Elektronický osciloskop - zařízení, princip činnosti

Amatérské rádio, jako koníček, je velmi vzrušující činnost, a dalo by se říci, návykové. Mnoho z nich do toho vstupuje v nádherných školních letech a postupem času se tento koníček může stát profesí na celý život. I když nemůžete získat vyšší radiotechnické vzdělání, nezávislé studium elektroniky vám umožní dosáhnout velmi vysokých výsledků a úspěchu. Najednou časopis Radio povolal takové specialisty bez diplomů.

První experimenty s elektronikou začínají zpravidla montáží nejjednodušších obvodů, které začnou pracovat okamžitě bez úpravy a nastavení. Nejčastěji se jedná o různé generátory, volání, nenáročné napájecí zdroje. To vše lze shromáždit čtením minimálního množství literatury, pouze popisů opakovatelných vzorců. V této fázi je zpravidla možné použít minimální sadu nástrojů: páječku, boční nože, nůž a několik šroubováků.

Postupně se návrhy stávají komplikovanějšími a dříve či později se ukáže, že bez úpravy a ladění prostě nebudou fungovat. Proto musíte získat tenké měřící přístroje, a čím dříve, tím lépe. Starší generace elektronických inženýrů měla tester ukazatelů s takovým zařízením.

V současné době byl tester spínačů, často nazývaný avometr, nahrazen digitální multimetr. To lze nalézt v článku „Jak používat digitální multimetr“. Přestože se starý dobrý ukazatel ukazatelů nevzdává svých pozic, v některých případech je jeho použití výhodnější než digitální zařízení.

Obě tato zařízení umožňují měřit stejnosměrné a střídavé napětí, proudy a odpory. Pokud lze snadno měřit konstantní napětí, stačí znát pouze hodnotu, pak se střídavým napětím existují nějaké nuance.

Skutečnost je taková, že jak ukazatel, tak moderní digitální zařízení jsou navržena k měření sinusového střídavého napětí a v poměrně omezeném frekvenčním rozsahu: výsledkem měření bude skutečná hodnota střídavého napětí.

Pokud taková zařízení měří napětí obdélníkového, trojúhelníkového nebo pilového tvaru, budou samozřejmě hodnoty na stupnici zařízení, ale nemusíte se ručit za přesnost měření. Je tu jen napětí a které není přesně známo. A jak v takových případech pokračovat, jak pokračovat v opravě a vývoji nových, stále složitějších elektronických obvodů? Zde se amatérský rozhlas dostane do fáze, kdy musíte koupit osciloskop.

Trocha historie

Pomocí tohoto zařízení můžete na vlastní oči vidět, co se děje v elektronických obvodech: jaká je forma signálu, kde se objevil nebo zmizel, časové a fázové vztahy signálů. K pozorování několika signálů je nutný nejméně dvou-paprskový osciloskop.

Zde si můžeme vzpomenout na vzdálený příběh, kdy byl v roce 1969 vytvořen pěti paprskový osciloskop C1-33, který byl sériově vyráběn ve Vilniusově rostlině. Zařízení používalo CRT 22LO1A, který byl použit pouze v tomto vývoji. Zákazníkem tohoto zařízení byl samozřejmě vojensko-průmyslový komplex.

Strukturálně bylo toto zařízení vyrobeno ze dvou bloků umístěných na stojanu s koly: osciloskop samotný a napájení. Celková hmotnost konstrukce byla 160 kg! Rozsah zahrnoval záznamovou kameru RFK-5 připojenou k obrazovce, která zajišťovala záznam průběhů na filmu. Vzhled pětibodového osciloskopu C1-33 s nainstalovanou kamerou je znázorněn na obrázku 1.

Obrázek 1. Pětivrstvý osciloskop C1-33, 1969

Moderní elektronika umožňuje vytvářet kapesní digitální osciloskopy velikosti mobilního telefonu. Jedno z takových zařízení je znázorněno na obrázku 2. Ale to bude diskutováno později.

Obrázek 2. Digitální digitální osciloskop DS203

Osciloskopy různých typů

Až donedávna se vyrábělo několik typů osciloskopů elektronového paprsku. Nejprve se jedná o univerzální osciloskopy, které se nejčastěji používají pro praktické účely. Kromě nich byly také vyrobeny úložné osciloskopy založené na úložných CRT, vysokorychlostní, stroboskopické a speciální. Posledně jmenované typy byly určeny pro různé specifické vědecké úkoly, s nimiž se moderní digitální osciloskopy v současné době úspěšně vyrovnávají. Proto se dále zaměříme na univerzální univerzální elektronické osciloskopy.

Zařízení CRT

Hlavní částí elektronického osciloskopu je samozřejmě katodová trubice - CRT. Jeho zařízení je znázorněno na obrázku 3.

Obrázek 3. Zařízení CRT

Konstrukčně je CRT dlouhý skleněný válec 10 válcového tvaru s kónickým prodloužením. Spodní část tohoto rozšíření, což je obrazovka CRT, je potažena fosforem, který emituje viditelnou záři, když na ni dopadne elektronový paprsek 11. Mnoho CRT má obdélníkový rastr s dělením aplikovaným přímo na sklo. Je to tato obrazovka, která je indikátorem osciloskopu.

Elektronový paprsek je tvořen elektronovou pistolí

Ohřívač 1 zahřívá katodu 2, která začíná emitovat elektrony. Ve fyzice se tento jev nazývá termionická emise. Ale elektrony emitované katodou nebudou létat daleko, budou jen sedět na katodě. K získání paprsku z těchto elektronů je zapotřebí několika dalších elektrod.

Toto je zaostřovací elektroda 4 a anoda 5 připojená k aquadagu 8. Vlivem elektrického pole těchto elektrod se elektrony odtrhávají od katody, zrychlují, zaostřují na tenký paprsek a spěchají na obrazovku potaženou fosforem, což způsobuje žhnutí fosforu. Dohromady se tyto elektrody nazývají elektrony.

Při dosažení povrchu obrazovky elektronový paprsek nejen způsobuje záři, ale také vyrazuje sekundární elektrony z fosforu, které způsobují rozostření paprsku. Výše uvedený aquadag, což je grafitový povlak vnitřního povrchu trubice, slouží k odstranění těchto sekundárních elektronů. Navíc aquadag do jisté míry chrání paprsek před vnějšími elektrostatickými poli. Taková ochrana však nestačí, takže válcová část CRT, kde jsou umístěny elektrody, je umístěna v kovové cloně vyrobené z elektrické oceli nebo permalloy.

Mezi katodou a zaostřovací elektrodou je umístěn modulátor 3. Jeho účelem je řídit proud paprsku, který umožňuje zhasnutí paprsku během zpětného pohybu a zvýraznění během dopředného zdvihu. U zesilovacích lamp se tato elektroda nazývá kontrolní mřížka. Modulátor, zaostřovací elektroda a anoda mají centrální díry, skrz které letí elektronový paprsek.

Vychylovací desky CRT má dva páry vychylovacích desek. Jsou to desky vertikální výchylky paprsku 6 - deska Y, do které je dodáván zkoumaný signál, a desky horizontální výchylky 7 - deska X, a jsou napájeny horizontálním napětím. Pokud vychylovací desky nejsou nikde připojeny, měla by se ve středu obrazovky CRT objevit světelná tečka. Na obrázku je to bod O2. Napájecí napětí musí být přirozeně přivedeno na trubici.

Zde je třeba zdůraznit důležitý bod. Když tečka stojí, bez pohybu kdekoli, může jednoduše spálit fosfor a na obrazovce CRT navždy zůstane černá tečka. K tomu může dojít během procesu opravy osciloskopu nebo při vlastní produkci jednoduchého amatérského zařízení.Proto byste v tomto režimu měli snížit jas na minimum a rozostřit paprsek - stále můžete zjistit, zda paprsek existuje nebo chybí.

Pokud je na vychylovací desky aplikováno určité napětí, paprsek se bude lišit od středu obrazovky. Na obrázku 3 se paprsek vychýlí k bodu O3. Pokud se napětí změní, paprsek nakreslí na obrazovku přímku. Je to tento jev, který se používá k vytvoření obrazu studovaného signálu na obrazovce. Pro získání dvojrozměrného obrazu na obrazovce je třeba použít dva signály: zkušební signál - aplikovaný na desky Y a skenovací napětí - přivedený na desky X. Můžeme říci, že na obrazovce se získá graf s souřadnými osami X a Y.

Horizontální skenování

Je to horizontální sken, který tvoří osu X grafu na obrazovce.

Obrázek 4. Zametací napětí

Jak je vidět na obrázku, horizontální skenování se provádí pomocí pilového napětí, které lze rozdělit na dvě části: dopředu a dozadu (obr. 4a). Během dopředného zdvihu se paprsek pohybuje rovnoměrně po obrazovce zleva doprava a po dosažení pravého okraje se rychle vrací. Tomu se říká zpětný tah. Během dopředného zdvihu je generován puls podsvícení, který je přiváděn do trubkového modulátoru, a na obrazovce se objeví světelný bod, který nakreslí vodorovnou čáru (obr. 4b).

Přední napětí, jak je znázorněno na obrázku 4, začíná od nuly (paprsek ve středu obrazovky) a mění se na napětí Umax. Paprsek se proto bude pohybovat od středu obrazovky k pravému okraji, tj. jen polovina obrazovky. Chcete-li zahájit skenování z levého okraje obrazovky, paprsek se posune doleva pomocí předpětí. Posun paprsku je ovládán rukojetí na předním panelu.

Během zpětného zdvihu končí puls podsvícení a paprsek zhasne. Relativní polohu impulsu podsvícení a napětí pilového kotouče lze vidět na funkčním diagramu osciloskopu znázorněném na obrázku 5. Navzdory různým schématám osciloskopických obvodů jsou jejich funkční obvody přibližně stejné, podobné těm, které jsou znázorněny na obrázku.

Obrázek 5. Funkční schéma osciloskopu

Citlivost CRT

Je určen koeficientem odchylky, který ukazuje, kolik milimetrů se paprsek vychýlí, když je na desky aplikováno konstantní napětí 1 V. Pro různé CRT je tato hodnota v rozsahu 0,15 ... 2 mm / V. Ukázalo se, že při použití napětí 1 V na vychylovacích deskách může paprsek pohybovat paprskem pouze o 2 mm, což je v nejlepším případě. K vychýlení paprsku o jeden centimetr (10 mm) je nutné napětí 10/2 = 5V. Při citlivosti 0,15 mm / V pro stejný pohyb bude zapotřebí 10 / 0,15 = 66,666 V.

Proto, aby se získala znatelná odchylka paprsku od středu obrazovky, je zkoumaný signál zesílen vertikálním kanálovým zesilovačem na několik desítek voltů. Kanál horizontálního zesílení, se kterým se provádí skenování, má stejné výstupní napětí.

Většina univerzálních osciloskopů má maximální citlivost 5 mV / cm. Při použití CRT typu 8LO6I se vstupním napětím 5 mV, vychylovací desky vyžadují k pohybu paprsku 1 cm napětí 8,5 V. Je snadné vypočítat, že to bude vyžadovat zesílení více než 1 500krát.

Tento zisk musí být dosažen v celém průchozím pásmu a čím vyšší je frekvence, tím nižší je zisk, který je vlastní jakýmkoli zesilovačům. Passband je charakterizován horní frekvencí f up. Při této frekvenci se zisk vertikálního vychylovacího kanálu snižuje o 1,4krát nebo o 3 dB. Pro většinu univerzálních osciloskopů je toto pásmo 5 MHz.

A co se stane, když frekvence vstupního signálu překročí horní frekvenci, například 8 ... 10 MHz? Bude to moci vidět na obrazovce? Ano, bude to vidět, ale amplitudu signálu nelze měřit. Můžete se jen ujistit, že existuje signál nebo ne. Takové informace někdy stačí.

Svislá odchylka kanálu. Dělič vstupu

Studovaný signál je přiváděn na vstup kanálu vertikální odchylky vstupním děličem, znázorněným na obrázku 6. Vstupní dělič je často nazýván útlumem.

Obrázek 6. Vstupní dělič vertikální odchylky kanálu

Použitím děliče vstupu je možné studovat vstupní signál od několika milivoltů do několika desítek voltů. V případě, že vstupní signál překročí možnosti vstupního děliče, použijí se vstupní sondy s poměrem dělení 1:10 nebo 1:20. Poté se limit 5V / div stává 50V / div nebo 100V / div, což umožňuje studovat signály se značným napětím.

Otevřený a uzavřený vchod

Zde (Obrázek 6) můžete vidět spínač B1, který umožňuje aplikovat signál přes kondenzátor (uzavřený vstup) nebo přímo na vstup děliče (otevřený vstup). Při použití režimu „uzavřeného vstupu“ je možné studovat proměnnou složku signálu a ignorovat jeho konstantní složku. Vysvětlení toho, co bylo řečeno, pomůže jednoduchý graf znázorněný na obrázku 7. Diagram je vytvořen v programu Multisim, takže vše, co je na těchto obrázcích, i když je v podstatě, spravedlivé.

Obrázek 7. Zesilovací stupeň na jediném tranzistoru

Vstupní signál s amplitudou 10 mV přes kondenzátor Cl je přiváděn do báze tranzistoru Q1. Výběrem rezistoru R2 je napětí na kolektoru tranzistoru nastaveno na polovinu napájecího napětí (v tomto případě 6V), což umožňuje tranzistoru pracovat v lineárním (zesilovacím) režimu. Výstup je sledován pomocí XSC1. Obrázek 8 ukazuje výsledek měření v režimu otevřeného vstupu, na osciloskopu je stisknuto tlačítko DC (stejnosměrný proud).

Obrázek 8. Měření v režimu otevřeného vstupu (kanál A)

Zde vidíte (kanál A) pouze napětí na kolektoru tranzistoru, stejné 6V, které bylo právě zmíněno. Paprsek v kanálu A „vzlétl“ při 6V, ale zesílené sinusoidy na kolektoru se nestaly. Jednoduše to nelze rozeznat s citlivostí kanálu 5V / Div. Kanál Paprsek na obrázku je zobrazen červeně.

Signál z generátoru je aplikován na vstup B, obrázek je zobrazen modře. Toto je sinusová vlna s amplitudou 10 mV.

Obrázek 9. Měření v uzavřeném vstupním režimu

Nyní stiskněte tlačítko AC na kanálu A - střídavý proud, jedná se vlastně o uzavřený vstup. Zde vidíte zesílený signál - sinusoid s amplitudou 87 milivoltů. Ukazuje se, že kaskáda na jednom tranzistoru zesílila signál o amplitudě 10 mV 8,7krát. Čísla v pravoúhlém okně pod obrazovkou ukazují napětí a časy v místech značek T1, T2. Podobné markery jsou k dispozici v moderních digitálních osciloskopech. To je vlastně vše, co lze říci o otevřených a uzavřených vstupech. A nyní pojďme pokračovat v příběhu o vertikálním vychylovacím zesilovači.

Předzesilovač

Po rozdělovači vstupu přejde zkoumaný signál do předzesilovače a prochází zpožděnou linkou a vstupuje do koncového zesilovače kanálu Y (obrázek 5). Po nezbytném zesílení vstupuje signál do vertikálních vychylovacích desek.

Předzesilovač rozděluje vstupní signál na parafázové komponenty a dodává jej koncovému zesilovači Y. Kromě toho je vstupní signál z předzesilovače veden do spouštěcího impulsu, který poskytuje synchronní obraz na obrazovce během dopředného rozmítání.

Zpožďovací vedení zpožďuje vstupní signál vzhledem k začátku zametacího napětí, což umožňuje sledovat přední hranu impulsu, jak je znázorněno na obrázku 5b). Některé osciloskopy nemají zpožďovací linii, která v podstatě nezasahuje do studia periodických signálů.

Zametací kanál

Vstupní signál z předzesilovače je rovněž veden na vstup pulzního shaperového spouštěče rozmítání.Generovaný impuls spustí generátor rozmítání, který vytváří plynule rostoucí napětí pilového kotouče. Rychlost otáčení a doba rozmítání jsou voleny přepínačem Time / Div, což umožňuje studovat vstupní signály v širokém frekvenčním rozsahu.

Takové skenování se nazývá interní, tj. spouštění přichází ze zkoumaného signálu. Osciloskopy mají obvykle skenovací přepínač „Internal / External“, z nějakého důvodu, který není zobrazen ve funkčním schématu na obrázku 5. V externím spouštěcím režimu může být skenování spuštěno nikoli vyšetřovaným signálem, ale nějakým jiným signálem, na kterém závisí vyšetřovaný signál.

Může to být například spouštěcí impuls zpožděné linky. Poté můžete i v případě jednoho osciloskopu s jedním paprskem měřit časový poměr dvou signálů. Ale je lepší to udělat pomocí dvou paprskového osciloskopu, pokud je to samozřejmě po ruce.

Délka rozmítání by měla být zvolena na základě frekvence (periody) zkoumaného signálu. Předpokládejme, že frekvence signálu je 1 kHz, tj. signální perioda 1ms. Obrázek sinusoidu s dobou skenování 1ms / div je zobrazen na obrázku 10.

Obrázek 10

Při době skenování 1ms / div zabírá jedna periody sinusové vlny 1 kHz přesně jedno dělení stupnice podél osy Y. Skenování je synchronizováno z paprsku A podél vzestupné hrany, pokud jde o úroveň vstupního signálu 0V. Proto sinusová vlna na obrazovce začíná kladným půlcyklem.

Pokud se doba trvání skenování změní na 500 μs / div (0,5 ms / div), pak jedna perioda sinusoidy zabere na obrazovce dvě divize, jak je znázorněno na obrázku 11, což je samozřejmě výhodnější pro pozorování signálu.

Obrázek 11

Kromě vlastního pilového napětí generuje generátor zametání také puls podsvícení, který je přiváděn do modulátoru a „zapálí“ elektronový paprsek (obr. 5 g). Doba trvání impulsu podsvícení je stejná jako doba trvání předního paprsku. Během zpětného zdvihu nedochází k žádnému podsvícení a paprsek zhasne. Pokud nedochází k zatemnění paprsku, objeví se na obrazovce něco nepochopitelného: zpětný zdvih a dokonce modulovaný vstupním signálem jednoduše vyškrtne veškerý užitečný obsah průběhu.

Napájecí napětí pilového kotouče je přiváděno do koncového zesilovače kanálu X, rozděleno na parafázový signál a přiváděno do vodorovných vychylovacích desek, jak je znázorněno na obrázku 5 (e).

Externí vstup zesilovače X

Terminálový zesilovač X může být napájen nejen napětím z generátoru rozmítání, ale také externím napětím, které umožňuje měřit frekvenci a fázi signálu pomocí Lissajousových čísel.

Obrázek 12. Světelné obrázky

Ale vstupní spínač X není zobrazen na funkčním diagramu na obrázku 5, ani na přepínači druhu operací zametání, které byly zmíněny o kousek výše.

Kromě kanálů X a Y má osciloskop, stejně jako jakékoli jiné elektronické zařízení, napájení. Osciloskopy malé velikosti, například C1-73, C1-101, mohou pracovat z autobaterie. Mimochodem, tyto osciloskopy byly po dlouhou dobu velmi dobré a stále se úspěšně používají.

Obrázek 13. Osciloskop C1-73

Obrázek 14. Osciloskop C1-101

Vzhled osciloskopů je znázorněn na obrázcích 13 a 14. Nejpřekvapivější je, že jsou stále nabízeny k nákupu v internetových obchodech. Cena je však taková, že je levnější kupovat malé digitální osciloskopy na Aliexpressu.

Dalšími osciloskopy jsou vestavěné kalibrátory amplitudy a rozmítání. Jedná se zpravidla o poměrně stabilní obdélníkové generátory impulzů, které je spojují se vstupem osciloskopu, pomocí ladících prvků, které můžete konfigurovat zesilovače X a Y. Mimochodem, moderní digitální osciloskopy také mají takové kalibrátory.

Jak používat osciloskop, metody a metody měření budou diskutovány v následujícím článku.

Pokračování článku: Jak používat osciloskop

Boris Aladyshkin