Oscyloskop elektroniczny - urządzenie, zasada działania

Radio amatorskie, jako hobby, jest bardzo ekscytującą działalnością i, można powiedzieć, uzależnia. Wielu przychodzi do niego w cudownych latach szkolnych iz czasem hobby to może stać się zawodem na całe życie. Nawet jeśli nie możesz uzyskać wyższego wykształcenia inżynierii radiowej, niezależne studia nad elektroniką pozwalają osiągnąć bardzo wysokie wyniki i sukces. Pewnego razu magazyn Radio zwołał takich specjalistów inżynierów bez dyplomów.

Pierwsze eksperymenty z elektroniką zaczynają się z reguły od montażu najprostszych obwodów, które zaczynają działać natychmiast, bez regulacji i konfiguracji. Najczęściej są to różne generatory, połączenia, bezpretensjonalne zasilacze. Wszystko to można zebrać, czytając minimalną ilość literatury, tylko opisy powtarzalnych wzorów. Na tym etapie z reguły można się obejść za pomocą minimalnego zestawu narzędzi: lutownicy, bocznych noży, noża i kilku wkrętaków.

Stopniowo projekty stają się bardziej skomplikowane i prędzej czy później okazuje się, że bez regulacji i strojenia po prostu nie będą działać. Dlatego musisz nabyć cienkie przyrządy pomiarowe, a im wcześniej, tym lepiej. Starsza generacja inżynierów elektroników miała tester wskaźników z takim urządzeniem.

Obecnie zastąpiono tester przełączników, często nazywany awometrem multimetr cyfrowy. Można to znaleźć w artykule „Jak korzystać z multimetru cyfrowego”. Chociaż stary dobry tester wskaźników nie rezygnuje ze swoich pozycji, aw niektórych przypadkach jego użycie jest lepsze w porównaniu z urządzeniem cyfrowym.

Oba te urządzenia umożliwiają pomiar bezpośrednich i przemiennych napięć, prądów i rezystancji. Jeśli stałe napięcia są łatwe do zmierzenia, wystarczy znaleźć tylko wartość, to przy napięciach przemiennych występują pewne niuanse.

Faktem jest, że zarówno wskaźnik, jak i nowoczesne urządzenia cyfrowe są zaprojektowane do pomiaru sinusoidalnego napięcia przemiennego, a przy raczej ograniczonym zakresie częstotliwości: wynikiem pomiaru będzie rzeczywista wartość napięcia przemiennego.

Jeśli takie urządzenia mierzą napięcie w kształcie prostokąta, trójkąta lub piły, wówczas odczyty na skali urządzenia będą oczywiście, ale nie musisz gwarantować dokładności pomiarów. Cóż, jest tylko napięcie, a które nie jest dokładnie znane. A jak być w takich przypadkach, jak kontynuować naprawę i rozwój nowych, coraz bardziej złożonych układów elektronicznych? Tutaj amator radiowy wchodzi na scenę, kiedy trzeba kupić oscyloskop.

Trochę historii

Za pomocą tego urządzenia możesz na własne oczy zobaczyć, co dzieje się w obwodach elektronicznych: jaka jest postać sygnału, gdzie się pojawił lub zniknął, relacje czasowe i fazowe sygnałów. Aby zaobserwować kilka sygnałów, wymagany jest co najmniej dwuwiązkowy oscyloskop.

Przypominamy odległą historię, kiedy w 1969 r. Powstał pięciopromieniowy oscyloskop C1-33, który został masowo wyprodukowany przez wileńską fabrykę. W urządzeniu zastosowano CRT 22LO1A, który wykorzystano tylko w tym opracowaniu. Klientem tego urządzenia był oczywiście kompleks wojskowo-przemysłowy.

Strukturalnie to urządzenie zostało wykonane z dwóch bloków umieszczonych na stojaku z kołami: samego oscyloskopu i zasilacza. Całkowita waga konstrukcji wyniosła 160 kg! Zestaw lunety zawierał kamerę rejestrującą RFK-5 przymocowaną do ekranu, która zapewniała rejestrowanie przebiegów na filmie. Wygląd pięciopromieniowego oscyloskopu C1-33 z zainstalowaną kamerą pokazano na rycinie 1.

Ryc. 1. Oscyloskop pięciowiązkowy C1-33, 1969

Nowoczesna elektronika pozwala tworzyć podręczne oscyloskopy cyfrowe wielkości telefonu komórkowego. Jedno z takich urządzeń pokazano na rysunku 2. Ale zostanie to omówione później.

Ryc. 2. Kieszonkowy cyfrowy oscyloskop DS203

Oscyloskopy różnych typów

Do niedawna produkowano kilka rodzajów oscyloskopów z wiązką elektronów. Przede wszystkim są to uniwersalne oscyloskopy, które najczęściej stosuje się do celów praktycznych. Oprócz nich produkowano także oscyloskopy magazynowe oparte na magazynowych CRT, szybkich, stroboskopowych i specjalnych. Te ostatnie były przeznaczone do różnych specyficznych zadań naukowych, z którymi obecnie z powodzeniem radzą sobie nowoczesne oscyloskopy cyfrowe. Dlatego skupimy się na uniwersalnych oscyloskopach elektronicznych ogólnego zastosowania.

Urządzenie CRT

Główną częścią oscyloskopu elektronicznego jest oczywiście lampa elektronopromieniowa - CRT. Jego urządzenie pokazano na rysunku 3.

Rysunek 3. Urządzenie CRT

Strukturalnie, CRT jest długim szklanym cylindrem 10 o cylindrycznym kształcie z przedłużeniem w kształcie stożka. Dno tego rozszerzenia, którym jest ekran CRT, jest pokryte luminoforem, który emituje widoczny blask, gdy trafi go wiązka elektronów 11. Wiele CRT ma prostokątny ekran z podziałami nakładanymi bezpośrednio na szkło. To ten ekran jest wskaźnikiem oscyloskopu.

Wiązka elektronów jest tworzona przez działo elektronowe

Grzałka 1 ogrzewa katodę 2, która zaczyna emitować elektrony. W fizyce zjawisko to nazywa się emisją termionową. Ale elektrony emitowane przez katodę nie odlecą daleko, po prostu usiądą na katodzie. Aby uzyskać wiązkę z tych elektronów, potrzeba kilku dodatkowych elektrod.

Jest to elektroda ogniskująca 4 i anoda 5 podłączona do aquadagu 8. Pod wpływem pola elektrycznego tych elektrod elektrony odrywają się od katody, przyspieszają, skupiają się w cienką wiązkę i pędzą do ekranu pokrytego luminoforem, powodując świecenie luminoforu. Razem elektrody te nazywane są pistoletami elektronowymi.

Docierając do powierzchni ekranu, wiązka elektronów nie tylko powoduje świecenie, ale także wybija elektrony wtórne z luminoforu, co powoduje rozogniskowanie wiązki. Wspomniany powyżej aquadag, który jest grafitową powłoką wewnętrznej powierzchni lampy, służy do usuwania tych wtórnych elektronów. Ponadto aquadag w pewnym stopniu chroni wiązkę przed zewnętrznymi polami elektrostatycznymi. Ale taka ochrona nie wystarcza, dlatego cylindryczna część CRT, w której znajdują się elektrody, jest umieszczona w metalowym ekranie wykonanym ze stali elektrycznej lub stopu.

Modulator 3 znajduje się między katodą a elektrodą ogniskującą, którego celem jest kontrolowanie prądu wiązki, co umożliwia zgaszenie wiązki podczas zamiatania do tyłu i wyróżnienie podczas suwu do przodu. W lampach wzmacniających elektroda ta nazywana jest siatką kontrolną. Modulator, elektroda ogniskująca i anoda mają środkowe otwory, przez które przepływa wiązka elektronów.

Płytki odchylające CRT ma dwie pary płytek odchylających. Są to płytki odchylenia w pionie wiązki 6 - płyta Y, do której doprowadzany jest badany sygnał, oraz płytki odchylenia w poziomie 7 - płyta X, a do nich przykładane jest napięcie poziome. Jeśli płytki odchylające nie są nigdzie połączone, na środku ekranu CRT powinna pojawić się świecąca kropka. Na rysunku jest to punkt O2. Oczywiście napięcie zasilające musi być przyłożone do rurki.

Tutaj należy zwrócić uwagę na ważną kwestię. Gdy kropka stoi w miejscu, nie ruszając się nigdzie, może po prostu spalić luminofor, a czarna kropka na zawsze pozostanie na ekranie CRT. Może się to zdarzyć podczas procesu naprawy oscyloskopu lub podczas samodzielnej produkcji prostego urządzenia amatorskiego.Dlatego w tym trybie należy zmniejszyć jasność do minimum i rozogniskować wiązkę - nadal możesz sprawdzić, czy jest wiązka, czy nie.

Po przyłożeniu określonego napięcia do płytek odchylających wiązka odchyli się od środka ekranu. Na rysunku 3 wiązka odchyla się do punktu O3. Jeśli napięcie się zmieni, wiązka narysuje linię prostą na ekranie. Zjawisko to służy do tworzenia obrazu badanego sygnału na ekranie. Aby uzyskać dwuwymiarowy obraz na ekranie, należy zastosować dwa sygnały: sygnał testowy - przyłożony do płytek Y i napięcie skanowania - przyłożony do płytek X. Można powiedzieć, że na ekranie uzyskano wykres z osiami współrzędnych X i Y.

Skan poziomy

Jest to skan poziomy, który tworzy oś X wykresu na ekranie.

Rysunek 4. Napięcie przemiatania

Jak widać na rysunku, skanowanie w poziomie odbywa się za pomocą napięcia piłokształtnego, które można podzielić na dwie części: do przodu i do tyłu (ryc. 4a). Podczas ruchu do przodu wiązka przesuwa się równomiernie po ekranie od lewej do prawej, a po osiągnięciu prawej krawędzi szybko wraca. Nazywa się to skokiem wstecznym. Podczas skoku do przodu generowany jest impuls podświetlenia, który jest podawany do modulatora lampowego, a na ekranie pojawia się świecąca kropka, rysująca poziomą linię (ryc. 4b).

Napięcie przewodzące, jak pokazano na rycinie 4, zaczyna się od zera (wiązka na środku ekranu) i zmienia się w napięcie Umax. Dlatego wiązka przesunie się od środka ekranu do prawej krawędzi, tj. tylko połowa ekranu. Aby rozpocząć skanowanie od lewej krawędzi ekranu, wiązka jest przesuwana w lewo poprzez przyłożenie do niej napięcia polaryzacji. Przesunięcie wiązki jest kontrolowane za pomocą uchwytu na panelu przednim.

Podczas skoku powrotnego puls podświetlenia kończy się, a wiązka gaśnie. Względne położenie impulsu podświetlenia i napięcia przemiatania piłokształtnego można zobaczyć na schemacie funkcjonalnym oscyloskopu pokazanym na rysunku 5. Pomimo różnorodności schematów obwodów oscyloskopowych, ich obwody funkcjonalne są w przybliżeniu takie same, podobne do pokazanych na rysunku.

Rysunek 5. Schemat działania oscyloskopu

Czułość CRT

Jest on określony przez współczynnik odchylenia, pokazujący, ile milimetrów odchyla się wiązka, gdy do płytek przyłożone jest stałe napięcie 1 V. Dla różnych CRT wartość ta mieści się w zakresie 0,15 ... 2 mm / V. Okazuje się, że przykładając napięcie 1 V do płytek odchylających, wiązka może przesunąć wiązkę tylko o 2 mm, i to w najlepszym przypadku. Aby odchylić wiązkę o jeden centymetr (10 mm), wymagane jest napięcie 10/2 = 5 V. Przy czułości 0,15 mm / V dla tego samego ruchu potrzebne będzie 10 / 0,15 = 66,666 V.

Dlatego w celu uzyskania zauważalnego odchylenia wiązki od środka ekranu badany sygnał jest wzmacniany przez wzmacniacz kanału pionowego do kilkudziesięciu woltów. Kanał wzmocnienia poziomego, za pomocą którego przeprowadzany jest skan, ma takie samo napięcie wyjściowe.

Większość uniwersalnych oscyloskopów ma maksymalną czułość 5 mV / cm. W przypadku zastosowania CRT typu 8LO6I o napięciu wejściowym 5 mV płyty odchylające będą wymagały napięcia 8,5 V, aby przesunąć wiązkę o 1 cm. Łatwo obliczyć, że będzie to wymagało wzmocnienia ponad 1500 razy.

Taki zysk należy uzyskać w całym paśmie przenoszenia, a im wyższa częstotliwość, tym niższe wzmocnienie, które jest nieodłączne we wszystkich wzmacniaczach. Pasmo przenoszenia charakteryzuje się wyższą częstotliwością f up. Przy tej częstotliwości wzmocnienie kanału odchylania pionowego zmniejsza się 1,4 razy lub o 3 dB. W przypadku większości uniwersalnych oscyloskopów pasmo to wynosi 5 MHz.

A co się stanie, jeśli częstotliwość sygnału wejściowego przekroczy górną częstotliwość, na przykład 8 ... 10 MHz? Czy będzie mogła to zobaczyć na ekranie? Tak, będzie widoczny, ale nie można zmierzyć amplitudy sygnału. Możesz tylko upewnić się, że jest sygnał, czy nie. Czasami takie informacje są wystarczające.

Odchylenie pionowe kanału. Dzielnik wejściowy

Badany sygnał jest doprowadzany do wejścia kanału odchylenia pionowego przez dzielnik wejściowy, pokazany na rysunku 6. Często dzielnik wejściowy nazywany jest tłumikiem.

Rysunek 6. Dzielnik wejściowy odchylenia pionowego kanału

Za pomocą dzielnika wejściowego staje się możliwe badanie sygnału wejściowego od kilku miliwoltów do kilkudziesięciu woltów. W przypadku, gdy sygnał wejściowy przekracza możliwości dzielnika wejściowego, stosowane są sondy wejściowe o współczynniku podziału 1:10 lub 1:20. Następnie limit 5 V / dz. Zmienia się na 50 V / dz lub 100 V / dz, co umożliwia badanie sygnałów o znacznych napięciach.

Otwarte i zamknięte wejście

Tutaj (rysunek 6) widać przełącznik B1, który umożliwia podanie sygnału przez kondensator (wejście zamknięte) lub bezpośrednio na wejście dzielnika (wejście otwarte). Korzystając z trybu „zamkniętego wejścia”, można badać zmienną składową sygnału, ignorując jego stałą składową. Prosty schemat pokazany na rysunku 7. pomoże wyjaśnić, co zostało powiedziane. Schemat jest tworzony w programie Multisim, dzięki czemu wszystko na tych rysunkach, choć praktycznie, jest dość uczciwe.

Rysunek 7. Stopień wzmacniacza na pojedynczym tranzystorze

Sygnał wejściowy o amplitudzie 10 mV przez kondensator C1 jest doprowadzany do podstawy tranzystora Q1. Wybierając rezystor R2, napięcie na kolektorze tranzystora ustawia się na równe połowie napięcia zasilającego (w tym przypadku 6 V), co pozwala tranzystorowi działać w trybie liniowym (wzmacniającym). Wyjście jest monitorowane przez XSC1. Ryc. 8 pokazuje wynik pomiaru w trybie otwartego wejścia, na oscyloskopie naciśnięty jest przycisk DC (prąd stały).

Rysunek 8. Pomiary w otwartym trybie wprowadzania (kanał A)

Tutaj możesz zobaczyć (kanał A) tylko napięcie na kolektorze tranzystora, to samo 6 V, o którym właśnie wspomniano. Wiązka w kanale A „wystartowała” przy 6 V, a wzmocniony sinusoid na kolektorze nie nastąpił. Po prostu nie można go rozpoznać po czułości kanału 5V / Div. Kanał Belka na rysunku jest pokazana na czerwono.

Sygnał z generatora jest podawany na wejście B, liczba jest pokazana na niebiesko. Jest to fala sinusoidalna o amplitudzie 10 mV.

Rysunek 9. Pomiary w zamkniętym trybie wprowadzania

Teraz naciśnij przycisk AC na kanale A - prąd przemienny, to właściwie wejście zamknięte. Tutaj możesz zobaczyć wzmocniony sygnał - sinusoidę o amplitudzie 87 miliwoltów. Okazuje się, że kaskada na jednym tranzystorze wzmocniła sygnał o amplitudzie 10 mV 8,7 razy. Liczby w prostokątnym oknie pod ekranem pokazują napięcia i czasy w miejscach znaczników T1, T2. Podobne markery są dostępne w nowoczesnych oscyloskopach cyfrowych. To właściwie wszystko, co można powiedzieć o otwartych i zamkniętych wejściach. A teraz kontynuujmy historię wzmacniacza odchylania pionowego.

Przedwzmacniacz

Po dzielniku wejściowym badany sygnał trafia do przedwzmacniacza i, przechodząc przez linię opóźniającą, wchodzi do wzmacniacza końcowego kanału Y (rysunek 5). Po niezbędnym wzmocnieniu sygnał wchodzi do pionowych płyt odchylających.

Przedwzmacniacz dzieli sygnał wejściowy na komponenty parafazy, aby dostarczyć go do wzmacniacza końcowego Y. Ponadto sygnał wejściowy z przedwzmacniacza jest podawany do wyzwalacza przesuwania, który zapewnia synchroniczny obraz na ekranie podczas przesuwania do przodu.

Linia opóźniająca opóźnia sygnał wejściowy w stosunku do początku napięcia przemiatania, co umożliwia obserwację zbocza narastającego impulsu, jak pokazano na ryc. 5 b). Niektóre oscyloskopy nie mają linii opóźniającej, która zasadniczo nie zakłóca badania sygnałów okresowych.

Kanał zamiatania

Sygnał wejściowy z przedwzmacniacza jest również doprowadzany do wejścia modułu kształtowania impulsu wyzwalania przemiatania.Wygenerowany impuls uruchamia generator zamiatania, który wytwarza płynnie rosnące napięcie piłokształtne. Szybkość narastania i okres napięcia przemiatania wybiera się za pomocą przełącznika Time / Div, który umożliwia badanie sygnałów wejściowych w szerokim zakresie częstotliwości.

Taki skan nazywa się wewnętrznym, tj. wyzwalanie pochodzi z badanego sygnału. Zazwyczaj oscyloskopy mają wyzwalacz wyzwalający „wewnętrzny / zewnętrzny”, z jakiegoś powodu nie pokazanego na schemacie funkcjonalnym na rycinie 5. W trybie wyzwalania zewnętrznego wyzwalacz może być wyzwalany nie przez badany sygnał, ale przez inny sygnał, od którego zależy badany sygnał.

Może to być na przykład impuls wyzwalający linię opóźniającą. Następnie, nawet z oscyloskopem jednowiązkowym, możesz zmierzyć stosunek czasu dwóch sygnałów. Ale lepiej to zrobić za pomocą oscyloskopu dwuwiązkowego, jeśli oczywiście jest pod ręką.

Czas przeszukiwania należy wybrać na podstawie częstotliwości (okresu) badanego sygnału. Załóżmy, że częstotliwość sygnału wynosi 1 kHz, tj. okres sygnału 1ms. Obraz sinusoidy z czasem skanowania 1ms / div pokazano na rycinie 10.

Rycina 10

Przy czasie skanowania wynoszącym 1 ms / dz, jeden okres fali sinusoidalnej 1 KHz zajmuje dokładnie jeden podział skali wzdłuż osi Y. Skanowanie jest synchronizowane z wiązką A wzdłuż wznoszącego zbocza pod względem poziomu sygnału wejściowego 0 V. Dlatego fala sinusoidalna na ekranie zaczyna się od dodatniego półcyklu.

Jeśli czas skanowania zostanie zmieniony na 500 μs / dz (0,5 ms / dz), wówczas jeden okres sinusoidy zajmie dwa podziały na ekranie, jak pokazano na ryc. 11, co oczywiście jest wygodniejsze do obserwowania sygnału.

Rycina 11

Oprócz samego napięcia piłokształtnego generator zamiatania generuje również impuls podświetlenia, który jest podawany do modulatora i „zapala” wiązkę elektronów (ryc. 5 g). Czas trwania impulsu podświetlenia jest równy czasowi działania wiązki przedniej. Podczas skoku powrotnego nie ma impulsu podświetlenia i wiązka gaśnie. Jeśli wiązka nie zostanie wygaszona, na ekranie pojawi się coś niezrozumiałego: skok w tył, a nawet modulowany przez sygnał wejściowy, po prostu przekreśla całą przydatną treść kształtu fali.

Napięcie przemiatania piłokształtnego jest dostarczane do wzmacniacza końcowego kanału X, podzielone na sygnał parafrazowy i doprowadzone do poziomych płyt odchylających, jak pokazano na rysunku 5 (e).

Wzmacniacz X Wejście zewnętrzne

Do wzmacniacza końcowego X można dostarczyć nie tylko napięcie z generatora przemiatania, ale także napięcie zewnętrzne, co umożliwia pomiar częstotliwości i fazy sygnału za pomocą liczb Lissajousa.

Rysunek 12. Liczby Lissajous

Ale przełącznik wejściowy X nie jest pokazany na schemacie funkcjonalnym na rycinie 5, podobnie jak przełącznik rodzaju operacji zamiatania, o którym wspomniano nieco powyżej.

Oprócz kanałów X i Y oscyloskop, jak każde urządzenie elektroniczne, ma zasilacz. Małe oscyloskopy, na przykład C1-73, C1-101, mogą pracować z akumulatora samochodowego. Nawiasem mówiąc, na swój czas te oscyloskopy były bardzo dobre i nadal są z powodzeniem stosowane.

Rysunek 13. Oscyloskop C1-73

Rysunek 14. Oscyloskop C1-101

Wygląd oscyloskopów pokazano na rycinach 13 i 14. Najbardziej zaskakujące jest to, że nadal oferuje się je w sklepach internetowych. Ale cena jest taka, że ​​taniej jest kupować małe oscyloskopy cyfrowe na Aliexpress.

Dodatkowe urządzenia oscyloskopowe to wbudowane kalibratory amplitudy i wymiatania. Są to z reguły dość stabilne generatory prostokątnych impulsów, łączące je z wejściem oscyloskopu, za pomocą elementów tuningowych można skonfigurować wzmacniacze X i Y. Nawiasem mówiąc, nowoczesne kalibratory również mają takie kalibratory.

Jak korzystać z oscyloskopu, metody i metody pomiaru zostaną omówione w następnym artykule.

Kontynuacja artykułu: Jak korzystać z oscyloskopu

Boris Aladyshkin