Katódsugár oszcilloszkópok - Működési és működési részletek

Ebben a bejegyzésben részletesen megvitatjuk a katódsugár oszcilloszkópok (CRO) működését és belső felépítését. Megtanuljuk azt is, hogyan kell használni a CRO-t a különféle vezérlők segítségével, és megérteni a különböző bemeneti jelek grafikus ábrázolását a hatókör kijelzőjén.

A katódsugár oszcilloszkópok (CRO) jelentősége

Tudjuk, hogy az elektronikus áramkörök többsége szigorúan elektronikus hullámformát vagy digitális hullámformát használ, amelyek általában frekvenciaként készülnek. Ezek a jelek fontos szerepet játszanak az ilyen áramkörökben audio információk, számítógépes adatok, TV-jelek, oszcillátorok és időgenerátorok formájában (ahogy a radarokban alkalmazzák), stb. Ezért ezeknek a paramétereknek a pontos és helyes mérése nagyon fontos lesz az ilyen típusok tesztelése és hibaelhárítása közben. áramkörök

Az általánosan elérhető mérők, mint például a digitális multiméterek vagy az analóg multiméterek, korlátozott felszereltséggel rendelkeznek, és csak DC vagy AC feszültségeket, áramokat vagy impedanciákat képesek mérni. Egyes fejlett mérők képesek mérni a váltakozó áramú jeleket, de csak akkor, ha a jel erősen finomított, és specifikus torzítás nélküli szinuszos jelek formájában. Ezért ezek a mérők nem szolgálják a célt, amikor a hullámformát és az időzített ciklusokat magában foglaló áramköröket kell elemezni.

Ezzel szemben az oszcilloszkóp olyan eszköz, amelyet hullámforma pontos elfogadására és mérésére terveztek, lehetővé téve a felhasználó számára, hogy a pulzus alakját vagy a hullám alakját gyakorlatilag megjelenítse.

A CRO egyike azoknak a kiváló minőségű oszcilloszkópoknak, amelyek lehetővé teszik a felhasználó számára, hogy vizuálisan ábrázolja a szóban forgó alkalmazott hullámformát.

Katódsugárcsövet (CRT) alkalmaz a hullámformaként a bemeneten alkalmazott jelnek megfelelő vizuális kijelző előállításához.

A CRT belsejében levő elektronnyaláb a bejövő jelekre reagálva kitérő mozgásokon (sepréseken) megy keresztül a cső (képernyő) felületén, vizuális nyomot hozva létre a képernyőn, amely a hullámalak alakját ábrázolja. Ezek a folyamatos nyomok lehetővé teszik a felhasználó számára, hogy megvizsgálja a hullámformát és tesztelje annak jellemzőit.

Az oszcilloszkóp azon funkciója, amely a hullámalak tényleges képét hozza létre, nagyon hasznos lesz a digitális multiméterekhez képest, amelyek csak a hullámforma numerikus értékeit képesek megadni.

Mint mindannyian tudjuk, a katódsugár oszcilloszkópok elektronsugarakkal működnek, hogy jelezzék a különböző olvasmányokat az oszcilloszkóp képernyőn. A sugár vízszintes elhajlásához vagy feldolgozásához az úgynevezett műveletet sweep-feszültség beépítve van, míg a vertikális feldolgozást a mért bemeneti feszültség végzi.

CATHODE RAY Cső - ELMÉLET ÉS BELSŐ ÉPÍTÉS

A katódsugár oszcilloszkópon (CRO) belül a katódsugárcső (CRT) válik a készülék fő komponensévé. A CRT felelős a komplex hullámalakú képalkotásért a hatókör képernyőjén.

A CRT alapvetően négy részből áll:

1. Elektronpisztoly az elektronnyaláb előállításához.
2. Fókuszáló és gyorsító alkatrészek a pontos elektronnyaláb létrehozásához.
3. Vízszintes és függőleges terelőlemezek az elektronnyaláb szögének manipulálására.
4. Foszforeszkáló szitával bevont ürített üvegház a szükséges látható fény megteremtésére az elektronnyaláb felületére történő ütközés hatására

Az alábbi ábra bemutatja a CRT alapvető építési részleteit

Most megértjük, hogyan működik a CRT az alapvető funkcióival.

Hogyan működik a katódsugár oszcilloszkóp (CRO)

A CRT belsejében forró szálat használnak a cső oxid bevonatból álló katód (K) oldalának melegítésére. Ez az elektronok azonnali felszabadulását eredményezi a katód felületéről.

A vezérlőrácsnak (G) nevezett elem szabályozza az elektronok mennyiségét, amelyek tovább tudnak haladni a cső hosszában. A rácsra alkalmazott feszültség szintje határozza meg az elektronok mennyiségének megszabadulását a fűtött katódtól, és azt, hogy hányan mozoghatnak előre a cső felülete felé.

Miután az elektronok felülmúlják a vezérlőrácsot, az anódgyorsítás segítségével éles nyalábra és nagy sebességű gyorsításra jutnak a későbbi fókuszálás során.

Ezt a nagy ütemben gyorsuló elektronnyalábot a következő fázisban néhány terelőlemez-készlet között továbbítják. Az első lemez szöge vagy iránya úgy van megtartva, hogy függőlegesen felfelé vagy lefelé terelje az elektronnyalábot. Ezt viszont az ezeken a lemezeken alkalmazott feszültségpolaritás vezérli.

Az is, hogy mennyi megengedett a gerenda elhajlása, a lemezeken alkalmazott feszültség nagysága alapján határozható meg.

Ez az irányított elhajlított nyaláb ezután nagyobb gyorsuláson megy keresztül a csövön alkalmazott rendkívül magas feszültségeken keresztül, ami végül a sugárnak a cső belső felületének foszforeszkáló rétegbevonatát éri.

Ez azonnal rávilágít a foszforra, reagálva az elektronsugár ütésére, amely a képernyőn látható fényt generálja a hatótávolságot kezelő felhasználó számára.

A CRT egy független komplett egység, amelynek megfelelő kapcsaival a hátsó talapzaton keresztül meghatározott csapokba nyúlik ki.

A CRT-k különböző formái sokféle dimenzióban állnak rendelkezésre a piacon, különálló foszfor bevonatú csövekkel és eltérítő elektróda pozícionálással.

Gondoljuk át most a CRT oszcilloszkópban való alkalmazását.

Azokat a hullámalakmintákat, amelyeket egy adott mintajel számára vizualizálunk, a következő módon hajtjuk végre:

Ahogy a sweep feszültség vízszintesen mozgatja az elektronnyalábot a CRT képernyő belső felületén, a mért bemeneti jel egyidejűleg arra kényszeríti a nyalábot, hogy függőlegesen elhajoljon, ezzel létrehozva az elemzésünkhöz szükséges mintát a képernyő grafikonján.

Mi az egyetlen söpörés

A CRT képernyőn az elektronsugár minden egyes seprését töredékesen 'üres' időintervallummal követjük. Ebben az üres szakaszban a sugár rövid ideig kikapcsol, amíg el nem éri a képernyő kezdőpontját vagy a képernyő előző szélső oldalát. Az egyes söprések ezt a ciklusát hívják 'a sugár egy söpörése'

A stabil hullámforma megjelenítéséhez a képernyőn az elektronnyalábot feltételezhetően ismételten át kell „söpörni” balról jobbra és fordítva, minden egyes sepréshez azonos képalkotással.

Ennek eléréséhez szükség van egy szinkronizálásnak nevezett műveletre, amely biztosítja, hogy a nyaláb visszatérjen és megismételje az egyes söpréseket a képernyő pontosan ugyanarról a pontjáról.

Helyes szinkronizálás esetén a képernyőn megjelenő hullámforma stabil és állandó. Ha azonban a szinkronizálást nem alkalmazzák, akkor a jelek lassan vízszintesen sodródnak a képernyő egyik végétől a másik vége felé folyamatosan.

CRO alapkomponensek

A CRO lényeges elemeit az alábbi 22.2. Ábra szemlélteti. Elsősorban a CRO működési részleteit fogjuk elemezni ennek az alapvető blokkdiagramnak.

A sugár legalább egy centimétertől néhány centiméterig terjedő értelmes és felismerhető alakváltozásának eléréséhez a terelőlemezeken alkalmazott tipikus feszültségszintnek legalább tíz, vagy akár több száz volt feszültségnek kell lennie.

Annak a ténynek a következtében, hogy a CRO-n keresztül értékelt impulzusok általában csak néhány voltos nagyságrendűek, vagy legfeljebb több millivoltosak, megfelelő erősítő áramkörök válnak szükségessé a bemeneti jel felerősítéséhez a cső működtetéséhez szükséges optimális feszültségszintig.

Valójában erősítő fokozatokat alkalmaznak, amelyek elősegítik a sugár elhajlását mind a vízszintes, mind a függőleges síkon.

Az elemezni kívánt bemeneti jel szintjének adaptálásához minden bemeneti impulzusnak egy csillapító áramkörön kell haladnia, amelyet a kijelző amplitúdójának növelésére terveztek.

FESZÜLTSÉGES MÖKÖDÉSI MŰKÖDÉS

A feszültség söpörési műveletet a következő módon hajtják végre:

Olyan helyzetekben, amikor a függőleges bemenet 0 V-on van tartva, az elektronnyalábot a képernyő függőleges középpontjában kell látni. Ha a vízszintes bemenetre 0 V feszültséget azonos módon alkalmaznak, akkor a gerenda a képernyő közepén helyezkedik el, szilárd és írószerként PONT a központban.

Ez a „pont” bárhová elmozdítható a képernyőn, egyszerűen az oszcilloszkóp vízszintes és függőleges vezérlőgombjainak manipulálásával.

A pont helyzete az oszcilloszkóp bemenetén bevezetett speciális egyenfeszültségen keresztül is változtatható.

A következő ábra azt mutatja be, hogy a CRT képernyőn hogyan lehet pontosan szabályozni a pont helyzetét egy pozitív vízszintes feszültségen (jobb felé) és egy negatív függőleges bemeneti feszültségen keresztül (középen lefelé).

Vízszintes sweep jel

Ahhoz, hogy egy jel láthatóvá váljon a CRT kijelzőn, elengedhetetlenné kell tenni a sugár elhajlásának engedélyezését a képernyőn keresztüli vízszintes söpörésen keresztül úgy, hogy bármely megfelelő függőleges jelbemenet lehetővé tegye a változás tükröződését a képernyőn.

Az alábbi 22.4. Ábráról a függőleges bemenetre adott pozitív feszültség-előtolás eredményeként kapott egyenes vonalat jeleníthetjük meg a kijelzőn a vízszintes csatornára alkalmazott lineáris (fűrészfog) seprőjelen keresztül.

Ha az elektronnyalábot egy kiválasztott rögzített függőleges távolságon tartják, a vízszintes feszültséget negatívról nullára pozitívra kell mozgatni, aminek hatására a sugár a képernyő bal oldalán, a középpontban és a jobb oldalán halad. képernyő. Az elektronnyalábnak ez a mozgása egyenes vonalat hoz létre a függőleges középső referencia felett, amely megfelelő egyenfeszültséget mutat csillagfény vonal formájában.

Egyetlen sweep előállítása helyett a sweep feszültséget úgy hajtják végre, hogy folyamatos hullámalakként működjön. Ennek lényege annak biztosítása, hogy az egyenletes megjelenítés látható legyen a képernyőn. Ha csak egyetlen seprést alkalmaznak, az nem tartana és azonnal elhalványulna.

Ezért generálódnak másodpercenként ismételt sweepek a CRT belsejében, amely folyamatos hullámformát jelenít meg a képernyőn a látásunk állandósága miatt.

Ha csökkentjük a fenti átviteli sebességet az oszcilloszkópon megadott időskálától függően, akkor a sugár valódi mozgó benyomása a képernyőn látható volt. Ha csak egy szinuszos jelet adunk a függőleges bemenetre a vízszintes söprés jelenléte nélkül, akkor egy függőleges egyeneset látunk, amelyet a 22.5. Ábra mutat.

És ha ennek a szinuszos függőleges bemenetnek a sebessége kellőképpen csökken, akkor láthatjuk, hogy az elektronsugár lefelé halad egyenes vonal mentén.

Lineáris fűrészfog-seprés használata a függőleges bemenet megjelenítéséhez

Ha érdekel egy szinusz hullám, akkor a vízszintes csatornán egy sweep jelet kell használnia. Ez lehetővé teszi, hogy a függőleges csatornán alkalmazott jel láthatóvá váljon a CRO képernyőn.

Gyakorlati példa látható a 22.6. Ábrán, amely egy vízszintes lineáris seprés és a függőleges csatornán keresztüli szinuszos vagy szinuszos bemenet alkalmazásával generált hullámformát mutat be.

Annak érdekében, hogy egyetlen ciklust kapjunk a képernyőn az alkalmazott bemenetre, elengedhetetlenné válik a bemeneti jel és a lineáris sweep frekvenciák szinkronizálása. Még egy perc eltérés vagy helytelen szinkronizálás esetén a kijelző nem mutathat semmilyen mozgást.

Ha a seprési frekvencia csökken, a szinusz bemeneti jel több ciklusa láthatóvá válhat a CRO képernyőn.

Másrészt, ha növeljük a sweep frekvenciáját, akkor a függőleges bemeneti szinuszjelek alacsonyabb száma látható lenne a kijelzőn. Ez valójában azt eredményezné, hogy az alkalmazott bemeneti jel nagyított részét generálja a CRO képernyőn.

Megoldott gyakorlati példa:

A 22.7. Ábrán láthatjuk az oszcilloszkóp képernyőjét, amely pulzáló jelet jelenít meg, válaszul a függőleges bemenetre vízszintes söpöréssel alkalmazott impulzusszerű hullámformára.

Az egyes hullámalakok számozása lehetővé teszi a kijelző számára, hogy kövesse a bemeneti jel és a sweep feszültség változásait az egyes ciklusoknál.

SZinkronizálás és kiváltás

A katódsugár-oszcilloszkóp beállításai a sebesség frekvencia-beállításával történnek, egyetlen impulzus ciklus, sok ciklus vagy egy hullámforma ciklus egy részének előállításához, és ez a funkció a CRO egyikévé válik. bármely CRO-ból.

A 22.8. Ábrán láthatjuk a CRO képernyőt, amely a sweep jel néhány ciklusára adott választ mutatja.

A vízszintes fűrészfogak söpörési feszültségének lineáris seprési cikluson keresztül történő végrehajtása (amelynek maximális negatív határa a nulla és a maximális pozitív között van) az elektronsugarat vízszintesen haladja át a CRO képernyő területén, balról kezdve középre, majd a képernyő jobb oldalán.

Ezt követően a fűrészfog feszültsége gyorsan visszatér a kezdeti negatív feszültséghatárig, az elektronnyaláb ennek megfelelően elmozdul a képernyő bal oldalán. Ebben az időszakban, amikor a sweep feszültség gyorsan visszatér a negatívba (visszalépés), az elektron egy üres fázison megy keresztül (ahol a rácsfeszültség megakadályozza, hogy az elektronok elütjenek a cső felületén)

Annak érdekében, hogy a kijelző stabil jelképet állítson elő a sugár minden egyes sweepjéhez, elengedhetetlenné válik a sweep elindítása a bemeneti jelciklus pontosan ugyanabból a pontjából.

A 22.9. Ábrán láthatjuk, hogy egy meglehetősen alacsony sweep frekvencia miatt a kijelző a sugár bal oldali sodródását eredményezi.

Ha nagy seprési frekvenciára van állítva, amint azt a 22.10. Ábra bizonyítja, a kijelző a sugár jobb oldali sodródását jeleníti meg a képernyőn.

Mondanom sem kell, hogy nagyon nehéz vagy kivitelezhetetlen a sweep jel frekvenciájának a bemeneti jel frekvenciájával pontosan megegyező beállítása a képernyőn történő állandó vagy állandó sweep eléréséhez.

Megvalósíthatóbb megoldás az, ha megvárjuk, amíg a jel egy ciklusban visszatér a nyomvonal kezdőpontjára. Ez a típusú kiváltás néhány jó tulajdonságot tartalmaz, amelyeket a következő bekezdésekben tárgyalunk.

Kioldás

A szinkronizálás szokásos megközelítése a bemeneti jel egy kis részét alkalmazza a söprésgenerátor átkapcsolására, amely arra kényszeríti a söprésjelet, hogy reteszelődjön vagy rögzüljön a bemeneti jellel, és ez a folyamat szinkronizálja a két jelet.

A 22.11. Ábrán láthatjuk a blokkvázlatot, amely szemlélteti a bemeneti jel egy részének kivonását az a-ban egycsatornás oszcilloszkóp.

Ezt a kiváltó jelet a hálózati váltakozó áram vonali frekvenciájából (50 vagy 60 Hz) veszik ki, hogy elemezzen minden olyan külső jelet, amely társulhat vagy kapcsolatban lehet az AC hálózattal, vagy függő bemenetként alkalmazott kapcsolódó jel lehet a CRO-ban.

Ha a választókapcsolót az „INTERNAL” felé kapcsolják, akkor a bemeneti jel egy részét a trigger generátor áramkör tudja használni. Ezután a kimeneti kiváltó generátor kimenetét használjuk a CRO fő seprésének elindításához vagy elindításához, amely a hatókör idő / cm vezérlésének által meghatározott ideig látható marad.

A kiváltás inicializálása a jelciklus több különböző pontján a 22.12. Ábrán látható. A kiváltó sweep működését a kapott hullámalak mintákon keresztül is elemezni lehetett.

A bemenetként alkalmazott jelet a sweep jel kiváltó jelalakjának előállítására használják. Amint az a 22.13. Ábrán látható, a söprést a bemeneti jelciklussal indítják, és az a söpörési hossz beállítás által meghatározott ideig tart. Ezt követően a CRO művelet megkezdi az új sweep művelet megkezdését, amíg a bemeneti jel a ciklusának azonos pontjára jut.

A fent ismertetett kiváltó módszer lehetővé teszi a szinkronizálási folyamatot, míg a kijelzőn megtekinthető ciklusok számát a söpörő jel hossza határozza meg.

MULTITRACE FUNKCIÓ

A fejlett CRO-k közül sok megkönnyíti egynél több vagy több nyom egyidejű megtekintését a kijelzőn, ami lehetővé teszi a felhasználó számára, hogy könnyedén összehasonlítsa a többféle hullámforma speciális vagy egyéb jellemzőit.

Ezt a funkciót általában több elektronfegyver több sugárjának felhasználásával valósítják meg, amelyek egyedi nyalábot generálnak a CRO képernyőn, de néha ezt egyetlen elektronnyalábbal is végrehajtják.

Van néhány technika, amelyet több nyom generálására használnak: ALTERNATE és CHOPPED. Alternatív üzemmódban a bemeneten elérhető két jel felváltva kapcsolódik az alakító áramkör szakaszához egy elektronikus kapcsolón keresztül. Ebben az üzemmódban a sugár áthúzódik a CRO képernyőn, függetlenül attól, hogy hány nyomot kell megjeleníteni. Ezt követően az elektronikus kapcsoló felveszi a második jelet, és ugyanezt a jelet is elvégzi.

Ez a működési mód a 22.14a ábrán látható.

A 22.14b. Ábra a CHOPPED üzemmódot szemlélteti, ahol a nyaláb ismétlődő kapcsoláson megy keresztül a két bemeneti jel közötti választáshoz a sugár minden egyes sweep jeléhez. Ez a kapcsolási vagy vágási művelet a jel viszonylag alacsonyabb frekvenciáinál kimutathatatlan marad, és nyilvánvalóan két külön nyomnak tekinthető a CRO képernyőn.

Hogyan mérjük meg a hullámformát kalibrált CRO mérlegeken keresztül

Láthatta, hogy a CRO kijelző képernyője egyértelműen megjelölt kalibrált skálából áll. Ez a kérdéses alkalmazott hullámforma amplitúdóinak és időfaktorának mérésére szolgál.

A megjelölt egységek dobozokként láthatók, amelyek 4 cm-re (cm) vannak osztva a dobozok mindkét oldalán. Ezen dobozok mindegyike 0,2 cm-es intervallumokra oszlik.

Amplitúdók mérése:

A függőleges skála az RO képernyőn kalibrálva látható, akár volt / cm (V / cm), akár millivolt / cm (mV / cm) értékben.

A hatókör vezérlőgombjainak beállításai és a kijelző felületén megjelenő jelölések segítségével a felhasználó képes mérni vagy elemezni egy hullámalakú jel vagy tipikusan egy AC jel csúcs-csúcs amplitúdóját.

Itt van egy praktikus megoldott példa az amplitúdó mérésének megértésére a CRO képernyőn:

Megjegyzés: Ez az oszcilloszkóp előnye a multiméterekkel szemben, mivel a multiméterek csak az AC jel RMS értékét adják meg, míg egy hatókör képes megadni mind az RMS értékét, mind a jel csúcs-csúcs értékét.

AC-ciklus időzítésének (periódusának) mérése oszcilloszkóp segítségével

Az oszcilloszkóp képernyőjén található vízszintes skála segít meghatározni egy bemeneti ciklus időzítését másodpercekben, milliszekundumokban (ms) és mikroszekundumokban (μs), vagy akár nanoszekundumokban (ns).

Az impulzus által a ciklus elejétől a végéig elfogyasztott időintervallumot az impulzus periódusának nevezzük. Ha ez az impulzus ismétlődő hullámforma, akkor annak periódusát a hullámalak egyik ciklusának nevezzük.

Itt van egy praktikus megoldott példa, amely bemutatja, hogyan lehet meghatározni a hullámalak periódusát a CRO képernyő kalibrálásával:

Pulzusszélesség mérése

Minden hullámforma maximális és minimális feszültségcsúcsokból áll, amelyeket az impulzus magas és alacsony állapotának nevezünk. Azt az időintervallumot, amelyig az impulzus HIGH vagy LOW állapotban marad, impulzusszélességnek nevezzük.

Azoknál az impulzusoknál, amelyek élei nagyon élesen (gyorsan) emelkednek és csökkennek, az ilyen impulzusok szélességét az élnek nevezett impulzus kezdetétől az impulzus végéig nevezett impulzus végéig mérjük, ezt mutatja a 22.19a.

Azoknál az impulzusoknál, amelyeknek meglehetősen lassabb vagy lassabb emelkedési és zuhanási ciklusa van (exponenciális típus), impulzusszélességüket a ciklusok 50% -ának szintjén mérik, amint azt a 22.19b. Ábra mutatja.

Az alábbi megoldott példa segít a fenti eljárás jobb megértésében:

A PULZUS KÉSLELTETÉS MEGÉRTÉSE

Az impulzusok közötti impulzusok közötti időintervallumot impulzus késleltetésnek nevezzük. Pulzus késleltetési példa látható az alábbi, 22.21. Ábrán, láthatjuk, hogy itt a késést a középpont vagy az 50% -os szint és az impulzus kezdőpontja között mérjük.

22.21. Ábra

Gyakorlati megoldott példa a pulzus késés mérésére a CRO-ban

Következtetés:

Megpróbáltam tartalmazni a katódsugár oszcilloszkóp (CRO) működésével kapcsolatos alapvető részletek többségét, és megpróbáltam elmagyarázni, hogyan kell ezt az eszközt használni különböző frekvencia alapú jelek mérésére a kalibrált képernyőjén keresztül. Ugyanakkor még sok más szempont lehet, amelyet itt hiányolhattam, ennek ellenére időnként folyamatosan ellenőrzöm, és frissítek további információkat, amikor csak lehetséges.

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