Катодни осцилоскопи - работни и експлоатационни детайли

Катодни осцилоскопи - работни и експлоатационни детайли

В тази публикация ще обсъдим подробно как работят катодните осцилоскопи (CRO) и неговата вътрешна конструкция. Също така ще научим как да използваме CRO с помощта на различните контроли и ще разберем графичните изображения на различните входни сигнали на дисплея на обхвата.



Значение на катодните осцилоскопи (CRO)

Знаем, че по-голямата част от електронните схеми строго включват и работят, използвайки електронна форма на вълната или цифрова форма на вълната, които обикновено се произвеждат като честота. Тези сигнали играят важна роля в такива схеми под формата на аудио информация, компютърни данни, телевизионни сигнали, осцилатори и генератори на синхронизация (както се прилагат в радарите) и т.н. Следователно измерването на тези параметри точно и правилно става много важно при тестване и отстраняване на тези видове на вериги

Обикновено наличните измервателни уреди, като цифрови мултиметри или аналогови мултиметри, имат ограничени възможности и могат да измерват само постояннотокови или променливи напрежения, токове или импеданси. Някои напреднали измервателни уреди са в състояние да измерват променливи сигнали, но само ако сигналът е силно прецизиран и под формата на специфични неизкривени синусоидални сигнали. Следователно тези измервателни уреди не могат да изпълнят целта си, когато става въпрос за анализ на вериги, включващи форма на вълната и цикли по време.



За разлика от тях, осцилоскопът е устройство, което е проектирано да приема и измерва точно формата на вълната, позволявайки на потребителя да визуализира на практика формата на импулса или формата на вълната.

CRO е един от онези висококачествени осцилоскопи, който позволява на потребителя да види визуално представяне на въпросната приложена форма на вълната.



Той използва катодно-лъчева тръба (CRT) за генериране на визуален дисплей, съответстващ на сигнала, приложен на входа като форма на вълната.

Електронният лъч вътре в CRT преминава през отклонени движения (размахва) през лицето на тръбата (екрана) в отговор на входните сигнали, създавайки визуална следа на екрана, представяща формата на формата на вълната. След това тези непрекъснати следи позволяват на потребителя да изследва формата на вълната и да тества нейните характеристики.

Характеристиката на осцилоскопа за създаване на действителното изображение на формата на вълната става много полезна в сравнение с цифровите мултиметри, които могат да предоставят само цифрови стойности на формата на вълната.

Както всички знаем, катодно-лъчевите осцилоскопи работят с електронни лъчи за индикация на различните показания на екрана на осцилоскопа. За отклоняване или обработка на лъча хоризонтално се нарича операция размах-напрежение е включена, докато вертикалната обработка се извършва от входното напрежение, което се измерва.

КАТОДНА ЛЪЧОВА ТРУБА - ТЕОРИЯ И ВЪТРЕШНА КОНСТРУКЦИЯ

Вътре в катодно-лъчевия осцилоскоп (CRO), катодно-лъчевата тръба (CRT) става основният компонент на устройството. CRT става отговорен за генерирането на сложни изображения на вълната на екрана на обхвата.

CRT основно се състои от четири части:

1. Електронно оръдие за генериране на електронния лъч.
2. Фокусиращи и ускоряващи компоненти за създаване на точен лъч от електрони.
3. Хоризонтални и вертикални отклоняващи плочи за манипулиране на ъгъла на електронния лъч.
4. Евакуирана стъклена камера, покрита с фосфоресциращ екран за създаване на необходимото видимо сияние в отговор на удара на електронния лъч по повърхността му

Следващата фигура представя основните конструктивни детайли на CRT

CRT части

Сега нека разберем как CRT работи с основните си функции.

Как работи катодният осцилоскоп (CRO)

Гореща нишка в CRT се използва за нагряване на катодната (К) страна на тръбата, състояща се от оксидно покритие. Това води до незабавно освобождаване на електрони от повърхността на катода.

Елемент, наречен контролна решетка (G), контролира количеството електрони, които могат да преминат по-далеч по дължината на тръбата. Нивото на напрежение, приложено върху мрежата, определя количеството електрони, освободени от нагретия катод, и колко от тях могат да се движат напред към лицето на тръбата.

След като електроните надминат контролната мрежа, те преминават през последващо фокусиране в остър лъч и високоскоростно ускорение с помощта на анодно ускорение.

Този силно ускорен електронен лъч в следващата фаза преминава между няколко комплекта отклоняващи плочи. Ъгълът или ориентацията на първата плоча се държи по такъв начин, че да отклонява електронния лъч вертикално нагоре или надолу. Това от своя страна се контролира от полярността на напрежението, приложена върху тези плочи.

Също така от това колко е позволено отклонението на гредата се определя от количеството напрежение, приложено върху плочите.

След това този контролиран отклонен лъч преминава през повече ускорение чрез изключително високи напрежения, приложени върху тръбата, което накрая кара лъча да удари фосфоресциращото покритие на слоя на вътрешната повърхност на тръбата.

Това незабавно кара фосфора да свети в отговор на удара на електронния лъч, генериращ видимия блясък на екрана за потребителя, боравещ с обхвата.

CRT е независима цялостна единица, имаща подходящи клеми, изпъкнали през задната основа в специфични щифтове.

На пазара се предлагат различни форми на ЕЛТ в много различни измерения, с отделни тръби с фосфорно покритие и позициониране на отклоняващи електроди.

Нека сега помислим малко за начина, по който CRT се използва в осцилоскоп.

Моделите на формата на вълната, които визуализираме за даден примерен сигнал, се изпълняват по този начин:

Тъй като напрежението на размахване движи електронния лъч хоризонтално по вътрешната страна на екрана с CRT, входният сигнал, който се измерва едновременно, принуждава лъча да се отклонява вертикално, генерирайки необходимия модел на графиката на екрана за нашия анализ.

Какво е единичен размах

Всяко размахване на електронния лъч на CRT екрана се проследява с частичен „празен“ интервал от време. По време на тази празна фаза лъчът се изключва за кратко, докато достигне началната точка или предишната крайна страна на екрана. Този цикъл на всяко почистване се нарича „един размах на гредата“

За да се получи стабилен дисплей на формата на вълната на екрана, електронният лъч трябва да бъде 'измит' многократно отляво надясно и обратно, като се използва идентично изображение за всяко размахване.

За да се постигне това, става необходима операция, наречена синхронизация, която гарантира, че лъчът се връща и повтаря всяко размахване от точно същата точка на екрана.

Когато се синхронизира правилно, формата на вълната на екрана изглежда стабилна и постоянна. Ако обаче синхронизирането не се приложи, формата на вълната изглежда бавно се движи хоризонтално от единия край на екрана към другия край непрекъснато.

Основни CRO компоненти

Основните елементи на CRO могат да бъдат видени на фиг. 22.2 по-долу. Ще анализираме основно оперативните детайли на CRO за тази основна блок-схема.

За постигане на смислено и разпознаваемо отклонение на лъча през поне сантиметър до някои сантиметри, типичното ниво на напрежение, използвано върху деформационните плочи, трябва да бъде минимално при десетки или дори стотици волта.

Поради факта, че импулсите, оценени чрез CRO, обикновено са само с няколко волта с величина или най-много с няколко миливолта, подходящи усилвателни вериги стават необходими за повишаване на входния сигнал до оптималните нива на напрежение, необходими за работа на тръбата.

Всъщност се използват усилвателни каскади, които помагат за отклоняване на лъча както в хоризонталната, така и във вертикалната равнина.

За да може да се адаптира нивото на входния сигнал, което се анализира, всеки входен импулс трябва да премине през етап на веригата на атенюатора, предназначен да подобри амплитудата на дисплея.

Основни CRO компоненти

ПОЧИСТВАНЕ НА НАПРЕЖЕНИЕ

Операцията за почистване на напрежението се изпълнява по следния начин:

В ситуации, когато вертикалният вход се задържа при 0V, електронният лъч трябва да се вижда във вертикалния център на екрана. Ако 0V е идентично приложено към хоризонталния вход, лъчът е позициониран в центъра на екрана, изглеждащ като твърдо тяло и канцеларски материали ТОЧКА в центъра.

Сега тази „точка“ може да бъде преместена навсякъде по лицето на екрана, просто чрез манипулиране на хоризонталните и вертикалните бутони за управление на осцилоскопа.

Позицията на точката може също да бъде променена чрез специфично постояннотоково напрежение, въведено на входа на осцилоскопа.

Следващата фигура показва как точно позицията на точката може да се контролира на екран с ЕЛТ чрез положително хоризонтално напрежение (вдясно) и отрицателно вертикално входно напрежение (надолу от центъра).

точков контрол в CRO

Сигнал за хоризонтално размахване

За да стане сигнал видим на CRT дисплея, е задължително да се даде възможност за отклонение на лъча чрез хоризонтално размахване на екрана, така че всеки съответстващ вертикален входен сигнал да позволява промяната да бъде отразена на екрана.

От фигура 22.4 по-долу можем да визуализираме правата линия на дисплея, получена поради подаване на положително напрежение към вертикалния вход чрез линеен (трион) сигнал за почистване, приложен към хоризонталния канал.

Дисплей за обхват за постоянен ток вертикално

Когато електронният лъч се държи на избрано фиксирано вертикално разстояние, хоризонталното напрежение е принудено да се движи от отрицателно към нула до положително, което кара лъча да се движи от лявата страна на екрана, към центъра и от дясната страна на екран. Това движение на електронния лъч генерира права линия над централната вертикална референтна линия, показваща подходящо постояннотоково напрежение под формата на звездна линия.

Вместо да произвежда единичен размах, напрежението на размах се изпълнява, за да работи като непрекъсната форма на вълната. Това е по същество, за да се осигури постоянен дисплей, който да се вижда на екрана. Ако се използва само един размах, той няма да продължи и ще изчезне незабавно.

Ето защо в CRT се генерират многократни почиствания за секунда, което придава на екрана непрекъсната форма на вълната, поради постоянството ни на зрение.

Ако намалим горната скорост на размах в зависимост от времевия мащаб, предоставен на осцилоскопа, реалното движещо се впечатление от лъча може да бъде засвидетелствано на екрана. Ако към вертикалния вход се подаде само синусоидален сигнал без наличието на хоризонтално размахване, ще видим вертикална права линия, както е показано на фигура 22.5.

Резултатен дисплей на обхвата за вертикална синус

И ако скоростта на този синусоидален вертикален вход е достатъчно намалена, ни позволява да видим електронния лъч, който се движи нагоре надолу по пътя на права линия.

Използване на Linear Sawtooth Sweep за показване на вертикален вход

Ако се интересувате да изследвате синусоидален сигнал, ще трябва да използвате сигнал за размах на хоризонталния канал. Това ще позволи на сигнала, приложен по вертикалния канал, да стане видим на екрана на CRO.

Практически пример може да се види на фиг. 22.6, която показва форма на вълната, генерирана чрез използване на хоризонтален линеен размах заедно със синусоидален или синусоиден вход през вертикалния канал.

форма на вълната, генерирана чрез използване на хоризонтален линеен размах

За да се получи единичен цикъл на екрана за приложения вход, синхронизацията на входния сигнал и линейните честоти на размах се превръщат в съществени. Дори при минутна разлика или неправилно синхронизиране дисплеят може да не покаже никакво движение.

Ако честотата на размаха е намалена, на екрана CRO може да се види повече брой цикли на синусоидалния входен сигнал.

От друга страна, ако увеличим честотата на почистването, ще позволим на екрана на дисплея да бъде видим по-малък брой цикли на вертикален входен синус. Това всъщност би довело до генериране на увеличена част от приложения входен сигнал на CRO екрана.

Решен практически пример:

решен пример проблем CRO

На фиг. 22.7 можем да видим екрана на осцилоскопа, показващ импулсен сигнал в отговор на импулс като форма на вълната, приложена към вертикалния вход с хоризонтално размахване

Номерирането за всяка форма на вълната позволява на дисплея да проследява вариациите на входния сигнал и напрежението за почистване за всеки цикъл.

СИНХРОНИЗАЦИЯ И ТРИГРИГИРАНЕ

Настройките в катодния лъч осцилоскоп се изпълняват чрез регулиране на скоростта по отношение на честотата, за създаване на единичен цикъл на импулс, многобройни цикли или част от цикъл на форма на вълната, и тази функция се превръща в една от CRO е решаваща характеристика на която и да е CRO.

На фиг. 22.8 можем да видим екрана CRO, показващ реакция за няколко броя цикли на сигнала за почистване.

За всяко изпълнение на хоризонтално напрежение на рязане чрез линеен цикъл на почистване (имащо ограничение от максимална отрицателна граница от нула до максимално положително), кара електронният лъч да се движи хоризонтално през зоната на CRO екрана, започвайки отляво, към центъра и след това вдясно от екрана.

След това напрежението на трионът бързо се връща обратно към началната граница на отрицателното напрежение, като електронният лъч съответно се премества в лявата страна на екрана. През този период от време, когато напрежението на размах се подлага на бързо връщане към отрицателното (прибиране), електронът преминава през празна фаза (където напрежението на мрежата възпрепятства електроните да ударят лицето на тръбата)

За да се даде възможност на дисплея да създава стабилно сигнално изображение за всяко размахване на лъча, става важно да се инициира разгръщането от точно същата точка в цикъла на входния сигнал.

На фиг. 22.9 можем да видим, че доста ниска честота на размахване, караща дисплея да създава вид на отклонение на лъча в лявата страна.

Когато е настроен на висока честота на размах, както е доказано на фигура 22.10, дисплеят създава външен вид на отклонение на дясната страна на лъча на екрана.

Излишно е да казвам, че може да бъде много трудно или невъзможно да се регулира честотата на сигнала за размаха, точно равна на честотата на входния сигнал, за постигане на постоянен или постоянен размах на екрана.

По-осъществимото решение е да изчакате сигналът да се върне обратно към началната точка на трасето в цикъл. Този тип задействане включва някои добри характеристики, които ще обсъдим в следващите параграфи.

Задейства

Стандартният подход за синхронизация използва малка част от входния сигнал за превключване на генератора на размах, който принуждава сигнала за размах да се заключи или заключи с входния сигнал и този процес синхронизира двата сигнала заедно.

На фигура 22.11 можем да видим блок-схемата, илюстрираща извличането на част от входния сигнал в a едноканален осцилоскоп.

Този задействащ сигнал се извлича от мрежовата честотна честота на променлив ток (50 или 60 Hz) за анализ на всякакви външни сигнали, които могат да бъдат свързани или свързани с променливотоковата мрежа, или може да бъде свързан сигнал, приложен като вертикален вход в CRO.

задействащ сигнал се извлича от мрежовата честота на променлив ток (50 или 60Hz) за анализ на всякакви външни сигнали

Когато превключвателят на селектора е превключен към „ВЪТРЕШНО“, позволява част от входния сигнал да се използва от веригата на генератора на спусъка. След това изходният генератор на задействащия генератор се използва за иницииране или стартиране на основното почистване на CRO, което остава видимо за период, определен от контрола време / cm на обхвата.

Инициализирането на задействането в няколко различни точки в цикъла на сигнала може да бъде визуализирано на фиг. 22.12. Функционирането на задействането на спусъка също може да бъде анализирано чрез резултантните модели на форма на вълната.

Сигналът, който се прилага като вход, се използва за генериране на задействаща форма на вълната за сигнала за размах. Както е показано на фигура 22.13, размахът се инициира с цикъла на входния сигнал и се поддържа за период, определен от настройката за контрол на дължината на размах. Впоследствие операцията CRO изчаква, докато входният сигнал достигне идентична точка в своя цикъл, преди да започне нова операция за почистване.

Обясненият по-горе метод на задействане позволява процеса на синхронизация, докато броят на циклите, които могат да се видят на дисплея, се определя от дължината на сигнала за размахване.

МНОГОТРАСОВА ФУНКЦИЯ

Много от усъвършенстваните CRO улесняват гледането на повече от една или множество следи на дисплея едновременно, което позволява на потребителя лесно да сравнява специалните или други специфични характеристики на множество форми на вълната.

Тази функция обикновено се прилага с помощта на множество лъчи от множество електронни оръдия, които генерират отделен лъч на екрана CRO, но понякога това се изпълнява и чрез единичен електронен лъч.

Има няколко техники, които се използват за генериране на множество следи: ALTERNATE и CHOPPED. В алтернативен режим двата сигнала, налични на входа, са свързани последователно към етапа на деформационната верига чрез електронен ключ. В този режим лъчът се премества през екрана CRO, независимо колко следи трябва да бъдат показани. След това електронният превключвател алтернативно избира втория сигнал и прави същото и за този сигнал.

Този режим на работа може да се види на фиг. 22.14а.

Фигура 22.14b демонстрира режима на НАРЕЗАНА, при който лъчът преминава през повтарящо се превключване за избор между двата входни сигнала за всеки сигнал за размахване на лъча. Това превключване или нарязване остава неоткриваемо за относително по-ниски честоти на сигнала и очевидно се разглежда като две отделни следи на екрана CRO.

Как да измерим формата на вълната чрез калибрирани CRO скали

Може да сте виждали, че екранът на CRO дисплея се състои от ясно маркирана калибрирана скала. Това е предвидено за измерванията на амплитудите и фактора на времето за въпросната приложена форма на вълната.

Маркираните единици се виждат като кутии, които са разделени на 4 сантиметра (cm) от двете страни на кутиите. Всяка от тези кутии допълнително е разделена на интервали от 0,2 cm.

Измерване на амплитуди:

Вертикалната скала на екрана на RO може да се види калибрирана във волта / cm (V / cm) или миливолта / cm (mV / cm).

С помощта на настройките на контролните бутони на обхвата и маркировките, представени на лицевата страна на дисплея, потребителят може да измерва или анализира амплитудите от пик до пик на сигнал на форма на вълната или обикновено на променлив сигнал.

Ето практически решен пример за разбиране как се измерва амплитудата на екрана на CRO:

измерване на амплитудата, като се позовава на калибриране на екрана на CRO

Забележка: Това е предимството на осцилоскопа срещу мултиметри, тъй като мултиметрите осигуряват само RMS стойността на променливотоковия сигнал, докато обхватът е в състояние да предостави както стойността на RMS, така и стойността на пика до пик на сигнала.

изчислява амплитудата на периода от време

Измерване на времето (период) на AC цикъл с помощта на осцилоскоп

Хоризонталната скала, предоставена на екрана на осцилоскоп, ни помага да определим времето на входния цикъл в секунди, в милисекунди (ms) и в микросекунди (μs) или дори в наносекунди (ns).

Интервалът от време, изразходван от импулс за завършване на цикъл от началото до края, се нарича период на импулса. Когато този импулс е под формата на повтаряща се форма на вълната, неговият период се нарича един цикъл на формата на вълната.

Ето практически решен пример, показващ как да се определи периодът на форма на вълната, използвайки калибриране на екрана CRO:

измерване на периода на форма на вълната с калибриране на екрана на обхвата

Измерване на широчината на импулса

Всяка форма на вълната се състои от максимални и минимални пикове на напрежението, наречени високи и ниски състояния на импулса. Интервалът от време, за който импулсът остава във ВИСОКО или НИСКО състояние, се нарича широчина на импулса.

За импулси, чиито ръбове се издигат и намаляват много рязко (бързо), ширината на такива импулси се измерва от началото на импулса, наречен водещ ръб до края на импулса, наречен заден ръб, това е показано на фиг. 22.19а.

За импулси, които имат доста по-бавни или бавни цикли на нарастване и спадане (експоненциален тип), тяхната широчина на импулса се измерва през техните 50% нива в циклите, както е показано на фиг. 22.19b.

Осцилоскоп и други измервателни уреди

Следният решен пример помага да се разбере горната процедура по-добре:

Определете ширината на импулса на формата на вълната

РАЗБИРАНЕ НА ЗАДЪРЖАНЕ НА ИМПУЛСА

Интервалът от време между импулсите в един импулсен цикъл се нарича импулсно забавяне. Пример за забавяне на импулса може да се види на долната фигура 22.21, можем да видим закъснението тук се измерва между средната точка или нивото от 50% и началната точка на импулса.

измерване на импулсно закъснение

Фигура 22.21

Практически решен пример, показващ как да се измери закъснението на импулса в CRO

изчисли закъснението на импулса

Заключение:

Опитах се да включа повечето основни подробности за това как работи катодният осцилоскоп (CRO) и се опитах да обясня как да използвам това устройство за измерване на различни честотни сигнали чрез неговия калибриран екран. Все пак може да има още много аспекти, които може да съм пропуснал тук, въпреки това ще продължавам да проверявам от време на време и да актуализирам повече информация, когато е възможно.

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




Предишен: Усилвател с общ излъчвател - характеристики, отклонение, решени примери Следващо: Какво е бета (β) в BJTs