Elektronische oscilloscoop - apparaat, werkingsprincipe

Amateurradio is als hobby een zeer opwindende activiteit en, je kunt zeggen, verslavend. Velen komen eraan in de prachtige schooljaren en na verloop van tijd kan deze hobby een beroep voor het leven worden. Zelfs als je geen hogere opleiding radiotechniek kunt krijgen, kun je dankzij onafhankelijke studie van elektronica zeer hoge resultaten en succes behalen. Ooit noemde Radio Magazine dergelijke gespecialiseerde ingenieurs zonder diploma's.

De eerste experimenten met elektronica beginnen in de regel met de assemblage van de eenvoudigste circuits, die onmiddellijk beginnen te werken zonder aanpassing en instelling. Meestal zijn dit verschillende generatoren, oproepen, pretentieloze voedingen. Dit alles kan worden verzameld door een minimale hoeveelheid literatuur te lezen, alleen beschrijvingen van herhaalbare patronen. In dit stadium is het in de regel mogelijk om rond te komen met een minimale set gereedschappen: een soldeerbout, zijsnijders, een mes en verschillende schroevendraaiers.

Geleidelijk aan worden de ontwerpen gecompliceerder en vroeg of laat blijken ze zonder aanpassing en afstemming gewoon niet te werken. Daarom moet u dunne meetinstrumenten aanschaffen, en hoe eerder hoe beter. De oudere generatie elektronica-ingenieurs had een pointer tester met een dergelijk apparaat.

Momenteel is de schakeltester, vaak een avometer genoemd, vervangen digitale multimeter. Dit is te vinden in het artikel 'Een digitale multimeter gebruiken'. Hoewel de goede oude pointer tester zijn posities niet opgeeft, en in sommige gevallen het gebruik ervan de voorkeur heeft in vergelijking met een digitaal apparaat.

Met beide apparaten kunt u directe en afwisselende spanningen, stromen en weerstanden meten. Als constante spanningen eenvoudig te meten zijn, is het voldoende om alleen de waarde te achterhalen, en bij wisselspanningen zijn er enkele nuances.

Het feit is dat zowel wijzer als moderne digitale apparaten zijn ontworpen om een ​​sinusvormige wisselspanning te meten, en in een vrij beperkt frequentiebereik: het resultaat van de meting is de werkelijke waarde van de wisselspanning.

Als dergelijke apparaten de spanning van een rechthoekige, driehoekige of zaagtandvorm meten, zijn de waarden op de schaal van het apparaat natuurlijk, maar u hoeft niet te instaan ​​voor de nauwkeurigheid van de metingen. Nou, er is gewoon spanning, en welke is niet precies bekend. En hoe moet men in dergelijke gevallen zijn, hoe kunnen we de reparatie en ontwikkeling van nieuwe, steeds complexere elektronische circuits voortzetten? Hier komt de radioamateur op het podium wanneer je een oscilloscoop moet kopen.

Een beetje geschiedenis

Met behulp van dit apparaat kunt u met eigen ogen zien wat er gebeurt in elektronische circuits: wat is de vorm van het signaal, waar het verscheen of verdween, de tijd- en faserelaties van de signalen. Om meerdere signalen waar te nemen, is ten minste een oscilloscoop met twee bundels vereist.

Hier kunnen we ons een verhaal in de verte herinneren, toen in 1969 de vijfstraal-oscilloscoop C1-33 werd gemaakt, die in massa werd geproduceerd door de fabriek in Vilnius. Het apparaat gebruikte een CRT 22LO1A, die alleen in deze ontwikkeling werd gebruikt. De klant van dit apparaat was natuurlijk het militair-industrieel complex.

Structureel was dit apparaat gemaakt van twee blokken die op een rek met wielen waren geplaatst: de oscilloscoop zelf en de voeding. Het totale gewicht van de structuur was 160 kg! Het toepassingsgebied omvatte een RFK-5-opnamecamera die op het scherm was bevestigd, waardoor golfvormen op film konden worden opgenomen. Het uiterlijk van de C1-33 vijfstraal-oscilloscoop met de camera is weergegeven in figuur 1.

Figuur 1. Vijf-bundel oscilloscoop C1-33, 1969

Moderne elektronica maakt het mogelijk om handheld digitale oscilloscopen te maken ter grootte van een mobiele telefoon. Een van dergelijke apparaten wordt getoond in figuur 2. Maar dit zal later worden besproken.

Figuur 2. DS203 Pocket digitale oscilloscoop

Oscilloscopen van verschillende typen

Tot voor kort werden verschillende soorten elektronenstraaloscilloscopen geproduceerd. Allereerst zijn dit universele oscilloscopen, die meestal voor praktische doeleinden worden gebruikt. Daarnaast werden ook opslagoscilloscopen op basis van CRT's voor opslag, high-speed, stroboscopische en speciale exemplaren geproduceerd. De laatste typen waren bedoeld voor verschillende specifieke wetenschappelijke taken, waar moderne digitale oscilloscopen momenteel met succes mee omgaan. Daarom zullen we ons verder concentreren op universele elektronische oscilloscopen voor algemeen gebruik.

CRT-apparaat

Het belangrijkste deel van de elektronische oscilloscoop is natuurlijk de kathodestraalbuis - CRT. Het apparaat is weergegeven in figuur 3.

Figuur 3. CRT-apparaat

Structureel is een CRT een lange glazen cilinder 10 met een cilindrische vorm met een kegelvormige verlenging. De onderkant van deze extensie, die een CRT-scherm is, is bedekt met een fosfor die een zichtbare gloed uitzendt wanneer een elektronenstraal deze 11 raakt. Veel CRT's hebben een rechthoekig scherm met scheidingen die rechtstreeks op het glas zijn aangebracht. Het is dit scherm dat de indicator van de oscilloscoop is.

Een elektronenstraal wordt gevormd door een elektronenkanon

Verwarmer 1 verwarmt de kathode 2, die elektronen begint uit te zenden. In de natuurkunde wordt dit fenomeen thermionische emissie genoemd. Maar de elektronen die worden uitgezonden door de kathode zullen niet ver weg vliegen, ze zullen gewoon achterover leunen op de kathode. Om een ​​straal van deze elektronen te verkrijgen, zijn nog een aantal elektroden nodig.

Dit is de focusseerelektrode 4 en de anode 5 verbonden met de aquadag 8. Onder invloed van het elektrische veld van deze elektroden breken de elektronen weg van de kathode, versnellen, concentreren zich in een dunne straal en rennen naar het scherm bedekt met de fosfor, waardoor de fosfor gloeit. Samen worden deze elektroden elektronenkanonnen genoemd.

Bij het bereiken van het oppervlak van het scherm veroorzaakt de elektronenstraal niet alleen een gloed, maar slaat ook secundaire elektronen uit de fosfor, waardoor de straal onscherp wordt. De hierboven genoemde aquadag, die een grafietcoating van het binnenoppervlak van de buis is, dient om deze secundaire elektronen te verwijderen. Bovendien beschermt aquadag de straal tot op zekere hoogte tegen externe elektrostatische velden. Maar een dergelijke bescherming is niet voldoende, daarom wordt het cilindrische deel van de CRT, waar de elektroden zich bevinden, geplaatst in een metalen scherm gemaakt van elektrisch staal of permalloy.

Een modulator 3 bevindt zich tussen de kathode en de focusseerelektrode en heeft tot doel de bundelstroom te regelen, waardoor de bundel tijdens de achterwaartse zwaai kan worden gedoofd en tijdens de voorwaartse slag kan worden gemarkeerd. In versterkingslampen wordt deze elektrode een besturingsrooster genoemd. De modulator, focusseerelektrode en anode hebben centrale gaten waardoor de elektronenstraal vliegt.

Afbuigplaten Een CRT heeft twee paar afbuigplaten. Dit zijn de platen van de verticale afbuiging van de bundel 6 - de plaat Y, waaraan het onderzochte signaal wordt geleverd, en de platen van de horizontale afbuiging 7 - de plaat X, en de horizontale spanning wordt daarop toegepast. Als de afbuigplaten nergens zijn aangesloten, verschijnt er een lichtpunt in het midden van het CRT-scherm. In de figuur is dit het punt O2. Uiteraard moet de voedingsspanning op de handset worden toegepast.

Dit is waar een belangrijk punt moet worden gemaakt. Wanneer de stip stilstaat, zonder ergens naartoe te gaan, kan deze eenvoudig de fosfor verbranden en blijft een zwarte stip voor altijd op het CRT-scherm staan. Dit kan gebeuren tijdens het reparatieproces van de oscilloscoop of met de zelfproductie van een eenvoudig amateurapparaat.Daarom moet u in deze modus de helderheid tot een minimum beperken en de straal onscherp maken - u kunt nog steeds zien of er een straal is of ontbreekt.

Wanneer een bepaalde spanning op de afbuigplaten wordt toegepast, wijkt de straal af van het midden van het scherm. In figuur 3 buigt de straal af naar punt O3. Als de spanning verandert, trekt de straal een rechte lijn op het scherm. Het is dit fenomeen dat wordt gebruikt om het beeld van het bestudeerde signaal op het scherm te creëren. Om een ​​tweedimensionaal beeld op het scherm te krijgen, moeten twee signalen worden toegepast: het testsignaal - toegepast op de Y-platen en de scanspanning - toegepast op de X-platen. We kunnen zeggen dat een grafiek met de coördinaatassen X en Y op het scherm wordt verkregen.

Horizontale scan

Het is de horizontale scan die de X-as van de grafiek op het scherm vormt.

Figuur 4. Veegspanning

Zoals te zien is in de figuur, wordt de horizontale scan uitgevoerd door zaagtandspanning, die in twee delen kan worden verdeeld: vooruit en achteruit (afb. 4a). Tijdens de voorwaartse beweging beweegt de straal uniform van links naar rechts over het scherm en bij het bereiken van de rechterrand keert snel terug. Dit wordt een omgekeerde slag genoemd. Tijdens de voorwaartse slag wordt een tegenlichtpuls gegenereerd die aan de buismodulator wordt toegevoerd en verschijnt een lichtgevende stip op het scherm die een horizontale lijn trekt (fig. 4b).

De voorwaartse spanning, zoals weergegeven in figuur 4, begint vanaf nul (een balk in het midden van het scherm) en verandert in een spanning van Umax. Daarom zal de straal van het midden van het scherm naar de rechterrand bewegen, d.w.z. slechts de helft van het scherm. Om de scan vanaf de linkerrand van het scherm te starten, wordt de straal naar links verschoven door er een voorspanning op aan te leggen. De bundeloffset wordt geregeld door een hendel op het voorpaneel.

Tijdens de teruggaande slag eindigt de achtergrondlichtpuls en gaat de straal uit. De relatieve positie van de achtergrondverlichtingspuls en de zaagtand-veegspanning zijn te zien op het functionele oscilloscoopdiagram getoond in figuur 5. Ondanks de verscheidenheid aan oscilloscoopcircuitdiagrammen, zijn hun functionele circuits ongeveer hetzelfde, vergelijkbaar met die getoond in de figuur.

Figuur 5. Functioneel diagram van de oscilloscoop

CRT-gevoeligheid

Het wordt bepaald door de afwijkingscoëfficiënt, die aangeeft hoeveel millimeter de straal afbuigt wanneer een constante spanning van 1 V op de platen wordt aangelegd. Voor verschillende CRT's ligt deze waarde in het bereik van 0,15 ... 2 mm / V. Het blijkt dat door een spanning van 1 V op de afbuigplaten aan te leggen, de straal de straal slechts 2 mm kan verplaatsen, en dit is in het beste geval. Om de straal een centimeter (10 mm) af te buigen, is een spanning van 10/2 = 5V vereist. Met een gevoeligheid van 0,15 mm / V voor dezelfde beweging is 10 / 0,15 = 66.666V nodig.

Om een ​​merkbare afwijking van de bundel vanuit het midden van het scherm te verkrijgen, wordt daarom het onderzochte signaal versterkt door een verticale kanaalversterker tot enkele tientallen volt. Het kanaal van horizontale versterking, waarmee een scan wordt uitgevoerd, heeft dezelfde uitgangsspanning.

De meeste universele oscilloscopen hebben een maximale gevoeligheid van 5mV / cm. Bij gebruik van een CRT van het type 8LO6I met een ingangsspanning van 5 mV, hebben afbuigplaten een spanning van 8,5 V nodig om de straal 1 cm te verplaatsen. Het is gemakkelijk om te berekenen dat hiervoor meer dan 1500 keer versterking nodig is.

Een dergelijke versterking moet worden verkregen in de gehele passband, en hoe hoger de frequentie, hoe lager de versterking, die inherent is aan eventuele versterkers. De passband wordt gekenmerkt door een hogere frequentie f up. Bij deze frequentie neemt de versterking van het verticale afbuigkanaal met 1,4 maal of met 3 dB af. Voor de meeste universele oscilloscopen is deze band 5 MHz.

En wat gebeurt er als de frequentie van het ingangssignaal de bovenste frequentie overschrijdt, bijvoorbeeld 8 ... 10 MHz? Zal ze het op het scherm kunnen zien? Ja, het is zichtbaar, maar de signaalamplitude kan niet worden gemeten. U kunt alleen controleren of er een signaal is of niet. Soms is dergelijke informatie voldoende.

Kanaal verticale afwijking. Invoerverdeler

Het bestudeerde signaal wordt via de ingangsdeler aan de ingang van het kanaal van de verticale afwijking toegevoerd, zie figuur 6. Vaak wordt de ingangsdeler een verzwakker genoemd.

Figuur 6. De invoerdeler van de verticale afwijking van het kanaal

Met behulp van de ingangsdeler wordt het mogelijk om het ingangssignaal van enkele millivolt tot enkele tientallen volt te bestuderen. In het geval dat het ingangssignaal de mogelijkheden van de ingangsdeler overschrijdt, worden ingangssondes met een delingsverhouding van 1:10 of 1:20 gebruikt. Dan wordt de limiet van 5V / div 50V / div of 100V / div, wat het mogelijk maakt om signalen met significante spanningen te bestuderen.

Open en gesloten ingang

Hier (figuur 6) ziet u schakelaar B1, die het mogelijk maakt om een ​​signaal via een condensator (gesloten ingang) of direct op de ingang van de verdeler (open ingang) aan te brengen. Bij gebruik van de "gesloten ingang" -modus is het mogelijk om de variabele component van het signaal te bestuderen, waarbij de constante component ervan wordt genegeerd. Het eenvoudige diagram dat wordt weergegeven in figuur 7. Het kan worden uitgelegd wat er is gezegd. Het diagram is gemaakt in het Multisim-programma, zodat alles in deze figuren, hoewel virtueel, redelijk eerlijk is.

Figuur 7. Versterkertrap op een enkele transistor

Een ingangssignaal met een amplitude van 10 mV via een condensator Cl wordt toegevoerd aan de basis van de transistor Q1. Door weerstand R2 te selecteren, wordt de spanning op de collector van de transistor ingesteld op de helft van de voedingsspanning (in dit geval 6V), waardoor de transistor in een lineaire (versterkende) modus kan werken. De output wordt bewaakt door de XSC1. Afbeelding 8 toont het meetresultaat in open invoermodus, op de oscilloscoop wordt op de knop DC (gelijkstroom) gedrukt.

Figuur 8. Metingen in open invoermodus (kanaal A)

Hier zie je (kanaal A) alleen de spanning op de collector van de transistor, dezelfde 6V die zojuist werd genoemd. De straal in kanaal A "nam af" bij 6V, maar de versterkte sinusoïde op de collector gebeurde niet. Het kan eenvoudig niet worden onderscheiden met de gevoeligheid van het 5V / Div-kanaal. Kanaal Een balk in de figuur wordt rood weergegeven.

Signaal van de generator wordt toegevoerd aan ingang B, de afbeelding wordt in blauw weergegeven. Dit is een sinusgolf met een amplitude van 10 mV.

Figuur 9. Metingen in gesloten invoermodus

Druk nu op de AC-knop in kanaal A - wisselstroom, dit is eigenlijk een gesloten ingang. Hier zie je het versterkte signaal - een sinusoïde met een amplitude van 87 millivolt. Het blijkt dat de cascade op één transistor het signaal met een amplitude van 10 mV met 8,7 keer versterkt. De getallen in het rechthoekige venster onder het scherm tonen de spanningen en tijden op de locaties van de markeringen T1, T2. Soortgelijke markers zijn beschikbaar in moderne digitale oscilloscopen. Dat is eigenlijk alles wat gezegd kan worden over open en gesloten ingangen. En laten we nu verder gaan met het verhaal over de verticale afbuigversterker.

Voorversterker

Na de ingangsdeler gaat het onderzochte signaal naar de voorversterker en komt, via de vertragingslijn, de eindversterker van kanaal Y binnen (figuur 5). Na de nodige versterking komt het signaal de verticale afbuigplaten binnen.

De voorversterker splitst het ingangssignaal in parafasecomponenten om het aan de eindversterker Y te leveren. Bovendien wordt het ingangssignaal van de voorversterker aan de sweeptrigger toegevoerd, die een synchroon beeld op het scherm geeft tijdens de voorwaartse sweep.

De vertragingslijn vertraagt ​​het ingangssignaal ten opzichte van het begin van de veegspanning, waardoor het mogelijk wordt de voorflank van de puls waar te nemen, zoals weergegeven in figuur 5 b). Sommige oscilloscopen hebben geen vertragingslijn, die in wezen de studie van periodieke signalen niet verstoort.

Kanaal vegen

Het ingangssignaal van de voorversterker wordt ook toegevoerd aan de ingang van de sweeptrigger.De gegenereerde impuls start de sweepgenerator, die een soepel stijgende zaagtandspanning produceert. De draaisnelheid en de sweep-spanningsperiode worden geselecteerd door de Time / Div-schakelaar, die het mogelijk maakt om ingangssignalen in een breed frequentiebereik te bestuderen.

Een dergelijke scan wordt intern genoemd, d.w.z. triggering komt van het signaal dat wordt onderzocht. In het algemeen hebben oscilloscopen een "interne / externe" trigger-trigger, om de een of andere reden niet weergegeven in het functionele diagram in figuur 5. In de externe trigger-modus kan de trigger niet worden geactiveerd door het onderzochte signaal, maar door een ander signaal waarvan het onderzochte signaal afhankelijk is.

Dit kan bijvoorbeeld een triggerpuls voor een vertragingslijn zijn. Dan kunt u zelfs met een oscilloscoop met één bundel de tijdverhouding van twee signalen meten. Maar het is beter om dit te doen met een oscilloscoop met twee bundels, als het natuurlijk bij de hand is.

De duur van de sweep moet worden gekozen op basis van de frequentie (periode) van het onderzochte signaal. Stel dat de signaalfrequentie 1 KHz is, d.w.z. signaalperiode 1ms. Het beeld van een sinusoïde met een scantijd van 1 ms / div wordt weergegeven in figuur 10.

Figuur 10

Met een scantijd van 1 ms / div neemt een sinusgolfperiode van 1 KHz precies één schaalverdeling in langs de Y-as. De scan wordt gesynchroniseerd vanaf bundel A langs een stijgende flank in termen van een ingangssignaalniveau van 0V. Daarom begint de sinusgolf op het scherm met een positieve halve cyclus.

Als de scanduur wordt gewijzigd in 500 microseconden / div (0,5 ms / div), dan zal een periode van de sinusoïde twee divisies op het scherm bezetten, zoals getoond in figuur 11, wat natuurlijk handiger is voor het waarnemen van het signaal.

Figuur 11

Naast de zaagtandspanning zelf, genereert de sweepgenerator ook een tegenlichtpuls, die aan de modulator wordt toegevoerd en de elektronenstraal "ontsteekt" (afb. 5 g). De duur van de achtergrondverlichtingspuls is gelijk aan de duur van de voorwaartse straal. Tijdens de teruggaande slag is er geen tegenlichtpuls en gaat de straal uit. Als er geen bundelonderdrukking is, verschijnt er iets onbegrijpelijks op het scherm: de omgekeerde slag, en zelfs gemoduleerd door het ingangssignaal, schrapt eenvoudig alle nuttige inhoud van de golfvorm.

Een zaagtand-veegspanning wordt geleverd aan de eindversterker van kanaal X, gesplitst in een parafasesignaal en gevoed aan de horizontale afbuigplaten, zoals getoond in figuur 5 (e).

Versterker X Externe ingang

Niet alleen spanning van de sweepgenerator, maar ook externe spanning kan worden geleverd aan de eindversterker X, waardoor het mogelijk is om de frequentie en fase van het signaal te meten met behulp van Lissajous-figuren.

Figuur 12. Lissajous figuren

Maar de ingangsschakelaar X wordt niet getoond op het functionele diagram in figuur 5, evenals de schakelaar van het soort sweep-operaties, die hierboven een beetje werd genoemd.

Naast kanalen X en Y heeft de oscilloscoop, net als elk elektronisch apparaat, een voeding. Kleine oscilloscopen, bijvoorbeeld C1-73, C1-101 kunnen werken op een autobatterij. Trouwens, voor hun tijd waren deze oscilloscopen erg goed en worden ze nog steeds met succes gebruikt.

Afbeelding 13. Oscilloscoop C1-73

Figuur 14. Oscilloscoop C1-101

Het uiterlijk van de oscilloscopen wordt weergegeven in figuur 13 en 14. Het meest verrassende is dat ze nog steeds worden aangeboden om ze in online winkels te kopen. Maar de prijs is zodanig dat het goedkoper is om kleine digitale oscilloscopen op AliExpress te kopen.

Extra oscilloscoop-apparaten zijn ingebouwde amplitude- en sweepkalibratoren. Dit zijn in de regel redelijk stabiele generatoren van rechthoekige pulsen, die ze verbinden met de ingang van de oscilloscoop, met behulp van de afstemmingselementen kunt u de versterkers X en Y configureren. Trouwens, moderne kalibrators hebben ook dergelijke kalibrators.

Het gebruik van de oscilloscoop, methoden en meetmethoden worden in het volgende artikel besproken.

Vervolg van het artikel: Hoe de oscilloscoop te gebruiken

Boris Aladyshkin