Elektroniskt oscilloskop - enhet, driftsprincip

Amatörradio är som en hobby en mycket spännande aktivitet, och man kan säga beroendeframkallande. Många kommer in i det underbara skolaår, och med tiden kan denna hobby bli ett yrke för livet. Även om du inte kan få en högre radioteknisk utbildning, med oberoende studier av elektronik kan du uppnå mycket höga resultat och framgång. Vid en tidpunkt kallade tidningen Radio sådana specialister ingenjörer utan examensbevis.

De första experimenten med elektronik börjar som regel med montering av de enklaste kretsarna, som börjar arbeta omedelbart utan justering och installation. Oftast är det olika generatorer, samtal, opretentiös strömförsörjning. Allt detta kan samlas in genom att läsa en minimal mängd litteratur, bara beskrivningar av repeterbara mönster. I detta skede är det som regel möjligt att göra med en minimal uppsättning verktyg: ett lödkolv, sidoskärare, en kniv och flera skruvdragare.

Gradvis blir mönster mer komplicerade, och förr eller senare visar det sig att de utan justering och inställning helt enkelt inte fungerar. Därför måste du förvärva tunna mätinstrument, och ju tidigare desto bättre. Den äldre generationen elektronikingenjörer hade en pekartestare med en sådan enhet.

För närvarande har switchtestaren, ofta kallad en avometer, bytts ut digital multimeter. Detta kan hittas i artikeln "Hur man använder en digital multimeter." Även om den goda gamla pekartestaren inte lämnar sina positioner, och i vissa fall är användningen att föredra i jämförelse med en digital enhet.

Båda dessa enheter låter dig mäta direkta och växlande spänningar, strömmar och motstånd. Om konstanta spänningar är lätta att mäta räcker det med att bara veta värdet, då med växlande spänningar finns det några nyanser.

Faktum är att både pekaren och moderna digitala enheter är utformade för att mäta en sinusformad växelspänning, och i ett ganska begränsat frekvensområde: resultatet av mätningen kommer att vara det verkliga värdet på växelspänningen.

Om sådana enheter mäter spänningen i en rektangulär, triangulär eller sågtandform, kommer naturligtvis avläsningarna på enhetens skala att vara, men du behöver inte garantera att mätningarna är korrekta. Tja, det finns bara spänningar, och vilken är inte exakt känd. Och hur kan man vara i sådana fall, hur man kan fortsätta reparera och utveckla nya, alltmer komplexa elektroniska kretsar? Här kommer radioamatören till scenen när du måste köpa ett oscilloskop.

Lite historia

Med hjälp av den här enheten kan du se med dina egna ögon vad som händer i elektroniska kretsar: vilken är formen på signalen, var den dök upp eller försvann, signalernas tids- och fasförhållanden. För att observera flera signaler krävs åtminstone ett tvåstrålsoscilloskop.

Här kan vi komma ihåg en avlägsen historia, när 1969 skapades femstrålens oscilloskop C1-33, som massproducerades av Vilnius-anläggningen. Enheten använde en CRT 22LO1A, som endast användes i denna utveckling. Kunden för denna enhet var naturligtvis det militärindustriella komplexet.

Strukturellt sett var denna apparat tillverkad av två block placerade på ett rack med hjul: oscilloskopet självt och strömförsörjningen. Konstruktionens totala vikt var 160 kg! Omfånget inkluderade en RFK-5 inspelningskamera fäst vid skärmen, vilket säkerställde inspelning av vågformer på film. Utseendet på C1-33 femstråleoscilloskopet med kameran installerad visas i figur 1.

Figur 1. Femstrålsoscilloskop C1-33, 1969

Modern elektronik gör det möjligt att skapa handhållna digitala oscilloskop i storlek på en mobiltelefon. En av sådana anordningar visas i figur 2. Men detta kommer att diskuteras senare.

Bild 2. DS203 Pocket Digital Oscilloscope

Oscilloskop av olika slag

Fram till nyligen producerades flera typer av elektronstråleoscilloskop. Först och främst är det universella oscilloskop som ofta används för praktiska ändamål. Förutom dem producerades också lagringsoscilloskop baserade på lagrings-CRT, höghastighets, stroboskopiska och speciella sådana. De senare typerna var avsedda för olika specifika vetenskapliga problem, som moderna digitala oscilloskop för närvarande lyckas hantera. Därför kommer vi vidare att fokusera på universella allmänt använda elektroniska oscilloskop.

CRT-enhet

Huvuddelen av det elektroniska oscilloskopet är naturligtvis katodstråleröret - CRT. Dess enhet visas i figur 3.

Bild 3. CRT-enhet

Strukturellt sett är en CRT en lång glascylinder 10 med cylindrisk form med en konformad förlängning. Botten på denna förlängning, som är en CRT-skärm, är belagd med en fosfor som avger en synlig glöd när en elektronstråle träffar den 11. Många CRT: er har en rektangulär skärm med uppdelningar applicerade direkt på glaset. Det är den här skärmen som är indikatorn på oscilloskopet.

En elektronstråle bildas av en elektronpistol

Värmare 1 värmer katoden 2, som börjar avge elektroner. I fysiken kallas detta fenomen termionisk emission. Men de elektroner som släpps ut från katoden kommer inte att flyga långt bort, de kommer bara att luta sig tillbaka på katoden. För att få en stråle från dessa elektroner krävs flera elektroder.

Detta är fokuseringselektroden 4 och anoden 5 ansluten till akvadagen 8. Under påverkan av det elektriska fältet för dessa elektroder bryter elektronerna bort från katoden, accelererar, fokuserar in i en tunn balk och rusar till skärmen täckt med fosfor, vilket får fosfor att glöda. Tillsammans kallas dessa elektroder elektronpistoler.

När man når ytan på skärmen orsakar elektronstrålen inte bara en glöd utan slår också ut sekundära elektroner från fosforen, vilket får strålen att fokusera. Den ovan nämnda akvadagen, som är en grafitbeläggning av rörets inre yta, tjänar till att avlägsna dessa sekundära elektroner. Dessutom skyddar aquadag i viss utsträckning strålen från externa elektrostatiska fält. Men ett sådant skydd räcker inte, därför placeras den cylindriska delen av CRT, där elektroderna finns, i en metallskärm tillverkad av elektriskt stål eller permalloy.

En modulator 3 är belägen mellan katoden och fokuseringselektroden, dess syfte är att styra strålströmmen, vilket gör att strålen kan släckas under det bakre svepet och framhävas under framåtslaget. I förstärkningslampor kallas denna elektrod för ett styrnät. Modulatorn, fokuseringselektroden och anoden har centrala hål genom vilka elektronstrålen flyger.

Avböjningsplattor En CRT har två par avböjningsplattor. Dessa är plattorna för den vertikala avböjningen av strålen 6 - plattan Y, till vilken signalen som undersöks tillhandahålls, och plattorna för den horisontella avböjningen 7 - plattan X, och den horisontella spänningen appliceras på dem. Om avböjningsplattorna inte är anslutna någonstans, bör en lysande punkt visas i mitten av CRT-skärmen. I figuren är detta O2-punkten. Naturligtvis måste matningsspänningen appliceras på luren.

Det är här en viktig punkt bör tas. När punkten står stilla, utan att röra sig någonstans, kan den helt enkelt bränna fosforen, och en svart prick kommer alltid att förbli på CRT-skärmen. Detta kan hända under reparationsprocessen för oscilloskopet eller med egenproduktion av en enkel amatörenhet.Därför bör du i detta läge minska ljusstyrkan till ett minimum och fokusera strålen - du kan fortfarande se om det finns en balk eller att det saknas.

När en viss spänning appliceras på avböjningsplattorna kommer strålen att avvika från skärmens mitt. I figur 3 avviker strålen till punkt O3. Om spänningen ändras drar strålen en rak linje på skärmen. Det är detta fenomen som används för att skapa bilden av den studerade signalen på skärmen. För att få en tvådimensionell bild på skärmen måste två signaler appliceras: testsignalen - applicerad på Y-plattorna och skanningsspänningen - applicerad på X-plattorna. Vi kan säga att en graf med koordinataxlarna X och Y erhålls på skärmen.

Horisontell skanning

Det är den horisontella skanningen som bildar X-axeln för diagrammet på skärmen.

Bild 4. Svepspänning

Som framgår av figuren utförs den horisontella avsökningen med sågtandspänning, som kan delas upp i två delar: framåt och bakåt (fig. 4a). Under framåtsträckan rör sig strålen jämnt över skärmen från vänster till höger, och när den når den högra kanten återgår snabbt. Detta kallas en omvänd stroke. Under framåtriktningen genereras en bakgrundsbelysningspuls, som matas till rörmodulatorn, och en lysande punkt visas på skärmen och drar en horisontell linje (fig. 4b).

Framspänningen, som visas i figur 4, börjar från noll (en stråle i mitten av skärmen) och ändras till en spänning på Umax. Därför kommer strålen att röra sig från mitten av skärmen till höger kant, d.v.s. bara halva skärmen. För att starta skanningen från skärmens vänstra kant flyttas strålen till vänster genom att tillämpa förspänning på den. Stråleförskjutningen styrs av ett handtag på frontpanelen.

Under returslaget slutar pulsbelysningen och strålen slocknar. Det relativa läget för bakgrundsbelysningspulsen och sågtandens svepspänning kan ses på oscilloskopfunktionsdiagrammet som visas i figur 5. Trots olika oscilloskopkretsdiagram är deras funktionskretsar ungefär samma, liknande de som visas i figuren.

Bild 5. Funktionsdiagram över oscilloskopet

CRT-känslighet

Det bestäms av avvikelseskoefficienten, som visar hur många millimeter strålen avböjer när en konstant spänning på 1 V appliceras på plattorna. För olika CRT-värden ligger detta värde i intervallet 0,15 ... 2 mm / V. Det visar sig att genom att applicera en spänning på 1 V på avböjningsplattorna kan strålen bara flytta strålen med 2 mm, och detta är i bästa fall. För att böja strålen med en centimeter (10 mm) krävs en spänning på 10/2 = 5V. Med en känslighet på 0,15 mm / V för samma rörelse krävs 10 / 0,15 = 66,666V.

För att erhålla en märkbar avvikelse av strålen från skärmens centrum förstärks därför signalen under undersökning av en vertikal kanalförstärkare till flera tiotals volt. Den horisontella förstärkningskanalen, med vilken en skanning utförs, har samma utgångsspänning.

De flesta universella oscilloskop har en maximal känslighet på 5 mV / cm. Vid användning av en CRT av typ 8LO6I med en ingångsspänning på 5 mV, kommer avböjningsplattor att kräva en spänning på 8,5 V för att flytta strålen 1 cm. Det är lätt att beräkna att detta kommer att kräva förstärkning mer än 1500 gånger.

Denna förstärkning måste erhållas i hela passbandet, och ju högre frekvensen är, desto lägre är förstärkningen, som ligger i några förstärkare. Passbandet kännetecknas av en övre frekvens f upp. Vid denna frekvens minskar förstärkningen av den vertikala avböjningskanalen med 1,4 gånger eller med 3 dB. För de flesta universella oscilloskop är detta band 5 MHz.

Och vad händer om insignalens frekvens överstiger den övre frekvensen, till exempel 8 ... 10 MHz? Kommer hon att kunna se det på skärmen? Ja, det kommer att vara synligt, men signalamplituden kan inte mätas. Du kan bara se till att det finns en signal eller inte. Ibland räcker det med sådan information.

Kanalens vertikala avvikelse. Ingångsdelare

Den studerade signalen matas till ingången på den vertikala avvikelseskanalen genom ingångsdelaren, som visas i figur 6. Ofta kallas ingångsdelaren en dämpare.

Figur 6. Ingångsdelaren för kanalens vertikala avvikelse

Med hjälp av ingångsdelaren blir det möjligt att studera insignalen från några milivolt till flera tiotals volt. I det fall insignalen överskrider ingångsdelarens funktioner används ingångssonder med ett divisionsförhållande 1:10 eller 1:20. Då blir gränsen för 5V / div 50V / div eller 100V / div, vilket gör det möjligt att studera signaler med betydande spänningar.

Öppen och stängd ingång

Här (figur 6) kan du se omkopplaren B1, som gör det möjligt att applicera en signal genom en kondensator (stängd ingång) eller direkt på ingången till delaren (öppen ingång). När du använder läget "stängd ingång" är det möjligt att studera signalens variabla komponent och ignorera dess konstanta komponent. Det enkla diagrammet som visas i figur 7. hjälper till att förklara vad som har sagts. Diagrammet skapas i Multisim-programmet, så att allt i dessa figurer, även om det är praktiskt taget, är ganska rättvist.

Bild 7. Förstärkningssteg på en enda transistor

En insignal med en amplitud på 10 mV genom en kondensator Cl matas till basen hos transistorn Q1. Genom att välja motstånd R2 ställs spänningen på transistorns kollektor lika med hälften av matningsspänningen (i detta fall 6V), vilket gör att transistorn kan arbeta i ett linjärt (förstärkande) läge. Utgången övervakas av XSC1. Figur 8 visar mätresultatet i öppet ingångsläge, på oscilloskopet trycks på DC (likström) -knappen.

Bild 8. Mätningar i öppet ingångsläge (kanal A)

Här kan du bara se (kanal A) spänningen vid transistorns kollektor, samma 6V som just nämnts. Strålen i kanal A “tog fart” vid 6V, men den förstärkta sinusoid på samlaren inträffade inte. Det kan helt enkelt inte urskiljas med känsligheten för 5V / Div-kanalen. Kanal En stråle i figuren visas med rött.

Signal från generatorn appliceras på ingång B, figuren visas i blått. Detta är en sinusvåg med en amplitud på 10 mV.

Bild 9. Mätningar i stängt inmatningsläge

Tryck nu på AC-knappen i kanal A - växelström, detta är faktiskt en stängd ingång. Här kan du se den förstärkta signalen - en sinusoid med en amplitud på 87 millivolt. Det visar sig att kaskaden på en transistor förstärkte signalen med en amplitud på 10 mV med 8,7 gånger. Siffrorna i det rektangulära fönstret under skärmen visar spänningarna och tiderna på platserna för markörerna T1, T2. Liknande markörer finns i moderna digitala oscilloskop. Det är faktiskt allt som kan sägas om öppna och stängda entréer. Och nu ska vi fortsätta berättelsen om den vertikala avböjningsförstärkaren.

Förstärkare

Efter ingångsdelaren går signalen som undersöks till förförstärkaren och passerar genom fördröjningslinjen in i terminalförstärkaren i kanal Y (figur 5). Efter den nödvändiga förstärkningen kommer signalen in i de vertikala avböjningsplattorna.

Förförstärkaren delar ingångssignalen i parafaskomponenter för att tillföra den till terminalförstärkaren Y. Dessutom matas insignalen från förförstärkaren till sveputlösaren, som ger en synkron bild på skärmen under framåt svepet.

Fördröjningslinjen fördröjer insignalen relativt början av svepspänningen, vilket gör det möjligt att observera pulsens framkant, såsom visas i figur 5 b). Vissa oscilloskop har inte en fördröjningslinje, vilket i huvudsak inte stör studien av periodiska signaler.

Svep kanal

Ingångssignalen från förförstärkaren matas också till ingången till sveputlösaren.Den genererade impulsen startar svepgeneratorn, som producerar en jämnt stigande sågtandspänning. Slagfrekvensen och svepspänningsperioden väljs av Time / Div-omkopplaren, vilket gör det möjligt att studera insignaler inom ett brett frekvensområde.

En sådan skanning kallas intern, dvs. utlösning kommer från den undersökta signalen. Vanligtvis har oscilloskop en skanningsomkopplare “Intern / extern”, av någon anledning som inte visas i funktionsdiagrammet i figur 5. I det externa triggerläget kan skanningen utlösas inte av den undersökta signalen utan av någon annan signal som signalen under utredning beror på.

Detta kan till exempel vara en fördröjningslinjetriggerpuls. Sedan kan du även mäta tidsförhållandet mellan två signaler, även med ett enstrålsoscilloskop. Men det är bättre att göra detta med ett tvåstrålsoscilloskop, om det naturligtvis är till hands.

Svepets varaktighet bör väljas baserat på frekvensen (period) för den undersökta signalen. Anta att signalfrekvensen är 1 KHz, dvs. signalperiod 1ms. Bilden av en sinus med en skanningsvaraktighet av 1 ms / div visas i figur 10.

Figur 10

Med en avsökningstid på 1 ms / div, upptar en 1KHz sinusvågperiod exakt en skalavdelning längs Y-axeln Scanningen synkroniseras från stråle A längs en stigande kant i termer av en insignalnivå på 0V. Därför börjar sinusvågen på skärmen med en positiv halvcykel.

Om skanningsvaraktigheten ändras till 500 μs / div (0,5 ms / div) kommer en period av sinusformen att uppta två divisioner på skärmen, som visas i figur 11, vilket naturligtvis är mer praktiskt för att observera signalen.

Figur 11

Förutom själva sågtandspänningen genererar svepgeneratorn också en bakgrundsbelysningspuls, som matas till modulatorn och "tänder" elektronstrålen (fig. 5 g). Varaktigheten av bakgrundsbelysningspulsen är lika med framstrålens varaktighet. Under returslaget finns det ingen bakgrundsbelysningspuls och strålen slocknar. Om det inte finns någon stråleblankering, kommer något obegripligt att visas på skärmen: det omvända slaget, och till och med modulerat av insignalen, korsar helt enkelt allt användbart innehåll i vågformen.

En sågtandens svepspänning matas till terminalförstärkaren i kanal X, delas upp i en parafasesignal och matas till de horisontella avböjningsplattorna, såsom visas i figur 5 (e).

Förstärkare X Extern ingång

Inte bara spänning från svepgeneratorn, utan också extern spänning kan matas till terminalförstärkaren X, vilket gör det möjligt att mäta signalens frekvens och fas med hjälp av Lissajous-siffror.

Figur 12. Lissajous figurer

Men ingångsomkopplaren X visas inte på funktionsdiagrammet i figur 5, liksom omkopplaren för typen av svepoperationer, som nämnts lite ovan.

Förutom kanalerna X och Y har oscilloskopet, liksom alla elektroniska enheter, en strömförsörjning. Små oscilloskop, till exempel C1-73, C1-101 kan fungera från ett bilbatteri. Förresten, för deras tid var dessa oscilloskop mycket bra och används fortfarande framgångsrikt.

Figur 13. Oscilloskop C1-73

Figur 14. Oscilloskop C1-101

Oscilloskopets utseende visas i figurerna 13 och 14. Det mest förvånande är att de fortfarande erbjuds att köpa dem i onlinebutiker. Men priset är sådant att det är billigare att köpa digitala oscilloskop i små storlekar på Aliexpress.

Ytterligare oscilloskopanordningar är inbyggda amplitud- och svepkalibratorer. Dessa är som regel ganska stabila generatorer av rektangulära pulser, ansluter dem till ingången till oscilloskopet, med hjälp av inställningselement kan du konfigurera förstärkarna X och Y. Förresten, moderna kalibratorer har också sådana kalibratorer.

Hur man använder oscilloskopet, metoder och mätmetoder kommer att diskuteras i nästa artikel.

Fortsättning av artikeln: Hur man använder oscilloskopet

Boris Aladyshkin