W tym poście szczegółowo omówimy sposób działania oscyloskopów katodowych (CRO) i ich budowę wewnętrzną. Dowiemy się również, jak korzystać z CRO za pomocą różnych elementów sterujących i zrozumiemy graficzne reprezentacje różnych sygnałów wejściowych na ekranie wyświetlacza oscyloskopu.
Znaczenie oscyloskopów katodowych (CRO)
Wiemy, że większość obwodów elektronicznych opiera się ściśle na elektronicznym lub cyfrowym kształcie fali i działa przy jej użyciu, które są zwykle wytwarzane jako częstotliwość. Sygnały te odgrywają ważną rolę w takich obwodach w postaci informacji audio, danych komputerowych, sygnałów telewizyjnych, oscylatorów i generatorów taktowania (stosowanych w radarach) itp. Dlatego dokładny i prawidłowy pomiar tych parametrów staje się bardzo istotny podczas testowania i rozwiązywania problemów tego typu. obwodów
Powszechnie dostępne mierniki, takie jak multimetry cyfrowe lub multimetry analogowe, mają ograniczone możliwości i są w stanie mierzyć tylko napięcia DC lub AC, prądy lub impedancje. Niektóre zaawansowane mierniki są w stanie mierzyć sygnały AC, ale tylko wtedy, gdy sygnał jest wysoce wyrafinowany i ma postać określonych, niezniekształconych sygnałów sinusoidalnych. Dlatego te mierniki nie spełniają swojego zadania, jeśli chodzi o analizę obwodów obejmujących przebieg i cykle czasowe.
W przeciwieństwie do tego oscyloskop jest urządzeniem przeznaczonym do dokładnego odbierania i pomiaru przebiegu, co umożliwia użytkownikowi praktycznie wizualizację kształtu impulsu lub przebiegu.
CRO jest jednym z tych wysokiej klasy oscyloskopów, które pozwalają użytkownikowi zobaczyć wizualną reprezentację zastosowanego kształtu fali.
Wykorzystuje lampę elektronopromieniową (CRT) do generowania obrazu wizualnego odpowiadającego sygnałowi przyłożonemu na wejściu w postaci fali.
Wiązka elektronów wewnątrz kineskopu przechodzi przez odchylane ruchy (przeciągnięcia) po powierzchni czołowej rury (ekranu) w odpowiedzi na sygnały wejściowe, tworząc wizualny ślad na ekranie przedstawiający kształt fali. Te ciągłe ślady pozwalają następnie użytkownikowi zbadać przebieg i przetestować jego charakterystykę.
Funkcja oscyloskopu do generowania rzeczywistego obrazu przebiegu staje się bardzo pomocna w porównaniu z multimetrami cyfrowymi, które są w stanie podać jedynie wartości liczbowe przebiegu.
Jak wszyscy wiemy, oscyloskopy katodowe wykorzystują wiązki elektronów do wskazywania różnych odczytów na ekranie oscyloskopu. Odchylanie lub przetwarzanie wiązki w poziomie to operacja o nazwie napięcie przemiatania jest włączona, podczas gdy przetwarzanie pionowe jest wykonywane przez napięcie wejściowe, które jest mierzone.
RURKA KATODOWA - TEORIA I KONSTRUKCJA WEWNĘTRZNA
Wewnątrz oscyloskopu katodowego (CRO), lampa katodowa (CRT) staje się głównym elementem urządzenia. CRT staje się odpowiedzialny za generowanie złożonego obrazowania przebiegu na ekranie oscyloskopu.
CRT składa się zasadniczo z czterech części:
1. Działo elektronowe do generowania wiązki elektronów.
2. Elementy skupiające i przyspieszające do tworzenia dokładnej wiązki elektronów.
3. Poziome i pionowe płytki odchylające do manipulowania kątem wiązki elektronów.
4. Pusta szklana obudowa pokryta fosforyzującym ekranem w celu wytworzenia wymaganego widzialnego światła w odpowiedzi na uderzenie wiązki elektronów na jej powierzchnię
Poniższy rysunek przedstawia podstawowe szczegóły konstrukcyjne CRT
Teraz zrozumiemy, jak CRT działa z jego podstawowymi funkcjami.
Jak działa oscyloskop katodowy (CRO)
Gorące włókno wewnątrz kineskopu służy do ogrzewania strony katody (K) rury składającej się z powłoki tlenkowej. Powoduje to natychmiastowe uwolnienie elektronów z powierzchni katody.
Element zwany siatką kontrolną (G) kontroluje ilość elektronów, które mogą przejść dalej na całej długości rury. Poziom napięcia przyłożonego do siatki decyduje o ilości elektronów uwalnianych z rozgrzanej katody oraz o tym, ile z nich może przejść do przodu w kierunku czoła lampy.
Gdy elektrony przekroczą siatkę kontrolną, przechodzą przez kolejne ogniskowanie w ostrą wiązkę i przyspieszenie z dużą prędkością za pomocą przyspieszenia anody.
Ta silnie przyspieszona wiązka elektronów w następnej fazie przechodzi między kilkoma zestawami płyt odchylających. Kąt lub orientacja pierwszej płytki jest utrzymywana w taki sposób, że odchyla ona wiązkę elektronów pionowo w górę lub w dół. To z kolei jest kontrolowane przez polaryzację napięcia przyłożonego do tych płytek.
O tym, o ile dopuszczalne jest ugięcie belki, decyduje również wielkość napięcia przyłożonego do płyt.
Ta kontrolowana, odchylona wiązka przechodzi następnie przez większe przyspieszenie przez ekstremalnie wysokie napięcia przyłożone do rury, co ostatecznie powoduje, że wiązka uderza w fosforyzującą warstwę powłoki wewnętrznej powierzchni rury.
Powoduje to natychmiastowe zaświecenie luminoforu w odpowiedzi na uderzenie wiązki elektronów generującej widzialne światło na ekranie dla użytkownika obsługującego lunetę.
CRT jest niezależną, kompletną jednostką posiadającą odpowiednie zaciski wystające przez tylną podstawę do określonych pinów.
Na rynku dostępne są różne formy kineskopów w wielu różnych wymiarach, z różnymi rurami pokrytymi fosforem i rozmieszczeniem elektrod odchylających.
Zastanówmy się teraz nad sposobem wykorzystania CRT w oscyloskopie.
Wzorce przebiegów, które wizualizujemy dla danego sygnału próbki, są realizowane w następujący sposób:
Ponieważ napięcie przemiatania przesuwa wiązkę elektronów poziomo po wewnętrznej stronie ekranu CRT, mierzony sygnał wejściowy jednocześnie zmusza wiązkę do odchylenia w pionie, generując wymagany wzór na wykresie ekranu do naszej analizy.
Co to jest pojedyncze przeszukiwanie
Po każdym przesunięciu wiązki elektronów na ekranie CRT następuje ułamkowy „pusty” przedział czasu. Podczas tej pustej fazy wiązka jest na krótko wyłączana, aż osiągnie punkt początkowy lub poprzednią skrajną stronę ekranu. Ten cykl każdego przemiatania jest nazywany „jeden obrót belki”
Aby uzyskać stabilne wyświetlanie przebiegu na ekranie, wiązka elektronów powinna być wielokrotnie „omiatana” od lewej do prawej i odwrotnie przy użyciu identycznego obrazowania dla każdego przemiatania.
Aby to osiągnąć, konieczna jest operacja zwana synchronizacją, która zapewnia powrót wiązki i powtórzenie każdego przemiatania dokładnie z tego samego punktu na ekranie.
Po prawidłowej synchronizacji, przebieg na ekranie wydaje się stabilny i stały. Jeśli jednak synchronizacja nie zostanie zastosowana, przebieg wydaje się powoli dryfować poziomo z jednego końca ekranu w kierunku drugiego końca w sposób ciągły.
Podstawowe komponenty CRO
Podstawowe elementy CRO można zobaczyć na Rys. 22.2 poniżej. Zamierzamy przede wszystkim przeanalizować szczegóły operacyjne CRO dla tego podstawowego schematu blokowego.
Aby uzyskać znaczące i rozpoznawalne odchylenie wiązki o co najmniej centymetr do kilku centymetrów, typowy poziom napięcia wykorzystywanego na płytach odchylających musi wynosić co najmniej dziesiątki lub nawet setki woltów.
Ze względu na fakt, że impulsy oceniane przez CRO zwykle przy zaledwie kilku woltach lub co najwyżej kilku miliwoltach, konieczne stają się odpowiednie obwody wzmacniacza, aby wzmocnić sygnał wejściowy do optymalnego poziomu napięcia niezbędnego do uruchomienia lampy.
W rzeczywistości stosowane są stopnie wzmacniacza, które pomagają odchylać wiązkę zarówno w płaszczyźnie poziomej, jak i pionowej.
Aby móc dostosować poziom sygnału wejściowego, który jest analizowany, każdy impuls wejściowy musi przejść przez stopień obwodu tłumika, zaprojektowany w celu zwiększenia amplitudy wyświetlacza.
DZIAŁANIE PRZEKSZTAŁCANIA NAPIĘCIA
Operacja przemiatania napięcia jest realizowana w następujący sposób:
W sytuacjach, gdy wejście pionowe jest utrzymywane na poziomie 0 V, wiązka elektronów powinna być widoczna w pionowym środku ekranu. Jeśli 0 V jest identycznie przyłożone do wejścia poziomego, wiązka jest umieszczana na środku ekranu, wyglądając jak bryła i papeteria KROPKA W centrum.
Teraz tę „kropkę” można przesunąć w dowolne miejsce po powierzchni ekranu, po prostu manipulując poziomymi i pionowymi przyciskami sterującymi oscyloskopu.
Położenie kropki można również zmienić poprzez wprowadzenie określonego napięcia stałego na wejście oscyloskopu.
Poniższy rysunek pokazuje, jak dokładnie położenie kropki można kontrolować na ekranie CRT za pomocą dodatniego napięcia poziomego (w prawo) i ujemnego napięcia wejściowego w pionie (w dół od środka).
Poziomy sygnał przemiatania
Aby sygnał stał się widoczny na wyświetlaczu CRT, konieczne staje się włączenie odchylenia wiązki poprzez poziome przesunięcie w poprzek ekranu, tak aby każdy odpowiadający pionowy sygnał wejściowy pozwolił na odbicie zmiany na ekranie.
Na rys. 22.4 poniżej możemy zwizualizować linię prostą na wyświetlaczu uzyskaną w wyniku podania dodatniego napięcia na wejście pionowe poprzez liniowy (piłokształtny) sygnał przemiatania przyłożony do kanału poziomego.
Kiedy wiązka elektronów jest utrzymywana na wybranej stałej odległości pionowej, napięcie poziome jest zmuszane do przemieszczania się od ujemnego do zera do dodatniego, powodując przemieszczanie się wiązki z lewej strony ekranu, do środka i na prawą stronę ekranu. ekran. Ten ruch wiązki elektronów generuje prostą linię powyżej środkowego pionowego odniesienia, wyświetlającą odpowiednie napięcie prądu stałego w postaci linii światła gwiazd.
Zamiast pojedynczego przemiatania, napięcie przemiatania jest realizowane jak ciągły przebieg. Ma to zasadniczo na celu zapewnienie spójnego wyświetlania, aby był widoczny na ekranie. Jeśli zostanie użyty tylko jeden przeciągnięcie, nie będzie trwał i natychmiast zniknie.
Dlatego wewnątrz kineskopu na sekundę generowane są powtarzające się przemiatania, co daje wygląd ciągłego przebiegu na ekranie z powodu naszego ciągłego widzenia.
Jeśli zmniejszymy powyższą szybkość przemiatania w zależności od skali czasowej przedstawionej na oscyloskopie, na ekranie można byłoby zobaczyć rzeczywiste wrażenie ruchu wiązki. Gdyby tylko sygnał sinusoidalny był przyłożony do wejścia pionowego bez obecności odchylenia poziomego, zobaczylibyśmy pionową linię prostą, jak pokazano na Rys. 22.5.
A jeśli prędkość tego sinusoidalnego pionowego sygnału wejściowego jest wystarczająco zmniejszona, możemy zobaczyć wiązkę elektronów poruszającą się w górę po torze linii prostej.
Używanie liniowego przeciągnięcia piłokształtnego do wyświetlania pionowego wejścia
Jeśli jesteś zainteresowany zbadaniem sygnału sinusoidalnego, będziesz musiał użyć sygnału przemiatania w kanale poziomym. Dzięki temu sygnał zastosowany w kanale pionowym stanie się widoczny na ekranie CRO.
Praktyczny przykład można zobaczyć na rys. 22.6, który przedstawia przebieg generowany przez wykorzystanie poziomego liniowego przemiatania wraz z sinusoidalnym lub sinusoidalnym wejściem przez kanał pionowy.
Aby uzyskać pojedynczy cykl na ekranie dla zastosowanego wejścia, niezbędna jest synchronizacja sygnału wejściowego i liniowych częstotliwości przemiatania. Nawet przy różnicy minut lub nieprawidłowej synchronizacji wyświetlacz może nie pokazywać żadnego ruchu.
Jeśli częstotliwość przemiatania zostanie zmniejszona, większa liczba cykli sinusoidalnego sygnału wejściowego może być widoczna na ekranie CRO.
Z drugiej strony, jeśli zwiększymy częstotliwość przemiatania, na ekranie będzie widoczna mniejsza liczba cykli wejściowego sygnału sinusoidalnego w pionie. W rzeczywistości spowodowałoby to wygenerowanie powiększonej części zastosowanego sygnału wejściowego na ekranie CRO.
Rozwiązany Praktyczny przykład:
Na ryc. 22.7 widzimy ekran oscyloskopu wyświetlający impulsowy sygnał w odpowiedzi na impuls podobny do przebiegu przyłożonego do wejścia pionowego z poziomym przemiataniem
Numeracja każdego przebiegu umożliwia wyświetlaczowi śledzenie zmian sygnału wejściowego i napięcia przemiatania dla każdego cyklu.
SYNCHRONIZACJA I WYZWALANIE
Regulacje w oscyloskopie katodowym są wykonywane poprzez regulację prędkości pod względem częstotliwości, w celu wytworzenia pojedynczego cyklu impulsu, wielu cykli lub części cyklu przebiegu, a ta funkcja staje się jedną z funkcji CRO. dowolnego CRO.
Na rysunku 22.8 widzimy ekran CRO wyświetlający odpowiedź przez kilka cykli sygnału przemiatania.
Dla każdego wykonania poziomego napięcia piłokształtnego poprzez liniowy cykl przemiatania (mający ograniczenie od maksymalnego ujemnego limitu zera do maksymalnego dodatniego), powoduje, że wiązka elektronów przemieszcza się poziomo przez obszar ekranu CRO, zaczynając od lewej strony do środka, a następnie po prawej stronie ekranu.
Następnie napięcie piłokształtne szybko wraca do początkowej granicy napięcia ujemnego, a wiązka elektronów przesuwa się odpowiednio w lewą stronę ekranu. W tym okresie, w którym napięcie przemiatania szybko powraca do wartości ujemnej (powrót), elektron przechodzi przez fazę pustą (w której napięcie siatki powstrzymuje elektrony przed uderzeniem w ścianę rury)
Aby umożliwić wyświetlaczowi wytwarzanie stabilnego obrazu sygnału dla każdego odchylenia wiązki, konieczne staje się zainicjowanie przemiatania dokładnie od tego samego punktu w cyklu sygnału wejściowego.
Na ryc. 22.9 widzimy, że dość niska częstotliwość przemiatania powoduje, że wyświetlacz wydaje wygląd lewostronnego dryfu wiązki.
Po ustawieniu na wysoką częstotliwość przemiatania, jak pokazano na rysunku 22.10, na wyświetlaczu pojawia się efekt dryfu wiązki w prawo.
Nie trzeba dodawać, że dostosowanie częstotliwości sygnału przemiatania dokładnie równej częstotliwości sygnału wejściowego w celu uzyskania stałego lub stałego przemiatania obrazu może być bardzo trudne lub niewykonalne.
Bardziej realnym rozwiązaniem jest oczekiwanie na powrót sygnału do punktu początkowego śladu w cyklu. Ten typ wyzwalania zawiera kilka dobrych funkcji, które omówimy w kolejnych akapitach.
Wyzwalanie
Standardowe podejście do synchronizacji wykorzystuje małą część sygnału wejściowego do przełączania generatora przemiatania, co zmusza sygnał przemiatania do zatrzaśnięcia lub zablokowania z sygnałem wejściowym, a proces ten synchronizuje oba sygnały razem.
Na ryc. 22.11 możemy zobaczyć schemat blokowy ilustrujący wyodrębnianie części sygnału wejściowego w a oscyloskop jednokanałowy.
Ten sygnał wyzwalający jest pobierany z częstotliwości sieci prądu przemiennego (50 lub 60 Hz) w celu analizy wszelkich sygnałów zewnętrznych, które mogą być związane z siecią prądu przemiennego lub mogą być z nią związane, lub mogą być sygnałami pokrewnymi stosowanymi jako wejście pionowe w CRO.
Przełączenie selektora w kierunku pozycji „WEWNĘTRZNE” umożliwia wykorzystanie części sygnału wejściowego przez obwód generatora wyzwalania. Następnie wyjście generatora wyzwalania sygnału wyjściowego jest używane do zainicjowania lub rozpoczęcia głównego przemiatania CRO, które pozostaje widoczne przez okres ustalony przez kontrolę czasu / cm zakresu.
Inicjalizację wyzwalania w kilku różnych punktach cyklu sygnału można wizualizować na rys. 22.12. Funkcjonowanie przemiatania wyzwalacza można również przeanalizować za pomocą wynikowych wzorców przebiegu.
Sygnał, który jest stosowany jako wejście, jest używany do generowania przebiegu wyzwalającego dla sygnału przemiatania. Jak pokazano na rys. 22.13, przemiatanie jest inicjowane przez cykl sygnału wejściowego i trwa przez okres określony przez ustawienie sterowania długością odchylenia. Następnie operacja CRO czeka, aż sygnał wejściowy osiągnie identyczny punkt w swoim cyklu przed zainicjowaniem nowej operacji przemiatania.
Wyżej wyjaśniony sposób wyzwalania umożliwia proces synchronizacji, natomiast liczba cykli, które można wyświetlić na wyświetlaczu, jest określana przez długość sygnału przemiatania.
FUNKCJA MULTITRACE
Wiele zaawansowanych CRO umożliwia jednoczesne oglądanie więcej niż jednego lub wielu śladów na ekranie wyświetlacza, co pozwala użytkownikowi łatwo porównać specjalne lub inne specyficzne cechy wielu przebiegów.
Ta funkcja jest zwykle realizowana przy użyciu wielu wiązek z wielu wyrzutni elektronowych, które generują pojedynczą wiązkę na ekranie CRO, jednak czasami jest to również realizowane za pomocą pojedynczej wiązki elektronów.
Istnieje kilka technik, które są wykorzystywane do generowania wielu śladów: ALTERNATYWNE i ROZDRABNIANE. W trybie naprzemiennym dwa sygnały dostępne na wejściu są naprzemiennie podłączane do stopnia obwodu odchylającego poprzez przełącznik elektroniczny. W tym trybie wiązka jest przesuwana po ekranie CRO bez względu na to, ile śladów ma być wyświetlonych. Następnie przełącznik elektroniczny wybiera drugi sygnał i robi to samo dla tego sygnału.
Taki tryb pracy można zobaczyć na rys. 22.14a.
Rys. 22.14b przedstawia tryb pracy CHOPPED, w którym wiązka przechodzi przez powtarzalne przełączanie w celu wybrania między dwoma sygnałami wejściowymi dla każdego sygnału przemiatania wiązki. To przełączanie lub przerywanie pozostaje niewykrywalne dla stosunkowo niskich częstotliwości sygnału i jest najwyraźniej widoczne jako dwa oddzielne ślady na ekranie CRO.
Jak mierzyć przebieg za pomocą skalibrowanych skal CRO
Być może zauważyłeś, że ekran wyświetlacza CRO składa się z wyraźnie zaznaczonej skalibrowanej skali. Jest to przewidziane dla pomiarów amplitud i współczynnika czasu dla danego zastosowanego przebiegu.
Zaznaczone jednostki są widoczne jako pudełka, które są podzielone na 4 centymetry (cm) po obu stronach pudełka. Każde z tych pudełek jest dodatkowo podzielone na odstępy co 0,2 cm.
Pomiar amplitud:
Pionową skalę na ekranie RO można zobaczyć skalibrowaną w woltach / cm (V / cm) lub miliwoltach / cm (mV / cm).
Za pomocą ustawień przycisków sterujących oscyloskopu oraz oznaczeń prezentowanych na przodzie wyświetlacza użytkownik jest w stanie zmierzyć lub przeanalizować amplitudy międzyszczytowe sygnału falowego lub zwykle sygnału AC.
Oto praktyczny rozwiązany przykład, aby zrozumieć, w jaki sposób mierzona jest amplituda na ekranie CRO:
Uwaga: Jest to zaleta oscyloskopu w stosunku do multimetrów, ponieważ multimetry dostarczają tylko wartość RMS sygnału AC, podczas gdy oscyloskop jest w stanie zapewnić zarówno wartość RMS, jak i wartość szczytową sygnału.
Pomiar czasu (okresu) cyklu AC za pomocą oscyloskopu
Skala pozioma wyświetlana na ekranie oscyloskopu pomaga nam określić czas cyklu wejściowego w sekundach, milisekundach (ms), mikrosekundach (μs), a nawet nanosekundach (ns).
Przedział czasu zużyty przez impuls do zakończenia cyklu od początku do końca nazywany jest okresem impulsu. Gdy impuls ten ma postać powtarzającego się przebiegu, jego okres nazywamy jednym cyklem przebiegu.
Oto praktyczny rozwiązany przykład pokazujący, jak określić okres przebiegu za pomocą kalibracji ekranu CRO:
Pomiar szerokości impulsu
Każdy przebieg składa się z maksymalnych i minimalnych szczytów napięcia nazywanych stanami wysokimi i niskimi impulsu. Przedział czasu, w którym impuls pozostaje w stanie WYSOKIM lub NISKIM, nazywany jest szerokością impulsu.
W przypadku impulsów, których krawędzie narastają i opadają bardzo gwałtownie (szybko), szerokość takich impulsów jest mierzona od początku impulsu zwanego krawędzią narastającą do końca impulsu zwanego zboczem spływu, co pokazano na rys. 22.19a.
W przypadku impulsów, które mają raczej wolniejsze lub powolne cykle narastania i opadania (typ wykładniczy), ich szerokość impulsu jest mierzona na poziomie 50% w cyklach, jak pokazano na Rys. 22.19b.
Poniższy rozwiązany przykład pomaga lepiej zrozumieć powyższą procedurę:
ZROZUMIENIE OPÓŹNIENIA PULSU
Odstęp czasu między impulsami w cyklu impulsów nazywany jest opóźnieniem impulsu. Przykład opóźnienia impulsu można zobaczyć na poniższym rysunku 22.21, widzimy, że opóźnienie jest tutaj mierzone między punktem środkowym lub poziomem 50% a punktem początkowym impulsu.
Rysunek 22.21
Praktyczny rozwiązany przykład pokazujący, jak mierzyć opóźnienie impulsu w CRO
Wniosek:
Próbowałem uwzględnić większość podstawowych szczegółów dotyczących działania oscyloskopu katodowego (CRO) i próbowałem wyjaśnić, jak używać tego urządzenia do pomiaru różnych sygnałów opartych na częstotliwości za pomocą skalibrowanego ekranu. Jednak może być jeszcze wiele innych aspektów, które mogłem tutaj przegapić, niemniej jednak będę od czasu do czasu sprawdzać i aktualizować więcej informacji, gdy tylko będzie to możliwe.
Odniesienie: https://en.wikipedia.org/wiki/Oscilloscope
Poprzedni: Wzmacniacz wspólnego emitera - charakterystyka, odchylenie, rozwiązane przykłady Dalej: Co to jest beta (β) w BJT
