L'oscilloscopio  

  Gli oscilloscopi, siano essi Analogici o Digitali, sono composti da 4 sezioni fondamentali:

1.      Sezione verticale

2.      Sezione di trigger

3.      Sezione orizzontale

4.      Tubo a raggi catodici

  Caratteristiche principali dell'oscilloscopio HAMEG 1004-3 

Il trimmer TR (Trace Rotation), ha la funzione di sempre, ovvero, poter ruotare la linea orizzontale per compensare eventuali effetti del campo magnetico terrestre. (Una volta posizionato lo strumento nel laboratorio, se non lo si sposta più, non saranno richieste future regolazioni)

Vi è inoltre, il Test Point Calibrator che fornisce un'onda quadra alla frequenza di 1 Khz  ampiezza 0,5 V

La parte più importante dell'oscilloscopio è rappresentata dal tubo a raggi catodici o C.R.T. (Cathode Ray Tube).

Il tubo a raggi catodici

In alto Joseph John Thomson nel suo laboratorio

Nel 1909 vennero assegnati due premi Nobel per la fisica: il primo a Guglielmo Marconi per le sue ricerche sulle onde radio, e il secondo a Karl Ferdinand Braun, un fisico tedesco che lavorava sui raggi catodici.

La tecnologia del tubo a raggi catodici risale dunque ai primi anni del 1900, ma è ancora molto utilizzata, specialmente dopo lo sviluppo della televisione negli anni '50 e '60. Confrontata con altri tipi di tecnologia di monitor è economica, affidabile e versatile.

L'immagine viene prodotta sulla superficie interna del tubo da uno o più fasci elettronici che colpiscono il rivestimento, costituita da una superficie fosforescente. La scansione avviene velocemente, abbastanza velocemente da dare l'impressione che si tratti di una immagine fissa.

(La scoperta dell'elettrone)

Usando un tubo a raggi catodici [nel disegno], Thomson ha notato che il fascio veniva deviato dal campo elettrico creato dalle due placche sottoposte a una differenza di potenziale. Doveva pertanto essere formato da particelle cariche negativamente. Non potendo misurare direttamente la massa di queste particelle, lo scienziato ha invece misurato di quanto i raggi catodici venivano deviati e di quanta energia erano dotati, ed è risalito al rapporto tra massa della particella e carica. Di conseguenza, se la particella avesse avuto la massa di un atomo, avrebbe dovuto avere una carica 1000 volte superiore al normale. Oppure, a parità di carica con un atomo di idrogeno, la particella avrebbe dovuto avere una massa 1000 volte inferiore. E questa è stata l'ipotesi scelta da Thomson.

(Il genio Thomson)

Joseph John Thomson è nato il 18 dicembre 1856 presso Manchester. Particolarmente brillante in matematica, vinse una borsa di studio al Trinity College di Cambridge, città dove è poi rimasto sino alla fine dei suoi giorni. A 28 anni era già professore al prestigioso Cavendish Laboratory e incominciò ad occuparsi di fisica sperimentale. All'inizio era particolarmente maldestro nel maneggiare gli strumenti scientifici, ma era bravissimo nell' inventare nuovi metodi di sperimentazione. Come appunto, quello che ha permesso di determinare la massa di una particella talmente piccola da rendere impossibile analizzarla in qualsiasi altro modo. Thomson sposò una delle ricercatrici del Cavendish, Rose Paget, che si innamorò di lui mentre assisteva ad una sua conferenza.

(Come è andata a finire)

La massa dell'elettrone sarà poi misurata con maggiore precisione, ottenendo il valore definitivo di 1/1836 di quella del protone. Thomson formulerà anche un modello della struttura dell'atomo, a "panettone", formato da una nube di particelle cariche positivamente nella quale gli elettroni sono inseriti come l'uvetta. Questa visione si rivelerà però sbagliata e sarà modificata da un allievo di Thomson, Ernest Rutherford, il quale proporrà un modello simile a un mini-sistema solare, con al centro le particelle cariche positivamente, circondate dagli elettroni. La scoperta dell'elettrone varrà a Thomson il Nobel nel 1906.

Ogni pixel di un monitor CRT è in realtà costituito da tre minuscoli punti di materiale fosforescente che non è possibile vedere individualmente ad occhio nudo. Si tratta dei tre fosfòri (niente a che fare con l'elemento chimico fosforo), uno rosso (red, R), uno verde (green, G) e uno blu (blue, B).

I tre cannoni elettronici (rispettivamente per il rosso, verde e blu) emettono tre fasci di elettroni che spazzano progressivamente l'intero raster. Quando i tre fasci colpiscono un pixel, un particolare meccanismo magnetico-meccanico con l'uso di una maschera forata (shadow mask) fa in modo che il primo fascio colpisca il fosforo R, il secondo colpisca il fosforo G e il terzo quello B.

I fosfori sono sistemati in terne circolari (Precision InLine) o in striscie verticali (Trinitron).

I tre fosfori del pixel vengono eccitati dai tre fasci di elettroni che li rendono fosforescenti (l'aggettivo "fosforescente" significa letteralmente, "produttore di luce"). I fosfori sono molto vicini per cui è impossibile distinguerli a occhio nudo, e la mescolanza dei loro colori avviene, in effetti, nell'occhio dell'osservatore (tecnicamente si tratta del processo di sintesi additiva spaziale).

Ogni pixel del monitor può dunque assumere un colore determinato da una certa luminosità  dei fosfori rosso, verde e blu. Variando l'intensità  con la quale i tre fasci elettronici colpiscono i tre fosfori, varia il colore percepito.

Il  tubo a raggi catodici è in grado quindi di trasformare un segnale elettrico in un'immagine. (E' utilizzato anche nei Radar, nei Televisori, e nei Computer.)

Nel caso dell'oscilloscopio, la deflessione del fascio elettronico è di tipo elettrostatico.

Si ricorda inoltre:

  ·        Un segnale per essere rappresentato sullo schermo deve avere un'ampiezza dell'ordine delle decine di Volt.

·        L'applicazione del segnale a dente di sega alle placchette orizzontali avviene con un certo ritardo rispetto al segnale verticale. (A causa del circuito di trigger posto nella sezione verticale).

·        Nella sez. verticale, il comando Volts/Div permette di graduare la sensibilità del canale.

·        Sulla stessa manopola del commutatore Volts/Div c'è un'altra manopolina CAL (Calibration), con la quale è possibile aumentare fino ad un massimo di 2,5 volte il valore indicato Volts/Div. Normalmente tale comando deve rimanere bloccato.

·        Se si ha a che fare invece con segnali molto piccoli e si ha difficoltà a visualizzarli, è possibile sempre con la stessa manopolina CAL, (tirandola) diminuire sino ad un fattore 10 (ingrandimento) il valore di ciascuna divisione.

·        La sezione di comandi MODE contiene un commutatore a 3 vie (CH1, BOTH, CH2), un commutatore a 2 vie (Norm, Invert) ed un altro commutatore a 3 vie (ADD, ALT, CHOP).

  La sezione Orizzontale

Nella sezione Orizzontale vi sono 3 principali comandi:

1.      SEC/DIV: (Es: In corrispondenza di 1 ms, ciascuna divisione vale 1 millisecondo. Tutta la larghezza dello schermo vale quindi 10 ms e se si applica un segnale avente il periodo di 2 ms, sullo schermo ci saranno 5 periodi consecutivi del segnale in esame.) Anche su tale manopola vi è un'altra manopolina (CAL) con la quale si può ridurre sino a 2,5 volte del valore per divisione . (In corrispondenza di 0,5 ms, ciascuna divisione corrisponde a 0,5 x 2,5 = 1,25 sec.)

2.      Mode: Commutatore a 3 posizioni che consente di scegliere di visualizzare la forma d'onda in "modo" normale (X1), in "modo" alternativo (ALT) ovvero alterna la figura normale a quella ingrandita, in "modo" (MAG)  compare solo la forma ingrandita.

3.      MAG: Il commutatore MAG x 5, x 10, x 50 permette di scegliere la frequenza di scansione, ovvero, se il commutatore SEC/DIV è posto su 0,05 microsecondi ed commutatore MAG è posto sulla posizione x 10, ciascuna divisione vale 5 nano secondi.