascio luminoso, l'entità della focalizzazione si regola col potenziometro RF (chiamato Focus).
Proseguendo nel loro cammino, gli elettroni che costituiscono il fascio catodico passano attraverso le placche di deflessione verticale Y1-Y2 e le placche di deflessione orizzontale X1-X2. Alle placche di deflessione verticale è applicato il segnale (tensione) da visualizzare, alle placche di deflessione orizzontale è applicata una tensione periodica a dente di sega di opportuno periodo. La tensione applicata a ciascuna coppia di placche determina un campo elettrico che agisce sul fascio catodico deviandolo : le placche Y1-Y2 determinano una deviazione verticale, le placche X1-X2 determinano una deviazione orizzontale. La deviazione orizzontale essendo causata dal segnale a dente di sega sarà proporzionale al tempo, mentre la deviazione verticale sarà proporzionale al valore istantaneo del segnale da visualizzare.
Il fascio catodico, deviato dal sistema di placche, viene ulteriormente accelerato dalle fasce intensificatrici FI1, FI2, FI3 a potenziale via crescente.
A questo punto, essendo l'energia cinetica posseduta dagli elettroni sufficiente, il fascio catodico colpirà lo schermo fluorescente (ovvero trattato con sostanze a base di fosforo) e determinerà un'emissione luminosa più o meno persistente nei punti colpiti. Se la persistenza è uguale al periodo del segnale a dente di sega, sullo schermo rimarrà visualizzata la forma d'onda del segnale in prova. Risulta evidente che se il periodo del segnale a dente di sega è uguale al periodo del segnale in prova si visualizzerà un'intera onda di quest'ultimo, se il periodo del segnale a dente di sega è doppio del periodo del segnale in prova si visualizzeranno due onde di quest'ultimo, eccetera.
Al completamento del periodo del segnale a dente di sega, il fascio catodico verrà riportato nella posizione di partenza all'estrema sinistra ed affinché non compaia sullo schermo la traccia di ritorno saranno attivati opportuni circuiti che permettono la cancellazione (blanking) della traccia.
Si osserva come per il funzionamento del tubo siano necessarie
due alte tensioni, l'alta tensione di polarizzazione della griglia
di controllo VATP (negativa) e l'alta tensione
di postaccelerazione VATA (positiva).
Per adattare l'impiego dell'oscilloscopio alle esigenze delle
specifiche misure, lo strumento viene dotato di un ricco pannello
di controllo. Con riferimento ad un oscilloscopio a doppia
traccia, si incontra:
1) area dei controlli generali :
POWER, interruttore di accensione ON e spegnimento OFF.
INTENSITY, regolazione dell'intensità luminosa della traccia.
FOCUS, regolazione della messa a fuoco del fascio catodico.
CAL., uscita del calibratore (si tratta di un segnale ad onda quadra di ampiezza 1 [V] e frequenza 1 [kHz]).
GND, è il morsetto di massa (ground).
BEAM FINDER, comando a pulsante premendo il quale viene
elevata al massimo la luminosità e contemporaneamente la
traccia viene riportata entro lo schermo.
2) area di selezione del modo di funzionamento MODE :
CH1, funziona il solo canale 1.
CH2, funziona il solo canale 2.
ALT, funzionamento in doppia traccia in modalità ALTERNATE, da usarsi per segnali di frequenza superiore a 30 [kHz].
CHOP, funzionamento in doppia traccia in modalità
CHOPPED, da usarsi per segnali di frequenza inferiore a
500 [Hz].
3) area dei controlli relativi al canale 1, denominata CH1 or Y :
INPUT, connettore ingresso segnale (del tipo BNC).
AC-GND-DC, commutatore che in posizione AC permette di eliminare l'eventuale componente continua in ingresso, in posizione GND elimina totalmente il segnale dall'ingresso, in posizione DC visualizza l'intero segnale in ingresso.
VOLTS / DIV, attenuatore del canale verticale.
POSITION, controllo della posizione verticale.
4) area dei controlli relativi al canale 2, denominata CH2 or X :
analoga a CH1 or Y.
5) area di controllo della base dei tempi :
SWEEP TIME/DIV, controlla la velocità di scansione orizzontale e quindi permette di variare la scala dell'asse orizzontale. Dispone di una posizione X-Y che esclude il generatore interno di rampa e permette il funzionamento XY nel quale il canale CH1 controlla la deflessione verticale, mentre il canale CH2 controlla la deflessione orizzontale.
POSITION, controllo della posizione orizzontale.
6) area di controllo del trigger, denominata TRIGGERING :
LEVEL, regola il livello del segnale d'ingresso in coincidenza del quale deve iniziare la rampa della base dei tempi (permette di migliorare la visualizzazione).
PULL AUTO, tirando la manopola del comando LEVEL si attiva il funzionamento automatico.
HOLD-OFF, consente di variare la durata dell'intervallo tra una rampa e la successiva, è utile per stabilizzare l'immagine di particolari segnali.
SLOPE, permette di selezionare il fronte positivo o negativo del segnale d'ingresso.
SOURCE, permette di selezionare da dove prelevare il segnale di trigger.
EXT, ingresso per il segnale di trigger esterno.
Il normale oscilloscopio è adatto alla visualizzazione
di segnali periodici, nel caso di segnali variabili ma non periodici
occorre ricorrere ad oscilloscopi a memoria.
Tra i dati più importanti relativi ad un oscilloscopio abbiamo l'impedenza d'ingresso, verso la quale sono sensibili i segnali prelevati da sorgenti ad elevata impedenza d'uscita, normalmente l'impedenza d'ingresso è equivalente al parallelo tra una resistenza di qualche [MW] ed una capacità di 10 ¸ 50 [pF].
Vi è poi la larghezza di banda BL [Hz] che indica la gamma di frequenze che lo strumento è in grado di visualizzare correttamente, per strumenti comuni è limitata a poche decine di [MHz], per strumenti di qualità si raggiungono le centinaia di [MHz].
Infine gioca un ruolo importante il tempo di salita TS
[s], ovvero il tempo necessario alla traccia per portarsi dal
10% al 90% del valore finale quando in ingresso
è applicato un gradino di tensione. Tale parametro condiziona
la visualizzazione dei segnali impulsivi ed è legato alla
larghezza di banda dalla relazione BL·TS
@ 0,35.
Per quanto riguarda il valore massimo della tensione applicabile
in ingresso, esso è indicato sullo strumento ed è
di solito 400 [V].
Per finire diciamo che il segnale deve essere portato in ingresso all'oscilloscopio tramite una opportuna sonda, accessorio che sempre accompagna lo strumento. La sonda permette di ridurre i disturbi in ingresso e di selezionare, se necessario, particolari valori di attenuazione.
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