Electronic Oscillators

Oscillators are used in a wide variety of applications, such as:

• Circuit timing
• Generating carrier frequencies for telecommunications
• Measurement and testing instruments
• Electromedical instrumentation

Harmonic oscillators are electronic circuits capable of generating a sinusoidal signal. Essentially, they consist of an amplifier whose output is fed back to the input via positive feedback, achieved through a band-pass filter.

Oscillator Operation and Types

When the oscillator circuit is powered, the following phenomena occur:

• The amplifier inevitably generates output noise;
• The feedback circuit returns the noise components within the frequency range of the bandpass filter to the input, which are then amplified;
• The process repeats until stable operation is achieved.

Sinusoidal oscillators can be divided into three main categories based on the electronic characteristics of their respective circuit diagrams:

• RC oscillators: These use exclusively resistors and capacitors, in addition to the active component of the amplifier. Among the most well-known are the Wien bridge oscillator, the phase-shift oscillator, the double-T oscillator, and the quadrature oscillator.
• LC oscillators: These use resistors, inductors, and capacitors along with the amplifier section. RLC circuits ensure more stable oscillations and necessarily require the use of additional electronic components. These include the Hartley, Meissner, and Colpitts oscillators, which will be analyzed in detail.
• Quartz oscillators: These replace the LC circuit with a piezoelectric quartz crystal. Thanks to the piezoelectric properties of quartz, these oscillators offer high frequency stability and maintain consistent performance over a wide temperature range. One of the most common is the Pierce oscillator.

The Hartley Oscillator

The Hartley oscillator is a circuit particularly suited to generating good-quality sinusoidal signals in the RF band, approximately 30 kHz to 30 MHz. However, at higher frequencies in this range and beyond, the Colpitts oscillator is generally preferred. The Colpitts oscillator uses a capacitive divider, making it more stable and suitable for high frequencies than the Hartley center-tapped coil. Although both types use a tuned LC circuit (called a reservoir circuit) to determine the oscillation frequency, the Hartley oscillator is distinguished by the presence of two inductors, designated L1 and L2.

Oscillation Frequency

The components that determine the oscillation frequency are L1 and L2, connected in series and in parallel with capacitor C3. This part of the circuit selects a resonant frequency that is fed back to the amplifier’s input and determines the oscillation frequency. Recall that in an LC circuit, the resonant frequency is reached when:

• the voltage across the capacitor and the voltage across the inductor are equal.
• Similarly, the two reactances Xl = Xc are equal.

Recalling the theoretical concepts of the behavior of individual AC components, the two reactances are determined as follows:

• Inductive reactance: Xl = ωL or Xl = 2πf x L
• Capacitive reactance: Xc = 1/ωC ​​or Xc = 1/2πf x C

From all this, the resonant frequency is the same as the oscillator frequency and is obtained from the formula:

fr = 1/2π x √(L x C)

where L = L1 + L2

This basic formula is valid when the mutual inductance between L1 and L2 can be considered negligible; on the contrary, if this inductance is significant, the relationship must be appropriately modified.

Mutual Inductance in Hartley Oscillators

Mutual inductance represents an additional inductance component generated by the magnetic field produced by an inductor (or a portion thereof in the case of a shunt coil), which induces a current in the other inductor. When both inductors are wound on a common core, the effect of mutual inductance (M) can become significant. Under these conditions, the total inductance of the circuit is given by the relationship:

Ltot=L1+L2±2M

The effective value of mutual inductance M depends on the degree of magnetic coupling between the two inductors. This, in turn, is influenced by several factors, including the distance between them, the number of turns in each coil, their dimensions, and the material of the shared core. In the case of fixed, separate inductors, analyzing mutual inductance is simpler.

Since the size and number of turns are constant, the main factors to consider become the physical distance between the inductors and the orientation of their respective magnetic fields. The contribution of the mutual inductance M, expressed in henries or, more commonly in RF oscillators, in microhenries (µH), can add to or subtract from the total inductance of the tapped inductors mounted in close proximity. This behavior depends on the North-South polarity of the magnetic fields generated by the individual coils L1 and L2. If the magnetic fields are oriented in the same direction, the mutual inductance adds to the overall inductance. Conversely, when the magnetic fields are arranged oppositely to each other, the effect of the mutual inductance is to reduce the total inductance. Consequently, the effective operating frequency of the oscillator is higher.

Mutual Inductance in the Real-World Case Analyzed

In circuits using two small fixed inductors, such as those described in this oscillator, mutual inductance is generally very small. Experimental tests show that the inductors must be almost in contact to produce an appreciable effect. Even when the mutual inductance between inductors of a few microhenries adds to or subtracts from the theoretical value of the oscillation frequency of a Hartley RF oscillator, the resulting variation is usually comparable to that due to the tolerances of the components used in the circuit. In real Hartley oscillators using inductors wound on a common core, the effect of mutual induction can become much more significant. In these cases, it depends on the coupling coefficient (k), whose value varies between 0 and 1: k is close to 1 when the magnetic coupling is almost complete, while it assumes a zero value when there is no coupling between the two inductors.

Theoretical calculation of the coefficient k is quite complex, as mutual coupling is influenced by numerous factors. In practice, the only criterion is often whether the coupling is weak or strong. When less than half the magnetic flux generated by one coil influences the other, k is assumed to be less than 0.5, and the inductors are said to be loosely coupled. Conversely, if the inductors share the same core with no spacing between the windings, they are considered tightly coupled, and k is assumed to be between 0.5 and 1. In practice, the common core of a tapped inductor used in RF oscillators is often adjustable. This solution allows any frequency variations due to mutual inductance to be compensated for by adjusting the position of the core, thus precisely adjusting the oscillation frequency.

The LC Circuit

The LC circuit that determines the oscillation frequency is commonly called a reservoir circuit, because much higher currents flow within it than those that power it. In fact, the current pulses from the amplifier’s collector flow through this portion of the circuit. Its operating principle is comparable to that of a reservoir, capable of providing a continuous flow even when the external power supply is intermittent. Similarly, the oscillator’s reservoir circuit carries high currents that are periodically replenished by small amounts of current from the amplifier.

Because most of the oscillator’s current flows within the resonance circuit rather than through the amplifier section, LC oscillators are able to:

• generate a sine wave with very little distortion
• provide the correct amount of positive feedback needed to sustain the oscillation.

This is achieved by splitting the inductive branch into two sections with different values: the inductor then behaves like an autotransformer, and the ratio between the two sections determines the amplitude of the return signal applied to the amplifier input.

The upper portion of L1 is connected to +Vdc but, from the perspective of AC signals, it is connected to ground via the very low impedance of capacitor C5. Consequently, the X waveform on L1 and the Y waveform across the entire circuit are in phase. Since a common-base amplifier is used, the collector and emitter signals are also in phase, allowing the tank circuit to provide positive feedback. In other Hartley configurations, such as common-emitter amplifiers, similar resonant circuits are used but with different connections, ensuring that the feedback signal is always in phase with the input signal, thus providing the positive feedback necessary for the oscillator to operate.

Oscillator Operation

The oscillator analyzed in this example uses a common-base amplifier. When powered, the amplifier initially operates in Class A with positive feedback. The resonant LC circuit receives current pulses from the collector and begins to oscillate at its designed frequency. In this initial phase:

1. The reservoir circuit has a high current gain, causing the output signal to rapidly increase in amplitude.
2. When oscillations begin, a portion of the signal is fed back to the emitter via capacitor C2.
3. This causes a DC voltage to build up across R3, determined primarily by the R3–C2 time constant, which is much larger than the period of the oscillating wave.
4. As the emitter voltage increases, the amplifier’s operating point gradually shifts from class A to class C.
5. As a result, the base-emitter potential difference (V_BE) decreases, since the base voltage—set by the R1/R2 divider—remains nearly constant while the emitter voltage increases.
6. This progressively narrows the portion of the waveform that can be amplified by TR1, until only the signal peaks generate current pulses in the collector.
7. Now, the overall gain of the feedback loop stabilizes at 1.
8. In this steady state, the positive feedback provided by the reservoir circuit and the negative feedback introduced by the C2–R3 network are in equilibrium.

Any deviation from this equilibrium automatically triggers a correction mechanism. If the amplitude of the output signal decreases, the feedback through C2 also decreases, causing a decrease in the emitter voltage. This makes V_BE less negative, increasing the collector current and, consequently, the amplitude of the oscillation in the reservoir circuit. Increasing the collector current again increases the voltage across the emitter and R3, returning the transistor to a more limited conduction state. This self-regulation process again reduces the output amplitude, restoring the loop gain to unity.

Un esempio pratico

A Practical Example

The diagram in the figure shows a practical example of a Hartley oscillator oscillating at frequencies ranging from 560 kHz to 1.7 MHz. This Hartley oscillator circuit produces an output sine wave greater than 12 Vpp. The approximate frequency is set by the values ​​chosen for the reservoir capacitor C3. It operates with a 9 V battery or a DC power supply up to 12 V. The supply current at 9 V is approximately 20 mA. The circuit can be built on a breadboard for testing purposes, where it can be verified that the value of R3, set to 470 ohms in the diagram, is very important. This resistor can be replaced with a slightly lower value to adjust the amplifier gain. The detailed list of components:

• Transistor TR1 = 2N3904
• Capacitor C1, C2 (input signals), and C4 (output signals) = 100nF
• Capacitor C3 values ​​to consider for oscillation: 10nF => 563kHz; 4.7nF => 821kHz; 2.2nF => 1.2MHz; 1nF => 1.7MHz;
• Capacitor C5 for the power supply = 10µF electrolytic
• Resistor R1 for biasing TR1 = 10KΩ
• Resistor R2 for biasing TR1 = 1KΩ
• Resistor R3 for setting the amplifier gain = 22Ω to 470Ω
• Inductor L1 (tank inductor) = 1.2µH
• Inductor L2 (tank inductor) = 6.8µH

Testing and Verification of the Hartley Oscillator Circuit

After installing the circuit on a breadboard, the following verification tasks can be performed:

• Measurements with the Class C oscillator circuit:

1. Supply current
2. Supply voltage
3. TR1 collector voltage
4. TR1 base voltage
5. TR1 emitter voltage

• Temporarily block the oscillations by connecting a 0.47 μF capacitor (non-polarized) across R3 and perform the following measurements:

1. Supply current
2. TR1 collector voltage
3. TR1 base voltage
4. TR1 emitter voltage

• Output signal measurement

1. Peak-to-peak voltage
2. DC level of the wave
3. Periodic time (T) of the wave
4. Wave frequency (1/T)
5. Wave frequency calculated from ƒ= 1/2π√(LC)

Conclusions

In this article, we’ve explored the Hartley oscillator circuit. We’ve dedicated introductory sections to this topic, and there are specific articles on the operation of the individual components that characterize the circuit. Our section dedicated to the Electrical Engineering and Electronics Laboratory contains specific articles on the operation of the individual components, the Capacitor and the Inductor.

Arduino YUN il controller

Abbiamo parlato dell’architettura di Arduino in un precedente articolo sottolineandone la praticità d’uso e i costi contenuti. Disponibili sul mercato possiamo trovare varie versioni di questo microcontrollore programmabile e anche per questo progetto di cui parleremo sarà necessario scegliere la versione che più soddisfa le nostre esigenze. Vediamo adesso come configurarlo in rete sfruttando la sua interfaccia wi-fi. Operazioni preliminari:

• Innanzitutto è necessario dare l’alimentazione ad Arduino Yún collegado il connettore micro-USB posto al centro tra il connettore USB e il connettore della rete LAN. Vi servirà un cavo micro-USB da una parte e USB Type A dall’altra parte. All’avvio, Arduino Yún crea una rete Wi-Fi aperta, senza password, chiamata Arduino Yun-seguito dall’indirizzo MAC della scheda.
• Adesso quando il led blu sulla scheda comincia a lampeggiare e la rete del vostro Arduino Yún appare nella lista delle reti disponibili rilevata dal vostro computer è possibile collegarsi alla rete Arduino Yun———- generata dal vostro controllore.
• Finalmente possiamo accedere al pannello di amministrazione di questa rete con un browser web collegandoci all’indirizzo IP 192.168.240.1 oppure digitando l’indirizzo http://arduino.local
• Vi apparirà finalmente il pannello di login dove vi verrà richiesta la password di default che è “arduino”

Arduino YUN configurare la scheda wi-fi

Finalmente dopo il login siete nella pagina principale del pannello di configurazione di Arduino YUN, a questo punto premete sul pulsante CONFIGURE.

Si aprirà una pagina che vi darà la possibilità di scegliere tra le reti disponibili sella sezione Wi-Fi, in questa parte della pagina selezionare la vostra rete domestica o aziendale. C’è anche la possibilità di effettuare la scansione delle reti disponibili. A questo punto scegliete la rete a cui connetervi e inserite la password di questa rete. Facciamo notare che vi è anche una sezione di questa pagina di amministrazione che vi da la possibilità di cambiare il nome SSID e la password di amministratore della vostra scheda Arduino YUN. Al termine di ciascuna operazione che effettuerete dovrete premere sul tasto SAVE & APPLY.
Adesso la vostra scheda Arduino Yún si riavvierà e si connetterà alla vostra rete Wi-Fi.

Dopo il riavvio di Arduino YUN verificate se anche il PC o tablet o smartphone che utilizzate sia nuovamente connesso alla tua rete Wi-Fi e non più a quella di Arduino YUN. Adesso sarà possibile programmare la scheda Arduino in modalità wireless selezionando la porta di rete dall’IDE di Arduino. Facciamo notare che in questo pannello di configurazione in alto a destra vi è la possibilità di effettuare la configurazione avanzata della scheda WI-Fi di arduino che parte sempre ed è impostata in modalità Access Point. Vi suggeriamo di fare delle modifiche solo se siete esperti di hardware e avete la necessità di modificare i parametri della scheda Wi-Fi. Tralasciando la configurazione avanzata adesso il vostro microcontrollore è connesso alla vostra rete locale ed è possibile inviare gli sketch per programmarlo tramite l’IDE di sviluppo, testare il codice e monitorare tutto quello che avrete connesso ai pin di collegamento di Arduino YUN.

Arduino YUN schema dei PIN 

Per qualsiasi progetto con Arduino YUN è bene far riferimento allo schema dei suoi PIN di ingresso e Uscita con la relativa tabella data sheet.

Tabella data sheet dei singoli PIN di Arduino YUN:

Un semplice Sketch per Arduino YUN

Il codice che segue mostra come si costruisce un semplice sketch per far lampeggiare il led posto sulla vostra scheda Arduino YUN. Prima di procedere assicuratevi che sul vostro PC sia installato l’IDE di Arduino e seguite i seguenti passaggi:

• Avviate l’IDE di sviluppo per le vostre applicazioni
• Selezionate la scheda Arduino YUN
• Nella finestra centrale scrivetee il vostro codice
• Tramite i tasti in alto a sinistra inviate il vostro codice premendo sul tasto UPLOAD alla scheda Arduino

Facciamo notare che prima di inviare il codice al microcontrollore è possibile scegliere in alto a sinistra:

• il tasto Verify per controllare se ci sono errori di scrittura del codice
• Tasto Debug per controllare il risultato del vostro script

 
void setup() {
// initializza il pin digitale LED_BUILTIN come un output.
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}
 
// la funzione loop cicla all'infinito
void loop() {
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); // cambia lo stato del LED impostando il pin al livello di tensione HIGH
delay(1000); // attende per un secondo
 
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW); // cambia lo stato del LED by impostando il pin al livello di tensione LOW
delay(1000); // attende per un secondo
}

Conclusioni

Ci siamo occupati della configurazione della scheda Wi-Fi del microcontrollore Arduino YUN con il preciso scopo di connetterlo ad una rete locale e disponendo di una connessione ad internet si ha la possibilità di attivare dei controlli di apparecchiature a distanza. Abbiamo sfruttato le potenzialità di Arduino YUN che può essere programmato come un piccolo Server WEB. In un precedente articolo abbiamo fatto una breve presentazione di Arduino da noi definito Open Hardware. Questa definizione nasce dallo sviluppo di competenze di chi ha conoscenze solide di elettrotecnica ed elettronica. Con questi prerequisiti ognuno può raggiungere tali competenze senza dover ricorrere a sistemi proprietari e di conseguenza senza investire grosse cifre per la formazione. Questo modello di conoscenza da condividere è quello a cui ci ispiriamo e che anima questo portale dove tanto codice e tante soluzioni sono disponibili per tutti. Vista la rilevanza dell’argomento, abbiamo dedicato una sezione alla componentistica Hardware. Nel dettaglio troverete oltre a tante novità e presentazioni di computer e periferiche che periodicamente ci capita di testare e utilizzare, ci sono anche notizie di innovazione tecnologica, materiali innovativi, robotica e tanto altro.

Arduino YUN il controller

Abbiamo parlato dell’architettura di Arduino in un precedente articolo sottolineandone la praticità d’uso e i costi contenuti. Disponibili sul mercato possiamo trovare varie versioni di questo microcontrollore programmabile e anche per questo progetto di cui parleremo sarà necessario scegliere la versione che più soddisfa le nostre esigenze.

• Rilevare la temperatura in un solo ambiente: sarà suffiuciente acquistare una sola scheda del microcontrollore e l’elettronica necessaria sostenendo un costo all’incirca di 40 euro.
• Monitorare la temperatura di uno o più ambienti posti a distanze che non pregiudicano il segnale emesso dal rilevatore analogico di temperatura TMP36 della Texas Instruments. In questo caso un singolo TMP36 ci costerà all’incirca 3 euro. Per progetti più complessi per la misurazione di più ambienti, dovremo aggiungere il numero di sensori e l’hardware necessario per far giungere i segnali analogici emessi da ogni singolo TMP36 alla scheda Arduino YUN e i costi per cablare i sensori nei diversi ambienti. Ovviamente il codice del software da caricare su Arduino sarà più complicato e non lo inseriremo in questo articolo.
• Con Arduino YUN è possibile monitorare ambienti posti a distanze considerevoli utilizzando singole stazioni connesse ad internet sfruttando la connessione wi-fi. Questo ultimo progetto presuppone la conoscenza della configurazione delle reti e la gestione centralizzata delle informazioni avrà la necessità di sviluppare un software ospitato su un Server per gestire i dati trasmessi dalle singole stazioni di rilevamento Arduino YUN.

I componenti per la singola unità di rilevazione

Vi proponiamo i componenti della singola unità di rilevazione della temperatura:

• Il vostro PC
• Arduino YUN
• Sensore di temperatura analogico TMP-36
• Breadboard
• Cavi di collegamento

Schema elettrico

Prima di procedere con il montaggio dei componenti è importante disporre delle seguenti informazioni:

• PIN di collegamento del sensore analogico TMP-36
• data sheet Arduino YUN

Di seguito lo schema elettrico delle connessioni da effettuare per realizzare la nostra semplice unità di rilevazione della temperatura.

Arduino YUN schema dei PIN e inizializzazione 

Per qualsiasi progetto con Arduino YUN è bene far riferimento allo schema dei suoi PIN di ingresso e Uscita con la relativa tabella data sheet.

Tabella data sheet dei singoli PIN di Arduino YUN:

Il sensore digitale di temperatura TMP-36

TMP36 è un sensore di temperatura analogico progettato per fornire una lettura accurata della temperatura con un’uscita analogica lineare. L’integrazione nei circuiti elettronici è molto semplice ed è una soluzione ideale per la sua precisione, stabilità e facilità d’uso. Può essere utilizzato in molte applicazioni industriali ed educative, perché misura un ampio intervallo di temperature e ha una buona precisione.

Il sensore TMP36 fornisce un output analogico proporzionale alla temperatura rilevata ed è compatibile con una vasta gamma di microcontrollori come Arduino e Raspberry Pi. Il TMP36 è disponibile in un piccolo package che ne semplifica l’integrazione in circuiti elettronici o su breadboard per una rapida prototipazione. Misura una gamma di temperatura operativa che va da -40 °C a +125 °C, con una precisione di ±1 °C a 25 °C.

Il sensore funziona con una singola alimentazione di valori compresi tra 2,7 V a 5,5 V massimo. La corrente di alimentazione è minore di 50 μA. Quindi ha un basso auto-riscaldamento inferiore a 0,1 ° C. In molte applicazioni il segnale del sensore può risultare troppo debole per essere letto correttamente da un microcontrollore. A questo problema si può ovviare utilizzando un Amplificatore Non Invertente per amplificare il segnale senza distorcerlo. Ricordiamo che l’amplificatore non invertente prende la tensione in uscita dal sensore e la potenzia mantenendola positiva, lineare e senza disturbi.

Sketch Arduino YUN per il sensore di temperatura TMP-36

Il codice che segue mostra come acquisire i dati da un ingresso analogico tramite il server web integrato del dispositivo Arduino Yún utilizzando la libreria Bridge. Prima di procedere nella scrittura del codice è necessario eseguire i seguenti passi:

• Prepara la scheda SD o la chiavetta di memoria USB Flash con una cartella vuota nella radice denominata “arduino” e una sottocartella di quella denominata “www”. Ciò garantirà che il dispositivo Yún creerà un collegamento alla memoria al percorso “/mnt/sd”.
• In questa cartella di schizzo c’è una pagina web di base e una copia di zepto.js, una versione ridotta al minimo di jQuery. Quando carichi il tuo sketch, questi file verranno inseriti nella cartella /arduino/www/TemperatureWebPanel sulla memoria rimovibile.

È possibile rimuovere la scheda SD o USB Flash memory stick mentre il sistema operativo Linux e lo sketch sono in esecuzione, ma fate attenzione a non rimuovere mentre il sistema sta scrivendo sulle unità di memoria esterne.

/*

Interfaccia web per la rilevazione della temperatura 
Il codice mostra come acquisire dati da un ingresso analogico 
tramite il server web integrato di YunShield/Yún utilizzando la libreria Bridge. 
Il circuito: 
* Sensore di temperatura TMP36 sul pin analogico A1 
* Scheda SD collegata allo slot per schede SD di YunShield/Yún 
Questo sketch deve essere caricato tramite Wi-Fi. 
L'API REST deve essere impostata su "aperta". 
- Inserire una scheda Micro SD 
- creare una cartella vuota nella directory principale denominata "arduino" 
e una sottocartella denominata "www". 
Questo garantirà che Yún crei un collegamento alla SD nel percorso "/mnt/sd". 
In questa cartella dello sketch sono presenti 
- una pagina web di base e una copia di zepto.js
- una versione minimizzata di jQuery. 
Quando carichi il tuo sketch, questi file verranno posizionati 
nella cartella /arduino/www/TemperatureWebPanel sulla tua scheda SD. 
Puoi quindi andare su http://arduino.local/sd/TemperatureWebPanel 
per visualizzare l'output di questo sketch. 
*/

#include <Bridge.h>
#include <BridgeServer.h>
#include <BridgeClient.h>

// Acquisizione dati dalla porta di default 5555, il webserver di arduino Yún
// inoltrerà lì tutte le richieste HTTP.

BridgeServer server;

String startString;
long hits = 0;

void setup() {
SerialUSB.begin(9600);

// Avviamo il Bridge

pinMode(13, OUTPUT);
digitalWrite(13, LOW);
Bridge.begin();
digitalWrite(13, HIGH);

// utilizzare A0 e A2 come vcc e gnd per il sensore TMP36:

pinMode(A0, OUTPUT);
pinMode(A2, OUTPUT);
digitalWrite(A0, HIGH);
digitalWrite(A2, LOW);

// Acquisiamo le connessioni in ingresso solo da localhost
// (ovviamente non ci deve essere collegata nessun altra rete!)

server.listenOnLocalhost();
server.begin();
// Acquisiamo l'orario di avvio di questo sketck:

Process startTime;
startTime.runShellCommand("date");
while (startTime.available()) {
char c = startTime.read();
startString += c;
}
}

void loop() {

// Acquisiamo i client distribuiti dal Server
BridgeClient client = server.accept();

// Verifica se c'è un nuovo client
if (client) {

// legge il comando

String command = client.readString();
command.trim(); //kill whitespace
SerialUSB.println(command);

// "temperature" è il comando?
if (command == "temperature") {

// ottiene l'orario dal server:

Process time;
time.runShellCommand("date");
String timeString = "";

while (time.available()) {
char c = time.read();
timeString += c;
}

SerialUSB.println(timeString);
int sensorValue = analogRead(A1);

// converte la lettura in millivolts:

float voltage = sensorValue * (5000.0f / 1024.0f);

// converte i millivolt nella temperatura gradi celsius:

float temperature = (voltage - 500.0f) / 10.0f;

// stampa la temperatura:

client.print("Current time on the Y&uacute;n: ");
client.println(timeString);
client.print("<br>Current temperature: ");
client.print(temperature);
client.print(" &deg;C");

client.print("<br>Questo sketch è in funzione da: ");
client.print(startString);
client.print("<br>Hits fino a questo momento: ");
client.print(hits);

}

// Chiude la connessione e libera le risorse.

client.stop();
hits++;
}

delay(50); // Esegui il test ogni 50ms
}

Arduino YUN dispone anche di più di un ingresso analogico quindi anche il codice come accennato all’inizio di questo articolo può essere sviluppato per:

• Misurare la temperatura in due o più ambienti
• Registrare la temperatura massima e la temperatura minima registrata in uno o più ambienti

Come al solito è possibile sviluppare lo sketch che abbiamo proposto come base per delle misurazioni più complesse.

Conclusioni

Ci siamo occupati della realizzazione di un dispositivo che misura la temperatura in un ambiente utilizzando il microcontrollore Arduino YUN che rende disponibili i risultati delle misurazioni su una rete locale con la possibilità di leggerli a distanza connettendo questa rete ad internet. Abbiamo sfruttato le potenzialità di Arduino YUN che può essere programmato come un piccolo Server WEB. In un precedente articolo abbiamo fatto una breve presentazione di Arduino da noi definito Open Hardware. Questa definizione nasce dallo sviluppo di competenze di chi ha conoscenze solide di elettrotecnica ed elettronica. Con questi preerequisiti ognuno può raggiungere tali competenze senza dover ricorrere a sistemi proprietari e di conseguenza senza investire grosse cifre per la formazione. Questo modello di conoscenza da condividere è quello a cui ci ispiriamo e che anima questo portale dove tanto codice e tante soluzioni sono disponibili per tutti. Vista la rilevanza dell’argomento, abbiamo dedicato una sezione alla componentistica Hardware. Nel dettaglio troverete oltre a tante novità e presentazioni di computer e periferiche che periodicamente ci capita di testare e utilizzare, ci sono anche notizie di innovazione tecnologica, materiali innovativi, robotica e tanto altro.

Arduino il controller

Abbiamo parlato dell’architettura di Arduino in un precedente articolo sottolineandone la praticità d’uso e i costi contenuti. Disponibili sul mercato possiamo trovare varie versioni di questo microcontrollore programmabile e anche per questo progetto di cui parleremo sarà necessario scegliere la versione che più soddisfa le nostre esigenze.

• Rilevare la temperatura in un solo ambiente: sarà suffiuciente acquistare una sola scheda del microcontrollore e l’elettronica necessaria sostenendo un costo all’incirca di 20 euro.
• Monitorare la temperatura di più ambienti posti a distanze che non pregiudicano la qualità del segnale emesso dai rilevatori di temperatura. In questo caso il nostro singolo rilevatore ci costerà all’incirca 30 euro con la scheda multi I/O per Arduino, display e sensore digitale. Per monitorare più ambienti dovremo aggiungere il numero di sensori, l’hardware per far giungere i segnali con buona qualità dai singoli sensori e i costi per il cablaggio nei diversi ambienti. Ovviamente il codice del software da caricare su Arduino sarà più complicato e non lo inseriremo in questo articolo.
• Con arduino è anche possibile monitorare ambienti posti a distanze considerevoli utilizzando una scheda arduino con integrato il wi-fi. Per questo ultimo progetto ci sarà bisogno di trasmettere i dati ad un Server e collegando in rete le singole stazioni di rilevamento Arduino.

I componenti per la singola unità di rilevazione

Vi proponiamo i componenti della singola unità di rilevazione della temperatura:

• Display LCD 1602
• Arduino Uno
• Sensore di temperatura digitale DHT-11
• Breadboard
• Potenziometro 10K
• Cavi di collegamento

Schema elettrico

Prima di procedere con il montaggio dei componenti è importante disporre delle seguenti informazioni:

• data sheet del display LCD di cui si dispone
• PIN di collegamento del sensore digitale DHT-11, versione con 3 pin e resistore integrato, versione con 4 pin a cui collegare il resistore da 10k di pull-up sulla linea del segnale
• data sheet Arduino UNO

Di seguito lo schema elettrico delle connessioni da effettuare per realizzare l’unità di rilevazione della temperatura.

Arduino UNO schema dei PIN 

Per qualsiasi progetto con Arduino Uno è bene far riferimento allo schema dei suoi PIN di iIngresso e Uscita con la relativa tabella data sheet.

Tabella data sheet dei singoli PIN di Arduino UNO:

Il sensore digitale di temperatura DHT-11

Il sensore digitale DHT11 essenzialmente rileva il vapore acqueo facendo la misura della resistenza tra due elettrodi.
Esso si compone di un substrato di contenimento dell’umidità con gli elettrodi applicati sulla superfice. Il vapore acqueo viene assorbito dalla superfice e gli ioni rilasciati da questo substrato aumentano la conduttività degli elettrodi. A questo punto il cambiamento della resistenza elettrica tra i due elettrodi è proporzionale all’umidità relativa.

• Umidità relativa più alta minore la resistenza tra gli elettrodi
• Umidità relativa più bassa maggiore la resistenza tra gli elettrodi

Il sensore DHT11 misura anche la temperatura con un termistore NTC montato in superficie che è incorporato nell’unità. Ha una sola linea per il segnale per la trasmissione dai dati au un controller digitale come Arduino. Sono presenti i due terminali per l’alimentazione 5v e GND. In commercoio esistono due versioni del DHT-11:

• La versione con un resistore di pull-up da 10kOhm tra la linea del segnale e l’alimentazione di 5v ha solo 3 PIN
• Versione senza resistore di pull-up con 4 PIN

Sketch Arduino UNO per il sensore di temperatura DHT-11

Prima di realizzare il codice nel macrolinguaggio di programmazione di Arduino UNO è indispensabile dotarsi della libreria per la gestione del sensore utilizzato. Nel nostro caso sarà necessario caricare nel codice la libreria DHT.h e ovviamente la libreria per la gestione de display LiquidCrystal.h elementi necessari per poter gestire input e output dal controller Arduino. A questo punto il codice da sottoporre ad arduino sarà il seguente:

#include <LiquidCrystal.h>
#include <dht.h>

dht DHT;
#define DHT11_PIN 3
// 3 è il pin di Arduino a cui collego il sensore di temperatura
LiquidCrystal lcd (7, 8, 9, 10, 11, 12);

//Setup the ports
void setup()
{ 
  lcd.begin(16, 2);
}
void loop()
{
  int chk = DHT.read11(DHT11_PIN);
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("Umidita:"); 
  lcd.print(DHT.humidity);
  lcd.print(" %");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("Temperatura:"); 
  lcd.print(DHT.temperature); 
  lcd.print((char)223);
  lcd.print("C");
  delay(2000);
}

// A seconda del display utilizzato in questo secondo esempio
// colleghiamo il PIN 8 di Arduino si può provare anche il codice che segue:


// *************************************************************************************************

#include <liquidcrystal.h>
#include "DHT.h"
#define DHTPIN 8
// 8 è il pin di Arduino a cui collego il sensore di temperatura
#define DHTTYPE DHT11
// dht11 è il tipo di sensore che uso

// connessione display (pin)
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);
LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);
void setup() {

lcd.begin(16, 2);
dht.begin();
// imposto il tipo di display (colonne, righe)
lcd.print("Temperatura");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("Umidita'");
}
void loop() {
int t = dht.readTemperature();
int h = dht.readHumidity();
// posiziono il cursore alla colonna 12 e riga 0
lcd.setCursor(14, 0);
lcd.print(t);
lcd.setCursor(14, 1);
lcd.print(h);
delay(1000);
}

Fate attenzione a testare il codice in base ai componenti hardware, in questo caso il display di cui si dispone. Arduino UNO dispone anche di più di un ingresso analogico quindi anche il codice come accennato all’inizio di questo articolo può essere sviluppato per:

• Misurare la temperatura in due o più ambienti
• Registrare la temperatura massima e la temperatura minima registrata in uno o più ambienti

Come al solito è possibile sviluppare lo sketch che abbiamo proposto come base per delle misurazioni più complesse.

Conclusioni

Ci siamo occupati della realizzazione di un dispositivo che misutra la temperatura in un ambiente utilizzando il microcontrollore Arduino UNO e il sensore di temperatura DHT-11. In un precedente articolo abbiamo fatto una breve presentazione di Arduino da noi definito Open Hardware. Questa definizione nasce dallo sviluppo di competenze di chi ha conoscenze solide di elettrotecnica ed elettronica. Con questi prerequisiti ognuno può raggiungere tali competenze senza dover ricorrere a sistemi proprietari e di conseguenza senza investire grosse cifre per la formazione. Questo modello di conoscenza da condividere è quello a cui ci ispiriamo e che anima questo portale dove tanto codice e tante soluzioni sono disponibili per tutti. Vista la rilevanza dell’argomento, abbiamo dedicato una sezione alla componentistica Hardware. Nel dettaglio troverete oltre a tante novità e presentazioni di computer e periferiche che periodicamente ci capita di testare e utilizzare, ci sono anche notizie di innovazione tecnologica, materiali innovativi, robotica e tanto altro.

Avec les alimentations stabilisées, les variations de la tension d’élimination sont atténuables, mais non complètement éliminées. Les variations de température sont souvent incontrôlables et dépendent de conditions extérieures au circuit électronique.

Stabilité de fréquence d’un circuit oscillateur

Ainsi, les variations de la tension d’alimentation et de la température du circuit oscillateur peuvent entraîner des variations importantes de sa fréquence. Les résistances et les capacités parasites présentes dans le circuit peuvent également faire en sorte que l’oscillateur fonctionne à une fréquence légèrement différente de la fréquence théorique calculée en ne considérant que les valeurs de L et C. Dans la plupart des cas, ces inconvénients peuvent être atténués en augmentant autant que possible le facteur de qualité Q du circuit résonant.

• Cependant, avec les inducteurs et les condensateurs conventionnels, il est difficile de surmonter des facteurs Q de l’ordre de quelques centaines;
• Au contraire, l’utilisation de cristaux de quartz permet d’obtenir des facteurs Q nettement supérieurs à 10.000.

Les effets des résistances et des capacités parasites présentes dans le circuit peuvent également entraîner un léger décalage de la fréquence de fonctionnement de l’oscillateur par rapport à la fréquence théorique calculée en ne considérant que les valeurs de L et C. Dans la plupart des cas, ces inconvénients peuvent être atténués en maximisant le facteur de qualité Q du circuit résonant. Cependant, avec des inducteurs et des condensateurs classiques, il est difficile de dépasser des facteurs Q de l’ordre de quelques centaines ; en revanche, l’utilisation de cristaux de quartz permet d’atteindre des facteurs Q nettement supérieurs à 10.000.

Les cristaux de quartz

Les cristaux peuvent être utilisés pour améliorer la stabilité de fréquence des oscillateurs RF, tels que ceux de Hartley et Colpitts. Ils peuvent être utilisés en mode parallèle, par exemple comme inductance fonctionnant à une fréquence comprise entre ƒ₁ et ƒ₂ au sein d’un circuit accordé résonant.

• Dans oscillateur Colpitts, iil peut être contrôlé par un cristal connecté en parallèle avec C1 et en série avec C2 dans le circuit résonant.
• Dans oscillateur Hartley, la première borne à quartz est insérée entre L1 et L2, la seconde borne est connectée à l’émetteur du transistor.
• Dans les deux oscillateurs, le cristal agit comme un filtre à faible impédance hautement sélectif en fréquence dans le circuit de rétroaction.

Le composant électronique

Le cristal de quartz est un dispositif piézoélectrique dont le fonctionnement peut être résumé comme suit:

• lorsqu’il est soumis à une déformation mécanique, même minime (comme une légère flexion), il génère une différence potentielle avec ses vêtements;
• Inversement, si une tension électrique est appliquée, le cristal subit une légère déformation.

Par conséquent, l’application d’impulsions de tension périodiques provoque la flexion du cristal, qui génère à son tour des impulsions de tension en phase avec celles appliquées. Ce mécanisme de rétroaction positive amplifie le signal et induit l’oscillation. La fréquence à laquelle cet effet d’amplification se produit coïncide avec la fréquence de résonance du cristal. Celle-ci est déterminée par ses dimensions physiques et le type de taille effectué, en fonction de la structure atomique du matériau. Lorsqu’un cristal de quartz est taillé et travaillé avec précision, il est presque parfaitement élastique : cela signifie que, une fois amorcées, les oscillations s’amortissent très lentement.

Caractéristiques électriques d’un cristal de quartz

Le circuit représente le symbole schématique d’un cristal de quartz et son circuit équivalent. Il intègre clairement toutes les caractéristiques typiques d’un circuit résonant, à savoir l’inductance (L), la capacité (C) et la résistance (R). De ce fait, le cristal peut remplacer un circuit résonant en série ou en parallèle. Le diagramme d’impédance (Z) en fonction de la fréquence présente deux fréquences de résonance, ƒ1 et ƒ2. En configuration série, le cristal présente une impédance très faible à la fréquence ƒ1 ; en revanche, en configuration parallèle, il présente une impédance très élevée à la fréquence ƒ2. En pratique, cependant, en raison de la très faible bande passante due au facteur de qualité Q très élevé du cristal, ces deux fréquences sont si proches qu’elles peuvent être considérées comme coïncidentes pour la plupart des applications.

Applications dans les circuits oscillateurs

Les oscillateurs à cristal peuvent générer des signaux de sortie sinusoïdaux et carrés sur une très large gamme de fréquences, généralement de 1 à 2 MHz jusqu’à plusieurs centaines de MHz.

• Les cristaux de quartz sont conçus pour résonner à des fréquences bien définies, en fonction des applications spécifiques;
• Cependant, l’ensemble des fréquences utilisables peut être considérablement élargi par différentes techniques.

L’une de ces techniques est la division de fréquence, qui consiste à diviser la fréquence d’un oscillateur à cristal par deux de manière itérative à l’aide de diviseurs numériques, obtenant ainsi des fréquences progressivement plus basses. Comme toute petite erreur de fréquence est corrigée par ce processus de division, la fréquence finale est extrêmement précise. De plus, les cristaux peuvent osciller jusqu’à des multiples supérieurs à leur fréquence fondamentale. Ces multiples, appelés harmoniques, peuvent être sélectionnés par un circuit LC classique. En combinant les techniques de division de fréquence et de fonctionnement en harmoniques, il est possible de couvrir une gamme de fréquences cristallines beaucoup plus étendue.

Oscillateurs à cristal intégrés

Dans les circuits électroniques modernes, l’utilisation d’oscillateurs à quartz à composants discrets est de moins en moins fréquente. Aujourd’hui, les oscillateurs à quartz intégrés, prêts à l’emploi, sont largement disponibles. On trouve des oscillateurs à onde carrée et sinusoïdale, sous forme de modules

• DIL (Dual In-Line)
• CMS (Surface Mount Technology).

Ils offrent une large gamme de fréquences et de caractéristiques électriques. Dans les oscillateurs à onde sinusoïdale destinés aux applications de transmission radio, l’oscillateur est directement la source du signal RF transmis. Par conséquent, la précision et la stabilité de la fréquence sont essentielles. Les bandes radio étant généralement saturées par de nombreux émetteurs fonctionnant dans des portions de spectre bien définies, il est primordial que la fréquence de transmission reste stable et n’entraîne aucune interférence avec les canaux adjacents. De même, les récepteurs doivent pouvoir compter sur des fréquences de référence fiables et bien connues pour un réglage correct.

Distorsion harmonique

Un autre aspect essentiel est la très faible distorsion harmonique. Autrement dit, l’oscillateur ne doit pas générer de composantes spectrales harmoniques à la fréquence nominale. Cela entraînerait des émissions indésirables à d’autres fréquences. Pour minimiser la distorsion harmonique, l’onde sinusoïdale produite doit être aussi pure que possible. À cette fin, il existe des oscillateurs caractérisés par une distorsion harmonique totale (THD) extrêmement réduite, égale à quelques points de pourcentage seulement de la puissance du fondamental.

• power (+Vdc)
• mass (GND)
• Output (OUT)

Certains modules comportent des broches supplémentaires pour les fonctions de contrôle. Généralement, ces modules peuvent piloter des charges de 50 Ω et fournir un signal de sortie compris entre 500 mV et 1 V environ. Comme de nombreuses caractéristiques d’un oscillateur dépendent de la température, on utilise, pour les applications les plus critiques, des oscillateurs à cristal à température contrôlée (OCXO, Oven-Controlled Crystal Oscillator). Ces dispositifs intègrent le cristal dans un boîtier chauffé et thermostaté, afin de maintenir une température de fonctionnement constante. Grâce à cette solution, il est possible de limiter les variations de fréquence à des valeurs généralement inférieures à 1 ppm et de réduire la distorsion harmonique à moins de 1 %.

Conclusions

Nous avons vu dans cet article le circuit oscillateur avec le composant à cristal de quartz. Nous vous rappelons que nous avons consacré des sections préparatoires à ce sujet et qu’il existe des articles spécifiques sur le fonctionnement des différents composants qui caractérisent les circuits. Dans notre section dédiée au Laboratoire de génie électrique et d’électronique Il existe des articles spécifiques sur le fonctionnement des différents composants. Condenser et le Inductor.

With the stabilized power supplies the changes in the elimentation voltage are attenuable, but not completely eliminated. Temperature changes are often not controllable and depend on conditions outside the electronic circuit.

Frequency stability of an oscillator ciruito

So variations in the supply voltage and temperature in which the oscillator circuit is located can cause significant variations in the frequency of the oscillator. The effects of the resistances and parasitic capabilities present in the circuit can also cause the oscillator to work at a slightly different frequency than the theoretical one calculated by considering only the values of L and C. In most cases, such drawbacks can be reduced by increasing as much as possible the Q-quality factor of the resonant circuit.

• However, with conventional inducers and capacitors it is difficult to overcome Q factors of the order of a few hundred;
• on the contrary, using quartz crystals it is possible to obtain Q factors that are significantly higher than 10,000.

The effects of the resistances and parasitic capabilities present in the circuit can also cause the oscillator to work at a slightly different frequency than the theoretical one calculated by considering only the values of L and C. In most cases, such drawbacks can be reduced by increasing as much as possible the Q-quality factor of the resonant circuit. However, with conventional inducers and capacitors it is difficult to overcome Q factors of the order of a few hundred; on the contrary, using quartz crystals it is possible to obtain Q factors that are significantly higher than 10,000.

The quartz crystals

Crystals can be used to increase frequency stability in RF oscillators such as those of Hartley and Colpitts. The crystal can be used both in parallel mode, for example as an inductor operating at a frequency between ƒ 1 and ƒ 2 as part of the resonant tuned circuit.

• In the Colpitts oscillator it can be controlled by a crystal connected in parallel with C1 and in series with C2 in the resonant circuit.
• In the Hartley oscillator, the first quartz terminal is inserted between L1 and L2, the second terminal is connected to the transistor emitter.
• In both oscillators the crystal acts as a highly selective low impedance in frequency in the feedback path.

The electronic component

Quartz crystal is a piezoelectric device where it can functionally be summarized as follows:

• when subjected to a mechanical deformation, even minimal (such as a slight flexion), it generates a potential difference to its garments;
• Conversely, if an electrical voltage is applied, the crystal undergoes a small deformation.

Consequently, the application of periodic voltage pulses causes the flexion of the crystal, which in turn generates voltage pulses in phase with those applied. This positive feedback mechanism strengthens the signal and gives rise to the oscillation. The frequency at which this reinforcement effect occurs coincides with the resonance frequency of the crystal. It is determined by its physical dimensions and the type of cutting carried out in relation to the atomic structure of the material. When a quartz crystal is cut and worked with precision, it is almost perfectly elastic: this implies that, once started, the oscillations are dampened very slowly.

Electrical characteristics of a quartz crystal

The circuit represents the schematic symbol of a quartz crystal and its equivalent circuit. It is evident that it incorporates all the typical characteristics of a resonant circuit, i.e. inductance (L), capacity (C) and resistance (R). For this reason, the crystal can be used as a replacement for both a resonant circuit in series and one in parallel. The frequency-dependent impedance (Z) diagram shows two resonance frequencies, ƒ1 and ƒ2. When the crystal operates in a series configuration, it has a very low impedance at the ƒ1 frequency; on the contrary, in parallel configuration it shows a very high impedance at the ƒ2 frequency. In practice, however, due to the extremely low bandwidth due to the crystal’s very high Q quality factor, these two frequencies are so close that they can be considered coincident for most applications.

Applications in oscillator circuits

Crystal oscillators can generate both sine and square wave output signals over a very wide frequency range. It generally ranges from 1 – 2 Mhz up to several hundred Mhz.

• Quartz crystals are made to resonate at well-defined frequencies, depending on the specific applications;
• however, the set of usable frequencies can be greatly expanded by different techniques.

One of these is the frequency division, in which the frequency of a crystal oscillator is repeatedly divided by 2 via digital dividers, thus obtaining progressively lower frequencies. Since any small frequency errors are reduced by the same division process, the final frequency is extremely accurate. In addition, crystals can be oscillated even to multiples higher than their fundamental frequency. These multiples, called overtones, can be selected by a conventional LC circuit. By combining the techniques of frequency division and operation in overtone, it is possible to cover a much more extensive crystalline frequency range.

Integrated crystal oscillators

In modern electronic circuits, the use of crystal oscillators made with discrete components is increasingly less frequent. Today, integrated crystal oscillators ready to use are widely available. Both square wave and sine wave oscillators are available. They are in the form of DIL (Dual In-Line) or SMT (Surface Mount Technology) modules. It has a wide range of frequencies and electrical characteristics. In sine wave oscillators for radio transmission applications, the oscillator is directly the source of the transmitted RF signal. As a result, accuracy and frequency stability are key. Radio bands are in fact generally congested by numerous transmitters operating in well-defined portions of spectrum, so it is essential that the transmission frequency remains stable and does not result, avoiding interference with adjacent channels. Similarly, receivers must be able to count on reliable and well-known reference frequencies for proper tuning.

Many crystal oscillators are able to maintain the nominal frequency within a few parts per million (ppm), typically with variations between ±5 and ±50 Hz for each MHz of the rated frequency. These performances are guaranteed over temperature ranges generally between 0 and 70 °C for consumer applications, and between −55 and +85 °C for certain military and aerospace applications.

Harmonic distortion

Another key aspect is the very low harmonic distortion. In other words, the oscillator must not generate harmonic spectral components of the nominal frequency. All this would result in unwanted emissions at additional frequencies. To minimize the harmonic distortion, the sinusoidal wave produced must be as pure as possible. To this end, oscillators are available characterized by a total total harmonic distortion (THD) extremely reduced, equal to just a few percentage points of the power of the fundamental.

Many oscillator modules have only three terminals:

• power (+Vdc)
• mass (GND)
• Output (OUT)

Some include additional pins for control functions. Typically, such modules are capable of piloting typical 50 Ω loads, providing an output signal of between about 500 mV and 1 V.

Since numerous characteristics of an oscillator depend on temperature, for the most critical applications, temperature-controlled crystal oscillators (OCXO, Oven-Controlled Crystal Oscillator) are used for the most critical applications. These devices enclose the crystal inside a heated and thermostatically regulated enclosure, so as to maintain the constant operating temperature. Thanks to this solution, it is possible to limit frequency changes to values typically below one part per million and reduce the harmonic distortion to less than 1%.

Conclusions

We have seen in this article the oscillator circuit with the quartz crystal component. We remember that we have dedicated preparatory sections for this topic and that there are specific articles on the operation of the individual components that characterize the circuits. In our section dedicated to the Laboratory of Electrical Engineering and Electronics there are specific articles on the operation of the individual components the Condenser and the Inductor.

Con gli alimentatori stabilizzati le variazioni della tensione di elimentazione sono attenuabili, ma non completamente eliminate. Le variazioni di temperatura non sono spesso controllabili e dipendono da condizioni esterne al circuito elettronico.

Stabilità in frequenza di un ciruito oscillatore

Quindi le variazioni della tensione di alimentazione e della temperatura in cui si trova il circuito oscillatore possono causare delle variazioni significative della frequenza dell’oscillatore. Anche gli effetti delle resistenze e delle capacità parassite presenti nel circuito possono far sì che l’oscillatore lavori a una frequenza leggermente diversa da quella teorica calcolata considerando esclusivamente i valori di L e C. Nella maggior parte dei casi, tali inconvenienti possono essere ridotti aumentando il più possibile il fattore di qualità Q del circuito risonante. Tuttavia, con induttori e condensatori convenzionali è difficile superare fattori Q dell’ordine di alcune centinaia; al contrario, impiegando cristalli di quarzo è possibile ottenere fattori Q nettamente superiori a 10.000. Anche gli effetti delle resistenze e delle capacità parassite presenti nel circuito possono far sì che l’oscillatore lavori a una frequenza leggermente diversa da quella teorica calcolata considerando esclusivamente i valori di L e C. Nella maggior parte dei casi, tali inconvenienti possono essere ridotti aumentando il più possibile il fattore di qualità Q del circuito risonante. Tuttavia, con induttori e condensatori convenzionali è difficile superare fattori Q dell’ordine di alcune centinaia; al contrario, impiegando cristalli di quarzo è possibile ottenere fattori Q nettamente superiori a 10.000.

I cristalli di quarzo

I cristalli possono essere utilizzati per aumentare la stabilità della frequenza negli oscillatori RF come quelli di Hartley e Colpitts. Il cristallo può essere utilizzato sia in modalità parallela, ad esempio come induttore che opera a una frequenza tra ƒ 1 e ƒ 2 come parte del circuito sintonizzato risonante. Nell’oscillatore di Colpitts può essere controllato da un cristallo connessoin parallelo con C1 e in serie con C2 nel circuito risonante. Nell’oscillatore di Hartley il primo terminale del quarzo viene inserito tra L1 e L2, il secondo terminale viene connesso sull’emettitore del transistor. In entrambi gli oscillatori il cristallo agisce come un’impedenza bassa altamente selettiva in frequenza nel percorso di feedback.

Il componente elettronico

Il cristallo di quarzo è un dispositivo piezoelettrico il cui funzionamente può essere così riassunto:

• quando viene sottoposto a una deformazione meccanica, anche minima (come una lieve flessione), genera una differenza di potenziale ai suoi capi;
• viceversa, se viene applicata una tensione elettrica, il cristallo subisce una piccola deformazione.

Di conseguenza, l’applicazione di impulsi di tensione periodici provoca la flessione del cristallo, che a sua volta genera impulsi di tensione in fase con quelli applicati. Questo meccanismo di retroazione positiva rafforza il segnale e dà origine all’oscillazione. La frequenza alla quale avviene questo effetto di rinforzo coincide con la frequenza di risonanza del cristallo. Essa è determinata dalle sue dimensioni fisiche e dal tipo di taglio effettuato in relazione alla struttura atomica del materiale. Quando un cristallo di quarzo è tagliato e lavorato con precisione, esso risulta quasi perfettamente elastico: ciò implica che, una volta avviate, le oscillazioni si smorzano molto lentamente.

Caratteristiche elettriche di un cristallo di quarzo

Il circuito rappresenta il simbolo schematico di un cristallo di quarzo e il relativo circuito equivalente. È evidente come esso incorpori tutte le caratteristiche tipiche di un circuito risonante, ovvero induttanza (L), capacità (C) e resistenza (R). Per questo motivo, il cristallo può essere impiegato in sostituzione sia di un circuito risonante in serie sia di uno in parallelo. Il diagramma dell’impedenza (Z) in funzione della frequenza evidenzia due frequenze di risonanza, ƒ₁ e ƒ₂. Quando il cristallo opera in configurazione serie, esso presenta un’impedenza molto bassa alla frequenza ƒ₁; al contrario, in configurazione parallela mostra un’impedenza molto elevata alla frequenza ƒ₂. Nella pratica, tuttavia, a causa della larghezza di banda estremamente ridotta dovuta all’elevatissimo fattore di qualità Q del cristallo, queste due frequenze risultano così ravvicinate da poter essere considerate coincidenti per la maggior parte delle applicazioni.

Applicazioni nei circuiti oscillatori

Gli oscillatori a cristallo possono generare segnali di uscita sia sinusoidali sia a onda quadra su un intervallo di frequenze molto ampio. Generalmente va da 1 – 2 Mhz fino a diverse centinaia di Mhz. I cristalli di quarzo vengono realizzati per risuonare a frequenze ben definite, in funzione delle specifiche applicazioni; tuttavia, l’insieme delle frequenze utilizzabili può essere notevolmente ampliato mediante diverse tecniche. Una di queste è la divisione di frequenza, nella quale la frequenza di un oscillatore a cristallo viene ripetutamente divisa per 2 tramite divisori digitali, ottenendo così frequenze progressivamente più basse. Poiché eventuali piccoli errori di frequenza vengono ridotti dallo stesso processo di divisione, la frequenza finale risulta estremamente accurata. Inoltre, i cristalli possono essere fatti oscillare anche a multipli superiori della loro frequenza fondamentale. Tali multipli, detti overtones, possono essere selezionati mediante un circuito LC convenzionale. Combinando le tecniche di divisione di frequenza e di funzionamento in overtone, è possibile coprire un intervallo di frequenze cristalline molto più esteso.

Oscillatori a cristalli integrati

Nei circuiti elettronici moderni è sempre meno frequente l’impiego di oscillatori a cristallo realizzati con componenti discreti. Oggi sono ampiamente disponibili oscillatori a cristallo integrati già pronti all’uso. Sono reperibili sia oscillatori a onda quadra sia a onda sinusoidale. Si trovano sotto forma di moduli DIL (Dual In-Line) o SMT (Surface Mount Technology). Esso hanno un’ampia gamma di frequenze e caratteristiche elettriche. Negli oscillatori a onda sinusoidale destinati alle applicazioni di trasmissione radio, l’oscillatore costituisce direttamente la sorgente del segnale RF trasmesso. Di conseguenza, la precisione e la stabilità in frequenza risultano fondamentali. Le bande radio sono infatti generalmente congestionate da numerosi trasmettitori operanti in porzioni di spettro ben definite, per cui è essenziale che la frequenza di trasmissione rimanga stabile e non derivi, evitando interferenze con i canali adiacenti. Allo stesso modo, i ricevitori devono poter contare su frequenze di riferimento affidabili e ben note per una corretta sintonizzazione.

Molti oscillatori a cristallo sono in grado di mantenere la frequenza nominale entro poche parti per milione (ppm), tipicamente con variazioni comprese tra ±5 e ±50 Hz per ogni MHz della frequenza nominale. Tali prestazioni sono garantite su intervalli di temperatura generalmente compresi tra 0 e 70 °C per applicazioni consumer, e tra −55 e +85 °C per alcune applicazioni militari e aerospaziali.

Distorsione armonica

Un altro aspetto fondamentale è la bassissima distorsione armonica. In altre parole, l’oscillatore non deve generare componenti spettrali armoniche della frequenza nominale. Tutto questo darebbe luogo a emissioni indesiderate a frequenze aggiuntive. Per ridurre al minimo la distorsione armonica, l’onda sinusoidale prodotta deve essere il più possibile pura. A tal fine, sono disponibili oscillatori caratterizzati da una distorsione armonica totale (THD, Total Harmonic Distortion) estremamente ridotta, pari ad appena pochi punti percentuali della potenza della fondamentale.

Molti moduli oscillatori dispongono di soli tre terminali:

• alimentazione (+Vcc)
• massa (GND)
• uscita (OUT)

Alcuni includono pin aggiuntivi per funzioni di controllo. In genere, tali moduli sono in grado di pilotare carichi tipici da 50 Ω, fornendo un segnale di uscita compreso tra circa 500 mV e 1 V.

Poiché numerose caratteristiche di un oscillatore dipendono dalla temperatura, per le applicazioni più critiche vengono impiegati oscillatori a cristallo controllati in temperatura (OCXO, Oven-Controlled Crystal Oscillator). Questi dispositivi racchiudono il cristallo all’interno di un involucro riscaldato e regolato termostaticamente, così da mantenere la temperatura di funzionamento costante. Grazie a questa soluzione, è possibile limitare le variazioni di frequenza a valori tipicamente inferiori a una parte per milione e ridurre la distorsione armonica a meno dell’1%.

Conclusioni

Abbiamo visto in questo articolo il circuito oscillatore con il componente a cristallo di quarzo. Ricordiamo che abbiamo dedicato delle sezioni propedeutiche per questo argomento e che ci sono degli articoli articoli specifici sul funzionamento dei singoli componenti che caratterizzano i circuiti. Nella nostra sezione dedicata al Laboratorio di Elettrotecnica e di Elettronica ci sono articoli specifici sul funzionamento dei singoli componenti il Condensatore e l’Induttore.

Gli oscillatori elettronici

Gli oscillatori sono impiegati in tantissime applicazioni come:

• temporizzazione dei circuiti
• generazione di frequenze portanti per le telecomunicazioni
• strumenti di misura e test
• strumentazione del settore elettromedicale

Si definiscono oscillatori armonici quei circuiti elettronici in grado di generare un segnale a andamento sinusoidale. In sostanza, essi sono costituiti da un amplificatore la cui uscita viene riportata all’ingresso tramite una retroazione positiva, realizzata attraverso un filtro passa-banda.

Funzionamento e tipologie di oscillatori

Quando il circuito oscillatore viene alimentato, si verificano i seguenti fenomeni:

• l’amplificatore genera inevitabilmente del rumore in uscita;

• il circuito di retroazione riporta all’ingresso le componenti di rumore comprese nella banda di frequenza del filtro passa-banda, che vengono quindi amplificate;

• il processo si ripete fino al raggiungimento del regime di funzionamento stabile.

Gli oscillatori sinusoidali possono essere suddivisi in tre principali categorie, in base alle caratteristiche elettroniche dei rispettivi schemi circuitali:

• Oscillatori RC: utilizzano esclusivamente resistori e condensatori, oltre al componente attivo rappresentato dall’amplificatore. Tra i più noti si ricordano l’oscillatore a ponte di Wien, l’oscillatore a sfasamento, l’oscillatore a doppio T e l’oscillatore in quadratura.

• Oscillatori LC: impiegano resistori, induttori e condensatori insieme alla sezione amplificatrice. I circuiti RLC garantiscono oscillazioni più stabili e richiedono necessariamente l’uso di componenti elettronici aggiuntivi. Tra questi rientrano gli oscillatori di Hartley, di Meissner e di Colpitts, che verrà analizzato in dettaglio.

• Oscillatori al quarzo: sostituiscono il circuito LC con un cristallo di quarzo piezoelettrico. Grazie alle proprietà piezoelettriche del quarzo, questi oscillatori offrono un’elevata stabilità in frequenza e mantengono prestazioni costanti su un ampio intervallo di temperature. Uno dei più diffusi è l’oscillatore di Pierce.

L’oscillatore Hartley

L’oscillatore di Hartley è un circuito particolarmente adatto alla generazione di segnali sinusoidali di buona qualità nella banda RF, compresa approssimativamente tra 30 kHz e 30 MHz. Tuttavia, alle frequenze più elevate di questo intervallo, e oltre, si preferisce generalmente l’oscillatore Colpitts. L’oscillatore di Colpitts usa un partitore capacitivo, rendendolo più stabile e adatto alle alte frequenze rispetto alla bobina con presa centrale di Hartley. Sebbene entrambe le tipologie facciano uso di un circuito sintonizzato LC (detto circuito serbatoio) per determinare la frequenza di oscillazione, l’oscillatore di Hartley si distingue per la presenza di due induttori, indicati come L1 e L2.

Frequenza di oscillazione

• Reattanza induttiva: Xl = ωL o anche Xl = 2πf x L
• Reattanza capacitiva: Xc = 1/ωC o anche Xc = 1/2πf x C

dove L = L1+L2

Questa formula di base risulta valida quando l’induttanza mutua tra L1 e L2 può essere considerata trascurabile; al contrario, nel caso in cui tale induttanza sia significativa, la relazione deve essere opportunamente modificata.

Induttanza mutua nel caso reale analizzato

Nei circuiti che impiegano due piccoli induttori fissi, come quelli descritti in questo oscillatore, l’induttanza mutua risulta generalmente molto ridotta. Le prove sperimentali mostrano infatti che gli induttori devono essere quasi a contatto per produrre un effetto apprezzabile. Anche nel caso in cui l’induttanza mutua tra induttori di pochi microhenry si sommi o si sottragga al valore teorico della frequenza di oscillazione di un oscillatore RF di Hartley, la variazione ottenuta è solitamente paragonabile a quella dovuta alle tolleranze dei componenti impiegati nel circuito. Negli oscillatori di Hartley reali che utilizzano induttori avvolti su un nucleo comune, l’effetto della mutua induzione può invece diventare molto più rilevante. In questi casi esso dipende dal coefficiente di accoppiamento (k), il cui valore varia tra 0 e 1: k è prossimo a 1 quando l’accoppiamento magnetico è quasi totale, mentre assume valore nullo in assenza di accoppiamento tra i due induttori.

Il calcolo teorico del coefficiente k risulta piuttosto complesso, poiché l’accoppiamento reciproco è influenzato da numerosi fattori. Nella pratica, ci si limita spesso a stabilire se l’accoppiamento è debole o forte. Quando meno della metà del flusso magnetico generato da una bobina influenza l’altra, si assume che k sia inferiore a 0,5 e gli induttori vengono definiti debolmente accoppiati. Al contrario, se gli induttori condividono lo stesso nucleo senza spaziatura tra le avvolgimenti, essi sono considerati strettamente accoppiati e si presume che k assuma un valore compreso tra 0,5 e 1. Nella pratica, il nucleo comune di un induttore con presa utilizzato negli oscillatori RF è spesso regolabile. Questa soluzione consente di compensare eventuali variazioni di frequenza dovute all’induttanza mutua, intervenendo sulla posizione del nucleo e correggendo così con precisione la frequenza di oscillazione.

Il circuito LC

Il circuito LC che determina la frequenza di oscillazione è comunemente chiamato circuito serbatoio, poiché al suo interno circolano correnti molto più elevate rispetto a quelle che lo alimentano. Infatti in questa porzione di circuito circolano gli impulsi di corrente del collettore dell’amplificatore. Il suo principio di funzionamento è paragonabile a quello di un serbatoio, capace di fornire un flusso continuo anche quando l’alimentazione esterna è intermittente. Allo stesso modo, nel circuito del serbatoio dell’oscillatore circolano correnti elevate che vengono periodicamente reintegrate da piccole quantità di corrente provenienti dall’amplificatore.

Poiché la maggior parte della corrente dell’oscillatore circola all’interno del circuito di risonanza anziché attraversare la sezione amplificatrice, gli oscillatori LC sono in grado di:

• generare un’onda sinusoidale con una distorsione molto ridotta
• fornire la corretta quantità di feedback positivo necessaria a sostenere l’oscillazione.

Ciò si ottiene suddividendo il ramo induttivo in due sezioni con valori diversi: l’induttore si comporta quindi come un autotrasformatore, e il rapporto tra le due sezioni determina l’ampiezza del segnale di ritorno applicato all’ingresso dell’amplificatore.

La parte superiore di L1 è collegata a +Vcc ma, dal punto di vista dei segnali in corrente alternata, risulta connessa a massa tramite l’impedenza molto bassa del condensatore C5. Di conseguenza, la forma d’onda X su L1 e la forma d’onda Y sull’intero circuito risultano in fase. Poiché viene impiegato un amplificatore a base comune, anche i segnali di collettore ed emettitore sono in fase, consentendo al circuito del serbatoio di fornire feedback positivo. In altre configurazioni Hartley, ad esempio con amplificatori a emettitore comune, si utilizzano circuiti di risonanza analoghi ma con collegamenti differenti, in modo da garantire che il segnale di feedback sia sempre in fase con il segnale di ingresso, assicurando così il feedback positivo necessario al funzionamento dell’oscillatore.

Funzionamento dell’oscillatore

L’oscillatore analizzato in questo esempio utilizza un amplificatore a base comune. All’atto dell’alimentazione, l’amplificatore opera inizialmente in classe A con feedback positivo. Il circuito LC di risonanza riceve impulsi di corrente dal collettore e comincia a oscillare alla frequenza per cui è stato progettato. In questa fase iniziale:

1. il circuito del serbatoio ha un elevato guadagno di corrente, causando una rapida crescita dell’ampiezza del segnale di uscita.
2. quando oscillazioni si instaurano, una parte del segnale viene reinviata all’emettitore tramite il condensatore C2
3. Questo provoca l’accumulo di una tensione continua su R3, determinata principalmente dalla costante di tempo R3–C2, che è molto più grande del periodo dell’onda oscillante.
4. Con l’aumento della tensione sull’emettitore, il punto di lavoro dell’amplificatore si sposta gradualmente dalla classe A alla classe C.
5. Di conseguenza, la differenza di potenziale base-emettitore (V_BE) si riduce, poiché la tensione di base — fissata dal partitore R1/R2 — rimane pressoché costante mentre la tensione dell’emettitore cresce.
6. Questo restringe progressivamente la porzione della forma d’onda che può essere amplificata da TR1, fino a quando solo i picchi del segnale generano impulsi di corrente nel collettore.
7. Adesso, il guadagno complessivo dell’anello di retroazione si stabilizza a 1.
8. In questo stato di regime, il feedback positivo fornito dal circuito del serbatoio e il feedback negativo introdotto dalla rete C2–R3 risultano in equilibrio.

Qualsiasi variazione rispetto a questo equilibrio innesca automaticamente un meccanismo di correzione. Se l’ampiezza del segnale di uscita diminuisce, anche il feedback attraverso C2 si riduce, provocando una diminuzione della tensione sull’emettitore. Ciò rende V_BE meno negativo, aumentando la corrente di collettore e, di conseguenza, l’ampiezza dell’oscillazione nel circuito del serbatoio. L’aumento della corrente di collettore fa nuovamente crescere la tensione sull’emettitore e su R3, riportando il transistor in una condizione di conduzione più limitata. Questo processo di autoregolazione riduce nuovamente l’ampiezza dell’uscita, ristabilendo il guadagno dell’anello a valore unitario.

Un esempio pratico

Nello schema in figura un esempio pratico di oscillatore di Hartley che oscilla a frequenze che vanno dai 560kHz agli 1,7Mhz. Questo circuito oscillatore di Hartley produce un’onda sinusoidale in uscita superiore a 12 Vpp. La frequenza approssimativa viene impostata dai valori scelti per per il condensatore C3 del serbatoio. Funziona con una batteria da 9 V o con un alimentatore CC fino a 12 V. La corrente di alimentazione a 9 V è di circa 20 mA. Il circuito può essere costruito su una breadboard a scopo di test, dove si può verificare che il valore di R3, nello schema impostato a 470 ohm, è molto importante. Questa resistenza può essere sostituita con un valore leggermente inferiore per modificare il guadagno dell’amplificatore. Nel dettaglio l’elenco dei componenti:

Dopo aver eseguito su breadboard il circuito si possono eseguire le seguenti attività di verifica:

• Misurazioni con il circuito oscillante in classe C:

1. La corrente di alimentazione
2. La tensione di alimentazione
3. Tensione del collettore TR1
4. Tensione di base TR1
5. Tensione dell’emettitore TR1

• Bloccare temporaneamente le oscillazioni collegando un condensatore da 0,47 μF (non polarizzato) in R3 ed effettuare le seguenti misurazioni:

1. La corrente di alimentazione
2. Tensione del collettore TR1
3. Tensione di base TR1
4. Tensione dell’emettitore TR1

• Misurazione segnale in uscita

1. La tensione picco-picco
2. Livello DC dell’onda
3. Tempo periodico (T) dell’onda
4. Frequenza dell’onda (1/T)
5. Frequenza dell’onda calcolata da ƒ= 1/ 2π√(LC)

Conclusioni

Abbiamo visto in questo articolo il circuito oscillatore diHartley. Ricordiamo che abbiamo dedicato delle sezioni propedeuticche per questo argomento e che ci sono degli articoli articoli specifici sul funzionamento dei singoli componenti che caratterizzano il circuito. Nella nostra sezione dedicata al Laboratorio di Elettrotecnica e di Elettronica ci sono articoli specifici sul funzionamento dei singoli componenti il Condensatore e l’Induttore.

Gli oscillatori

Gli oscillatori sono impiegati in innumerevoli applicazioni come ad esempio:

• la temporizzazione di circuiti
• generazione di portanti per le telecomunicazioni
• strumenti elettromedicali
• strumenti di misura e test

Si definiscono oscillatori armonici quei circuiti elettronici che producono un segnale di andamento sinusoidale. Si tratta in pratica di un amplificatore in cui l’uscita è riportata all’ingresso con una retroazione positiva attraverso un filtro passa-banda.

Funzionamento e tipologie di oscillatori

Alimentando il circuito oscillatore si verificheranno i seguenti fenomeni:

• l’amplificatore produce inevitabilmente in uscita del rumore
• il circuito di reazione riporta in ingresso le componenti del rumore della frequenza del filtro passa-banda che verranno amplificate
• il ciclo si ripete fino a che si arriva al regime di funzionamento.

Gli oscillatori sinusoidali sono di tre principali categorie. Questa classificazione
emerge dalle caratteristiche elettroniche dei vari schemi circuitali. Possiamo quindi classificare gli oscillatori nelle seguenti categorie:

• Oscillatori RC. Nel circuito ci sono solo Resistori e Condensatori oltre al componente attivo che è l’amplificatore. Ricordiamo l’oscillatore a ponte di Wien, l’oscillatore a sfasamento, l’oscillatore a Doppio T, l’oscillatore in quadratura.
• Gli Oscillatori LC. Utilizzano Resistori, Induttori e Condensatori insieme alla parte amplificatore. Il circuito RLC ha oscillazioni più stabili e necessariamente deve utilizzare qualche componente elettronico aggiuntivo. Di questi oscillatori si ricordano quello di Hartley, quello di Messner e l’oscillatore di Colpitts che illustreremo nel dettaglio.
• Oscillatori con il quarzo. Questi oscillatori utilizzano un cristallo di quarzo piezoelettrico al posto del circuito LC. Grazie alle proprietà piezoelettriche dei cristalli di quarzo, questi oscillatori hanno una maggiore stabilità in frequenza e conservano le caratteristiche elettroniche lavorando con un insieme di temperature più ampio. Tra i più utilizzati ricordiamo l’oscillatore di Pierce.

L’oscillatore Colpitts

Questo circuito elettronico che prende il nome dal suo ideatore costituisce una soluzione semplice e affidabile per generare segnali di buona qualità. L’oscillatore è di tipo LC e la retroazione è di tipo ad accoppiamento induttivo. La retroazione avviene attraverso un trasformatore (Induttore L) scelto in modo opportuno. Ad esempio per frequenze levate si scelgono bobine avvolte in aria. Nel circuito di Colpitts ci sono due condensatori e la frequenza di risonanza può essere variata modificando il valore di uno dei due condensatori. Questo oscillatore ha un buon funzionamento per frequenze che raggiungono i 100 Mhz. Per realizzare oscillatori con frequenze inferiori ai 100 MHz si preferisce l’oscillatore di Hartley. L’oscillatore di Colpitts usa un partitore capacitivo, rendendolo più stabile e adatto alle alte frequenze rispetto alla bobina con presa centrale dell’oscillatore di Hartley.

Un esempio pratico

Nello schema in figura un esempio pratico di oscillatore di Colpitts che oscilla ad una frequenza di circa 31,6kHz. Questo circuito oscillatore di Colpitts produce un’onda sinusoidale in uscita superiore a 12 Vpp. La frequenza approssimativa viene impostata dai valori scelti per L1, C2 e C3. Funziona con una batteria da 9 V o con un alimentatore CC fino a 12 V. La corrente di alimentazione a 9 V è di circa 20 mA. Il circuito può essere costruito su una breadboard a scopo di test, dove si scoprirà che il valore di R3, nello schema impostato a 470 ohm, è piuttosto critico. Questa resistenza può essere sostituita con un valore leggermente inferiore per modificare il guadagno dell’amplificatore. Nel dettaglio l’elenco dei componenti:

Richiami teorici

• Reattanza induttiva: Xl = ωL o anche Xl = 2πf x L
• Reattanza capacitiva: Xc = 1/ωC o anche Xc = 1/2πf x C

Dopo aver eseguito su breadboard il circuito si possono eseguire le seguenti attività di verifica:

• Misurazioni con il circuito oscillante in classe C:

1. La corrente di alimentazione
2. La tensione di alimentazione
3. Tensione del collettore TR1
4. Tensione di base TR1
5. Tensione dell’emettitore TR1

• Bloccare temporaneamente le oscillazioni collegando un condensatore da 0,47 μF (non polarizzato) su L1 ed effettuare le seguenti misurazioni:

1. La corrente di alimentazione
2. Tensione del collettore TR1
3. Tensione di base TR1
4. Tensione dell’emettitore TR1

• Misurazione segnale in uscita

1. La tensione picco-picco
2. Livello DC dell’onda
3. Tempo periodico (T) dell’onda
4. Frequenza dell’onda (1/T)
5. Frequenza dell’onda calcolata da ƒ= 1/ 2π√(LC)

Le protezioni di iOS

Il sistema operativo iOS, adottato dagli iPhone, integra un’architettura di sicurezza avanzata basata su sandboxing, firma del codice e controllo rigoroso delle applicazioni. Tuttavia, tali meccanismi non rendono la piattaforma completamente immune da minacce informatiche. Anche su iPhone sono stati osservati casi di malware, sebbene con una diffusione inferiore rispetto ad altri sistemi operativi mobili.

Principali minacce per gli iphone

Le principali categorie di minacce includono spyware (come Pegasus), in grado di intercettare comunicazioni e dati personali; adware, responsabili della visualizzazione di contenuti pubblicitari invasivi; trojan (come GoldDigger, distribuito tramite TestFlight e capace di sottrarre anche dati biometrici); oltre a numerosi attacchi di phishing e social engineering. Queste minacce sfruttano vulnerabilità del sistema operativo, errori di configurazione o pratiche non sicure, quali l’installazione di applicazioni non ufficiali mediante sideloading o jailbreak, con l’obiettivo di compromettere informazioni sensibili, dati bancari e credenziali di autenticazione.

Tipologie di malware e minacce

Riassumiamo le principali tipologie di minacce e codice malevolo che possono compromettere la funzionalità del nostro iphone. Possiamo riassumerle essenzialmente in cinque grosse categorie:

• Spyware: software malevoli progettati per operare in modo occulto, capaci di raccogliere messaggi (iMessage, WhatsApp), contatti, fotografie, dati di localizzazione e, in alcuni casi, credenziali di applicazioni bancarie, trasmettendo tali informazioni a infrastrutture di comando e controllo esterne.
• Trojan (es. GoldDigger): malware sofisticati, difficili da rilevare, in grado di acquisire dati biometrici (Face ID), accedere a servizi finanziari e impiegare tecniche avanzate, come deepfake, per eludere i meccanismi di sicurezza. Sono spesso veicolati tramite applicazioni compromesse o distribuite al di fuori dei canali ufficiali.
• Adware: componenti software che generano pubblicità indesiderata sotto forma di pop-up, banner o reindirizzamenti, compromettendo l’esperienza utente e, in alcuni casi, la sicurezza del dispositivo.
• Ransomware: minaccia meno diffusa su iOS, ma potenzialmente in grado di limitare o bloccare l’accesso al dispositivo, richiedendo un riscatto per il ripristino della funzionalità.
• Phishing e Social Engineering: tecniche di attacco basate sull’ingegneria sociale, volte a indurre l’utente a interagire con link malevoli o a divulgare informazioni sensibili, sfruttando la fiducia o l’urgenza percepita.

Vettori di diffusione delle minacce su iPhone

Gli utenti dei dispositivi elettronici sono spesso i primi responsabili di attacchi malware e malfunzionamenti. Gli iphone non ne sono indenni specie se i possessori effettuano delle cattive pratiche di utilizzo. Anche in questo caso elenchiamo una serie di operazioni che è assolutamente necessario non fare. Quindi consigliamo nel modo più assuluto di evitare:

• Jailbreak: una pratica che rimuove le protezioni native di iOS, come il controllo della firma del codice, aumentando significativamente la superficie di attacco del dispositivo.
• Sideloading: l’installazione di applicazioni al di fuori dell’App Store ufficiale può introdurre software malevolo, soprattutto in seguito all’introduzione del sideloading in Europa a partire da iOS 17.4.
• Siti web dannosi: la navigazione su siti compromessi può innescare l’esecuzione di codice malevolo o facilitare l’installazione di spyware tramite exploit del browser o del sistema.
• App compromesse: anche applicazioni distribuite tramite App Store o TestFlight possono, in rari casi, presentare comportamenti malevoli o essere state compromesse dopo l’approvazione iniziale.

Misure di mitigazione e protezione del proprio smartphone

Non bisogna sottovalutare la sicurezza del proprio smartphone. Il suo funzionamento negli ultimi anni è diventato essenziale per tantissimi motivi. Transazioni finanziarie, pagamenti, rapporti con la pubblica amministrazione, smart working e chi più ne ha più ne metta. Tutto gestito da uno smarphone, e gli utenti di un iphone lo scelgono per la sua potenza ed efficienza. Per prevenire problemi le cose che bisogna sempre fare con regolarità sono le seguenti:

• Evitare il jailbreak: preservare l’integrità dei meccanismi di sicurezza nativi di iOS.
• Aggiornamenti regolari: mantenere iOS e le applicazioni costantemente aggiornati per correggere vulnerabilità note.
• Utilizzo esclusivo dell’App Store ufficiale: limitare l’installazione di app a fonti verificate e ufficiali.
• Gestione delle autorizzazioni: analizzare e limitare i permessi concessi alle applicazioni, applicando il principio del minimo privilegio.
• Prevenzione del phishing: evitare l’interazione con link sospetti ricevuti tramite SMS, email o messaggi istantanei.
• Soluzioni di sicurezza: valutare l’adozione di strumenti antivirus o anti-malware affidabili come ulteriore livello di difesa.

Conclusioni

Abbiamo visto come il sistema operativo iOS su iPhone non è immune da malware. Abbiamo premesso che è indispensabile che l’utente si deve mettere al riparo utilizzando in modo corretto il proprio iphone. Spesso i proprietari di un iphone sono convinti di possedere un dispositivo esente da minacce. Questa convinzione li distrae e a volte compiono con disinvoltura delle azioni vivamente sconsigliate. Abbiamo illustrato cosa evitare nell’utilizzo dello smartphone della Apple, la stessa logica è bene adottarla anche se si possiede uno smartphone con sistema operativo Android.