Katodni osciloskopi - delovne in operativne podrobnosti

V tem prispevku bomo podrobno razpravljali o delovanju katodnih osciloskopov (CRO) in njegovi notranji konstrukciji. Naučili se bomo tudi, kako uporabiti CRO z uporabo različnih kontrol in razumeti grafične predstavitve različnih vhodnih signalov na zaslonu zaslona obsega.

Pomen katodnih osciloskopov (CRO)

Vemo, da večina elektronskih vezij strogo vključuje in deluje z uporabo elektronskih valov ali digitalnih valov, ki se običajno proizvajajo kot frekvenca. Ti signali igrajo pomembno vlogo v takšnih tokokrogih v obliki zvočnih informacij, računalniških podatkov, TV signalov, oscilatorjev in časovnih generatorjev (kot se uporabljajo v radarjih) itd. Zato je natančno in pravilno merjenje teh parametrov zelo pomembno med preskušanjem in odpravljanjem težav s temi vrstami vezij

Splošno dostopni števci, kot so digitalni multimetri ali analogni multimetri, imajo omejene zmogljivosti in lahko merijo samo enosmerne ali izmenične napetosti, tokove ali impedance. Nekateri napredni merilniki lahko merijo izmenični signal, vendar le, če je signal zelo izpopolnjen in v obliki posebnih neizkrivljenih sinusnih signalov. Ti merilniki zato ne služijo svojemu namenu pri analiziranju vezij, ki vključujejo valovno obliko in časovne cikle.

Nasprotno je osciloskop naprava, ki je zasnovana za sprejemanje in merjenje valovne oblike, ki uporabniku omogoča, da praktično vizualizira obliko pulza ali valovne oblike.

CRO je eden tistih visokokakovostnih osciloskopov, ki uporabniku omogoča, da vidi vizualni prikaz zadevne uporabljene valovne oblike.

Za ustvarjanje vizualnega zaslona, ​​ki ustreza signalu, ki se na vhodu uporablja kot valovna oblika, uporablja katodno cev (CRT).

Elektronski žarek znotraj CRT gre skozi upognjene premike (pomete) po površini cevi (zaslona) kot odziv na vhodne signale in na zaslonu ustvarja vizualno sled, ki predstavlja obliko valovne oblike. Te neprekinjene sledi nato omogočajo uporabniku, da pregleda valovno obliko in preizkusi njene značilnosti.

Značilnost osciloskopa za ustvarjanje dejanske slike valovne oblike je zelo koristna v primerjavi z digitalnimi multimetri, ki lahko zagotavljajo le numerične vrednosti valovne oblike.

Kot vsi vemo, katodni osciloskopi delujejo z elektronskimi žarki za prikaz različnih odčitkov na zaslonu osciloskopa. Za horizontalno odklon ali obdelavo žarka se imenuje operacija sweep-napetost je navpična obdelava izvedena z vhodno napetostjo, ki se meri.

CATHODE RAY TUB - TEORIJA IN NOTRANJA KONSTRUKCIJA

Znotraj katodnega osciloskopa (CRO) postane katodna cev (CRT) glavni sestavni del naprave. CRT postane odgovoren za generiranje zapletenih slik valov na zaslonu merilnika.

CRT je v osnovi sestavljen iz štirih delov:

1. Elektronska pištola za ustvarjanje elektronskega žarka.
2. Fokusiranje in pospeševanje komponent za ustvarjanje natančnega žarka elektronov.
3. Vodoravne in navpične odklonske plošče za manipulacijo kota elektronskega žarka.
4. Evakuirano stekleno ohišje, prevlečeno s fosforescentnim zaslonom za ustvarjanje zahtevanega vidnega sijaja kot odziv elektronskega žarka na njegovo površino

Naslednja slika predstavlja osnovne konstrukcijske podrobnosti CRT

Zdaj pa razumimo, kako CRT deluje s svojimi osnovnimi funkcijami.

Kako deluje katodni osciloskop (CRO)

Vroč filament znotraj CRT se uporablja za ogrevanje katodne (K) strani cevi, sestavljene iz oksidne prevleke. To povzroči takojšnje sproščanje elektronov s površine katode.

Element, imenovan nadzorna mreža (G), nadzira količino elektronov, ki lahko preidejo dlje po dolžini cevi. Raven napetosti, ki deluje na mrežo, določa količino elektronov, ki se sprostijo iz ogrevane katode, in koliko od njih se lahko premakne naprej proti površini cevi.

Ko elektroni presežejo nadzorno mrežo, gredo skozi nadaljnje ostrenje v oster žarek in pospešek visoke hitrosti s pomočjo anodnega pospeška.

Ta močno pospešeni elektronski žarek v naslednji fazi poteka med nekaj sklopi deformacijskih plošč. Kot ali usmerjenost prve plošče se držita tako, da usmerja elektronski žarek navpično navzgor ali navzdol. To pa nadzira polarnost napetosti, ki se uporablja na teh ploščah.

Tudi od tega, koliko je dovoljena deformacija žarka, se določi glede na napetost, ki deluje na ploščah.

Ta nadzorovani odklonjeni žarek nato prehaja skozi večjo pospeševanje z izjemno visokimi napetostmi, ki se uporabljajo na cevi, kar končno povzroči, da žarek zadene fosforescentni sloj na notranji površini cevi.

To takoj povzroči, da se fosfor zasveti kot odziv na elektronski žarek, ki ustvarja viden sijaj na zaslonu za uporabnika, ki ravna z obsegom.

CRT je neodvisna celotna enota z ustreznimi terminali, ki štrlijo skozi zadnjo podlago v določene ohišja.

Na trgu so na voljo različne oblike CRT-jev v različnih dimenzijah, z različnimi cevmi, prevlečenimi s fosforjem, in pozicioniranjem odklonskih elektrod.

Poglejmo zdaj, kako se CRT uporablja v osciloskopu.

Vzorci valovnih oblik, ki jih vizualiziramo za dani vzorec signala, se izvedejo na ta način:

Ko napetost pometanja elektronski žarek premika vodoravno na notranji strani zaslona CRT, vhodni signal, ki se istočasno meri, prisili žarek, da se odkloni navpično, kar ustvari zahtevani vzorec na grafičnem zaslonu za našo analizo.

Kaj je en sam pometanje

Vsakemu zamahu elektronskega žarka na zaslonu CRT sledi delni 'prazen' časovni interval. Med to prazno fazo se žarek na kratko izklopi, dokler ne doseže začetne točke ali prejšnje skrajne strani zaslona. Ta cikel vsakega pometa se imenuje 'en zamah žarka'

Da bi na zaslonu dobili stabilen prikaz valovne oblike, naj bi elektronski žarek večkrat 'pometali' od leve proti desni in obratno z uporabo enakega slikanja za vsak pomik.

Da bi to dosegli, je potrebna operacija, imenovana sinhronizacija, ki zagotavlja, da se žarek vrne in ponovi vsako pometanje s popolnoma iste točke na zaslonu.

Ob pravilni sinhronizaciji je vzorec valovne oblike na zaslonu videti stabilen in stalen. Če pa sinhronizacija ni uporabljena, se zdi, da se valovna oblika neprekinjeno premika vodoravno z enega konca zaslona na drugi konec.

Osnovne komponente CRO

Bistveni elementi CRO so prikazani na sliki 22.2 spodaj. Za ta osnovni blokovni diagram bomo analizirali predvsem operativne podrobnosti CRO.

Da bi dosegli smiselno in prepoznavno deformacijo žarka skozi vsaj centimeter do nekaj centimetrov, mora biti tipična raven napetosti, ki se uporablja na deformacijskih ploščah, najmanjša pri deset ali celo sto voltov.

Zaradi dejstva, da impulzi, ocenjeni s pomočjo CRO, običajno znašajo le nekaj voltov ali največ nekaj milivoltov, postanejo potrebna ustrezna ojačevalna vezja za povečanje vhodnega signala do optimalnih napetostnih ravni, potrebnih za delovanje cevi.

Dejansko se uporabljajo ojačevalne stopnje, ki pomagajo odbiti žarek tako na vodoravni kot na navpični ravnini.

Da bi lahko prilagodili raven vhodnega signala, ki se analizira, mora vsak vhodni impulz nadaljevati skozi fazo vezja dušilca, namenjeno povečanju amplitude zaslona.

DELOVANJE NAPETJA

Delovanje napetostnega odmika se izvaja na naslednji način:

V primerih, ko je navpični vhod pri 0V, naj bi bil elektronski žarek viden v navpičnem središču zaslona. Če je na vodoravni vhod enak 0V, je žarek nameščen na sredino zaslona in je videti kot masivna in tiskovina TOČKA v središču.

Zdaj se lahko to piko premakne kamor koli čez obraz zaslona, ​​preprosto z manipulacijo vodoravnega in navpičnega gumba za upravljanje osciloskopa.

Položaj pike je mogoče spremeniti tudi s pomočjo določene enosmerne napetosti, ki je vnesena na vhod osciloskopa.

Naslednja slika prikazuje, kako natančno lahko položaj pike nadzorujemo na zaslonu CRT s pozitivno vodoravno napetostjo (proti desni) in negativno navpično vhodno napetostjo (navzdol od sredine).

Horizontalni signal pometanja

Da bi signal postal viden na zaslonu CRT, je nujno omogočiti odklon žarka skozi vodoravni pomik po zaslonu, tako da kateri koli ustrezen navpični vhodni signal omogoča, da se sprememba odraža na zaslonu.

Na sliki 22.4 spodaj si lahko na linearnem (žagasto) signalnem signalu, ki se nanaša na vodoravni kanal, predstavimo ravno črto na prikazovalniku, ki jo dobimo zaradi pozitivne napetosti dovoda na navpični vhod.

Ko se elektronski žarek zadržuje na izbrani fiksni navpični razdalji, se vodoravna napetost prisili, da potuje z negativne na nič na pozitivno, zaradi česar žarek potuje z leve strani zaslona, ​​na sredino in na desno stran zaslona. zaslon. To gibanje elektronskega žarka ustvarja ravno črto nad sredinsko navpično referenco, ki prikazuje ustrezno enosmerno napetost v obliki zvezdne črte.

Namesto da bi proizvedli en sam premet, se napetost pometanja izvaja tako, da deluje kot neprekinjena valovna oblika. To je v bistvu za zagotovitev doslednega prikaza na zaslonu. Če uporabimo samo en met, ta ne bi trajal in bi takoj izginil.

Zato se v CRT-ju na sekundo generirajo ponavljajoči se pregledi, ki na zaslonu zaradi neprekinjenega vida prikažejo neprekinjeno valovno obliko.

Če zgornjo hitrost zamaha zmanjšamo glede na časovno lestvico, ki je podana na osciloskopu, bi lahko bil na zaslonu priča dejanskemu gibljivemu vtisu žarka. Če se na navpični vhod uporabi samo sinusoidni signal, ne da bi bil prisoten vodoravni zamah, bi videli navpično ravno črto, kot je prikazano na sliki 22.5.

In če je hitrost tega sinusno navpičnega vhoda dovolj zmanjšana, lahko vidimo, kako elektronski žarek potuje navzgor po poti ravne črte.

Uporaba Linear Sawtooth Sweep za prikaz navpičnega vnosa

Če vas zanima preučevanje signala sinusnega vala, boste morali uporabiti signal pometanja na vodoravnem kanalu. Tako bo signal, ki se uporablja na navpičnem kanalu, postal viden na zaslonu CRO.

Praktičen primer lahko vidimo na sliki 22.6, ki prikazuje valovno obliko, ustvarjeno z uporabo vodoravnega linearnega pometanja skupaj s sinusnim ali sinusnim vhodom skozi navpični kanal.

Za pridobitev enega samega cikla na zaslonu za uporabljeni vhod postane nujna sinhronizacija vhodnega signala in linearnih frekvenc pometanja. Tudi z minuto razlike ali nepravilno sinhronizacijo zaslon morda ne bo prikazal nobenega gibanja.

Če se frekvenca čiščenja zmanjša, se lahko na zaslonu CRO prikaže večje število ciklov vhodnega signala.

Po drugi strani pa bi, če povečamo frekvenco pometanja, omogočili, da bi bilo na zaslonu vidnega manjše število ciklov navpičnega vhodnega sinusnega signala. To bi dejansko privedlo do ustvarjanja povečanega dela uporabljenega vhodnega signala na zaslonu CRO.

Rešen praktični primer:

Na sliki 22.7 lahko vidimo zaslon osciloskopa, ki prikazuje impulzni signal kot odziv na impulz, podoben valovni obliki, ki se nanaša na navpični vhod z vodoravnim pometanjem

Oštevilčenje za vsako valovno obliko omogoča zaslonu, da sledi spremembam vhodnega signala in napetosti pometanja za vsak cikel.

SINKRONIZACIJA IN TRIGGER

Prilagoditve v katodnem osciloskopu se izvedejo s prilagoditvijo hitrosti glede na frekvenco, za izdelavo enega samega cikla impulza, številnih ciklov ali dela cikla valovne oblike, in ta lastnost postane ena od ključnih značilnosti CRO katerega koli CRO.

Na sliki 22.8 lahko vidimo zaslon CRO, ki prikazuje odziv za nekaj števila ciklov signala pometanja.

Za vsako izvedbo vodoravne napetosti žagovine z linearnim ciklom čiščenja (ki ima mejo od največje negativne meje nič do največ pozitivne) povzroči, da elektronski žarek vodoravno potuje po območju zaslona CRO, začenši od leve proti sredini in nato desno od zaslona.

Po tem se žagasta napetost hitro vrne na začetno mejo negativne napetosti, pri čemer se elektronski žarek ustrezno premakne na levo stran zaslona. V tem časovnem obdobju, ko se napetost pometanja hitro vrne v negativno (retrace), gre elektron skozi prazno fazo (pri čemer omrežna napetost preprečuje, da bi elektroni udarili v obraz cevi)

Za omogočanje zaslona, ​​da ustvari stabilno signalno sliko za vsako zamah žarka, postane bistveno, da začnete z natančnostjo z natančno iste točke v ciklu vhodnega signala.

Na sliki 22.9 lahko vidimo, da je precej nizka frekvenca pometanja povzročila, da zaslon ustvari videz levega premika žarka.

Ko je nastavljena na visoko frekvenco čiščenja, kot je dokazano na sliki 22.10, zaslon na zaslonu prikaže desni zamik žarka.

Ni treba posebej poudarjati, da je lahko zelo težko ali neizvedljivo prilagoditi frekvenco signala, ki je natančno enaka frekvenci vhodnega signala, da dosežemo enakomeren ali stalen prehod na zaslonu.

Bolj izvedljiva rešitev je počakati, da se signal v ciklu vrne nazaj na začetno točko sledi. Ta vrsta sprožitve vključuje nekaj dobrih lastnosti, o katerih bomo razpravljali v naslednjih odstavkih.

Sproži

Standardni pristop za sinhronizacijo uporablja majhen del vhodnega signala za preklapljanje generatorja pometanja, ki prisili signal pometanja, da se zaskoči ali zaklene z vhodnim signalom, ta postopek pa sinhronizira oba signala skupaj.

Na sliki 22.11 lahko vidimo blokovno shemo, ki prikazuje ekstrakcijo dela vhodnega signala v a enokanalni osciloskop.

Ta sprožilni signal se odvzame iz omrežne frekvence omrežja (50 ali 60 Hz) za analizo kakršnih koli zunanjih signalov, ki so lahko povezani z omrežjem AC ali so povezani z njimi, ali pa je povezan signal, ki se uporablja kot navpični vhod v CRO.

Ko izbirno stikalo preklopite v položaj 'NOTRANJI', omogoči, da del vhodnega signala uporabi vezje generatorja sprožilca. Nato se izhodni izhod generatorja sprožilca uporabi za sprožitev ali zagon glavnega čiščenja CRO, ki ostane viden za obdobje, kot ga določa čas / cm nadzora obsega.

Inicializacija proženja na več različnih točkah v signalnem ciklu je lahko prikazana na sliki 22.12. Delovanje sprožilca lahko analiziramo tudi s pomočjo vzorcev valov.

Signal, ki se uporablja kot vhod, se uporablja za generiranje sprožilne valovne oblike za signal pometanja. Kot je prikazano na sliki 22.13, se pometanje začne s ciklom vhodnega signala in traja obdobje, ki ga določi nastavitev dolžine pometaja. Nato operacija CRO počaka, dokler vhodni signal ne doseže enake točke v svojem ciklu, preden začne novo operacijo čiščenja.

Zgoraj razloženi način sprožitve omogoča postopek sinhronizacije, medtem ko je število ciklov, ki jih je mogoče prikazati na zaslonu, določeno z dolžino signala pometanja.

VEČSTRANSKA FUNKCIJA

Številne napredne CRO olajšajo ogled več kot ene ali več sledi na zaslonu hkrati, kar uporabniku omogoča enostavno primerjavo posebnih ali drugih posebnih značilnosti več valovnih oblik.

Ta funkcija se običajno izvaja z uporabo več žarkov iz več elektronskih pušk, ki na zaslonu CRO generirajo posamezne žarke, včasih pa se to izvede tudi z enim elektronskim žarkom.

Obstaja nekaj tehnik, ki se uporabljajo za generiranje več sledi: ALTERNATE in CHOPPED. V nadomestnem načinu sta oba signala, ki sta na voljo na vhodu, izmenično povezana z odklonskim vezjem prek elektronskega stikala. V tem načinu se žarek prenaša po zaslonu CRO ne glede na to, koliko sledi naj bo prikazano. Po tem elektronsko stikalo alternativno izbere drugi signal in stori enako za ta signal.

Ta način delovanja je prikazan na sliki 22.14a.

Slika 22.14b prikazuje način delovanja IZKLOPLJEN, pri katerem grede žarek skozi ponavljajoče se preklapljanje za izbiro med dvema vhodnima signaloma za vsak signal pometanja žarka. Ta preklopni ali sekljalni postopek ostane zaznaven pri razmeroma nižjih frekvencah signala in je na zaslonu CRO očitno videti kot dve posamezni sledi.

Kako izmeriti valovno obliko s kalibrirano tehtnico CRO

Morda ste videli, da je zaslon CRO zaslona sestavljen iz jasno označene umerjene lestvice. To je predvideno za meritve amplitud in časovnega faktorja za zadevno uporabljeno valovno obliko.

Označene enote so vidne kot škatle, ki so razdeljene na 4 centimetre (cm) na obeh straneh škatel. Vsaka od teh škatel je dodatno razdeljena na razmike po 0,2 cm.

Merilne amplitude:

Navpična lestvica na zaslonu RO je vidna umerjena v voltih / cm (V / cm) ali milivoltih / cm (mV / cm).

Uporabnik lahko s pomočjo nastavitev nadzornih gumbov obsega in oznak, prikazanih na površini zaslona, ​​izmeri ali analizira amplitude vrha do vrha valovne oblike ali običajno AC signala.

Tu je praktično rešen primer za razumevanje, kako se amplituda meri na zaslonu CRO:

Opomba: To je prednost osciloskopa pred multimetri, saj multimetri zagotavljajo samo efektivno vrednost izmeničnega signala, medtem ko obseg lahko zagotavlja tako vrednost efektivne vrednosti kot tudi vrednost vrha do vrha signala.

Merjenje časa (obdobja) izmeničnega cikla z uporabo osciloskopa

Vodoravna skala na zaslonu osciloskopa nam pomaga določiti čas vhodnega cikla v sekundah, milisekundah (ms) in mikrosekundah (μs) ali celo v nanosekundah (ns).

Časovni interval, ki ga impulz porabi za dokončanje cikla od začetka do konca, se imenuje obdobje impulza. Ko je ta impulz v obliki ponavljajoče se valovne oblike, se njegovo obdobje imenuje en cikel valovne oblike.

Tu je praktično rešen primer, ki prikazuje, kako določiti obdobje valovne oblike s kalibracijo zaslona CRO:

Merjenje širine impulza

Vsaka valovna oblika je sestavljena iz najvišjih in najnižjih napetostnih vrhov, imenovanih visoko in nizko stanje impulza. Časovni interval, za katerega impulz ostane v HIGH ali LOW stanjih, se imenuje širina impulza.

Pri impulzih, katerih robovi se zelo hitro (hitro) naraščajo in zmanjšujejo, se širina takih impulzov meri od začetka impulza, imenovanega vodilni rob, do konca impulza, imenovanega zadnji rob, to prikazuje slika 22.19a.

Pri impulzih, ki imajo precej počasnejše ali počasnejše cikle vzpona in padca (eksponentni tip), se njihova širina impulza meri na njihovih 50% nivojih v ciklih, kot je prikazano na sliki 22.19b.

Naslednji rešeni primer pomaga razumeti zgornji postopek na boljši način:

RAZUMEVANJE ZAMUDE IMPULZA

Časovni interval med impulzi v impulznem ciklusu se imenuje zakasnitev impulza. Primer zakasnitve impulza je razviden na spodnji sliki 22.21, vidimo, da se zakasnitev tukaj meri med srednjo točko ali nivojem 50% in začetno točko impulza.

Slika 22.21

Praktično rešen primer, ki prikazuje, kako izmeriti zakasnitev impulza v CRO

Zaključek:

Poskušal sem vključiti večino osnovnih podrobnosti o tem, kako deluje katodni osciloskop (CRO), in poskusil razložiti, kako uporabljati to napravo za merjenje različnih frekvenčnih signalov prek kalibriranega zaslona. Vendar pa je tu lahko še veliko vidikov, ki bi jih tukaj morda zamudil, kljub temu pa bom občasno preverjal in posodabljal več informacij, kadar koli je to mogoče.

Referenca: https://en.wikipedia.org/wiki/Oscilloscope