Elektroninis osciloskopas - prietaisas, veikimo principas

Mėgėjų radijas, kaip hobis, yra labai jaudinanti veikla, ir, galima sakyti, priklausomybė. Daugelis į jį įsitraukia nuostabiais mokslo metais, ir laikui bėgant šis pomėgis gali tapti profesija visam gyvenimui. Net jei negalite įgyti aukštojo radijo inžinerijos išsilavinimo, nepriklausomi elektronikos tyrimai leidžia pasiekti labai aukštų rezultatų ir sėkmės. Vienu metu žurnalas „Radio“ tokius specialistus vadino inžinieriais be diplomų.

Pirmieji eksperimentai su elektronika, kaip taisyklė, pradedami surenkant pačias paprasčiausias grandines, kurios pradeda veikti iškart, nesureguliuotos ir nenustatytos. Dažniausiai tai būna įvairūs generatoriai, skambučiai, nepretenzingi maitinimo šaltiniai. Visa tai galima surinkti perskaičius minimalų kiekį literatūros, tik pakartojamų modelių aprašymus. Šiame etape, kaip taisyklė, tai galima padaryti su minimaliu įrankių rinkiniu: lituokliu, šoniniais pjaustytuvais, peiliu ir keliais atsuktuvais.

Palaipsniui dizainai tampa sudėtingesni ir anksčiau ar vėliau paaiškėja, kad be reguliavimo ir derinimo jie tiesiog neveiks. Todėl jūs turite įsigyti plonų matavimo priemonių ir kuo anksčiau, tuo geriau. Vyresnės kartos elektronikos inžinieriai su tokiu prietaisu turėjo žymiklio testerį.

Šiuo metu jungiklio testeris, dažnai vadinamas avometru, buvo pakeistas skaitmeninis multimetras. Tai galima rasti straipsnyje "Kaip naudoti skaitmeninį multimetrą". Nors senas geras rodyklės testeris neatsisako savo pozicijų, o kai kuriais atvejais geriau naudoti jį, palyginti su skaitmeniniu įrenginiu.

Abu šie įtaisai leidžia išmatuoti tiesioginę ir kintamą įtampą, sroves ir varžą. Jei pastovią įtampą lengva išmatuoti, pakanka sužinoti tik vertę, tada su kintama įtampa yra keletas niuansų.

Faktas yra tas, kad tiek rodyklė, tiek šiuolaikiniai skaitmeniniai įtaisai yra skirti išmatuoti sinusoidinę kintamąją įtampą, o esant gana ribotam dažnių diapazonui: matavimo rezultatas bus tikroji kintamos įtampos vertė.

Jei tokie įtaisai matuoja stačiakampio, trikampio ar pjūklo formos įtampą, tada prietaiso skalės rodmenys, be abejo, bus, bet jums nereikia balsuoti dėl matavimų tikslumo. Na, čia tiesiog įtampa, kuri nėra tiksliai žinoma. O kaip būti tokiais atvejais, kaip tęsti naujų, vis sudėtingesnių elektroninių schemų taisymą ir plėtrą? Čia radijo mėgėjas ateina į sceną, kai jūs turite nusipirkti osciloskopą.

Šiek tiek istorijos

Šio prietaiso pagalba savo akimis galite pamatyti, kas vyksta elektroninėse grandinėse: kokia yra signalo forma, kur jis atsirado ar dingo, signalų laiko ir fazės santykiai. Norint stebėti kelis signalus, būtinas bent dviejų spindulių osciloskopas.

Čia galime prisiminti tolimą istoriją, kai 1969 m. Buvo sukurtas penkių spindulių osciloskopas C1-33, kurį masiškai pagamino Vilniaus gamykla. Įrenginyje buvo naudojamas CRT 22LO1A, kuris buvo naudojamas tik šiame tobulinime. Šio prietaiso klientas, be abejo, buvo karinis-pramoninis kompleksas.

Struktūriškai šis aparatas buvo pagamintas iš dviejų blokų, padėtų ant stovo su ratukais: paties osciloskopo ir maitinimo šaltinio. Bendras konstrukcijos svoris buvo 160 kg! Į apimtį įeina RFK-5 įrašymo kamera, pritvirtinta prie ekrano, kuri užtikrino bangų formų įrašymą į filmą. C1-33 penkių spindulių osciloskopo su įmontuota kamera išvaizda parodyta 1 paveiksle.

1 paveikslas. Penkių spindulių osciloskopas C1-33, 1969 m

Šiuolaikinė elektronika leidžia sukurti nešiojamus skaitmeninius osciloskopus, kurių dydis būtų mobilus. Vienas iš tokių įrenginių parodytas 2 paveiksle. Bet tai bus aptarta vėliau.

2 pav. DS203 kišeninis skaitmeninis osciloskopas

Įvairių tipų osciloskopai

Dar visai neseniai buvo gaminami kelių tipų elektronų pluošto osciloskopai. Visų pirma, tai yra universalūs osciloskopai, dažniausiai naudojami praktiniams tikslams. Be jų, taip pat buvo gaminami laikymo osciloskopai, pagrįsti saugojimo CRT, greitaeigiais, stroboskopiniais ir specialiaisiais. Pastarieji tipai buvo skirti įvairioms specifinėms mokslinėms užduotims, su kuriomis šiuo metu sėkmingai susiduria šiuolaikiniai skaitmeniniai osciloskopai. Todėl toliau daug dėmesio skirsime universaliems bendrosios paskirties elektroniniams osciloskopams.

CRT prietaisas

Pagrindinė elektroninio osciloskopo dalis, be abejo, yra katodinių spindulių vamzdelis - CRT. Jo įtaisas parodytas 3 paveiksle.

3 pav. CRT įrenginys

CRT struktūriškai yra ilgas cilindro formos stiklinis cilindras 10 su kūgio formos pailginimu. Šio prailginimo, kuris yra CRT ekranas, apačia yra padengta fosforu, kuris skleidžia matomą švytėjimą, kai į jį atsitrenkia elektronų pluoštas 11. Daugelyje CRT yra stačiakampis ekranas, kurio padalijimai yra dedami tiesiai ant stiklo. Būtent šis ekranas yra osciloskopo rodiklis.

Elektronų pistoletu suformuojamas elektronų pluoštas

1 šildytuvas šildo 2 katodą, kuris pradeda skleisti elektronus. Fizikoje šis reiškinys vadinamas termionine emisija. Bet katodo skleidžiami elektronai niekur neskraidys, jie tiesiog sėdės ant katodo. Norint gauti spindulį iš šių elektronų, reikia dar kelių elektrodų.

Tai yra fokusavimo elektrodas 4 ir anodas 5, prijungtas prie akvadago 8. Šių elektrodų elektrinio lauko įtakoje elektronai atitrūksta nuo katodo, įsibėgėja, fokusuojasi į ploną pluoštą ir skuba į ekraną, padengtą fosforu, sukeldami fosforo švytėjimą. Kartu šie elektrodai vadinami elektronų pistoletais.

Pasiekęs ekrano paviršių, elektronų pluoštas ne tik sukelia švytėjimą, bet ir iš fosforo išmuša antrinius elektronus, dėl kurių pluoštas sufokusuoja. Aukščiau paminėtas akvadagas, kuris yra vamzdžio vidinio paviršiaus grafito danga, skirtas pašalinti šiuos antrinius elektronus. Be to, akvadagas tam tikru mastu apsaugo spindulį nuo išorinių elektrostatinių laukų. Tačiau tokios apsaugos nepakanka, todėl cilindrinė CRT dalis, kurioje yra elektrodai, dedama į metalinį ekraną, pagamintą iš elektrinio plieno arba permalo.

Tarp katodo ir fokusavimo elektrodo yra moduliatorius 3. Jo paskirtis yra valdyti pluošto srovę, leidžiančią užgesinti pluoštą atvirkštinio valymo metu ir paryškinti per priekinį taktą. Stiprinimo lempose šis elektrodas vadinamas valdymo tinkleliu. Moduliatoriuje, fokusavimo elektrode ir anode yra centrinės skylės, pro kurias sklinda elektronų pluoštas.

Kreipiančiosios plokštės CRT turi dvi poras kreipiamųjų plokščių. Tai yra sijos vertikalaus įlinkio 6 plokštės - plokštė Y, kuriai tiekiamas tiriamas signalas, ir horizontalios įlinkio 7 plokštės - plokštė X, ir joms įtaisyta horizontali nuskaitymo įtampa. Jei įlinkio plokštės niekur neprijungtos, CRT ekrano centre turėtų atsirasti šviečiantis taškas. Paveiksle tai yra taškas O2. Natūralu, kad vamzdis turi būti maitinamas įtampa.

Čia reikia pabrėžti svarbų dalyką. Kai taškas stovi vietoje, niekur nejudėdamas, jis gali tiesiog sudeginti fosforą, o CRT ekrane amžinai liks juodas taškas. Tai gali nutikti taisant osciloskopą arba savaime gaminant paprastą mėgėjišką prietaisą.Todėl šiame režime turėtumėte sumažinti ryškumą iki minimumo ir sufokusuoti šviesą - vis tiek galite pamatyti, ar nėra šviesos, ar jos nėra.

Kai įlinkio plokštėms bus taikoma tam tikra įtampa, sija nukryps nuo ekrano centro. 3 paveiksle sija sija nukreipta į tašką O3. Jei kinta įtampa, spindulys ekrane brėžia tiesią liniją. Būtent šis reiškinys naudojamas ekrane sukuriant tiriamo signalo atvaizdą. Norėdami gauti dvimatį vaizdą ekrane, reikia pritaikyti du signalus: bandymo signalą - pritaikytą Y plokštėms, o nuskaitymo įtampą - pritaikyti X plokštėms.Galime pasakyti, kad ekrane gaunamas grafikas su koordinačių ašimis X ir Y.

Horizontalus nuskaitymas

Ekrane esančią grafiko X ašį sudaro horizontalus skenavimas.

4 pav. Valymo įtampa

Kaip matyti paveiksle, horizontalusis nuskaitymas atliekamas pjūklo įtampa, kurią galima padalyti į dvi dalis: į priekį ir atgal (4a pav.). Į priekį einant, spindulys tolygiai juda per ekraną iš kairės į dešinę, o pasiekęs dešinį kraštą greitai grįžta. Tai vadinama atvirkštiniu smūgiu. Atliekant į priekį sukuriamas foninio apšvietimo impulsas, kuris paduodamas į vamzdžio moduliatorių, o ekrane pasirodo šviečiantis taškas, brėžiantis horizontalią liniją (4b pav.).

Priekinė įtampa, kaip parodyta 4 paveiksle, prasideda nuo nulio (spindulys ekrano centre) ir keičiasi į Umax įtampą. Todėl sija judės iš ekrano centro į dešinįjį kraštą, t. tik pusė ekrano. Norėdami pradėti nuskaitymą iš kairiojo ekrano krašto, spindulys pasislenka į kairę, į jį įtempdamas įtampa. Sijos poslinkis valdomas rankena priekiniame skydelyje.

Grįžtamojo smūgio metu pasibaigia foninio apšvietimo impulsas ir užgęsta šviesa. Santykinę foninio apšvietimo impulsų ir pjūklo pjovimo įtampos padėtį galima pamatyti osciloskopo funkcinėje schemoje, parodytoje 5 paveiksle. Nepaisant įvairių osciloskopo schemų schemų, jų funkcinės grandinės yra maždaug vienodos, panašios į pavaizduotas paveikslėlyje.

5 pav. Osciloskopo funkcinė schema

CRT jautrumas

Jis nustatomas pagal nuokrypio koeficientą, parodant, kiek milimetrų pluoštas pasislenka, kai plokštelėms taikoma nuolatinė 1 V įtampa. Įvairiems CRT ši vertė svyruoja nuo 0,15 ... 2 mm / V. Pasirodo, pritaikant 1 V įtampą deformacinėms plokštėms, sija gali perkelti siją tik 2 mm, ir tai geriausiu atveju. Norint nukreipti spindulį į centimetrą (10 mm), reikalinga 10/2 = 5 V įtampa. Esant 0,15 mm / V jautrumui tam pačiam judesiui, reikės 10 / 0,15 = 66,666 V.

Todėl, norint gauti pastebimą spindulio nuokrypį nuo ekrano centro, tiriamas signalas vertikaliojo kanalo stiprintuvu sustiprinamas iki kelių dešimčių voltų. Horizontaliojo stiprinimo kanalas, kuriuo atliekamas nuskaitymas, turi tą pačią išėjimo įtampą.

Daugumos universaliųjų osciloskopų maksimalus jautrumas yra 5mV / cm. Kai naudojate 8LO6I tipo CRT, kai įėjimo įtampa yra 5 mV, nukreipiančioms plokštėms reikės 8,5 V įtampos, kad sija būtų perkelta 1 cm. Nesunku apskaičiuoti, kad tai pareikalaus daugiau nei 1500 kartų.

Tokį stiprinimą reikia gauti visoje pralaidumo juostoje, ir kuo didesnis dažnis, tuo mažesnis stiprinimas, kuris būdingas bet kokiems stiprintuvams. Pralaidumo juostai būdingas aukščiausias dažnis f į viršų. Šiuo dažniu vertikalaus įlinkio kanalo padidėjimas sumažėja 1,4 karto arba 3 dB. Daugeliui universaliųjų osciloskopų ši dažnio juosta yra 5 MHz.

O kas nutiks, jei įvesties signalo dažnis viršys viršutinį dažnį, pavyzdžiui, 8 ... 10 MHz? Ar ji galės tai pamatyti ekrane? Taip, jis bus matomas, bet negalima išmatuoti signalo amplitudės. Galite tik įsitikinti, kad yra signalas, ar ne. Kartais tokios informacijos visiškai pakanka.

Kanalo vertikalusis nuokrypis. Įvesties daliklis

Tiriamas signalas tiekiamas į vertikaliojo nuokrypio kanalo įvestį per įvesties daliklį, parodytą 6 paveiksle. Dažnai įvesties daliklis vadinamas slopintuvu.

6 pav. Kanalo vertikaliojo nuokrypio įvesties daliklis

Naudojant įvesties daliklį, galima ištirti įvesties signalą nuo kelių milivoltų iki kelių dešimčių voltų. Tuo atveju, kai įvesties signalas viršija įvesties daliklio galimybes, naudojami įvesties zondai, kurių padalijimo santykis yra 1:10 arba 1:20. Tuomet 5V / div riba tampa 50V / div arba 100V / div, o tai leidžia tirti signalus, turinčius didelę įtampą.

Įėjimas į atvirą ir uždarą

Čia (6 pav.) Galite pamatyti jungiklį B1, kuris suteikia galimybę signalą perduoti per kondensatorių (uždarą įvestį) arba tiesiai į daliklio įvestį (atvirą įvestį). Naudojant „uždaro įėjimo“ režimą, galima ištirti kintamąjį signalo komponentą, nekreipiant dėmesio į nuolatinį jo komponentą. Paprasta diagrama, parodyta 7 paveiksle, padės paaiškinti tai, kas buvo pasakyta. Diagrama yra sukurta „Multisim“ programoje, kad viskas šiuose paveiksluose, nors ir praktiškai, būtų gana teisinga.

7 paveikslas. Stiprintuvo pakopa ant vieno tranzistoriaus

Į tranzistoriaus Q1 pagrindą tiekiamas įvesties signalas, kurio amplitudė 10 mV per kondensatorių C1. Pasirinkus rezistorių R2, tranzistoriaus kolektoriaus įtampa nustatoma lygi pusei maitinimo įtampos (šiuo atveju 6V), kuri leidžia tranzistoriui dirbti linijiniu (stiprinančiu) režimu. Išėjimą kontroliuoja XSC1. 8 paveiksle parodytas matavimo rezultatas atvirojo įvesties režimu, osciloskopu paspaudus DC (nuolatinės srovės) mygtuką.

8 paveikslas. Matavimai atvirojo įvesties režimu (A kanalas)

Čia galite pamatyti (kanalą A) tik tranzistoriaus kolektoriaus įtampą, tą pačią 6V, kuri buvo ką tik paminėta. A kanalo spindulys „nutilo“ esant 6 V įtampai, tačiau sustiprintas sinusoidas kolektoriuje neįvyko. To tiesiog negalima atskirti su 5V / Div kanalo jautrumu. Kanalas A spindulys paveiksle rodomas raudonai.

Signalas iš generatoriaus perduodamas įėjimui B, paveikslėlis parodytas mėlynai. Tai yra 10 mV amplitudės sinusinė banga.

9 paveikslas. Matavimai uždaro įvesties režimu

Dabar paspauskite AC mygtuką kanale A - kintama srovė, tai iš tikrųjų yra uždaras įėjimas. Čia galite pamatyti sustiprintą signalą - sinusoidą, kurio amplitudė yra 87 milivolitai. Pasirodo, vieno tranzistoriaus kaskados sustiprino signalą 10 mV amplitudė 8,7 karto. Skaičiai stačiakampiame lange po ekranu rodo įtampą ir laiką žymeklių T1, T2 vietose. Panašūs žymekliai yra ir šiuolaikiniuose skaitmeniniuose osciloskopuose. Tai iš tikrųjų viskas, ką galima pasakyti apie atvirus ir uždarus įėjimus. O dabar tęskime pasakojimą apie vertikalaus įlinkio stiprintuvą.

Išankstinis stiprintuvas

Po įvesties daliklio tiriamas signalas eina į stiprintuvą ir, eidamas per vėlavimo liniją, patenka į kanalo Y galinį stiprintuvą (5 pav.). Po reikiamo stiprinimo signalas patenka į vertikalias įlinkio plokšteles.

Pirminis stiprintuvas padalija įvesties signalą į parafazių komponentus, kad galėtų jį tiekti į gnybto stiprintuvą Y. Be to, pirminio stiprintuvo įvesties signalas tiekiamas į valymo trigerį, kuris perduoda sinchroninį vaizdą ekrane atliekant pirmyn.

Atidėjimo linija atidėlioja įvesties signalą, palyginti su prapūtimo įtampos pradžia, todėl galima stebėti priekinį pulso kraštą, kaip parodyta 5 pav. B). Kai kurie osciloskopai neturi delsimo linijos, kuri iš esmės netrukdo tirti periodinių signalų.

Valymo kanalas

Pirminio stiprintuvo įvesties signalas taip pat tiekiamas į valymo trigerio įvestį.Sugeneruotas impulsas paleidžia valymo generatorių, kuris sklandžiai auga pjūklo įtampa. Sukimosi dažnis ir valymo įtampos laikotarpis pasirenkami jungikliu „Time / Div“, kuris leidžia ištirti įvesties signalus plačiame dažnių diapazone.

Toks nuskaitymas vadinamas vidiniu, t. suveikimas atsiranda dėl tiriamo signalo. Paprastai osciloskopai turi nuskaitymo jungiklį „Vidinis / išorinis“, dėl tam tikrų priežasčių, neparodytų 5 paveiksle esančioje funkcinėje schemoje. Išoriniame trigerio režime nuskaitymą gali suaktyvinti ne tiriamas signalas, bet koks nors kitas signalas, nuo kurio priklauso tiriamas signalas.

Tai gali būti, pavyzdžiui, vėlavimo linijos sužadinimo impulsas. Tuomet net su vieno spindulio osciloskopu galite išmatuoti dviejų signalų laiko santykį. Bet geriau tai padaryti naudojant dviejų spindulių osciloskopą, jei jis, žinoma, yra po ranka.

Valymo trukmė turėtų būti parenkama atsižvelgiant į tiriamo signalo dažnį (periodą). Tarkime, kad signalo dažnis yra 1KHz, t. signalo laikotarpis 1ms. Sinusoido, kurio nuskaitymo laikas yra 1 ms / div, vaizdas parodytas 10 paveiksle.

10 pav

Kai nuskaitymo laikas yra 1ms / div, vienas 1 KHz sinusinių bangų laikotarpis užima tiksliai vieną skalės padalijimą išilgai Y ašies. Nuskaitymas sinchronizuojamas iš pluošto A išilgai kylančio krašto, atsižvelgiant į įvesties signalo lygį 0V. Todėl sinuso banga ekrane prasideda teigiamu pusės ciklu.

Jei nuskaitymo trukmė pakeista į 500 μs / div (0,5 ms / div), tada vienas sinusoidų periodas užima du ekrano padalijimus, kaip parodyta 11 paveiksle, o tai, be abejo, yra patogiau stebėti signalą.

11 pav

Be pačios pjūklo įtampos, šluotos generatorius taip pat sukuria foninio apšvietimo impulsą, kuris tiekiamas į moduliatorių ir „uždega“ elektronų pluoštą (5 g pav.). Foninio apšvietimo impulsų trukmė yra lygi priekinio spindulio trukmei. Grįžtamojo smūgio metu nėra foninio apšvietimo impulso ir spindulys užgęsta. Jei šviesos srautas neuždengtas, ekrane pasirodys kažkas nesuprantamo: atvirkštinis smūgis, net moduliuojamas įvesties signalu, tiesiog išbraukia visą naudingą bangos formos turinį.

Pjūklo pjovimo įtampa tiekiama į X kanalo galinį stiprintuvą, padalijama į parafazės signalą ir tiekiama į horizontalias įlinkio plokšteles, kaip parodyta 5 (e) paveiksle.

Stiprintuvo X išorinė įvestis

Į gnybto stiprintuvą X gali būti tiekiama ne tik įtampa, gaunama iš šluotos generatoriaus, bet ir išorinė įtampa, kuri leidžia išmatuoti signalo dažnį ir fazę naudojant Lissajous figūras.

12 paveikslas

Bet įvesties jungiklis X nėra parodytas funkcinėje schemoje, kaip parodyta 5 paveiksle, taip pat kaip šluotos operacijų jungiklis, kuris buvo paminėtas šiek tiek aukščiau.

Be kanalų X ir Y, osciloskopas, kaip ir bet kuris elektroninis prietaisas, turi maitinimo šaltinį. Mažo dydžio osciloskopai, pavyzdžiui, C1-73, C1-101, gali veikti iš automobilio akumuliatoriaus. Beje, savo laiku šie osciloskopai buvo labai geri, ir iki šiol sėkmingai naudojami.

13 paveikslas. Osciloskopas C1-73

14 pav. Osciloskopas C1-101

Osciloskopų išvaizda parodyta 13 ir 14 paveiksluose. Labiausiai stebina tai, kad vis dar siūloma juos įsigyti internetinėse parduotuvėse. Tačiau kaina yra tokia, kad pigiau nusipirkti mažo dydžio skaitmeninius osciloskopus „Aliexpress“.

Papildomi osciloskopo įtaisai yra įmontuoti amplitudės ir svyravimo kalibratoriai. Tai, kaip taisyklė, yra gana stabilūs stačiakampių impulsų generatoriai, jungiantys juos į osciloskopo įvestį, naudodamiesi tiuningo elementais galite sukonfigūruoti stiprintuvus X ir Y. Beje, šiuolaikiniai kalibratoriai taip pat turi tokius kalibratorius.

Kaip naudotis osciloskopu, matavimo metodai ir metodai bus aptariami kitame straipsnyje.

Straipsnio tęsinys: Kaip naudotis osciloskopu

Borisas Aladyshkinas