Elektronikus oszcilloszkóp - eszköz, működési elv

Az amatőr rádió, mint hobbi, nagyon izgalmas tevékenység, és mondhatjuk, hogy addiktív is. Sokan jönnek bele a csodálatos iskolai években, és az idő múlásával ez a hobbi életre szóló szakmává válhat. Még ha nem is kap magasabb rádiómérnöki képesítést, az elektronika független tanulmánya lehetővé teszi nagyon magas eredmények elérését és sikert. Egyszerre a Radio magazin ilyen szakembereket oklevelek nélküli mérnökökre hívott.

Az első elektronikai kísérletek általában a legegyszerűbb áramkörök összeszerelésével kezdődnek, amelyek beállítás és beállítás nélkül azonnal elkezdenek működni. Leggyakrabban ezek különféle generátorok, hívások, szerény tápegységek. Mindez összegyűjthető minimális mennyiségű irodalom elolvasásával, csak az ismételhető minták leírásával. Ebben a szakaszban általában minimális szerszámkészlettel lehet megoldani: forrasztópáka, oldalvágók, kés és több csavarhúzó.

Fokozatosan a tervek bonyolultabbá válnak, és előbb vagy utóbb kiderül, hogy beállítás és hangolás nélkül egyszerűen nem fognak működni. Ezért be kell szereznie vékony mérőeszközöket, és minél előbb, annál jobb. Az elektronikai mérnökök régebbi generációjának mutatótesztje volt ilyen készülékkel.

Jelenleg a kapcsoló teszter, amelyet gyakran avométernek hívnak, váltotta fel digitális multiméter. Ez megtalálható a "Hogyan kell használni a digitális multimétert" című cikkben. Bár a jó öreg mutató tesztelő nem feladja pozícióit, és bizonyos esetekben a használata előnyösebb, mint a digitális eszköz.

Mindkét eszköz lehetővé teszi a közvetlen és váltakozó feszültségek, áramok és ellenállás mérését. Ha az állandó feszültségeket könnyen meg lehet mérni, akkor elegendő csak az értéket megismerni, akkor váltakozó feszültségek esetén vannak bizonyos árnyalatok.

A helyzet az, hogy mind a mutatót, mind a modern digitális eszközöket szinuszos váltakozó feszültség mérésére tervezték, és egy meglehetősen korlátozott frekvenciatartományban: a mérés eredménye a váltakozó feszültség tényleges értéke lesz.

Ha ezek az eszközök téglalap, háromszög vagy fűrészfog alakú feszültséget mérnek, akkor természetesen a készülék skálájának leolvasása lesz, de a mérések pontosságáért nem kell felelnie. Nos, ott van csak a feszültség, és melyiket nem tudjuk pontosan. És hogyan kell ilyen esetekben folytatni az új, egyre összetettebb elektronikus áramkörök javítását és fejlesztését? A rádióamatőr itt jön a színpadra, amikor oszcilloszkópot kell vásárolnia.

Egy kis történelem

Ennek a készüléknek a segítségével saját szemével láthatja, hogy mi történik az elektronikus áramkörökben: mi a jel formája, hol jelentkezett vagy eltűnt, a jelek idő- és fázisviszonyai. Több jel megfigyeléséhez legalább kétnyalábú oszcilloszkóp szükséges.

Emlékeztethetünk egy távoli történetet, amikor 1969-ben létrehozták a Vilnius Világnövény tömegtermelésén alapuló öt sugaras C1-33 oszcilloszkópot. A készülék CRT 22LO1A-t használt, amelyet csak ebben a fejlesztésben használtak. Ennek az eszköznek a vásárlója természetesen a katonai-ipari komplexum volt.

Szerkezetileg ez a készülék két blokkból, egy kerekes állványra van helyezve: magából az oszcilloszkópról és az áramellátásból. A szerkezet össztömege 160 kg volt! A terjedelembe beletartozott a képernyőhöz csatolt RFK-5 rögzítő kamera, amely biztosította a hullámformák filmre rögzítését. A C1-33 öt sugaras oszcilloszkóp megjelenése a beépített kamerával az 1. ábrán látható.

1. ábra: Ötsugáros oszcilloszkóp, C1-33, 1969

A modern elektronika lehetővé teszi a mobiltelefon méretű kézi digitális oszcilloszkópok létrehozását. Az egyik ilyen eszköz a 2. ábrán látható. De erről később lesz szó.

2. ábra. DS203 zseb digitális oszcilloszkóp

Különböző típusú oszcilloszkópok

A közelmúltig többféle elektronnyaláb-oszcilloszkópot gyártottak. Mindenekelőtt ezek univerzális oszcilloszkópok, amelyeket leggyakrabban gyakorlati célokra használnak. Ráadásul tároló oszcilloszkópokat is készítettek tároló CRT-k alapján, nagy sebességű, stroboszkópos és speciális. Az utóbbi típusokat különféle tudományos problémákra szántak, amelyekkel a modern digitális oszcilloszkópok jelenleg sikeresen megbirkóznak. Ezért tovább koncentrálunk az univerzális általános rendeltetésű elektronikus oszcilloszkópokra.

CRT eszköz

Az elektronikus oszcilloszkóp fő része természetesen egy katódsugárcső - CRT. Eszközét a 3. ábra mutatja.

3. ábra. CRT eszköz

Szerkezetileg a CRT egy hosszú, hengeres alakú 10 üveghenger, kúp alakú kiterjesztéssel. Ennek a kiterjesztésnek az alja, amely egy CRT-képernyő, egy foszforral van bevonva, amely látható fényt bocsát ki, amikor egy elektronnyaláb eléri a 11. Számos CRT-nek van egy téglalap alakú képernyője, amelynek elválasztásai közvetlenül az üvegre vannak felhordva. Ez az a képernyő, amely jelzi az oszcilloszkópot.

Egy elektronnyalábot egy elektronikus pisztoly képez

Az 1. fűtőtest melegíti a 2 katódot, amely elektronokat bocsát ki. A fizikában ezt a jelenséget hőionos emissziónak hívják. De a katód által kibocsátott elektronok nem repülnek messze, csak ülnek vissza a katódon. Ahhoz, hogy ezekből az elektronokból nyalábot érjünk el, további több elektródra van szükség.

Ez a 4 fókuszáló elektróda és az 5 anód a 8 aquadag-hoz csatlakozik. Ezen elektródok elektromos mezőjének hatására az elektronok eltűnnek a katódtól, felgyorsulnak, fókuszálnak egy vékony fénysugárra és rohannak a foszforral borított képernyőhöz, aminek következtében a foszfor világít. Ezeket az elektródokat együttesen elektronpisztolyoknak nevezzük.

Amikor eléri a képernyő felületét, az elektronnyaláb nem csak fényt okoz, hanem a foszforból kiüríti a szekunder elektronokat, amelyek a sugár fókuszálódását idézik elő. A fent említett aquadag, amely a cső belső felületének grafit bevonatát képezi, ezen szekunder elektronok eltávolítására szolgál. Ezenkívül az aquadag bizonyos mértékben megóvja a sugárzást a külső elektrosztatikus mezőktől. Az ilyen védelem azonban nem elegendő, ezért a CRT hengeres részét, ahol az elektródák vannak elhelyezve, egy elektromos acélból vagy permalloy fémszitába helyezik.

A katód és a fókuszáló elektróda között egy 3 modulátor található, amelynek célja a sugáráram szabályozása, amely lehetővé teszi a sugár megfordulását az ellenirányú söpörés alatt és kiemelni az előremeneti löket során. Az erősítő lámpákban ezt az elektródot vezérlőrácsnak nevezik. A modulátor, a fókuszáló elektróda és az anód központi lyukakkal rendelkezik, amelyeken az elektronnyaláb repül.

Lemezek elhajlása A CRT két pár lehajló lapot tartalmaz. Ezek a 6 gerenda függőleges elhajlásának lemezei - az Y lemez, amelyhez a vizsgált jel kerül, és a vízszintes alakváltozás 7 lemezei - az X lemez, és a vízszintes feszültség rá vannak kapcsolva. Ha az eltérítő táblák sehova nem vannak csatlakoztatva, világító pontnak kell megjelennie a CRT képernyő közepén. Az ábrán ez az O2 pont. A tápfeszültséget természetesen a csőhöz kell vezetni.

Itt kell megjegyezni egy fontos kérdést. Amikor a pont mozdulatlanul áll, anélkül, hogy bárhova elmozdulna, akkor egyszerűen elégetheti a foszfort, és egy fekete pont örökre megmarad a CRT képernyőn. Ez megtörténhet az oszcilloszkóp javításánál vagy egy egyszerű amatőr eszköz saját előállításakor.Ezért ebben a módban minimalizálja a fényerőt és fókuszálja a fénysugarat - továbbra is láthatja, van-e fénysugár vagy nincs-e rajta.

Ha egy bizonyos feszültséget alkalmaznak az eltérítő lemezekre, akkor a sugár eltér a képernyő közepétől. A 3. ábrán a nyaláb O3 pontra tér el. Ha a feszültség megváltozik, a sugár egyenes vonalot húz a képernyőn. Ezt a jelenséget használják a vizsgált jel képének a képernyőn történő létrehozására. Annak érdekében, hogy a képernyőn kétdimenziós képet kapjunk, két jelet kell alkalmaznunk: a tesztjelet - az Y lemezekre kell adni, és a letapogatási feszültséget - az X lemezekre kell adni. Azt mondhatjuk, hogy az X és Y koordináta-tengelyekkel rendelkező grafikonot kapunk a képernyőn.

Vízszintes letapogatás

A grafikon X tengelyét a vízszintes letapogatás képezi a képernyőn.

4. ábra. Seprő feszültség

Mint az ábrán látható, a vízszintes letapogatást fűrészfog-feszültség hajtja végre, amely két részre osztható: előre és hátra (4a. Ábra). Az előremeneti löket során a gerenda egyenletesen mozog a képernyőn balról jobbra, és a jobb szél elérésekor gyorsan visszatér. Ezt fordított stroke-nak hívják. Az előremeneti löket során háttérvilágítási impulzus generálódik, amelyet a csőmodulátorhoz továbbítanak, és világító pont jelenik meg a képernyőn, vízszintes vonalat húzva (4b ábra).

A 4. ábrán látható előremenő feszültség nullától kezdődik (egy sugár a képernyő közepén) és Umax feszültségre változik. Ezért a sugár a képernyő közepétől a jobb szélig mozog, azaz csak a képernyő fele. A szkennelés elindításához a képernyő bal szélétől a sugarat balra tolják el, előfeszítés alkalmazásával. A gerenda eltolását az előlapon található fogantyú vezérli.

A visszatérő löket során a háttérvilágítás impulzusa véget ér, és a fény kialszik. A háttérvilágítás impulzusa és a fűrészfog-sweep feszültség relatív helyzete az 5. ábrán bemutatott oszcilloszkóp működési diagramján látható. A különféle oszcilloszkóp-kapcsolási rajzok ellenére funkcionális áramköreik nagyjából megegyeznek, hasonlóan az ábrán láthatóhoz.

5. ábra: Az oszcilloszkóp működési rajza

CRT érzékenység

Ezt a szórási együtthatóval határozzák meg, megmutatva, hogy hány milliméternyire a sugár elhajlik, amikor a lemezekre 1 V állandó feszültséget alkalmaznak. Különböző CRT-k esetén ez az érték 0,15 ... 2 mm / V tartományban van. Kiderült, hogy ha az 1 V feszültséget alkalmazzák a terelőlapokra, akkor a gerenda csak 2 mm-rel tudja mozgatni a gerendat, és ez a legjobb esetben. A gerenda egy centiméterrel (10 mm) való eltérítéséhez 10/2 = 5 V feszültségre van szükség. Ugyanezen mozgás esetén 0,15 mm / V érzékenység esetén 10 / 0,15 = 66,666 V lesz szükség.

Ezért annak érdekében, hogy a sugár észrevehető eltérése legyen a képernyő közepétől, a vizsgált jelet egy függőleges csatornaerősítő több tíz voltra erősíti. A vízszintes erősítés csatorna, amellyel a letapogatást elvégezzük, azonos kimeneti feszültséggel rendelkezik.

A legtöbb univerzális oszcilloszkóp maximális érzékenysége 5 mV / cm. Ha 8LO6I típusú CRT-t használ 5 mV bemeneti feszültséggel, az eltérítő lemezeknek 8,5 V feszültségre van szükségük a gerenda 1 cm-es mozgatásához. Könnyű kiszámítani, hogy ehhez több mint 1500-szor kell erősíteni.

Ilyen erősítést kell elérni a teljes átviteli sávban, és minél magasabb a frekvencia, annál alacsonyabb az erősítés, amely minden erősítőben rejlik. A jelszót a felső f frekvencia jellemzi. Ezen a frekvencián a függőleges alakváltozási csatorna nyeresége 1,4-szer vagy 3 dB-vel csökken. A legtöbb univerzális oszcilloszkóp esetében ez a sáv 5 MHz.

És mi történik, ha a bemeneti jel frekvenciája meghaladja a felső frekvenciát, például 8 ... 10 MHz? Látni fogja a képernyőn? Igen, látható lesz, de a jel amplitúdója nem mérhető. Csak ellenőrizheti, hogy van-e jel vagy sem. Időnként ilyen információ elég.

Csatorna függőleges eltérése. Bemeneti elválasztó

A vizsgált jelet a függőleges eltérés csatorna bemenetére továbbítják a bemeneti elválasztón keresztül, a 6. ábrán látható. Gyakran a bemeneti elválasztót csillapítónak nevezik.

6. ábra: A csatorna függőleges eltérésének bemeneti osztója

A bemeneti elválasztó segítségével lehetőség nyílik a bemeneti jel néhány millivolt és több tíz volt közötti tanulmányozására. Abban az esetben, ha a bemeneti jel meghaladja a bemeneti elválasztó képességeit, 1:10 vagy 1:20 osztásarányú bemeneti szondakat kell használni. Ezután az 5V / div határ 50V / div vagy 100V / div lesz, ami lehetővé teszi a jelentős feszültségű jelek tanulmányozását.

Nyitott és zárt bejárat

Itt (6. ábra) láthatja a B1 kapcsolót, amely lehetővé teszi egy jel kondenzátoron (zárt bemenet) vagy közvetlenül az elválasztó bemenetére (nyitott bemenet) történő továbbítását. A "zárt bemenet" mód használatakor meg lehet tanulmányozni a jel változó összetevőjét, figyelmen kívül hagyva annak állandó komponensét. A 7. ábrán bemutatott egyszerű diagram segít megmagyarázni azt, amit elmondtak: A diagram a Multisim programban készül, így ezekben az ábrákban minden lényegesen valós.

7. ábra: Erősítő fokozat egyetlen tranzisztoron

A C1 kondenzátoron keresztül 10 mV amplitúdójú bemeneti jelet táplálunk a Q1 tranzisztor aljára. Az R2 ellenállás kiválasztásával a tranzisztor kollektorán a feszültséget a tápfeszültség felének (ebben az esetben 6V) felére állítják, ami lehetővé teszi a tranzisztor lineáris (erősítő) üzemmódban történő működését. A kimenetet az XSC1 figyeli. A 8. ábra mutatja a mérési eredményt nyitott bemeneti módban, az oszcilloszkópon nyomja meg a DC (egyenáram) gombot.

8. ábra: Mérések nyitott bemeneti módban (A csatorna)

Itt csak (A csatorna) láthatja a tranzisztor kollektorának feszültségét, ugyanazt a 6 V-ot, amelyet éppen említettek. Az A csatornán a sugárzás 6V-nál „felszívódott”, de a kollektoron a meghosszabbított szinuszos fénnyel nem történt meg. Egyszerűen nem érzékelhető az 5V / Div-csatorna érzékenysége. Csatorna Az ábrán egy fénysugár pirossal látható.

A generátor jele a B bemenetre kerül, az ábra kék színű. Ez egy 10 mV amplitúdójú szinuszhullám.

9. ábra. Mérések zárt bemeneti módban

Most nyomja meg az AC gombot az A csatornában - váltakozó áram, ez valójában egy zárt bemenet. Itt láthatja az erősített jelet - egy szinuszos szintet, amelynek amplitúdója 87 millivolt. Kiderült, hogy az egyik tranzisztor kaszkádja 8,7-szer erősítette meg a jelet 10 mV amplitúdóval. A képernyő alatti téglalap alakú ablakban szereplő számok a T1, T2 jelölők helyén mutató feszültségeket és időket mutatják. Hasonló markerek érhetők el a modern digitális oszcilloszkópokban. Valójában ez minden, amit el lehet mondani a nyitott és zárt bejáratról. És folytassuk a történetet a függőleges eltérítő erősítőről.

Előerősítő

A bemeneti elválasztó után a vizsgált jel az előerősítőbe megy, és halad át a késleltetési vonalon, belép az Y csatorna terminál erősítőjébe (5. ábra). A szükséges erősítés után a jel bekerül a függőleges eltérítő lemezekbe.

Az előerősítő felosztja a bemeneti jelet a parafázis komponensekbe, hogy továbbítsa azt az Y terminál erősítőhöz. Ezenkívül az előerősítő bemeneti jelét a sweep triggerhez továbbítják, amely szinkron képet nyújt a képernyőn az előre történő sweep során.

A késleltetési vonal késlelteti a bemeneti jelet a sweep feszültség kezdetéhez viszonyítva, ami lehetővé teszi az impulzus élének megfigyelését, az 5. b) ábra szerint. Néhány oszcilloszkópnak nincs késési vonala, amely lényegében nem zavarja az időszakos jelek vizsgálatát.

Sweep csatorna

Az előerősítő bemeneti jelét a sweep trigger impulzusformálójának bemenetére is továbbítják.A generált impulzus elindítja a seprőgenerátort, amely egyenletesen növekvő fűrészfog-feszültséget hoz létre. A fordulási sebességet és a sweep feszültség periódust a Time / Div kapcsoló választja ki, amely lehetővé teszi a bemeneti jelek széles frekvenciatartományban történő tanulmányozását.

Az ilyen letapogatást belsőnek nevezzük, azaz A trigger a vizsgált jelből származik Jellemzően az oszcilloszkópok „belső / külső” trigger-triggerrel vannak ellátva, valamilyen oknál fogva, amely nem szerepel az 5. ábrán látható funkcionális ábrán.

Ez lehet például egy késleltetési vonal indító impulzus. Ezután akár egynyalábú oszcilloszkóppal is meg lehet mérni a két jel időarányát. De jobb, ha ezt kétnyalábú oszcilloszkóppal hajtják végre, ha ez természetesen kéznél van.

A söpörés időtartamát a vizsgált jel frekvenciája (periódusa) alapján kell kiválasztani. Tegyük fel, hogy a jel frekvenciája 1KHz, azaz jel periódus. Az 1ms / div szkennelési idővel rendelkező szinuszos képet a 10. ábra mutatja.

10. ábra

1ms / div szkennelési idővel egy 1KHz-es szinuszhullám-periódus pontosan egy skála-elosztást foglal el az Y tengely mentén. Ezért a képernyő szinuszhulláma pozitív félciklusú kezdődik.

Ha a szkennelés időtartamát 500 μs / div (0,5 ms / div) értékre változtatják, akkor a szinuszos szakasz egy szakaszát a képernyő két osztása elfoglalja, amint azt a 11. ábra mutatja, ami természetesen sokkal kényelmesebb a jel megfigyelésére.

11. ábra

Maga a fűrészfog-feszültség mellett a söpörésgenerátor háttérvilágítási impulzust is generál, amelyet a modulátornak adnak és „meggyújt” az elektronnyaláb (5 g. Ábra). A háttérvilágítás impulzusának időtartama megegyezik az előremenő sugár időtartamával. A visszatérő löket alatt nincs háttérvilágítási impulzus, és a fény kialszik. Ha nincs sugárzás, a képernyőn valami érthetetlen jelenik meg: a fordított löket, még a bemeneti jel által modulálva is, egyszerűen áthúzza a hullámforma összes hasznos tartalmát.

A fűrészfog-sweep feszültséget táplálják az X-csatorna terminál-erősítőjére, felosztják egy parafázisjelre és továbbítják a vízszintes eltérítő lemezekre, az 5. ábra (e) ábra szerint.

X erősítő külső bemenete

Nemcsak a söpörés-generátor feszültsége, hanem a külső feszültség is táplálható az X sorkapocs-erősítőbe, amely lehetővé teszi a jel frekvenciájának és fázisának a Lissajous-számok segítségével történő mérését.

12. ábra. Lissajous ábrák

De az X bemeneti kapcsolót az 5. ábra funkcionális ábra nem mutatja, csakúgy, mint a söpörési műveletek típusú kapcsolót, amelyet egy kicsit fentebb említettünk.

Az X és Y csatornákon kívül az oszcilloszkópnak, akárcsak minden elektronikus eszköznek, van áramellátása. A kisméretű oszcilloszkópok, például C1-73, C1-101, képesek működni egy autóakkumulátorról. By the way, ezek idejére ezek az oszcilloszkópok nagyon jók voltak, és továbbra is sikeresen használják.

13. ábra: C1-73 oszcilloszkóp

14. ábra: C1-101 oszcilloszkóp

Az oszcilloszkópok megjelenését a 13. és a 14. ábra szemlélteti. A legmeglepőbb az, hogy továbbra is kínálják nekik online áruházakban való vásárlást. De az ár olyan, hogy olcsóbb kis méretű digitális oszcilloszkópot vásárolni az Aliexpress-en.

További oszcilloszkóp készülékek vannak beépített amplitúdó- és söpörésű kalibrátorok. Ezek általában meglehetősen stabil téglalap alakú impulzusgenerátorok, amelyek az oszcilloszkóp bemenetéhez csatlakoztatják azokat a hangoló elemeket használva, amelyekkel konfigurálható az X és Y erősítő. Egyébként a modern kalibrátoroknak is vannak ilyen kalibrálóik.

Az oszcilloszkóp használatáról, a mérési módszerekről és módszerekről a következő cikkben foglalkozunk.

A cikk folytatása: Az oszcilloszkóp használata

Boris Aladyshkin