Osciloscopio electrónico - dispositivo, principio de funcionamiento

La radioafición, como hobby, es una actividad muy emocionante y, se puede decir, adictiva. Muchos entran en él en los maravillosos años escolares, y con el tiempo, este pasatiempo puede convertirse en una profesión para toda la vida. Incluso si no puede obtener una educación superior en ingeniería de radio, el estudio independiente de la electrónica le permite lograr resultados muy altos y éxito. En un momento, la revista Radio llamó a tales especialistas ingenieros sin diplomas.

Los primeros experimentos con la electrónica comienzan, por regla general, con el ensamblaje de los circuitos más simples, que comienzan a funcionar inmediatamente sin ajustes ni configuraciones. Muy a menudo, estos son varios generadores, llamadas, fuentes de alimentación sin pretensiones. Todo esto se puede recopilar leyendo una cantidad mínima de literatura, solo descripciones de patrones repetibles. En esta etapa, como regla, es posible sobrevivir con un conjunto mínimo de herramientas: un soldador, cortadores laterales, un cuchillo y varios destornilladores.

Gradualmente, los diseños se vuelven más complicados y, tarde o temprano, resulta que sin ajustes y ajustes simplemente no funcionarán. Por lo tanto, debe adquirir instrumentos de medición delgados, y cuanto antes mejor. La generación anterior de ingenieros electrónicos tenía un probador de puntero con dicho dispositivo.

En la actualidad, el probador de interruptores, a menudo llamado avómetro, ha reemplazado multímetro digital. Esto se puede encontrar en el artículo "Cómo usar un multímetro digital". Aunque el buen viejo puntero probador no abandona sus posiciones, y en algunos casos su uso es preferible en comparación con un dispositivo digital.

Ambos dispositivos le permiten medir voltajes, corrientes y resistencias directas y alternas. Si los voltajes constantes son fáciles de medir, es suficiente averiguar solo el valor, entonces con voltajes alternos hay algunos matices.

El hecho es que tanto el puntero como los dispositivos digitales modernos están diseñados para medir un voltaje alterno sinusoidal y, en un rango de frecuencia bastante limitado: el resultado de la medición será el valor real del voltaje alterno.

Si tales dispositivos miden el voltaje de forma rectangular, triangular o de diente de sierra, entonces las lecturas en la escala del dispositivo, por supuesto, lo serán, pero no tiene que garantizar la precisión de las mediciones. Bueno, solo hay tensión, y cuál no se conoce exactamente. ¿Y cómo ser en tales casos, cómo continuar la reparación y el desarrollo de nuevos circuitos electrónicos cada vez más complejos? Aquí el radioaficionado llega al escenario cuando tienes que comprar un osciloscopio.

Un poco de historia

Con la ayuda de este dispositivo, puede ver con sus propios ojos lo que sucede en los circuitos electrónicos: cuál es la forma de la señal, dónde apareció o desapareció, las relaciones de tiempo y fase de las señales. Para observar varias señales, se requiere al menos un osciloscopio de dos haces.

Aquí podemos recordar una historia lejana, cuando en 1969 se creó el osciloscopio de cinco haces C1-33, producido en serie por la planta de Vilna. El dispositivo usó un CRT 22LO1A, que se usó solo en este desarrollo. El cliente de este dispositivo era, por supuesto, el complejo militar-industrial.

Estructuralmente, este aparato estaba hecho de dos bloques colocados en un estante con ruedas: el propio osciloscopio y la fuente de alimentación. ¡El peso total de la estructura fue de 160 kg! El kit de alcance incluía una cámara de grabación RFK-5 conectada a la pantalla, lo que garantizaba la grabación de formas de onda en la película. La figura 1 muestra la apariencia del osciloscopio de cinco haces C1-33 con la cámara instalada.

Figura 1. Osciloscopio de cinco haces C1-33, 1969

La electrónica moderna permite crear osciloscopios digitales portátiles del tamaño de un teléfono móvil. Uno de estos dispositivos se muestra en la Figura 2. Pero esto se discutirá más adelante.

Figura 2. Osciloscopio digital de bolsillo DS203

Osciloscopios de varios tipos

Hasta hace poco, se producían varios tipos de osciloscopios de haz de electrones. En primer lugar, estos son osciloscopios universales, que se utilizan con mayor frecuencia con fines prácticos. Además de ellos, también se produjeron osciloscopios de almacenamiento basados ​​en CRT de almacenamiento, de alta velocidad, estroboscópicos y especiales. Los últimos tipos estaban destinados a diversas tareas científicas específicas, que los osciloscopios digitales modernos están enfrentando actualmente con éxito. Por lo tanto, nos centraremos en los osciloscopios electrónicos universales de uso general.

Dispositivo CRT

La parte principal del osciloscopio electrónico, por supuesto, es el tubo de rayos catódicos - CRT. Su dispositivo se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Dispositivo CRT

Estructuralmente, un CRT es un cilindro de vidrio largo 10 de forma cilíndrica con una extensión en forma de cono. La parte inferior de esta extensión, que es una pantalla CRT, está cubierta con un fósforo que emite un resplandor visible cuando un haz de electrones lo golpea. 11. Muchas CRT tienen una pantalla rectangular con divisiones aplicadas directamente al vidrio. Es esta pantalla la que indica el osciloscopio.

Un haz de electrones está formado por una pistola de electrones.

El calentador 1 calienta el cátodo 2, que comienza a emitir electrones. En física, este fenómeno se llama emisión termiónica. Pero los electrones emitidos por el cátodo no volarán muy lejos, simplemente se sentarán en el cátodo. Para obtener un haz de estos electrones, se requieren varios electrodos más.

Este es el electrodo de enfoque 4 y el ánodo 5 conectado al aquadag 8. Bajo la influencia del campo eléctrico de estos electrodos, los electrones se separan del cátodo, aceleran, enfocan en un haz delgado y corren hacia la pantalla recubierta con el fósforo, haciendo que el fósforo brille. Juntos, estos electrodos se llaman pistolas de electrones.

Al llegar a la superficie de la pantalla, el haz de electrones no solo produce un resplandor, sino que también elimina los electrones secundarios del fósforo, lo que hace que el haz se desenfoque. El aquadag mencionado anteriormente, que es un recubrimiento de grafito de la superficie interna del tubo, sirve para eliminar estos electrones secundarios. Además, aquadag protege en cierta medida el rayo de los campos electrostáticos externos. Pero tal protección no es suficiente, por lo tanto, la parte cilíndrica del CRT, donde se encuentran los electrodos, se coloca en una pantalla metálica hecha de acero eléctrico o permalloy.

Entre el cátodo y el electrodo de enfoque se encuentra un modulador 3. Su objetivo es controlar la corriente del haz, lo que permite que el haz se extinga durante el barrido inverso y se resalte durante el golpe de avance. En las lámparas de amplificación, este electrodo se denomina rejilla de control. El modulador, el electrodo de enfoque y el ánodo tienen agujeros centrales a través de los cuales vuela el haz de electrones.

Placas deflectoras Un CRT tiene dos pares de placas deflectoras. Estas son las placas de la desviación vertical del haz 6 - la placa Y, a la que se suministra la señal bajo investigación, y las placas de la desviación horizontal 7 - la placa X, y se alimentan con un voltaje horizontal. Si las placas de desviación no están conectadas en ningún lado, debería aparecer un punto luminoso en el centro de la pantalla CRT. En la figura, este es el punto O2. Naturalmente, la tensión de alimentación debe aplicarse al tubo.

Aquí es donde debe hacerse un punto importante. Cuando el punto se detiene, sin moverse a ningún lado, simplemente puede quemar el fósforo, y un punto negro permanecerá para siempre en la pantalla CRT. Esto puede suceder durante el proceso de reparación del osciloscopio o con la autoproducción de un dispositivo aficionado simple.Por lo tanto, en este modo, debe reducir el brillo al mínimo y desenfocar el haz; aún puede ver si hay un haz o está ausente.

Cuando se aplica un cierto voltaje a las placas de desviación, el haz se desviará del centro de la pantalla. En la Figura 3, el haz se desvía hacia el punto O3. Si el voltaje cambia, el haz dibujará una línea recta en la pantalla. Es este fenómeno el que se utiliza para crear la imagen de la señal estudiada en la pantalla. Para obtener una imagen bidimensional en la pantalla, se deben aplicar dos señales: la señal de prueba, aplicada a las placas Y, y el voltaje de exploración, aplicado a las placas X. Podemos decir que en la pantalla se obtiene un gráfico con los ejes de coordenadas X e Y.

Escaneo horizontal

Es el escaneo horizontal que forma el eje X del gráfico en la pantalla.

Figura 4. Voltaje de barrido

Como se puede ver en la figura, el escaneo horizontal se realiza mediante un voltaje de diente de sierra, que se puede dividir en dos partes: hacia adelante y hacia atrás (Fig. 4a). Durante el golpe de avance, el haz se mueve uniformemente a través de la pantalla de izquierda a derecha, y al llegar al borde derecho vuelve rápidamente. Esto se llama un trazo inverso. Durante la carrera hacia adelante, se genera un pulso de luz de fondo, que se alimenta al modulador del tubo, y aparece un punto luminoso en la pantalla, dibujando una línea horizontal (Fig. 4b).

El voltaje directo, como se muestra en la Figura 4, comienza desde cero (un haz en el centro de la pantalla) y cambia a un voltaje de Umax. Por lo tanto, el haz se moverá desde el centro de la pantalla hasta el borde derecho, es decir. solo la mitad de la pantalla. Para comenzar el escaneo desde el borde izquierdo de la pantalla, el haz se desplaza hacia la izquierda aplicando voltaje de polarización. El desplazamiento del haz se controla mediante un asa en el panel frontal.

Durante la carrera de retorno, el pulso de la luz de fondo finaliza y el haz se apaga. La posición relativa del pulso de luz de fondo y el voltaje de barrido del diente de sierra se puede ver en el diagrama funcional del osciloscopio que se muestra en la Figura 5. A pesar de la variedad de diagramas de circuito del osciloscopio, sus circuitos funcionales son aproximadamente iguales, similares a los que se muestran en la figura.

Figura 5. Diagrama funcional del osciloscopio.

Sensibilidad a la TRC

Está determinado por el coeficiente de desviación, que muestra cuántos milímetros desvía el haz cuando se aplica un voltaje constante de 1 V a las placas. Para varios CRT, este valor está en el rango de 0.15 ... 2 mm / V. Resulta que al aplicar un voltaje de 1 V a las placas deflectoras, el haz puede mover el haz solo 2 mm, y esto es en el mejor de los casos. Para desviar el haz en un centímetro (10 mm), se requiere un voltaje de 10/2 = 5V. Con una sensibilidad de 0.15 mm / V para el mismo movimiento, se necesitarán 10 / 0.15 = 66.666V.

Por lo tanto, para obtener una desviación notable del haz desde el centro de la pantalla, la señal bajo investigación se amplifica mediante un amplificador de canal vertical a varias decenas de voltios. El canal de amplificación horizontal, con el que se realiza una exploración, tiene el mismo voltaje de salida.

La mayoría de los osciloscopios universales tienen una sensibilidad máxima de 5 mV / cm. Cuando se utiliza un CRT del tipo 8LO6I con un voltaje de entrada de 5 mV, las placas deflectoras requerirán un voltaje de 8,5 V para mover el haz 1 cm. Es fácil calcular que esto requerirá amplificación más de 1,500 veces.

Dicha ganancia debe obtenerse en toda la banda de paso, y cuanto mayor sea la frecuencia, menor será la ganancia, que es inherente a cualquier amplificador. La banda de paso se caracteriza por una frecuencia superior f arriba. A esta frecuencia, la ganancia del canal de desviación vertical disminuye en 1,4 veces o en 3 dB. Para la mayoría de los osciloscopios universales, esta banda es de 5 MHz.

¿Y qué sucederá si la frecuencia de la señal de entrada excede la frecuencia superior, por ejemplo, 8 ... 10 MHz? ¿Podrá verlo en la pantalla? Sí, será visible, pero la amplitud de la señal no se puede medir. Solo puede asegurarse de que haya una señal o no. A veces, esa información es suficiente.

Canal de desviación vertical. Divisor de entrada

La señal estudiada se alimenta a la entrada del canal de la desviación vertical a través del divisor de entrada, que se muestra en la Figura 6. A menudo, el divisor de entrada se llama atenuador.

Figura 6. El divisor de entrada de la desviación vertical del canal.

Usando el divisor de entrada, es posible estudiar la señal de entrada de unos pocos milivoltios a varias decenas de voltios. En el caso de que la señal de entrada exceda las capacidades del divisor de entrada, se utilizan sondas de entrada con una relación de división de 1:10 o 1:20. Luego, el límite de 5V / div se convierte en 50V / div o 100V / div, lo que hace posible estudiar señales con voltajes significativos.

Entrada abierta y cerrada.

Aquí (Figura 6), puede ver el interruptor B1, que permite aplicar una señal a través de un condensador (entrada cerrada) o directamente a la entrada del divisor (entrada abierta). Cuando se utiliza el modo de "entrada cerrada", es posible estudiar el componente variable de la señal, ignorando su componente constante. El diagrama simple que se muestra en la Figura 7 ayudará a explicar lo que se ha dicho: el diagrama se crea en el programa Multisim, de modo que todo en estas figuras, aunque virtualmente, es bastante justo.

Figura 7. Etapa del amplificador en un solo transistor

Una señal de entrada con una amplitud de 10 mV a través de un condensador C1 se alimenta a la base del transistor Q1. Al seleccionar la resistencia R2, el voltaje en el colector del transistor se establece igual a la mitad del voltaje de suministro (en este caso, 6 V), lo que permite que el transistor funcione en modo lineal (amplificador). La salida es monitoreada por el XSC1. La Figura 8 muestra el resultado de la medición en modo de entrada abierta, en el osciloscopio, se presiona el botón DC (corriente continua).

Figura 8. Mediciones en modo de entrada abierta (canal A)

Aquí puede ver (canal A) solo el voltaje en el colector del transistor, el mismo 6V que se acaba de mencionar. El haz en el canal A "despegó" a 6V, pero la sinusoide amplificada en el colector no sucedió. Simplemente no se puede discernir con la sensibilidad del canal 5V / Div. El haz del canal A en la figura se muestra en rojo.

La señal del generador se aplica a la entrada B, la figura se muestra en azul. Esta es una onda sinusoidal con una amplitud de 10 mV.

Figura 9. Mediciones en modo de entrada cerrada

Ahora, presione el botón AC en el canal A - corriente alterna, esta es en realidad una entrada cerrada. Aquí puede ver la señal amplificada: una sinusoide con una amplitud de 87 milivoltios. Resulta que la cascada en un transistor amplificó la señal con una amplitud de 10 mV por 8,7 veces. Los números en la ventana rectangular debajo de la pantalla muestran los voltajes y tiempos en las ubicaciones de los marcadores T1, T2. Marcadores similares están disponibles en los osciloscopios digitales modernos. En realidad, eso es todo lo que se puede decir sobre las entradas abiertas y cerradas. Y ahora continuemos la historia sobre el amplificador de desviación vertical.

Pre amplificador

Después del divisor de entrada, la señal bajo investigación va al preamplificador y, pasando a través de la línea de retardo, ingresa al amplificador terminal del canal Y (Figura 5). Después de la amplificación necesaria, la señal entra en las placas de desviación vertical.

El preamplificador divide la señal de entrada en componentes parafásicos para suministrarla al amplificador terminal Y. Además, la señal de entrada del preamplificador se alimenta al disparador de barrido, que proporciona una imagen sincrónica en la pantalla durante el barrido directo.

La línea de retardo retrasa la señal de entrada en relación con el comienzo del voltaje de barrido, lo que hace posible observar el borde delantero del pulso, como se muestra en la Figura 5 b). Algunos osciloscopios no tienen una línea de retardo, que, en esencia, no interfiere con el estudio de las señales periódicas.

Canal de barrido

La señal de entrada del preamplificador también se alimenta a la entrada del generador de impulsos de barrido.El impulso generado inicia el generador de barrido, que produce un voltaje de diente de sierra que sube suavemente. La velocidad de rotación y el período de voltaje de barrido se seleccionan mediante el interruptor Time / Div, que permite estudiar las señales de entrada en un amplio rango de frecuencias.

Tal exploración se llama interna, es decir la activación proviene de la señal bajo investigación. Por lo general, los osciloscopios tienen un activador de activación "interno / externo", por alguna razón no se muestra en el diagrama funcional de la Figura 5. En el modo de activación externa, el activador puede activarse no por la señal bajo investigación, sino por alguna otra señal de la que depende la señal bajo investigación.

Esto podría ser, por ejemplo, un impulso de activación de línea de retardo. Luego, incluso con un osciloscopio de un solo haz, puede medir la relación de tiempo de dos señales. Pero es mejor hacer esto con un osciloscopio de dos haces, si está, por supuesto, a mano.

La duración del barrido debe seleccionarse en función de la frecuencia (período) de la señal investigada. Suponga que la frecuencia de la señal es de 1 kHz, es decir periodo de señal 1ms. La imagen de una sinusoide con un tiempo de exploración de 1 ms / div se muestra en la Figura 10.

Figura 10

Con un tiempo de exploración de 1 ms / div, un período de onda sinusoidal de 1 KHz ocupa exactamente una división de escala a lo largo del eje Y. La exploración se sincroniza desde el haz A a lo largo de un borde ascendente en términos de un nivel de señal de entrada de 0V. Por lo tanto, la onda sinusoidal en la pantalla comienza con un medio ciclo positivo.

Si la duración del escaneo se cambia a 500 μs / div (0.5 ms / div), entonces un período de la sinusoide ocupará dos divisiones en la pantalla, como se muestra en la Figura 11, que, por supuesto, es más conveniente para observar la señal.

Figura 11

Además del voltaje del diente de sierra, el generador de barrido también genera un impulso de luz de fondo, que se alimenta al modulador y "enciende" el haz de electrones (Fig. 5 g). La duración del pulso de la luz de fondo es igual a la duración del haz delantero. Durante la carrera de retorno, no hay pulso de luz de fondo y el haz se apaga. Si no hay borrado del haz, aparecerá algo incomprensible en la pantalla: el trazo inverso, e incluso modulado por la señal de entrada, simplemente tacha todos los contenidos útiles de la forma de onda.

Se suministra un voltaje de barrido de diente de sierra al amplificador terminal del canal X, se divide en una señal de parafase y se alimenta a las placas de desviación horizontal, como se muestra en la Figura 5 (e).

Amplificador X Entrada externa

No solo el voltaje del generador de barrido, sino también el voltaje externo se puede suministrar al amplificador terminal X, lo que permite medir la frecuencia y la fase de la señal utilizando figuras de Lissajous.

Figura 12. Figuras de Lissajous

Pero el interruptor de entrada X no se muestra en el diagrama funcional de la Figura 5, así como el interruptor del tipo de operaciones de barrido, que se mencionó un poco más arriba.

Además de los canales X e Y, el osciloscopio, como cualquier dispositivo electrónico, tiene una fuente de alimentación. Osciloscopios de pequeño tamaño, por ejemplo, C1-73, C1-101 pueden funcionar con la batería de un automóvil. Por cierto, para su tiempo, estos osciloscopios fueron muy buenos y todavía se usan con éxito.

Figura 13. Osciloscopio C1-73

Figura 14. Osciloscopio C1-101

La apariencia de los osciloscopios se muestra en las Figuras 13 y 14. Lo más sorprendente es que todavía se les ofrece comprarlos en tiendas en línea. Pero el precio es tal que es más barato comprar osciloscopios digitales de pequeño tamaño en Aliexpress.

Los dispositivos de osciloscopio adicionales son calibradores de amplitud y barrido incorporados. Estos son, por regla general, generadores de pulsos rectangulares bastante estables, conectándolos a la entrada del osciloscopio, utilizando los elementos de sintonización puede configurar los amplificadores X e Y. Por cierto, los calibradores modernos también tienen tales calibradores.

En el próximo artículo se discutirá cómo usar el osciloscopio, los métodos y los métodos de medición.

Continuación del artículo: Cómo usar el osciloscopio

Boris Aladyshkin