Oscil·loscopi electrònic: dispositiu, principi de funcionament

La ràdio amateur, com a hobby, és una activitat molt emocionant i, es pot dir, addictiu. Molts hi entren en els meravellosos anys escolars i, amb el pas del temps, aquesta afició es pot convertir en una professió per a la vida. Tot i que no podeu obtenir una formació superior en enginyeria de ràdio, l'estudi independent de l'electrònica us permet obtenir resultats i un èxit molt alts. Al mateix temps, la revista Radio va convocar a enginyers especialistes sense diplomes.

Els primers experiments amb electrònica comencen, per regla general, amb el muntatge dels circuits més senzills, que comencen a funcionar immediatament sense ajust i configuració. Molt sovint es tracta de diversos generadors, trucades, fonts d'alimentació sense pretensions. Tot això es pot recopilar llegint una quantitat mínima de literatura, només descripcions de patrons repetibles. En aquesta fase, per regla general, és possible accedir-hi amb un mínim conjunt d’eines: una soldadura, uns talladors laterals, un ganivet i diversos tornavisos.

Gradualment, els dissenys es compliquen, i tard o d’hora resulta que sense ajust i sintonia, simplement no funcionaran. Per tant, heu d’adquirir instruments de mesura fina i com més aviat millor. L'antiga generació d'enginyers electrònics disposava d'un testador de punter amb un dispositiu d'aquest tipus.

En l'actualitat, el testador de commutació, sovint anomenat avòmetre, s'ha substituït multímetre digital. Es pot trobar a l'article "Com s'utilitza un multímetre digital". Tot i que el bon testador punter antic no renuncia a les seves posicions, i en alguns casos el seu ús és preferible en comparació amb un dispositiu digital.

Aquests dos dispositius permeten mesurar tensions, corrents i resistències directes i alternes. Si les tensions constants són fàcils de mesurar, n'hi ha prou amb esbrinar només el valor, i amb els voltants alternats hi ha alguns matisos.

El fet és que tant els dispositius digitals punters com els moderns estan dissenyats per mesurar una tensió alterna sinusoïdal i, en un rang de freqüències força limitat: el resultat de la mesura serà el valor real de la tensió alterna.

Si aquests dispositius mesuren la tensió d'una forma rectangular, triangular o dentada, les lectures de l'escala del dispositiu, per descomptat, ho seran, però no cal valorar la precisió de les mesures. Bé, només hi ha tensió i que no se sap exactament. I com ser en aquests casos, com continuar la reparació i el desenvolupament de nous circuits cada cop més complexos electrònics? Aquí el radioamateur arriba a l’escenari quan has de comprar un osciloscopi.

Una mica d’història

Amb l'ajuda d'aquest dispositiu es pot veure amb els seus propis ulls què passa en els circuits electrònics: quina és la forma del senyal, on va aparèixer o va desaparèixer, les relacions de temps i fase dels senyals. Per observar diversos senyals, cal, com a mínim, un osciloscopi de dos raigs.

Aquí podem recordar una història llunyana, quan el 1969 es va crear l’oscil·loscopi C1-33 de cinc feixos, produït en massa per la Planta de Vílnius. El dispositiu va utilitzar un CRT 22LO1A, que només es va utilitzar en aquest desenvolupament. El client d’aquest dispositiu era, per descomptat, el complex militar-industrial.

Estructuralment, aquest aparell estava format per dos blocs col·locats sobre un cremallera amb rodes: l’oscil·loscopi mateix i l’alimentació elèctrica. El pes total de l'estructura va ser de 160 kg. El kit d’abast incloïa una càmera de gravació RFK-5 adherida a la pantalla, que garantia l’enregistrament de formes d’ona a la pel·lícula. A l'aparició de l'oscil·loscopi de cinc feixos C1-33 amb la càmera instal·lada es mostra a la figura 1.

Figura 1. Osciloscopi de cinc feixos C1-33, 1969

L’electrònica moderna permet crear osciloscopis digitals de mà de la mida d’un telèfon mòbil. Un d'aquests dispositius es mostra a la figura 2. Però això es tractarà més endavant.

Figura 2. Oscil·loscopi digital de butxaca DS203

Oscil·loscopis de diversos tipus

Fins fa poc, es produïen diversos tipus d’oscil·loscopis de feixos d’electrons. En primer lloc, es tracta d’oscil·loscopis universals, que s’utilitzen més sovint amb finalitats pràctiques. A més d’ells, també es van produir oscil·loscopis d’emmagatzematge basats en CRTs d’emmagatzematge, d’alta velocitat, estroboscòpics i especials. Aquests darrers tipus estaven destinats a diverses tasques científiques específiques, a les que actualment els osciloscopis digitals moderns estan fent front. Per tant, ens centrarem més en els osciloscopis electrònics de propòsit general universal.

Dispositiu CRT

La part principal de l’oscil·loscopi electrònic, per descomptat, és el tub de rajos catòdics - CRT. El seu dispositiu es mostra a la figura 3.

Figura 3. Dispositiu CRT

Estructuralment, un CRT és un cilindre llarg de vidre 10 de forma cilíndrica amb una extensió en forma de con. La part inferior d’aquesta extensió, que és una pantalla CRT, està coberta amb un fòsfor que emet un resplendor visible quan un feix d’electrons l’ataca 11. Moltes CRT tenen una pantalla rectangular amb divisions aplicades directament al vidre. Aquesta pantalla és l’indicador de l’oscil·loscopi.

Un feix d’electrons està format per una pistola d’electrons

L’escalfador 1 escalfa el càtode 2, que comença a emetre electrons. En física, aquest fenomen es diu emissió termionària. Però els electrons emesos pel càtode no volaran gaire lluny, només s’asseuran al càtode. Per obtenir un feix d’aquests electrons es necessiten diversos elèctrodes més.

Es tracta de l’elèctrode de focalització 4 i l’ànode 5 connectat a l’aquadag 8. Sota la influència del camp elèctric d’aquests elèctrodes, els electrons es separen del càtode, s’accelen, es concentren en un feix prim i s’afanyen a la pantalla recoberta del fòsfor, fent que el fòsfor brille. Junts, aquests elèctrodes s’anomenen canons d’electrons.

Arribant a la superfície de la pantalla, el feix d’electrons no només provoca una resplendor, sinó que també elimina electrons secundaris del fòsfor, cosa que fa que el feix es desfogui. L’aquadag esmentat anteriorment, que és un recobriment de grafit de la superfície interior del tub, serveix per eliminar aquests electrons secundaris. A més, aquadag protegeix fins a cert punt el feix dels camps electrostàtics externs. Però aquesta protecció no és suficient, per tant, la part cilíndrica del CRT, on es troben els elèctrodes, es col·loca en una pantalla metàl·lica feta d’acer o permalloy elèctric.

Un modulador 3 es troba situat entre el càtode i l'elèctrode d'enfocament, que té com a objectiu controlar el corrent del feix, que permet extingir el feix durant la barrera inversa i ressaltar durant la cursa endavant. A les làmpades d’amplificació, aquest elèctrode s’anomena xarxa de control. El modulador, l’elèctrode de l’enfocament i l’ànode tenen forats centrals pels quals vola el feix d’electrons.

Plaques de desviament Una placa de deflexió té dos parells de plaques. Es tracta de les plaques de la desviació vertical del feix 6 - la placa Y, a la qual se subministra el senyal que s’està investigant, i les plaques de la desviació horitzontal 7 - la placa X, i que es subministren amb una tensió horitzontal. Si les plaques de desviació no estan connectades enlloc, hauria d'aparèixer un punt lluminós al centre de la pantalla CRT. A la figura, aquest és el punt O2. Naturalment, la tensió d’alimentació s’ha d’aplicar al tub.

És aquí on s’hauria de posar un punt important. Quan el punt es manté en peu, sense moure's enlloc, simplement pot gravar el fòsfor i un punt negre romandrà per sempre a la pantalla CRT. Això pot succeir durant el procés de reparació de l’oscil·loscopi o amb l’autoproducció d’un senzill dispositiu amateur.Per tant, en aquest mode, haureu de reduir la brillantor al mínim i desajustar el feix; encara podeu veure si hi ha un feix o està absent.

Quan s’aplica un voltatge determinat a les plaques de desviació, el feix es desviarà del centre de la pantalla. A la figura 3, el feix es desvia cap al punt O3. Si el voltatge canvia, el feix dibuixarà una línia recta a la pantalla. Aquest fenomen s’utilitza per crear la imatge del senyal estudiat a la pantalla. Per obtenir una imatge bidimensional a la pantalla, s’han d’aplicar dos senyals: el senyal de prova - aplicat a les plaques Y i el voltatge d’escaneig - aplicat a les plaques X. Podem dir que s’obté a la pantalla un gràfic amb els eixos de coordenades X i Y.

Exploració horitzontal

És la exploració horitzontal que forma l’eix X del gràfic de la pantalla.

Figura 4. Tensió de barratge

Tal com es pot observar a la figura, l’escanejat horitzontal es realitza mitjançant tensió de serra, que es pot dividir en dues parts: endavant i inversa (Fig. 4a). Durant el traç cap endavant, el feix es desplaça uniformement a través de la pantalla d'esquerra a dreta i, en arribar a la vora dreta, torna ràpidament. Això s’anomena traç invers. Durant el curs endavant, es genera un pols de llum de fons que s’alimenta al modulador del tub i apareix un punt lluminós a la pantalla dibuixant una línia horitzontal (Fig. 4b).

El voltatge d'avanç, tal com es mostra a la figura 4, comença des de zero (un feix al centre de la pantalla) i canvia a un voltatge d'Umax. Per tant, el feix es desplaçarà des del centre de la pantalla a la vora dreta, és a dir. només la meitat de la pantalla. Per iniciar l'exploració des de la vora esquerra de la pantalla, el feix es desplaça cap a l'esquerra aplicant-hi una tensió de biaix. El desplaçament del feix està controlat per una nansa del panell frontal.

Durant la carrera de retorn, el pols del contrallum s’acaba i el feix s’apaga. La posició relativa del pols de contrallum i la tensió d’escombrat de la serra es pot veure al diagrama funcional de l’oscil·loscopi que es mostra a la figura 5. Malgrat la varietat de diagrames de circuits d’oscil·loscopi, els seus circuits funcionals són aproximadament els mateixos, similars als que es mostren a la figura.

Figura 5. Esquema funcional de l’oscil·loscopi

Sensibilitat CRT

Es determina pel coeficient de desviació, mostrant quants mil·límetres es desvia el feix quan s'aplica una tensió constant d'1 V a les plaques. Per a diversos CRT, aquest valor està en el rang 0,15 ... 2 mm / V. Resulta que aplicant una tensió d’1 V a les plaques desviades, el feix pot moure el feix només de 2 mm, i això és en el millor dels casos. Per desviar el feix per un centímetre (10 mm), cal un voltatge de 10/2 = 5V. Amb una sensibilitat de 0,15 mm / V per al mateix moviment, caldrà 10 / 0,15 = 66.666V.

Per tant, per obtenir una desviació notòria del feix del centre de la pantalla, el senyal investigat és amplificat per un amplificador de canal vertical fins a diverses desenes de volts. El canal d'amplificació horitzontal, amb el qual es realitza una exploració, té el mateix voltatge de sortida.

La majoria dels osciloscopis universals tenen una sensibilitat màxima de 5mV / cm. Si es fa servir una CRT de tipus 8LO6I amb una tensió d’entrada de 5 mV, les plaques desviades necessitaran una tensió de 8,5 V per moure el feix d’1 cm. És fàcil calcular que això requerirà amplificació superior a 1.500 vegades.

Aquest guany s’ha d’obtenir a tota la banda de pas, i com més alta sigui la freqüència, menor serà el guany, que és inherent a tots els amplificadors. La banda de pas es caracteritza per una freqüència superior f cap amunt. A aquesta freqüència, el guany del canal de desviació vertical disminueix en 1,4 vegades o en 3 dB. Per a la majoria dels osciloscopis universals, aquesta banda és de 5 MHz.

I què passarà si la freqüència del senyal d’entrada supera la freqüència superior, per exemple, de 8 ... 10 MHz? Serà capaç de veure-la a la pantalla? Sí, serà visible, però l'amplitud del senyal no es pot mesurar. Només podeu assegurar-vos que hi ha un senyal o no. De vegades aquesta informació és suficient.

Desviació vertical del canal. Divisor d'entrada

El senyal estudiat s’alimenta a l’entrada del canal de la desviació vertical a través del divisor d’entrada, mostrat a la figura 6. Sovint el divisor d’entrada s’anomena atenuador.

Figura 6. El divisor d'entrada de la desviació vertical del canal

Amb el divisor d'entrada, es pot estudiar el senyal d'entrada des d'uns quants mil·ligolts fins a diverses desenes de volts. En el cas que el senyal d’entrada superi les capacitats del divisor d’entrada, s’utilitzen sondes d’entrada amb una proporció de divisió d’1:10 o 1:20. Aleshores, el límit de 5V / div es converteix en 50V / div o 100V / div, cosa que permet estudiar senyals amb voltatges significatius.

Entrada oberta i tancada

Aquí (figura 6), es pot veure el commutador B1, que permet aplicar un senyal a través d’un condensador (entrada tancada) o directament a l’entrada del divisor (entrada oberta). Quan s'utilitza el mode "entrada tancada", és possible estudiar la component variable del senyal, ignorant el seu component constant. El senzill diagrama que es mostra a la figura 7. ajudarà a explicar el que s’ha dit.El diagrama es crea al programa Multisim, de manera que tot en aquestes figures, tot i que pràcticament, és bastant just.

Figura 7. Etapa amplificadora en un sol transistor

Un senyal d’entrada amb una amplitud de 10 mV a través d’un condensador C1 s’alimenta a la base del transistor Q1. Si seleccionem la resistència R2, la tensió al col·lector del transistor s’estableix igual a la meitat de la tensió d’alimentació (en aquest cas 6V), cosa que permet al transistor treballar en un mode lineal (amplificador). La sortida és controlada per XSC1. La figura 8 mostra el resultat de la mesura en mode d’entrada oberta, a l’osciloscopi, es prem el botó DC (corrent directe).

Figura 8. Mesures en mode d'entrada oberta (canal A)

Aquí podeu veure (canal A) només la tensió al col·lector del transistor, el mateix 6V que s’acaba de mencionar. El feix del canal A “es va enlairar” a 6V, però el sinusoide amplificat del col·lector no va passar. Simplement no es pot distingir amb la sensibilitat del canal 5V / Div. Canal Un feix de la figura es mostra en vermell.

El senyal del generador s'aplica a l'entrada B, la figura es mostra en blau. Es tracta d’una ona sinusoïdal amb una amplitud de 10 mV.

Figura 9. Mesures en mode d'entrada tancat

Ara, premeu el botó de CA al canal A - corrent altern, en realitat és una entrada tancada. Aquí podeu veure el senyal amplificat: un sinusoide amb una amplitud de 87 milivolts. Resulta que la cascada d’un transistor va amplificar el senyal amb una amplitud de 10 mV per 8,7 vegades. Els números de la finestra rectangular que hi ha a sota de la pantalla mostren les tensions i els temps a les ubicacions dels marcadors T1, T2. Marcadors similars estan disponibles als osciloscopis digitals moderns. En realitat es pot dir tot sobre les entrades obertes i tancades. I ara continuem la història sobre l'amplificador de desviació vertical.

Amplificador pre

Després del divisor d’entrada, el senyal investigat es dirigeix ​​al preamplificador i, passant per la línia de retard, entra a l’amplificador terminal del canal Y (figura 5). Després de l'amplificació necessària, el senyal entra a les plaques de desviament vertical.

El preamplificador divideix el senyal d’entrada en components de parafase per subministrar-lo a l’amplificador de terminal Y. A més, el senyal d’entrada del preamplificador és alimentat al disparador d’escombratge, que proporciona una imatge sincrònica a la pantalla durant la barrera endavant.

La línia de retard retarda el senyal d’entrada en relació amb l’inici de la tensió d’escombratge, cosa que permet observar la vora davantera del pols, com es mostra a la figura 5 b). Alguns osciloscopis no tenen una línia de retard, que, en essència, no interfereix amb l'estudi dels senyals periòdics.

Escombra canal

El senyal d’entrada del preamplificador també s’emet a l’entrada de la forma d’impulsió de disparador.L’impuls generat arrenca el generador d’escombrat, que produeix una tensió de serra de seguretat fluix. La velocitat de trànsit i el període de tensió d'escombratge són seleccionats pel commutador Time / Div, que permet estudiar els senyals d'entrada en un ampli rang de freqüències.

Una exploració es diu interna, és a dir, El tret de sortida prové del senyal que s'està investigant. Normalment, els oscil·loscopis tenen un disparador de disparador “intern / extern”, per algun motiu que no es mostra en el diagrama funcional de la figura 5. En mode activador extern, el disparador es pot desencadenar no pel senyal investigat, sinó per algun altre senyal del qual depèn el senyal investigat.

Podria ser, per exemple, un pols de desencadenament de la línia de retard. Aleshores, fins i tot amb un osciloscopi d’un sol feix, podeu mesurar la relació de temps de dos senyals. Però és millor fer-ho amb un osciloscopi de dos raigs, si és clar, a mà.

La durada de l'escombratge s'ha de seleccionar en funció de la freqüència (període) del senyal investigat. Suposem que la freqüència del senyal és d’1KHz, és a dir. període de senyal 1ms. A la figura 10 es mostra la imatge d’un sinusoide amb un temps d’escaneig d’1ms / div.

Figura 10

Amb un temps d’escaneig d’1ms / div, un període d’ona sinusoïdal d’1 KHz ocupa exactament una divisió d’escala al llarg de l’eix Y. L’escaneig es sincronitza des del feix A al llarg d’un cantó ascendent en termes d’un nivell de senyal d’entrada de 0V. Per tant, l’ona sinusoïdal de la pantalla comença amb un semicicle positiu.

Si es canvia la durada de l'exploració a 500 μs / div (0,5 ms / div), un període del sinusoide ocuparà dues divisions a la pantalla, tal com es mostra a la figura 11, que, per descomptat, és més convenient observar el senyal.

Figura 11

A més de la mateixa tensió de serra, el generador d'escombrat també genera un pols de llum de fons, que s'alimenta al modulador i "encén" el feix d'electrons (Fig. 5 g). La durada del pols de contrallum és igual a la durada del feix endavant. Durant la carrera de retorn, no hi ha pols de retroiluminació i el feix s'apaga. Si el feix no està obert, apareixerà una cosa incomprensible a la pantalla: la cursa inversa, i fins i tot modulada pel senyal d’entrada, simplement recorre tot el contingut útil de la forma d’ona.

S’aplica un voltatge d’escombrat de serra a l’amplificador terminal del canal X, dividit en un senyal de parafase i alimentat a les plaques de desviació horitzontal, tal com es mostra a la figura 5 (e).

Amplificador X Entrada externa

No només es pot subministrar un voltatge del generador d'escombrat, sinó que també es pot subministrar tensió externa a l'amplificador de terminal X, cosa que permet mesurar la freqüència i la fase del senyal mitjançant figures Lissajous.

Figura 12. Xifres lissoses

Però el commutador d’entrada X no es mostra al diagrama funcional de la figura 5, ni tampoc el commutador del tipus d’operacions d’escombratge, esmentat una mica més amunt.

A més dels canals X i Y, l’oscil·loscopi, com qualsevol dispositiu electrònic, té una font d’alimentació. Osciloscopis de mida petita, per exemple, C1-73, C1-101 poden funcionar des de la bateria d’un cotxe. Per cert, per a la seva època, aquests osciloscopis eren molt bons i es continuen utilitzant amb èxit.

Figura 13. Oscil·loscopi C1-73

Figura 14. Oscil·loscopi C1-101

L’aparició dels osciloscopis es mostra a les figures 13 i 14. El més sorprenent és que encara s’ofereixen per comprar-los a les botigues en línia. Però el preu és tal que és més barat comprar oscil·loscopis digitals de mida petita a Aliexpress.

Dispositius d'oscil·loscopis addicionals incorporen calibradors d'amplitud i escombratge. Es tracta, per regla general, de generadors de polsos rectangulars bastant estables, que els connecten a l’entrada de l’oscil·loscopi, mitjançant els elements d’afinació es poden configurar els amplificadors X i Y. Per cert, els calibradors moderns també disposen d’aquests calibradors.

Com s'utilitza l'oscil·loscopi, mètodes i mètodes de mesura es parlarà al proper article.

Continuació de l'article: Com s’utilitza l’oscil·loscopi

Boris Aladyshkin

Comments

[#1]

Amb un temps d’escaneig d’1ms / div, un període d’ona sinusoïdal d’1 KHz ocupa exactament una divisió d’escala al llarg de l’eix Y Serà més correcte al llarg de l’eix “X”.