micro Oscilloscopio digitale DSO

IL PROGETTO

Lo strumento per eccellenza ambito dell'hobbista di elettronica, dopo il tester, risulta essere proprio l'oscilloscopio, perché è l'unico in grado di visualizzare un qualsiasi segnale elettrico. Non solo sembra dare corpo al movimento ordinato di elettroni altrimenti invisibili, ma è essenziale per la misura di qualsiasi evento di natura elettrica.

Quello che vi stiamo presentando è uno strumento che nella sua essenzialità e semplicità costruttiva non mancherà di darvi molte soddisfazioni. Non solo perché l'avrete costruito con le vostre mani e già questo è fonte di enorme soddisfazione, ma perché dispone di tutte quelle funzioni essenziali, anche se limitate in confronto ai prodotti commerciali, necessarie alla misura di qualsiasi forma d’onda abbiate la necessità di testare.

Sia lo schema elettrico, ridotto l'essenziale, che è il costo dei materiali che compongono lo strumento, sono davvero ridotti all'osso.

Non pensate per questo di trovarvi tra le mani un oggetto affascinante ma poco appetibile dal punto di vista pratico, prima di commentare vi invitiamo a dare un'occhiata alle caratteristiche riportate nella tabella 1 esposta in queste pagine.

Il campo visualizzabile è limitato alla bassa frequenza, ciò nonostante trova un'infinità di applicazioni pratiche. Pensate per esempio alla verifica del segnale in uscita al piedino del microcontrollore del lavoro che state progettando, senza oscilloscopio è impossibile controllare se il periodo e il data cycle corrispondano alle vostre aspettative. Per gli appassionati di bassa frequenza, credo non ci sia niente di meglio per controllare la corretta amplificazione del modulo in esame o seguire il segnale per capire dove si interrompe nel caso di riparazione di amplificatori e preamplificatori.

Per il campionamento è stato utilizzato il convertitore analogico/digitale interno ad un modello di PIC progettato appositamente per il controllo dei motori, il convertitore interno risulta essere il più veloce tra i micro di questa fascia di prodotti. La frequenza di campionamento massima, secondo il datasheet che accompagna il micro, raggiunge i 200 KSps, rinunciando ad un minimo di precisione e studiando un adeguato software siamo riusciti ad arrivare a 300 KSps. Tra l'altro utilizziamo il convertitore con la definizione limitata a 8 bit, già questo riduce la precisione di quattro volte rispetto al formato completo di 10 bit. In pratica la differenza non è facilmente notabile sulla forma d'onda visualizzata ma ci permette di estendere al di sopra dei 20 KHz il segnale analizzabile ottenendo una discreta definizione.

Ciò ovviamente pone dei limiti riguardo alla massima frequenza campionabile, ma rende il circuito estremamente semplice dal punto di vista costruttivo ed economico.

Altro fattore importante è la presenza di soli quattro pulsanti con i quali è possibile gestire tutte le funzioni dell’oscilloscopio.

Le limitate dimensioni e il consumo estremamente basso, non solo sono l'ideale per un utilizzo come strumento portatile ma anche come strumento da pannello per dispositivi importanti come generatori di segnale o analizzatori di impianti per bassa frequenza.

Del caso non siate interessati al progetto, perché fortunati possessori di un apparecchio commerciale, vi proponiamo comunque di leggere queste pagine perché potreste trovare degli spunti interessanti per i vostri lavori futuri. Ci riferiamo al PGA (Programmable Gain Amplifiers) utilizzato come stadio di ingresso di cui parleremo ampiamente nel corso dell’articolo, un amplificatore operazionale programmabile in seriale in grado di risolvere diversi problemi pratici. Anche il display, modello ovviamente grafico e particolarmente economico, potrebbe trovar posto nelle vostre applicazioni future. Vi forniamo per la gestione di questo componente una completa libreria in C usando come supporto l'ambiente di sviluppo di Mikroelektronika.

Tutto il programma è stato sviluppato in ANSI C di MikroC, tranne la parte riguardante la lettura del ADC e relativa memorizzazione in RAM, che, dovendo essere la più veloce possibile, è stata sviluppata in assembler.

L'intero progetto è composto da soli tre elementi attivi e dall'immancabile stadio di alimentazione che in questo caso deve essere estremamente preciso perché oltre ad alimentare il tutto fornisce i riferimenti di tensione necessari al convertitore analogico/digitale.

Possiamo dividere lo schema in quattro parti ideali, lo stadio d’ingresso, la logica di controllo, il display con i pulsanti e l'alimentazione.

Lo stato di ingresso è composto da un divisore resistivo il cui rapporto è di 1/31 con il selettore SW2 chiuso e di 1/62 con SW2 aperto. In pratica il segnale presente alla presa di ingresso J1 viene ridotto in ampiezza di 31 volte o 62 volte a seconda della posizione di SW2 prima di essere applicato all'ingresso di U2. La scelta delle resistenze di tipo commerciale è stata quasi obbligatoria. L'acquisto di tali componenti con la precisione e la stabilità in temperatura che meriterebbero per la loro funzione, risultava costosa quanto il display e il micro assieme. Considerando le caratteristiche certamente non professionali dello strumento abbiamo preferito limitare i costi, certi che un peggioramento della precisione di circa 1% risulta comunque accettabile. Per questo motivo in alcuni casi trovate due resistenze in serie allo scopo di raggiungere, o perlomeno di avvicinarci, al valore teorico.

È importante far notare che il valore visualizzato sul GLCD riguardo all'ampiezza dei marker orizzontali è riferito a rapporto 1/31. Nel caso di misure in cui sia necessario selezionare il rapporto 1/62 (SW2 aperto), la quota indicata sul display va raddoppiata.

Il segnale applicato alla presa di ingresso J1 prima di arrivare al partitore resistivo passa attraverso il condensatore C1 con la funzione di bloccare la componente continua. Il selettore manuale SW1 by-passa il C1 permettendo la misura in corrente continua.

Allo scopo di semplificare al massimo il circuito e considerando la necessità di misurare un segnale bipolare, ovvero un segnale composto da una parte positiva e una negativa rispetto allo 0, sarebbe stato logico alimentare la parte analogica con una fonte duale rispetto alla massa. Volendo mantenere la possibilità di alimentare lo strumento direttamente da batteria e evitando complicati circuiti di tipo switching al fine di generare la necessaria tensione negativa, abbiamo adottato un sistema alquanto semplice ma efficace composto dalle resistenze R3 e R5, dal trimmer R4 e da C3, formando ciò che è molto utilizzato nei circuiti dove sono presenti amplificatori operazionali alimentati da tensione singola, una massa virtuale. Notate infatti dallo schema elettrico che il punto comune di J1 non fa capo alla massa generale del circuito come è logico supporre, ma è collegato al cursore centrale di R4, che andrà tarato esattamente a 1,65V e rappresenta l’ascissa sul grafico visualizzato dal display.

Una volta ridotto in ampiezza, il segnale da analizzare viene applicato all'ingresso non invertente di U2, un particolare amplificatore operazionale di casa Microchip, il MC6S91. La particolarità di quest'integrato risiede nel fatto che è possibile variare il guadagno attraverso particolari comandi inviati seriamente dal micro. È un componente talmente versatile che abbiamo preferito sintetizzarne le caratteristiche in un apposito riquadro. È importante notare che il piedino 3 di U2 che fa capo alla resistenza interna Rg è collegato alla massa virtuale.

I pins 5, 6,e 7 fanno capo al modulo seriale e sono collegati al PIC da cui ricevono i necessari segnale di temporizzazione e dati, mentre l'uscita è collegata all'ingresso analogico AN0 del micro U1 e all’ingresso non invertente di U3, un semplice amplificatore operazionale con la funzione di trigger.

La funzione di quest'ultimo è quella di comparare una tensione di riferimento fornita dal microcontrollore e applicata all'ingresso invertente, con quella applicata all'ingresso non invertente, ovvero quella da testare e fornire al PIC tale informazione. Sarà poi il software a gestire questa informazione, dando il via al campionamento se il segnale in ingresso è maggiore o minore a quello di riferimento.

Il riferimento viene costruito generando un segnale in PWM filtrato poi da R9, R10, C6 e C7, ottenendo quindi una tensione continua proporzionale al Dutty Cycle.

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