Elektronický osciloskop - zariadenie, princíp činnosti

Amatérske rádio ako hobby je veľmi vzrušujúcou aktivitou a dá sa povedať, návykové. Mnohí do toho prichádzajú v nádherných školských rokoch a postupom času sa tento koníček môže stať profesiou na celý život. Aj keď nemôžete získať vyššie rádiotechnické vzdelanie, nezávislé štúdium elektroniky vám umožní dosiahnuť veľmi vysoké výsledky a úspech. V tom istom čase časopis Rádio povolal takýchto špecialistov bez diplomov.

Prvé experimenty s elektronikou sa spravidla začínajú montážou najjednoduchších obvodov, ktoré začínajú pracovať okamžite bez nastavenia a nastavenia. Najčastejšie sú to rôzne generátory, hovory, nenáročné napájacie zdroje. To všetko sa dá získať prečítaním minimálneho množstva literatúry, iba opisov opakovateľných vzorov. V tejto fáze je spravidla možné robiť s minimálnym súborom nástrojov: spájkovačka, bočné nože, nôž a niekoľko skrutkovačov.

Postupne sa návrhy stávajú komplikovanejšie a skôr či neskôr sa ukáže, že bez úpravy a ladenia jednoducho nebudú fungovať. Preto musíte získať tenké meracie prístroje a čím skôr, tým lepšie. Staršia generácia elektrotechnických inžinierov mala ukazovacie zariadenie s takýmto zariadením.

V súčasnosti bol tester spínačov, často nazývaný avometer, nahradený digitálny multimeter, Toto sa nachádza v článku „Ako používať digitálny multimeter“. Aj keď sa starý dobrý ukazovátko nevzdáva svojich pozícií, v niektorých prípadoch je jeho použitie výhodnejšie v porovnaní s digitálnym zariadením.

Obe tieto zariadenia umožňujú merať priame a striedavé napätie, prúdy a odpory. Ak sa dá konštantné napätie ľahko merať, stačí zistiť iba hodnotu, potom pri striedavom napätí existujú určité nuansy.

Faktom je, že ukazovateľ aj moderné digitálne zariadenia sú navrhnuté tak, aby merali sínusové striedavé napätie av pomerne obmedzenom frekvenčnom rozsahu: výsledkom merania bude skutočná hodnota striedavého napätia.

Ak také zariadenia merajú napätie pravouhlého, trojuholníkového alebo pílového tvaru, hodnoty na stupnici zariadenia budú samozrejme, ale nemusíte sa ručiť za presnosť meraní. Je tu len napätie a ktoré nie je presne známe. A ako byť v takýchto prípadoch, ako pokračovať v oprave a vývoji nových, stále komplexnejších elektronických obvodov? Tu sa amatérsky rádio dostane do fázy, keď musíte kúpiť osciloskop.

Trocha histórie

Pomocou tohto zariadenia môžete na vlastné oči vidieť, čo sa deje v elektronických obvodoch: aká je forma signálu, kde sa objavil alebo zmizol, časové a fázové vzťahy signálov. Na pozorovanie viacerých signálov je potrebný aspoň dvojitý lúčový osciloskop.

Tu si môžeme pripomenúť vzdialený príbeh, keď bol v roku 1969 vytvorený päť-lúčový osciloskop C1-33, ktorý bol sériovo vyrábaný vo Vilniusovom závode. Zariadenie používalo CRT 22LO1A, ktorý sa používal iba v tomto vývoji. Zákazníkom tohto zariadenia bol samozrejme vojensko-priemyselný komplex.

Konštrukčne bolo toto zariadenie vyrobené z dvoch blokov umiestnených na stojane s kolieskami: samotný osciloskop a napájanie. Celková hmotnosť konštrukcie bola 160 kg! Rozsah zahŕňal záznamovú kameru RFK-5 pripojenú k obrazovke, ktorá zabezpečovala zaznamenávanie kriviek na film. Vzhľad päťčlenného osciloskopu C1-33 s nainštalovanou kamerou je znázornený na obrázku 1.

Obrázok 1. Päť-lúčový osciloskop C1-33, 1969

Moderná elektronika umožňuje vytvárať vreckové digitálne osciloskopy veľkosti mobilného telefónu. Jedno z takýchto zariadení je znázornené na obrázku 2. O tom sa však budeme venovať neskôr.

Obrázok 2. Digitálny osciloskop vreckového počítača DS203

Osciloskopy rôznych typov

Až donedávna sa vyrábalo niekoľko typov osciloskopov elektrónového lúča. V prvom rade ide o univerzálne osciloskopy, ktoré sa najčastejšie používajú na praktické účely. Okrem nich sa vyrábali aj úložné osciloskopy založené na úložných CRT, vysokorýchlostné, stroboskopické a špeciálne. Posledné uvedené typy boli určené na rôzne špecifické vedecké úlohy, s ktorými sa moderné digitálne osciloskopy v súčasnosti úspešne vyrovnávajú. Preto sa ďalej zameriame na všeobecné univerzálne elektronické osciloskopy.

Zariadenie CRT

Hlavnou súčasťou elektronického osciloskopu je samozrejme katódová trubica - CRT. Jeho zariadenie je znázornené na obrázku 3.

Obrázok 3. CRT zariadenie

Konštrukčne je CRT dlhý sklenený valec 10 valcového tvaru s kužeľovitým predĺžením. Spodná časť tohto predĺženia, ktorým je obrazovka CRT, je potiahnutá fosforom, ktorý emituje viditeľnú žiaru, keď ju zasiahne elektrónový lúč 11. Mnoho CRT má pravouhlú obrazovku s deleniami aplikovanými priamo na sklo. Je to táto obrazovka, ktorá je indikátorom osciloskopu.

Elektrónový lúč je tvorený elektrónovou pištoľou

Ohrievač 1 zahrieva katódu 2, ktorá začína emitovať elektróny. Vo fyzike sa tento jav nazýva termionická emisia. Elektróny emitované katódou však nebudú lietať ďaleko, budú len sedieť na katóde. Na získanie lúča z týchto elektrónov je potrebných niekoľko ďalších elektród.

Toto je zaostrovacia elektróda 4 a anóda 5 pripojená k aquadagu 8. V dôsledku elektrického poľa týchto elektród sa elektróny odtrhávajú od katódy, zrýchľujú, zaostrujú na tenký lúč a ponáhľajú sa na obrazovku pokrytú fosforom, čo spôsobuje žiarenie fosforu. Tieto elektródy sa spoločne nazývajú elektrónové delá.

Pri dosiahnutí povrchu obrazovky elektrónový lúč nielenže spôsobuje žiarenie, ale tiež vyraďuje sekundárne elektróny z fosforu, ktoré spôsobujú rozostrenie lúča. Vyššie uvedený aquadag, ktorý je grafitovým povlakom vnútorného povrchu trubice, slúži na odstránenie týchto sekundárnych elektrónov. Okrem toho aquadag do istej miery chráni lúč pred vonkajšími elektrostatickými poľami. Takáto ochrana však nestačí, preto je valcovitá časť CRT, kde sú umiestnené elektródy, umiestnená v kovovom tienidle vyrobenom z elektrickej ocele alebo permalloy.

Medzi katódou a zaostrovacou elektródou je umiestnený modulátor 3. Účelom je regulovať prúd lúča, ktorý umožňuje zhasnutie lúča pri spätnom chode a zvýraznenie počas predného zdvihu. V zosilňovacích lampách sa táto elektróda nazýva kontrolná mriežka. Modulátor, zaostrovacia elektróda a anóda majú stredové otvory, cez ktoré lúč elektrónového lúča letí.

Vychyľovacie platne CRT má dva páry vychyľovacích dosiek. Sú to dosky vertikálnej výchylky lúča 6 - doska Y, do ktorej je privádzaný skúmaný signál, a doštičky horizontálnej deformácie 7 - doska X a horizontálne napätie je na ne privádzané. Ak vychyľovacie dosky nie sú pripojené nikde, mala by sa v strede obrazovky CRT objaviť svetelná bodka. Na obrázku je to bod O2. Napájacie napätie musí byť, samozrejme, privedené na trubicu.

Na tomto mieste je potrebné zdôrazniť dôležitý bod. Keď bodka stojí nehybne, bez pohybu kdekoľvek, môže jednoducho spáliť fosfor a na obrazovke CRT zostane navždy čierna bodka. To sa môže stať počas procesu opravy osciloskopu alebo pri vlastnej výrobe jednoduchého amatérskeho zariadenia.Preto by ste v tomto režime mali znížiť jas na minimum a rozostriť lúč - stále môžete zistiť, či lúč existuje alebo nie je prítomný.

Ak je na vychyľovacie dosky pripojené určité napätie, lúč sa bude líšiť od stredu obrazovky. Na obrázku 3 sa lúč odkloní k bodu O3. Ak sa napätie zmení, lúč nakreslí na obrazovke priamku. Tento jav sa používa na vytvorenie obrazu študovaného signálu na obrazovke. Na získanie dvojrozmerného obrazu na obrazovke sa musia použiť dva signály: testovací signál - aplikovaný na platne Y a skenovacie napätie - aplikovaný na platne X. Môžeme povedať, že na obrazovke sa získa graf s koordinačnými osami X a Y.

Horizontálne skenovanie

Je to horizontálne skenovanie, ktoré tvorí os X grafu na obrazovke.

Obrázok 4. Zametacie napätie

Ako je možné vidieť na obrázku, horizontálne snímanie sa vykonáva pomocou napätia pílových zubov, ktoré možno rozdeliť na dve časti: dopredu a dozadu (obrázok 4a). Počas zdvihu dopredu sa lúč pohybuje rovnomerne po obrazovke zľava doprava a po dosiahnutí pravého okraja sa rýchlo vracia. Toto sa nazýva spätný ťah. Počas predného zdvihu sa generuje impulz podsvietenia, ktorý sa privádza do trubicového modulátora a na obrazovke sa objaví svetelný bod, ktorý nakresľuje vodorovnú čiaru (obr. 4b).

Predné napätie, ako je znázornené na obrázku 4, začína od nuly (lúč v strede obrazovky) a mení sa na napätie Umax. Lúč sa preto bude pohybovať od stredu obrazovky k pravému okraju, t.j. iba polovica obrazovky. Na spustenie skenovania z ľavého okraja obrazovky sa lúč posunie doľava pomocou predpätia. Presadenie lúča je ovládané rukoväťou na prednom paneli.

Počas spätného zdvihu končí impulz podsvietenia a lúč zhasne. Relatívna poloha impulzu podsvietenia a napätia rozmítania píly je zrejmá z funkčného diagramu osciloskopu zobrazeného na obrázku 5. Napriek rôznym schémam zapojenia osciloskopu sú ich funkčné obvody približne rovnaké, podobné tým, ktoré sú zobrazené na obrázku.

Obrázok 5. Funkčná schéma osciloskopu

Citlivosť CRT

Je určený koeficientom odchýlky, ktorý ukazuje, koľko milimetrov sa lúč vychyľuje, keď sa na dosky aplikuje konštantné napätie 1 V. Pre rôzne CRT je táto hodnota v rozsahu 0,15 ... 2 mm / V. Ukazuje sa, že pri použití napätia 1 V na vychyľovacích doskách môže lúč pohybovať lúčom iba o 2 mm, čo je v najlepšom prípade. Na vychýlenie lúča o jeden centimeter (10 mm) je potrebné napätie 10/2 = 5V. S citlivosťou 0,15 mm / V pre ten istý pohyb bude potrebné 10 / 0,15 = 66,666 V.

Preto, aby sa získala zreteľná odchýlka lúča od stredu obrazovky, skúmaný signál sa zosilňuje vertikálnym kanálovým zosilňovačom na niekoľko desiatok voltov. Kanál horizontálneho zosilnenia, ktorým sa vykonáva skenovanie, má rovnaké výstupné napätie.

Väčšina univerzálnych osciloskopov má maximálnu citlivosť 5 mV / cm. Keď sa používa CRT typu 8LO6I so vstupným napätím 5 mV, vychyľovacie platne budú potrebovať napätie 8,5 V na posun lúča o 1 cm. Je ľahké vypočítať, že si to bude vyžadovať zosilnenie viac ako 1 500-krát.

Takýto zisk sa musí dosiahnuť v celom priepustnom pásme a čím vyššia je frekvencia, tým nižší je zisk, ktorý je vlastný akýmkoľvek zosilňovačom. Passband je charakterizovaný hornou frekvenciou f up. Pri tejto frekvencii sa zisk vertikálneho vychyľovacieho kanála zníži o 1,4-krát alebo o 3 dB. Pre väčšinu univerzálnych osciloskopov je toto pásmo 5 MHz.

A čo sa stane, keď frekvencia vstupného signálu prekročí hornú frekvenciu, napríklad 8 ... 10 MHz? Bude to môcť vidieť na obrazovke? Áno, bude to viditeľné, ale amplitúdu signálu nemožno merať. Môžete sa len ubezpečiť, že existuje signál alebo nie. Takéto informácie niekedy postačujú.

Vertikálna odchýlka kanála. Delič vstupu

Študovaný signál sa privádza na vstup kanála vertikálnej odchýlky cez vstupný delič, ako je znázornené na obrázku 6. Vstupný delič sa často nazýva atenuátor.

Obrázok 6. Vstupný delič vertikálnej odchýlky kanála

Pomocou vstupného deliča je možné študovať vstupný signál od niekoľkých milivoltov po niekoľko desiatok voltov. V prípade, že vstupný signál prekračuje možnosti vstupného deliča, použijú sa vstupné sondy s deliacim pomerom 1:10 alebo 1:20. Potom sa limit 5 V / div stáva 50 V / div alebo 100 V / div, čo umožňuje študovať signály so značným napätím.

Otvorený a uzavretý vchod

Tu (Obrázok 6) vidíte spínač B1, ktorý umožňuje aplikovať signál cez kondenzátor (uzavretý vstup) alebo priamo na vstup deliča (otvorený vstup). Pri použití režimu "uzavretého vstupu" je možné študovať premennú zložku signálu, ignorujúcu jeho konštantnú zložku. Vysvetlenie toho, čo už bolo povedané, je znázornené na jednoduchom diagrame, ktorý je znázornený na obrázku 7. Tento diagram je vytvorený v programe Multisim, takže všetko, čo je na týchto obrázkoch uvedené, je síce spravodlivé.

Obrázok 7. Zosilňovač na jednom tranzistore

Vstupný signál s amplitúdou 10 mV cez kondenzátor Cl je privádzaný do základne tranzistora Q1. Výberom odporu R2 sa napätie na kolektore tranzistora nastaví na polovicu napájacieho napätia (v tomto prípade 6V), čo umožňuje tranzistoru pracovať v lineárnom (zosilňovacom) režime. Výstup je sledovaný pomocou XSC1. Obrázok 8 zobrazuje výsledok merania v režime otvoreného vstupu, na osciloskope je stlačené tlačidlo jednosmerného prúdu (jednosmerný prúd).

Obrázok 8. Merania v režime otvoreného vstupu (kanál A)

Tu vidíte (kanál A) iba napätie na kolektore tranzistora, rovnaké 6V, aké bolo práve uvedené. Lúč v kanále A „vzlietol“ pri 6 V, ale zosilnený sínusoid na kolektore sa nestal. Jednoducho to nie je možné rozlíšiť s citlivosťou 5V / Div kanála. Kanál Lúč na obrázku je zobrazený červenou farbou.

Signál z generátora je privedený na vstup B, obrázok je zobrazený modrou farbou. Toto je sínusová vlna s amplitúdou 10 mV.

Obrázok 9. Merania v uzavretom vstupnom režime

Teraz stlačte tlačidlo AC na kanáli A - striedavý prúd, v skutočnosti ide o uzavretý vstup. Tu vidíte zosilnený signál - sínusoid s amplitúdou 87 milivoltov. Ukázalo sa, že kaskáda na jednom tranzistore zosilnila signál s amplitúdou 10 mV 8,7-krát. Čísla v obdĺžnikovom okne pod obrazovkou ukazujú napätie a časy v miestach značiek T1, T2. Podobné markery sú dostupné v moderných digitálnych osciloskopoch. To je vlastne všetko, čo sa dá povedať o otvorených a uzavretých vstupoch. A teraz pokračujme v príbehu o vertikálnom vychyľovacom zosilňovači.

Predzosilňovač

Po vstupnom deliči vstupuje skúmaný signál do predzosilňovača a prechádza oneskorovacím vedením a vstupuje do koncového zosilňovača kanála Y (obrázok 5). Po nevyhnutnom zosilnení vstupuje signál do vertikálnych vychyľovacích dosiek.

Predzosilňovač rozdeľuje vstupný signál na parafázové komponenty, aby ho priviedol do koncového zosilňovača Y. Okrem toho sa vstupný signál z predzosilňovača privádza do spúšťača zametania, ktorý poskytuje synchrónny obraz na obrazovke počas doprevádzania.

Spätné vedenie oneskoruje vstupný signál vzhľadom k začiatku zametacieho napätia, čo umožňuje pozorovať prednú hranu impulzu, ako je znázornené na obrázku 5b). Niektoré osciloskopy nemajú oneskorovaciu čiaru, ktorá v podstate nezasahuje do štúdia periodických signálov.

Zamiesť kanál

Vstupný signál z predzosilňovača je tiež privádzaný na vstup pulzného shaperového impulzu zametania.Generovaný impulz spustí zametací generátor, ktorý vytvára plynulo stúpajúce napätie pílových zubov. Rýchlosť ohybu a perióda napäťového cyklu sú vybrané prepínačom Time / Div, ktorý umožňuje študovať vstupné signály v širokom frekvenčnom rozsahu.

Takéto skenovanie sa nazýva interné, t.j. spustenie pochádza zo skúmaného signálu. Osciloskopy majú spravidla spúšťací impulz „interný / externý“, z nejakého dôvodu, ktorý nie je znázornený na funkčnom diagrame na obrázku 5. V externom spúšťacom režime môže byť spúšťací impulz spustený nie skúmaným signálom, ale nejakým iným signálom, od ktorého závisí skúmaný signál.

Môže to byť napríklad spúšťací impulz oneskorovacej linky. Potom môžete merať časový pomer dvoch signálov, a to aj pomocou osciloskopu s jedným lúčom. Je však lepšie to urobiť pomocou dvoj-lúčového osciloskopu, ak je, samozrejme, po ruke.

Trvanie rozmítania by sa malo zvoliť na základe frekvencie (periódy) skúmaného signálu. Predpokladajme, že frekvencia signálu je 1 kHz, t. signálna perióda 1ms. Obrázok sínusoidu s časom skenovania 1ms / div je znázornený na obrázku 10.

Obrázok 10

S časom skenovania 1ms / div zaberá jedna perióda sínusovej vlny 1 kHz presne jedno delenie stupnice pozdĺž osi Y. Skenovanie je synchronizované z lúča A pozdĺž stúpajúcej hrany, pokiaľ ide o úroveň vstupného signálu 0V. Preto sínusová vlna na obrazovke začína pozitívnym polhodinovým cyklom.

Ak sa trvanie skenovania zmení na 500 μs / div (0,5 ms / div), potom jedna perióda sínusoidy zaberá na obrazovke dve divízie, ako je znázornené na obrázku 11, čo je samozrejme vhodnejšie na pozorovanie signálu.

Obrázok 11

Okrem samotného napätia pílových zubov generátor zametania generuje aj impulz podsvietenia, ktorý sa privádza do modulátora a „zapaľuje“ elektrónový lúč (obr. 5 g). Trvanie impulzu podsvietenia sa rovná trvaniu predného lúča. Počas spätného zdvihu nedochádza k pulzu podsvietenia a lúč zhasne. Ak nedôjde k zaslepeniu lúča, na obrazovke sa objaví niečo nepochopiteľné: spätný zdvih a dokonca modulovaný vstupným signálom jednoducho prečiarkne všetok užitočný obsah priebehu.

Napájacie napätie pílového zubu sa dodáva do koncového zosilňovača kanála X, rozdeľuje sa na parafázový signál a dodáva sa do horizontálnych vychyľovacích dosiek, ako je znázornené na obrázku 5 (e).

Externý vstup zosilňovača X

Do koncového zosilňovača X môže byť privedené nielen napätie z generátora rozmietania, ale aj externé napätie, ktoré umožňuje zmerať frekvenciu a fázu signálu pomocou Lissajousových čísel.

Obrázok 12. Lissajous čísla

Avšak vstupný spínač X nie je znázornený na funkčnom diagrame na obr. 5, ani na prepínači druhu operácií zametania, ktoré boli uvedené vyššie.

Okrem kanálov X a Y má osciloskop rovnako ako každé elektronické zariadenie napájací zdroj. Osciloskopy malej veľkosti, napríklad C1-73, C1-101, môžu pracovať z autobatérie. Mimochodom, tieto osciloskopy boli na čas veľmi dobré a stále sa úspešne používajú.

Obrázok 13. Osciloskop C1-73

Obrázok 14. Osciloskop C1-101

Vzhľad osciloskopov je znázornený na obrázkoch 13 a 14. Najviac prekvapujúce je, že sú stále ponúkané na ich nákup v internetových obchodoch. Cena je však taká, že je lacnejšie kúpiť malé digitálne osciloskopy na serveri Aliexpress.

Dodatočné osciloskopické zariadenia sú vstavané kalibrátory amplitúdy a zametania. Spravidla ide o pomerne stabilné generátory pravouhlých impulzov, ktoré ich spájajú so vstupom osciloskopu. Pomocou ladiacich prvkov môžete nakonfigurovať zosilňovače X a Y. Mimochodom, moderné kalibrátory tiež majú také kalibrátory.

Ako používať osciloskop, metódy a metódy merania budú diskutované v nasledujúcom článku.

Pokračovanie článku: Ako používať osciloskop

Boris Aladyshkin

Comments

[#1]

S časom skenovania 1ms / div zaberá jedna perióda sínusovej vlny 1KHz presne jedno delenie stupnice pozdĺž osi Y. Presnejšie bude pozdĺž osi "X".