Katodni osciloskopi - radni i operativni detalji

U ovom ćemo postu detaljno razmotriti kako djeluju katodni osciloskopi (CRO) i njegova unutarnja konstrukcija. Također ćemo naučiti kako koristiti CRO koristeći razne kontrole i razumjeti grafičke prikaze različitih ulaznih signala na zaslonu zaslona opsega.

Važnost katodnih osciloskopa (CRO)

Znamo da se većina elektroničkih sklopova strogo uključuje i radi pomoću elektroničkog ili digitalnog valnog oblika, koji se obično proizvode kao frekvencija. Ti signali igraju važnu ulogu u takvim sklopovima u obliku zvučnih informacija, računalnih podataka, TV signala, oscilatora i generatora vremena (kako se primjenjuju na radarima) itd. Stoga precizno i ​​pravilno mjerenje ovih parametara postaje vrlo ključno tijekom ispitivanja i rješavanja problema ovih vrsta krugova

Uobičajeni mjerači poput digitalnih multimetara ili analognih multimetara imaju ograničene mogućnosti i mogu mjeriti samo jednosmjerne ili izmjenične napone, struje ili impedancije. Neki napredni mjerači mogu mjeriti izmjenične signale, ali samo ako je signal visoko pročišćen i u obliku specifičnih neiskrivljenih sinusoidnih signala. Stoga ovi mjerači ne služe svrsi kada je riječ o analiziranju krugova koji uključuju valni oblik i vremenske cikluse.

Nasuprot tome, osciloskop je uređaj koji je dizajniran za prihvaćanje i mjerenje valnog oblika koji omogućava korisniku da praktično vizualizira oblik pulsa ili valnog oblika.

CRO je jedan od onih visokokvalitetnih osciloskopa koji omogućava korisniku da vidi vizualni prikaz primijenjenog valnog oblika u pitanju.

Zapošljava katodnu cijev (CRT) za generiranje vizualnog zaslona koji odgovara signalu primijenjenom na ulazu kao valnom obliku.

Elektronska zraka unutar CRT-a prolazi kroz skrenute pokrete (pomete) po površini cijevi (zaslona) kao odgovor na ulazne signale, stvarajući vizualni trag na ekranu koji predstavlja oblik valnog oblika. Ti kontinuirani tragovi tada omogućuju korisniku da ispita valni oblik i testira njegove karakteristike.

Značajka osciloskopa za stvaranje stvarne slike valnog oblika postaje vrlo korisna u usporedbi s digitalnim multimetrima koji mogu dati samo numeričke vrijednosti valnog oblika.

Kao što svi znamo, katodni osciloskopi rade s elektronskim snopovima kako bi pokazali različita očitanja na zaslonu osciloskopa. Za horizontalno skretanje ili obradu grede operacija tzv sweep-voltaža ugrađena je, dok se vertikalna obrada vrši ulaznim naponom koji se mjeri.

KATODNA CIJEV ZRAKA - TEORIJA I UNUTARNJA KONSTRUKCIJA

Unutar katodnog osciloskopa (CRO) katodna cijev (CRT) postaje glavna komponenta uređaja. CRT postaje odgovoran za generiranje složenih slika valnog oblika na zaslonu opsega.

CRT se u osnovi sastoji od četiri dijela:

1. Elektronska puška za stvaranje elektronskog snopa.
2. Fokusirajuće i ubrzavajuće komponente za stvaranje točnog snopa elektrona.
3. Horizontalne i vertikalne skrećuće ploče za manipulaciju kutom snopa elektrona.
4. Evakuirano stakleno kućište presvučeno fosforescentnim zaslonom za stvaranje potrebnog vidljivog sjaja kao odgovor na udaranje snopa elektrona na njegovu površinu

Sljedeća slika prikazuje osnovne detalje o konstrukciji CRT-a

Sada da shvatimo kako CRT radi sa svojim osnovnim funkcijama.

Kako djeluju katodni osciloskop (CRO)

Vruća nit unutar CRT-a koristi se za zagrijavanje katodne (K) strane cijevi koja se sastoji od oksidne prevlake. To rezultira trenutnim oslobađanjem elektrona s površine katode.

Element koji se naziva kontrolna rešetka (G) kontrolira količinu elektrona koji mogu proći dalje duž duljine cijevi. Razina napona primijenjena na mreži određuje količinu elektrona oslobođenih od zagrijane katode i koliko ih se smije pomicati prema površini cijevi.

Jednom kad elektroni nadmaše upravljačku mrežu, prolaze kroz naknadno fokusiranje u oštri snop i ubrzanje velike brzine uz pomoć anodnog ubrzanja.

Ovaj vrlo ubrzani snop elektrona u sljedećoj fazi prolazi između nekoliko skupova otklonskih ploča. Kut ili orijentacija prve ploče drži se na takav način da usmjerava zraku elektrona vertikalno gore ili dolje. To se pak kontrolira polaritetom napona primijenjenim na tim pločama.

Također koliko se dopušta otklon na gredi određuje se i količinom napona primijenjenog na pločama.

Ovaj kontrolirani skrenuti snop zatim prolazi kroz veće ubrzanje kroz izuzetno visoke napone primijenjene na cijevi, što konačno dovodi do udara snopa u fosforescentni sloj sloja unutarnje površine cijevi.

To trenutno uzrokuje da fosfor zasvijetli kao odgovor na udarac snopa elektrona koji generira vidljivi sjaj na zaslonu za korisnika koji upravlja opsegom.

CRT je neovisna cjelovita jedinica koja ima odgovarajuće stezaljke izbočene kroz stražnju bazu u određene pinoute.

Na tržištu su dostupni različiti oblici CRT-a u mnogo različitih dimenzija, s različitim cijevima presvučenim fosforom i pozicioniranjem otklonskih elektroda.

Razmislimo sada o načinu na koji se CRT koristi u osciloskopu.

Uzorci valnih oblika koje vizualiziramo za zadati signal uzorka izvršavaju se na ovaj način:

Kako napon zamaha pomiče elektronsku zraku vodoravno na unutarnjoj strani zaslona CRT-a, ulazni signal koji se istovremeno mjeri prisiljava snop da se vertikalno skrene, generirajući potreban uzorak na grafikonu zaslona za našu analizu.

Što je jednokratno čišćenje

Svako zamahivanje snopa elektrona na CRT zaslonu prati se razlomljenim 'praznim' vremenskim intervalom. Tijekom ove prazne faze snop se kratko isključuje dok ne dosegne početnu točku ili prethodnu krajnju stranu zaslona. Taj se ciklus svakog čišćenja naziva 'jedan zamah zraka'

Da bi se dobio stabilan prikaz valnog oblika na ekranu, elektronsku zraku treba više puta 'pomicati' slijeva udesno i obrnuto, koristeći identično snimanje za svaki zamah.

Da bi se to postiglo, postaje neophodna operacija koja se naziva sinkronizacija, koja osigurava vraćanje snopa i ponavljanje svakog pomeranja iz točno iste točke na zaslonu.

Kada se pravilno sinkronizira, uzorak valnog oblika na zaslonu izgleda stabilno i konstantno. Međutim, ako se sinkronizacija ne primijeni, čini se da valni oblik polako neprestano vodoravno skreće s jednog kraja zaslona na drugi kraj.

Osnovne CRO komponente

Bitni elementi CRO-a mogu se vidjeti na slici 22.2 dolje. Prvo ćemo analizirati operativne detalje CRO-a za ovaj osnovni blok dijagram.

Da bi se postigao smislen i prepoznatljiv otklon snopa kroz najmanje centimetar do nekih centimetara, tipična razina napona iskorištenog na pločama za odbijanje mora biti minimalna na desetke ili čak stotine volti.

Zbog činjenice da impulsi koji se procjenjuju kroz CRO obično imaju samo nekoliko volti veličine ili najviše nekoliko milivolti, prikladni krugovi pojačala postaju neophodni za pojačavanje ulaznog signala do optimalnih razina napona potrebnih za rad cijevi.

Zapravo se koriste stupnjevi pojačala koji pomažu skrenuti snop i na vodoravnoj i na vertikalnoj ravnini.

Da bi se mogla prilagoditi razina ulaznog signala koji se analizira, svaki ulazni impuls mora proći kroz fazu kruga atenuatora, dizajniran da pojača amplitudu zaslona.

ČIŠĆENJE NAPONA

Operacija odvođenja napona provodi se na sljedeći način:

U situacijama kada se vertikalni ulaz drži na 0V, pretpostavlja se da se elektronska zraka vidi u okomitom središtu zaslona. Ako se 0V identično primijeni na vodoravni ulaz, zraka se postavlja u središte zaslona i izgleda poput punog materijala i pribora TOČKA u središtu.

Sada bi se ta 'točka' mogla premjestiti bilo gdje preko površine ekrana, jednostavnim manipuliranjem vodoravnih i okomitih kontrolnih tipki osciloskopa.

Položaj točke također se može promijeniti kroz određeni istosmjerni napon uveden na ulazu osciloskopa.

Sljedeća slika pokazuje kako se točno položajem točke može kontrolirati na CRT zaslonu pozitivnim vodoravnim naponom (prema desno) i negativnim vertikalnim ulaznim naponom (prema dolje od središta).

Signal vodoravnog pomeranja

Da bi signal postao vidljiv na CRT zaslonu, nužno je omogućiti skretanje snopa kroz horizontalni zamah preko zaslona, ​​tako da bilo koji odgovarajući vertikalni ulazni signal omogućuje promjenu da se odrazi na zaslonu.

Iz donje slike 22.4 možemo vizualizirati ravnu crtu na zaslonu dobivenu zbog pozitivnog napona napajanja na vertikalni ulaz kroz linearni (pilasti) signal zamaha primijenjen na vodoravni kanal.

Kada se elektronska zraka drži na odabranoj fiksnoj okomitoj udaljenosti, vodoravni napon prisiljen je putovati s negativne na nulu na pozitivnu, zbog čega snop putuje s lijeve strane zaslona, ​​u sredinu i na desnu stranu zaslona. zaslon. Ovo kretanje snopa elektrona stvara ravnu crtu iznad središnje okomite reference, prikazujući odgovarajući istosmjerni napon u obliku zvjezdaste linije.

Umjesto da proizvede jedan zamah, napon zamaha implementiran je da radi poput kontinuiranog valnog oblika. To je u osnovi kako bi se osiguralo dosljedno prikazivanje na zaslonu. Ako se koristi samo jedan potez, on ne bi potrajao i trenutno bi izblijedio.

Zbog toga se unutar CRT-a generiraju ponovljena pomeranja u sekundi koja daje neprekidni valni oblik na zaslonu zbog naše trajne vizije.

Ako smanjimo gornju brzinu zamaha ovisno o vremenskoj skali koja se nalazi na osciloskopu, stvarni pokretni dojam snopa mogao bi se vidjeti na ekranu. Ako se na okomiti ulaz primijeni samo sinusoidni signal bez prisutnosti vodoravnog zamaha, vidjeli bismo okomitu ravnu liniju kako je prikazano na slici 22.5.

A ako je brzina ovog sinusoidnog vertikalnog ulaza dovoljno smanjena, omogućuje nam da vidimo kako snop elektrona putuje prema dolje duž staze ravne crte.

Korištenje linearnog testerisanja za prikaz vertikalnog unosa

Ako ste zainteresirani za ispitivanje signala sinusnog vala, morat ćete upotrijebiti signal pomeranja na vodoravnom kanalu. To će omogućiti da signal primijenjen na okomitom kanalu postane vidljiv na zaslonu CRO-a.

Praktični primjer može se vidjeti na slici 22.6 koja prikazuje valni oblik generiran korištenjem vodoravnog linearnog zamaha zajedno sa sinusnim ili sinusnim ulazom kroz okomiti kanal.

Da bi se dobio jedan ciklus na zaslonu za primijenjeni ulaz, sinkronizacija ulaznog signala i linearnih frekvencija zamaha postaje bitna. Čak i s minutnom razlikom ili pogrešnom sinkronizacijom, zaslon možda neće pokazati nikakvo kretanje.

Ako se smanji frekvencija zamaha, na CRO zaslonu može se učiniti vidljivijim veći broj ciklusa sinusnog ulaznog signala.

S druge strane, ako povećamo frekvenciju pomeranja, omogućili bismo da na zaslonu bude vidljiv manji broj ciklusa vertikalnih ulaznih sinusnih signala. To bi zapravo rezultiralo generiranjem uvećanog dijela primijenjenog ulaznog signala na CRO zaslonu.

Riješeni praktični primjer:

Na slici 22.7 možemo vidjeti zaslon osciloskopa koji prikazuje impulsni signal kao odgovor na impuls poput valnog oblika primijenjenog na vertikalni ulaz s vodoravnim zamahom

Numeriranje za svaki valni oblik omogućuje zaslonu da prati varijacije ulaznog signala i napona zamaha za svaki ciklus.

SINKRONIZACIJA I TRIGGERIRANJE

Prilagodbe u katodnom osciloskopu izvode se podešavanjem brzine u smislu frekvencije, za proizvodnju jednog ciklusa impulsa, velikog broja ciklusa ili dijela ciklusa valnog oblika, a ova značajka postaje jedna od CRO presudnih značajki bilo koje HRV.

Na sl. 22.8 možemo vidjeti zaslon CRO koji prikazuje odgovor za nekoliko ciklusa signalnog signala.

Za svako izvođenje vodoravnog napona testerisanja kroz linearni ciklus pomicanja (koji ima ograničenje od maksimalne negativne granice od nule do maksimalno pozitivne), dovodi do toga da snop elektrona vodoravno putuje po području CRO zaslona, ​​počevši od lijeve strane, prema sredini, a zatim desno od zaslona.

Nakon toga se napon pile brzo vraća na početnu granicu negativnog napona s tim da se snop elektrona odgovarajuće pomiče na lijevu stranu zaslona. Tijekom tog vremenskog razdoblja kada se napon pometanja brzo vrati na negativnu vrijednost (retracement), elektron prolazi kroz praznu fazu (pri čemu mrežni napon inhibira elektrone da ne udaraju u površinu cijevi)

Da bi se omogućilo da zaslon proizvede stabilnu signalnu sliku za svako zamahivanje snopa, postaje neophodno pokretanje zamaha s točno iste točke u ciklusu ulaznog signala.

Na sl. 22.9 možemo vidjeti da prilično niska frekvencija zamaha uzrokuje da zaslon stvara izgled zanošenja lijeve strane snopa.

Kada se postavi na visoku frekvenciju zamaha, kao što je dokazano na slici 22.10, zaslon daje na ekranu izgled zamaha desne strane snopa.

Nepotrebno je reći da može biti vrlo teško ili neizvedivo prilagoditi frekvenciju signala za zamahiranje točno jednaku frekvenciji ulaznog signala za postizanje stalnog ili stalnog zamaha na ekranu.

Izvodljivije rješenje je pričekati da se signal vrati u početnu točku traga u ciklusu. Ova vrsta aktiviranja uključuje neke dobre značajke o kojima ćemo raspravljati u sljedećim odlomcima.

Okidački

Standardni pristup sinkronizaciji koristi mali dio ulaznog signala za prebacivanje generatora zamaha, koji prisiljava signal preusmjeravanja da se zaključa ili zaključa s ulaznim signalom, a ovaj postupak sinkronizira dva signala zajedno.

Na slici 22.11 možemo vidjeti blok dijagram koji ilustrira izdvajanje dijela ulaznog signala u a jednokanalni osciloskop.

Ovaj se okidački signal izvlači iz mrežne frekvencije izmjenične struje (50 ili 60 Hz) za analizu bilo kakvih vanjskih signala koji mogu biti povezani s mrežom izmjeničnog napona ili se s njima odnositi ili može biti srodni signal primijenjen kao vertikalni ulaz u CRO.

Kada se preklopni prekidač prebaci u položaj 'UNUTARNJI', omogućuje da dio ulaznog signala koristi krug okidačkog generatora. Zatim se izlazni izlazni generator okidača koristi za pokretanje ili pokretanje glavnog čišćenja CRO-a, koji ostaje vidljiv tijekom razdoblja određenog vremenskom / cm kontrolom opsega.

Inicijalizacija okidanja u nekoliko različitih točaka kroz ciklus signala može se vizualizirati na slici 22.12. Funkcioniranje zamaha okidača također se može analizirati kroz rezultirajuće obrasce valnog oblika.

Signal koji se primjenjuje kao ulaz koristi se za generiranje valnog oblika okidača za signal pomeranja. Kao što je prikazano na slici 22.13, zamah se započinje ciklusom ulaznog signala i održava se tijekom razdoblja određenog postavkom kontrole duljine zamaha. Nakon toga, CRO operacija čeka dok ulazni signal ne postigne identičnu točku u svom ciklusu prije pokretanja nove operacije čišćenja.

Gore objašnjena metoda aktiviranja omogućuje postupak sinkronizacije, dok se broj ciklusa koji se mogu prikazati na zaslonu određuje duljinom signala za pomeranje.

VIŠESTRASNA FUNKCIJA

Mnogi napredni CRO-i olakšavaju istovremeno gledanje više od jednog ili više tragova na zaslonu zaslona, ​​što omogućava korisniku da lako usporedi posebne ili druge specifične karakteristike više valnih oblika.

Ova se značajka obično provodi pomoću više snopova iz više elektronskih topova, koji generiraju pojedinačni snop na CRO zaslonu, no ponekad se to izvodi i kroz jedan snop elektrona.

Postoji nekoliko tehnika koje se koriste za generiranje višestrukih tragova: ALTERNATE i CHOPPED. U alternativnom načinu rada, dva signala dostupna na ulazu, naizmjenično su povezana na stupanj skretajućeg kruga putem elektroničke sklopke. U ovom načinu zraka snop se prebacuje preko zaslona CRO bez obzira na to koliko tragova treba prikazati. Nakon toga, elektronička sklopka alternativno bira drugi signal i čini isto za ovaj signal.

O ovom načinu rada može se svjedočiti na slici 22.14a.

Na slici 22.14b prikazan je USJJEKAN način rada pri kojem snop prolazi kroz ponavljajuće prebacivanje za odabir između dva ulazna signala za svaki signal zamaha snopa. Ova akcija prebacivanja ili sjeckanja ostaje neotkrivena za relativno niže frekvencije signala i očito se na CRO zaslonu vidi kao dva pojedinačna traga.

Kako izmjeriti valni oblik putem kalibrirane CRO ljestvice

Mogli ste vidjeti da se zaslon CRO zaslona sastoji od jasno označene kalibrirane ljestvice. To je predviđeno za mjerenje amplituda i vremenskog faktora za primijenjeni valni oblik u pitanju.

Označene jedinice vidljive su kao kutije koje su podijeljene kroz 4 centimetra (cm) s obje strane kutija. Svaka od ovih kutija dodatno je podijeljena u razmake od 0,2 cm.

Mjerenje amplituda:

Vertikalna skala na zaslonu RO može se vidjeti kalibrirana u voltima / cm (V / cm) ili milivoltima / cm (mV / cm).

Pomoću postavki kontrolnih gumba opsega i oznaka prikazanih na ploči zaslona, ​​korisnik može izmjeriti ili analizirati vršne do vršne amplitude valnog oblika ili obično AC signala.

Evo praktičnog riješenog primjera za razumijevanje kako se amplituda mjeri na zaslonu HRV-a:

Napomena: Ovo je prednost osciloskopa protiv multimetara, jer multimetri pružaju samo efektivnu vrijednost izmjeničnog signala, dok opseg može pružiti i vrijednost efektivne vrijednosti, kao i vrijednost od vrha do vrha signala.

Mjerenje vremena (razdoblja) izmjeničnog ciklusa pomoću osciloskopa

Vodoravna skala koja se nalazi na zaslonu osciloskopa pomaže nam da odredimo vrijeme ulaznog ciklusa u sekundama, u milisekundama (ms) i u mikrosekundama (μs) ili čak u nanosekundama (ns).

Vremenski interval koji utroši puls za završetak ciklusa od početka do kraja naziva se period impulsa. Kada je ovaj impuls u obliku ponavljajućeg valnog oblika, njegovo se razdoblje naziva jednim ciklusom valnog oblika.

Evo praktično riješenog primjera koji pokazuje kako odrediti razdoblje valnog oblika pomoću CRO kalibracije zaslona:

Mjerenje širine impulsa

Svaki valni oblik sastoji se od maksimalnih i minimalnih vršnih napona koji se nazivaju visoko i nisko stanje impulsa. Vremenski interval za koji impuls ostaje u VISOKOM ili NISKOM stanju naziva se širina impulsa.

Kod impulsa čiji se rubovi vrlo naglo (brzo) rastu i smanjuju, širina takvih impulsa mjeri se od početka impulsa koji se naziva vodeći rub do kraja impulsa koji se naziva zadnji rub, to je prikazano na slici 22.19a.

Za impulse koji imaju prilično sporije ili sporije cikluse porasta i opadanja (eksponencijalni tip), njihova se širina impulsa mjeri preko njihovih 50% razina u ciklusima, kao što je prikazano na slici 22.19b.

Sljedeći riješeni primjer pomaže razumjeti gornji postupak na bolji način:

RAZUMIJEVANJE ODLAGANJA PULSA

Vremenski razmak između impulsa u impulsnom ciklusu naziva se kašnjenje impulsa. Primjer kašnjenja impulsa može se vidjeti na donjoj slici 22.21, možemo vidjeti da se ovdje kašnjenje mjeri između srednje točke ili razine 50% i početne točke pulsa.

Slika 22.21

Praktični riješeni primjer koji pokazuje kako izmjeriti kašnjenje pulsa u CRO

Zaključak:

Pokušao sam uključiti većinu osnovnih detalja o načinu rada katodnog osciloskopa (CRO) i pokušao sam objasniti kako koristiti ovaj uređaj za mjerenje različitih frekvencijskih signala putem kalibriranog zaslona. Međutim, može postojati još mnogo aspekata koji su mi ovdje možda nedostajali, ali s vremena na vrijeme provjeravat ću i ažurirati više informacija kad god je to moguće.

Referenca: https://en.wikipedia.org/wiki/Oscilloscope