Oscilloscope elektronik - peranti, prinsip operasi

Radio amatur, sebagai hobi, adalah aktiviti yang sangat menarik, dan, boleh dikatakan, ketagihan. Ramai yang datang ke dalamnya pada tahun-tahun sekolah yang indah, dan dari masa ke masa, hobi ini boleh menjadi profesion seumur hidup. Walaupun anda tidak boleh mendapatkan pendidikan kejuruteraan radio yang lebih tinggi, kajian bebas elektronik membolehkan anda mencapai hasil dan kejayaan yang sangat tinggi. Pada satu masa, majalah Radio memanggil jurutera pakar seperti tanpa diploma.

Eksperimen pertama dengan elektronik bermula, sebagai peraturan, dengan pemasangan litar paling mudah, yang mula bekerja dengan segera tanpa penyesuaian dan persediaan. Selalunya ini adalah pelbagai penjana, panggilan, bekalan kuasa bersahaja. Semua ini boleh dikumpulkan dengan membaca sejumlah kecil kesusasteraan, hanya deskripsi corak yang boleh diulangi. Pada tahap ini, sebagai peraturan, adalah mungkin untuk dilakukan dengan set alat minimum: besi pematerian, pemotong sisi, pisau dan beberapa pemutar skru.

Secara beransur-ansur, reka bentuk menjadi lebih rumit, dan lambat laun ternyata bahawa tanpa penyesuaian dan penalaan mereka tidak akan berfungsi. Oleh itu, anda perlu memperoleh instrumen pengukur nipis, dan lebih cepat lebih baik. Generasi lama jurutera elektronika mempunyai penguji penunjuk dengan peranti sedemikian.

Pada masa ini, penguji suis, yang sering dipanggil sebuah avometer, telah diganti multimeter digital. Ini boleh didapati dalam artikel "Cara menggunakan multimeter digital." Walaupun penguji penunjuk lama yang baik tidak melepaskan jawatannya, dan dalam beberapa kes penggunaannya lebih baik berbanding dengan peranti digital.

Kedua-dua peranti ini membolehkan anda untuk mengukur voltan, arus dan rintangan yang terus dan bergantian. Sekiranya voltan tetap mudah diukur, cukuplah untuk mengetahui nilai sahaja, maka dengan voltan selang ada beberapa nuansa.

Hakikatnya, kedua-dua alat penunjuk dan alat digital moden direka untuk mengukur voltan selang sinusoidal, dan, dalam julat frekuensi yang agak terhad: hasil pengukuran akan menjadi nilai sebenar voltan berselang.

Jika peranti tersebut mengukur voltan bentuk segiempat tepat, segitiga atau gergaji, maka pembacaan pada skala peranti tentu saja, tetapi anda tidak perlu menjamin ketepatan pengukuran. Nah, hanya ada ketegangan, dan mana yang tidak diketahui. Dan bagaimanakah dalam kes seperti itu, bagaimana untuk meneruskan pembaikan dan pembangunan litar elektronik baru yang semakin kompleks? Di sini, amatur radio datang ke panggung apabila anda perlu membeli osiloskop.

Sedikit sejarah

Dengan bantuan peranti ini, anda dapat melihat dengan mata anda sendiri apa yang berlaku dalam litar elektronik: apakah bentuk isyarat, di mana ia muncul atau hilang, masa dan fasa hubungan isyarat. Untuk melihat beberapa isyarat, sekurang-kurangnya satu osiloskop dua-rim diperlukan.

Di sini kita boleh mengingat cerita yang jauh, ketika pada tahun 1969, lima-balok osiloskop C1-33, yang dihasilkan secara besar-besaran oleh Loji Vilnius, telah diwujudkan. Peranti itu menggunakan CRT 22LO1A, yang hanya digunakan dalam pembangunan ini. Pelanggan peranti ini tentunya, kompleks perindustrian ketenteraan.

Secara struktural, peralatan ini diperbuat daripada dua blok yang dipasang pada rak dengan roda: oscilloscope itu sendiri dan bekalan kuasa. Jumlah berat strukturnya ialah 160 kg! Skop ini termasuk kamera rakaman RFK-5 yang dipasang pada skrin, yang memastikan rakaman bentuk gelombang pada filem. Penampilan osiloskop lima-rasuk C1-33 dengan kamera dipasang ditunjukkan pada Rajah 1.

Rajah 1. oscilloscope lima-rasuk C1-33, 1969

Elektronik moden memungkinkan untuk membuat oscilloscopes digital pegang tangan saiz telefon bimbit. Salah satu alat tersebut ditunjukkan dalam Rajah 2. Tetapi ini akan dibincangkan kemudian.

Rajah 2. DS203 Pocket Digital Oscilloscope

Oscilloscopes pelbagai jenis

Sehingga baru-baru ini, beberapa jenis oscilloscopes rasuk elektron dihasilkan. Pertama sekali, ini adalah osiloskop sejagat, yang paling sering digunakan untuk tujuan praktikal. Sebagai tambahan kepada mereka, penyimpanan oscilloscopes berdasarkan CRT penyimpanan, kelajuan tinggi, stroboscopic, dan khas juga dihasilkan. Jenis-jenis yang terakhir ini bertujuan untuk pelbagai masalah saintifik tertentu, yang oscilloscopy digital moden kini berjaya ditangani. Oleh itu, kita akan menumpukan kepada oscilloscopy elektronik umum tujuan umum.

Peranti CRT

Bahagian utama oscilloscope elektronik, tentu saja, adalah tiub sinar katod - CRT. Peranti ditunjukkan dalam Rajah 3.

Rajah 3. Alat CRT

Secara struktural, CRT adalah silinder kaca panjang 10 bentuk silinder dengan sambungan berbentuk kerucut. Bahagian bawah pelanjutan ini, yang merupakan skrin CRT, disalut dengan fosfor yang memancarkan cahaya yang kelihatan apabila rasuk elektron memukulnya 11. Banyak CRT mempunyai skrin segi empat tepat dengan bahagian yang diterapkan secara langsung ke kaca. Ia adalah skrin ini yang merupakan penunjuk osiloskop.

Rasuk elektron dibentuk oleh pistol elektron

Pemanas 1 memanaskan katod 2, yang mula memancarkan elektron. Dalam fizik, fenomena ini dipanggil pelepasan termionik. Tetapi elektron yang dipancarkan oleh katod tidak akan terbang jauh, mereka hanya akan duduk di atas katod. Untuk mendapatkan rasuk daripada elektron ini, beberapa elektrod diperlukan.

Ini adalah elektrod fokus 4 dan anoda 5 yang disambungkan ke aquadag 8. Di bawah pengaruh medan elektrik elektrod ini, elektron memecah dari katod, mempercepatkan, memusatkan ke dalam pancaran nipis dan terburu-buru ke skrin yang ditutup dengan fosfor, menyebabkan fosfor menjadi bersinar. Bersama-sama, elektrod ini dipanggil senjata elektron.

Mencapai permukaan skrin, pancaran elektron bukan sahaja menimbulkan cahaya, tetapi juga mengetuk elektron sekunder dari fosfor, yang menyebabkan pancaran untuk memfokus. Aquadag yang disebutkan di atas, yang merupakan lapisan grafit permukaan dalaman tiub, berfungsi untuk mengeluarkan elektron sekunder ini. Sebagai tambahan, aquadag pada tahap tertentu melindungi balok dari medan elektrostatik luaran. Tetapi perlindungan sedemikian tidak mencukupi, oleh itu, bahagian silinder CRT, di mana elektrod terletak, diletakkan dalam skrin logam yang diperbuat daripada keluli elektrik atau permalloy.

Modulator 3 terletak di antara katod dan elektrod yang memfokuskan. Tujuannya adalah untuk mengawal arus balok, yang membolehkan balok dimatikan semasa menyapu terbalik dan disorot semasa stroke ke hadapan. Dalam lampu penguat, elektrod ini dipanggil grid kawalan. Modulator, memfokus elektrod dan anod mempunyai lubang pusat di mana rasuk elektron terbang.

Menanggalkan Plat A CRT mempunyai dua pasang plat pemesongan. Ini adalah plat pesongan menegak dari rasuk 6 - plat Y, yang mana isyarat yang diselidiki dibekalkan, dan plat pesongan mendatar 7 - plat X, dan voltan melintang dikenakan kepada mereka. Jika plat pesongan tidak disambungkan di mana-mana, titik bercahaya akan muncul di tengah-tengah skrin CRT. Dalam angka ini, ini adalah titik O2. Sememangnya, voltan bekalan mesti digunakan pada telefon bimbit.

Di sinilah titik penting perlu dibuat. Apabila titik berhenti, tanpa bergerak ke mana-mana, ia hanya boleh membakar fosfor, dan titik hitam selamanya kekal pada skrin CRT. Ini boleh berlaku semasa proses pembaikan oscilloscope atau dengan penghasilan sendiri alat amatur mudah.Oleh itu, dalam mod ini, anda harus mengurangkan kecerahan sekurang-kurangnya dan memesongkan rasuk - anda masih boleh melihat sama ada ada rasuk atau tidak hadir.

Apabila voltan tertentu digunakan pada plat pesongan, rasuk akan menyimpang dari pusat skrin. Dalam Rajah 3, rasuk memesongkan ke titik O3. Jika voltan berubah, rasuk akan menggambar garis lurus pada skrin. Fenomena ini digunakan untuk membuat imej isyarat yang dikaji pada skrin. Untuk mendapatkan imej dua dimensi pada skrin, dua isyarat mesti digunakan: isyarat ujian - digunakan pada plat Y, dan voltan pengimbasan - digunakan pada plat X. Kita boleh katakan bahawa graf dengan paksi koordinat X dan Y diperoleh pada skrin.

Imbasan melintang

Ia adalah imbasan mendatar yang membentuk paksi X grafik pada skrin.

Rajah 4. Voltan menyapu

Seperti yang dapat dilihat dalam angka, imbasan mendatar dilakukan oleh voltan gergaji, yang boleh dibahagikan kepada dua bahagian: ke hadapan dan terbalik (Rajah 4a). Semasa stroke ke hadapan, balok bergerak seragam merentasi skrin dari kiri ke kanan, dan apabila sampai ke tepi kanan dengan cepat kembali. Ini dipanggil strok terbalik. Semasa stroke ke hadapan, nadi latar belakang dijana, yang disalurkan ke modulator tiub, dan titik bercahaya muncul pada skrin, melukis garis mendatar (Rajah 4b).

Voltan ke hadapan, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 4, bermula daripada sifar (rasuk di tengah skrin) dan berubah kepada voltan Umax. Oleh itu, rasuk akan bergerak dari pusat skrin ke tepi kanan, iaitu. hanya separuh skrin. Untuk memulakan imbasan dari tepi kiri skrin, balok akan beralih ke kiri dengan menggunakan voltan bias kepadanya. Offset rasuk dikawal oleh pemegang di panel hadapan.

Semasa stroke pulang, nadi latar belakang berakhir dan rasuk keluar. Kedudukan relatif dari nadi lampu belakang dan voltan menyapu gergaji boleh dilihat pada gambarajah fungsi oscilloscope yang ditunjukkan dalam Rajah 5. Walaupun pelbagai gambar rajah litar osiloskop, litar fungsian mereka adalah kira-kira sama, sama seperti yang ditunjukkan dalam rajah tersebut.

Rajah 5. Rajah gambarajah oscilloscope

Kepekaan CRT

Ia ditentukan oleh pekali sisihan, menunjukkan berapa banyak milimeter yang mengalihkan rasuk apabila voltan malar 1 V dikenakan pada plat. Bagi pelbagai CRT, nilai ini berada dalam lingkungan 0.15 ... 2 mm / V. Ternyata dengan menggunakan voltan 1 V ke plat yang membelok, rasuk dapat menggerakkan rasuk hanya dengan 2 mm, dan ini dalam keadaan terbaik. Untuk membelokkan rasuk dengan satu sentimeter (10 mm), voltan 10/2 = 5V diperlukan. Dengan kepekaan 0.15 mm / V untuk pergerakan yang sama, 10 / 0.15 = 66.666V diperlukan.

Oleh itu, untuk mendapatkan penyelewengan rasuk yang ketara dari pusat skrin, isyarat yang disiasat diperkuatkan oleh penguat saluran menegak kepada beberapa puluh volt. Saluran amplifikasi mendatar, dengan mana imbasan dijalankan, mempunyai voltan keluaran yang sama.

Oscilloscop paling universal mempunyai sensitiviti maksimum 5mV / cm. Apabila menggunakan CRT jenis 8LO6I dengan voltan masukan 5 mV, plat yang memesong memerlukan voltan 8.5 V untuk menggerakkan rasuk 1 cm. Adalah mudah untuk mengira bahawa ini memerlukan penguatan lebih daripada 1,500 kali.

Keuntungan semacam itu mesti diperolehi dalam keseluruhan jalur pas, dan semakin tinggi frekuensi, semakin rendah keuntungan, yang mana terdapat pada mana-mana penguat. Passband dicirikan oleh frekuensi atas sehingga. Pada frekuensi ini, keuntungan saluran pesongan menegak menurun sebanyak 1.4 kali atau 3 dB. Untuk kebanyakan oscilloscop universal, band ini adalah 5 MHz.

Dan apa yang akan berlaku jika kekerapan isyarat masukan melebihi frekuensi atas, sebagai contoh, ... 10 MHz? Adakah dia dapat melihatnya di skrin? Ya, ia akan kelihatan, tetapi amplitud isyarat tidak boleh diukur. Anda hanya boleh pastikan ada isyarat atau tidak. Kadang-kadang maklumat tersebut cukup mencukupi.

Sisihan menegak saluran. Pembahagi input

Isyarat yang dikaji disalurkan kepada input saluran sisihan menegak melalui pembahagi masukan, ditunjukkan dalam Rajah 6. Selalunya pembahagi input dipanggil attenuator.

Rajah 6. Pembahagi input sisihan saluran menegak

Menggunakan pembahagi masukan, ia menjadi mungkin untuk mengkaji isyarat masukan dari beberapa millivolts kepada beberapa puluh volt. Dalam kes apabila isyarat input melebihi keupayaan pembahagi masukan, probe input dengan nisbah bahagian 1:10 atau 1:20 digunakan. Kemudian batas 5V / div menjadi 50V / div atau 100V / div, yang memungkinkan untuk mengkaji isyarat dengan voltan yang signifikan.

Pintu terbuka dan tertutup

Di sini (Rajah 6), anda boleh melihat suis B1, yang memungkinkan untuk menggunakan isyarat melalui kapasitor (input tertutup) atau langsung kepada input pembahagi (input terbuka). Apabila menggunakan mod "input tertutup", adalah mungkin untuk mengkaji komponen berubah isyarat, mengabaikan komponen yang berterusan. Gambar rajah mudah yang ditunjukkan dalam Rajah 7 akan membantu menjelaskan apa yang telah dikatakan. Rangka rajah dicipta dalam program Multisim, supaya segala sesuatu dalam angka ini, walaupun hampir, adalah adil.

Rajah 7. Penguat tahap pada transistor tunggal

Isyarat input dengan amplitud 10 mV melalui kapasitor C1 diberi kepada pangkalan transistor Q1. Dengan memilih resistor R2, voltan pada pengumpul transistor ditetapkan sama dengan separuh voltan bekalan (dalam kes ini 6V), yang membolehkan transistor berfungsi dalam mod linear (menguatkan). Output dipantau oleh XSC1. Rajah 8 menunjukkan hasil pengukuran dalam mod input terbuka, pada osiloskop, butang DC (terus arus) ditekan.

Rajah 8. Pengukuran dalam mod input terbuka (saluran A)

Di sini anda dapat melihat (saluran A) hanya voltan pada pengumpul transistor, 6V yang sama yang baru disebutkan. Rasuk dalam saluran A "melepaskan" pada 6V, tetapi amplifikasi sinusoid pada pengumpul tidak berlaku. Ia tidak dapat dilihat dengan sensitiviti saluran 5V / Div. Rasuk saluran A dalam rajah ditunjukkan dengan warna merah.

Isyarat dari penjana digunakan untuk input B, angka ditunjukkan dalam warna biru. Ini adalah gelombang sinus dengan amplitud 10 mV.

Rajah 9. Pengukuran dalam mod input tertutup

Sekarang, tekan butang AC dalam saluran A - arus bolak, ini sebenarnya merupakan input tertutup. Di sini anda dapat melihat isyarat amplifikasi - sinusoid dengan amplitud 87 millivolt. Ternyata cascade pada satu transistor menguatkan isyarat dengan amplitud 10 mV sebanyak 8.7 kali. Angka-angka dalam tetingkap segiempat tepat di bawah skrin menunjukkan voltan dan masa di lokasi penanda T1, T2. Penanda yang sama boleh didapati dalam oscilloscopy digital moden. Itulah sebenarnya yang boleh dikatakan mengenai pintu masuk terbuka dan tertutup. Dan sekarang mari kita meneruskan cerita tentang penguat pesongan menegak.

Penguat pra

Selepas pembahagi input, isyarat yang disiasat pergi ke preamplifier, dan, melalui garis kelewatan, memasuki penguat terminal saluran Y (Rajah 5). Selepas penguatan yang diperlukan, isyarat memasuki plat pesongan menegak.

Preamplifier memecah isyarat masukan ke dalam komponen paraphase untuk membekalkannya ke penguat terminal Y. Di samping itu, isyarat masukan dari preamplifier diberi kepada pemicu menyapu, yang memberikan imej segerak pada skrin semasa menyapu ke depan.

Garis penangguhan menangguhkan isyarat masukan berbanding permulaan voltan menyapu, yang memungkinkan untuk mengamati kelebihan denyut nadi, seperti ditunjukkan dalam Rajah 5 b). Sesetengah oscilloscopes tidak mempunyai garis penangguhan, yang, pada dasarnya, tidak mengganggu kajian isyarat berkala.

Saluran menyapu

Isyarat input dari preamplifier juga diberi input kepada pemicu sapu.Dorong yang dihasilkan bermula penjana menyapu, yang menghasilkan voltan gergaji gerak yang lancar. Kadar slew dan tempoh voltan menyapu dipilih oleh suis Waktu / Div, yang memungkinkan untuk mengkaji isyarat masukan dalam julat frekuensi yang luas.

Siaran sedemikian dipanggil dalaman, iaitu mencetuskan datang dari isyarat yang disiasat. Biasanya, oscilloscopes mempunyai suis imbasan "Dalaman / Luaran", atas alasan yang tidak ditunjukkan dalam gambarajah fungsian dalam Rajah 5. Dalam mod pemacu luar, imbasan boleh dicetuskan bukan oleh isyarat yang disiasat, tetapi oleh isyarat lain yang mana isyarat yang disiasat bergantung.

Ini boleh, sebagai contoh, garisan lengah pemicu nadi. Kemudian, walaupun dengan osiloskop tunggal-rasuk, anda boleh mengukur nisbah masa dua isyarat. Tetapi lebih baik untuk melakukan ini dengan osiloskop dua-rasuk, jika, sudah tentu, ia adalah di tangan.

Tempoh sapuan harus dipilih berdasarkan kekerapan (tempoh) isyarat yang diselidiki. Katakan bahawa frekuensi isyarat adalah 1KHz, iaitu i.e. tempoh isyarat 1ms. Imej sinusoid dengan tempoh imbasan 1ms / div ditunjukkan pada Rajah 10.

Rajah 10

Dengan masa imbasan 1ms / div, satu tempoh gelombang sinus 1KHz menduduki tepat satu bahagian skala di sepanjang paksi Y. Imbasan disegerakkan dari balok A di sepanjang tepi menaik dari segi tahap isyarat masukan 0V. Oleh itu, gelombang sinus pada skrin bermula dengan kitaran separuh positif.

Jika tempoh imbasan diubah kepada 500 μs / div (0.5 ms / div), maka satu tempoh sinusoid akan menduduki dua bahagian di skrin, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 11, yang tentunya lebih mudah untuk memerhatikan isyarat.

Rajah 11

Sebagai tambahan kepada voltan gergaji itu sendiri, penjana menyapu juga menghasilkan denyut lampu belakang, yang diberi makan kepada modulator dan "menyalakan" rasuk elektron (Rajah 5 g). Tempoh nadi lampu belakang adalah sama dengan tempoh rasuk hadapan. Semasa stroke pulang, tiada nadi lampu belakang dan rasuk keluar. Jika tidak ada blanking blanking, sesuatu yang tidak difahami akan muncul di skrin: stroke terbalik, dan juga dimodulasi oleh isyarat masukan, hanya melintasi semua kandungan berguna bentuk gelombang.

Voltan menyapu gerudi gerigi dibekalkan kepada penguat terminal saluran X, berpecah menjadi isyarat paraphase dan disalurkan ke plat pesongan mendatar, seperti ditunjukkan dalam Rajah 5 (e).

Amplifier Input Luaran X

Bukan sahaja voltan daripada penjana menyapu, tetapi juga voltan luaran boleh dibekalkan kepada penguat terminal X, yang memungkinkan untuk mengukur kekerapan dan fasa isyarat menggunakan angka Lissajous.

Rajah 12. Angka Lissajous

Tetapi suis input X tidak ditunjukkan pada rajah fungsional dalam Rajah 5, serta suis jenis operasi menyapu, yang disebutkan di atas.

Selain saluran X dan Y, oscilloscope, seperti mana-mana peranti elektronik, mempunyai bekalan kuasa. Oscilloscopy bersaiz kecil, contohnya, C1-73, C1-101 boleh berfungsi dari bateri kereta. Dengan cara ini, untuk masa mereka, oscilloscopes ini sangat baik, dan masih digunakan dengan jayanya.

Rajah 13. Oscilloscope C1-73

Rajah 14. Oscilloscope C1-101

Penampilan oscilloscopes ditunjukkan dalam Rajah 13 dan 14. Yang paling menghairankan ialah mereka masih ditawarkan untuk membeli mereka di kedai dalam talian. Tetapi harganya adalah lebih murah untuk membeli oscilloscopes digital bersaiz kecil di Aliexpress.

Peranti osiloskop tambahan adalah amplitud terbina dalam dan calibrator sapu. Ini, sebagai peraturan, penjana nadi segi empat tepat yang agak stabil, menyambungkannya kepada input oscilloscope, menggunakan unsur penalaan yang anda boleh mengkonfigurasi penguat X dan Y. Dengan cara ini, oscilloscopy digital moden juga mempunyai pengatur sebegitu.

Cara menggunakan oscilloscope, kaedah dan kaedah pengukuran akan dibincangkan dalam artikel seterusnya.

Penerusan artikel: Bagaimana menggunakan oscilloscope

Boris Aladyshkin