Elektronski osciloskop - uređaj, princip rada

Amaterski radio, kao hobi, vrlo je uzbudljiva aktivnost i, može se reći, zarazna. Mnogi u nju ulaze u predivnim školskim godinama, a s vremenom ovaj hobi može postati profesija za život. Čak i ako ne možete dobiti visoko obrazovanje iz radiotehnike, neovisni studij elektronike omogućava vam postizanje vrlo visokih rezultata i uspjeha. Svojevremeno je Radio magazin takve stručnjake zvao inženjerima bez diplome.

Prvi eksperimenti s elektronikom započinju u pravilu sastavljanjem najjednostavnijih krugova koji počinju raditi odmah bez podešavanja i podešavanja. Najčešće su to različiti generatori, pozivi, nepretenciozni izvori napajanja. Sve se to može prikupiti čitanjem minimalne količine literature, samo opisima obrazaca koji se mogu ponoviti. U ovoj se fazi u pravilu može dobiti minimalnim setom alata: lemilicom, bočnim rezačima, nožem i nekoliko odvijača.

Postupno, dizajni postaju kompliciraniji, a prije ili kasnije ispada da bez prilagodbe i podešavanja jednostavno neće funkcionirati. Stoga morate nabaviti tanke mjerne instrumente, a što prije to bolje. Starija generacija inženjera elektronike imala je ispitivač pokazivača s takvim uređajem.

Trenutačno je zamijenjen ispitivač prekidača, često nazvan avometar digitalni multimetar, Ovo se može naći u članku "Kako koristiti digitalni multimetar." Iako stari stari ispitivač pokazivača ne odustaje od svojih položaja, a u nekim je slučajevima njegova upotreba poželjnija u usporedbi s digitalnim uređajem.

Oba ova uređaja omogućuju vam mjerenje izravnih i izmjeničnih napona, struja i otpora. Ako je konstantne napone lako izmjeriti, dovoljno je saznati samo vrijednost, tada s naizmjeničnim naponima postoje neke nijanse.

Činjenica je da su i pokazivački i moderni digitalni uređaji dizajnirani za mjerenje sinusoidnog izmjeničnog napona i, u prilično ograničenom frekvencijskom rasponu: rezultat mjerenja bit će stvarna vrijednost naizmjeničnog napona.

Ako takvi uređaji mjere napon pravokutnog, trokutastog ili pilastog oblika, tada će očitati očitanja na skali uređaja, ali ne morate jamčiti za točnost mjerenja. Pa, postoji samo napetost, a koja nije baš poznata. I kako biti u takvim slučajevima, kako nastaviti popravak i razvoj novih, sve složenijih elektroničkih sklopova? Ovdje radioamater dolazi na pozornicu kada morate kupiti osciloskop.

Malo povijesti

Pomoću ovog uređaja vlastitim očima možete vidjeti što se događa u elektroničkim sklopovima: kakav je oblik signala, gdje se pojavio ili nestao, vremenski i fazni odnos signala. Za promatranje nekoliko signala potreban je najmanje dvosmjerni osciloskop.

Ovdje se možemo prisjetiti jedne daleke priče, kada je 1969. godine stvoren osmeloskop petosmjernog osciloskopa C1-33, koji je masovno proizvodio biljon u Vilniusu. Uređaj je koristio CRT 22LO1A koji se koristio samo u ovom razvoju. Kupac ovog uređaja bio je, naravno, vojno-industrijski kompleks.

Konstrukcijski je ovaj uređaj bio napravljen od dva bloka postavljenih na stalak s kotačima: samog osciloskopa i napajanja. Ukupna težina građevine bila je 160 kg! Opseg kompleta uključuje RFK-5 kameru za snimanje pričvršćenu na ekran, što osigurava snimanje valnih oblika na filmu. Izgled C1-33 petoskog osciloskopa s ugrađenom kamerom prikazan je na slici 1.

Slika 1. Osciloskop petokrake C1-33, 1969

Moderna elektronika omogućava izradu ručnih digitalnih osciloskopa veličine mobilnog telefona. Jedan od takvih uređaja prikazan je na slici 2. Ali o tome ćemo govoriti kasnije.

Slika 2. DS203 džepni digitalni osciloskop

Osciloskopi raznih vrsta

Donedavno je proizvedeno nekoliko vrsta osciloskopa elektronskih zraka. Prije svega, to su univerzalni osciloskopi, koji se najčešće koriste u praktične svrhe. Uz njih, proizvedeni su i skladišni osciloskopi na temelju CRT-a za pohranu, brzi, stroboskopski i posebni. Potonji su tipovi namijenjeni različitim specifičnim znanstvenim zadacima s kojima se moderno digitalni osciloskopi uspješno suočavaju. Stoga ćemo se nadalje usredotočiti na univerzalne elektroničke osciloskope opće namjene.

CRT uređaj

Glavni dio elektroničkog osciloskopa je, naravno, katodna cijev - CRT. Njegov je uređaj prikazan na slici 3.

Slika 3. CRT uređaj

Konstruktivno, CRT je dugačak stakleni cilindar 10 cilindričnog oblika s konusnim nastavkom. Dno ovog proširenja, koje je CRT ekran, prekriveno je fosforom koji emitira vidljivi sjaj kad ga elektronska zraka pogodi 11. Mnogi CRT-ovi imaju pravokutni ekran s odjeljcima koji su primijenjeni izravno na staklo. Upravo je ovaj ekran pokazatelj osciloskopa.

Elektronski snop nastaje elektronskim pištoljem

Grijač 1 zagrijava katodu 2, koja počinje emitirati elektrone. U fizici se ovaj fenomen naziva termijska emisija. Ali elektroni koje emitira katoda neće letjeti daleko, samo će sjesti na katodu. Za dobivanje snopa iz ovih elektrona potrebno je još nekoliko elektroda.

Ovo je elektroda za fokusiranje 4 i anoda 5 povezana s akvadagom 8. Pod utjecajem električnog polja tih elektroda, elektroni se odvajaju od katode, ubrzavaju se, usredotočuju se u tanku zraku i jure prema zaslonu prekrivenom fosforom, uzrokujući da fosfor svijetli. Zajedno se te elektrode nazivaju elektronskim puškama.

Dosegnuvši površinu zaslona, ​​elektronska zraka ne samo da izaziva sjaj, nego i istiskuje sekundarne elektrone iz fosfora, zbog čega se snop defokusira. Spomenuti akvadag, koji je grafitni premaz unutarnje površine cijevi, služi za uklanjanje tih sekundarnih elektrona. Uz to, akvadag u određenoj mjeri štiti snop od vanjskih elektrostatičkih polja. Ali takva zaštita nije dovoljna, stoga je cilindrični dio CRT-a, na kojem se nalaze elektrode, smješten u metalni zaslon izrađen od električnog čelika ili permalloya.

Između katode i elektrode za fokusiranje smješten je modulator 3, čija je svrha kontroliranje struje snopa, što omogućava da se greda ugasi tijekom obrnutog pomeranja i istakne za vrijeme naprijed. U pojačanim žaruljama ova se elektroda naziva upravljačka mreža. Modulator, elektroda za fokusiranje i anoda imaju središnje rupe kroz koje elektronska zraka leti.

Odbijanje ploča CRT ima dva para ploča koja se odbijaju. To su ploče vertikalnog otklona snopa 6 - ploča Y, na koju se dovodi signal koji se ispituje, i ploče horizontalnog otklona 7 - ploča X, i na njih se primjenjuje horizontalni napon skeniranja. Ako ploče za odbranu nisu nigdje spojene, u sredini CRT zaslona trebala bi se pojaviti svjetlosna točka. Na slici je to točka O2. Naravno, na cijev se mora primijeniti opskrbni napon.

Ovdje je važno naglasiti. Kad točka miruje, ne krećući se nigdje, može jednostavno spaliti fosfor, a crna točka zauvijek će ostati na CRT ekranu. To se može dogoditi tijekom postupka popravljanja osciloskopa ili samostalnom proizvodnjom jednostavnog amaterskog uređaja.Stoga biste u ovom načinu trebali smanjiti svjetlinu na minimum i usmjeriti fokus na snop - još uvijek možete vidjeti ima li snopa ili ga nema.

Kada se određeni napon primijeni na otklonske ploče, snop će odstupiti od središta zaslona. Na slici 3, snop se odbija u točki O3. Ako se napon promijeni, snop će nacrtati ravnu liniju na ekranu. Upravo se ovaj fenomen koristi za stvaranje slike proučenog signala na ekranu. Za dobivanje dvodimenzionalne slike na ekranu potrebno je primijeniti dva signala: ispitni signal - primijenjen na Y ploče, a napon skeniranja - primijenjen na ploče X. Na ekranu možemo dobiti grafikon s koordinatnim osi X i Y.

Vodoravno skeniranje

To je horizontalno skeniranje koje čini X osi grafikona na zaslonu.

Slika 4. Napon strujanja

Kao što se može vidjeti na slici, horizontalno skeniranje se vrši naponom pile, koji se može podijeliti u dva dijela: naprijed i natrag (slika 4a). Tijekom udara prema naprijed, snop se pomiče jednoliko prema zaslonu s lijeva na desno, a kad dosegne desni rub, brzo se vraća. To se naziva obrnuti hod. Tijekom pomicanja prema naprijed stvara se pozadinski impuls koji se dovodi do cijevnog modulatora, a na ekranu se pojavljuje svjetlosna točka, crtajući vodoravnu liniju (Sl. 4b).

Naponski napon, kao što je prikazano na slici 4, započinje od nule (snop u sredini ekrana) i mijenja se u naponu Umax. Stoga će se snop pomaknuti od središta zaslona prema desnom rubu, tj. samo pola ekrana. Da biste pokrenuli skeniranje s lijevog ruba zaslona, ​​snop se pomiče ulijevo primjenjujući napon pristranosti na njega. Odstupanje snopa upravlja ručkom na prednjoj ploči.

Tijekom povratnog hoda impuls pozadinskog osvjetljenja završava i snop se gasi. Relativni položaj impulsa pozadinskog osvjetljenja i napona pomicanja pile može se vidjeti na funkcionalnom dijagramu osciloskopa prikazanom na slici 5. Unatoč raznovrsnim dijagramima krugova osciloskopa, njihovi funkcionalni krugovi približno su jednaki onima koji su prikazani na slici.

Slika 5. Funkcionalni dijagram osciloskopa

Osjetljivost na CRT

Određuje se koeficijentom odstupanja, koji pokazuje koliko milimetara odbije greda kada se na ploče primijeni konstantni napon od 1 V. Za različite CRT vrijednosti ta se vrijednost kreće u rasponu 0,15 ... 2 mm / V. Ispada da primjenom napona od 1 V na odbojne ploče greda može pomicati snop za samo 2 mm, a to je u najboljem slučaju. Da biste odbili gredu za jedan centimetar (10 mm), potreban je napon 10/2 = 5V. S osjetljivošću od 0,15 mm / V za isto kretanje trebat će 10 / 0,15 = 66,666V.

Stoga, da bi se postiglo primjetno odstupanje snopa od središta zaslona, ​​signal koji se ispituje pojačan je okomitim pojačalom na nekoliko desetaka volti. Kanal horizontalnog pojačanja, kojim se vrši skeniranje, ima isti izlazni napon.

Većina univerzalnih osciloskopa ima maksimalnu osjetljivost od 5mV / cm. Kada koristite CRT tipa 8LO6I s ulaznim naponom od 5 mV, za odbranu ploča potreban je napon od 8,5 V za pomicanje snopa 1 cm. Lako je izračunati da će za ovo biti potrebno pojačanje više od 1.500 puta.

Takav dobitak mora se dobiti u cijelom propusnom opsegu, a što je veća frekvencija, to je niži dobitak, što je svojstveno bilo kojim pojačavačima. Propusni pojas karakterizira gornja frekvencija f gore. Na toj se frekvenciji pojačanje vertikalnog otklona smanjuje za 1,4 puta ili za 3 dB. Za većinu univerzalnih osciloskopa ovaj opseg iznosi 5 MHz.

A što će se dogoditi ako frekvencija ulaznog signala premaši gornju frekvenciju, na primjer, 8 ... 10 MHz? Hoće li ga moći vidjeti na ekranu? Da, bit će vidljiv, ali se amplituda signala ne može mjeriti. Možete biti sigurni samo da ima signal ili ne. Ponekad su takve informacije sasvim dovoljne.

Okomito odstupanje kanala. Ulazni razdjelnik

Proučeni signal se dovodi na ulaz kanala vertikalnog odstupanja kroz ulazni razdjelnik, prikazan na slici 6. Često se ulazni razdjelnik naziva prigušivač.

Slika 6. Ulazni razdjelnik vertikalnog odstupanja kanala

Pomoću ulaznog djelitelja moguće je proučiti ulazni signal od nekoliko milivolta do nekoliko desetaka volti. U slučaju da ulazni signal premašuje mogućnosti ulaznog djelitelja, koriste se ulazne sonde s omjerom podjele od 1:10 ili 1:20. Tada granica od 5 V / div postaje 50 V / div ili 100 V / div, što omogućava proučavanje signala sa značajnim naponima.

Otvoren i zatvoren ulaz

Ovdje (slika 6) možete vidjeti prekidač B1 koji omogućuje primjenu signala preko kondenzatora (zatvoreni ulaz) ili izravno na ulaz razdjelnika (otvoreni ulaz). Pri korištenju načina "zatvorenog ulaza" moguće je proučavati promjenjivu komponentu signala, zanemarujući njenu konstantnu komponentu. Jednostavni dijagram prikazan na slici 7. pomoći će objasniti što je rečeno, a dijagram je kreiran u programu Multisim, tako da je sve na ovim slikama, iako virtualno, prilično fer.

Slika 7. Stupanj pojačala na jednom tranzistoru

Ulazni signal s amplitudom od 10 mV kroz kondenzator C1 dovodi se u bazu tranzistora Q1. Odabirom otpornika R2, napon na kolektoru tranzistora postavlja se jednak polovici napona napajanja (u ovom slučaju 6V), što omogućuje tranzistoru da radi u linearnom (pojačavajućem) načinu. Izlaz nadgleda XSC1. Na slici 8 prikazani su rezultati mjerenja u otvorenom ulaznom načinu, na osciloskopu se pritisne tipka DC (istosmjerna struja).

Slika 8. Mjerenja u otvorenom načinu ulaza (kanal A)

Ovdje možete vidjeti (kanal A) samo napon na sakupljaču tranzistora, isti onaj 6V koji je upravo spomenut. Zraka u kanalu A „skinula se“ na 6V, ali pojačani sinusoid na kolektoru nije se dogodio. Jednostavno se ne može osjetiti osjetljivost 5V / Div kanala. Kanal Zrak na slici prikazan je crvenom bojom.

Na ulaz B nalazi se signal generatora, slika je plavom bojom. Ovo je sinusni val s amplitudom od 10 mV.

Slika 9. Mjerenja u zatvorenom načinu ulaza

Sada pritisnite gumb za izmjeničnu struju u kanalu A - izmjenična struja, ovo je zapravo zatvoreni ulaz. Ovdje možete vidjeti pojačani signal - sinusoid s amplitudom od 87 milivolta. Ispada da je kaskada na jednom tranzistoru pojačala signal amplitudom od 10 mV 8,7 puta. Brojevi u pravokutnom prozoru ispod zaslona prikazuju napone i vremena na mjestima markera T1, T2. Slični su markeri dostupni i u modernim digitalnim osciloskopima. To je zapravo sve što se može reći o otvorenim i zatvorenim ulazima. A sada nastavimo priču o okomitom pojačalu.

Pred pojačalo

Nakon ulaznog razdjelnika, signal koji se ispituje ide do predpojačala i, prolazeći kroz liniju kašnjenja, ulazi u terminalno pojačalo kanala Y (slika 5). Nakon potrebnog pojačanja, signal ulazi u ploče s vertikalnim otklonom.

Predpojačalo razdvaja ulazni signal na parafazne komponente kako bi ga opskrbio krajnjim pojačalom Y. Uz to, ulazni signal pretpojačalo se dovodi do okidača, što osigurava sinkronu sliku na ekranu tijekom pomicanja prema naprijed.

Linija kašnjenja odgađa ulazni signal u odnosu na početak napona pomeranja, što omogućava promatranje prednjeg ruba impulsa, kao što je prikazano na slici 5 b). Neki osciloskopi nemaju liniju kašnjenja, što u biti ne ometa proučavanje periodičnih signala.

Pročistite kanal

Ulazni signal predpojačalo dovodi se i na ulaz oblika oblikovača impulsa okidača.Stvoreni impuls pokreće generator pomicanja, koji proizvodi glatko rastući napon pila. Stupanj nagiba i razdoblje napona pomicanja biraju se prekidačem Time / Div, što omogućava proučavanje ulaznih signala u širokom frekvencijskom rasponu.

Takvo skeniranje naziva se unutarnjim, tj. okidanje dolazi od signala pod istragom. Tipično, osciloskopi imaju okidač "unutarnji / vanjski", iz nekog razloga koji nije prikazan u funkcionalnom dijagramu na slici 5. U vanjskom okidaču okidač može biti pokrenut ne signalom pod istragom, već nekim drugim signalom o kojem ovisi ispitivani signal.

To bi mogao biti, na primjer, impuls za aktiviranje linije kašnjenja. Zatim, čak i osciloskopom s jednim snopom, možete izmjeriti vremenski omjer dva signala. Ali bolje je to učiniti s dvosmjernim osciloskopom, ako je, naravno, pri ruci.

Trajanje metenja treba odabrati na temelju frekvencije (razdoblja) ispitivanog signala. Pretpostavimo da je frekvencija signala 1KHz, tj. razdoblje signala 1ms. Slika sinusoida s vremenom skeniranja od 1ms / div prikazana je na slici 10.

Slika 10

S vremenom skeniranja od 1ms / div, jedan sinusni val snage 1KHz zauzima točno jednu podjelu razmjera duž osi Y. Skeniranje se sinkronizira iz snopa A uzlazni rub u smislu razine ulaznog signala od 0V. Stoga, sinusni val na ekranu započinje pozitivnim poluciklom.

Ako se trajanje skeniranja promijeni na 500 μs / div (0,5 ms / div), tada će jedno razdoblje sinusoida zauzeti dvije podjele na zaslonu, kao što je prikazano na slici 11, što je, naravno, pogodnije za promatranje signala.

Slika 11

Pored samog napona pile, generator zamaha stvara i pozadinski impuls koji se dovodi u modulator i "zapali" snop elektrona (Sl. 5 g). Trajanje pulsa pozadinskog osvjetljenja jednako je trajanju prednjeg snopa. Tijekom povratnog hoda ne postoji impuls pozadinskog osvjetljenja i snop se gasi. Ako ne svijetli snop, na ekranu će se pojaviti nešto nerazumljivo: obrnuti hod, pa čak i moduliran ulaznim signalom, jednostavno precrtava sve korisne sadržaje valnog oblika.

Napon pile zuba dovodi se na krajnje pojačalo kanala X, podijeljen je u parafazni signal i dovodi se do vodoravnih pločastih ploča, kao što je prikazano na slici 5 (e).

Pojačalo X Vanjski ulaz

U terminalno pojačalo X može se napajati ne samo napon iz generatora pomicanja, već i vanjski napon, što omogućava mjerenje frekvencije i faze signala pomoću Lissajosovih brojki.

Slika 12. Lissajous figure

No, ulazni prekidač X nije prikazan na funkcionalnom dijagramu na slici 5, kao ni prekidač vrste operacije čišćenja, što je spomenuto malo gore.

Uz kanale X i Y, osciloskop, kao i svaki elektronički uređaj, ima napajanje. Osciloskopi male veličine, na primjer, C1-73, C1-101 mogu raditi iz automobilske baterije. Usput, za svoje vrijeme ti su osciloskopi bili vrlo dobri, i još uvijek se uspješno koriste.

Slika 13. Osciloskop C1-73

Slika 14. Osciloskop C1-101

Izgled osciloskopa prikazan je na slikama 13 i 14. Najviše iznenađuje što ih još uvijek nude u internetskim trgovinama. Ali cijena je takva da je jeftinije kupiti digitalne osciloskope malih dimenzija na Aliexpressu.

Dodatni uređaji za osciloskop su ugrađeni kalibratori amplitude i pomicanja. To su u pravilu prilično stabilni generatori pravokutnih impulsa, povezujući ih s ulazom osciloskopa, pomoću elemenata za podešavanje možete konfigurirati pojačala X i Y. Usput, moderni kalibratori također imaju takve kalibratore.

Kako koristiti osciloskop, metode i metode mjerenja raspravljat ćemo u sljedećem članku.

Nastavak članka: Kako se koristi osciloskop

Boris Aladyskin