The oscilloscope for retro repairs: guide and simulator

Canale 1 in giallo, canale 2 in azzurro. Le frecce a sinistra segnano lo zero di ogni canale, la freccia arancione a destra il livello del trigger e quella in alto il punto del trigger. Si parte dal calibratore con una sonda da tarare: prova a girare la compensazione finché l'onda quadra ha gli spigoli dritti.

Channel 1 in yellow, channel 2 in cyan. The arrows on the left mark each channel's zero, the orange arrow on the right the trigger level and the one at the top the trigger point. You start on the calibrator with a probe that needs adjusting: turn the compensation until the square wave has straight corners.

Lo schermo è una griglia di 10 divisioni in orizzontale (il tempo) e 8 in verticale (la tensione). Tutti i comandi principali dicono quanto vale una divisione:

The screen is a grid of 10 horizontal divisions (time) and 8 vertical ones (voltage). Every main control sets what one division is worth:

Le sonde in dotazione hanno quasi sempre un interruttore 1x / 10x. In 10x la sonda divide la tensione per 10 e presenta al circuito circa 10 MΩ e pochi pF: disturba poco e passa tutta la banda dell'oscilloscopio. In 1x il circuito vede il cavo e l'ingresso dello strumento (decine di pF in più) e la banda scende a pochi MHz, spesso tra 6 e 35 MHz secondo il modello: un dot clock a 7,88 MHz diventa una specie di sinusoide.

• Lavora sempre in 10x, salvo segnali piccolissimi (pochi mV) e lenti.
• Il canale dell'oscilloscopio va impostato allo stesso valore della sonda. Se la sonda è su 10x e il canale su 1x, tutte le tensioni lette sono 10 volte più basse: un errore classico che fa sembrare guasto un clock sano.

The probes that come with a scope almost always have a 1x / 10x switch. In 10x the probe divides the voltage by 10 and loads the circuit with about 10 MΩ and a few pF: it barely disturbs it and passes the scope's full bandwidth. In 1x the circuit sees the cable and the scope input (tens of pF more) and bandwidth drops to a few MHz, often 6 to 35 MHz depending on the model: a 7.88 MHz dot clock turns into something like a sine wave.

• Always work in 10x, except for tiny (a few mV) slow signals.
• Set the scope channel to the same value as the probe. With the probe on 10x and the channel on 1x, every reading is 10 times too low: a classic mistake that makes a healthy clock look dead.

Una sonda 10x contiene un partitore con un piccolo condensatore regolabile che va adattato all'ingresso del tuo oscilloscopio. Si fa una volta per ogni sonda e per ogni canale: aggancia la sonda all'uscita del calibratore sul pannello (un'onda quadra a 1 kHz di qualche volt), metti circa 200 µs/div e gira il trimmer con il cacciavite di plastica finché gli spigoli sono dritti. Una sonda sovracompensata aggiunge punte su ogni fronte, una sottocompensata li arrotonda: in entrambi i casi misuri male ampiezze e tempi di salita.

A 10x probe contains a divider with a small adjustable capacitor that has to be matched to your scope input. You do it once per probe and per channel: hook the probe to the calibrator output on the front panel (a 1 kHz square wave of a few volts), set about 200 µs/div and turn the trimmer with the plastic screwdriver until the corners are square. An over-compensated probe adds spikes on every edge, an under-compensated one rounds them: either way, amplitudes and rise times come out wrong.

Il filo di massa con il coccodrillo è lungo 10–15 cm: è un'induttanza che, insieme alla capacità della sonda, forma un circuito risonante. Su ogni fronte veloce compaiono oscillazioni smorzate che nel circuito non esistono. Per i clock e i bus usa la mollettina di massa che si infila sulla punta, o un filo cortissimo verso il piedino GND più vicino. Il coccodrillo lungo va bene per segnali lenti: alimentazioni, audio, reset.

The ground lead with its alligator clip is 10–15 cm long: it is an inductance that, with the probe capacitance, makes a resonant circuit. Every fast edge then shows damped ringing that isn't really in the circuit. For clocks and buses use the ground spring that slips over the probe tip, or a very short wire to the nearest GND pin. The long clip lead is fine for slow signals: supplies, audio, reset.

La banda (in MHz) dice fino a che frequenza l'oscilloscopio misura senza attenuare. Un'onda quadra è fatta della sua frequenza più le armoniche dispari: per vederla ancora quadra serve almeno la 5ª armonica, quindi una banda di 5 volte la frequenza. Il tempo di salita più veloce che lo strumento riesce a mostrare è circa 0,35 / banda: 7 ns con 50 MHz, 3,5 ns con 100 MHz.

Bandwidth (in MHz) is the highest frequency the scope measures without attenuating it. A square wave is its frequency plus the odd harmonics: to still see it square you need at least the 5th harmonic, so a bandwidth of 5 times the frequency. The fastest rise time the scope can show is about 0.35 / bandwidth: 7 ns at 50 MHz, 3.5 ns at 100 MHz.

Per un C64 e un Amiga un oscilloscopio da 50–100 MHz a due canali va benissimo. Più della banda conta usarlo bene: sonda in 10x compensata, massa corta, trigger giusto.

For a C64 and an Amiga a two-channel 50–100 MHz scope is plenty. Using it well matters more than bandwidth: a compensated 10x probe, a short ground, the right trigger.

Un segnale da 1 MHz si ripete un milione di volte al secondo. Lo schermo invece si aggiorna qualche decina di volte al secondo: se ogni immagine partisse in un punto a caso del segnale, vedresti le onde scorrere e sovrapporsi. Il trigger fa partire ogni acquisizione nello stesso punto: quando il segnale attraversa il livello scelto nel verso scelto (salita o discesa). Così tutte le immagini combaciano e la traccia sta ferma.

• Livello: mettilo a metà dell'ampiezza (per i segnali TTL tra 1,5 e 2,5 V). Se è fuori dal segnale il trigger non scatta mai: il tasto 50% lo rimette in mezzo.
• Fronte: salita o discesa. Per i segnali attivi bassi come /RAS, /CAS o /RESET di solito interessa il fronte di discesa.

A 1 MHz signal repeats a million times a second. The screen only refreshes a few dozen times a second: if each picture started at a random point of the signal, you would see waves drifting and overlapping. The trigger starts every acquisition at the same point: when the signal crosses the chosen level in the chosen direction (rising or falling). All the pictures then line up and the trace stands still.

• Level: put it at half the amplitude (between 1.5 and 2.5 V for TTL signals). If it is outside the signal the trigger never fires: the 50% button puts it back in the middle.
• Slope: rising or falling. For active-low signals such as /RAS, /CAS or /RESET you usually want the falling edge.

Alcuni segnali sono fatti di raffiche: qualche impulso, una pausa, di nuovo qualche impulso. Ogni impulso della raffica soddisfa il trigger, quindi l'oscilloscopio si aggancia a volte al primo, a volte al terzo: le immagini non combaciano. L'holdoff dice allo strumento di ignorare i trigger per un certo tempo dopo l'ultimo valido. Se lo imposti più lungo della raffica e più corto della pausa, il trigger cade sempre sul primo impulso e l'immagine si ferma.

Some signals come in bursts: a few pulses, a gap, a few pulses again. Every pulse in the burst satisfies the trigger, so the scope locks sometimes on the first, sometimes on the third: the pictures don't line up. Holdoff tells the scope to ignore triggers for a set time after the last valid one. Set it longer than the burst and shorter than the gap and the trigger always lands on the first pulse: the picture stands still.

Una linea dati cambia in modo diverso a ogni ciclo: se fai trigger su di lei, ogni immagine è diversa e vedi solo un groviglio. Il trucco è mettere il secondo canale sul clock (Φ2 sul C64, o /RAS per le RAM) e prendere il trigger da quel canale. Il clock è perfettamente regolare, quindi l'asse dei tempi sta fermo, e sulla linea dati vedi le commutazioni sempre allo stesso punto del ciclo, con lo 0 e l'1 sovrapposti: si vede subito se i livelli sono buoni e se arrivano in tempo.

A data line changes differently on every cycle: trigger on it and each picture is different, so all you see is a tangle. The trick is to put the second channel on the clock (Φ2 on a C64, or /RAS for the RAMs) and take the trigger from that channel. The clock is perfectly regular, so the time axis stands still, and on the data line you see the transitions always at the same point of the cycle, with 0 and 1 overlaid: you can tell at once whether levels are good and on time.

Per i livelli logici TTL ricorda due soglie: un ingresso legge 0 sotto 0,8 V e 1 sopra 2 V. In mezzo c'è la zona proibita: un segnale che ci resta è un guasto. Le uscite sane danno meno di 0,4–0,5 V per lo 0 e più di 2,4–2,7 V per l'1. Gli esempi sono di un C64 PAL; le forme di /RAS e /CAS sono indicative, controlla i tempi esatti sullo schema della tua scheda.

For TTL logic levels remember two thresholds: an input reads 0 below 0.8 V and 1 above 2 V. In between is the forbidden zone: a signal that stays there is a fault. Healthy outputs give less than 0.4–0.5 V for a 0 and more than 2.4–2.7 V for a 1. Examples are from a PAL C64; the /RAS and /CAS shapes are indicative, check exact timings on your board's schematic.

Una linea bloccata a 1 sta sopra i 4 V con solo piccoli disturbi: può essere in corto con il +5 V o tenuta alta da un chip guasto (▶ prova). Per trovare il colpevole confronta la linea con le altre del bus: in un bus sano si assomigliano tutte.

A line stuck at 1 sits above 4 V with only small glitches: it can be shorted to +5 V or held high by a faulty chip (▶ try it). To find the culprit compare it with the other bus lines: on a healthy bus they all look alike.

Nel C64 le otto 4164 (64K × 1 bit) sono comandate dal VIC-II, che genera /RAS e /CAS (piedini 18 e 19). In ogni ciclo di Φ2 ci sono due accessi: con Φ2 basso legge il VIC-II, con Φ2 alto la CPU. Quindi /RAS scende due volte per ciclo, e /CAS lo segue poco dopo. Il /CAS che arriva alle RAM passa dalla PLA (segnale CASRAM): quando la CPU legge ROM o I/O manca. Sulle RAM: /RAS piedino 4, /CAS piedino 15, ingresso D piedino 2, uscita Q piedino 14.

In the C64 the eight 4164s (64K × 1 bit) are driven by the VIC-II, which makes /RAS and /CAS (pins 18 and 19). Each Φ2 cycle has two accesses: the VIC-II reads while Φ2 is low, the CPU while it is high. So /RAS falls twice per cycle and /CAS follows shortly after. The /CAS reaching the RAMs goes through the PLA (the CASRAM signal): it is missing when the CPU reads ROM or I/O. On the RAMs: /RAS pin 4, /CAS pin 15, D input pin 2, Q output pin 14.

All'accensione il circuito di reset (nel C64 un timer 556) tiene /RESET basso per una frazione di secondo, finché l'alimentazione è stabile, poi lo porta a 5 V e lo lascia lì. Si misura sul piedino 40 del 6510 con una base dei tempi lenta (100 ms/div), trigger NORMAL o SINGLE sul fronte di salita, poi spegni e riaccendi. Se resta basso la CPU non parte mai: schermo nero.

At power-on the reset circuit (a 556 timer in the C64) holds /RESET low for a fraction of a second, until the supply is stable, then takes it to 5 V and leaves it there. Measure it on pin 40 of the 6510 with a slow timebase (100 ms/div), NORMAL or SINGLE trigger on the rising edge, then power-cycle. If it stays low the CPU never starts: black screen.

Con il monitor collegato (75 Ω di carico) una riga PAL dura 64 µs (il VIC-II 6569 fa 63 cicli, 63,94 µs). Comincia con l'impulso di sincronismo da 0 V, lungo circa 4,7 µs, poi il livello del nero a 0,3 V con il burst di colore a 4,43 MHz, poi l'immagine fino a circa 1 V per il bianco. Trigger sul fronte di discesa del sincronismo, livello a 0,15 V. Senza carico le ampiezze raddoppiano.

With the monitor connected (75 Ω load) a PAL line lasts 64 µs (the 6569 VIC-II does 63 cycles, 63.94 µs). It starts with the sync pulse at 0 V, about 4.7 µs long, then black level at 0.3 V with the 4.43 MHz colour burst, then the picture up to about 1 V for white. Trigger on the falling edge of sync, level 0.15 V. Without a load, amplitudes double.

L'uscita audio del SID (piedino 27) porta il suono sopra una tensione continua di alcuni volt. In DC a 2 V/div vedi una riga spessa in alto; passa in AC a 0,2 V/div e appare la forma d'onda. Un SID muto mostra solo la continua: confronta con il segnale all'uscita audio della presa A/V per capire se il problema è nel SID o dopo.

The SID audio output (pin 27) carries the sound on top of a few volts of DC. In DC at 2 V/div you see a thick line near the top; switch to AC at 0.2 V/div and the waveform appears. A silent SID shows only DC: compare with the audio pin of the A/V socket to tell whether the problem is in the SID or after it.

Uno schermo nero vuol dire solo "la CPU non arriva a disegnare la schermata di avvio". Con l'oscilloscopio si va in ordine, dalla base verso l'alto: ogni misura esclude un blocco intero.

1. Alimentazione. Prima con il tester: +5 V tra 4,75 e 5,25 V, 9 V alternata presente. Poi con l'oscilloscopio in AC sul +5 V: qualche decina di mV di ripple è normale, centinaia di mV o picchi no. Vedi anche la guida Alimentatori.
2. /RESET sul piedino 40 del 6510: deve salire a 5 V poco dopo l'accensione e restarci. Se resta basso, guarda il circuito del 556 e i chip sulla linea.
3. Clock: Φ2 sul piedino 39 del 6510 deve essere una quadra pulita a 0,985 MHz (PAL), Φ0 sul piedino 1 uguale. Se manca, risali: Φ0 esce dal VIC-II (piedino 17), che riceve il dot clock (piedino 22) dal generatore di clock (8701 nelle schede più recenti, oscillatore discreto nelle prime).
4. Video: all'uscita composita ci sono i sincronismi ogni 64 µs? Se sì il VIC-II vive; se l'immagine è nera, il VIC-II non è stato programmato e il problema è la CPU o quello che legge.
5. Bus indirizzi e dati: trigger su Φ2 (CH2), sonda sulle linee una alla volta (D0–D7 sui piedini 37–30 del 6510, A0–A15 sui piedini 7–20, 22 e 23). Cerca linee ferme, a livello intermedio o con un aspetto diverso dalle sorelle. Un bus fermo del tutto con /RESET e Φ2 buoni fa pensare a CPU, ROM o PLA.
6. RAM: /RAS e /CAS arrivano a tutte e otto? Poi l'uscita Q (piedino 14) di ognuna: quella con il livello intermedio o ferma è la candidata. Le RAM e la PLA sono tra i guasti più frequenti del C64.

Una cartuccia di diagnostica (Dead Test) aiuta molto, ma funziona solo se reset, clock e bus sono almeno vivi: è proprio quello che verifichi con questi passi.

A black screen only means "the CPU never gets to draw the start-up screen". With the scope you go in order, from the bottom up: every measurement rules out a whole block.

1. Power. Multimeter first: +5 V between 4.75 and 5.25 V, 9 V AC present. Then the scope in AC on +5 V: a few tens of mV of ripple are normal, hundreds of mV or spikes are not. See also the Power supplies guide.
2. /RESET on pin 40 of the 6510: it must rise to 5 V shortly after power-on and stay there. If it stays low, look at the 556 circuit and the chips on that line.
3. Clock: Φ2 on pin 39 of the 6510 must be a clean 0.985 MHz square (PAL), Φ0 on pin 1 the same. If it's missing, work backwards: Φ0 comes from the VIC-II (pin 17), which gets the dot clock (pin 22) from the clock generator (an 8701 on later boards, a discrete oscillator on early ones).
4. Video: are there sync pulses every 64 µs at the composite output? If so the VIC-II is alive; if the picture is black, nobody programmed the VIC-II and the problem is the CPU or whatever it reads.
5. Address and data bus: trigger on Φ2 (CH2), probe the lines one at a time (D0–D7 on 6510 pins 37–30, A0–A15 on pins 7–20, 22 and 23). Look for lines that are frozen, at an in-between level or different from their siblings. A completely frozen bus with good /RESET and Φ2 points to the CPU, ROMs or PLA.
6. RAM: do /RAS and /CAS reach all eight? Then the Q output (pin 14) of each: the one with an in-between or frozen level is the suspect. RAMs and the PLA are among the most common C64 failures.

A diagnostic cartridge (Dead Test) helps a lot, but only works if reset, clock and bus are at least alive: exactly what these steps check.

• Per misurare su circuiti collegati alla rete usa un trasformatore di isolamento sull'apparecchio in prova oppure una sonda differenziale.
• Mai togliere la terra all'oscilloscopio (adattatori senza terra, spinotto tagliato): l'involucro e tutte le masse delle sonde potrebbero andare in tensione.
• Le masse dei due canali sono collegate tra loro: entrambe vanno sullo stesso punto, mai su due punti diversi.
• Controlla la tensione massima della sonda e dell'ingresso (scritta sulla sonda e sul pannello): una sonda 10x comune regge qualche centinaio di volt, una 1x molto meno.
• Non misurare l'alta tensione del tubo (anodo, focus): servono sonde apposite. Scarica i condensatori grossi prima di toccare.
• Su computer e schede arcade alimentati a bassa tensione (C64, Amiga, JAMMA) la massa del circuito è già a terra o flottante: lì il coccodrillo sulla massa della scheda è sicuro.

• To measure on mains-connected circuits use an isolation transformer on the device under test or a differential probe.
• Never remove the scope's earth (cheater plugs, cut pins): the case and every probe ground could become live.
• The two channels' grounds are tied together: both go to the same point, never to two different ones.
• Check the probe and input voltage ratings (printed on the probe and on the panel): a common 10x probe handles a few hundred volts, a 1x much less.
• Don't measure CRT high voltage (anode, focus): it needs dedicated probes. Discharge big capacitors before touching.
• On low-voltage computers and arcade boards (C64, Amiga, JAMMA) the circuit ground is already earthed or floating: there the clip on the board ground is safe.