Elektronisk oscilloskop - enhet, driftsprinsipp

Amatørradio, som en hobby, er en veldig spennende aktivitet, og som man kan si, vanedannende. Mange kommer inn i det i de fantastiske skoleårene, og over tid kan denne hobbyen bli et yrke for livet. Selv om du ikke kan få høyere utdanning innen radioteknikk, lar uavhengig studie av elektronikk deg oppnå veldig høye resultater og suksess. På en gang kalte Radiomagasinet slike spesialister for ingeniører uten vitnemål.

De første eksperimentene med elektronikk begynner som regel med montering av de enkleste kretsene, som begynner å virke umiddelbart uten justering og oppsett. Oftest er dette forskjellige generatorer, samtaler, upretensiøs strømforsyning. Alt dette kan samles ved å lese en minimal mengde litteratur, bare beskrivelser av repeterbare mønstre. På dette stadiet er det som regel mulig å komme seg forbi med et minimalt sett med verktøy: loddejern, sideskiver, kniv og flere skrutrekkere.

Gradvis blir designene mer kompliserte, og før eller senere viser det seg at uten justering og innstilling, fungerer de ganske enkelt ikke. Derfor må du anskaffe tynne måleinstrumenter, og jo før, jo bedre. Den eldre generasjonen elektronikkingeniører hadde en pekertester med en slik enhet.

For tiden har switch-testeren, ofte kalt et avometer, erstattet digital multimeter. Dette finner du i artikkelen "Hvordan bruke et digitalt multimeter." Selv om den gode gamle pekertesteren ikke gir opp sine posisjoner, og i noen tilfeller er bruken å foretrekke i forhold til en digital enhet.

Begge disse enhetene lar deg måle direkte og vekslende spenninger, strømmer og motstander. Hvis konstante spenninger er enkle å måle, er det nok å finne bare verdien, da med vekslende spenning er det noen nyanser.

Fakta er at både peker og moderne digitale enheter er designet for å måle en sinusformet vekslingsspenning, og i et ganske begrenset frekvensområde: resultatet av målingen vil være den faktiske verdien av vekslingsspenningen.

Hvis slike enheter måler spenning med en rektangulær, trekantet eller sagtannform, vil naturligvis avlesningene på skalaen til enheten være, men du trenger ikke å garantere for målingens nøyaktighet. Det er bare spenning, og hvilken som ikke er kjent. Og hvordan være i slike tilfeller, hvordan fortsette reparasjonen og utviklingen av nye, stadig mer komplekse elektroniske kretsløp? Her kommer radioamatøren til scenen når du må kjøpe et oscilloskop.

Litt historie

Ved hjelp av denne enheten kan du se med egne øyne hva som skjer i elektroniske kretsløp: hva er signalets form, hvor det dukket opp eller forsvant, signalene om tid og fase. For å observere flere signaler, kreves det i det minste et to-stråles oscilloskop.

Her kan vi minne om en fjern historie, da det i 1969 ble opprettet femstrålesoscilloskop C1-33, som ble masseprodusert av Vilnius-anlegget. Enheten brukte en CRT 22LO1A, som bare ble brukt i denne utviklingen. Kunden til denne enheten var selvfølgelig det militærindustrielle komplekset.

Strukturelt sett var dette apparatet laget av to blokker plassert på et stativ med hjul: selve oscilloskopet og strømforsyningen. Strukturens totale vekt var 160 kg! Omfangssettet inkluderte et RFK-5-opptakskamera festet til skjermen, noe som sikret opptak av bølgeformer på film. Utseendet til C1-33-bjelkeoscilloskopet med kameraet installert er vist i figur 1.

Figur 1. Fem-stråle oscilloskop C1-33, 1969

Moderne elektronikk gjør det mulig å lage håndholdte digitale oscilloskop på størrelse med en mobiltelefon. En av slike enheter er vist på figur 2. Men dette vil bli diskutert senere.

Figur 2. DS203 Pocket Digital Oscilloscope

Oscilloskop av forskjellige typer

Inntil nylig ble det produsert flere typer elektronstråleoscilloskop. Først av alt er dette universelle oscilloskop, som oftest brukes til praktiske formål. I tillegg til dem ble også lagringsoscilloskop basert på lagring CRT, høyhastighets, stroboskopisk og spesielle produsert. De sistnevnte typene var beregnet på forskjellige spesifikke vitenskapelige oppgaver, som moderne digitale oscilloskop i dag lykkes med å takle. Derfor vil vi videre fokusere på universelle generelle elektroniske oscilloskop.

CRT-enhet

Hoveddelen av det elektroniske oscilloskopet er selvfølgelig katodestrålerøret - CRT. Enheten er vist i figur 3.

Figur 3. CRT-enhet

Strukturelt sett er en CRT en lang glassylinder 10 med en sylindrisk form med en kjegleformet forlengelse. Bunnen av denne utvidelsen, som er en CRT-skjerm, er dekket med en fosfor som avgir en synlig glød når en elektronstråle treffer den 11. Mange CRT-er har en rektangulær skjerm med inndelinger direkte på glasset. Det er denne skjermen som er indikatoren på oscilloskopet.

En elektronstråle dannes av en elektronpistol

Varmeapparat 1 varmer katoden 2, som begynner å avgi elektroner. I fysikk kalles dette fenomenet termionisk emisjon. Men elektronene som sendes ut av katoden, vil ikke fly langt unna, de vil bare lene seg tilbake på katoden. For å få en stråle fra disse elektronene, er det behov for flere elektroder.

Dette er fokuseringselektroden 4 og anoden 5 koblet til akvadagen 8. Under påvirkning av det elektriske feltet til disse elektrodene, bryter elektronene seg bort fra katoden, akselererer, fokuserer i en tynn bjelke og skynder seg til skjermen belagt med fosfor, og får fosfor til å gløde. Til sammen kalles disse elektrodene elektronpistoler.

Når du når overflaten på skjermen, forårsaker elektronstrålen ikke bare en glød, men slår også ut sekundære elektroner fra fosforet, noe som får strålen til å fokusere. Akvadagen nevnt ovenfor, som er et grafittbelegg av den indre overflaten av røret, tjener til å fjerne disse sekundære elektronene. I tillegg beskytter akvadag bjelken mot ytre elektrostatiske felt. Men en slik beskyttelse er ikke nok, derfor plasseres den sylindriske delen av CRT, der elektrodene er plassert, i en metallskjerm laget av elektrisk stål eller permalloy.

En modulator 3 er plassert mellom katoden og fokuseringselektroden, og har som formål å kontrollere strålestrømmen, som gjør det mulig å slukke strålen under det motsatte sveipet og fremheves under fremoverslaget. I forsterkningslamper kalles denne elektroden et kontrollnett. Modulatoren, fokuseringselektroden og anoden har sentrale hull som elektronstrålen flytter gjennom.

Avbøyningsplater En CRT har to par avbøyningsplater. Dette er platene for den vertikale avbøyningen av bjelken 6 - platen Y, som signalet som undersøkes til, og platene til den horisontale avbøyningen 7 - platen X, og den horisontale skannespenningen blir påført dem. Hvis avbøyningsplatene ikke er koblet noe sted, skal det vises et lysende punkt i midten av CRT-skjermen. I figuren er dette punktet O2. Naturligvis må forsyningsspenningen tilføres røret.

Det er her et viktig poeng bør tas. Når prikken står stille, uten å bevege seg noe sted, kan den ganske enkelt brenne fosfor, og en svart prikk vil for alltid forbli på CRT-skjermen. Dette kan skje under reparasjonsprosessen av oscilloskopet eller med egenproduksjon av et enkelt amatørapparat.Derfor, i denne modusen, bør du redusere lysstyrken til et minimum og fokusere bjelken - du kan fremdeles se om det er en bjelke eller at den er fraværende.

Når en viss spenning påføres avbøyningsplatene, vil strålen avvike fra midten av skjermen. I figur 3 avbøyer strålen til punkt O3. Hvis spenningen endres, vil strålen trekke en rett linje på skjermen. Det er dette fenomenet som brukes til å lage bildet av det studerte signalet på skjermen. For å få et todimensjonalt bilde på skjermen, må to signaler påføres: testsignalet - påført Y-platene, og skannespenningen - påført X-platene. Vi kan si at en graf med koordinatakslene X og Y oppnås på skjermen.

Horisontal skanning

Det er den horisontale skanningen som danner X-aksen til grafen på skjermen.

Figur 4. Feiespenning

Som det fremgår av figuren, blir den horisontale skanningen utført med sagtannspenning, som kan deles i to deler: fremover og bakover (fig. 4a). Under fremoverstrekningen beveger strålen seg jevnt over skjermen fra venstre mot høyre, og når den når den høyre kanten, kommer den raskt tilbake. Dette kalles et omvendt hjerneslag. Under fremoverstreken genereres det en bakgrunnsbelysningspuls, som mates til rørmodulatoren, og et lysende punkt vises på skjermen, og tegner en horisontal linje (fig. 4b).

Fremadspenningen, som vist i figur 4, starter fra null (en bjelke i midten av skjermen) og endres til en spenning på Umax. Derfor vil bjelken bevege seg fra midten av skjermen til høyre kant, d.v.s. bare halve skjermen. For å starte skanningen fra venstre kant av skjermen forskyves strålen til venstre ved å bruke skjevspenning på den. Stråleforskyvningen styres av et håndtak på frontpanelet.

Under returslaget avsluttes bakgrunnsbelysningspulsen og strålen slukker. Den relative posisjonen til bakgrunnsbelysningspulsen og sagtooth sveipespenningen kan sees på oscilloskopets funksjonsdiagram vist i figur 5. Til tross for forskjellige oscilloskopkretsdiagrammer, er deres funksjonelle kretser omtrent de samme, som de som er vist på figuren.

Figur 5. Funksjonsdiagram over oscilloskopet

CRT-følsomhet

Det bestemmes av avvikskoeffisienten, som viser hvor mange millimeter strålen avbøyer når en konstant spenning på 1 V blir påført platene. For forskjellige CRT-er er denne verdien i området 0,15 ... 2 mm / V. Det viser seg at ved å påføre en spenning på 1 V på avlederplatene, kan bjelken bare bevege bjelken med 2 mm, og dette er i beste fall. For å avlede bjelken med en centimeter (10 mm), kreves det en spenning på 10/2 = 5V. Med en følsomhet på 0,15 mm / V for samme bevegelse, vil 10 / 0,15 = 66,666V være nødvendig.

For å oppnå et merkbart avvik fra bjelken fra midten av skjermen, blir signalet under undersøkelse derfor forsterket av en vertikal kanalforsterker til flere titalls volt. Den horisontale forsterkningskanalen, som en skanning utføres med, har den samme utgangsspenningen.

De fleste universelle oscilloskop har en maksimal følsomhet på 5 mV / cm. Når du bruker en CRT av type 8LO6I med en inngangsspenning på 5 mV, vil avbøyningsplater kreve en spenning på 8,5 V for å bevege bjelken 1 cm. Det er enkelt å beregne at dette vil kreve forsterkning mer enn 1500 ganger.

En slik forsterkning må oppnås i hele passbåndet, og jo høyere frekvens, jo lavere er forsterkningen, som ligger i noen forsterkere. Passbåndet er preget av en øvre frekvens f opp. Ved denne frekvensen reduseres forsterkningen til den vertikale avbøyningskanalen med 1,4 ganger eller med 3 dB. For de fleste universelle oscilloskop er dette båndet 5 MHz.

Og hva vil skje hvis frekvensen til inngangssignalet overstiger den øvre frekvensen, for eksempel 8 ... 10 MHz? Vil hun kunne se det på skjermen? Ja, det vil være synlig, men signalamplituden kan ikke måles. Du kan bare sørge for at det er et signal eller ikke. Noen ganger er slik informasjon ganske nok.

Kanal vertikalt avvik. Inndeler

Det studerte signalet føres til inngangen til kanalen til det vertikale avviket gjennom inngangsdeleren, vist i figur 6. Ofte kalles inngangsdeleren en demper.

Figur 6. Inngangsdeleren til kanalens vertikale avvik

Ved hjelp av inngangsdeleren blir det mulig å studere inngangssignalet fra noen få millivolt til flere titalls volt. I tilfelle når inngangssignalet overskrider mulighetene til inngangsdeleren, brukes inngangssonder med et divisjonsforhold på 1:10 eller 1:20. Da blir grensen for 5V / div 50V / div eller 100V / div, noe som gjør det mulig å studere signaler med betydelige spenninger.

Åpen og lukket inngang

Her (figur 6) kan du se bryter B1, som gjør det mulig å påføre et signal gjennom en kondensator (lukket inngang) eller direkte på inngangen til skillelinjen (åpen inngang). Når du bruker "lukket inngang" -modus, er det mulig å studere den variable komponenten i signalet, uten å ignorere dens konstante komponent. Det enkle diagrammet som er vist i figur 7. vil hjelpe deg med å forklare hva som er blitt sagt. Diagrammet er laget i Multisim-programmet, slik at alt i disse figurene, selv om det praktisk talt, er ganske rettferdig.

Figur 7. Forsterkertrinn på en enkelt transistor

Et inngangssignal med en amplitude på 10 mV gjennom en kondensator Cl føres til basisen til transistoren Q1. Ved å velge motstand R2 settes spenningen på transistorens samler lik halvparten av forsyningsspenningen (i dette tilfellet 6V), noe som gjør at transistoren kan arbeide i en lineær (forsterkende) modus. Utgangen overvåkes av XSC1. Figur 8 viser måleresultatet i åpen inngangsmodus, på oscilloskopet trykkes på DC (likestrøm) -knappen.

Figur 8. Målinger i åpen inndatamodus (kanal A)

Her kan du se (kanal A) bare spenningen ved transistorens samler, den samme 6V som nettopp ble nevnt. Strålen i kanal A “tok av” ved 6V, men den forsterkede bihuleåpningen på samleren skjedde ikke. Det kan ganske enkelt ikke skilles med følsomheten til 5V / Div-kanalen. Kanal A-bjelken i figuren er vist i rødt.

Signal fra generatoren påføres inngang B, figuren er vist i blått. Dette er en sinusbølge med en amplitude på 10 mV.

Figur 9. Målinger i lukket inndatamodus

Nå trykker du på AC-knappen i kanal A - vekselstrøm, dette er faktisk en lukket inngang. Her kan du se det forsterkede signalet - en sinusoid med en amplitude på 87 millivolt. Det viser seg at kaskaden på en transistor forsterket signalet med en amplitude på 10 mV med 8,7 ganger. Tallene i det rektangulære vinduet under skjermen viser spenningene og tidspunktene på stedene til markørene T1, T2. Lignende markører er tilgjengelige i moderne digitale oscilloskop. Det er faktisk alt som kan sies om åpne og lukkede innganger. Og la oss nå fortsette historien om den vertikale avbøyningsforsterkeren.

Forhåndsforsterker

Etter inngangsdeleren går signalet som er undersøkt til forforsterkeren, og går gjennom forsinkelseslinjen, går inn i terminalforsterkeren til kanal Y (figur 5). Etter nødvendig forsterkning kommer signalet inn i de vertikale avbøyningsplatene.

Forforsterkeren deler inngangssignalet i parafasekomponenter for å tilføre det til terminalforsterkeren Y. I tillegg føres inngangssignalet fra forforsterkeren til feieutløseren, som gir et synkront bilde på skjermen under fremveipen.

Forsinkelseslinjen forsinker inngangssignalet i forhold til begynnelsen av feiespenningen, noe som gjør det mulig å observere forkanten på pulsen, som vist i figur 5 b). Noen oscilloskop har ikke en forsinkelseslinje, noe som i hovedsak ikke forstyrrer studiet av periodiske signaler.

Feie kanal

Inngangssignalet fra forforsterkeren mates også til inngangen til sveiputløseren.Den genererte impulsen starter feiegeneratoren, som produserer en jevn stigende sagtannspenning. Dreiehastigheten og feiespenningsperioden velges av Time / Div-bryteren, som gjør det mulig å studere inngangssignaler i et bredt frekvensområde.

En slik skanning kalles intern, dvs. utløsing kommer fra signalet under etterforskning. Vanligvis har oscilloskop en “Intern / ekstern” trigger trigger, av en eller annen grunn ikke vist i funksjonsskjemaet i figur 5. I ekstern trigger mode kan utløseren trigges ikke av signalet som undersøkes, men av noe annet signal som signalet under undersøkelse er avhengig av.

Dette kan for eksempel være en puls for utløsningslinjetrigger. Deretter kan du måle tidsforholdet mellom to signaler, selv med et enkeltstrålesoscilloskop. Men det er bedre å gjøre dette med et to-stråles oscilloskop, hvis det selvfølgelig er for hånden.

Varigheten av feien skal velges basert på frekvensen (perioden) til det undersøkte signalet. Anta at signalfrekvensen er 1 KHz, dvs. signalperiode 1ms. Bildet av en sinusoid med en skanningstid på 1ms / div er vist i figur 10.

Figur 10

Med en skanningstid på 1ms / div, opptar en 1KHz sinusbølgeperiode nøyaktig en skalaeavdeling langs Y-aksen. Skanningen synkroniseres fra stråle A langs en stigende kant i form av et inngangssignalnivå på 0V. Derfor begynner sinusbølgen på skjermen med en positiv halvsyklus.

Hvis skanningens varighet endres til 500 μs / div (0,5 ms / div), vil en periode av sinusformen oppta to divisjoner på skjermen, som vist i figur 11, som selvfølgelig er mer praktisk for å observere signalet.

Figur 11

I tillegg til selve sagtannspenningen, genererer feiegeneratoren også en bakgrunnsbelysningspuls, som føres til modulatoren og "tenner" elektronstrålen (fig. 5 g). Varigheten av bakgrunnsbelysningspulsen er lik varigheten på den fremre bjelken. Under returslaget er det ingen baklysbelysning, og strålen slukker. Hvis strålen ikke er blankt, vil noe uforståelig vises på skjermen: motsatt slag, og til og med modulert av inngangssignalet, krysser ganske enkelt alt det nyttige innholdet i bølgeformen.

En sagtann sveipespenning tilføres terminalforsterkeren til kanal X, delt i et parafasesignal og mates til de horisontale avbøyningsplatene, som vist i figur 5 (e).

Forsterker X ekstern inngang

Ikke bare spenning fra feiegeneratoren, men også ekstern spenning kan tilføres terminalforsterkeren X, noe som gjør det mulig å måle signalets frekvens og fase ved hjelp av Lissajous-figurer.

Figur 12. Lissajous figurer

Men inngangsbryteren X er ikke vist på funksjonsdiagrammet i figur 5, samt bryteren for typen sveipoperasjoner, som ble nevnt litt over.

I tillegg til kanalene X og Y, har oscilloskopet, som enhver elektronisk enhet, en strømforsyning. Småstore oscilloskop, for eksempel C1-73, C1-101 kan fungere fra et bilbatteri. Forresten, for sin tid var disse oscilloskopene veldig gode og brukes fremdeles med hell.

Figur 13. Oscilloskop C1-73

Figur 14. Oscilloskop C1-101

Utseendet til oscilloskopene er vist i figur 13 og 14. Det mest overraskende er at de fremdeles blir tilbudt å kjøpe dem i nettbutikker. Men prisen er slik at det er billigere å kjøpe små store oscilloskop på Aliexpress.

Ekstra oscilloskopinnretninger er innebygde amplitude- og sveipekalibratorer. Dette er som regel ganske stabile generatorer av rektangulære pulser, som kobler dem til inngangen til oscilloskopet, ved hjelp av innstillingselementene kan du konfigurere forsterkerne X og Y. Forresten, moderne kalibratorer har også slike kalibratorer.

Hvordan bruke oscilloskopet, metoder og målemetoder vil bli diskutert i neste artikkel.

Fortsettelse av artikkelen: Hvordan bruke oscilloskopet

Boris Aladyshkin

Comments

[#1]

Med en skanningstid på 1ms / div opptar en 1KHz sinusbølgeperiode nøyaktig en skalaeavdeling langs Y-aksen. Det vil være riktigere langs X-aksen