Електронен осцилоскоп - устройство, принцип на работа

Аматьорското радио като хоби е много вълнуващо занимание и, може да се каже, пристрастяване. Мнозина влизат в него в прекрасните училищни години и с течение на времето това хоби може да се превърне в професия за цял живот. Дори и да не можете да получите по-високо радиотехническо образование, независимото изучаване на електроника ви позволява да постигнете много високи резултати и успех. По едно време списание Radio нарече такива специалисти инженери без дипломи.

Първите експерименти с електроника започват като правило с монтажа на най-простите вериги, които започват да работят веднага, без настройка и настройка. Най-често това са различни генератори, обаждания, непретенциозни захранвания. Всичко това може да бъде събрано, като се чете минимално количество литература, само описания на повтарящи се модели. На този етап, като правило, е възможно да се направи с минимален набор от инструменти: поялник, странични резачки, нож и няколко отвертки.

Постепенно дизайните стават по-сложни и рано или късно се оказва, че без настройка и настройка те просто няма да работят. Следователно, трябва да придобиете тънки измервателни уреди, и колкото по-рано, толкова по-добре. По-старото поколение инженери по електроника разполагаше с тестер на показалеца с такова устройство.

В момента тестерът на превключвателите, често наричан авометър, е заменен цифров мултицет, Това може да намерите в статията "Как да използвате цифров мултицет." Въпреки че добрият стар тестер на показалеца не се отказва от позициите си, а в някои случаи използването му е за предпочитане в сравнение с цифрово устройство.

И двете устройства ви позволяват да измервате директни и променливи напрежения, токове и съпротивления. Ако постоянните напрежения са лесни за измерване, достатъчно е да знаете само стойността, тогава с редуващи се напрежения има някои нюанси.

Факт е, че както показалеца, така и съвременните цифрови устройства са проектирани да измерват синусоидално променливо напрежение и в доста ограничен честотен диапазон: резултатът от измерването ще бъде действителната стойност на променливото напрежение.

Ако такива устройства измерват напрежение с правоъгълна, триъгълна или пилообразна форма, тогава показанията в скалата на устройството, разбира се, ще бъдат, но не е нужно да правите гаранции за точността на измерванията. Е, има просто напрежение и кое не е точно известно. И как да бъдем в такива случаи, как да продължим ремонта и разработването на нови, все по-сложни електронни схеми? Тук радиолюбителят излиза на сцената, когато трябва да закупите осцилоскоп.

Малко история

С помощта на това устройство можете да видите със собствените си очи какво се случва в електронните схеми: каква е формата на сигнала, къде се е появил или изчезнал, времето и фазата на връзките на сигналите. За да наблюдавате няколко сигнала, е необходим поне двулъчев осцилоскоп.

Тук можем да си припомним една далечна история, когато през 1969 г. е създаден петлъчният осцилоскоп С1-33, който се произвежда масово от Вилнюсския завод. Устройството използва CRT 22LO1A, който се използва само в тази разработка. Клиентът на това устройство беше, разбира се, военно-индустриалният комплекс.

В структурно отношение този апарат е направен от два блока, поставени на стелаж с колела: самият осцилоскоп и захранването. Общото тегло на конструкцията беше 160 кг! Обхватът включва RFK-5 записваща камера, прикрепена към екрана, която осигурява запис на вълнови форми на филм. Появата на пет-лъчевия осцилоскоп C1-33 с инсталираната камера е показана на фигура 1.

Фигура 1. Петлъчен осцилоскоп С1-33, 1969г

Съвременната електроника прави възможно създаването на ръчни цифрови осцилоскопи с размерите на мобилен телефон. Едно от такива устройства е показано на фигура 2. Но това ще бъде обсъдено по-късно.

Фигура 2. Джобен цифров осцилоскоп DS203

Осцилоскопи от различни видове

Доскоро бяха произведени няколко вида осцилоскопи с електронно лъчеви лъчи. На първо място, това са универсални осцилоскопи, които най-често се използват за практически цели. В допълнение към тях бяха произведени и осцилоскопи за съхранение на базата на CRT за съхранение, високоскоростни, стробоскопични и специални. Последните типове бяха предназначени за различни специфични научни задачи, с които съвременните цифрови осцилоскопи успешно се справят в момента. Следователно по-нататък ще се съсредоточим върху универсалните електронни осцилоскопи с общо предназначение.

CRT устройство

Основната част от електронния осцилоскоп, разбира се, е катодната лъчева тръба - CRT. Устройството му е показано на фигура 3.

Фигура 3. CRT устройство

Структурно CRT е дълъг стъклен цилиндър 10 с цилиндрична форма с конусообразно удължение. Дъното на това разширение, което е CRT екран, е покрито с фосфор, който излъчва видимо сияние, когато електронен лъч го удари 11. Много CRT имат правоъгълен екран с раздели, приложени директно върху стъклото. Именно този екран е индикаторът на осцилоскопа.

Електронният лъч се формира от електронно пистолетче

Нагревател 1 загрява катода 2, който започва да излъчва електрони. Във физиката това явление се нарича термионно излъчване. Но електроните, излъчвани от катода, няма да отлетят далеч, те просто ще седнат отново на катода. За да се получи лъч от тези електрони, са необходими още няколко електроди.

Това е фокусиращият електрод 4 и анод 5, свързани с аквадага 8. Под въздействието на електрическото поле на тези електроди, електроните се откъсват от катода, ускоряват се, фокусират се в тънък лъч и се втурват към екрана, покрит с фосфор, причинявайки фосфор да свети. Заедно тези електроди се наричат ​​електронни пушки.

Достигайки повърхността на екрана, електронният лъч не само причинява сияние, но и избива вторични електрони от фосфора, които предизвикват разфокусиране на лъча. Споменатият по-горе аквадаг, който представлява графитно покритие на вътрешната повърхност на тръбата, служи за отстраняване на тези вторични електрони. Освен това аквадагът до известна степен предпазва лъча от външни електростатични полета. Но такава защита не е достатъчна, следователно, цилиндричната част на CRT, където са разположени електродите, се поставя в метален екран, изработен от електрическа стомана или пермал.

Между катода и фокусиращия електрод е разположен модулатор 3, който има за цел да контролира тока на лъча, което позволява да се гаси лъчът по време на обратния замах и да се подчертава по време на хода напред. В усилвателните лампи този електрод се нарича контролна мрежа. Модулаторът, фокусиращият електрод и анод имат централни отвори, през които електронният лъч лети.

Отклоняване на плочи CRT има две двойки отклоняващи плочи. Това са плочите на вертикалното отклонение на лъча 6 - плочата Y, към която се подава изследваният сигнал, и плочите на хоризонталното отклонение 7 - плочата X и хоризонталното напрежение се прилага към тях. Ако отклоняващите плочи не са свързани никъде, в центъра на CRT екрана трябва да се появи светеща точка. На фигурата това е точката O2. Естествено, захранващото напрежение трябва да се приложи към тръбата.

Тук трябва да се отбележи важен момент. Когато точката стои неподвижна, без да се движи никъде, тя може просто да изгори фосфора и черна точка завинаги ще остане на CRT екрана. Това може да се случи по време на процеса на ремонт на осцилоскопа или със самостоятелното производство на обикновено аматьорско устройство.Следователно в този режим трябва да намалите яркостта до минимум и да разфокусирате лъча - все още можете да видите дали има лъч или той отсъства.

Когато към отклоняващите плочи се приложи определено напрежение, лъчът ще се отклони от центъра на екрана. На фигура 3 лъчът се отклонява към точка O3. Ако напрежението се промени, лъчът ще начертае права линия на екрана. Именно това явление се използва за създаване на изображението на изучения сигнал на екрана. За да се получи двуизмерно изображение на екрана, трябва да се приложат два сигнала: тестовият сигнал - приложен към Y плочи, а напрежението на сканиране - приложен към плочите X. Можем да кажем, че на екрана се получава графика с координатните оси X и Y.

Хоризонтално сканиране

Това е хоризонталното сканиране, което формира оста X на графиката на екрана.

Фигура 4. Почиствайте напрежението

Както се вижда на фигурата, хоризонталното сканиране се извършва чрез напрежение на трион, което може да бъде разделено на две части: напред и назад (фиг. 4а). По време на удара напред лъчът се движи равномерно по екрана отляво надясно и при достигане на десния ръб бързо се връща. Това се нарича обратен удар. По време на хода напред се генерира импулс на задно осветяване, който се подава към тръбния модулатор и на екрана се появява светеща точка, очертаваща хоризонтална линия (фиг. 4б).

Предното напрежение, както е показано на фигура 4, започва от нула (лъч в центъра на екрана) и се променя на напрежение от Umax. Следователно лъчът ще се премести от центъра на екрана към десния ръб, т.е. само половината от екрана. За да започне сканирането от левия ръб на екрана, лъчът се измества вляво, като към него се прилага напрежение на отклонение. Отместването на гредата се управлява от дръжка на предния панел.

По време на обратния ход импулсът на подсветката приключва и лъчът изгасва. Относителното положение на импулса на задното осветление и напрежението на прочистване на пиловите зъби може да се види на функционалната схема на осцилоскопа, показана на фигура 5. Въпреки разнообразието от схеми на осцилоскопните функционални схеми, техните функционални схеми са приблизително еднакви, подобни на показаните на фигурата.

Фигура 5. Функционална схема на осцилоскопа

CRT чувствителност

Той се определя от коефициента на отклонение, показващ колко милиметра се отклонява лъчът, когато към плочите се прилага постоянно напрежение от 1 V. За различни CRT тази стойност е в диапазона 0,15 ... 2 mm / V. Оказва се, че прилагайки напрежение от 1 V към отклоняващите плочи, лъчът може да премести лъча само с 2 мм и това е в най-добрия случай. За да отклоните лъча с един сантиметър (10 мм), е необходимо напрежение 10/2 = 5V. С чувствителност от 0,15 mm / V за същото движение ще са необходими 10 / 0,15 = 66,666V.

Следователно, за да се получи забележимо отклонение на лъча от центъра на екрана, изследваният сигнал се усилва от вертикален канален усилвател до няколко десетки волта. Каналът на хоризонтално усилване, с който се извършва сканиране, има същото изходно напрежение.

Повечето универсални осцилоскопи имат максимална чувствителност 5mV / cm. Когато използвате CRT от тип 8LO6I с входно напрежение 5 mV, отклоняващите плочи ще изискват напрежение 8,5 V за преместване на лъча на 1 cm. Лесно е да се изчисли, че това ще изисква усилване повече от 1500 пъти.

Такова усилване трябва да бъде получено в цялата пропускателна лента и колкото по-висока е честотата, толкова по-ниско е усилването, което е присъщо на всички усилватели. Пропускателната лента се характеризира с горна честота f нагоре. При тази честота усилването на канала за вертикално отклонение намалява с 1,4 пъти или с 3 dB. За повечето универсални осцилоскопи тази лента е 5 MHz.

И какво ще се случи, ако честотата на входния сигнал надвишава горната честота, например 8 ... 10 MHz? Ще може ли да го види на екрана? Да, ще се вижда, но амплитудата на сигнала не може да бъде измерена. Можете само да се уверите, че има сигнал или не. Понякога такава информация е напълно достатъчна.

Вертикално отклонение на канала. Входен разделител

Изследваният сигнал се подава към входа на канала на вертикалното отклонение през входния разделител, показан на фигура 6. Често входният разделител се нарича атенюатор.

Фигура 6. Входният делител на вертикалното отклонение на канала

С помощта на входния делител става възможно да се изследва входният сигнал от няколко миливолта до няколко десетки волта. В случай, че входният сигнал надвишава възможностите на входния делител, се използват входни сонди със коефициент на деление 1:10 или 1:20. Тогава лимитът от 5V / div става 50V / div или 100V / div, което дава възможност за изучаване на сигнали със значителни напрежения.

Отворен и затворен вход

Тук (Фигура 6) можете да видите превключвател B1, който дава възможност да се приложи сигнал през кондензатор (затворен вход) или директно към входа на разделителя (отворен вход). При използване на режим "затворен вход" е възможно да се изучава променливият компонент на сигнала, игнорирайки постоянния му компонент. Простата схема, показана на фигура 7, ще помогне да се обясни казаното.Схемата е създадена в програмата Multisim, така че всичко в тези цифри, макар и на практика, е доста справедливо.

Фигура 7. Етап на усилвател на един транзистор

Входен сигнал с амплитуда 10 mV през кондензатор С1 се подава към основата на транзистора Q1. Избирайки резистор R2, напрежението върху колектора на транзистора се задава равно на половината захранващо напрежение (в случая 6V), което позволява на транзистора да работи в линеен (усилващ) режим. Изходът се следи от XSC1. Фигура 8 показва резултата от измерването в отворен режим на вход, на осцилоскопа се натиска бутона за постоянен ток (постоянен ток).

Фигура 8. Измервания в отворен режим на вход (канал A)

Тук можете да видите (канал A) само напрежението в колектора на транзистора, същото 6V, което току-що споменахме. Лъчът в канал A „излетя“ на 6V, но усиленият синусоид на колектора не се случи. Просто не може да се различи чувствителността на 5V / Div канал. Канал Лъчът на фигурата е показан в червено.

Сигнал от генератора се прилага към вход Б, цифрата е показана в синьо. Това е синусоида с амплитуда 10 mV.

Фигура 9. Измервания в затворен режим на вход

Сега натиснете AC бутона в канал A - променлив ток, това всъщност е затворен вход. Тук можете да видите усиления сигнал - синусоид с амплитуда 87 миливолта. Оказва се, че каскадата на един транзистор усилва сигнала с амплитуда 10 mV 8,7 пъти. Цифрите в правоъгълния прозорец под екрана показват напреженията и времената на местата на маркерите T1, T2. Подобни маркери се предлагат в съвременните цифрови осцилоскопи. Това всъщност е всичко, което може да се каже за отворени и затворени входове. А сега нека продължим историята за усилвателя с вертикално отклонение.

Предварителен усилвател

След входния делител сигналът, който се изследва, преминава към предусилвателя и, преминавайки през линията на забавяне, влиза в крайния усилвател на канал Y (фигура 5). След необходимото усилване сигналът влиза в плоскостите с вертикално отклонение.

Предусилвателят разделя входния сигнал на парафазни компоненти, за да го подава към крайния усилвател Y. В допълнение, входният сигнал от предусилвателя се подава към спусъка, който осигурява синхронно изображение на екрана по време на преместване напред.

Линията на забавяне забавя входния сигнал спрямо началото на почистващото напрежение, което позволява да се наблюдава водещият ръб на импулса, както е показано на фигура 5 б). Някои осцилоскопи нямат линия на закъснение, което по същество не пречи на изучаването на периодични сигнали.

Почистване на канала

Входният сигнал от предусилвателя също се подава към входа на спусъка.Генерираният импулс стартира генератора за почистване, който произвежда плавно нарастващо напрежение на трион. Скоростта на понижаване и периодът на напрежение на почистване се избират от превключвателя Time / Div, което дава възможност за изучаване на входни сигнали в широк честотен диапазон.

Такова сканиране се нарича вътрешно, т.е. задействането идва от сигнала, който се изследва. Обикновено осцилоскопите имат задействащ задействащ механизъм „Вътрешен / Външен“, поради някаква причина, която не е показана на функционалната схема на Фигура 5. В режим на външен тригер задействането може да се задейства не от сигнала, който се изследва, а от някакъв друг сигнал, от който зависи сигналът, който се изследва.

Това може да бъде например импулс за задействане на линия за забавяне. Тогава дори с еднолъчевия осцилоскоп можете да измерите съотношението на времето на два сигнала. Но е по-добре да направите това с двулъчев осцилоскоп, ако, разбира се, е под ръка.

Продължителността на промяната трябва да бъде избрана въз основа на честотата (периода) на изследвания сигнал. Да предположим, че честотата на сигнала е 1KHz, т.е. период на сигнала 1ms. Изображението на синусоида с време на сканиране 1ms / div е показано на Фигура 10.

Фигура 10

С време на сканиране от 1ms / div, един 1KHz период на синусоида заема точно едно деление на скалата по оста Y. Сканирането се синхронизира от лъч А по възходящ ръб по отношение на ниво на входния сигнал 0V. Следователно, синусоидата на екрана започва с положителен полу цикъл.

Ако продължителността на сканиране се промени на 500 μs / div (0,5 ms / div), тогава един период на синусоида ще заеме две деления на екрана, както е показано на фигура 11, което, разбира се, е по-удобно за наблюдение на сигнала.

Фигура 11

В допълнение към самото напрежение на трион, генераторът за почистване генерира и импулс на подсветката, който се подава към модулатора и „запалва“ електронния лъч (фиг. 5 g). Продължителността на импулса на задното осветление е равна на продължителността на предния лъч. По време на обратния ход няма пулс за подсветка и лъчът изгасва. Ако няма заглушаване на лъча, на екрана ще се появи нещо неразбираемо: обратният ход и дори модулиран от входния сигнал, просто зачертава цялото полезно съдържание на формата на вълната.

Към крайния усилвател на канал X се подава напрежение на шлицов зъб, разделено на парафазен сигнал и подавано към хоризонталните отклоняващи плочи, както е показано на фигура 5 (д).

Усилвател X Външен вход

Към крайния усилвател X може да се подава не само напрежение от генератора за почистване, но и външно напрежение, което дава възможност за измерване на честотата и фазата на сигнала, като се използват фигури на Лисаджъс.

Фигура 12. Лисажски фигури

Но входният превключвател X не е показан на функционалната диаграма на фигура 5, както и превключвателят на вида операции за почистване, който беше споменат малко по-горе.

В допълнение към каналите X и Y, осцилоскопът, като всяко електронно устройство, има захранване. Осцилоскопите с малък размер, например, C1-73, C1-101, могат да работят от автомобилна акумулаторна батерия. Между другото, за своето време тези осцилоскопи бяха много добри и все още успешно се използват.

Фигура 13. Осцилоскоп С1-73

Фигура 14. Осцилоскоп С1-101

Появата на осцилоскопите е показана на фигури 13 и 14. Най-изненадващото е, че те все още се предлагат да ги купуват в онлайн магазини. Но цената е такава, че е по-евтино да купувате малки по размер цифрови осцилоскопи на Aliexpress.

Допълнителните устройства за осцилоскоп са вградени калибратори за амплитуда и метене. Това по правило са доста стабилни генератори на правоъгълни импулси, свързвайки ги към входа на осцилоскопа, като използвате настройващите елементи, които можете да конфигурирате усилвателите X и Y. Между другото, съвременните калибратори също имат такива калибратори.

Как да използвате осцилоскопа, методите и методите за измерване ще бъде разгледано в следващата статия.

Продължение на статията: Как да използвате осцилоскопа

Борис Аладишкин