Oscilloscopio digitale fai da te

Fino a pochi anni fa sarebbe stato impensabile realizzare un oscilloscopio digitale con pochi spiccioli. Grazie a nuovi e potenti microprocessori è ora possibile realizzare, con il fai da te, un oscilloscopio digitale. I parametri tecnici principali, per confrontare più oscilloscopi, sono:
- oscilloscopio hardware o software
- banda passante
- campo delle tensioni misurabili
- profondità di memoria
- risoluzione verticale
- tipologia di trigger
- frequenza di campionamento
Trovate una interessante trattazione di come scegliere un oscilloscopio digitale su www.strumentazioneelettronica.it.

Oscilloscopio digitale hardware

E' l'oscilloscopio standard che tutti i tecnici del secolo scorso hanno utilizzato. Si distinguono tra analogici con memoria digitale e digitali. Malgrado gli oscilloscopi analogici possano sembrare obsoleti, hanno una capacità di riprodurre segnali elettrici veloci alle volte migliori dei più accreditati oscilloscopi digitali. I vecchi oscilloscopi analogici visualizzano l'immagine del segnale elettrico con un tubo a raggi catodici, lungo e ingombrante. Gli oscilloscopi digitali sostituiscono il tubo catodico con display in bianco e nero o a colori, poco ingombrante e più leggero. Gli oscilloscopi hardware vengono alimentati con la corrente elettrica ed hanno il negativo collegato al filo di massa a terra dell'impianto elettrico.

Oscilloscopio digitale software

L'oscilloscopio software è formato da un apparato elettronico privo di display, che chiameremo scheda di front-end, la quale ha la funzione di adattare il segnale elettrico alle esigenze digitali del computer e trasformare il segnale analogico in codice digitale. La scheda di front-end comunica con il computer attraverso porta USB. Nel computer è installato un software che elabora i dati ricevuti e li visualizza sul monitor. Il grosso limite è che l'alimentazione viene fornita direttamente dalla porta USB del computer, e pertanto non si possono utilizzare per misure sulla rete elettrica. Per questo motivo sono più "delicati" di quelli hardware. Questo svantaggio diventa un vantaggio se necessitiamo di un oscilloscopio trasportabile, poco ingombrante e leggero.

Banda passante di un oscilloscopio

La banda passante di un oscilloscopio è il campo di frequenze, espressa in Hertz (Hz), nel quale il segnale elettrico in ingresso non viene attenuato nella sua intensità. Superata la banda passante il segnale elettrico viene attenuato nelle sue componenti in frequenza, diventando sempre più diverso da quello reale. Nella immagine a destra in basso vedete un segnale a onda quadra, in alto vedete l'effetto che ha la banda passante al superamento della frequenza massima consentita. La banda passante si comporta come un filtro passa-basso. Il segnale elettrico reale all'ingresso dell'oscilloscopio ha una forma d'onda quadra, ma l'effetto di filtraggio la fa assomigliare ad una onda sinusoidale.

Trigger, tensione d'ingresso, profondità di memoria e frequenza di campionamento di un oscilloscopio

La tensione di ingresso stabilisce che tensione minima e massima possono essere visualizzate sull'oscilloscopio. Si possono avere campi da alcuni millivolt (mV) fino a decine di Volt. Il trigger permette di visualizzare segnali elettrici non ripetitivi, per esempio un disturbo che si ripete in modo casuale, ed è fondamentale in talune misure. Può essere selezionato manualmente o in modalità automatica scelta dall'oscilloscopio stesso. La profondità di memoria è presente solo negli oscilloscopi digitali e permette di memorizzare una lunga sequenza del segnale elettrico che stiamo visualizzando. La memoria permette di registrare i dati o le forme d'onda e segnali elettrici acquisiti con il trigger in modalità manuale. La frequenza di campionamento MSps (MegaSample per second) stabilisce la velocità con cui l'oscilloscopio converte il segnale d'ingresso e deve essere sempre maggiore della larghezza di banda.

Oscilloscopio digitale fai da te USB+Computer

Questa tipologia di oscilloscopio si avvale, per la visualizzazione e memorizzazione dei dati, del computer. I dati vengono trasmessi dalla scheda di front end verso il PC attraverso la porta USB. Ci sono software che utilizzano direttamente la scheda audio del PC per visualizzare il segnale elettrico analogico al suo ingresso. Questi oscilloscopi, pur essendo gratis senza nessuna spesa aggiuntiva, hanno una larghezza di banda limitata alle frequenze audio (20kHz), decisamente limitati nelle prestazioni, ma comunque validi per semplici sperimentazioni.
Da menzionare, perchè creato dall'italiano Alfredo Accattatis, l'ottimo software Visual Analyzer che, oltre a fare da oscilloscopio, è un generatore di forme d'onda ed analizzatore di spettro FFT (Fast Fourier Transform).
Una utile guida al suo utilizzo (in italiano) la trovate cliccando su guida visual analyzer.

Un progetto che utilizza Arduino come scheda di front end è LXARDOSCOPE. Il sistema operativo di riferimento è LINUX. Il progetto è in lingua inglese ed è open source. Potete scaricare il software sul sito sourceforce.net.
Un breve riassunto delle prestazioni:
- scheda di acquisizione: ARDUINO UNO
- sistema operativo: LINUX
- canali di acquisizione: 2
- sistema di trasmissione dei dati: USB
- sistema di alimentazione: USB
- freq. di campionamento: 0,003 MSps

Un progetto con prestazioni interessanti, che utilizza Arduino come scheda di acquisizione del segnale, è apparso su instructables e l'ha sviluppato un ricercatore di fisica italiano. Al momento è stata progettata e verificata solo la scheda di frontend e le prestazioni arrivano a 154 kSps. Di questo oscilloscopio, chiamato dall'autore "Girino", la parte più interessante sono le spiegazioni teoriche e pratiche dettagliatissime (in inglese). E' un ottimo progetto che aumenterà le vostre conoscenze della scheda Arduino e del funzionamento di uno scilloscopio digitale.

Un altro oscilloscopio simile è il Miniscope che utilizza una scheda di frontend con un microprocessore STM32F103C8T6 della famiglia STmicroelectronics ARM Cortex a 32bit, con frequenza interna di funzionamento fino a 72MHz, e 2 canali di conversione analogico-digitale a 12bit con velocità di conversione di 1us. La scheda di front end è a singola faccia ed è disponibile anche il file originale in formato Eagle. Questa scheda utilizza i convertitori analogico-digitali del microprocessore e il circuito elettrico è molto semplice.
Un breve riassunto delle prestazioni:
- scheda di acquisizione: Miniscope
- sistema operativo: Windows
- canali di acquisizione: 2
- sistema di trasmissione dati: USB
- sistema di alimentazione: USB
- freq. di campionamento: 0,43 MPS

Un oscilloscopio hardware+software molto interessante, anche se a pagamento (a partire da 295 dollari australiani), è il BitScope. Nel sito internet del costruttore www.bitscope.com (in inglese) è spiegato tutto il funzionamento del circuito elettrico e del progetto, che utilizza un semplice PIC16f84. Troverete tutti gli schemi elettrici e la spiegazione del loro funzionamento.
Le caratteristiche tecniche principali del BS10:
- scheda di acquisizione: Bitscope BS10
- sistema operativo: Windows, Linux, Mac OS X
- canali di acquisizione: 2 analogici, 8 logici
- sistema di trasmissione dati: USB, Ethernet
- sistema di alimentazione: USB
- freq. di campionamento: 40 MSps
- banda passante: 100Mhz
- analizzatore di protocollo: SPI, CAN, I2C, UART
- generatore di forma d'onda analogico e digitale
- analizzatore di spettro RF

Il DPScope è un altro ocilloscopio digitale con scheda di frontend e visualizzazione del segnale elettrico tramite software installato su PC. Ha la particolarità di utilizzare un microcontrollore dsPIC30F2020 (Digital Signal Processor) della Microchip. Tutto il progetto viene spiegato in un articolo apparso su www.instructables.com (in lingua inglese) con dovizia di informazioni e fotografie. Il progetto non è completamente open source, ma viene venduto ad un prezzo di 65€.
Anche se ha delle caratteristiche tecniche adatte allo sperimentatore del fai da te, ha una banda passante di 1,3MHz. Il software e l'hardware si presentano in modo professionale e di semplice utilizzo. Unica nota stonata è la bassa profondità di memoria di soli 200 byte, che rendono questo oscilloscopio poco prestante nell'ambito dell'acquisizione di segnali elettrici non ripetitivi (single shot).
Le caratteristiche tecniche principali:
- scheda di acquisizione: DPScope
- sistema operativo: Windows XP, Vista, 7
- canali di acquisizione: 2 analogici
- sistema di trasmissione dati: USB
- sistema di alimentazione: USB
- freq. di campionamento: 1 MSps
- banda passante: 1,3Mhz
- analizzatore FFT, visualizzazione X-Y
- generatore di forma d'onda quadra 2kHz

Oscilloscopio digitale fai da te con display

L'oscilloscopio digitale che tutti conosciamo è completo di display. Questi oscilloscopi sono relativamente ingombranti e vengono alimentati dalla tensione di rete. Stiamo assistendo ad un continuo apparire di progetti open source gratuiti completi di display. Il primo che analizziamo è talmente piccolo (2,5 x 4cm) che può essere montato direttamente su piccole breadboard.
Per chi non vuole farselo da se robot-italy li vende ad un prezzo veramente onesto di soli 48€. La scheda in questione si chiama Xprotolab e, oltre a funzionare da oscilloscopio a 2 canali, può essere utilizzata come scheda per lo sviluppo di software per il microprocessore ATXMega.

Gli ideatori di questa scheda mettono a disposizione tutte le informazioni per potersela replicare da se, o per studiare tutto il firmware al suo interno. Viene venduta anche in kit di montaggio al costo di 35$, e il microprocessore è già programmato con l'ultima release software (Xprotolab kit).
Le prestazioni sono sufficienti per l'utilizzo hobbistico, anche spinto, in quanto l'oscilloscopio è dotato di generatore di funzioni e analizzatore logico.
Le caratteristiche tecniche principali:
- scheda di acquisizione: Xprotolab
- sistema operativo: nessuno
- canali di acquisizione: 2 analogici
- sistema di trasmissione dati: nessuno
- sistema di alimentazione: alimentatore esterno
- freq. di campionamento: 2 MSps
- banda passante: 200kHz
- analizzatore FFT, visualizzazione X-Y
- generatore di forma d'onda

DSO Nano è un oscilloscopio digitale open-source non proprio a portata del fai da te. La versione iniziale ha un solo ingresso analogico.
La versione DSO Nano V2 ha 2 ingressi analogici e altre migliorie. Il display, a colori, per la visualizzazione del segnale elettrico è ampio 2,8 pollici con una risoluzione di 320*240 pixel. Il contenitore è simile a quello dei lettori MP3. Il circuito di acquisizione del segnale, digitalizzazione da analogico, e visualizzazione ruota attorno alla MCU con tecnologia a 32 bit ARMCortex M3 della azienda ST. Questo oscilloscopio è dotato di un registratore di dati su MiniSD card. Ha una uscita di segnale ad onda quadra per la verifica del funzionamento degli ingressi analogici e della sonda.
Può essere acquistato su www.robot-italy.com al costo di 103€ (versione a 2 canali) oppure su sainsmart al costo di 66$ per la versione a 1 canale.
Le caratteristiche tecniche principali:
- scheda di acquisizione: DSO Nano
- sistema operativo: nessuno
- canali di acquisizione: 1 o 2 analogici
- sistema di trasmissione dati: USB
- sistema di alimentazione: a batteria interna
- freq. di campionamento: 2 MSps
- banda passante: 200kHz
- display a colori 320*240 pixel
- generatore d'onda quadra con frequenza variabile

eOscope è un oscilloscopio digitale open-source a portata del fai da te, ma per sperimentatori volenterosi. Leggendo le caratteristiche di questo oscilloscopio si può pensare di paragonarlo ad un prodotto professionale. Il circuito di amplificazione del segnale analogico è formato da due amplificatori operazionali OPA2652 con ampiezza di banda fino a 700MHz, ma l'impedenza di ingresso dell'oscilloscopio è di appena 10kOhm. Il circuito di ingresso viene limitato con un filtro passa basso a 20MHz. Dal circuito analogico il segnale passa al convertitore ADC (Convertitore Analogico-Digitale) che ha una velocità di conversione di 60 MSps. Dal circuito elettrico sembra che ci sia solo una scala di misura con sensibilità di 40mV/div e fondo scala di appena 1Vpp. I circuiti stampati sono a singola faccia (con 4 fili volanti da aggiungere), ma l'autore ha rilasciato il file del PCB in formato Eagle. Un altro limite è l'assorbimento di questo oscilloscopio che richiede una alimentazione di 8Vac e 1A di corrente. L'oscilloscopio utilizza un microprocessore ATMega162 della Atmel. E' sicuramente un progetto che può ispirare, ma avrebbe bisogno di ulteriori migliorie.
Le caratteristiche tecniche principali:
- scheda di acquisizione: eOscope
- sistema operativo: nessuno
- canali di acquisizione: 1 analogico
- sistema di trasmissione dati: nessuno
- sistema di alimentazione: alimentatore esterno
- freq. di campionamento: 40 MSps
- banda passante: 5 MHz
- display monocolore 240*128 pixel
- generatore d'onda quadra: non presente

AVR oscilloscope è un oscilloscopio digitale open-source a portata del fai da te. Il progetto è firmato dal greco Vassilis Serasidis. E' formato da 2 circuiti stampati PCB a singola faccia. Una alimentazione singola di 12Vdc è sufficiente ad alimentare questo oscilloscopio che è incentrato su un amplificatore operazionale LM358, usato per l'ingresso analogico che ha una impedenza di 1MOhm. Il microprocessore utilizzato è un ATMega32. La MCU ha in carico l'acquisizione e digitalizzazione del segnale elettrico e la gestione del display monocromatico da 128*64 pixel. Il software è sviluppato in C ed è stato utilizzato il compilatore open-source AVR-GNU e WinAVR. L'ingresso analogico accetta una tensione di soli 2,5 Volt picco-picco.
Le caratteristiche tecniche principali:
- scheda di acquisizione: AVR oscilloscope
- sistema operativo: nessuno
- canali di acquisizione: 1 analogici
- sistema di trasmissione dati: nessuno
- sistema di alimentazione: alimentatore esterno
- freq. di campionamento: 15 kSps
- banda passante: 7,7kHz
- display monocromatico 128*64 pixel
- generatore d'onda quadra non presente

DSO062 Jyetech oscilloscope è un oscilloscopio digitale open-source a portata del fai da te. Il progetto è firmato da una università cinese. E' formato da 1 circuiti stampato PCB a doppia faccia SMD e uno che funziona come serigrafia. Una alimentazione singola di 9Vdc è sufficiente ad alimentare questo oscilloscopio che è incentrato su un ingresso analogico che usa un Op-Amp TL062 (banda passante 1MHz con gain=1), usato per l'ingresso analogico che ha una impedenza di 1MOhm. Il microprocessore utilizzato è un ATMega64. La MCU ha in carico l'acquisizione del segnale elettrico e la gestione del display monocromatico da 128*64 pixel (TG12864D-04). Il software è sviluppato in C ed è stato utilizzato il compilatore open-source WinAVR. L'ingresso analogico accetta una tensione di 50 Volt picco-picco.
Le caratteristiche tecniche principali:
- scheda di acquisizione: DSO062 oscilloscope
- sistema operativo: nessuno
- canali di acquisizione: 1 analogico
- sistema di trasmissione dati: USB per salvare max 6 bitmap
- sistema di alimentazione: alimentatore esterno 9-12 Volt
- freq. di campionamento: 2 MSps
- banda passante: <1 MHz
- display monocromatico 128*64 pixel
- generatore d'onda quadra presente 500Hz
- costo 59$ (ma attenzione alle spese doganali alte)