Osciloskopy pre katódové lúče - pracovné a prevádzkové podrobnosti

V tomto príspevku sa budeme podrobne zaoberať tým, ako fungujú katódové lúčové osciloskopy (CRO) a jeho vnútornou konštrukciou. Naučíme sa tiež, ako používať CRO pomocou rôznych ovládacích prvkov a porozumieť grafickému znázorneniu rôznych vstupných signálov na obrazovke rozsahu.

Dôležitosť katódových lúčov (CRO)

Vieme, že väčšina elektronických obvodov striktne zahŕňa a pracuje s použitím elektronického priebehu alebo digitálneho priebehu, ktoré sa zvyčajne vytvárajú ako frekvencia. Tieto signály v týchto obvodoch zohrávajú dôležitú úlohu vo forme zvukových informácií, počítačových údajov, televíznych signálov, oscilátorov a generátorov časovania (používaných v radaroch) atď. Preto je presné a správne meranie týchto parametrov pri testovaní a riešení problémov s týmito typmi veľmi dôležité. obvodov

Bežne dostupné merače, ako sú digitálne multimetre alebo analógové multimetre, majú obmedzené možnosti a sú schopné merať iba jednosmerné alebo striedavé napätie, prúd alebo impedanciu. Niektoré pokročilé merače sú schopné merať striedavé signály, ale iba ak je signál veľmi jemný a vo forme špecifických neskreslených sínusových signálov. Preto tieto merače neslúžia účelu, pokiaľ ide o analýzu obvodov zahŕňajúcich priebeh a časované cykly.

Naproti tomu osciloskop je zariadenie, ktoré je určené na presné prijímanie a meranie tvaru vlny, čo umožňuje užívateľovi prakticky vizualizovať tvar impulzu alebo tvaru vlny.

CRO je jedným z tých vysoko kvalitných osciloskopov, ktoré umožňujú užívateľovi vidieť vizuálne znázornenie použitého tvaru vlny.

Využíva katódovú trubicu (CRT) na generovanie vizuálneho zobrazenia zodpovedajúceho signálu aplikovanému na vstupe ako tvar vlny.

Elektrónový lúč vo vnútri CRT prechádza vychýlenými pohybmi (zametaniami) po povrchu trubice (obrazovky) v reakcii na vstupné signály, čím na obrazovke vytvára vizuálnu stopu predstavujúcu tvar tvaru vlny. Tieto spojité stopy potom umožňujú užívateľovi preskúmať priebeh a otestovať jeho vlastnosti.

Funkcia osciloskopu vytvárať skutočný obraz krivky sa stáva veľmi užitočnou v porovnaní s digitálnymi multimetrami, ktoré sú schopné poskytnúť iba číselné hodnoty krivky.

Ako všetci vieme, osciloskopy s katódovým lúčom pracujú s elektrónovými lúčmi na indikáciu rôznych údajov na obrazovke osciloskopu. Na vychýlenie alebo horizontálne spracovanie lúča sa nazýva operácia zametacie napätie , zatiaľ čo vertikálne spracovanie sa vykonáva vstupným napätím, ktoré sa meria.

KATHODOVÁ RÚRA - TEÓRIA A VNÚTORNÁ STAVBA

Vo vnútri katódového osciloskopu (CRO) sa hlavnou súčasťou prístroja stáva katódová trubica (CRT). CRT sa stáva zodpovedným za generovanie komplexného zobrazovania tvaru vlny na obrazovke rozsahu.

CRT sa v zásade skladá zo štyroch častí:

1. Elektrónová pištoľ na generovanie elektrónového lúča.
2. Zaostrovacie a urýchľovacie komponenty na vytváranie presného zväzku elektrónov.
3. Horizontálne a vertikálne vychyľovacie dosky na manipuláciu s uhlom elektrónového lúča.
4. Evakuované sklenené puzdro pokryté fosforeskujúcou clonou na vytvorenie požadovanej viditeľnej žiary v reakcii na dopad elektrónového lúča na jeho povrch.

Nasledujúci obrázok predstavuje základné konštrukčné podrobnosti CRT

Teraz pochopme, ako CRT pracuje so svojimi základnými funkciami.

Ako funguje katódový lúčový osciloskop (CRO)

Horúce vlákno vo vnútri CRT sa používa na ohrev katódovej (K) strany trubice pozostávajúcej z oxidového povlaku. To má za následok okamžité uvoľnenie elektrónov z povrchu katódy.

Prvok nazývaný riadiaca mriežka (G) riadi množstvo elektrónov, ktoré môžu prechádzať ďalej po celej dĺžke trubice. Úroveň napätia aplikovaného na mriežku určuje množstvo elektrónov uvoľnených z ohriatej katódy a koľko z nich sa môže pohybovať dopredu k čelu trubice.

Akonáhle elektróny prekonajú riadiacu mriežku, prechádzajú následným zaostrením do ostrého lúča a zrýchlenia vysokou rýchlosťou pomocou anódového zrýchlenia.

Tento vysoko akcelerovaný elektrónový lúč v ďalšej fáze prechádza medzi niekoľkými sadami vychyľovacích dosiek. Uhol alebo orientácia prvej platne sa udržuje takým spôsobom, že vychyľuje elektrónový lúč vertikálne nahor alebo nadol. To je zase riadené polaritou napätia aplikovanou na tieto dosky.

O tom, koľko je povolené vychýlenie lúča, sa rozhoduje aj podľa množstva napätia privádzaného na dosky.

Tento riadený vychýlený lúč potom prechádza väčším zrýchlením prostredníctvom extrémne vysokých napätí aplikovaných na rúrku, čo nakoniec spôsobí, že lúč dopadne na povlak fosforeskujúcej vrstvy vnútorného povrchu rúrky.

To okamžite spôsobí, že fosfor zažiari v reakcii na úder elektrónového lúča, ktorý generuje viditeľnú žiaru na obrazovke pre používateľa, ktorý manipuluje s rozsahom.

CRT je samostatná úplná jednotka s príslušnými svorkami vyčnievajúcimi cez zadnú základňu do konkrétnych vývodov.

Na trhu sú dostupné rôzne formy CRT v mnohých rôznych rozmeroch, s odlišnými trubicami pokrytými fosforom a umiestnením vychyľovacej elektródy.

Poďme sa teraz zamyslieť nad spôsobom, akým sa CRT používa v osciloskope.

Vzorky kriviek, ktoré vizualizujeme pre daný vzorový signál, sa vykonávajú týmto spôsobom:

Keď zametacie napätie pohybuje elektrónovým lúčom horizontálne na vnútornej strane obrazovky CRT, vstupný signál, ktorý sa meria súčasne, núti lúč sa odkloniť vertikálne, čím sa na obrazovke vytvorí požadovaný vzor pre našu analýzu.

Čo je to Single Sweep

Po každom prechode elektrónovým lúčom na obrazovke CRT nasleduje zlomkový „prázdny“ časový interval. Počas tejto slepej fázy sa lúč krátko vypne, kým nedosiahne počiatočný bod alebo predchádzajúcu krajnú stranu obrazovky. Tento cyklus každého zametania sa nazýva „jedno zametanie lúča“

Na získanie stabilného zobrazenia tvaru vlny na obrazovke sa predpokladá, že elektrónový lúč je opakovane „vymetaný“ zľava doprava a naopak s použitím rovnakého zobrazenia pre každé prepletenie.

Aby ste to dosiahli, je nevyhnutná operácia nazývaná synchronizácia, ktorá zabezpečí, že sa lúč vráti a zopakuje každé zametanie z presne rovnakého bodu na obrazovke.

Pri správnej synchronizácii sa vzor krivky na obrazovke javí stabilný a konštantný. Ak sa však synchronizácia nepoužije, zdá sa, že sa priebeh vlny pomaly horizontálne posúva od jedného konca obrazovky smerom k druhému koncu nepretržite.

Základné komponenty CRO

Základné prvky CRO možno vidieť na obrázku 22.2 nižšie. Budeme primárne analyzovať prevádzkové podrobnosti CRO pre tento základný blokový diagram.

Na dosiahnutie zmysluplného a rozpoznateľného vychýlenia lúča najmenej o jeden centimeter až niekoľko centimetrov musí byť typická úroveň napätia použitého na vychyľovacích platniach minimálna pri desiatkach alebo dokonca stovkách voltov.

Vzhľadom na skutočnosť, že impulzy hodnotené prostredníctvom CRO zvyčajne majú veľkosť iba niekoľkých voltov alebo najviac niekoľko milivoltov, sú potrebné vhodné zosilňovacie obvody na zvýšenie vstupného signálu na optimálnu úroveň napätia potrebnú na spustenie elektrónky.

V skutočnosti sa používajú stupne zosilňovača, ktoré pomáhajú vychýliť lúč tak v horizontálnej, ako aj vo vertikálnej rovine.

Aby bolo možné prispôsobiť úroveň vstupného signálu, ktorý sa analyzuje, musí každý vstupný impulz prechádzať fázou útlmového obvodu určenou na zvýšenie amplitúdy displeja.

PREVÁDZKA NAPÄTIA

Operácia rozmietania napätia je implementovaná nasledujúcim spôsobom:

V situáciách, keď je vertikálny vstup udržiavaný na 0 V, predpokladá sa, že elektrónový lúč je viditeľný vo vertikálnom strede obrazovky. Ak sa na vodorovný vstup použije rovnaká hodnota 0 V, lúč sa umiestni do stredu obrazovky a bude vyzerať ako plné teleso a papier. BODKA v strede.

Teraz je možné túto „bodku“ presunúť kamkoľvek po celej ploche obrazovky jednoduchou manipuláciou s vodorovnými a zvislými ovládacími tlačidlami osciloskopu.

Pozíciu bodu je možné meniť aj pomocou špecifického jednosmerného napätia zavedeného na vstup osciloskopu.

Nasledujúci obrázok ukazuje, ako presne je možné riadiť polohu bodu na obrazovke CRT pozitívnym horizontálnym napätím (smerom doprava) a negatívnym vertikálnym vstupným napätím (smerom dole od stredu).

Horizontálny zametací signál

Aby sa signál stal viditeľným na displeji CRT, je nevyhnutné umožniť vychýlenie lúča cez vodorovný pohyb po obrazovke, takže akýkoľvek zodpovedajúci vertikálny vstup signálu umožňuje, aby sa zmena odrazila na obrazovke.

Z obrázka 22.4 nižšie môžeme vizualizovať priamu čiaru na displeji, ktorá je výsledkom pozitívneho napájacieho napätia na vertikálny vstup prostredníctvom lineárneho (pílovitého) signálu zametania aplikovaného na horizontálny kanál.

Keď sa elektrónový lúč drží nad zvolenou pevnou zvislou vzdialenosťou, vodorovné napätie je nútené prechádzať z negatívneho na nulové do kladného, ​​čo spôsobí, že lúč sa dostane z ľavej strany obrazovky, do stredu a na pravú stranu obrazovky. obrazovka. Tento pohyb elektrónového lúča vytvára priamku nad stredovou vertikálnou referenciou, ktorá zobrazuje príslušné jednosmerné napätie vo forme čiary hviezdneho svetla.

Namiesto toho, aby sa vytvorilo jedno premietanie, je premietacie napätie implementované tak, aby fungovalo ako spojitý priebeh. Toto je v podstate zaistené, aby bolo na obrazovke viditeľné konzistentné zobrazenie. Ak by sa použil iba jeden zametací stroj, nevydržal by a okamžite by zmizol.

To je dôvod, prečo sa vo vnútri CRT generujú opakované zametania za sekundu, ktoré na našej obrazovke vyvolávajú dojem nepretržitého priebehu v dôsledku našej perzistencie videnia.

Ak znížime vyššie uvedenú rýchlosť zametania v závislosti na časovej škále poskytnutej na osciloskope, na obrazovke bude možné pozorovať skutočný dojemný dojem lúča. Ak je na vertikálny vstup aplikovaný iba sínusový signál bez prítomnosti horizontálneho pohybu, videli by sme vertikálnu priamku, ako je znázornené na obrázku 22.5.

A ak je rýchlosť tohto sínusového vertikálneho vstupu dostatočne znížená, umožní nám to vidieť elektrónový lúč, ktorý sa pohybuje hore dole po ceste priamky.

Zobrazenie vertikálneho vstupu pomocou úchopu lineárnych píl

Ak máte záujem preskúmať signál sínusovej vlny, budete musieť použiť signál zametania na horizontálnom kanáli. To umožní, aby sa signál aplikovaný na vertikálny kanál stal viditeľným na obrazovke CRO.

Praktický príklad je možné vidieť na obrázku 22.6, ktorý zobrazuje tvar vlny generovaný využitím horizontálneho lineárneho priebehu spolu so sínusovým alebo sínusovým vstupom cez vertikálny kanál.

Aby sa na obrazovke dosiahol jeden cyklus použitého vstupu, je nevyhnutná synchronizácia vstupného signálu a frekvencií lineárneho rozmietania. Aj pri nepatrnom rozdiele alebo nesprávnej synchronizácii nemusí displej vykazovať pohyb.

Ak je frekvencia zametania znížená, na obrazovke CRO by mohlo byť viditeľných viac cyklov sínusového vstupného signálu.

Na druhej strane, ak zvýšime frekvenciu rozmietania, umožnilo by to, aby bol na obrazovke viditeľný nižší počet cyklov vertikálneho vstupného sínusového signálu. To by v skutočnosti malo za následok generovanie zväčšenej časti aplikovaného vstupného signálu na obrazovke CRO.

Vyriešený praktický príklad:

Na obr. 22.7 môžeme vidieť obrazovku osciloskopu zobrazujúcu pulzný signál v reakcii na pulzný tvar vlny aplikovaný na vertikálny vstup s horizontálnym pohybom

Číslovanie pre každý tvar vlny umožňuje, aby displej sledoval variácie vstupného signálu a spínacieho napätia pre každý cyklus.

SYNCHRONIZÁCIA A SPUŠŤOVANIE

Úpravy v katódovom lúčovom osciloskope sa vykonávajú úpravou rýchlosti z hľadiska frekvencie, aby sa vytvoril jeden cyklus impulzu, veľa cyklov alebo časť cyklu krivky, a táto vlastnosť sa stáva jednou z CRO, čo je zásadná vlastnosť. akejkoľvek CRO.

Na obr. 22.8 môžeme vidieť obrazovku CRO, ktorá zobrazuje odozvu na niekoľko cyklov zametacieho signálu.

Pri každom vykonaní horizontálneho cyklu premietania píl cez lineárny cyklus premietania (s limitom od maximálnej zápornej hranice od nuly po maximum kladnej hodnoty) spôsobí, že elektrónový lúč putuje vodorovne cez oblasť obrazovky CRO, a to zľava do stredu a potom napravo od obrazovky.

Potom sa pílové napätie rýchlo vráti späť na začiatočnú hranicu záporného napätia a elektrónový lúč sa príslušne pohybuje na ľavú stranu obrazovky. V tomto časovom období, keď dôjde k rýchlemu návratu záporného napätia na záporné (spätné vysledovanie), elektrón prejde slepou fázou (kde sieťové napätie inhibuje elektróny v údere na povrch trubice).

Pre umožnenie toho, aby displej produkoval stabilný obraz signálu pre každé zametanie lúča, je nevyhnutné zahájiť zametanie z presne rovnakého bodu v cykle vstupného signálu.

Na obr. 22.9 môžeme vidieť, že pomerne nízka frekvencia stierania spôsobuje, že sa na displeji objavuje drift ľavej strany lúča.

Ak je nastavená vysoká frekvencia zametania, ako je to dokázané na obrázku 22.10, displej vytvára na obrazovke dojem pravouhlého posunu lúča.

Nie je potrebné hovoriť, že môže byť veľmi ťažké alebo nepraktické nastaviť frekvenciu zametacieho signálu presne na rovnakú frekvenciu ako je vstupný signál, aby sa dosiahlo rovnomerné alebo neustále zametanie na obrazovke.

Realizovateľnejším riešením je počkať, kým sa signál v cykle vráti späť do východiskového bodu stopy. Tento typ spúšťania obsahuje niekoľko dobrých funkcií, o ktorých si povieme v nasledujúcich odsekoch.

Spustenie

Štandardný prístup pre synchronizáciu využíva malú časť vstupného signálu na prepínanie generátora zametania, ktorý núti zametací signál zablokovať alebo zablokovať vstupný signál, a tento proces synchronizuje oba signály dohromady.

Na obr. 22.11 môžeme vidieť blokovú schému ilustrujúcu extrakciu časti vstupného signálu v a jednokanálový osciloskop.

Tento spúšťací signál je extrahovaný z frekvencie sieťového striedavého prúdu (50 alebo 60 Hz) na analýzu akýchkoľvek externých signálov, ktoré môžu byť spojené alebo spojené so sieťou striedavého prúdu, alebo to môže byť súvisiaci signál použitý ako vertikálny vstup v CRO.

Keď je prepínač prepnutý smerom k „INTERNAL“, umožňuje, aby časť vstupného signálu bola použitá v obvode generátora spúšťača. Potom sa výstup generátora výstupného spúšťača použije na spustenie alebo spustenie hlavného rozmetania CRO, ktoré zostáva viditeľné po dobu stanovenú ovládaním času / cm rozsahu.

Inicializáciu spúšťania v niekoľkých rôznych bodoch v priebehu signálneho cyklu je možné vizualizovať na obrázku 22.12. Fungovanie spúšťania je možné analyzovať aj pomocou výsledných vzorov kriviek.

Signál, ktorý sa aplikuje ako vstup, sa použije na vygenerovanie priebehu spúšťacieho signálu pre zametací signál. Ako je znázornené na obrázku 22.13, rozmetanie sa iniciuje cyklom vstupného signálu a trvá po dobu určenú nastavením riadenia dĺžky rozmetania. Následne operácia CRO počká, kým vstupný signál dosiahne rovnaký bod vo svojom cykle, pred zahájením novej operácie zametania.

Vyššie vysvetlená metóda spúšťania umožňuje proces synchronizácie, zatiaľ čo počet cyklov, ktoré je možné zobraziť na displeji, je určený dĺžkou zametacieho signálu.

FUNKCIA MULTITRACE

Mnoho z pokročilých CRO uľahčuje sledovanie viac ako jednej alebo viacerých stôp na obrazovke súčasne, čo umožňuje používateľovi ľahko porovnať špeciálne alebo iné špecifické vlastnosti viacerých tvarov vĺn.

Táto vlastnosť sa zvyčajne implementuje pomocou viacerých lúčov z viacerých elektrónových zbraní, ktoré vytvárajú jednotlivý lúč na obrazovke CRO, niekedy sa to však vykonáva aj prostredníctvom jedného elektrónového lúča.

Existuje niekoľko techník, ktoré sa používajú na generovanie viacerých stôp: ALTERNATE a CHOPPED. V alternatívnom režime sú dva signály dostupné na vstupe striedavo spojené s fázou vychyľovacieho obvodu pomocou elektronického spínača. V tomto režime je lúč pretiahnutý cez obrazovku CRO bez ohľadu na to, koľko stôp sa má zobraziť. Potom elektronický spínač alternatívne vyberie druhý signál a urobí to isté aj pre tento signál.

Tento režim činnosti je možné vidieť na obr. 22.14a.

Obrázok 22.14b demonštruje prevádzkový režim CHOPPED, v ktorom lúč prechádza opakovaným prepínaním na výber medzi dvoma vstupnými signálmi pre každý signál zametania lúča. Toto prepínanie alebo sekanie zostáva nezistiteľné pre relatívne nižšie frekvencie signálu a na obrazovke CRO sa zjavne považuje za dve individuálne stopy.

Ako merať krivku prostredníctvom kalibrovaných mierok CRO

Možno ste videli, že obrazovka displeja CRO pozostáva z jasne vyznačenej kalibrovanej stupnice. Toto sa poskytuje na meranie amplitúd a časového faktora pre daný použitý tvar vlny.

Označené jednotky sú viditeľné ako škatule, ktoré sú rozdelené po 4 centimetroch (cm) na oboch stranách škatúľ. Každý z týchto boxov je navyše rozdelený na intervaly 0,2 cm.

Meranie amplitúdy:

Vertikálnu stupnicu na obrazovke RO môžete vidieť kalibrovanú buď vo voltoch / cm (V / cm) alebo milivoltoch / cm (mV / cm).

Pomocou nastavení ovládacích tlačidiel rozsahu a značiek umiestnených na čelnej strane displeja je užívateľ schopný merať alebo analyzovať amplitúdy špička-špička signálu tvaru vlny alebo typicky AC signál.

Tu je praktický vyriešený príklad na pochopenie toho, ako sa meria amplitúda na obrazovke CRO:

Poznámka: To je výhoda osciloskopu oproti multimetrom, pretože multimetre poskytujú iba RMS hodnotu striedavého signálu, zatiaľ čo rozsah je schopný poskytnúť ako hodnotu RMS, tak aj špičkovú hodnotu signálu.

Meranie časovania (periódy) cyklu striedavého prúdu pomocou osciloskopu

Horizontálna mierka zobrazená na obrazovke osciloskopu nám pomáha určiť načasovanie vstupného cyklu v sekundách, v milisekundách (ms) a v mikrosekundách (μs) alebo dokonca v nanosekundách (ns).

Časový interval spotrebovaný impulzom na dokončenie cyklu od začiatku do konca sa nazýva perióda impulzu. Keď je tento impulz vo forme opakovaného priebehu, jeho perióda sa nazýva jeden cyklus priebehu.

Tu je praktický vyriešený príklad, ktorý ukazuje, ako určiť periódu krivky pomocou kalibrácie obrazovky CRO:

Meranie šírky impulzu

Každý tvar vlny je tvorený maximálnymi a minimálnymi napäťovými špičkami nazývanými vysoký a nízky stav impulzu. Časový interval, v ktorom impulz zostáva v stave HIGH alebo LOW, sa nazýva šírka impulzu.

Pre impulzy, ktorých hrany stúpajú a klesajú veľmi prudko (rýchlo), sa šírka takýchto impulzov meria od začiatku impulzu nazývaného predná hrana po koniec impulzu nazývaného zadná hrana, čo je znázornené na obrázku 22.19a.

Pre impulzy, ktoré majú skôr pomalšie alebo pomalšie cykly stúpania a klesania (exponenciálny typ), sa ich šírka impulzu meria na ich 50% úrovniach v cykloch, ako je to znázornené na obrázku 22.19b.

Nasledujúci vyriešený príklad pomáha lepšie pochopiť vyššie uvedený postup:

POROZUMENIE PULZOVÉMU ZPOŽDENIE

Časový interval medzi impulzmi v impulznom cykle sa nazýva oneskorenie impulzu. Príklad oneskorenia impulzu je možné vidieť na obrázku 22.21 nižšie. Vidíme, že tu sa oneskorenie meria medzi stredným bodom alebo 50% úrovňou a začiatočným bodom impulzu.

Obrázok 22.21

Praktický vyriešený príklad ukazujúci, ako merať oneskorenie impulzu v CRO

Záver:

Pokúsil som sa zahrnúť väčšinu základných podrobností o tom, ako pracuje katódový lúčový osciloskop (CRO), a pokúsil som sa vysvetliť, ako používať toto zariadenie na meranie rôznych signálov založených na frekvencii prostredníctvom jeho kalibrovanej obrazovky. Môže tu však byť ešte veľa ďalších aspektov, ktoré by mi tu mohli chýbať, napriek tomu budem občas pokračovať a aktualizovať ďalšie informácie, kedykoľvek je to možné.

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