Elektronisk oscilloskop - enhed, driftsprincip

Amatørradio er som en hobby en meget spændende aktivitet, og man kan sige, vanedannende. Mange kommer ind i det i de vidunderlige skoleår, og med tiden kan denne hobby blive et erhverv for livet. Selv hvis du ikke kan få en videregående uddannelse i radioteknik, giver uafhængig undersøgelse af elektronik dig mulighed for at opnå meget høje resultater og succes. På et tidspunkt kaldte Radiomagasinet sådanne specialister ingeniører uden eksamensbeviser.

De første eksperimenter med elektronik begynder som regel med samlingen af ​​de enkleste kredsløb, som begynder at arbejde straks uden justering og opsætning. Oftest er dette forskellige generatorer, opkald, uhøjtidelige strømforsyninger. Alt dette kan indsamles ved at læse den mindste mængde litteratur, blot beskrivelser af gentagne mønstre. På dette trin er det som regel muligt at gøre med et minimalt sæt værktøjer: et loddejern, sideskærere, en kniv og flere skruetrækkere.

Efterhånden bliver designerne mere komplicerede, og før eller senere viser det sig, at uden justering og indstilling, fungerer de simpelthen ikke. Derfor skal du anskaffe tynde måleinstrumenter, og jo før, jo bedre. Den ældre generation af elektronikingeniører havde en pointer-tester med en sådan enhed.

På nuværende tidspunkt er switch-testeren, ofte kaldet et avometer, erstattet digital multimeter. Dette kan findes i artiklen "Sådan bruges et digitalt multimeter." Selvom den gode gamle pointer-tester ikke opgiver sine positioner, og i nogle tilfælde foretrækkes brugen i sammenligning med en digital enhed.

Begge disse enheder giver dig mulighed for at måle direkte og vekslende spændinger, strømme og modstande. Hvis konstante spændinger er lette at måle, er det nok at finde ud af kun værdien, så er der med vekslende spændinger nogle nuancer.

Faktum er, at både pointer og moderne digitale enheder er designet til at måle en sinusformet skiftevis spænding, og i et temmelig begrænset frekvensområde: resultatet af målingen vil være den aktuelle værdi af vekslingsspændingen.

Hvis sådanne enheder måler spænding med en rektangulær, trekantet eller savetandform, vil aflæsningerne på enhedens skala naturligvis være, men du behøver ikke at garantere for nøjagtigheden af ​​målingerne. Der er bare spændinger, og hvilken der ikke er nøjagtigt kendt. Og hvordan skal man være i sådanne tilfælde, hvordan man kan fortsætte med reparation og udvikling af nye, stadig mere komplekse elektroniske kredsløb? Her kommer radioamatøren på scenen, når du skal købe et oscilloskop.

Lidt historie

Ved hjælp af denne enhed kan du med dine egne øjne se, hvad der sker i elektroniske kredsløb: hvad er signalets form, hvor det dukkede op eller forsvandt, signalets tid og fase-forhold. For at observere flere signaler kræves mindst et to-strålesoscilloskop.

Her kan vi huske en fjern historie, da vi i 1969 oprettede femstråleoscilloskop C1-33, som blev masseproduceret af Vilnius-anlægget. Enheden brugte en CRT 22LO1A, som kun blev brugt i denne udvikling. Kunden af ​​denne enhed var naturligvis det militærindustrielle kompleks.

Strukturelt set var dette apparat lavet af to blokke placeret på et stativ med hjul: selve oscilloskopet og strømforsyningen. Strukturens samlede vægt var 160 kg! Omfanget omfattede et RFK-5-optagekamera tilknyttet skærmen, hvilket sikrede optagelse af bølgeformer på film. Udseendet af C1-33-femstrålens oscilloskop med det installerede kamera vises i figur 1.

Figur 1. Fem-stråleoscilloskop C1-33, 1969

Moderne elektronik gør det muligt at oprette håndholdte digitale oscilloskoper på størrelse med en mobiltelefon. Et af sådanne enheder er vist i figur 2. Men dette vil blive diskuteret senere.

Figur 2. DS203 Pocket Digital Oscilloscope

Oscilloskoper af forskellige typer

Indtil for nylig blev der produceret flere typer elektronstråleoscilloskoper. Først og fremmest er dette universelle oscilloskoper, der oftest bruges til praktiske formål. Foruden dem blev lagringsoscilloskoper baseret på opbevarings-CRT'er, højhastigheds-, stroboskopiske og specielle sådanne også produceret. De sidstnævnte typer var beregnet til forskellige specifikke videnskabelige problemer, som moderne digitale oscilloskoper i øjeblikket med succes håndterer. Derfor vil vi yderligere fokusere på universelle generelle elektroniske oscilloskoper.

CRT-enhed

Hoveddelen af ​​det elektroniske oscilloskop er naturligvis et katodestrålerør - CRT. Dens enhed er vist i figur 3.

Figur 3. CRT-enhed

Strukturelt set er en CRT en lang glascylinder 10 i cylindrisk form med en kegleformet forlængelse. Bunden af ​​denne udvidelse, som er en CRT-skærm, er belagt med en fosfor, der udsender en synlig glød, når en elektronstråle rammer den 11. Mange CRT'er har en rektangulær skærm med opdelinger direkte på glasset. Det er denne skærm, der er indikatoren for oscilloskopet.

En elektronstråle dannes af en elektronpistol

Varmeren 1 opvarmer katoden 2, der begynder at udsende elektroner. I fysik kaldes dette fænomen termionisk emission. Men elektronerne, der udsendes af katoden, vil ikke flyve langt væk, de vil bare læne sig tilbage på katoden. For at få en stråle fra disse elektroner er flere elektroder påkrævet.

Dette er fokuseringselektroden 4 og anoden 5 forbundet til akvadagen 8. Under påvirkning af det elektriske felt af disse elektroder bryder elektronerne væk fra katoden, accelererer, fokuserer i en tynd bjælke og skynder sig til skærmen dækket med fosfor, hvilket får fosfor til at gløde. Sammen kaldes disse elektroder elektronpistoler.

Når man når overfladen på skærmen, forårsager elektronstrålen ikke kun en glød, men slår også sekundære elektroner ud af fosfor, hvilket får strålen til at fokusere. Den ovennævnte akvadag, der er en grafitbelægning af den indre overflade af røret, tjener til at fjerne disse sekundære elektroner. Derudover beskytter akvadag til en vis grad bjælken mod eksterne elektrostatiske felter. Men en sådan beskyttelse er ikke nok, derfor placeres den cylindriske del af CRT, hvor elektroderne er placeret, i en metalskærm lavet af elektrisk stål eller permalloy.

En modulator 3 er placeret mellem katoden og fokuseringselektroden, og dets formål er at kontrollere strålestrømmen, som gør det muligt at slukke strålen under det omvendte fejning og fremhæves under det forreste slag. I forstærkerlamper kaldes denne elektrode et kontrolgitter. Modulatoren, fokuseringselektroden og anoden har centrale huller, gennem hvilke elektronstrålen flyver.

Afbøjningsplader En CRT har to par afbøjningsplader. Dette er pladerne med den lodrette afbøjning af bjælken 6 - pladen Y, hvortil signalet, der undersøges, og pladerne for den vandrette afbøjning 7 - pladen X, og den vandrette spænding påføres dem. Hvis afbøjningspladerne ikke er tilsluttet et sted, skal der vises en lysende prik i midten af ​​CRT-skærmen. I figuren er dette punktet O2. Naturligvis skal forsyningsspændingen påføres røret.

Det er her, et vigtigt punkt skal tages. Når prikken står stille uden at bevæge sig et sted, kan den simpelthen forbrænde fosfor, og en sort prik forbliver for evigt på CRT-skærmen. Dette kan ske under reparationsprocessen af ​​oscilloskopet eller ved selvproduktion af en simpel amatørenhed.Derfor skal du i denne tilstand reducere lysstyrken til et minimum og fokusere bjælken - du kan stadig se, om der er en bjælke, eller om den ikke er til stede.

Når en bestemt spænding påføres afbøjningspladerne, vil strålen afvige fra midten af ​​skærmen. I figur 3 afbøjes bjælken til punkt O3. Hvis spændingen ændres, vil strålen tegne en lige linje på skærmen. Det er dette fænomen, der bruges til at skabe billedet af det studerede signal på skærmen. For at få et todimensionelt billede på skærmen skal der anvendes to signaler: testsignalet - anvendt på Y-pladerne og scanningsspændingen - anvendt på X-pladerne. Vi kan sige, at der opnås en graf med koordinatakslerne X og Y på skærmen.

Horisontal scan

Det er den vandrette scanning, der danner X-aksen på grafen på skærmen.

Figur 4. Fejespænding

Som det kan ses på figuren, udføres den horisontale scanning ved hjælp af savtandspænding, som kan opdeles i to dele: fremad og bagud (fig. 4a). Under fremadretningen bevæger strålen sig ensartet over skærmen fra venstre mod højre, og når den når den højre kant, vender den hurtigt tilbage. Dette kaldes et omvendt slag. Under fremadretningen genereres en baggrundsbelysningspuls, der føres til rørmodulatoren, og der vises en lysende prik på skærmen, der tegner en vandret linje (fig. 4b).

Fremadspændingen, som vist i figur 4, starter fra nul (en bjælke i midten af ​​skærmen) og skifter til en spænding på Umax. Derfor vil bjælken bevæge sig fra midten af ​​skærmen til højre kant, dvs. bare halve skærmen. For at starte scanningen fra venstre side af skærmen forskydes strålen til venstre ved at anvende forspændingsspænding på den. Stråleforskyvningen styres af et håndtag på frontpanelet.

Under returslaget slutter baggrundslysimpulsen, og strålen slukker. Den relative position af baggrundsbelysningspulsen og savtandens fejespænding kan ses på oscilloskopets funktionsdiagram vist i fig. 5. På trods af forskellige oscilloskopkredsdiagrammer er deres funktionelle kredsløb omtrent de samme, som dem, der er vist på figuren.

Figur 5. Funktionsdiagram over oscilloskopet

CRT-følsomhed

Det bestemmes af afvigelseskoefficienten, der viser, hvor mange millimeter strålen afbøjes, når en konstant spænding på 1 V påføres pladerne. For forskellige CRT'er ligger denne værdi i området 0,15 ... 2 mm / V. Det viser sig, at ved at påføre en spænding på 1 V på afbøjningspladerne, kan bjælken kun flytte bjælken med 2 mm, og dette er i bedste fald. For at aflede bjælken med en centimeter (10 mm) kræves en spænding på 10/2 = 5V. Med en følsomhed på 0,15 mm / V for den samme bevægelse er 10 / 0,15 = 66,666V nødvendig.

For at opnå en mærkbar afvigelse af strålen fra midten af ​​skærmen forstærkes signalet, der undersøges, med en lodret kanalforstærker til flere titalls volt. Den vandrette forstærkningskanal, som en scanning udføres med, har den samme udgangsspænding.

De fleste universelle oscilloskoper har en maksimal følsomhed på 5 mV / cm. Når du bruger en CRT af type 8LO6I med en indgangsspænding på 5 mV, kræver afbøjningsplader en spænding på 8,5 V for at bevæge strålen 1 cm. Det er let at beregne, at dette kræver forstærkning mere end 1.500 gange.

Denne forstærkning skal opnås i hele passbåndet, og jo højere frekvensen er, desto lavere er forstærkningen, som ligger i enhver forstærker. Passbåndet er kendetegnet ved en øvre frekvens f op. Ved denne frekvens falder forstærkningen af ​​den lodrette afbøjningskanal med 1,4 gange eller med 3 dB. For de fleste universelle oscilloskoper er dette bånd 5 MHz.

Og hvad vil der ske, hvis indgangssignalets frekvens overstiger den øvre frekvens, for eksempel 8 ... 10 MHz? Vil hun være i stand til at se det på skærmen? Ja, det vil være synligt, men signalamplitude kan ikke måles. Du kan kun sikre dig, at der er et signal eller ej. Nogle gange er sådan information ganske nok.

Kanal lodret afvigelse. Inputdeler

Det studerede signal føres til indgangen til kanalen for den lodrette afvigelse gennem indgangsdeleren, vist i figur 6. Ofte kaldes inputdeleren en dæmpning.

Figur 6. Indgangsdeleren af ​​kanalens lodrette afvigelse

Ved hjælp af indgangsdeleren bliver det muligt at studere indgangssignalet fra et par millivolt til flere titalls volt. I tilfælde, hvor indgangssignalet overstiger kapaciteten af ​​indgangsdeleren, anvendes indgangssonder med et inddelingsforhold på 1:10 eller 1:20. Derefter bliver grænsen på 5V / div 50V / div eller 100V / div, hvilket gør det muligt at studere signaler med betydelige spændinger.

Åben og lukket indgang

Her (figur 6) kan du se switch B1, der gør det muligt at anvende et signal gennem en kondensator (lukket indgang) eller direkte på indgangen til skillelinjen (åben indgang). Når du bruger tilstanden "lukket input", er det muligt at studere den variable komponent i signalet og ignorere dets konstante komponent. Det enkle diagram, der er vist i figur 7., hjælper med at forklare, hvad der er blevet sagt. Diagrammet er oprettet i Multisim-programmet, så alt i disse figurer, selvom det praktisk taget, er ret fair.

Figur 7. Forstærkertrin på en enkelt transistor

Et indgangssignal med en amplitude på 10 mV gennem en kondensator Cl føres til basisten af ​​transistoren Q1. Ved at vælge modstand R2 indstilles spændingen på transistorens kollektor lig med halvdelen af ​​forsyningsspændingen (i dette tilfælde 6V), hvilket gør det muligt for transistoren at arbejde i en lineær (forstærkning) tilstand. Outputet overvåges af XSC1. Figur 8 viser måleresultatet i åben indgangstilstand, på oscilloskopet trykkes på DC (jævnstrøm) -knappen.

Figur 8. Målinger i åben indgangstilstand (kanal A)

Her kan du kun se (kanal A) spændingen ved transistorens samler, den samme 6V, der netop blev nævnt. Strålen i kanal A “startede” ved 6V, men den forstærkede sinusoid på samleren skete ikke. Det kan simpelthen ikke skelnes med følsomheden på 5V / Div-kanalen. Kanal En bjælke i figuren er vist i rødt.

Signal fra generatoren påføres input B, figuren er vist i blåt. Dette er en sinusbølge med en amplitude på 10 mV.

Figur 9. Målinger i lukket inputtilstand

Tryk nu på AC-knappen i kanal A - vekselstrøm, dette er faktisk en lukket input. Her kan du se det forstærkede signal - en sinusoid med en amplitude på 87 millivolt. Det viser sig, at kaskaden på en transistor forstærkede signalet med en amplitude på 10 mV med 8,7 gange. Tallene i det rektangulære vindue under skærmen viser spændingerne og tidspunkterne på markeringerne T1, T2. Lignende markører fås i moderne digitale oscilloskoper. Det er faktisk alt, hvad der kan siges om åbne og lukkede indgange. Og lad os nu fortsætte historien om den lodrette afbøjningsforstærker.

Pre forstærker

Efter indgangsdeleren går signalet, der undersøges, til forforstærkeren og passerer gennem forsinkelseslinjen ind i terminalforstærkeren på kanal Y (figur 5). Efter den nødvendige forstærkning kommer signalet ind i de lodrette afbøjningsplader.

Forforstærkeren opdeler indgangssignalet i parafasekomponenter for at levere det til terminalforstærkeren Y. Derudover føres indgangssignalet fra forforstærkeren til fejetriggeren, der tilvejebringer et synkront billede på skærmen under den fremadgående fejning.

Forsinkelseslinjen forsinker indgangssignalet i forhold til begyndelsen af ​​fejespændingen, hvilket gør det muligt at observere pulsens forkant, som vist i figur 5 b). Nogle oscilloskoper har ikke en forsinkelseslinje, som i det væsentlige ikke forstyrrer studiet af periodiske signaler.

Fej kanal

Inputsignalet fra forforstærkeren føres også til indgangen til fejetriggeren.Den genererede impuls starter fejegeneratoren, der producerer en glat stigende savtandspænding. Drejefrekvensen og fejningsspændingsperioden vælges af Time / Div-kontakten, som gør det muligt at studere indgangssignaler i et bredt frekvensområde.

En sådan scanning kaldes intern, dvs. udløsningen kommer fra signalet, der undersøges. Typisk har oscilloskoper en "intern / ekstern" trigger-trigger, af en eller anden grund ikke vist i funktionsdiagrammet i figur 5. I ekstern trigger-tilstand kan triggeren udløses ikke af det signal, der undersøges, men af ​​et andet signal, som signalet under undersøgelse afhænger af.

Dette kan for eksempel være en forsinkelseslinje-triggerpuls. Derefter kan du selv med et enkeltstrålesoscilloskop måle tidsforholdet mellem to signaler. Men det er bedre at gøre dette med et to-strålesoscilloskop, hvis det selvfølgelig er ved hånden.

Sweepens varighed skal vælges baseret på hyppigheden (perioden) af det undersøgte signal. Antag, at signalfrekvensen er 1 KHz, dvs. signalperiode 1ms. Billedet af en sinus med en scanningsvarighed på 1ms / div er vist i figur 10.

Figur 10

Med en scanningstid på 1ms / div, optager en 1KHz sinusbølgeperiode nøjagtigt en skalainddeling langs Y-aksen Scanningen synkroniseres fra stråle A langs en stigende kant i form af et indgangssignalniveau på 0V. Sinusbølgen på skærmen begynder derfor med en positiv halvcyklus.

Hvis scanningsvarigheden ændres til 500 μs / div (0,5 ms / div), vil en periode af sinusformen optage to divisioner på skærmen, som vist i figur 11, hvilket naturligvis er mere praktisk til at observere signalet.

Figur 11

Ud over selve savtandspændingen genererer fejegeneratoren også en baggrundsbelysningspuls, der føres til modulatoren og "antænder" elektronstrålen (fig. 5 g). Varigheden af ​​baggrundslysimpulsen er lig med forlygterne. Under returslaget er der ingen baggrundslysimpuls, og strålen slukker. Hvis der ikke er nogen stråleblænding, vises noget uforståeligt på skærmen: det modsatte slag, og endda moduleret af indgangssignalet, krydser blot alt det nyttige indhold i bølgeformen.

En sawtooth fejningsspænding tilføres terminalforstærkeren i kanal X, opdelt i et parafasesignal og føres til de vandrette afbøjningsplader, som vist i figur 5 (e).

Forstærker X ekstern input

Ikke kun spænding fra sweepgeneratoren, men også ekstern spænding kan leveres til terminalforstærkeren X, hvilket gør det muligt at måle signalets frekvens og fase ved hjælp af Lissajous-figurer.

Figur 12. Lissajous figurer

Men indgangskontakten X er ikke vist på funktionsdiagrammet i figur 5 såvel som omskifteren til den slags svejseoperationer, som blev nævnt lidt ovenfor.

Ud over kanalerne X og Y har oscilloskopet ligesom enhver elektronisk enhed en strømforsyning. Små oscilloskoper, f.eks. C1-73, C1-101, kan arbejde fra et bilbatteri. For deres tid var disse oscilloskoper meget gode og bruges stadig med succes.

Figur 13. Oscilloskop C1-73

Figur 14. Oscilloskop C1-101

Udseendet af oscilloskoper er vist i figur 13 og 14. Det mest overraskende er, at de stadig tilbydes at købe dem i online butikker. Men prisen er sådan, at det er billigere at købe små store oscilloskoper på Aliexpress.

Yderligere oscilloskopindretninger er indbygget amplitude- og fejekalibratorer. Disse er som regel temmelig stabile rektangulære pulsgeneratorer, der forbinder dem til indgangen til oscilloskopet ved hjælp af indstillingselementerne, du kan konfigurere forstærkere X og Y. Forresten, moderne digitale oscilloskoper har også sådanne kalibratorer.

Hvordan man bruger oscilloskopet, metoder og målemetoder vil blive drøftet i den næste artikel.

Fortsættelse af artiklen: Sådan bruges oscilloskopet

Boris Aladyshkin

Comments

[#1]

Med en scanningstid på 1ms / div, optager en 1KHz sinusbølgeperiode nøjagtigt en skalainddeling langs Y-aksen. Det vil være mere korrekt langs "X" -aksen