Oscilloscope électronique - appareil, principe de fonctionnement

La radio amateur, en tant que passe-temps, est une activité très excitante et, on peut dire, addictive. Beaucoup y participent au cours des merveilleuses années scolaires et, avec le temps, ce passe-temps peut devenir un métier à vie. Même si vous ne pouvez pas obtenir une formation supérieure en ingénierie radio, une étude indépendante de l'électronique vous permet d'obtenir des résultats et un succès très élevés. À une certaine époque, le magazine Radio a appelé ces ingénieurs spécialistes sans diplôme.

Les premières expériences avec l'électronique commencent, en règle générale, par l'assemblage des circuits les plus simples, qui commencent à fonctionner immédiatement sans réglage ni configuration. Le plus souvent, ce sont divers générateurs, appels, alimentations sans prétention. Tout cela peut être collecté en lisant une quantité minimale de littérature, juste des descriptions de modèles reproductibles. À ce stade, en règle générale, il est possible de s'en sortir avec un ensemble minimal d'outils: un fer à souder, des pinces latérales, un couteau et plusieurs tournevis.

Peu à peu, les conceptions deviennent plus compliquées, et tôt ou tard, il s'avère que sans ajustement et réglage, elles ne fonctionneront tout simplement pas. Par conséquent, vous devez acquérir des instruments de mesure minces, et le plus tôt sera le mieux. L'ancienne génération d'ingénieurs en électronique avait un testeur de pointeur avec un tel appareil.

À l'heure actuelle, le testeur de commutateurs, souvent appelé avomètre, a remplacé multimètre numérique. Cela peut être trouvé dans l'article "Comment utiliser un multimètre numérique." Bien que le bon vieux testeur de pointeur ne renonce pas à ses positions, et dans certains cas, son utilisation est préférable par rapport à un appareil numérique.

Ces deux appareils vous permettent de mesurer des tensions, courants et résistances directs et alternatifs. Si les tensions constantes sont faciles à mesurer, il suffit de connaître uniquement la valeur, alors avec des tensions alternées, il y a quelques nuances.

Le fait est que le pointeur et les appareils numériques modernes sont conçus pour mesurer une tension alternative sinusoïdale et, dans une plage de fréquences assez limitée: le résultat de la mesure sera la valeur réelle de la tension alternative.

Si de tels appareils mesurent la tension d'une forme rectangulaire, triangulaire ou en dents de scie, alors les lectures sur l'échelle de l'appareil le seront bien sûr, mais vous n'avez pas à vous porter garant de la précision des mesures. Eh bien, il n'y a que des tensions, et laquelle n'est pas exactement connue. Et comment être dans de tels cas, comment continuer la réparation et le développement de nouveaux circuits électroniques de plus en plus complexes? Ici, le radio-amateur arrive sur scène lorsque vous devez acheter un oscilloscope.

Un peu d'histoire

À l'aide de cet appareil, vous pouvez voir de vos propres yeux ce qui se passe dans les circuits électroniques: quelle est la forme du signal, où il est apparu ou a disparu, les relations temporelles et de phase des signaux. Pour observer plusieurs signaux, au moins un oscilloscope à deux faisceaux est nécessaire.

Ici, nous pouvons rappeler une histoire lointaine, quand en 1969 l'oscilloscope à cinq faisceaux C1-33, qui a été produit en masse par l'usine de Vilnius, a été créé. L'appareil utilisait un CRT 22LO1A, qui n'était utilisé que dans ce développement. Le client de cet appareil était, bien entendu, le complexe militaro-industriel.

Structurellement, cet appareil était composé de deux blocs placés sur un rack à roulettes: l'oscilloscope lui-même et l'alimentation. Le poids total de la structure était de 160 kg! Le kit d'oscilloscope comprenait une caméra d'enregistrement RFK-5 fixée à l'écran, ce qui assurait l'enregistrement d'oscillogrammes sur film. L'aspect de l'oscilloscope à cinq faisceaux C1-33 avec la caméra installée est illustré à la figure 1.

Figure 1. Oscilloscope à cinq faisceaux C1-33, 1969

L'électronique moderne permet de créer des oscilloscopes numériques portables de la taille d'un téléphone mobile. L'un de ces dispositifs est illustré à la figure 2. Mais cela sera discuté plus tard.

Figure 2. Oscilloscope numérique de poche DS203

Oscilloscopes de différents types

Jusqu'à récemment, plusieurs types d'oscilloscopes à faisceau d'électrons étaient produits. Tout d'abord, ce sont des oscilloscopes universels, qui sont le plus souvent utilisés à des fins pratiques. En plus d'eux, des oscilloscopes de stockage basés sur des CRT de stockage, à haute vitesse, stroboscopiques et spéciaux ont également été produits. Ces derniers types étaient destinés à diverses tâches scientifiques spécifiques, auxquelles les oscilloscopes numériques modernes sont actuellement en mesure de faire face avec succès. Par conséquent, nous nous concentrerons davantage sur les oscilloscopes électroniques universels à usage général.

Dispositif CRT

La partie principale de l'oscilloscope électronique, bien sûr, est le tube à rayons cathodiques - CRT. Son appareil est illustré à la figure 3.

Figure 3. Dispositif CRT

Structurellement, un CRT est un long cylindre en verre 10 de forme cylindrique avec une extension en forme de cône. Le bas de cette extension, qui est un écran CRT, est recouvert d'un luminophore qui émet une lueur visible lorsqu'un faisceau d'électrons le frappe 11. De nombreux CRT ont un écran rectangulaire avec des divisions appliquées directement sur le verre. C'est cet écran qui est l'indicateur de l'oscilloscope.

Un faisceau d'électrons est formé par un canon à électrons

L'élément chauffant 1 chauffe la cathode 2, qui commence à émettre des électrons. En physique, ce phénomène est appelé émission thermoionique. Mais les électrons émis par la cathode ne voleront pas loin, ils se contenteront de s'asseoir sur la cathode. Pour obtenir un faisceau à partir de ces électrons, plusieurs électrodes supplémentaires sont nécessaires.

Il s'agit de l'électrode de focalisation 4 et de l'anode 5 connectées à l'aquadag 8. Sous l'influence du champ électrique de ces électrodes, les électrons se détachent de la cathode, accélèrent, se concentrent en un faisceau mince et se précipitent vers l'écran recouvert de phosphore, ce qui fait briller le phosphore. Ensemble, ces électrodes sont appelées canons à électrons.

Atteignant la surface de l'écran, le faisceau d'électrons provoque non seulement une lueur, mais élimine également les électrons secondaires du phosphore, ce qui provoque la défocalisation du faisceau. L'aquadag mentionné ci-dessus, qui est un revêtement en graphite de la surface intérieure du tube, sert à éliminer ces électrons secondaires. De plus, l'aquadag protège dans une certaine mesure le faisceau des champs électrostatiques externes. Mais une telle protection ne suffit pas, par conséquent, la partie cylindrique du tube cathodique, où se trouvent les électrodes, est placée dans un écran métallique en acier électrique ou en permalloy.

Situé entre la cathode et l'électrode de focalisation, un modulateur 3 a pour fonction de contrôler le courant du faisceau, ce qui permet d'éteindre le faisceau lors du balayage inverse et de le mettre en évidence lors de la course vers l'avant. Dans les lampes d'amplification, cette électrode est appelée grille de contrôle. Le modulateur, l'électrode de focalisation et l'anode ont des trous centraux à travers lesquels le faisceau d'électrons vole.

Plaques de déviation Un tube cathodique a deux paires de plaques de déviation. Ce sont les plaques de la déflexion verticale du faisceau 6 - la plaque Y, à laquelle le signal étudié est fourni, et les plaques de la déflexion horizontale 7 - la plaque X, et la tension de balayage horizontal leur est appliquée. Si les plaques de déflexion ne sont connectées nulle part, un point lumineux doit apparaître au centre de l'écran CRT. Dans la figure, c'est le point O2. Naturellement, la tension d'alimentation doit être appliquée au tube.

C'est là qu'un point important doit être souligné. Lorsque le point reste immobile, sans se déplacer nulle part, il peut simplement brûler le phosphore et un point noir restera à jamais sur l'écran CRT. Cela peut se produire pendant le processus de réparation de l'oscilloscope ou avec l'auto-production d'un simple appareil amateur.Par conséquent, dans ce mode, vous devez réduire la luminosité au minimum et défocaliser le faisceau - vous pouvez toujours voir s'il y a un faisceau ou s'il est absent.

Lorsqu'une certaine tension est appliquée aux plaques de déviation, le faisceau s'écarte du centre de l'écran. Sur la figure 3, le faisceau dévie vers le point O3. Si la tension change, le faisceau tracera une ligne droite sur l'écran. C'est ce phénomène qui est utilisé pour créer l'image du signal étudié sur l'écran. Pour obtenir une image bidimensionnelle à l'écran, deux signaux doivent être appliqués: le signal de test - appliqué aux plaques Y, et la tension de balayage - appliquée aux plaques X. On peut dire qu'un graphique avec les axes de coordonnées X et Y est obtenu à l'écran.

Balayage horizontal

C'est le balayage horizontal qui forme l'axe X du graphique à l'écran.

Figure 4. Tension de balayage

Comme on peut le voir sur la figure, le balayage horizontal est effectué par une tension en dents de scie, qui peut être divisée en deux parties: avant et arrière (Fig. 4a). Au cours de la course vers l'avant, le faisceau se déplace uniformément sur l'écran de gauche à droite et, lorsqu'il atteint le bord droit, revient rapidement. C'est ce qu'on appelle un coup inversé. Pendant la course vers l'avant, une impulsion de rétroéclairage est générée, qui est envoyée au modulateur à tube, et un point lumineux apparaît sur l'écran, dessinant une ligne horizontale (figure 4b).

La tension directe, comme le montre la figure 4, part de zéro (un faisceau au centre de l'écran) et passe à une tension d'Umax. Par conséquent, le faisceau se déplacera du centre de l'écran vers le bord droit, c'est-à-dire juste la moitié de l'écran. Pour démarrer le balayage à partir du bord gauche de l'écran, le faisceau est décalé vers la gauche en lui appliquant une tension de polarisation. Le décalage du faisceau est contrôlé par une poignée sur le panneau avant.

Pendant la course de retour, l'impulsion de rétroéclairage se termine et le faisceau s'éteint. La position relative de l'impulsion de rétroéclairage et la tension de balayage en dents de scie sont visibles sur le diagramme fonctionnel de l'oscilloscope illustré à la figure 5. Malgré la variété des schémas de circuits de l'oscilloscope, leurs circuits fonctionnels sont approximativement les mêmes, similaires à ceux illustrés sur la figure.

Figure 5. Diagramme fonctionnel de l'oscilloscope

Sensibilité CRT

Il est déterminé par le coefficient de déviation, montrant combien de millimètres le faisceau dévie lorsqu'une tension constante de 1 V est appliquée aux plaques. Pour divers CRT, cette valeur est comprise entre 0,15 et 2 mm / V. Il s'avère qu'en appliquant une tension de 1 V aux plaques de déviation, le faisceau peut déplacer le faisceau de seulement 2 mm, et c'est dans le meilleur des cas. Pour dévier le faisceau d'un centimètre (10 mm), une tension de 10/2 = 5V est requise. Avec une sensibilité de 0,15 mm / V pour le même mouvement, 10 / 0,15 = 66,666 V seront nécessaires.

Par conséquent, afin d'obtenir une déviation notable du faisceau par rapport au centre de l'écran, le signal étudié est amplifié par un amplificateur à canal vertical à plusieurs dizaines de volts. Le canal d'amplification horizontale, avec lequel un balayage est effectué, a la même tension de sortie.

La plupart des oscilloscopes universels ont une sensibilité maximale de 5 mV / cm. Lors de l'utilisation d'un tube cathodique de type 8LO6I avec une tension d'entrée de 5 mV, les plaques de déviation nécessitent une tension de 8,5 V pour déplacer le faisceau de 1 cm. Il est facile de calculer que cela nécessitera une amplification plus de 1 500 fois.

Un tel gain doit être obtenu dans toute la bande passante, et plus la fréquence est élevée, plus le gain, inhérent à tout amplificateur, est faible. La bande passante est caractérisée par une fréquence supérieure f up. A cette fréquence, le gain du canal de déviation verticale diminue de 1,4 fois ou de 3 dB. Pour la plupart des oscilloscopes universels, cette bande est de 5 MHz.

Et que se passera-t-il si la fréquence du signal d'entrée dépasse la fréquence supérieure, par exemple, 8 ... 10 MHz? Pourra-t-elle le voir à l'écran? Oui, il sera visible, mais l'amplitude du signal ne peut pas être mesurée. Vous pouvez seulement vous assurer qu'il y a un signal ou non. Parfois, ces informations suffisent amplement.

Déviation verticale du canal. Diviseur d'entrée

Le signal étudié est envoyé à l'entrée du canal de la déviation verticale à travers le diviseur d'entrée, représenté sur la figure 6. Souvent, le diviseur d'entrée est appelé un atténuateur.

Figure 6. Le diviseur d'entrée de la déviation verticale du canal

En utilisant le diviseur d'entrée, il devient possible d'étudier le signal d'entrée de quelques millivolts à plusieurs dizaines de volts. Dans le cas où le signal d'entrée dépasse les capacités du diviseur d'entrée, des sondes d'entrée avec un rapport de division de 1:10 ou 1:20 sont utilisées. La limite de 5V / div devient alors 50V / div ou 100V / div, ce qui permet d'étudier des signaux avec des tensions importantes.

Entrée ouverte et fermée

Ici (figure 6), vous pouvez voir l'interrupteur B1, qui permet d'appliquer un signal via un condensateur (entrée fermée) ou directement à l'entrée du diviseur (entrée ouverte). Lors de l'utilisation du mode "entrée fermée", il est possible d'étudier la composante variable du signal, en ignorant sa composante constante. Le diagramme simple illustré à la figure 7 aidera à expliquer ce qui a été dit. Le diagramme est créé dans le programme Multisim, de sorte que tout dans ces figures, bien que virtuellement, est assez juste.

Figure 7. Etage amplificateur sur un seul transistor

Un signal d'entrée d'une amplitude de 10 mV à travers un condensateur C1 est envoyé à la base du transistor Q1. En sélectionnant la résistance R2, la tension sur le collecteur du transistor est réglée égale à la moitié de la tension d'alimentation (dans ce cas 6V), ce qui permet au transistor de fonctionner en mode linéaire (amplificateur). La sortie est surveillée par le XSC1. La figure 8 montre le résultat de la mesure en mode d'entrée ouvert, sur l'oscilloscope, le bouton DC (courant continu) est enfoncé.

Figure 8. Mesures en mode d'entrée ouvert (canal A)

Ici, vous ne pouvez voir (canal A) que la tension au collecteur du transistor, le même 6V qui vient d'être mentionné. Le faisceau dans le canal A a «décollé» à 6 V, mais la sinusoïde amplifiée sur le collecteur ne s'est pas produite. Il ne peut tout simplement pas être discerné avec la sensibilité du canal 5V / Div. Canal Un faisceau sur la figure est représenté en rouge.

Le signal du générateur est appliqué à l'entrée B, la figure est représentée en bleu. Il s'agit d'une onde sinusoïdale d'une amplitude de 10 mV.

Figure 9. Mesures en mode d'entrée fermé

Maintenant, appuyez sur le bouton AC dans le canal A - courant alternatif, il s'agit en fait d'une entrée fermée. Ici, vous pouvez voir le signal amplifié - une sinusoïde d'une amplitude de 87 millivolts. Il s'avère que la cascade sur un transistor a amplifié le signal avec une amplitude de 10 mV par 8,7 fois. Les nombres dans la fenêtre rectangulaire sous l'écran montrent les tensions et les temps aux emplacements des marqueurs T1, T2. Des marqueurs similaires sont disponibles dans les oscilloscopes numériques modernes. C’est en fait tout ce que l’on peut dire sur les entrées ouvertes et fermées. Et maintenant, continuons l'histoire de l'amplificateur à déflexion verticale.

Préamplificateur

Après le diviseur d'entrée, le signal étudié va au préamplificateur et, en passant par la ligne à retard, entre dans l'amplificateur terminal du canal Y (figure 5). Après l'amplification nécessaire, le signal pénètre dans les plaques de déflexion verticales.

Le préamplificateur divise le signal d'entrée en composants paraphasés pour le fournir à l'amplificateur terminal Y. De plus, le signal d'entrée provenant du préamplificateur est envoyé à la gâchette de balayage, qui fournit une image synchrone à l'écran pendant le balayage avant.

La ligne à retard retarde le signal d'entrée par rapport au début de la tension de balayage, ce qui permet d'observer le front d'attaque de l'impulsion, comme le montre la figure 5 b). Certains oscilloscopes n'ont pas de ligne à retard, ce qui, par essence, n'interfère pas avec l'étude des signaux périodiques.

Canal de balayage

Le signal d'entrée provenant du préamplificateur est également envoyé à l'entrée de la mise en forme d'impulsion de déclenchement de balayage.L'impulsion générée démarre le générateur de balayage, qui produit une tension en dents de scie qui monte en douceur. La vitesse de balayage et la période de tension de balayage sont sélectionnées par le commutateur Time / Div, qui permet d'étudier les signaux d'entrée dans une large gamme de fréquences.

Un tel scan est appelé interne, c'est-à-dire le déclenchement provient du signal sous enquête. En règle générale, les oscilloscopes ont un commutateur de balayage «interne / externe», pour une raison non indiquée dans le diagramme fonctionnel de la figure 5. En mode de déclenchement externe, le balayage peut être déclenché non pas par le signal étudié, mais par un autre signal dont dépend le signal étudié.

Cela pourrait être, par exemple, une impulsion de déclenchement de ligne à retard. Ensuite, même avec un oscilloscope à faisceau unique, vous pouvez mesurer le rapport temporel de deux signaux. Mais il vaut mieux le faire avec un oscilloscope à deux faisceaux, s'il est bien sûr à portée de main.

La durée du balayage doit être sélectionnée en fonction de la fréquence (période) du signal étudié. Supposons que la fréquence du signal soit de 1 KHz, c'est-à-dire période de signal 1 ms. L'image d'une sinusoïde avec un temps de balayage de 1 ms / div est représentée sur la figure 10.

Figure 10

Avec un temps de balayage de 1 ms / div, une période d'onde sinusoïdale de 1 KHz occupe exactement une division d'échelle le long de l'axe Y. Le balayage est synchronisé à partir du faisceau A le long d'un front ascendant en termes d'un niveau de signal d'entrée de 0 V. Par conséquent, l'onde sinusoïdale sur l'écran commence par un demi-cycle positif.

Si la durée de balayage passe à 500 μs / div (0,5 ms / div), une période de la sinusoïde occupera deux divisions sur l'écran, comme le montre la figure 11, ce qui, bien sûr, est plus pratique pour observer le signal.

Figure 11

En plus de la tension en dents de scie elle-même, le générateur de balayage génère également une impulsion de rétroéclairage, qui est envoyée au modulateur et «allume» le faisceau d'électrons (Fig. 5 g). La durée de l'impulsion de rétroéclairage est égale à la durée du faisceau avant. Pendant la course de retour, il n'y a pas d'impulsion de rétroéclairage et le faisceau s'éteint. S'il n'y a pas de suppression de faisceau, quelque chose d'incompréhensible apparaîtra à l'écran: la course inverse, et même modulée par le signal d'entrée, barrera simplement tout le contenu utile de la forme d'onde.

Une tension de balayage en dents de scie est fournie à l'amplificateur terminal du canal X, divisée en un signal de paraphase et envoyée aux plaques de déviation horizontale, comme le montre la figure 5 (e).

Amplificateur X entrée externe

Non seulement la tension du générateur de balayage, mais également une tension externe peuvent être fournies à l'amplificateur terminal X, ce qui permet de mesurer la fréquence et la phase du signal à l'aide des chiffres de Lissajous.

Figure 12. Figures de Lissajous

Mais le commutateur d'entrée X n'est pas représenté sur le schéma fonctionnel de la figure 5, ainsi que le commutateur du type d'opérations de balayage, qui a été mentionné un peu plus haut.

En plus des canaux X et Y, l'oscilloscope, comme tout appareil électronique, dispose d'une alimentation. Les oscilloscopes de petite taille, par exemple, C1-73, C1-101 peuvent fonctionner à partir d'une batterie de voiture. Soit dit en passant, pour leur époque, ces oscilloscopes étaient très bons et sont toujours utilisés avec succès.

Figure 13. Oscilloscope C1-73

Figure 14. Oscilloscope C1-101

L'aspect des oscilloscopes est illustré dans les figures 13 et 14. Le plus surprenant est qu'ils sont toujours proposés à l'achat dans les magasins en ligne. Mais le prix est tel qu'il est moins cher d'acheter des oscilloscopes numériques de petite taille sur Aliexpress.

Les oscilloscopes supplémentaires sont des calibrateurs d'amplitude et de balayage intégrés. Ce sont, en règle générale, des générateurs d'impulsions rectangulaires assez stables, en les connectant à l'entrée de l'oscilloscope, en utilisant les éléments de réglage, vous pouvez configurer les amplificateurs X et Y. Soit dit en passant, les calibrateurs modernes ont également de tels calibrateurs.

Comment utiliser l'oscilloscope, les méthodes et les méthodes de mesure seront discutées dans le prochain article.

Suite de l'article: Comment utiliser l'oscilloscope

Boris Aladyshkin