Osciloscoape cu raze catodice - detalii de lucru și operaționale

În acest post vom discuta în detaliu cum funcționează osciloscoapele cu raze catodice (CRO) și construcția sa internă. De asemenea, vom învăța cum să folosim un CRO folosind diferitele controale și să înțelegem reprezentările grafice ale diferitelor semnale de intrare pe ecranul de afișare al lunetei.

Importanța osciloscoapelor cu raze catodice (CRO)

Știm că majoritatea circuitelor electronice implică și funcționează strict folosind forma de undă electronică sau forma de undă digitală, care sunt produse în mod normal ca frecvență. Aceste semnale joacă un rol important în astfel de circuite sub formă de informații audio, date de calculator, semnale TV, oscilatoare și generatoare de sincronizare (așa cum se aplică în radare) etc. Prin urmare, măsurarea corectă și corectă a acestor parametri devine foarte importantă în timpul testării și depanării acestor tipuri de circuite

Contoarele disponibile în mod obișnuit, cum ar fi multimetrele digitale sau multimetrele analogice, au facilități limitate și sunt capabile să măsoare numai tensiuni de curent continuu sau curent alternativ, curenți sau impedanțe. Unele contoare avansate sunt capabile să măsoare semnale de curent alternativ, dar numai dacă semnalul este foarte rafinat și sub formă de semnale sinusoidale specifice nedistorsionate. Prin urmare, aceste contoare nu reușesc să servească scopului atunci când vine vorba de analizarea circuitelor care implică forme de undă și cicluri temporizate.

În schimb, un osciloscop este un dispozitiv conceput pentru a accepta și măsura cu exactitate forma de undă, permițând utilizatorului să vizualizeze practic forma pulsului sau forma de undă.

CRO este unul dintre acele osciloscoape de înaltă calitate care permit utilizatorului să vadă o reprezentare vizuală a unei forme de undă aplicate în cauză.

Folosește un tub de raze catodice (CRT) pentru generarea afișajului vizual corespunzător semnalului aplicat la intrare ca formă de undă.

Fasciculul de electroni din interiorul CRT trece prin mișcări deviate (măturări) pe fața tubului (ecran) ca răspuns la semnalele de intrare, creând o urmă vizuală pe ecran reprezentând forma formei de undă. Aceste urme continue permit utilizatorului să examineze forma de undă și să testeze caracteristicile acesteia.

Caracteristica unui osciloscop de a produce imaginea reală a formei de undă devine foarte utilă în comparație cu multimetrele digitale care sunt capabile să furnizeze doar valori numerice ale formei de undă.

După cum știm cu toții, osciloscoapele cu raze catodice funcționează cu fascicule de electroni pentru a indica diferitele citiri de pe ecranul osciloscopului. Pentru devierea sau prelucrarea fasciculului pe orizontală, se numește operație tensiune de baleiaj este încorporat, în timp ce prelucrarea verticală se face prin tensiunea de intrare care este măsurată.

TUBUL RAYURILOR CATODICĂ - TEORIE ȘI CONSTRUCȚIE INTERNĂ

În interiorul unui osciloscop cu raze catodice (CRO), tubul cu raze catodice (CRT) devine componenta principală a dispozitivului. CRT devine responsabil pentru generarea imaginii complexe a formei de undă pe ecranul lunetei.

CRT cuprinde practic patru părți:

1. Un pistol de electroni pentru generarea fasciculului de electroni.
2. Componente de focalizare și accelerare pentru crearea unui fascicul precis de electroni.
3. Plăci de deviere orizontale și verticale pentru manipularea unghiului fasciculului de electroni.
4. O incintă de sticlă evacuată acoperită cu ecran fosforescent pentru a crea strălucirea vizibilă necesară ca răspuns la lovirea fasciculului de electroni de pe suprafața sa

Următoarea figură prezintă detaliile de bază ale construcției unui CRT

Acum să înțelegem cum funcționează CRT cu funcțiile sale de bază.

Cum funcționează osciloscopul cu raze catodice (CRO)

Un filament fierbinte în interiorul CRT este utilizat pentru încălzirea laturii catodului (K) a tubului constând dintr-un strat de oxid. Acest lucru are ca rezultat o eliberare instantanee de electroni de pe suprafața catodului.

Un element numit grila de control (G) controlează cantitatea de electroni care poate trece mai departe pe lungimea tubului. Nivelul de tensiune aplicat pe rețea determină cantitatea de electroni eliberați de catodul încălzit și câți dintre ei au voie să se deplaseze înainte spre fața tubului.

Odată ce electronii depășesc rețeaua de control, trec prin focalizarea ulterioară într-un fascicul ascuțit și o accelerație de mare viteză cu ajutorul accelerației anodice.

Acest fascicul de electroni foarte accelerat în faza următoare este trecut între câteva seturi de plăci de deviere. Unghiul sau orientarea primei plăci este menținută în așa fel încât să devieze fasciculul de electroni vertical în sus sau în jos. La rândul său, aceasta este controlată de polaritatea tensiunii aplicată pe aceste plăci.

De asemenea, cu cât este permisă devierea pe grindă este determinată de cantitatea de tensiune aplicată pe plăci.

Acest fascicul deviat controlat trece apoi printr-o accelerație mai mare prin tensiuni extrem de ridicate aplicate pe tub, ceea ce determină în cele din urmă fasciculul să lovească stratul de acoperire fosforescent al suprafeței interioare a tubului.

Acest lucru determină instantaneu strălucirea fosforului ca răspuns la lovirea fasciculului de electroni care generează strălucirea vizibilă pe ecran pentru utilizatorul care manipulează obiectivul.

CRT este o unitate completă independentă, având terminale adecvate ieșite prin baza spate în pinouturi specifice.

Diferite forme de CRT sunt disponibile pe piață în mai multe dimensiuni diferite, cu tuburi distincte acoperite cu fosfor și poziționarea electrodului de deflexie.

Să ne gândim acum la modul în care CRT este utilizat într-un osciloscop.

Modelele de formă de undă pe care le vizualizăm pentru un anumit eșantion de semnal sunt executate în acest fel:

Pe măsură ce tensiunea de măturare mișcă fasciculul de electroni orizontal pe fața interioară a ecranului CRT, semnalul de intrare care se măsoară simultan forțează fasciculul să devieze vertical, generând modelul necesar pe graficul ecranului pentru analiza noastră.

Ce este o singură măturare

Fiecare măturare a fasciculului de electroni de pe ecranul CRT este urmată de un interval de timp „gol” fracționat. În timpul acestei faze goale, fasciculul este scurt oprit până când ajunge la punctul de pornire sau la partea extremă anterioară a ecranului. Se numește acest ciclu al fiecărei măturări „o mișcare a fasciculului”

Pentru a obține o afișare stabilă a formei de undă pe ecran, se presupune că fasciculul de electroni este „măturat” în mod repetat de la stânga la dreapta și invers, folosind o imagine identică pentru fiecare măturare.

Pentru a realiza acest lucru, devine necesară o operație numită sincronizare, care asigură revenirea fasciculului și repetarea fiecărei măturări din exact același punct de pe ecran.

Când este sincronizat corect, modelul de formă de undă de pe ecran apare stabil și constant. Cu toate acestea, dacă sincronizarea nu este aplicată, forma de undă pare să se deplaseze încet orizontal de la un capăt al ecranului către celălalt capăt în mod continuu.

Componente de bază CRO

Elementele esențiale ale unui CRO pot fi observate în Fig. 22.2 de mai jos. Vom analiza în primul rând detaliile operaționale ale CRO pentru această diagramă bloc de bază.

Pentru a obține o deviere semnificativă și recunoscută a fasciculului prin cel puțin un centimetru până la câțiva centimetri, nivelul tipic de tensiune utilizat pe plăcile de deviere trebuie să fie minim la zeci sau chiar sute de volți.

Datorită faptului că impulsurile evaluate printr-un CRO de obicei la doar câțiva volți în mărime sau cel mult la câteva milivolți, devin necesare circuite de amplificare adecvate pentru a crește semnalul de intrare până la nivelurile optime de tensiune necesare pentru a rula tubul.

De fapt, sunt utilizate trepte de amplificare care ajută la devierea fasciculului atât pe planul orizontal, cât și pe cel vertical.

Pentru a putea adapta nivelul semnalului de intrare care este analizat, fiecare impuls de intrare trebuie să treacă printr-o etapă a circuitului atenuatorului, concepută pentru a spori amplitudinea afișajului.

FUNCȚIONARE CU MĂSURAREA TENSIUNII

Operațiunea de măturare a tensiunii este implementată în modul următor:

În situațiile în care intrarea verticală este menținută la 0V, fasciculul de electroni ar trebui să fie văzut în centrul vertical al ecranului. Dacă un 0V este aplicat în mod identic la intrarea orizontală, fasciculul este poziționat în centrul ecranului, aparând ca un solid și papetărie PUNCT in centru.

Acum, acest „punct” ar putea fi mutat oriunde pe fața ecranului, prin simpla manipulare a butoanelor de control orizontale și verticale ale osciloscopului.

Poziția punctului poate fi modificată și printr-o tensiune de curent continuu specifică introdusă la intrarea osciloscopului.

Următoarea figură arată cum poate fi controlată exact poziția punctului pe un ecran CRT printr-o tensiune orizontală pozitivă (spre dreapta) și o tensiune de intrare verticală negativă (în jos de la centru).

Semnal de baleiaj orizontal

Pentru ca un semnal să devină vizibil pe afișajul CRT, devine imperativ să permiți o deviere a fasciculului printr-o mătură orizontală pe ecran, astfel încât orice intrare de semnal verticală corespunzătoare să permită reflectarea schimbării pe ecran.

Din Fig. 22.4 de mai jos putem vizualiza linia dreaptă pe afișaj obținută datorită unei alimentări pozitive de tensiune la intrarea verticală printr-un semnal liniar (din dinte de ferăstrău) aplicat canalului orizontal.

Când fasciculul de electroni este ținut pe o distanță verticală fixă ​​selectată, tensiunea orizontală este forțată să călătorească de la negativ la zero la pozitiv, determinând fasciculul să se deplaseze din partea stângă a ecranului, în centru și în partea dreaptă a ecran. Această mișcare a fasciculului de electroni generează o linie dreaptă deasupra centrului de referință vertical, afișând o tensiune de curent continuu adecvată sub forma unei linii de lumină a stelelor.

În loc să producă o singură măturare, tensiunea de măturare este implementată pentru a funcționa ca o formă de undă continuă. Acest lucru este în esență pentru a asigura o afișare consecventă care să fie vizibilă pe ecran. Dacă se folosește o singură măturare, aceasta nu ar dura și ar dispărea instantaneu.

De aceea, sunt generate măturări repetate pe secundă în interiorul CRT, ceea ce dă o aparență de formă de undă continuă pe ecran, datorită persistenței noastre vizuale.

Dacă reducem rata de măturare de mai sus, în funcție de scara de timp furnizată pe osciloscop, pe ecran se poate vedea impresia reală în mișcare a fasciculului. Dacă se aplică doar un semnal sinusoidal la intrarea verticală fără prezența măturării orizontale, am vedea o linie dreaptă verticală așa cum este prezentată în Fig. 22.5.

Și dacă viteza acestei intrări verticale sinusoidale este suficient de redusă ne permite să vedem fasciculul de electroni călând în sus de-a lungul căii unei linii drepte.

Utilizarea liniarului Sawtooth Sweep pentru a afișa intrarea verticală

Dacă sunteți interesat să examinați un semnal cu undă sinusoidală, va trebui să utilizați un semnal de măturare pe canalul orizontal. Acest lucru va permite semnalului aplicat pe canalul vertical să devină vizibil pe ecranul CRO.

Un exemplu practic poate fi văzut în Fig. 22.6, care prezintă o formă de undă generată prin utilizarea unei baleieri liniare orizontale împreună cu o intrare sinusoidală sau sinusoidală prin canalul vertical.

Pentru a obține un singur ciclu pe ecran pentru intrarea aplicată, devine esențială o sincronizare a semnalului de intrare și a frecvențelor de măturare liniară. Chiar și cu o diferență de minut sau sincronizarea incorectă, afișajul poate să nu arate nicio mișcare.

Dacă frecvența de măturare este redusă, un număr mai mare de cicluri ale semnalului de intrare sinusoidală ar putea fi vizibil pe ecranul CRO.

Pe de altă parte, dacă creștem frecvența de măturare, am permite un număr mai mic de cicluri de semnal sinusoidal de intrare verticală să fie vizibile pe ecran. Acest lucru ar rezulta, de fapt, în generarea unei porțiuni mărite a semnalului de intrare aplicat pe ecranul CRO.

Exemplu practic rezolvat:

În Fig.22.7 putem vedea ecranul osciloscopului afișând un semnal pulsat ca răspuns la o formă de undă asemănătoare impulsului aplicată intrării verticale cu o baleiaj orizontală

Numerotarea pentru fiecare formă de undă permite afișajului să urmărească variațiile semnalului de intrare și tensiunea de măturare pentru fiecare ciclu.

Sincronizare și declanșare

Ajustările în osciloscopul cu raze catodice se execută prin ajustarea vitezei în termeni de frecvență, pentru a produce un singur ciclu al unui impuls, multe numere de cicluri sau o porțiune a unui ciclu de formă de undă, iar această caracteristică devine una dintre CRO este o caracteristică crucială a oricărui CRO.

În Fig.22.8 putem vedea ecranul CRO afișând un răspuns pentru câteva cicluri ale semnalului de măturare.

Pentru fiecare execuție a tensiunii de măturare orizontală a dinților de ferăstrău printr-un ciclu de măturare liniară (având o limită de la limita maximă negativă de zero la maxim pozitivă), face ca fasciculul de electroni să se deplaseze orizontal pe zona ecranului CRO, începând de la stânga, până la centru și apoi la dreapta ecranului.

După aceasta, tensiunea din dinte de fierăstrău revine rapid la limita de tensiune negativă de pornire, fasciculul de electroni deplasându-se în mod corespunzător în partea stângă a ecranului. În această perioadă de timp când tensiunea de maturare suferă o revenire rapidă la negativ (retragere), electronul trece printr-o fază goală (în care tensiunea rețelei inhibă electronii să lovească fața tubului)

Pentru a permite afișajului să producă o imagine de semnal stabilă pentru fiecare măturare a fasciculului, devine esențială inițierea măturării din același punct exact din ciclul semnalului de intrare.

În Fig.22.9 putem vedea că o frecvență de măturare destul de scăzută care determină afișarea să producă apariția unei derive laterale stânga a fasciculului.

Atunci când este setat la o frecvență mare de măturare, așa cum s-a dovedit în Figura 22.10, afișajul produce o apariție a unei derive laterale a fasciculului pe ecran.

Inutil să spun că poate fi foarte dificil sau impracticabil să reglați frecvența semnalului de măturare exact egală cu frecvența semnalului de intrare pentru a obține o măturare constantă sau constantă pe ecran.

O soluție mai fezabilă este să așteptați ca semnalul să revină la punctul de plecare al urmelor într-un ciclu. Acest tip de declanșare include câteva caracteristici bune pe care le vom discuta în paragrafele următoare.

Declanșarea

Abordarea standard pentru sincronizare utilizează o mică parte din semnalul de intrare pentru comutarea generatorului de măturare, ceea ce forțează semnalul de măturare să se blocheze sau să se blocheze cu semnalul de intrare, iar acest proces sincronizează cele două semnale împreună.

În Fig. 22.11 putem vedea diagrama bloc care ilustrează extragerea unei porțiuni a semnalului de intrare într-un osciloscop monocanal.

Acest semnal de declanșare este extras din frecvența liniei de rețea AC (50 sau 60Hz) pentru analiza oricărui semnal extern care poate fi asociat sau preocupat de rețeaua de curent alternativ sau poate fi un semnal asociat aplicat ca intrare verticală în CRO.

Când comutatorul selector este comutat către „INTERN”, o porțiune a semnalului de intrare poate fi utilizată de circuitul generatorului de declanșare. Apoi, ieșirea generatorului declanșator de ieșire este utilizată pentru a iniția sau porni măturarea principală a CRO, care rămâne vizibilă pentru o perioadă stabilită de controlul timp / cm al lunetei.

Inițializarea declanșării în mai multe puncte diferite de-a lungul unui ciclu de semnal poate fi vizualizată în Fig. 22.12. Funcționarea măturării declanșatorului ar putea fi, de asemenea, analizată prin modelele rezultate ale formelor de undă.

Semnalul care este aplicat ca intrare este utilizat pentru generarea unei forme de undă de declanșare pentru semnalul de măturare. Așa cum se arată în Fig 22.13, măturarea este inițiată cu ciclul semnalului de intrare și se menține pentru o perioadă decisă de setarea controlului lungimii măturării. Ulterior, operația CRO așteaptă până când semnalul de intrare atinge un punct identic în ciclul său înainte de a iniția o nouă operație de măturare.

Metoda de declanșare explicată mai sus permite procesul de sincronizare, în timp ce numărul de cicluri care pot fi vizualizate pe afișaj este determinat de lungimea semnalului de baleiaj.

FUNCȚIE MULTITRASĂ

Multe dintre CRO-urile avansate facilitează vizualizarea simultană a mai multor sau mai multe urme pe ecranul de afișare, ceea ce permite utilizatorului să compare cu ușurință caracteristicile speciale sau alte caracteristici specifice mai multor forme de undă.

Această caracteristică este în mod normal implementată folosind mai multe fascicule de la mai multe tunuri de electroni, care generează fascicul individual pe ecranul CRO, însă uneori aceasta este executată și printr-un singur fascicul de electroni.

Există câteva tehnici care sunt folosite pentru generarea urmelor multiple: ALTERNATE și CHOPPED. În modul alternativ, cele două semnale disponibile la intrare sunt conectate alternativ la etapa circuitului de deviere printr-un comutator electronic. În acest mod, fasciculul este măturat pe ecranul CRO, indiferent de câte urme trebuie afișate. După aceasta, comutatorul electronic alege alternativ al doilea semnal și face același lucru și pentru acest semnal.

Acest mod de funcționare poate fi observat în Fig. 22.14a.

Fig 22.14b demonstrează modul de funcționare CHOPPED în care fasciculul trece printr-o comutare repetitivă pentru selectarea dintre cele două semnale de intrare pentru fiecare semnal de baleiaj al fasciculului. Această acțiune de comutare sau tăiere rămâne nedetectabilă pentru frecvențe relativ mai mici ale semnalului și este văzută aparent ca două urme individuale pe ecranul CRO.

Cum se măsoară forma de undă prin scale CRO calibrate

Este posibil să fi văzut că ecranul afișajului CRO constă dintr-o scală calibrată clar marcată. Acest lucru este furnizat pentru măsurările amplitudinilor și factorului de timp pentru o formă de undă aplicată în cauză.

Unitățile marcate sunt vizibile ca niște cutii care sunt împărțite în 4 centimetri (cm) de ambele părți ale casetelor. Fiecare dintre aceste cutii este împărțită suplimentar în intervale de 0,2 cm.

Măsurarea amplitudinilor:

Scara verticală de pe ecranul RO poate fi văzută calibrată fie în volți / cm (V / cm), fie în milivolți / cm (mV / cm).

Cu ajutorul setărilor butoanelor de control ale lunetei și a marcajelor prezentate pe fața afișajului, utilizatorul poate măsura sau analiza amplitudinile vârf-la-vârf ale unui semnal de formă de undă sau de obicei un semnal de curent alternativ.

Iată un exemplu practic rezolvat pentru a înțelege cum se măsoară amplitudinea pe ecranul CRO:

Notă: Acesta este avantajul unui osciloscop împotriva multimetrelor, deoarece multimetrele furnizează doar valoarea RMS a semnalului de curent alternativ, în timp ce un scop este capabil să furnizeze atât valoarea RMS, cât și valoarea de vârf la vârf a semnalului.

Măsurarea sincronizării (perioadei) unui ciclu de curent alternativ utilizând osciloscopul

Scara orizontală furnizată pe ecranul unui osciloscop ne ajută să determinăm sincronizarea unui ciclu de intrare în secunde, în milisecunde (ms) și în microsecunde (μs), sau chiar în nanosecunde (ns).

Intervalul de timp consumat de un impuls pentru a finaliza un ciclu de la început până la sfârșit se numește perioada pulsului. Când acest impuls este sub forma unei forme de undă repetitive, perioada sa se numește un ciclu al formei de undă.

Iată un exemplu practic rezolvat care arată cum se determină perioada unei forme de undă utilizând calibrarea ecranului CRO:

Măsurarea lățimii impulsului

Fiecare formă de undă este alcătuită din vârfuri de tensiune maximă și minimă numite stări înalte și joase ale impulsului. Intervalul de timp pentru care pulsul rămâne la stările sale HIGH sau LOW se numește lățimea impulsului.

Pentru impulsurile ale căror margini cresc și scad foarte brusc (rapid), lățimea acestor impulsuri este măsurată de la începutul impulsului numit marginea de conducere până la sfârșitul impulsului numit marginea de ieșire, acest lucru este prezentat în Fig. 22.19a.

Pentru impulsurile care au cicluri de creștere și cădere destul de lente sau lente (de tip exponențial), lățimea pulsului lor este măsurată de-a lungul nivelurilor lor de 50% în cicluri, așa cum este indicat în Fig. 22.19b.

Următorul exemplu rezolvat ajută la înțelegerea procedurii de mai sus într-un mod mai bun:

Înțelegerea întârzierii impulsurilor

Spațiul intervalului de timp dintre impulsuri într-un ciclu de impulsuri se numește întârziere a impulsului. Un exemplu de întârziere a impulsului poate fi văzut în figura 22.21 de mai jos, putem vedea că întârzierea este măsurată aici între punctul de mijloc sau nivelul de 50% și punctul de pornire al impulsului.

Figura 22.21

Exemplu practic rezolvat care arată cum se măsoară întârzierea pulsului în CRO

Concluzie:

Am încercat să includ cele mai multe detalii de bază cu privire la modul în care funcționează osciloscopul cu raze catodice (CRO) și am încercat să explic cum să utilizați acest dispozitiv pentru măsurarea diferitelor semnale bazate pe frecvență prin ecranul său calibrat. Cu toate acestea, pot exista încă multe alte aspecte pe care aș fi putut să le pierd aici, totuși voi continua să verific din când în când și să actualizez mai multe informații ori de câte ori este posibil.

Referinţă: https://en.wikipedia.org/wiki/Oscilloscope