Osciloscop electronic - dispozitiv, principiul funcționării

Radio amator, ca hobby, este o activitate foarte interesantă și, se poate spune, dependență. Mulți intră în ea în anii de școală minunați și, în timp, acest hobby poate deveni o profesie pentru viață. Chiar dacă nu puteți obține o educație superioară în domeniul ingineriei radio, studiul independent al electronicelor vă permite să obțineți rezultate și succes foarte mari. La un moment dat, revista Radio a numit astfel de ingineri specialiști fără diplome.

Primele experimente cu electronice încep, de regulă, cu asamblarea celor mai simple circuite, care încep să funcționeze imediat, fără reglare și configurare. Cel mai adesea, acestea sunt diverse generatoare, apeluri, surse de alimentare fără pretenții. Toate acestea pot fi colectate citind o cantitate minimă de literatură, doar descrieri de modele repetabile. În această etapă, de regulă, este posibil să te descurci cu un set minim de unelte: o fieră de lipit, tăietoare laterale, un cuțit și mai multe șurubelnițe.

Treptat, design-urile devin mai complicate și, mai devreme sau mai târziu, se dovedește că, fără ajustare și reglare, pur și simplu nu vor funcționa. Prin urmare, trebuie să achiziționați instrumente de măsurare subțiri și cu atât mai devreme cu atât mai bine. Cea mai veche generație de ingineri electronici avea un tester cu indicatorul cu un astfel de dispozitiv.

În prezent, testerul de comutare, numit adesea avometru, a înlocuit multimetru digital. Acest lucru poate fi găsit în articolul „Cum se utilizează un multimetru digital”. Deși testerul de indicatori vechi nu renunță la pozițiile sale, și în unele cazuri, utilizarea acestuia este de preferat în comparație cu un dispozitiv digital.

Ambele dispozitive vă permit să măsurați tensiuni, curenți și rezistențe directe și alternative. Dacă tensiunile constante sunt ușor de măsurat, este suficient să afli doar valoarea, atunci cu tensiuni alternative, există unele nuanțe.

Cert este că atât dispozitivele digitale cât și cele moderne sunt concepute pentru a măsura o tensiune alternativă sinusoidală și, într-un interval de frecvență destul de limitat: rezultatul măsurării va fi valoarea reală a tensiunii alternative.

Dacă astfel de dispozitive măsoară tensiunea cu o formă dreptunghiulară, triunghiulară sau cu ferăstrău, atunci citirile de pe scala dispozitivului vor fi, bineînțeles, dar nu trebuie să verificați exactitatea măsurătorilor. Ei bine, există pur și simplu tensiune și despre care nu se știe cu siguranță. Și ce să facem în astfel de cazuri, cum să continuăm repararea și dezvoltarea de noi circuite electronice din ce în ce mai complexe? Aici radioamator ajunge la stadiul în care trebuie să cumpărați un osciloscop.

Un pic de istorie

Cu ajutorul acestui dispozitiv puteți vedea cu propriii ochi ce se întâmplă în circuitele electronice: care este forma semnalului, unde a apărut sau a dispărut, relațiile de timp și fază ale semnalelor. Pentru a observa mai multe semnale, este necesar cel puțin un osciloscop cu două raze.

Aici putem aminti o poveste îndepărtată, când în 1969 a fost creat osciloscopul cu cinci fascicule C1-33, care a fost produs în masă de Uzina din Vilnius. Dispozitivul a folosit un CRT 22LO1A, care a fost utilizat doar în această dezvoltare. Clientul acestui dispozitiv a fost, desigur, complexul militar-industrial.

Din punct de vedere structural, acest aparat a fost format din două blocuri așezate pe un suport cu roți: osciloscopul în sine și sursa de alimentare. Greutatea totală a structurii a fost de 160 kg! Domeniul de aplicare a inclus o cameră de înregistrare RFK-5 atașată pe ecran, care asigura înregistrarea formelor de undă pe film. Aspectul osciloscopului cu cinci fascicule C1-33 cu camera instalată este prezentat în figura 1.

Figura 1. Osciloscopul cu cinci raze C1-33, 1969

Electronica modernă face posibilă crearea de osciloscoape digitale portabile de dimensiunea unui telefon mobil. Unul dintre astfel de dispozitive este prezentat în figura 2. Dar acest lucru va fi discutat mai târziu.

Figura 2. Oscilloscop digital de buzunar DS203

Osciloscopuri de diferite tipuri

Până de curând, au fost produse mai multe tipuri de osciloscoape cu fascicul de electroni. În primul rând, acestea sunt osciloscoape universale, care sunt utilizate cel mai adesea în scopuri practice. Pe lângă acestea, au fost produse, de asemenea, osciloscoape de stocare bazate pe CRT-uri de stocare, de mare viteză, stroboscopice și altele speciale. Ultimele tipuri au fost destinate diferitelor probleme științifice specifice, cu care osciloscopii digitale moderne fac față cu succes. De aceea, în continuare, ne vom concentra asupra osciloscoapelor electronice universale de uz general.

Dispozitiv CRT

Partea principală a osciloscopului electronic, desigur, este tubul cu raze catodice - CRT. Dispozitivul său este prezentat în figura 3.

Figura 3. Dispozitivul CRT

Structural, un CRT este un cilindru lung de sticlă 10 de formă cilindrică cu extensie în formă de con. Partea de jos a acestei extensii, care este un ecran CRT, este acoperită cu un fosfor care emite o strălucire vizibilă când un fascicul de electroni îl lovește 11. Multe CRT-uri au un ecran dreptunghiular cu divizii aplicate direct pe sticlă. Acest ecran este indicatorul osciloscopului.

Un fascicul de electroni este format dintr-un pistol cu ​​electroni

Încălzitorul 1 încălzește catodul 2, care începe să emită electroni. În fizică, acest fenomen se numește emisie termionică. Dar electronii emiți de catod nu vor zbura departe, ei vor sta doar pe spate pe catod. Pentru a obține un fascicul de la acești electroni, sunt necesari mai mulți electrozi.

Acesta este electrodul de focalizare 4 și anodul 5 conectat la aquadag 8. Sub influența câmpului electric al acestor electrozi, electronii se desprind de catod, se accelerează, se concentrează într-un fascicul subțire și se grăbesc spre ecranul acoperit cu fosforul, provocând strălucirea fosforului. Împreună, acești electrozi sunt numiți pistoale cu electroni.

Atingând suprafața ecranului, fasciculul de electroni nu numai că provoacă o strălucire, ci și elimină electroni secundari din fosfor, ceea ce determină defocalizarea fasciculului. Aquadagul menționat mai sus, care este un strat de grafit al suprafeței interioare a tubului, servește la îndepărtarea acestor electroni secundari. În plus, aquadag protejează grinda împotriva câmpurilor electrostatice externe. Dar o astfel de protecție nu este suficientă, prin urmare, partea cilindrică a CRT, în care se află electrozii, este plasată într-un paravan metalic din oțel electric sau permis.

Un modulator 3 este situat între catod și electrodul de focalizare. Scopul său este de a controla curentul fasciculului, ceea ce permite stingerea fasciculului în timpul măturatului invers și evidențiat în timpul cursei înainte. În lămpile de amplificare, acest electrod se numește rețea de control. Modulatorul, electrodul de focalizare și anodul au găuri centrale prin care zboară fasciculul de electroni.

Plăcile care deviază Un CRT are două perechi de plăci deviante. Acestea sunt plăcile de deviere verticală a fasciculului 6 - placa Y, la care este furnizat semnalul investigat, iar plăcile de deviere orizontală 7 - placa X, și tensiunea orizontală li se aplică. Dacă plăcile de deflexie nu sunt conectate nicăieri, ar trebui să apară un punct luminos în centrul ecranului CRT. În figură, acesta este punctul O2. În mod natural, tensiunea de alimentare trebuie aplicată pe tub.

Aici ar trebui pus un punct important. Când punctul rămâne nemișcat, fără să se miște nicăieri, poate pur și simplu arde fosforul, iar un punct negru va rămâne pentru totdeauna pe ecranul CRT. Acest lucru se poate întâmpla în timpul procesului de reparație a osciloscopului sau cu producerea de sine a unui dispozitiv amator simplu.Prin urmare, în acest mod, ar trebui să reduceți luminozitatea la minimum și să defocați fasciculul - puteți vedea în continuare dacă există un fascicul sau este absent.

Când se aplică o anumită tensiune pe plăcile de deviere, fasciculul va devia de la centrul ecranului. În figura 3, fasciculul deviază spre punctul O3. Dacă tensiunea se schimbă, fasciculul va trasa o linie dreaptă pe ecran. Acest fenomen este folosit pentru a crea imaginea semnalului studiat pe ecran. Pentru a obține o imagine în două dimensiuni pe ecran, trebuie să se aplice două semnale: semnalul de testare - aplicat pe plăcile Y și tensiunea de scanare - aplicat pe plăcile X. Putem spune că pe ecran se obține un grafic cu axele de coordonate X și Y.

Scanare orizontală

Este scanarea orizontală care formează axa X a graficului de pe ecran.

Figura 4. Tensiunea de măturare

Așa cum se poate observa în figură, scanarea orizontală se realizează prin tensiunea din ferăstrău, care poate fi împărțită în două părți: înainte și invers (Fig. 4a). În timpul cursei înainte, fasciculul se mișcă uniform pe ecran de la stânga la dreapta, iar la atingerea marginii drepte se întoarce rapid. Aceasta se numește accident vascular cerebral. În timpul cursei înainte, se generează un impuls de iluminare de fundal, care este alimentat modulatorului de tub, iar pe ecran apare un punct luminos, desenând o linie orizontală (Fig. 4b).

Tensiunea înainte, așa cum se arată în figura 4, începe de la zero (un fascicul în centrul ecranului) și se schimbă la o tensiune de Umax. Prin urmare, fasciculul se va muta de la centrul ecranului la marginea dreaptă, adică. doar jumătate de ecran. Pentru a începe scanarea de pe marginea stângă a ecranului, fasciculul este deplasat spre stânga aplicându-i tensiunea de părtinire. Offsetul fasciculului este controlat de un mâner de pe panoul frontal.

În timpul cursei de întoarcere, pulsul de iluminare de fundal se termină și fasciculul se stinge. Poziția relativă a impulsului de iluminare de fundal și tensiunea de măturare a balamului pot fi văzute pe diagrama funcțională a osciloscopului prezentată în figura 5. În ciuda varietății de diagrame de circuit osciloscop, circuitele lor funcționale sunt aproximativ aceleași, similare cu cele prezentate în figură.

Figura 5. Schema funcțională a osciloscopului

Sensibilitate CRT

Este determinat de coeficientul de deviere, care arată câți milimetri deviază fasciculul atunci când se aplică o tensiune constantă de 1 V pe plăci. Pentru diferite CRT, această valoare se situează în intervalul 0,15 ... 2 mm / V. Se dovedește că, aplicând o tensiune de 1 V pe plăcile deviante, fasciculul poate muta fasciculul doar cu 2 mm, iar acesta este în cel mai bun caz. Pentru a devia fasciculul cu un centimetru (10 mm), este necesară o tensiune de 10/2 = 5V. Cu o sensibilitate de 0,15 mm / V pentru aceeași mișcare, este deja necesar 10 / 0,15 = 66,666V.

Prin urmare, pentru a obține o abatere vizibilă a fasciculului de la centrul ecranului, semnalul investigat este amplificat de un amplificator de canal vertical la câteva zeci de volți. Canalul de amplificare orizontală, cu care se efectuează o scanare, are aceeași tensiune de ieșire.

Majoritatea osciloscoapelor universale au o sensibilitate maximă de 5mV / cm. Când utilizați un CRT de tip 8LO6I cu o tensiune de intrare de 5 mV, plăcile deviante vor necesita o tensiune de 8,5 V pentru a muta fasciculul de 1 cm. Este ușor de calculat că aceasta va necesita amplificare de peste 1.500 de ori.

Acest câștig trebuie obținut pe întreaga bandă de acces și cu cât frecvența este mai mare, cu atât câștigul este mai mic, care este inerent oricăror amplificatoare. Banda de acces este caracterizată de o frecvență superioară f în sus. La această frecvență, câștigul canalului de deviere verticală scade cu 1,4 ori sau cu 3 dB. Pentru majoritatea osciloscoapelor universale, această bandă este de 5 MHz.

Și ce se va întâmpla dacă frecvența semnalului de intrare depășește frecvența superioară, de exemplu, 8 ... 10 MHz? Va putea să o vadă pe ecran? Da, va fi vizibil, dar amplitudinea semnalului nu poate fi măsurată. Vă puteți asigura doar că există un semnal sau nu. Uneori, astfel de informații sunt destul.

Abaterea verticală a canalului. Divizor de intrare

Semnalul studiat este alimentat la intrarea canalului deviației verticale prin divizorul de intrare, prezentat în figura 6. Adesea divizorul de intrare este numit atenuator.

Figura 6. Divizorul de intrare al deviației verticale a canalului

Utilizând divizorul de intrare, este posibil să se studieze semnalul de intrare de la câțiva milivoli la câteva zeci de volți. În cazul în care semnalul de intrare depășește capacitățile divizorului de intrare, sunt utilizate sonde de intrare cu un raport de divizare de 1:10 sau 1:20. Apoi limita de 5V / div devine 50V / div sau 100V / div, ceea ce face posibilă studierea semnalelor cu tensiuni semnificative.

Intrare deschisă și închisă

Aici (figura 6), puteți vedea comutatorul B1, ceea ce face posibilă aplicarea unui semnal printr-un condensator (intrare închisă) sau direct la intrarea divizorului (intrare deschisă). Când folosiți modul „intrare închisă”, este posibil să studiați componenta variabilă a semnalului, ignorând componenta constantă a acestuia. Diagrama simplă prezentată în figura 7. va ajuta la explicarea celor spuse.Digma este creată în programul Multisim, astfel încât totul din aceste cifre, deși practic, este destul de corect.

Figura 7. Etapa amplificatorului pe un singur tranzistor

Un semnal de intrare cu o amplitudine de 10 mV printr-un condensator C1 este alimentat la baza tranzistorului Q1. Prin selectarea rezistenței R2, tensiunea pe colectorul tranzistorului este setată egală cu jumătate din tensiunea de alimentare (în acest caz 6V), ceea ce permite tranzistorului să funcționeze într-un mod liniar (de amplificare). Ieșirea este monitorizată de XSC1. Figura 8 arată rezultatul măsurării în modul de intrare deschis, pe osciloscop, este apăsat butonul DC (curent continuu).

Figura 8. Măsurători în modul de intrare deschis (canalul A)

Aici puteți vedea (canalul A) doar tensiunea de la colectorul tranzistorului, același 6V care tocmai a fost menționat. Fasciculul din canalul A „a decolat” la 6V, dar sinusoidul amplificat de pe colector nu s-a întâmplat. Pur și simplu nu poate fi observat cu sensibilitatea canalului 5V / Div. Canalul Un fascicul din figură este afișat cu roșu.

Semnalul de la generator este aplicat la intrarea B, figura este afișată în albastru. Aceasta este o undă sinusoidală cu o amplitudine de 10 mV.

Figura 9. Măsurători în modul de intrare închis

Acum, apăsați butonul AC în canalul A - curent alternativ, aceasta este de fapt o intrare închisă. Aici puteți vedea semnalul amplificat - un sinusoid cu o amplitudine de 87 de milivoliți. Se pare că cascada de pe un tranzistor a amplificat semnalul cu o amplitudine de 10 mV de 8,7 ori. Numerele din fereastra dreptunghiulară de sub ecran arată tensiunile și orele în locațiile markerilor T1, T2. Markeri similari sunt disponibili în osciloscopurile digitale moderne. Acesta este de fapt tot ce se poate spune despre intrările deschise și închise. Și acum haideți să continuăm povestea despre amplificatorul de deviere verticală.

Amplificator pre

După divizorul de intrare, semnalul investigat se îndreaptă către preamplificator și, trecând prin linia de întârziere, intră în amplificatorul terminal al canalului Y (figura 5). După amplificarea necesară, semnalul intră pe plăcile de deviere verticală.

Preamplificatorul împarte semnalul de intrare în componente parafază pentru a-l furniza amplificatorului terminal Y. În plus, semnalul de intrare de la preamplificator este alimentat pe declanșatorul de măturare, care oferă o imagine sincronă pe ecran în timpul ondulării înainte.

Linia de întârziere întârzie semnalul de intrare în raport cu începutul tensiunii de măturare, ceea ce face posibilă observarea marginii conducătoare a impulsului, așa cum se arată în figura 5 b). Unele osciloscoape nu au o linie de întârziere, care, în esență, nu interferează cu studiul semnalelor periodice.

Canal de măturare

Semnalul de intrare de la preamplificator este, de asemenea, introdus la intrarea modelului de declanșare a pulsului.Impulsul generat pornește generatorul de măturare, ceea ce produce o tensiune netedă de fierăstrău. Viteza de viteză și perioada de tensiune de măturare sunt selectate de comutatorul Time / Div, ceea ce face posibilă studierea semnalelor de intrare într-o gamă largă de frecvență.

O astfel de scanare se numește internă, adică. declanșarea provine din semnalul investigat. În mod obișnuit, osciloscopii au un comutator de scanare „intern / extern”, din anumite motive, care nu este prezentat în diagrama funcțională din figura 5. În modul declanșator extern, scanarea poate fi declanșată nu de semnalul investigat, ci de un alt semnal de care depinde semnalul investigat.

Acesta ar putea fi, de exemplu, un impuls de declanșare a unei linii de întârziere. Apoi, chiar și cu un osciloscop cu un singur fascicul, puteți măsura raportul de timp al două semnale. Dar este mai bine să faceți acest lucru cu un osciloscop cu două raze, dacă este, desigur, la îndemână.

Durata măturatului trebuie selectată în funcție de frecvența (perioada) semnalului investigat. Să presupunem că frecvența semnalului este de 1KHz, adică. perioada de semnal 1ms. Imaginea unui sinusoid cu un timp de scanare de 1ms / div este prezentată în figura 10.

Figura 10

Cu un timp de scanare de 1ms / div, o perioadă de undă sinusoidală de 1 KHz ocupă exact o divizare a scării de-a lungul axei Y. Scanarea este sincronizată de la fasciculul A de-a lungul unei margini ascendente în termeni de nivel de semnal de intrare 0V. Prin urmare, unda sinusoidală de pe ecran începe cu o jumătate de ciclu pozitiv.

Dacă durata scanării este schimbată la 500 μs / div (0,5 ms / div), atunci o perioadă a sinusoidului va ocupa două diviziuni pe ecran, așa cum se arată în figura 11, care, desigur, este mai convenabil pentru observarea semnalului.

Figura 11

În afară de tensiunea în sine a ferăstrăului, generatorul de măturare generează și un impuls de iluminare de fundal, care este alimentat modulatorului și „aprinde” fasciculul de electroni (Fig. 5 g). Durata impulsului de iluminare de fundal este egală cu durata fasciculului înainte. În timpul cursei de întoarcere, nu există impuls de iluminare de fundal și fasciculul se stinge. Dacă nu există un semnalizare a fasciculului, ceva de neînțeles va apărea pe ecran: cursa inversă și chiar modulată prin semnalul de intrare, pur și simplu traversează tot conținutul util al formei de undă.

O tensiune de măturare a scobitei este furnizată amplificatorului terminal al canalului X, divizată într-un semnal de parafază și alimentată pe plăcile de deviere orizontale, așa cum se arată în figura 5 (e).

Amplificator X Intrare externă

Nu numai tensiunea de la generatorul de măturare, dar și tensiunea externă pot fi furnizate amplificatorului terminal X, ceea ce face posibilă măsurarea frecvenței și a fazei semnalului folosind cifrele Lissajous.

Figura 12. Figuri mincinoase

Dar comutatorul de intrare X nu este prezentat pe diagrama funcțională din figura 5, precum și comutatorul de tipul operațiunilor de măturare, menționat puțin mai sus.

Pe lângă canalele X și Y, osciloscopul, ca orice dispozitiv electronic, are o sursă de alimentare. Osciloscopii de dimensiuni mici, de exemplu, C1-73, C1-101 pot funcționa dintr-o baterie auto. Apropo, pentru timpul lor, aceste osciloscopuri erau foarte bune și sunt încă folosite cu succes.

Figura 13. Osciloscopul C1-73

Figura 14. Osciloscopul C1-101

Aspectul osciloscopilor este prezentat în Figurile 13 și 14. Cel mai surprinzător este faptul că li se oferă în continuare să le cumpere în magazinele online. Dar prețul este astfel încât este mai ieftin să cumpărați osciloscoape digitale de dimensiuni mici de pe Aliexpress.

Dispozitivele suplimentare pentru osciloscop sunt calibrate încorporate în amplitudine și măturare. Acestea sunt, de regulă, generatoare destul de stabile de impulsuri dreptunghiulare, care le conectează la intrarea osciloscopului, folosind elementele de reglare pe care le puteți configura amplificatoarele X și Y. Apropo, calibratoarele moderne au și astfel de calibratoare.

Modul de utilizare a osciloscopului, metodele și metodele de măsurare vor fi discutate în articolul următor.

Continuarea articolului: Cum se utilizează osciloscopul

Boris Aladyshkin