Електронски осцилоскоп - уређај, принцип рада

Аматерски радио је као хоби веома узбудљива активност и, може се рећи, заразна. Многи у њу улазе у предивним школским годинама, а с временом овај хоби може постати професија за живот. Чак и ако не можете да стекнете високо радио инжењерско образовање, независна студија електронике омогућава вам да постигнете веома високе резултате и успех. Својевремено је Радио Радио такве специјалце инжењере назвао без диплома.

Први експерименти са електроником почињу, по правилу, састављањем најједноставнијих кругова који почињу да раде одмах без подешавања и подешавања. Најчешће су то различити генератори, позиви, непретенциозни извори напајања. Све то се може прикупити читањем минималне количине литературе, само описима образаца који се могу поновити. У овој фази је у правилу могуће добити минималним сетом алата: лемилицом, бочним секачима, ножем и неколико одвијача.

Постепено, дизајни постају компликованији, пре или касније се испостави да без прилагођавања и подешавања једноставно неће радити. Стога морате набавити танке мјерне инструменте, а што прије то боље. Старија генерација инжењера електронике имала је испитивач показивача са таквим уређајем.

Тренутно је испитивач прекидача, који се често назива и аутоометар, замењен дигитални мултиметар. Ово се може наћи у чланку "Како користити дигитални мултиметар." Иако добри стари испитивач показивача не одустаје од својих положаја, а у неким случајевима је његова употреба пожељнија у поређењу са дигиталним уређајем.

Оба ова уређаја омогућавају мерење директних и наизменичних напона, струја и отпора. Ако је константне напоне лако измерити, довољно је сазнати само вредност, тада са наизменичним напонима постоје неке нијансе.

Чињеница је да су и показивачи и модерни дигитални уређаји дизајнирани за мерење синусоидног наизменичног напона и, у прилично ограниченом фреквенцијском опсегу: резултат мерења биће стварна вредност наизменичног напона.

Ако такви уређаји мере напон правоугаоног, троугластог или пиластог облика, тада ће очитати очитавање на скали уређаја, али не морате јамчити за тачност мерења. Па, постоји само напетост, а која није тачно позната. И како бити у таквим случајевима, како наставити поправку и развој нових, све сложенијих електронских кола? Овде радиоаматер долази у фазу када морате да купите осцилоскоп.

Мало историје

Помоћу овог уређаја можете својим очима видети шта се дешава у електронским склоповима: какав је облик сигнала, где се појавио или нестао, временски и фазни однос сигнала. Да бисте посматрали неколико сигнала, потребан је најмање двоосни осцилоскоп.

Овде се можемо сетити једне далеке приче, када је 1969. године створен осмоскоп Ц1-33 са пет зрачења, који је масовно производио фабрика Вилниус. Уређај је користио ЦРТ 22ЛО1А који се користио само у овом развоју. Купац овог уређаја био је, наравно, војно-индустријски комплекс.

Конструкцијски је овај апарат направљен од два блока постављених на сталак са точковима: самог осцилоскопа и напајања. Укупна тежина конструкције била је 160 кг! Опсег комплета је укључивао РФК-5 камеру за снимање причвршћену на екран, што је осигурало снимање таласних облика на филму. Изглед Ц1-33 петоског осцилоскопа са постављеном камером приказан је на слици 1.

Слика 1. Осцилоскоп петокраке Ц1-33, 1969

Савремена електроника омогућава израду ручних дигиталних осцилоскопа величине мобилног телефона. Један од таквих уређаја приказан је на слици 2. Али о томе ћемо говорити касније.

Слика 2. ДС203 Поцкет Дигитал Осцилоскоп

Осцилоскопи разних врста

Донедавно је произведено неколико врста осцилоскопа електронских зрака. Пре свега, то су универзални осцилоскопи, који се најчешће користе у практичне сврхе. Поред њих, произведени су и складишни осцилоскопи на бази складишних ЦРТ-ова, брзих, стробоскопских и специјалних. Последње врсте су биле намењене за различите специфичне научне задатке са којима се тренутно успешно суочавају савремени дигитални осцилоскопи. Стога ћемо се даље фокусирати на универзалне електронске осцилоскопе опће намјене.

ЦРТ уређај

Главни део електронског осцилоскопа је, наравно, катодна цев - ЦРТ. Његов уређај је приказан на слици 3.

Слика 3. ЦРТ уређај

Конструкцијски је ЦРТ дугачак стаклени цилиндар 10 цилиндричног облика са конусним наставком. Дно овог проширења, које је ЦРТ екран, прекривено је фосфором који емитује видљиви сјај када га електронски сноп погоди 11. Многи ЦРТ-ови имају правоугаони екран са одељењима који су нанети директно на стакло. Управо је овај екран индикатор осцилоскопа.

Електронски сноп је формиран електронским пиштољем

Грејач 1 греје катоду 2, која почиње да емитује електроне. У физици се овај феномен назива термионска емисија. Али електрони које емитује катода неће летети далеко, само ће седети на катоди. За добијање снопа из ових електрона потребно је још неколико електрода.

Ово је електрода за фокусирање 4 и анода 5 повезана са аквадагом 8. Под утицајем електричног поља ових електрода, електрони се одвајају од катоде, убрзавају се, фокусирају се у танки сноп и хрле ка екрану прекривеном фосфором, узрокујући да фосфор блиста. Заједно се ове електроде називају електронским пушкама.

Досегнувши површину екрана, сноп електрона не само да изазива сјај, већ и истискује секундарне електроне из фосфора, што проузрокује дефокусирање снопа. Споменути аквадаг, који је графитни премаз унутрашње површине цеви, служи за уклањање ових секундарних електрона. Поред тога, аквадаг у одређеној мери штити сноп од спољних електростатичких поља. Али таква заштита није довољна, стога је цилиндрични део ЦРТ-а, на коме се налазе електроде, смештен у метални екран направљен од електричног челика или пермаллоиа.

Између катоде и фокусирајуће електроде налази се модулатор 3, чија је сврха да контролише струју снопа, што омогућава да се греда угаси током обрнутог померања и истакне током ударца напред. У сијалицама, ова електрода се назива контролна мрежа. Модулатор, електрода за фокусирање и анода имају централне рупе кроз које електронски сноп лети.

Одбијање плоча ЦРТ има два пара одбојних плоча. То су плоче вертикалног отклона снопа 6 - плоча И, на коју се доводи сигнал који се испитује, и плоче хоризонталног отклона 7 - плоча Кс, и хоризонтални напон скенирања се примењују на њих. Ако плоче за одбрану нису нигде спојене, у средини ЦРТ екрана требала би се појавити светлосна тачка. На слици је то тачка О2. Природно, на цев се мора прикључити напон напајања.

Овде треба поменути важну тачку. Када тачка мирује, без померања нигде, може једноставно сагорјети фосфор, а црна тачка заувек ће остати на ЦРТ екрану. То се може догодити током процеса поправке осцилоскопа или самосталном производњом једноставног аматерског уређаја.Стога би у овом режиму требало да смањите светлину на минимум и да усмерите фокус на сноп - и даље можете видети да ли има снопа или је нема.

Када се одређени напон примени на отклонске плоче, сноп ће одступати од средине екрана. На слици 3, сноп се одбија у тачку О3. Ако се напон промени, сноп ће нацртати праву линију на екрану. Управо се овај феномен користи за креирање слике проучаваног сигнала на екрану. Да бисте добили дводимензионалну слику на екрану, потребно је применити два сигнала: испитни сигнал се примењује на И плоче, а напон скенирања се примењује на Кс плоче. Можемо рећи да се на екрану добија графикон са координатним оси Кс и И.

Хоризонтално скенирање

То је хоризонтално скенирање које формира оси Кс графикона на екрану.

Слика 4. Замах напона

Као што се види на слици, хоризонтално скенирање се врши напоном пиле, који се може поделити у два дела: напред и назад (слика 4а). Током ударца напред, сноп се помера равномерно по екрану са леве на десно, а кад досегне десну ивицу, брзо се враћа. То се назива обрнути ход. Током помицања напред, ствара се позадински импулс који се доводи до цевног модулатора, а на екрану се појављује светлуцава тачка, цртајући хоризонталну линију (слика 4б).

Напредни напон, као што је приказано на слици 4, почиње од нуле (сноп у средини екрана) и мења се у напону Умак. Због тога ће се сноп померити од средине екрана ка десној ивици, тј. само пола екрана. Да бисте покренули скенирање са леве ивице екрана, сноп се помера улево тако што на њега поставља напон пристраности. Одступање снопа контролише ручка на предњем панелу.

Током повратног хода импулс позадинског осветљења се завршава и греда се гаси. Релативни положај импулса позадинског осветљења и напона померања пиљевине може се видети на функционалном дијаграму осцилоскопа приказаном на слици 5. Упркос разним дијаграмима кола осцилоскопа, њихови функционални кругови су приближно исти, слични онима приказаним на слици.

Слика 5. Функционални дијаграм осцилоскопа

ЦРТ осетљивост

Одређује се коефицијентом одступања, који показује колико милиметара одступа греда када се на плоче примени константни напон од 1 В. За различите ЦРТ-ове вредности та вредност је у опсегу 0,15 ... 2 мм / В. Испада да применом напона од 1 В на одбојне плоче греда може да помера сноп за само 2 мм, а то је у најбољем случају. Да бисте одбили греду за један центиметар (10 мм), потребан је напон 10/2 = 5В. Са осетљивошћу од 0,15 мм / В за исто кретање биће потребно 10 / 0,15 = 66,666В.

Због тога, да би се постигло приметно одступање снопа од центра екрана, сигнал који се испитује појачан је вертикалним појачалом на неколико десетина волти. Канал хоризонталног појачања, којим се врши скенирање, има исти излазни напон.

Већина универзалних осцилоскопа има максималну осетљивост од 5мВ / цм. Када користите ЦРТ типа 8ЛО6И са улазним напоном од 5 мВ, плочама за одбрану ће бити потребан напон од 8,5 В за померање снопа 1 цм. Лако је израчунати да ће за ово бити потребно увећавање више од 1.500 пута.

Такав добитак мора да се добије у целом пропусном опсегу, а што је већа фреквенција, то је нижи степен појачања, који је својствен свим појачалима. Пропусни појас карактерише горња фреквенција ф горе. На овој фреквенцији добитак канала вертикалног отклона се смањује за 1,4 пута или за 3 дБ. За већину универзалних осцилоскопа овај опсег је 5 МХз.

А шта ће се догодити ако фреквенција улазног сигнала премаши горњу фреквенцију, на примјер, 8 ... 10 МХз? Да ли ће то моћи да види на екрану? Да, биће видљиво, али амплитуда сигнала се не може мерити. Можете бити сигурни да постоји сигнал или не. Понекад су такве информације сасвим довољне.

Вертикално одступање канала. Улазни делилник

Проучени сигнал се доводи до улаза вертикалног одступног канала кроз улазни делилник, приказаног на слици 6. Често се улазни делилац назива пригушивач.

Слика 6. Улазни делилац вертикалног одступања канала

Кориштењем улазног дјелитеља, могуће је проучити улазни сигнал од неколико миливолта до неколико десетина волти. У случају када улазни сигнал премашује могућности улазног дељивца, користе се улазне сонде са односом дељења 1:10 или 1:20. Тада граница од 5В / див постаје 50В / див или 100В / див, што омогућава проучавање сигнала са значајним напонима.

Отворен и затворен улаз

Овде (слика 6) можете видети прекидач Б1, који омогућава примену сигнала кроз кондензатор (затворени улаз) или директно на улаз разделника (отворени улаз). Када користите режим "затвореног улаза", могуће је проучавати променљиву компоненту сигнала, занемарујући њену константну компоненту. Једноставни дијаграм приказан на слици 7. помоћи ће да се објасни оно што је речено.Дијаграм је креиран у програму Мултисим, тако да је све на овим сликама, иако виртуелно, прилично фер.

Слика 7. Ступањ појачала на једном транзистору

Улазни сигнал с амплитудом од 10 мВ кроз кондензатор Ц1 доводи се у базу транзистора К1. Одабиром отпорника Р2 напон на колектору транзистора подешава се половином напона напајања (у овом случају 6В), што омогућава транзистору да ради у линеарном (појачавајућем) режиму. Излаз надгледа КССЦ1. На слици 8 приказани су резултати мерења у отвореном улазном режиму, на осцилоскопу се притиска тастер ДЦ (директна струја).

Слика 8. Мерења у режиму отвореног улаза (канал А)

Овде можете видети (канал А) само напон на сакупљачу транзистора, исти 6В који је управо споменут. Сноп у каналу А „скинуо се“ на 6В, али појачани синусоид на колектору се није догодио. Једноставно се не може осетити осетљивост 5В / Див канала. Канал Жарка на слици је приказана црвеном бојом.

На улаз Б се примењује сигнал генератора; слика приказује плаву боју. Ово је синусни талас са амплитудом од 10 мВ.

Слика 9. Мерења у режиму затвореног улаза

Сада притисните тастер за наизменичну струју на каналу А - наизменична струја, ово је заправо затворени улаз. Овде можете видети појачани сигнал - синусоид са амплитудом од 87 миливолта. Испада да је каскада на једном транзистору појачала сигнал амплитудом од 10 мВ 8,7 пута. Бројеви у правоугаоном прозору испод екрана приказују напоне и времена на локацијама маркера Т1, Т2. Слични маркери доступни су и у савременим дигиталним осцилоскопима. То је заправо све што се може рећи о отвореним и затвореним улазима. А сада наставимо причу о вертикалном појачивачу.

Пред појачало

Након улазног шестера, сигнал који се испитује иде до предпојачала и, пролазећи кроз линију кашњења, улази у терминално појачало канала И (слика 5). Након неопходног појачања, сигнал улази у плоче са вертикалним отклоном.

Предпојачало дели улазни сигнал на парафазне компоненте како би га снабдео терминалним појачалом И. Поред тога, улазни сигнал претпојачавача се доводи до окидача, што обезбеђује синхрону слику на екрану током померања напред.

Линија кашњења одлаже улазни сигнал у односу на почетак напона померања, што омогућава посматрање предње ивице импулса, као што је приказано на слици 5 б). Неки осцилоскопи немају линију кашњења, што у суштини не омета проучавање периодичних сигнала.

Очистите канал

Улазни сигнал из претпојачала се такође доводи на улаз обликовача импулса окидача.Генерирани импулс покреће генератор померања, који производи глатко нарастајући напон пила. Брзина нагиба и период напона померања бирају се прекидачем Тиме / Див, што омогућава проучавање улазних сигнала у широком фреквенцијском опсегу.

Такво скенирање се назива интерним, тј. окидач долази од сигнала под истрагом. Обично осцилоскопи имају окидач „Унутрашњи / Екстерни“, из неког разлога који није приказан на функционалном дијаграму на слици 5. У режиму спољног окидача окидач може бити покренут не сигналом под истрагом, већ неким другим сигналом од кога зависи сигнал под истрагом.

То би могао бити, на пример, импулсни линијски импулс. Затим, чак и осцилоскопом са једним снопом, можете да измерите временски однос два сигнала. Али боље је то учинити двосмјерним осцилоскопом, ако је, наравно, при руци.

Трајање метења треба одабрати на основу фреквенције (периода) испитиваног сигнала. Претпоставимо да је фреквенција сигнала 1КХз, тј. период сигнала 1мс. Слика синусоида са временом скенирања од 1мс / див приказана је на слици 10.

Слика 10

Са временом скенирања од 1мс / див, један синусни талас од 1КХз заузима тачно једну поделу скале дуж оси И. Скенирање се синхронизује од снопа А узлазном ивицом у смислу нивоа улазног сигнала од 0В. Због тога, синусни талас на екрану почиње позитивним полуциклом.

Ако се трајање скенирања промени на 500 μс / див (0,5 мс / див), тада ће један период синусоида заузети две поделе на екрану, као што је приказано на слици 11, што је, наравно, погодније за посматрање сигнала.

Слика 11

Поред самог напона пиле, генератор такође ствара импулс позадинског осветљења, који се доводи до модулатора и „запали“ сноп електрона (Сл. 5 г). Трајање пулса позадинског осветљења је једнако трајању предњег снопа. Током повратног хода нема импулса позадинског осветљења и сноп се гаси. Ако нема затамњења снопа, на екрану ће се појавити нешто неразумљиво: обрнути ход, па чак и модулисан улазним сигналом, једноставно прелази све корисне садржаје таласног облика.

На терминални појачавач канала Кс доводи се напон на пробни зупчаник, подељен на парафазни сигнал и доведен до водоравних плоча за дефлезију, као што је приказано на слици 5 (е).

Појачало Кс Спољни улаз

У терминални појачало Кс може се напајати не само напон из генератора развлачења, већ и спољни напон, што омогућава мерење фреквенције и фазе сигнала користећи Лиссајоус бројке.

Слика 12. Лиссајоус фигуре

Али улазни прекидач Кс није приказан на функционалном дијаграму на слици 5, као ни прекидач врсте операције чишћења, што је поменуто мало горе.

Поред канала Кс и И, осцилоскоп, као и било који електронски уређај, има и напајање. Осцилоскопи мале величине, на пример, Ц1-73, Ц1-101 могу да раде од аутомобила. Узгред, ови осцилоскопи су за своје време били веома добри и још увек се успешно користе.

Слика 13. Осцилоскоп Ц1-73

Слика 14. Осцилоскоп Ц1-101

Изглед осцилоскопа приказани су на сликама 13 и 14. Најучудније је што се и даље нуде да их купују у мрежним продавницама. Али цена је таква да је јефтиније купити дигиталне осцилоскопе малих димензија на Алиекпрессу.

Додатни осцилоскопски уређаји су уграђени калибратори амплитуде и померања. То су у правилу прилично стабилни генератори правоугаоних импулса, повезујући их на улаз осцилоскопа, помоћу елемената за подешавање који можете конфигурисати појачала Кс и И. Успут, савремени калибратори такође имају такве калибраторе.

Како се користи осцилоскоп, методе и методе мерења биће дискутовано у следећем чланку.

Наставак чланка: Како се користи осцилоскоп

Борис Аладисхкин