Elektroninen oskilloskooppi - laite, toimintaperiaate

Amatööriradio on harrastuksena erittäin mielenkiintoinen toiminta, ja voidaan sanoa, että se aiheuttaa riippuvuutta. Monet tulevat siihen upeaina kouluvuosina, ja ajan myötä tästä harrastuksesta voi tulla ammatti elämäksi. Vaikka et voi saada korkeampaa radiotekniikan koulutusta, riippumaton elektroniikan opiskelu antaa sinulle mahdollisuuden saavuttaa erittäin korkeat tulokset ja menestys. Kerralla Radio-lehti kutsui asiantuntijoita insinööreiksi ilman tutkintotodistuksia.

Ensimmäiset elektroniikkakokeet alkavat pääsääntöisesti yksinkertaisten piirien kokoamisesta, jotka alkavat toimia heti ilman säätämistä ja asettamista. Useimmiten nämä ovat erilaisia ​​generaattoreita, puheluita, vaatimattomia virtalähteitä. Kaikki tämä voidaan kerätä lukemalla minimaalinen määrä kirjallisuutta, vain toistettavien kuvioiden kuvaukset. Tässä vaiheessa pääsääntöisesti on mahdollista päästä minimaalisella työkalusarjalla: juotosraudalla, sivuleikkureilla, veitsellä ja useilla ruuvimeisselillä.

Vähitellen suunnittelusta tulee monimutkaisempaa, ja ennemmin tai myöhemmin käy ilmi, että ilman säätämistä ja virittämistä ne eivät yksinkertaisesti toimi. Siksi joudut hankkimaan ohuita mittauslaitteita, ja mitä nopeammin, sitä parempi. Vanhemmalla elektroniikkainsinöörien sukupolvella oli osoitintesteri sellaisella laitteella.

Tällä hetkellä kytkintesteri, jota usein kutsutaan avometriksi, on korvannut digitaalinen yleismittari. Tämä löytyy artikkelista "Digitaalisen yleismittarin käyttö". Vaikka vanha hyvä osoittimen testaaja ei luopu asemistaan, ja joissakin tapauksissa sen käyttö on parempi kuin digitaalinen laite.

Kummankin laitteen avulla voit mitata suoraa ja vaihtuvaa jännitettä, virtausta ja resistanssia. Jos vakiojännitteet on helppo mitata, riittää, että selvitetään vain arvo, niin vaihtojännitteillä on joitain vivahteita.

Tosiasia, että sekä osoitin että modernit digitaaliset laitteet on suunniteltu mittaamaan sinimuotoista vaihtojännitettä, ja melko rajoitetulla taajuusalueella: mittauksen tulos on vaihtojännitteen todellinen arvo.

Jos tällaiset laitteet mittaavat suorakulmaisen, kolmiomaisen tai sahanhammaisen muodon jännitettä, tietysti laitteen asteikon lukemat ovat, mutta sinun ei tarvitse taata mittauksen tarkkuutta. No, siellä on vain jännitteitä, ja kumpaa ei tunneta tarkalleen. Ja miten olla tällaisissa tapauksissa, kuinka jatkaa uusien, yhä monimutkaisempien elektronisten piirien korjaamista ja kehittämistä? Täällä radioamatööri tulee vaiheeseen, kun joudut ostamaan oskilloskoopin.

Hieman historiaa

Tämän laitteen avulla voit nähdä omin silmin, mitä tapahtuu elektronisissa piireissä: mikä on signaalin muoto, missä se ilmestyi tai hävisi, signaalien aika- ja vaihesuhteet. Useiden signaalien tarkkailemiseksi vaaditaan ainakin kaksisuuntainen oskilloskooppi.

Täällä voidaan muistaa kaukainen tarina, kun vuonna 1969 luotiin Vilnan tehtaan massavalmistama viiden säteen oskilloskooppi C1-33. Laitteessa käytettiin CRT 22LO1A: ta, jota käytettiin vain tässä kehitysvaiheessa. Tämän laitteen asiakas oli tietysti sotilas-teollisuuskompleksi.

Rakenteellisesti tämä laite tehtiin kahdesta lohkosta, jotka asetettiin pyörätelineelle: itse oskilloskooppi ja virtalähde. Rakenteen kokonaispaino oli 160 kg! Ohjelmaan kuului näytölle kiinnitetty RFK-5-tallennuskamera, joka varmisti aaltomuotojen tallentamisen elokuvalle. Viiden säteen oskilloskoopin C1-33 ulkonäkö kameran ollessa asennettuna on esitetty kuvassa 1.

Kuva 1. Viiden säteen oskilloskooppi C1-33, 1969

Nykyaikainen elektroniikka mahdollistaa matkapuhelimen kokoisten kädessä pidettävien digitaalisten oskilloskooppien luomisen. Yksi sellaisista laitteista on esitetty kuvassa 2. Mutta tästä keskustellaan myöhemmin.

Kuva 2. DS203 Pocket Digital Oscilloscope

Erityyppiset oskilloskoopit

Viime aikoihin saakka tuotettiin monen tyyppisiä elektronisädeoskilloskooppeja. Ensinnäkin, nämä ovat yleisiä oskilloskooppeja, joita käytetään useimmiten käytännön tarkoituksiin. Niiden lisäksi tuotettiin myös varastointioskilloskooppeja, jotka perustuvat varastointi-CRT: iin, nopeaan, stroboskooppiseen ja erityiseen. Jälkimmäiset tyypit oli tarkoitettu erilaisiin tieteellisiin tehtäviin, joihin nykyaikaiset digitaaliset oskilloskoopit selviytyvät menestyksekkäästi. Siksi keskitymme edelleen yleismaailmallisiin yleiskäyttöisiin elektronisiin oskilloskooppeihin.

CRT-laite

Suurin osa elektronisesta oskilloskoopista on tietysti katodisädeputki - CRT. Sen laite on esitetty kuvassa 3.

Kuva 3. CRT-laite

Rakenteellisesti CRT on pitkä lasisylinteri 10, joka on lieriömäinen ja jossa on kartion muotoinen jatke. Tämän jatkeen, joka on CRT-seula, pohja on peitetty fosforilla, joka säteilee näkyvää hehkua, kun elektronisuihku osuu siihen 11. Monissa CRT: issä on suorakaiteen muotoinen seula, jonka väliseinät on sijoitettu suoraan lasille. Juuri tämä näyttö on oskilloskoopin osoitin.

Elektronisäde muodostaa elektronipistoolin

Lämmitin 1 lämmittää katodin 2, joka alkaa emittoida elektroneja. Fysiikassa tätä ilmiötä kutsutaan termioniseksi emissioksi. Mutta katodin lähettämät elektronit eivät lentä kaukana, ne vain istuvat katodilla. Säteen saamiseksi näistä elektroneista tarvitaan vielä useita elektrodeja.

Tämä on tarkennuselektrodi 4 ja anodi 5, joka on kytketty aquadag: iin 8. Näiden elektrodien sähkökentän vaikutuksesta elektronit irtautuvat katodista, kiihtyvät, keskittyvät ohutta sädettä ja ryntävät fosforilla päällystettyyn seulaan aiheuttaen fosforin hehkua. Yhdessä näitä elektrodeja kutsutaan elektronipistooleiksi.

Saavuttaessaan näytön pintaan, elektronisuihku ei vain aiheuta hehkua, vaan se myös koputtaa sekundaarelektroneja fosforista, mikä aiheuttaa säteen tarkennuksen. Edellä mainittu vesimerkki, joka on putken sisäpinnan grafiittipäällyste, toimii näiden sekundaarielektronien poistamiseksi. Lisäksi aquadag suojaa sädettä jossain määrin ulkoisista sähköstaattisista kentistä. Tällainen suojaus ei kuitenkaan riitä, joten CRT: n lieriömäinen osa, jossa elektrodit sijaitsevat, sijoitetaan metallisuojaan, joka on valmistettu sähköteräksestä tai permalloystä.

Katodin ja tarkennuselektrodin välissä on modulaattori 3. Sen tarkoituksena on ohjata säteen virtaa, joka mahdollistaa säteen sammumisen peruutuslakaisun aikana ja korostetun eteenpäin suuntautuvan iskun aikana. Vahvistuslampuissa tätä elektrodia kutsutaan ohjausruudukkoksi. Modulaattorissa, fokusoivassa elektrodissa ja anodissa on keskireiät, joiden läpi elektronisuihku lentää.

Levyjen taipuminen CRT: ssä on kaksi paria taipuisia levyjä. Nämä ovat palkin 6 pystysuoran taipuman levyjä - levy Y, johon tutkittava signaali syötetään, ja vaakasuuntaisen taipuman 7 levyt - levy X, ja vaakajännite kohdistetaan niihin. Jos taipumalevyjä ei ole kytketty mihinkään, CRT-näytön keskelle tulee näkyä valaiseva piste. Kuvassa tämä on piste O2. Luonnollisesti syöttöjännite on kohdistettava putkeen.

Tässä on syytä tuoda esiin tärkeä kohta. Kun piste pysyy paikallaan liikuttamatta mihinkään, se voi vain polttaa fosforin, ja musta piste pysyy ikuisesti CRT-näytössä. Tämä voi tapahtua oskilloskoopin korjausprosessin aikana tai yksinkertaisen amatöörilaitteen itsetuotannon yhteydessä.Siksi tässä tilassa sinun tulee vähentää kirkkaus minimiin ja kohdistaa säde tarkennukseen - voit silti nähdä, onko valoa vai puuttuuko se.

Kun ohjauslevyihin kohdistetaan tietty jännite, palkki poikkeaa näytön keskustasta. Kuvassa 3 palkki taipuu pisteeseen O3. Jos jännite muuttuu, säde vetää suoran näytölle. Juuri tätä ilmiötä käytetään luomaan kuvan tutkitusta signaalista näytölle. Kaksiulotteisen kuvan saamiseksi näytölle on tarpeen kohdistaa kaksi signaalia: testisignaali kohdistetaan Y-levyille ja skannausjännite kohdistetaan X-levyille.Voidaan sanoa, että näytölle saadaan koordinaattiakseleiden X ja Y kuvaaja.

Vaakasuora skannaus

Vaakakuvaus muodostaa kuvaajan X-akselin näytöllä.

Kuva 4. Pyyhkimisjännite

Kuten kuvasta voidaan nähdä, vaakasuuntainen skannaus suoritetaan sahajännitteellä, joka voidaan jakaa kahteen osaan: eteen- ja taaksepäin (kuva 4a). Eteenpäin tapahtuvan iskun aikana palkki liikkuu tasaisesti näytön poikki vasemmalta oikealle ja oikealle reunalle saavuttua palaa nopeasti. Tätä kutsutaan käänteisiskuksi. Eteenpäin suuntautuvan iskun aikana syntyy taustavalon pulssi, joka syötetään putkimodulaattoriin, ja näytölle ilmestyy valaiseva piste, joka vetää vaakasuoran viivan (kuva 4b).

Eteenpäin tuleva jännite, kuten kuviossa 4 esitetään, alkaa nollasta (säde näytön keskellä) ja muuttuu Umax-jännitteeksi. Siksi palkki siirtyy näytön keskustasta oikeaan reunaan, ts. vain puolet näytöstä. Skannauksen aloittamiseksi näytön vasemmasta reunasta säde siirretään vasemmalle kohdistamalla siihen esijännite. Palkin siirtymää ohjataan etupaneelin kahvalla.

Paluuvirtauksen aikana taustavalon pulssi loppuu ja valo sammuu. Taustavalon pulssin ja sahanhampaan pyyhkäisyjännitteen suhteellinen sijainti voidaan nähdä kuviossa 5 esitetyssä oskilloskoopin toimintakaaviossa. Huolimatta useista oskilloskooppipiirikaavioista, niiden toimintapiirit ovat suunnilleen samat, samanlaiset kuin kuvassa.

Kuva 5. oskilloskoopin toimintakaavio

CRT-herkkyys

Se määritetään poikkeamakertoimella, joka osoittaa kuinka monta millimetriä palkki taipuu, kun levyihin kohdistetaan vakiojännite 1 V. Eri CRT-laitteille tämä arvo on välillä 0,15 ... 2 mm / V. Osoittautuu, että kohdistamalla 1 V: n jännite ohjauslevyihin, palkki voi liikuttaa palkkia vain 2 mm, ja tämä on parhaassa tapauksessa. Palkin taipuminen yhden senttimetrillä (10 mm) tarvitaan jännitettä 10/2 = 5 V. Kun herkkyys on 0,15 mm / V samalla liikkeellä, tarvitaan 10 / 0,15 = 66,666 V.

Siksi säteen huomattavan poikkeaman aikaansaamiseksi näytön keskustasta, tutkittava signaali vahvistetaan pystysuoralla kanavavahvistimella useisiin kymmeniin volteihin. Vaakavahvistuskanavalla, jolla skannaus suoritetaan, on sama lähtöjännite.

Useimpien yleisten oskilloskooppien maksimherkkyys on 5 mV / cm. Käytettäessä CRL-tyyppiä 8LO6I tulojännitteellä 5 mV, taipuisat levyt vaativat 8,5 V: n jännitteen palkin siirtämiseksi 1 cm. On helppo laskea, että tämä vaatii vahvistusta yli 1500 kertaa.

Tällainen vahvistus on saavutettava koko päästökaistalla, ja mitä korkeampi taajuus, sitä pienempi vahvistus on luontainen kaikille vahvistimille. Päästökaistalle on ominaista ylempi taajuus f ylöspäin. Tällä taajuudella pystysuuntaisen taipumiskanavan vahvistus laskee 1,4 kertaa tai 3 dB. Useimmissa yleisissä oskilloskoopeissa tämä kaista on 5 MHz.

Ja mitä tapahtuu, jos tulosignaalin taajuus ylittää ylätaajuuden, esimerkiksi 8 ... 10 MHz? Voiko hän nähdä sen näytöllä? Kyllä, se tulee näkyviin, mutta signaalin amplitudia ei voida mitata. Voit vain varmistaa, että signaalia on vai ei. Joskus sellainen tieto riittää.

Kanavan pystysuuntainen poikkeama. Syöttöjakaja

Tutkittu signaali syötetään pystysuuntaisen poikkeaman kanavan sisääntuloon tulonjakajan kautta, kuten on esitetty kuvassa 6. Usein tulojakajaa kutsutaan vaimentajaksi.

Kuva 6. Kanavan pystysuuntaisen poikkeaman tuloerotin

Tulonjakajaa käyttämällä on mahdollista tutkia tulosignaali muutamasta millivoltista useisiin kymmeniin volteihin. Siinä tapauksessa, että tulosignaali ylittää tuloerottimen ominaisuudet, käytetään sisääntulonantimia jakosuhteella 1:10 tai 1:20. Tällöin 5V / div-rajaksi tulee 50V / div tai 100V / div, mikä tekee mahdolliseksi tutkia merkittävien jännitteiden signaaleja.

Avoin ja suljettu sisäänkäynti

Täällä (kuva 6) näet kytkimen B1, joka mahdollistaa signaalin syöttämisen kondensaattorin (suljetun tulon) kautta tai suoraan jakajan tuloon (avoin tulo). Kun käytetään "suljetun sisääntulon" tilaa, on mahdollista tutkia signaalin muuttuvaa komponenttia huomioimatta sen vakiokomponentti. Kuvion 7 yksinkertainen kaavio auttaa selittämään sanotun. Kaavio luodaan Multisim-ohjelmassa, joten kaikki näissä kuvissa on tosin melko oikeudenmukaista.

Kuva 7. Vahvistinaste yhdessä transistorissa

Tulosignaali, jonka amplitudi on 10 mV kondensaattorin C1 kautta, syötetään transistorin Q1 kannalle. Valitsemalla vastus R2, transistorin kollektorin jännite asetetaan puoliksi syöttöjännitteestä (tässä tapauksessa 6 V), mikä antaa transistorin toimia lineaarisessa (vahvistus) tilassa. Lähtöä valvotaan XSC1: llä. Kuva 8 näyttää mittaustuloksen avoimessa syöttötilassa, oskilloskoopilla, DC (tasavirta) -painiketta painetaan.

Kuva 8. Mittaukset avoimessa tulotilassa (kanava A)

Täällä voit nähdä (kanava A) vain transistorin kollektorin jännitteen, saman 6V, joka juuri mainittiin. Kanavan A säde ”lähti” 6 V: n kohdalla, mutta kollektorin vahvistettua sinimuotoa ei tapahtunut. Sitä ei yksinkertaisesti voida havaita 5V / Div-kanavan herkkyydellä. Kanava Kuvan säde näkyy punaisella.

Generaattorin signaali syötetään tuloon B, kuva on esitetty sinisenä. Tämä on siniaalto, jonka amplitudi on 10 mV.

Kuva 9. Mittaukset suljetussa tulotilassa

Paina nyt kanavan A AC-painiketta - vaihtovirta, tämä on oikeastaan ​​suljettu tulo. Täällä voit nähdä vahvistetun signaalin - sinimuotoisen, jonka amplitudi on 87 millivolttia. Osoittautuu, että yhden transistorin kaskadi vahvisti signaalia amplitudilla 10 mV 8,7 kertaa. Näytön alapuolella olevan suorakaideikkunan numerot esittävät jännitteet ja ajat merkitsimien T1, T2 kohdissa. Samanlaisia ​​merkkejä on saatavana nykyaikaisissa digitaalisissa oskilloskoopeissa. Se on todella kaikki mitä voidaan sanoa avoimista ja suljetuista sisäänkäynnistä. Jatkaamme nyt tarinaa pystysuuntaisesta taipumavahvistimesta.

Esivalmistaja

Syöttöjakajan jälkeen tutkittu signaali menee esivaihvistimeen ja kulkee viivelinjan läpi kanavan Y päätevahvistimeen (kuva 5). Tarvittavan vahvistuksen jälkeen signaali tulee pystysuuntaisille taipumalevyille.

Esivahvistin jakaa tulosignaalin parafaasikomponenteiksi syöttämään sen päätevahvistimelle Y. Lisäksi esivahvistimen tulosignaali syötetään pyyhkäisyn liipaisimeen, joka tarjoaa synkronisen kuvan näytöllä eteenpäin pyyhkäisyn aikana.

Viivelinja viivästää tulosignaalia suhteessa pyyhkimisjännitteen alkuun, mikä tekee mahdolliseksi tarkkailla pulssin etureunaa, kuten kuvassa 5 b) esitetään. Joillakin oskilloskoopeilla ei ole viivelinjaa, mikä pohjimmiltaan ei häiritse jaksollisten signaalien tutkimista.

Lakaise kanava

Esivahvistimen tulosignaali syötetään myös pyyhkäisyn liipaisimen pulssinmuodostajan tuloon.Luotu impulssi käynnistää pyyhkäisygeneraattorin, joka tuottaa sujuvasti nousevan sahanhampaan jännitteen. Taajuusnopeus ja pyyhkimisjännitejakso valitaan Time / Div-kytkimellä, joka mahdollistaa tulosignaalien tutkimisen laajalla taajuusalueella.

Tällaista tarkistusta kutsutaan sisäiseksi, ts. laukaisu tulee tutkittavasta signaalista. Tyypillisesti oskilloskoopeilla on ”sisäinen / ulkoinen” liipaisimen liipaisin, jostakin syystä ei ole esitetty toiminnallisessa kaaviossa kuvassa 5. Ulkoisessa liipaisutilassa liipaisimen voi laukaista ei tutkittava signaali, vaan jokin muu signaali, josta tutkittava signaali riippuu.

Tämä voi olla esimerkiksi viivelinjan liipaisupulssi. Sitten, jopa yhden säteen oskilloskoopilla, voit mitata kahden signaalin aikasuhteen. Mutta on parempi tehdä tämä kaksisäteisellä oskilloskoopilla, jos se on tietysti käsillä.

Lakaisun kesto tulisi valita tutkitun signaalin taajuuden (ajanjakson) perusteella. Oletetaan, että signaalin taajuus on 1KHz, ts. signaalijakso 1ms. Kuva sinusoidista, jonka skannausaika on 1 ms / div, on esitetty kuvassa 10.

Kuvio 10

Kun skannausaika on 1ms / div, yksi 1KHz: n siniaaltojakso vie täsmälleen yhden asteikon jaon Y-akselia pitkin.Skannaus synkronoidaan säteestä A ylöspäin nousevaa reunaa kohti tulosignaalin tason 0V suhteen. Siksi näytön siniaalto alkaa positiivisella puolijaksolla.

Jos skannauksen kesto muutetaan arvoon 500 μs / div (0,5 ms / div), niin sinusoidin yksi jakso vie kaksi näytön jakautumista, kuten kuvassa 11 esitetään, mikä on tietysti helpompaa signaalin havaitsemiseen.

Kuvio 11

Itse sahanhammasjännitteen lisäksi lakaisugeneraattori tuottaa taustavalopulssin, joka syötetään modulaattoriin ja "sytyttää" elektronisäteen (kuva 5 g). Taustavalon pulssin kesto on yhtä suuri kuin eteenpäin suuntautuvan säteen kesto. Paluuvirtauksen aikana ei ole taustavalon pulssia ja palkki sammuu. Jos sädettä ei tyhjennetä, näytölle ilmestyy jotain käsittämätöntä: peruutushalkaisu, joka jopa moduloidaan tulosignaalilla, yksinkertaisesti poistaa kaikki aaltomuodon hyödylliset sisällöt.

Sahanhampaan pyyhkäisyjännite johdetaan kanavan X päätevahvistimeen, jaetaan parafaasisignaaliksi ja syötetään vaakasuuntaisille taipulevyille, kuten kuvassa 5 (e) on esitetty.

Vahvistimen X ulkoinen tulo

Päätevahvistimeen X voidaan syöttää paitsi pyyhkäisygeneraattorin jännite, myös ulkoinen jännite, mikä mahdollistaa signaalin taajuuden ja vaiheen mittaamisen Lissajous-lukujen avulla.

Kuva 12. Lissajous-luvut

Mutta tulokytkintä X ei ole esitetty kuvion 5 toiminnallisessa kaaviossa, samoin kuin vähän edellä mainittua pyyhkäisyoperaation kytkintä.

Kanavien X ja Y lisäksi oskilloskoopilla, kuten kaikilla elektronisilla laitteilla, on myös virtalähde. Pienikokoiset oskilloskoopit, esimerkiksi C1-73, C1-101, voivat toimia auton akusta. Muuten, omalla ajallaan nämä oskilloskoopit olivat erittäin hyviä, ja niitä käytetään edelleen menestyksekkäästi.

Kuva 13. Oskilloskooppi C1-73

Kuva 14. Oskilloskooppi C1-101

Oskilloskooppien ulkonäkö on esitetty kuvissa 13 ja 14. Yllättävintä on, että niitä tarjotaan edelleen ostaa ne verkkokaupoista. Mutta hinta on sellainen, että on halvempaa ostaa pienikokoisia digitaalisia oskilloskooppeja Aliexpressistä.

Muita oskilloskooppilaitteita ovat sisäänrakennetut amplitudi- ja pyyhkäisykalibraattorit. Nämä ovat pääsääntöisesti melko vakaita suorakulmaisten pulssien generaattoreita, jotka yhdistävät ne oskilloskoopin tuloon käyttämällä virityselementtejä, joiden avulla voit määrittää vahvistimet X ja Y. Muuten, nykyaikaisissa kalibraattoreissa on myös sellaisia ​​kalibraattoreita.

Seuraavassa artikkelissa käsitellään oskilloskoopin käyttöä, menetelmiä ja mittausmenetelmiä.

Artikkelin jatko: Kuinka käyttää oskilloskooppia

Boris Aladyshkin