Spiroskoop
Boeiende geometrische patronen op het skoopscherm
Een oscilloskoop is een nuttig en voor leken zeer imponerend meetinstrument. Jammer genoeg staat hij een groot gedeelte van zijn leven werkloos, waarbij in het gunstigste geval een horizontale streep op het scherm te zien is. De oscilloskoop kan echter ook allerlei oogstrelende figuren produceren. Dit is mogelijk met de hier beschreven spirator die de meetskoop verandert in een kreatieve spiroskoop.
Dit artikel is gelardeerd met een aantal illustraties, die een indruk geven van de patronen welke door de spiroskoop gekreëerd kunnen worden. De patronen doen, zoals men ziet, denken aan de figuren zoals die als scheidend element tussen twee reklamefilmpjes van de STER worden vertoond en zijn ook verwant aan de tekeningen die men verkrijgt door gebruik te maken van grafische hulpmiddelen als de spirograaf. De figuren stammen uit de wiskunde en staan daar bekend als Lissajous-figuren (genoemd naar de wiskundige Jules Antoine Lissajous, 1822-1880). Wiskundig gezien ontstaat een Lissajous-figuur uit twee onderling loodrechte, sinusvormige bewegingen, in ons geval spanningen. Deze spirator levert twee spanningen volgens een sinusfunktie, waarvan de frekwentis onafhankelijk van elkaar ingesteld kunnen worden. De sinussen zijn gedempt, dat wil zeggen dat de amplitude na het starten of aanstoten volgens een e-macht uitsterft.
Het blokschema
De werking van de spiroskoop (spirator + skoop) wordt verduidelijkt aan de hand van het blokschema van figuur 1.
Figuur 1. De spiroskoop bestaat in feite uit een spirator (lijnenspelgenerator) en een skoop. De spirator is opgebouwd uit twee oscillatoren die op kommando van een multivib gedempte sinussen opwekken. De demping en frekwentie van deze sinus-signalen kunnen onafhankelijk van elkaar ingesteld worden. Via de X- en Y-ingang van een skoop op het beeldscherm geprojekteerd, leveren zij een boeiend lijnenspel op.
De schakeling is opgebouwd rond twee gedempte sinusoscillatoren, waarvan de ene verantwoordelijk is voor de horizontale positie van het beeldpunt op het skoopscherm (X-signaal) en de andere voor de vertikale positie (Y-signaal). Van de oscillatoren zijn zowel de frekwentie als de demping (uitsterftijd) onafhankelijk van elkaar met potmeters instelbaar. Ook is de mogelijkheid aanwezig de frekwentie van iedere oscillator m.b.v. een extern signaal te moduleren, zodat de patronen kontinu veranderen.
Omdat de sinusoscillatoren niet vrijlopend zijn maar aangestoten moeten worden, is er voorzien in een astabiele multivibrator die de oscillatoren gelijktijdig en periodiek start. Dit geschiedt met een frekwentie van ca. 60 Hz. Tijdens dit aanstoten wordt het oplichten van het beeldpunt op het skoopscherm even onderdrukt door het intensiteitssignaal Z. Door deze maatregel blijven storende lijnen tijdens de aanstootfase van de oscillatoren onzichtbaar.
Het schema
Het gedetailleerde schema van de spiroskoop is afgebeeld in figuur 2. De astabiele multivibrator die zorgt voor het triggeren van de gedempte sinus-oscillatoren, bestaat uit een eenvoudige schakeling rond opamp IC1. Deze multivib levert een signaal met een frekwentie van ongeveer 60 Hz; een voldoend hoge frekwentie voor het verkrijgen van een rustig beeld op het skoopscherm. Het gedeelte van de periode waarin de uitgangsspanning van IC1 hoog is, is veel langer dan het gedeelte waarin deze laag is.
Figuur 2. Het gedetailleerde schema van de spirator. Twee extra modulatie-ingangen maken het mogelijk om de patronen kontinu te wijzigen. Als modulator kunnen verschillende typen generatoren dienst doen, zoals een sinus- of een driehoekgenerator. Golfvormen met steile flanken (zaagtand-, blokspanning e.d.) veroorzaken op die flanken een abrubte overgang van het ene patroon naar het andere.
Tijdens het lage gedeelte van de periode wordt het beeldpunt onderdrukt via de Z-ingang van de skoop (mits aanwezig). Op de positieve flank en op de uitgang van IC1 worden de sinusoscillatoren aangestoten. Deze zijn elk opgebouwd met drie opamps van het type 741. De gedempte sinusoscillator voor het (horizontale) X-signaal bestaat uit IC2, IC3 en IC4. De opamps IC5, IC6 en IC7 vormen de oscillator voor het vertikale signaal. Beide oscillatoren zijn identiek. Voor de verklaring van de werking bekijken we de X-oscillator. De opamps IC2 en IC3 zijn beide geschakeld als integrator en leveren - in serie geschakeld - bij een bepaalde frekwentie een faseverschuiving op van 180°. Een extra fasedraaiing van 180° wordt verkregen door de inverterende werking van IC4, zodat de drie opamps samen voldoen aan een van de oscilleer-voorwaarden n.l. een totale fasedraaiing van 360° tussen uit- en ingang. De rondgaande versterking van de drie in serie geschakelde opamps is instelbaar met P1 en is nooit groter dan 1; eenmaal aangestoten levert de oscillator dus een gedempte, uitstervende sinus-golf, waarbij met P1 (P3 voor het Y-signaal) de demping ingesteld kan worden. Met P2 (P4) wordt de frekwentie van de sinusoscillator ingesteld.
Figuur 3. Deze foto's geven een indruk van de kreatieve mogelijkheden van de spiroskoop.
Een stilstaand beeld op het scherm verkrijgt men uiteraard alleen indien beide oscillatoren steeds vanuit een gelijke beginsituatie gestart worden. Hiervoor dragen de elektronische schakelaars S1 t/m S4 zorg. Wanneer de uitgangsspanning van IC1 laag is, sluiten de schakelaars de integratiekondensatoren C2 t/m C5 kort; de positie van het beeldpunt op het scherm is dus op het moment dat beide oscillatoren gestart worden, bepaald, waardoor de patronen die per periode geschreven worden, overelkaar vallen en dus een stilstaand beeld opleveren.
Zonder deze maatregel zouden namelijk meerdere patronen op verschillende plaatsen op het skoopscherm verschijnen, hetgeen geen aardig effekt oplevert. Wel interessant is een kontinu wijzigend patroon. Dit wordt verkregen indien de frekwentie en/of de demping van een of beide oscillatoren doorlopend varieert. Het draaien aan potmeters is hierbij weinig aangenaam, zodat de schakeling dan ook is voorzien van extra stuuringangen (MX en MY), waarop een extern laagfrekwent modulatiesignaal (bijv. sinusgenerator) aangesloten kan worden. Verschillende (in vorm, frekwentie en amplitude) modulatiesignalen zijn mogelijk. De vorm heeft hierbij betrekking op het. verloop, de frekwentie op de gemiddelde snelheid en de amplitude op de mate van de patroonswijzigingen. Een voorwaarde die aan de modulatie-signalen gesteld wordt is dat ze het liefst geen DC-komponent bezitten (dus AC gekoppeld), omdat anders de kans bestaat dat het patroon gedeeltelijk buiten het beeld valt. De amplitude van het modulatiesignaal mag max. 15 V top-top bedragen. Desgewenst kunnen de weerstanden R13 en R20 aangepast worden indien de invloed van het modulatiesignaal niet naar wens is. Afhankelijk van het type skoop kan een geïnverteerd Z-signaal noodzakelijk blijken. In dat geval kan dit signaal van de kollektor van T1 afgenomen worden.
Mocht het beeld zichtbaar flikkeren, dan kan de waarde van C1 verkleind worden.
M. Zirpel