Elektroniskais osciloskops - ierīce, darbības princips

Radioamatieru kā hobijs ir ļoti aizraujoša nodarbe, un, var teikt, atkarību. Daudzi tajā nonāk brīnišķīgajos skolas gados, un laika gaitā šis hobijs var kļūt par profesiju uz mūžu. Pat ja jūs nevarat iegūt augstāku radiotehnikas izglītību, neatkarīga elektronikas studēšana ļauj sasniegt ļoti augstus rezultātus un gūt panākumus. Savulaik žurnāls Radio šādus speciālistus sauca par inženieriem bez diplomiem.

Pirmie eksperimenti ar elektroniku, kā likums, sākas ar visvienkāršāko shēmu montāžu, kuras sāk darboties uzreiz bez pielāgošanas un iestatīšanas. Visbiežāk tie ir dažādi ģeneratori, zvani, nepretenciozi barošanas avoti. To visu var savākt, izlasot minimālo literatūras daudzumu, tikai atkārtojamo rakstu aprakstus. Šajā posmā, kā likums, to var izdarīt ar minimālu instrumentu komplektu: lodāmurs, sānu griezēji, nazis un vairāki skrūvgrieži.

Pakāpeniski dizaini kļūst sarežģītāki, un agrāk vai vēlāk izrādās, ka bez pielāgošanas un noregulēšanas tie vienkārši nedarbosies. Tāpēc jums jāiegūst plānie mērinstrumenti, un jo ātrāk, jo labāk. Vecākās paaudzes elektronikas inženieriem bija rādītāja testeris ar šādu ierīci.

Pašlaik ir nomainīts slēdža testeris, ko bieži sauc par avometru digitālais multimetrs. To var atrast rakstā "Kā izmantot digitālo multimetru". Lai gan vecais labais rādītāja testeris neatsakās no savām pozīcijām, un dažos gadījumos tā lietošana ir vēlama salīdzinājumā ar digitālo ierīci.

Abas šīs ierīces ļauj izmērīt tiešo un mainīgo spriegumu, strāvu un pretestību. Ja pastāvīgus spriegumus ir viegli izmērīt, pietiek ar to, lai uzzinātu tikai vērtību, tad ar maiņstrāvas spriegumiem ir dažas nianses.

Fakts ir tāds, ka gan rādītājs, gan mūsdienu digitālās ierīces ir paredzētas sinusoidālā maiņstrāvas mērīšanai, un diezgan ierobežotā frekvenču diapazonā: mērījuma rezultāts būs mainīgā sprieguma faktiskā vērtība.

Ja šādas ierīces mēra taisnstūra, trīsstūra vai zāģa formas spriegumu, tad, protams, rādījumi ierīces skalā būs, taču jums nav jāgarantē par mērījumu precizitāti. Nu, tur ir tikai spriedze, un kurš no tiem nav precīzi zināms. Un kā būt šādos gadījumos, kā turpināt jaunu, arvien sarežģītāku elektronisko shēmu remontu un attīstību? Šeit radioamatieris nonāk uz skatuves, kad jāiegādājas osciloskops.

Nedaudz vēstures

Ar šīs ierīces palīdzību jūs varat savām acīm redzēt, kas notiek elektroniskajās shēmās: kāda ir signāla forma, kur tas parādījās vai pazuda, signālu laika un fāzes attiecības. Lai novērotu vairākus signālus, ir nepieciešams vismaz divu staru osciloskops.

Šeit mēs varam atcerēties tālu stāstu, kad 1969. gadā tika izveidots piecu staru osciloskops C1-33, kuru masveidā ražoja Viļņas rūpnīca. Ierīcē tika izmantots CRT 22LO1A, kas tika izmantots tikai šajā izstrādē. Šīs ierīces klients, protams, bija militāri rūpnieciskais komplekss.

Strukturāli šis aparāts tika izgatavots no diviem blokiem, kas novietoti uz statīva ar riteņiem: pats osciloskops un barošanas bloks. Kopējais konstrukcijas svars bija 160 kg! Komplektācijā ietilpa pie ekrāna piestiprināta RFK-5 ierakstīšanas kamera, kas nodrošināja viļņu formu ierakstīšanu filmā. Piecu staru osciloskopa C1-33 izskats ar uzstādītu kameru parādīts 1. attēlā.

1. attēls. Piecu staru osciloskops C1-33, 1969. gads

Mūsdienu elektronika ļauj izveidot rokas digitālos osciloskopus, kas ir mobilā tālruņa lielumā. Viena no šādām ierīcēm ir parādīta 2. attēlā. Bet par to tiks runāts vēlāk.

2. attēls. DS203 kabatas digitālais osciloskops

Dažādu veidu osciloskopi

Vēl nesen tika ražoti vairāku veidu elektronu staru osciloskopi. Pirmkārt, tie ir universālie osciloskopi, kurus visbiežāk izmanto praktiskiem mērķiem. Papildus tiem tika ražoti arī uzglabāšanas osciloskopi, kuru pamatā ir uzglabāšanas CRT, ātrgaitas, stroboskopiski un īpašie. Pēdējie tipi bija paredzēti dažādiem specifiskiem zinātniskiem uzdevumiem, ar kuriem mūsdienās veiksmīgi tiek galā mūsdienu digitālie osciloskopi. Tāpēc turpmāk mēs pievērsīsimies universāliem vispārējas nozīmes elektroniskiem osciloskopiem.

CRT ierīce

Elektroniskā osciloskopa galvenā daļa, protams, ir katodstaru caurule - CRT. Tās ierīce ir parādīta 3. attēlā.

3. attēls. CRT ierīce

Strukturāli CRT ir garš stikla cilindrs 10 ar cilindrisku formu ar konusa formas pagarinājumu. Šī pagarinājuma, kas ir CRT ekrāns, apakšdaļa ir pārklāta ar fosforu, kas izstaro redzamu mirdzumu, kad tam piesit elektronu stars 11. Daudziem CRT ir taisnstūrveida ekrāns ar dalījumiem, kas tiek uzlikti tieši uz stikla. Tieši šis ekrāns ir osciloskopa indikators.

Elektronu staru kūli veido elektronu lielgabals

Sildītājs 1 silda 2. katodu, kas sāk izstarot elektronus. Fizikā šo parādību sauc par termionisko emisiju. Bet katoda izstarotie elektroni tālu neaizlidos, viņi vienkārši sēdēs atpakaļ uz katoda. Lai no šiem elektroniem iegūtu staru kūli, nepieciešami vēl vairāki elektrodi.

Tas ir fokusēšanas elektrods 4 un anods 5, kas savienots ar akvadagu 8. Šo elektrodu elektriskā lauka ietekmē elektroni atdalās no katoda, paātrinās, fokusējas plānā starā un skrien uz ekrānu, kas pārklāts ar fosforu, izraisot fosfora mirdzumu. Kopā šie elektrodi tiek saukti par elektronu lielgabaliem.

Sasniedzot ekrāna virsmu, elektronu stars ne tikai izraisa mirdzumu, bet arī no fosfora izsit sekundāros elektronus, kas liek staru fokusēt. Iepriekš minētais akvadags, kas ir caurules iekšējās virsmas grafīta pārklājums, kalpo šo sekundāro elektronu noņemšanai. Turklāt aquadag zināmā mērā aizsargā staru no ārējiem elektrostatiskajiem laukiem. Bet ar šādu aizsardzību nepietiek, tāpēc CRT cilindriskā daļa, kurā atrodas elektrodi, tiek ievietota metāla ekrānā, kas izgatavots no elektriskā tērauda vai permalloy.

Starp katodu un fokusējošo elektrodu atrodas modulators 3. Tā mērķis ir kontrolēt staru strāvu, kas ļauj apdzēst gaismu apgrieztā slaucīšanas laikā un izcelt priekšējā gājiena laikā. Pastiprināšanas lampās šo elektrodu sauc par vadības režģi. Modulātoram, fokusējošajam elektrodam un anodam ir centrālie caurumi, caur kuriem lido elektronu stars.

Izliekošās plāksnes CRT ir divi pārlieku plākšņu pāri. Tās ir staru 6 vertikālās novirzes plāksnes - plāksne Y, kurai tiek piegādāts pētāmais signāls, un horizontālās novirzes 7 plāksnes - plāksne X, un tām tiek uzlikts horizontālais spriegums. Ja novirzes plāksnes nekur nav savienotas, CRT ekrāna centrā jāparādās gaismas punktam. Attēlā tas ir punkts O2. Protams, caurulei jāpieliek barošanas spriegums.

Šeit ir jāizceļ svarīgs punkts. Kad punkts stāv, nekur nepārvietojoties, tas var vienkārši sadedzināt fosforu, un melns punkts uz visiem laikiem paliks CRT ekrānā. Tas var notikt osciloskopa remonta laikā vai arī ar vienkāršu amatieru ierīces pašražošanu.Tādēļ šajā režīmā jums jāsamazina spilgtums līdz minimumam un jākoncentrē staru kūlis - jūs joprojām varat redzēt, vai ir gaismas stars vai tā nav.

Kad novirzes plāksnēm tiek piemērots noteikts spriegums, stars novirzīsies no ekrāna centra. 3. attēlā staru kūlis novirzās uz punktu O3. Ja mainās spriegums, staru kūlis ekrānā novilks taisnu līniju. Tieši šī parādība tiek izmantota, lai ekrānā izveidotu pētāmā signāla attēlu. Lai ekrānā iegūtu divdimensiju attēlu, ir jāpiemēro divi signāli: testa signāls tiek piemērots Y plāksnēm, un skenēšanas spriegums tiek piemērots X plāksnēm. Mēs varam teikt, ka ekrānā tiek iegūts grafiks ar koordinātu asīm X un Y.

Horizontālā skenēšana

Tieši horizontālā skenēšana veido diagrammas X asi uz ekrāna.

4. attēls. Slaucīšanas spriegums

Kā redzams attēlā, horizontālo skenēšanu veic ar zāģa sprieguma spriegumu, ko var sadalīt divās daļās: uz priekšu un atpakaļ (4.a att.). Virzoties uz priekšu, stars vienmērīgi pārvietojas pa ekrānu no kreisās uz labo, un, sasniedzot labo malu, tas ātri atgriežas. To sauc par apgrieztu insultu. Priekšējā gājiena laikā tiek ģenerēts fona apgaismojuma impulss, kas tiek padots caurules modulatoram, un ekrānā parādās gaismas punkts, uzzīmējot horizontālu līniju (4.b att.).

Uz priekšu vērsts spriegums, kā parādīts 4. attēlā, sākas no nulles (staru kūlis ekrāna centrā) un mainās uz Umax spriegumu. Tāpēc stars pārvietosies no ekrāna centra uz labo malu, t.i. tikai puse no ekrāna. Lai sāktu skenēšanu no ekrāna kreisās malas, stars tiek pārbīdīts pa kreisi, uzliekot tam slīpo spriegumu. Sijas nobīdi kontrolē ar rokturi uz priekšējā paneļa.

Atgriešanās gājiena laikā fona apgaismojuma impulss beidzas un stars iziet. Fona apgaismojuma impulsa un zāģa zibspuldzes slaucīšanas sprieguma relatīvo stāvokli var redzēt osciloskopa funkcionālā shēmā, kas parādīta 5. attēlā. Neskatoties uz osciloskopa shēmu dažādību, to funkcionālās shēmas ir aptuveni vienādas, līdzīgas tām, kas parādītas attēlā.

5. attēls. Osciloskopa funkcionālā diagramma

CRT jutība

To nosaka ar novirzes koeficientu, parādot, cik milimetru staru kūlis novirzās, kad plāksnēm tiek piemērots nemainīgs spriegums 1 V. Dažādiem CRT šī vērtība ir diapazonā no 0,15 līdz 2 mm / V. Izrādās, pieliekot 1 V spriegumu novirzošajām plāksnēm, staru kūlis var pārvietot staru tikai par 2 mm, un tas ir labākajā gadījumā. Lai novirzītu staru kūli par vienu centimetru (10 mm), nepieciešams spriegums 10/2 = 5 V. Ar jutību 0,15 mm / V tai pašai kustībai būs nepieciešams 10 / 0,15 = 66,666 V.

Tāpēc, lai iegūtu pamanāmu staru novirzi no ekrāna centra, pētāmo signālu pastiprina vertikālais kanāla pastiprinātājs līdz vairākiem desmitiem voltu. Horizontālās pastiprināšanas kanālam, ar kuru tiek veikta skenēšana, ir tāds pats izejas spriegums.

Lielākajai daļai universālo osciloskopu maksimālā jutība ir 5 mV / cm. Izmantojot 8LO6I tipa CRT ar ieejas spriegumu 5 mV, novirzošajām plāksnēm būs nepieciešams 8,5 V spriegums, lai staru kūli pārvietotu 1 cm. Ir viegli aprēķināt, ka tas prasīs pastiprināšanu vairāk nekā 1500 reizes.

Šāds pastiprinājums jāiegūst visā caurlaides joslā, un jo augstāka ir frekvence, jo mazāks ir pastiprinājums, kas raksturīgs visiem pastiprinātājiem. Piekļuves joslai raksturīga augšējā frekvence f uz augšu. Ar šo frekvenci vertikālās novirzes kanāla pastiprinājums samazinās par 1,4 reizes vai par 3 dB. Lielākajai daļai universālo osciloskopu šī josla ir 5 MHz.

Un kas notiks, ja ieejas signāla frekvence pārsniedz augšējo frekvenci, piemēram, 8 ... 10 MHz? Vai viņa to varēs redzēt uz ekrāna? Jā, tas būs redzams, bet signāla amplitūdu nevar izmērīt. Jūs varat tikai pārliecināties, vai signāls ir vai nav. Dažreiz šādas informācijas ir pilnīgi pietiekami.

Kanāla vertikālā novirze. Ievades dalītājs

Pētītais signāls tiek piegādāts vertikālās novirzes kanāla ieejai caur ievades dalītāju, kā parādīts 6. attēlā. Bieži vien ieejas dalītāju sauc par vājinātāju.

Kanāla vertikālās novirzes ieejas dalītājs

Izmantojot ievades dalītāju, ir iespējams izpētīt ieejas signālu no dažiem milivoltiem līdz vairākiem desmitiem voltu. Gadījumā, ja ieejas signāls pārsniedz ieejas dalītāja iespējas, tiek izmantotas ieejas zondes ar dalījuma attiecību 1:10 vai 1:20. Tad 5V / div robeža kļūst par 50V / div vai 100V / div, kas ļauj pētīt signālus ar ievērojamu spriegumu.

Atvērta un slēgta ieeja

Šeit (6. attēls) var redzēt slēdzi B1, kas ļauj signālu pielietot caur kondensatoru (slēgta ieeja) vai tieši uz dalītāja ieeju (atvērta ieeja). Izmantojot režīmu "slēgta ievade", ir iespējams izpētīt signāla mainīgo komponentu, ignorējot tā nemainīgo komponentu. Vienkāršā diagramma, kas parādīta 7. attēlā, palīdzēs izskaidrot sacīto.Shēma ir izveidota Multisim programmā, lai viss šajos skaitļos, kaut arī praktiski, būtu diezgan taisnīgs.

7. attēls. Pastiprinātāja pakāpe uz viena tranzistora

Ieejas signāls ar amplitūdu 10 mV caur kondensatoru C1 tiek padots uz tranzistora Q1 pamatni. Izvēloties rezistoru R2, tranzistora kolektora spriegums tiek iestatīts vienāds ar pusi no barošanas sprieguma (šajā gadījumā 6V), kas ļauj tranzistoram strādāt lineārā (pastiprinošā) režīmā. Izeju uzrauga XSC1. 8. attēlā parādīts mērījuma rezultāts atvērtā ievades režīmā, osciloskopā nospiežot līdzstrāvas (līdzstrāvas) pogu.

8. attēls. Mērījumi atvērtā ievades režīmā (kanāls A)

Šeit jūs varat redzēt (kanāls A) tikai spriegumu tranzistora kolektorā, tajā pašā 6V, kas tikko tika pieminēts. Staru kūlis A kanālā “pacēlās” pie 6 V, bet pastiprinātais sinusoids kolektorā nenotika. To vienkārši nevar izjust ar 5V / Div kanāla jutīgumu. Kanāls Sijas attēls attēlā ir parādīts sarkanā krāsā.

Ģeneratora signāls tiek pielietots ieejai B, skaitlis ir parādīts zilā krāsā. Tas ir sinusoidāls vilnis ar amplitūdu 10 mV.

9. attēls. Mērījumi slēgtā ievades režīmā

Tagad kanālā A nospiediet maiņstrāvas pogu - maiņstrāva, tā faktiski ir slēgta ieeja. Šeit jūs varat redzēt pastiprinātu signālu - sinusoīdu ar 87 milivoltu amplitūdu. Izrādās, ka viena tranzistora kaskāde pastiprināja signālu ar amplitūdu 10 mV 8,7 reizes. Skaitļi taisnstūra logā zem ekrāna parāda spriegumus un laikus marķieru T1, T2 vietās. Līdzīgi marķieri ir pieejami mūsdienu digitālajos osciloskopos. Tas faktiski ir viss, ko var teikt par atvērtām un slēgtām ieejām. Un tagad turpināsim stāstu par vertikālās novirzes pastiprinātāju.

Iepriekšējs pastiprinātājs

Pēc ievades dalītāja pētāmais signāls nonāk priekšpastiprinātājā un, izejot caur kavējuma līniju, nonāk kanāla Y termināla pastiprinātājā (5. attēls). Pēc nepieciešamās pastiprināšanas signāls nonāk vertikālās novirzes plāksnēs.

Priekšpastiprinātājs sadala ieejas signālu parafāžu komponentos, lai piegādātu to spailes pastiprinātājam Y. Turklāt ieejas signāls no priekšpastiprinātāja tiek padots uz slaucīšanas sprūdu, kas priekšējā slaucīšanas laikā nodrošina sinhronu attēlu uz ekrāna.

Kavēšanās līnija aizkavē ieejas signālu attiecībā pret slaucīšanas sprieguma sākumu, kas ļauj novērot impulsa priekšējo malu, kā parādīts 5. attēlā b). Dažiem osciloskopiem nav kavēšanās līnijas, kas būtībā netraucē periodisko signālu izpēti.

Slaucīt kanālu

Ieejas signāls no priekšpastiprinātāja tiek padots arī uz slaucīšanas sprūda impulsa veidotāja ieeju.Izveidotais impulss iedarbina tīrīšanas ģeneratoru, kas rada vienmērīgi augošu zāģa spriegumu. Apgriezienu skaitu un slaucīšanas sprieguma periodu izvēlas ar Time / Div slēdzi, kas dod iespēju pētīt ieejas signālus plašā frekvenču diapazonā.

Šādu skenēšanu sauc par iekšēju, t.i. iedarbināšana nāk no pētāmā signāla. Parasti osciloskopiem ir “iekšējs / ārējs” sprūda sprūda, kāda iemesla dēļ tas nav parādīts 5. attēlā redzamajā funkcionālā shēmā. Ārējā sprūda režīmā sprūdu var iedarbināt nevis ar pētāmo signālu, bet ar kādu citu signālu, no kura atkarīgs pētāmais signāls.

Tas varētu būt, piemēram, kavēšanās līnijas sprūda impulss. Tad pat ar viena staru osciloskopu var izmērīt divu signālu laika attiecību. Bet labāk to darīt ar divu staru osciloskopu, ja tas, protams, ir pie rokas.

Slaucīšanas ilgums jāizvēlas, pamatojoties uz izmeklētā signāla frekvenci (periodu). Pieņemsim, ka signāla frekvence ir 1KHz, t.i. signāla periods 1ms. Sinusoīda attēls ar skenēšanas laiku 1ms / div ir parādīts 10. attēlā.

10. attēls

Ar skenēšanas laiku 1ms / div, viens 1 KHz sinusoidālo viļņu periods aizņem tieši vienu skalas dalījumu pa Y asi.Skenēšana tiek sinhronizēta no staru kūļa A pa augšupejošu malu ieejas signāla līmeņa 0V izteiksmē. Tāpēc sinusa vilnis ekrānā sākas ar pozitīvu pusciklu.

Ja skenēšanas ilgums tiek mainīts uz 500 μs / div (0,5 ms / div), tad viens sinusoīda periods ekrānā aizņem divus dalījumus, kā parādīts 11. attēlā, kas, protams, ir ērtāk signāla novērošanai.

11. attēls

Papildus pašam zāģa zibspuldzes spriegumam slaucīšanas ģenerators ģenerē arī fona apgaismojuma impulsu, kas tiek padots modulatoram un “aizdedzina” elektronu staru (5. g attēls). Fona apgaismojuma impulsa ilgums ir vienāds ar priekšējās gaismas ilgumu. Atgriešanās gājiena laikā nav fona apgaismojuma impulsa, un stars iziet. Ja staru kūlis netiek izvadīts, ekrānā parādīsies kaut kas nesaprotams: reversais gājiens, pat modulēts ar ieejas signālu, vienkārši izsvītro visu viļņu formas noderīgo saturu.

Zāģa zobrata slaucīšanas spriegumu pieliek X kanāla spailes pastiprinātājam, sadala parafāzes signālā un ievada horizontālajās novirzes plāksnēs, kā parādīts 5. attēla e) attēlā.

Pastiprinātāja X ārējā ieeja

Termināla pastiprinātājam X var tikt piegādāts ne tikai spriegums no slaucīšanas ģeneratora, bet arī ārējs spriegums, kas ļauj izmērīt signāla frekvenci un fāzi, izmantojot Lissajous skaitļus.

12. attēls. Lissajous skaitļi

Bet ievades slēdzis X nav parādīts funkcionālā shēmā 5. attēlā, kā arī tāda veida tīrīšanas darbību slēdzis, kas tika minēts nedaudz iepriekš.

Papildus kanāliem X un Y, osciloskopam, tāpat kā jebkurai elektroniskai ierīcei, ir arī barošanas avots. Maza izmēra osciloskopi, piemēram, C1-73, C1-101, var darboties no automašīnas akumulatora. Starp citu, savam laikam šie osciloskopi bija ļoti labi, un joprojām tiek veiksmīgi izmantoti.

13. attēls. Osciloskops C1-73

14. attēls. Osciloskops C1-101

Osciloskopu izskats ir parādīts 13. un 14. attēlā. Pārsteidzošākais ir tas, ka viņiem joprojām tiek piedāvāts tos iegādāties tiešsaistes veikalos. Bet cena ir tāda, ka lētāk ir iegādāties maza izmēra digitālos osciloskopus vietnē Aliexpress.

Papildu osciloskopa ierīces ir iebūvētas amplitūdas un slaucīšanas kalibratori. Tie, kā likums, ir diezgan stabili taisnstūra impulsu ģeneratori, savienojot tos ar osciloskopa ievadi, izmantojot tuning elementus, kurus var konfigurēt pastiprinātājos X un Y. Starp citu, mūsdienu digitālajiem osciloskopiem ir arī šādi kalibratori.

Kā lietot osciloskopu, mērīšanas metodes un metodes tiks apskatītas nākamajā rakstā.

Raksta turpinājums: Kā lietot osciloskopu

Boriss Aladyshkin