Osciloskopy katodových paprsků - pracovní a provozní podrobnosti

V tomto příspěvku budeme podrobně diskutovat o tom, jak fungují katodové paprskové osciloskopy (CRO) a jeho vnitřní konstrukce. Naučíme se také, jak používat CRO pomocí různých ovládacích prvků a porozumět grafickému znázornění různých vstupních signálů na obrazovce rozsahu.

Důležitost katodových paprskových osciloskopů (CRO)

Víme, že většina elektronických obvodů striktně zahrnuje a pracuje s elektronickým průběhem nebo digitálním průběhem, který se obvykle vyrábí jako frekvence. Tyto signály hrají v těchto obvodech důležitou roli v podobě zvukových informací, počítačových dat, televizních signálů, oscilátorů a generátorů časování (používaných v radaru) atd. Proto je přesné a správné měření těchto parametrů při testování a odstraňování problémů s těmito typy velmi důležité. obvodů

Běžně dostupné měřicí přístroje, jako jsou digitální multimetry nebo analogové multimetry, mají omezené možnosti a jsou schopny měřit pouze stejnosměrné nebo střídavé napětí, proudy nebo impedance. Některé pokročilé měřicí přístroje jsou schopny měřit střídavé signály, ale pouze v případě, že je signál vysoce rafinovaný a ve formě specifických nezkreslených sinusových signálů. Tyto měřiče proto neslouží svému účelu, pokud jde o analýzu obvodů zahrnujících průběhy vln a časované cykly.

Naproti tomu osciloskop je zařízení, které je navrženo pro přesné přijímání a měření tvaru vlny, což umožňuje uživateli vizualizovat tvar pulzu nebo tvaru vlny prakticky.

CRO je jedním z těch vysoce kvalitních osciloskopů, které umožňují uživateli vidět vizuální reprezentaci daného použitého tvaru vlny.

Využívá katodovou trubici (CRT) pro generování vizuálního zobrazení odpovídajícího signálu aplikovanému na vstupu jako křivka.

Elektronový paprsek uvnitř CRT prochází vychýlenými pohyby (zametá) přes obličej trubice (obrazovky) v reakci na vstupní signály a vytváří vizuální stopu na obrazovce představující tvar křivky. Tyto spojité stopy pak umožňují uživateli prozkoumat tvar vlny a otestovat její vlastnosti.

Vlastnost osciloskopu vytvářet skutečný obraz křivky se stává velmi užitečnou ve srovnání s digitálními multimetry, které jsou schopné poskytnout pouze číselné hodnoty křivky.

Jak všichni víme, katodové osciloskopy pracují s elektronovými paprsky pro indikaci různých odečtů na obrazovce osciloskopu. Pro vychýlení nebo horizontální zpracování paprsku se nazývá operace zametací napětí je zabudováno, zatímco vertikální zpracování je prováděno měřeným vstupním napětím.

CATHODE RAY TUBE - TEORIE A VNITŘNÍ KONSTRUKCE

Uvnitř katodového osciloskopu (CRO) se katodová trubice (CRT) stává hlavní součástí zařízení. CRT se stává odpovědným za generování komplexního zobrazování křivek na obrazovce dalekohledu.

CRT se v zásadě skládá ze čtyř částí:

1. Elektronové dělo pro generování elektronového paprsku.
2. Zaměření a zrychlení komponent pro vytvoření přesného svazku elektronů.
3. Vodorovné a svislé vychylovací desky pro manipulaci s úhlem elektronového paprsku.
4. Evakuované skleněné pouzdro potažené fosforeskující clonou pro vytvoření požadované viditelné záře v reakci na dopad elektronového paprsku na jeho povrch

Následující obrázek představuje základní konstrukční podrobnosti CRT

Nyní pochopíme, jak CRT pracuje se základními funkcemi.

Jak funguje katodový paprskový osciloskop (CRO)

Horké vlákno uvnitř CRT se používá k ohřevu katodové (K) strany trubice sestávající z oxidového povlaku. To má za následek okamžité uvolnění elektronů z povrchu katody.

Prvek zvaný kontrolní mřížka (G) řídí množství elektronů, které mohou procházet dále po celé délce trubice. Úroveň napětí aplikovaného na mřížku určuje množství elektronů uvolněných z vyhřívané katody a kolik z nich se může pohybovat dopředu směrem k čelu trubice.

Jakmile elektrony překonají řídicí mřížku, procházejí následným zaostřováním do ostrého paprsku a zrychlení vysokou rychlostí pomocí zrychlení anody.

Tento vysoce zrychlený elektronový paprsek v další fázi prochází mezi několika sadami vychylovacích desek. Úhel nebo orientace první desky je držen takovým způsobem, že vychýlí elektronový paprsek svisle nahoru nebo dolů. To je zase řízeno polaritou napětí aplikovanou na tyto desky.

Také to, jak moc je povolena výchylka na paprsku, je určeno množstvím napětí aplikovaného na desky.

Tento řízený vychýlený paprsek poté prochází větším zrychlením prostřednictvím extrémně vysokých napětí aplikovaných na trubici, což nakonec způsobí, že paprsek zasáhne povlak fosforeskující vrstvy vnitřního povrchu trubky.

To okamžitě způsobí, že fosfor bude zářit v reakci na úder elektronového paprsku, který generuje viditelnou záři na obrazovce pro uživatele, který manipuluje s rozsahem.

CRT je samostatná kompletní jednotka s příslušnými vývody vyčnívajícími přes zadní základnu do konkrétních vývodů.

Na trhu jsou k dispozici různé formy CRT v mnoha různých rozměrech, s odlišnými trubicemi potaženými fosforem a umístěním vychylovací elektrody.

Pojďme se nyní zamyslet nad způsobem, jakým se CRT používá v osciloskopu.

Vzory vln, které vizualizujeme pro daný vzorový signál, se provádějí tímto způsobem:

Když rozmítané napětí pohybuje elektronovým paprskem vodorovně na vnitřní straně obrazovky CRT, vstupní signál, který se měří současně, nutí paprsek se odchýlit svisle, což vytváří požadovaný vzor na grafu obrazovky pro naši analýzu.

Co je to Single Sweep

Každý pohyb elektronového paprsku na obrazovce CRT je následován zlomkovým „prázdným“ časovým intervalem. Během této prázdné fáze se paprsek krátce vypne, dokud nedosáhne počátečního bodu nebo předchozí krajní strany obrazovky. Tento cyklus každého tažení se nazývá ‚jeden pohyb paprsku '

Pro získání stabilního zobrazení tvaru vlny na obrazovce se předpokládá, že elektronový paprsek bude opakovaně „zametán“ zleva doprava a naopak za použití stejného zobrazení pro každé rozmítání.

K dosažení tohoto cíle je nezbytná operace zvaná synchronizace, která zajišťuje, že se paprsek vrací a opakuje každé tažení od přesně stejného bodu na obrazovce.

Při správné synchronizaci se vzor křivky na obrazovce jeví jako stabilní a konstantní. Pokud však synchronizace není použita, zdá se, že se průběh vlny pomalu horizontálně pohybuje od jednoho konce obrazovky směrem k druhému konci nepřetržitě.

Základní komponenty CRO

Základní prvky CRO lze vidět na obr. 22.2 níže. Budeme primárně analyzovat provozní podrobnosti CRO pro tento základní blokový diagram.

Pro dosažení smysluplného a rozeznatelného vychýlení paprsku alespoň o centimetr až několik centimetrů musí být typická úroveň napětí použitého na vychylovacích deskách minimální při desítkách nebo dokonce stovkách voltů.

Vzhledem k tomu, že impulzy hodnocené prostřednictvím CRO obvykle mají velikost pouze několik voltů nebo maximálně několik milivolů, jsou nutné vhodné obvody zesilovače ke zvýšení vstupního signálu až na optimální úrovně napětí nezbytné pro chod trubice.

Ve skutečnosti se používají stupně zesilovače, které pomáhají vychylovat paprsek jak v horizontální, tak ve vertikální rovině.

Aby bylo možné přizpůsobit úroveň vstupního signálu, který je analyzován, musí každý vstupní puls procházet fází útlumového obvodu, navrženou ke zvýšení amplitudy displeje.

PROVOZ NAPĚTÍ

Operace rozmítání napětí je implementována následujícím způsobem:

V situacích, kdy je vertikální vstup udržován na 0 V, má být elektronový paprsek viděn ve vertikálním středu obrazovky. Pokud se na vodorovný vstup použije stejnosměrně 0 V, paprsek se umístí do středu obrazovky a bude vypadat jako těleso a papír TEČKA ve středu.

Nyní lze tuto „tečku“ přesunout kamkoli přes obličej obrazovky jednoduše manipulací s vodorovnými a svislými ovládacími tlačítky osciloskopu.

Poloha bodu může být také změněna prostřednictvím specifického stejnosměrného napětí zavedeného na vstupu osciloskopu.

Následující obrázek ukazuje, jak přesně lze polohu bodu ovládat na obrazovce CRT kladným vodorovným napětím (směrem doprava) a záporným svislým vstupním napětím (směrem dolů od středu).

Horizontální zametací signál

Aby se signál stal viditelným na displeji CRT, je nezbytně nutné povolit vychýlení paprsku horizontálním pohybem po obrazovce, takže jakýkoli odpovídající vertikální vstup signálu umožňuje, aby se změna projevila na obrazovce.

Z obrázku 22.4 níže můžeme vizualizovat přímku na displeji získanou v důsledku pozitivního napájecího napětí na vertikální vstup prostřednictvím lineárního (pilovitého) signálu šíření aplikovaného na horizontální kanál.

Když je elektronový paprsek držen nad zvolenou pevnou svislou vzdáleností, je vodorovné napětí nuceno cestovat z negativního na nulu na kladné, což způsobí, že se paprsek pohybuje z levé strany obrazovky, do středu a na pravou stranu obrazovka. Tento pohyb elektronového paprsku generuje přímku nad středovou svislou referencí, zobrazující příslušné stejnosměrné napětí ve formě linie hvězdného světla.

Namísto vytváření jediného rozmítání je rozmítané napětí implementováno tak, aby fungovalo jako spojitý průběh. To je v zásadě pro zajištění konzistentního zobrazení, které bude viditelné na obrazovce. Pokud se použije jen jeden pohyb, nevydržel by a okamžitě by zmizel.

To je důvod, proč se uvnitř CRT generují opakované tahy za sekundu, což dává na obrazovce vzhled nepřetržitého průběhu díky naší perzistenci vidění.

Pokud snížíme výše uvedenou rychlost rozmítání v závislosti na časové škále poskytované na osciloskopu, bude na obrazovce vidět skutečný dojem pohybu paprsku. Pokud je na svislý vstup aplikován pouze sinusový signál bez přítomnosti vodorovného tažení, vidíme vertikální přímku, jak je znázorněno na obr. 22.5.

A pokud je rychlost tohoto sinusového svislého vstupu dostatečně snížena, umožní nám to vidět elektronový paprsek, který se pohybuje nahoru dolů po dráze přímky.

Zobrazení lineárního pilového zubu k zobrazení vertikálního vstupu

Pokud máte zájem o prozkoumání sinusového signálu, budete muset použít signál šíření na horizontálním kanálu. To umožní, aby se signál aplikovaný na svislý kanál stal viditelným na obrazovce CRO.

Praktický příklad lze vidět na obr. 22.6, který ukazuje tvar vlny generovaný využitím horizontálního lineárního tahu spolu se sinusovým nebo sinusovým vstupem vertikálním kanálem.

Pro získání jediného cyklu na obrazovce pro aplikovaný vstup je nezbytná synchronizace vstupního signálu a lineárních frekvencí rozmítání. I při nepatrném rozdílu nebo nesprávné synchronizaci nemusí displej vykazovat žádný pohyb.

Pokud je frekvence rozmítání snížena, na obrazovce CRO může být viditelný větší počet cyklů sinusového vstupního signálu.

Na druhou stranu, pokud zvýšíme frekvenci tažení, umožnilo by to, aby byl na obrazovce viditelný nižší počet cyklů vertikálního vstupního sinusového signálu. To by ve skutečnosti mělo za následek generování zvětšené části aplikovaného vstupního signálu na obrazovce CRO.

Vyřešený praktický příklad:

Na obr. 22.7 vidíme obrazovku osciloskopu zobrazující pulzní signál v reakci na pulzní vlnovou křivku aplikovanou na vertikální vstup s horizontálním pohybem

Číslování pro každý tvar vlny umožňuje displeji sledovat variace vstupního signálu a rozmítaného napětí pro každý cyklus.

SYNCHRONIZACE A SPOUŠTĚNÍ

Úpravy v katodovém paprskovém osciloskopu se provádějí úpravou rychlosti, pokud jde o frekvenci, za účelem vytvoření jediného cyklu pulzu, mnoha počtů cyklů nebo části cyklu křivky a tato vlastnost se stává jednou z CRO je zásadní vlastností jakékoli CRO.

Na obr. 22.8 vidíme obrazovku CRO, která zobrazuje odezvu na několik cyklů zametacího signálu.

Pro každé provedení horizontálního cyklu pilového napětí prostřednictvím lineárního cyklu cyklu (s limitem od maximální záporné hranice od nuly do maxima kladného) způsobí, že elektronový paprsek cestuje vodorovně přes oblast obrazovky CRO, počínaje zleva, do středu a poté napravo od obrazovky.

Poté se napětí pilovitého zubu rychle vrátí zpět na počáteční mez záporného napětí a elektronový paprsek se odpovídajícím způsobem přesune na levou stranu obrazovky. Během této doby, kdy prochází napěťové rozmítání rychlým návratem k zápornému (zpětné vysledování), elektron prochází slepou fází (přičemž síťové napětí brání elektronům v nárazu na povrch trubice)

Aby bylo možné na displeji vytvořit stabilní obraz signálu pro každé zametání paprsku, je nezbytné zahájit rozmítání od přesně stejného bodu v cyklu vstupního signálu.

Na obr. 22.9 vidíme, že poměrně nízká frekvence rozmítání způsobila, že se na displeji objevil drift levé strany paprsku.

Je-li nastavena vysoká zametací frekvence, jak je ukázáno na obrázku 22.10, displej vytváří na obrazovce vzhled pravého driftu paprsku.

Není nutné říkat, že může být velmi obtížné nebo neproveditelné upravit frekvenci rozmítaného signálu přesně na stejnou frekvenci vstupního signálu, aby bylo dosaženo rovnoměrného nebo stálého rozmítání na obrazovce.

Realizovatelnějším řešením je počkat, až se signál v cyklu vrátí zpět do počátečního bodu stopy. Tento typ spouštění obsahuje několik dobrých funkcí, o kterých si povíme v následujících odstavcích.

Spouštění

Standardní přístup pro synchronizaci využívá malou část vstupního signálu pro přepínání generátoru zametání, což nutí zametací signál k zablokování nebo zablokování se vstupním signálem, a tento proces synchronizuje dva signály dohromady.

Na obr. 22.11 vidíme blokové schéma ilustrující extrakci části vstupního signálu v a jednokanálový osciloskop.

Tento spouštěcí signál je extrahován ze síťového kmitočtu síťového vedení (50 nebo 60 Hz) pro analýzu jakýchkoli externích signálů, které mohou být spojeny nebo se týkají střídavého napájení, nebo to může být související signál aplikovaný jako vertikální vstup v CRO.

Když je přepínač přepnut směrem k „INTERNAL“, umožňuje část vstupního signálu použít obvod generátoru spouště. Potom se výstup generátoru výstupního spouštěče použije k zahájení nebo spuštění hlavního tažení CRO, které zůstane viditelné po dobu nastavenou ovládacím prvkem čas / cm rozsahu.

Inicializaci spouštění v několika různých bodech v průběhu signálního cyklu lze vizualizovat na obr. 22.12. Fungování spouštění lze také analyzovat pomocí výsledných vzorů vln.

Signál, který je aplikován jako vstup, je použit pro generování spouštěcího průběhu signálu pro zametací signál. Jak je znázorněno na obr. 22.13, rozmítání je zahájeno cyklem vstupního signálu a udržuje se po dobu určenou nastavením řízení délky rozmítání. Následně operace CRO počká, dokud vstupní signál nedosáhne stejného bodu ve svém cyklu, než zahájí novou operaci rozmítání.

Výše vysvětlená metoda spouštění umožňuje synchronizační proces, zatímco počet cyklů, které lze zobrazit na displeji, je určen délkou zametacího signálu.

FUNKCE MULTITRACE

Mnoho pokročilých CRO usnadňuje sledování více než jedné nebo více stop na obrazovce současně, což umožňuje uživateli snadno porovnat speciální nebo jiné specifické vlastnosti více průběhů.

Tato funkce je obvykle implementována pomocí více paprsků z více elektronových zbraní, které generují jednotlivé paprsky na obrazovce CRO, ale někdy se to provádí také pomocí jediného elektronového paprsku.

Existuje několik technik, které se používají pro generování více stop: ALTERNATE a CHOPPED. V alternativním režimu jsou dva signály dostupné na vstupu střídavě připojeny ke stupni vychylovacího obvodu pomocí elektronického spínače. V tomto režimu je paprsek posouván přes obrazovku CRO bez ohledu na to, kolik stop se má zobrazit. Poté elektronický spínač alternativně vybere druhý signál a provede totéž i pro tento signál.

Tento provozní režim je patrný na obr. 22.14a.

Obr. 22.14b ukazuje provozní režim CHOPPED, kdy paprsek prochází opakovaným přepínáním pro výběr mezi dvěma vstupními signály pro každý signál šíření paprsku. Toto přepínání nebo sekání zůstává nezjistitelné pro relativně nižší frekvence signálu a je zjevně viděno jako dvě jednotlivé stopy na obrazovce CRO.

Jak měřit průběh pomocí kalibrovaných CRO stupnic

Možná jste viděli, že obrazovka displeje CRO sestává z jasně vyznačené kalibrované stupnice. Toto je poskytováno pro měření amplitud a časového faktoru pro daný aplikovaný tvar vlny.

Označené jednotky jsou viditelné jako rámečky, které jsou po obou stranách rámečků rozděleny o 4 centimetry (cm). Každý z těchto boxů je navíc rozdělen na intervaly 0,2 cm.

Měření amplitud:

Vertikální měřítko na obrazovce RO lze vidět kalibrované buď ve voltech / cm (V / cm) nebo milivoltech / cm (mV / cm).

S pomocí nastavení ovládacích tlačítek dalekohledu a značek zobrazených na čelní straně displeje je uživatel schopen měřit nebo analyzovat amplitudy signálu typu peak-to-peak signálu tvaru vlny nebo typicky AC signálu.

Zde je praktický řešený příklad pro pochopení toho, jak se měří amplituda na obrazovce CRO:

Poznámka: Toto je výhoda osciloskopu oproti multimetrům, protože multimetry poskytují pouze RMS hodnotu střídavého signálu, zatímco rozsah je schopen poskytnout jak hodnotu RMS, tak i špičkovou hodnotu signálu.

Měření časování (období) střídavého cyklu pomocí osciloskopu

Horizontální měřítko poskytované na obrazovce osciloskopu nám pomáhá určit načasování vstupního cyklu v sekundách, v milisekundách (ms) a v mikrosekundách (μs), nebo dokonce v nanosekundách (ns).

Časový interval spotřebovaný pulzem k dokončení cyklu od začátku do konce se nazývá období pulzu. Když je tento puls ve formě opakovaného tvaru vlny, jeho perioda se nazývá jeden cyklus tvaru vlny.

Zde je praktický řešený příklad ukazující, jak určit periodu průběhu pomocí kalibrace obrazovky CRO:

Měření šířky pulzu

Každý tvar vlny je tvořen maximálními a minimálními napěťovými špičkami, které se nazývají vysoké a nízké stavy pulzu. Časový interval, po který puls zůstává ve stavu HIGH nebo LOW, se nazývá šířka pulzu.

U impulzů, jejichž okraje velmi prudce (rychle) stoupají a klesají, se šířka těchto impulzů měří od začátku impulzu zvaného náběžná hrana až ke konci impulsu nazývaného koncová hrana, což je znázorněno na obr. 22.19a.

U pulzů, které mají spíše pomalejší nebo pomalejší cykly náběhu a pádu (exponenciální typ), se jejich šířka pulzu měří napříč jejich 50% hladinami v cyklech, jak je naznačeno na obr. 22.19b.

Následující vyřešený příklad pomáhá lépe pochopit výše uvedený postup:

POROZUMĚNÍ ZPOŽDĚNÍ PULSU

Časový interval mezi impulsy v pulzním cyklu se nazývá pulzní zpoždění. Příklad pulzního zpoždění lze vidět na níže uvedeném obrázku 22.21, můžeme vidět, že zde se zpoždění měří mezi středním bodem nebo 50% úrovní a počátečním bodem pulzu.

Obrázek 22.21

Praktický řešený příklad ukazující, jak měřit pulzní zpoždění v CRO

Závěr:

Pokusil jsem se zahrnout většinu základních podrobností o tom, jak funguje katodový paprskový osciloskop (CRO), a pokusil jsem se vysvětlit, jak používat toto zařízení k měření různých signálů založených na frekvenci přes jeho kalibrovanou obrazovku. Stále však může existovat mnohem více aspektů, které mi tu možná chyběly, nicméně budu občas kontrolovat a aktualizovat další informace, kdykoli je to možné.

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