Tubo a raggi catodici

Appendice n. 1: OSCILLOSCOPIO
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Appendice 1: OSCILLOSCOPIO
L’oscilloscopio è uno strumento che visualizza su uno schermo l’andamento di una
tensione in funzione del tempo. Con questo strumento si possono eseguire misure di
tempo e di ampiezza della forma d’onda presentata all’ingresso.
L’oscilloscopio è composto essenzialmente da tre parti come illustrato in fig. 1.
Ampiezza y
Tubo a raggi
catodici
asse tempi t
canale Y
segnale
ingresso
canale X
base tempi
Fig.1 Componenti di un Oscilloscopio
Tubo a raggi catodici
Riferendosi alla figura 2 il tubo a raggi catodici, è composto da un involucro di vetro in
cui è stato fatto il vuoto.
asse Y
P
Vd
(a)
(b)
(c)
M
D
d
l
Va
asse Z
L
Fig. 2 Principio di funzionamento di tubo a raggi catodici
Partendo da sinistra si trova un filamento (a) che riscaldato per effetto termoionico
emette elettroni i quali sono accelerati, da un elettrodo (b). In linea di principio esso è
costituito da una placchetta metallica con un foro ed è tenuto ad un potenziale Va di
1000 –2000 V rispetto al filamento. In pratica questo sistema e costituito da un insieme
di elettrodi e griglie in modo da formare un fascio di elettroni ben collimato (cannone
elettronico).
Gli elettroni che fuoriescono da l foro possiedono una velocità v0Z:
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mv 02Z
2
2eVa
v 0Z 
m
Il sistemi filamento – anodo costituisce un doppio strato quindi il campo elettrico
esterno è nullo e gli elettroni uscenti dal foro con velocità v 0 Z procedono con velocità
uniforme.
Lungo la traiettoria è inserita una coppia di placchette deflettrici (c) tenute fra di loro ad
una tensione Vd. Prendendo come riferimenti cartesiani l’inizio della placchette si può
scrivere la forza lungo l’asse Y che agisce su un elettrone:
V
F y  eEd  e d  ma y
d
integrando due volte e considerando che costanti di integrazione sono uguali a zero per
la scelta degli assi si ottiene il sistema:
1 eVd 2
y
t
2 dm
z
t
z  v 0Z t
v 0Z
da cui
1 eVd z 2
.
y=
2 dm v 0 Z 2
Le traiettoria dentro alle placchette è una parabola.
Dopo l’uscita della placchette l’elettrone procede di nuovo di velocità uniforme.
Per conoscere questa traiettoria è utile calcolare la tangente alla curva calcolata nel
punto z = l dove l è la lunghezza delle placchette deflettori:
eVd l
dy
m = tg  

2
dz Zl dmv oz
La retta tangente alla curva nel punto Z = l è la nuova traiettoria.
L’equazione di una retta passante per un punto (zl ,yl) ed avente coefficiente angolare è:
y - y l = m(z - zl)
Sostituendo i valori si ottiene:
eVd l 2
eVd l
z  l 
(1)
y

2
2dmv 0 Z dmv 02Z
per y = 0 la retta interseca l’asse z in z = l/2 cioè nel centro delle placchette.
Indicando con L la distanza centro placchetta – schermo, si può, dalla (1) calcolare lo
spostamento D sullo schermo che il fascio di elettroni subisce, se alle placchette è
applicata una tensione Vd:
elL
D
Vd
dmv 0 Z
Essendo la frazione composta da parametri geometrici che per costruzione sono costanti
e da costanti fondamentali si può dedurre che lo spostamento lungo l’asse y è
proporzionale alla tensione applicata alle placchette deflettrici:
D  Vd
Un tubo a “raggi catodici” di un oscilloscopio tradizionale è composto da:
- un cannone elettronico che emette un fascio di elettroni ben collimato
- 2 coppie di placchette deflettrici disposte a 90° fra di loro
eVa 
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- da uno schermo su cui nelle parte interna è depositato del materiale fosforescente che
si illumina se colpito da un fascio di elettroni.
Guardando dalla parte dello schermo come in fig. 3 si può vedere nel centro un punto
che rappresenta il fascio di elettroni non deflesso, le due coppie di placchette disposte a
90° quasi a fare un quadrato.
Placchette deflettrici verticali
y
Cannone elettroni
x
schermo
placchette deflettrici orizzontali
Fig. 3 Disposizione delle placchette deflettrici
Sono chiamate placchette deflettrici verticali quelle che deflettono il fascio lungo l’asse
y e rappresentano una tensione. Le placchette che deflettono il fascio lungo l’asse delle
x rappresentano un tempo.
Base dei tempi
Per chiarire come uno spostamento orizzontale x possa rappresentare fisicamente un
asse dei tempi si può applicare alle placchette relative una tensione Vdx funzione del
tempo(tensione a rampa):
Vdx = Kt
allora lo spostamento lungo l’asse x è proporzionale a t
Dx  Vdx  t
Cioè guardando lo schermo il punto luminoso si muove, lungo l’asse delle x con
velocità uniforme e cambiando K si può si può aumentare o diminuire la sua velocità di
spostamento. Se contemporaneamente viene applicata alle placchette deflettrici verticali
un segnale di tipo sinusoidale Vdy il punto luminoso disegna sullo schermo una
sinusoide.
Fino ad ora si è ottenuta sullo schermo una sola immagine o quadro che scompare
subito dopo il passaggio del “pennello” di elettroni. Se si dispone di un segnale
ripetitivo nel tempo, come una sinusoide od onda triangolare o quadrata, è utile per
eseguire le misure avere una ripetizione di quadri in modo che l’immagine sia vista fissa
sullo schermo (se la successione di quadri avviene con una ripetizione superiore a 10
volte al secondo l’occhio vede l’immagine fissa). Risulta allora necessario applicare alle
placchette deflettrici orizzontali una successione di rampe cioè generare una tensione a
“dente di sega” la cui frequenza di ripetizione sia uguale a quella del segnale. In fig. 4 è
presentato un esempio in cui la durata di una rampa è leggermente più alta della
frequenza del segnale da visualizzare. La successione dei quadri non porta la stessa
immagine e l’occhio vedrà l’immagine scivolare verso sinistra.
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V
segnale
t
rampa
1° quadro
2° quadro
3° quadro
5° quadro
6° quadro
t
Fig. 4 L’onda a dente di sega non ha la stessa frequenza del segnale: le
singole immagini non si sovrappongono sullo schermo
Sarebbe complicato riuscire a generare una tensione a dente di sega con la frequenza
perfettamente uguale al segnale da visualizzare. Si usa un sistema di sincronizzazione
presentato in fig. 5. Un sistema elettronico fa partire una rampa solo quando il segnale
supera un certo valore di soglia, regolabile attraverso ad una manopola chiamata trigger.
Un’altra manopola contrassegnata con + e - controlla la derivata del segnale.
Una rampa parte solo se il segnale supera la tensione di trigger e se il segno della
derivata del segnale è quello impostato.
V
segnale
soglia del trigger
t
rampa
1° quadro
attesa
2° quadro
t
Fig. 5 La rampa parte solo se il segnale supera la soglia di trigger
Asse Y
Il segnale accettato dall’oscilloscopio può andare da pochi mV ad alcune decine di Volt.
Impostando la manopola “sensibilità” fig. 6 nella sezione chiamata asse Y si adatta il
segnale in modo da avere alle placchette deflettrici verticali una tensione sufficiente da
dare uno spostamento apprezzabile, ma non farla uscire fuori dallo schermo.
L’ingresso è dotato di un commutatore AC – DC. Impostandolo su AC le tensioni
continue presenti nel segnale non vengono lasciate entrare nell’oscilloscopio (si usa un
filtro RC passa alto), questo per avere la possibilità di presentare sullo schermo anche
tensioni alternate molto piccole rispetto alla tensione continua presente nel segnale. La
stessa tensione inviata alle placchette deflettrici verticali (canale Y) viene mandata al
sistema di trigger, che se supera il livello di soglia impostato, invia un segnale alla base
dei tempi che fa partire la rampa.
Appendice n. 1: OSCILLOSCOPIO
alle placchette deflettrici
verticali
orizzontali
AC
DC
ingresso segnale
Asse Y
sensibilità
trigger base rampa
tempi
livello trigger
velocità di spostamento
Fig. 6 Il segnale di ingresso opportunamente amplificato viene mandato
contemporaneamente alle placchette verticali ed al trigger che
provvede a far partire la rampa
-
Oscilloscopio a due canali
Con i progressi dell’elettronica, gli oscilloscopi possiedono almeno due canali di
ingresso, e sullo schermo si possono analizzare contemporaneamente due segnali. Sono
possibili due soluzioni:
Oscilloscopio dotato di un tubo a raggi catodici formato da 2 cannoni elettronici, due
coppie di placchette deflettrici verticali ed una sola coppia di orizzontali.
Oscilloscopio dotato di un tubo a raggi catodici normale, come descritto nei paragrafi
precedenti, ma dotato di un commutatore elettronico che applica alle placchette
deflettrici verticali prima un segnale e poi l’altro.
Il primo tipo di oscilloscopio è ormai raramente usato e nei laboratori III e IV gli
oscilloscopi sono stati tutti sostituiti da quelli della seconda categoria ed anche con
alcuni oscilloscopi digitali in grado di eseguire anche la Fast Fourier Tranformer.
Oscilloscopio a commutatore elettronico
L’oscilloscopio a commutatore elettronico applica alternativamente alle placchette
deflettrici verticali il segnale del canale 1 e del canale 2. La commutazione può avvenire
molto velocemente anche alla frequenza di 10 MHz o più. Con questa velocità di
commutazione fra i canali, i due segnali visualizzati sullo schermo compaiono
all’osservatore come contemporanei. Questo funzionamento si dice ”Chopped”.
Un’altra possibilità offerta è “Alternate” cioè un quadro è del canale 1 ed il quadro
successivo del canale 2.
Un commutatore meccanico, posto in genere fra i due canali (per facilitare l’uso
dell’oscilloscopio, sono disegnate sul pannello frontale delle cornici che raggruppano i
comandi dei singoli canali o della base dei tempi) offre le seguente scelta :
canale 1
canale 2 chopped alternate add (fa la somma dei due canali)
Il trigger, cioè quel segnale che fa partire la rampa, può essere prelevato dal canale 1
oppure dal canale 2, anche se si è scelto di visualizzare solo l’altro canale. E’ possibile
anche inviare dall’esterno (external) il segnale di trigger oppure scegliere “line” in
quest’ultimo caso la ripetizione della rampa è la frequenza di distribuzione della rete
elettrica, che in Europa è 50 Hz. Se non si riesce a vedere nessuna traccia sullo schermo
si può usare la funzione “AUTO”. In questo caso la rampa viene sempre generata, ed
anche senza segnale, si deve vedere sempre una traccia orizzontale sullo schermo. Con
questa impostazione però non sempre avviene la perfetta sincronizzazione con il segnale
che si vuole visualizzare.
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Appendice n. 1: OSCILLOSCOPIO
Per sfruttare tutto lo schermo, si somma sia ai canali verticali che alla rampa una
tensione continua regolabile con manopole in modo da spostare la traccia sia
verticalmente che orizzontalmente.
Se si è spostata la traccia verticalmente è possibile che sia andata fuori schermo e non si
riesca a vedere, in questo caso è utile la funzione trigger “AUTO”.
Il sistema elettronico che forma la base dei tempi è anch’esso dotato di manopola che
serve ad aumentare o diminuire la pendenza della rampa cioè il tempo impiegato ad
eseguire una rampa (time), per adattarla alla frequenza di ripetizione del segnale e far sì
che nello schermo siano disegnati uno o pochi cicli del segnale.
Altri comandi sono presenti sul pannello, per esempio in uno dei due canali esiste
“invert” che inverte il segnale di 180° in ampiezza (cioè da positivo diventa negativo) e
se usato con la funzione Add può presentare sullo schermo la sottrazione dei due
segnali applicati; la funzione X-Y collega il canale 2 alle placchette deflettrici
orizzontali rendendo possibile comporre due funzioni, che se sono sinusoidi generano
delle ellissi con gli assi dipendenti dalla fase fra di esse.
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