Katoodkiire ostsilloskoobid - töö- ja tööalased üksikasjad

Selles postituses käsitleme üksikasjalikult katoodkiire ostsilloskoopide (CRO) toimimist ja selle sisemist ehitust. Samuti õpime, kuidas kasutada CRO-d erinevate juhtnuppude abil ja mõista erinevate sisendsignaalide graafilisi kujutisi ulatusega ekraanil.

Katoodkiire ostsilloskoobide (CRO) tähtsus

Me teame, et enamik elektroonilisi vooluringe on rangelt seotud elektroonilise laine või digitaalse lainekujuga, mis tavaliselt toodetakse sagedusena. Need signaalid mängivad sellistes vooluringides olulist rolli heli teabe, arvutiandmete, telesignaalide, ostsillaatorite ja ajageneraatorite kujul (nagu radarites rakendatakse) jne. Seetõttu on nende parameetrite täpne ja korrektne mõõtmine nende tüüpide testimise ja tõrkeotsingu ajal väga oluline vooluahelatest

Üldkasutatavatel arvestitel, nagu digitaalsed või analoog-multimeetrid, on piiratud võimalused ja need on võimelised mõõtma ainult alalis- või vahelduvpinge, voolu või takistusi. Mõned täiustatud arvestid suudavad mõõta vahelduvvoolu signaale, kuid ainult siis, kui signaal on väga rafineeritud ja konkreetsete moonutamata sinusoidaalsete signaalidena. Seetõttu ei suuda need arvestid lainekuju ja ajastatud tsükleid hõlmavate vooluringide analüüsimisel eesmärki täita.

Seevastu on ostsilloskoop seade, mis on ette nähtud lainekuju aktsepteerimiseks ja mõõtmiseks, võimaldades kasutajal impulsi kuju või lainekuju praktiliselt visualiseerida.

CRO on üks neist kõrgekvaliteedilistest ostsilloskoopidest, mis võimaldab kasutajal näha visuaalset kujutist kõnealusest rakendatud lainekujust.

See kasutab katoodkiiretoru (CRT) visuaalse kuva genereerimiseks, mis vastab signaalile, mis rakendatakse sisendis lainekujuna.

CRT-s olev elektronkiir läbib toru (ekraani) näo ulatuses vastupidi sisendsignaalidele läbipainutatud liikumisi (pühib), luues ekraanile visuaalse jälje, mis tähistab lainekuju kuju. Need pidevad jäljed võimaldavad kasutajal seejärel uurida lainekuju ja testida selle omadusi.

Ostsilloskoobi omadus lainekuju tegeliku kujutise saamiseks muutub väga kasulikuks võrreldes digitaalsete multimeetritega, mis on võimelised esitama ainult lainekuju arvulisi väärtusi.

Nagu me kõik teame, töötavad katoodkiire ostsilloskoobid elektronkiirtega, et ostsilloskoobi ekraanil näidata erinevaid näite. Kiire horisontaalseks painutamiseks või töötlemiseks nimetatakse toimingut pühkimispinge on integreeritud, samal ajal kui vertikaalse töötlemise teeb sisendpinge, mida mõõdetakse.

CATHODE RAY TUBE - TEOORIA JA SISEKONSTRUKTSIOON

Koodkiirte ostsilloskoobi (CRO) sees muutub katoodkiiretoru (CRT) seadme põhikomponendiks. CRT vastutab keeruka lainekujutise genereerimise eest ulatusega ekraanil.

CRT koosneb põhimõtteliselt neljast osast:

1. Elektronpüstol elektronkiire genereerimiseks.
2. Teravustamis- ja kiirenduskomponendid täpse elektronkiire loomiseks.
3. Horisontaalsed ja vertikaalsed paindeplaadid elektronkiire nurga manipuleerimiseks.
4. Fosforestseeruva ekraaniga kaetud evakueeritud klaasist korpus vajaliku nähtava sära tekitamiseks vastusena elektronkiire löömisele selle pinnal

Järgmisel joonisel on toodud CRT põhilised ehitusdetailid

Nüüd mõistame, kuidas CRT töötab oma põhifunktsioonidega.

Kuidas katoodkiire ostsilloskoop (CRO) töötab

CRT-s asuvat kuuma hõõgniiti kasutatakse oksiidkattega toru katoodi (K) külje soojendamiseks. Selle tulemuseks on elektronide viivitamatu vabanemine katoodi pinnalt.

Element nimega juhtimisvõre (G) kontrollib elektronide hulka, mis võib toru pikkuses kaugemale minna. Võrgu pinge tase määrab kuumutatud katoodist vabanevate elektronide hulga ja kui palju neist lastakse toru näo suunas edasi liikuda.

Kui elektronid ületavad juhtimisvõrgu, läbivad nad anoodkiirenduse abil järgneva teravustamise teravaks kiireks ja suure kiiruse.

See järgmise faasi tugevalt kiirendatud elektronkiir lastakse läbi paari läbipaindeplaatide komplekti vahel. Esimese plaadi nurka või suunda hoitakse nii, et see suunab elektronkiire vertikaalselt üles või alla. Seda omakorda kontrollib nende plaatide suhtes rakendatav pinge polaarsus.

Samuti määratakse plaatidele rakendatud pinge järgi see, kui suur on tala läbipaine.

See juhitav läbipainutatud kiir läbib siis torule rakendatud ülikõrgete pingete kaudu suuremat kiirendust, mis lõpuks põhjustab valgusvihu löögi toru sisepinna fosforestseeruva kihi kattesse.

See paneb fosfori koheselt hõõguma vastusena elektronkiire löömisele, mis tekitab ekraanil nähtava kuma, et rakendusala toimiks.

CRT on iseseisev terviklik üksus, millel on asjakohased klemmid, mis ulatuvad tagumise aluse kaudu välja konkreetseteks tihvtideks.

Turul on saadaval erinevad CRT-de vormid, millel on erinevad mõõtmed, millel on erinevad fosforiga kaetud torud ja paindelektroodide positsioneerimine.

Mõelgem nüüd veidi sellele, kuidas CRT-d ostsilloskoobis kasutatakse.

Lainekuju mustrid, mida visualiseerime antud näidissignaali jaoks, täidetakse järgmiselt:

Kui pühkimispinge liigutab elektronkiirt CRT ekraani sisepinnal horisontaalselt, sunnib mõõdetav sisendsignaal kiiret samaaegselt vertikaalselt painduma, genereerides meie analüüsiks ekraanigraafikul vajaliku mustri.

Mis on ühekordne pühkimine

Igale elektronkiire pühkimisele CRT ekraanil järgneb murdosa „tühi“ ajaintervall. Selle tühja faasi ajal lülitatakse kiir lühidalt välja, kuni see jõuab ekraani alguspunkti või eelmise äärmuseni. Seda iga pühkimise tsüklit nimetatakse 'üks valgusvihk'

Stabiilse lainekuju kuvamiseks ekraanil peaks elektronkiire 'pühkima' korduvalt vasakult paremale ja vastupidi, kasutades iga pühkimise jaoks ühesugust kujutist.

Selle saavutamiseks on vajalik toiming, mida nimetatakse sünkroniseerimiseks, mis tagab kiire tagasituleku ja iga pühkimise kordamise täpselt samast punktist ekraanil.

Õigesti sünkroonituna näib lainekuju muster ekraanil stabiilne ja püsiv. Kuid kui sünkroonimist ei rakendata, näib lainekuju pidevalt horisontaalselt ekraani ühest otsast teise otsa poole triivivat.

Põhilised CRO komponendid

CRO olulisi elemente võib näha allpool olevalt jooniselt 22.2. Analüüsime peamiselt selle põhiploki skeemi CRO operatiivseid üksikasju.

Mõõduka ja äratuntava valgusvihu saavutamiseks vähemalt sentimeetri kuni mõne sentimeetri ulatuses peab läbipaindeplaatidel kasutatav tüüpiline pinge olema vähemalt kümneid või isegi sadu volte.

Tulenevalt asjaolust, et CRO kaudu hinnatud impulsid on tavaliselt vaid mõne volti suurused või kõige rohkem mitme millivoldi juures, on vajalik sisendsignaali suurendamiseks toru käitamiseks vajaliku optimaalse pinge tasemeni sobivad võimendusahelad.

Tegelikult kasutatakse võimendi astmeid, mis aitavad tala nii horisontaalsel kui ka vertikaalsel tasapinnal kõrvale juhtida.

Analüüsitava sisendsignaali taseme kohandamiseks peab iga sisendimpulss läbima summutaja vooluahela etapi, mis on mõeldud ekraani amplituudi suurendamiseks.

Pinge pühkimine

Pinge pühkimine toimub järgmiselt:

Olukordades, kus vertikaalset sisendit hoitakse 0 V juures, peaks elektronkiire nägema ekraani vertikaalses keskmes. Kui horisontaalsisendisse rakendatakse 0V, paigutatakse valgusvihu ekraani keskele tahke ja kirjatarvena. DOT keskmes.

Nüüd sai seda „punkti” liikuda kõikjal ekraanipinnal, lihtsalt manipuleerides ostsilloskoobi horisontaalsete ja vertikaalsete juhtnuppudega.

Punkti asukohta saab muuta ka ostsilloskoobi sisendisse sisestatud kindla alalispinge abil.

Järgmine joonis näitab, kuidas täpse positsiooni saab CRT ekraanil kontrollida positiivse horisontaalse pinge (paremale) ja negatiivse vertikaalse sisendpinge (keskelt allapoole) kaudu.

Horisontaalne pühkimissignaal

Et signaal CRT-ekraanil nähtavaks muutuks, on hädavajalik lubada kiirte läbipainde horisontaalse pühkimise kaudu kogu ekraanil, nii et mis tahes vastav vertikaalse signaali sisend võimaldab muutust ekraanil kajastada.

Allpool olevalt jooniselt 22.4 võime horisontaalsele kanalile rakendatava lineaarse (saehamba) pühkimissignaali abil visualiseerida sirge joone ekraanil, mis on saadud positiivse pinge etteandes vertikaalsesse sisendisse.

Kui elektronkiirt hoitakse valitud fikseeritud vertikaalsel kaugusel, sunnitakse horisontaalset pinget liikuma negatiivsest nullist positiivsesse, põhjustades kiire liikumist ekraani vasakult poolt, keskele ja paremale. ekraan. See elektronkiire liikumine tekitab sirgjoone vertikaalse keskväärtuse kohal, näidates sobivat alalispinge tähtede joone kujul.

Ühe pühkimise tekitamise asemel rakendatakse pühkimispinge töötama nagu pidev lainekuju. Selle eesmärk on tagada järjepideva ekraani nähtavuse tagamine. Kui kasutatakse ainult ühte pühkimist, siis see ei kestaks ja kaoks koheselt.

Sellepärast genereeritakse CRT-s sekundis korduvaid pühkimisi, mis jätavad meie visiooni tõttu ekraanile pideva lainekuju.

Kui vähendame ülaltoodud pühkimiskiirust sõltuvalt ostsilloskoobil toodud ajaskaalast, võis ekraanil näha kiire tegelikku liikuvat muljet. Kui vertikaalsele sisendile rakendatakse ainult sinusoidaalset signaali ilma horisontaalse pühkimise olemasoluta, näeksime vertikaalset sirgjoont, nagu on kujutatud joonisel 22.5.

Ja kui selle sinusoidse vertikaalse sisendi kiirus on piisavalt vähenenud, võimaldab see meil näha sirgjoont mööda ülespoole liikuvat elektronkiirt.

Vertikaalse sisendi kuvamiseks lineaarse saehamba pühkimise kasutamine

Kui olete huvitatud siinuslaine signaali uurimisest, peate horisontaalsel kanalil kasutama pühkimissignaali. See võimaldab vertikaalsel kanalil rakendataval signaalil saada CRO ekraanil nähtavaks.

Praktilist näidet võib näha joonisel 22.6, mis näitab horisontaalse lineaarse pühkimise abil genereeritud lainekuju koos vertikaalse kanali kaudu sinusoidse või siinuse sisendiga.

Rakendatud sisendi jaoks ekraanil ühe tsükli saamiseks on hädavajalik sisendsignaali ja lineaarsete pühkimissageduste sünkroniseerimine. Isegi minuti erinevuse või vale sünkroonimise korral ei pruugi ekraan liikumist näidata.

Kui pühkimissagedust vähendatakse, saab CRO ekraanil nähtavaks teha siinuse sisendsignaali suurema arvu tsükleid.

Teiselt poolt, kui suurendame pühkimise sagedust, võimaldaks ekraanil kuvada väiksemat arvu vertikaalsete sisendsinusignaalitsüklite arvu. Selle tulemuseks oleks CRO ekraanil rakendatud sisendsignaali suurendatud osa genereerimine.

Lahendatud praktiline näide:

Joonisel 22.7 näeme ostsilloskoobi ekraani, mis kuvab impulssignaali vastuseks horisontaalse pühkimisega vertikaalsele sisendile rakendatud impulssilaadsele lainekujule

Iga lainekuju numeratsioon võimaldab ekraanil jälgida iga tsükli sisendsignaali ja pühkimispinge variatsioone.

Sünkroniseerimine ja käivitamine

Koodkiirte ostsilloskoobi korrigeerimine viiakse läbi kiiruse reguleerimisega sageduse järgi, nii et saadakse üks pulsitsükkel, palju tsükleid või osa lainekuju tsüklist ja see funktsioon muutub üheks CRO-ks. mis tahes CRO-st.

Joonisel 22.8 näeme CRO ekraani, mis kuvab vastuse pühkimissignaali paarile tsüklile.

Horisontaalse saehamba pühkimispinge iga lineaarse pühkimistsükli kaudu (mille piirväärtus on maksimaalsest negatiivsest piirist nullist maksimaalseks positiivseks) põhjustab elektronkiire liikumine horisontaalselt üle CRO ekraani ala, alustades vasakult keskele ja seejärel ekraanil paremal.

Pärast seda naaseb saehamba pinge kiiresti tagasi negatiivsele algpingele, kusjuures elektronkiir liigub vastavalt ekraani vasakule küljele. Selle aja jooksul, kui pühkepinge pöördub kiiresti tagasi negatiivsesse (tagasijõudmine), läbib elektron tühja faasi (kusjuures võrgupinge ei lase elektronidel toru nägu tabada)

Et võimaldada ekraanil toota stabiilset signaalpilti iga kiirteava kohta, on hädavajalik alustada pühkimist sisendsignaali tsükli täpselt samast punktist.

Joonisel 22.9 näeme, et üsna madal pühkimissagedus põhjustab ekraanil kiire vasakpoolse triivi välimuse.

Kui see on seatud suurele pühkimissagedusele, nagu on näidatud joonisel 22.10, tekitab ekraanil kiire kiirte paremale küljele kuvamise ekraanil.

Ütlematagi selge, et ekraanil püsiva või pideva pühkimise saavutamiseks võib pühkimissignaali sageduse täpselt võrdne sisendsignaali sagedusega olla väga keeruline või teostamatu.

Teostatavama välimusega lahendus on oodata, kuni signaal naaseb tsükli jooksul jälje alguspunkti. Seda tüüpi käivitamine sisaldab häid omadusi, mida käsitleme järgmistes lõikudes.

Käivitamine

Standardne lähenemine sünkroniseerimiseks kasutab pühkimisgeneraatori lülitamiseks väikest osa sisendsignaalist, mis sunnib pühkimissignaali sisendsignaaliga lukustuma või lukustuma ja see protsess sünkroniseerib need kaks signaali koos.

Joonisel 22.11 on näha plokkskeem, mis illustreerib a sisendsignaali osa ekstraheerimist ühekanaliline ostsilloskoop.

See päästesignaal eraldatakse vooluvõrgu vahelduvvoolu sagedusest (50 või 60 Hz), et analüüsida välissignaale, mis võivad olla seotud või seotud vahelduvvooluvõrguga, või olla seotud signaal, mida rakendatakse CRO-s vertikaalse sisendina.

Kui valikulüliti on lülitatud „SISEMISE” suunas, võimaldab päästikusigeneraatori vooluring kasutada osa sisendsignaalist. Seejärel kasutatakse väljundi päästikgeneraatori väljundit CRO peamise pühkimise algatamiseks või käivitamiseks, mis jääb nähtavaks ajavahemiku aja / cm juhtimisega määratud ajavahemiku jooksul.

Käivitamise initsialiseerimise signaali tsükli mitmes erinevas punktis saab visualiseerida joonisel 22.12. Päästiku pühkimise toimimist saab analüüsida ka saadud lainekuju mustrite kaudu.

Sisendina rakendatavat signaali kasutatakse pühkimissignaali päästiku lainekuju genereerimiseks. Nagu on näidatud joonisel 22.13, käivitatakse pühkimine sisendsignaali tsükliga ja see püsib ajavahemikus, mille on määranud pühkimispikkuse juhtimise seade. Seejärel ootab CRO-operatsioon enne uue pühkimistoimingu alustamist, kuni sisendsignaal jõuab oma tsükli identsesse punkti.

Eespool selgitatud käivitamismeetod võimaldab sünkroonimisprotsessi, samal ajal kui ekraanil kuvatavate tsüklite arv sõltub pühkimissignaali pikkusest.

FUNKTSIOON MITMEKS

Paljud täiustatud CRO-d hõlbustavad kuvariekraanil korraga mitme või mitme jälje vaatamist, mis võimaldab kasutajal hõlpsasti võrrelda mitme lainekuju eri- või muid spetsiifilisi omadusi.

Seda funktsiooni rakendatakse tavaliselt mitme elektronpüstoli mitme kiirega, mis genereerivad CRO ekraanil individuaalse kiirte, kuid mõnikord viiakse see läbi ka ühe elektronkiire kaudu.

Mitme jälje genereerimiseks kasutatakse paari tehnikat: ALTERNATE ja CHOPPED. Alternatiivrežiimis ühendatakse kaks sisendis saadaolevat signaali vaheldumisi läbipaindeahela etapiga elektroonilise lüliti kaudu. Selles režiimis viiakse kiir üle CRO ekraani, olenemata sellest, kui palju jälgi kuvatakse. Pärast seda valib elektrooniline lüliti alternatiivina teise signaali ja teeb sama ka selle signaali puhul.

Seda töörežiimi on näha joonisel 22.14a.

Joonisel 22.14b on näidatud CHOPPED-töörežiim, kus valgusvihk läbib korduva lülituse, et valida iga kiire signaali jaoks kahe sisendsignaali vahel. See ümberlülitamise või tükeldamise toiming jääb signaali suhteliselt madalamate sageduste puhul tuvastamatuks ja seda nähakse CRO ekraanil ilmselt kahe eraldi jäljena.

Kuidas mõõta lainekuju kalibreeritud CRO skaalade kaudu

Võib-olla olete näinud, et CRO ekraani ekraan koosneb selgelt tähistatud kalibreeritud skaalast. See on ette nähtud kõnealuse rakendatud lainekuju amplituudi ja ajafaktori mõõtmiseks.

Märgitud üksused on nähtavad kastidena, mis on jaotatud kastide mõlemale küljele 4 sentimeetri (cm) ulatuses. Kõik need lahtrid on lisaks jagatud 0,2 cm pikkusteks intervallideks.

Amplituudi mõõtmine:

RO ekraanil olevat vertikaalset skaalat saab kalibreerida kas voltides / cm (V / cm) või millivoltides / cm (mV / cm).

Reguleerimisala juhtnuppude sätete ja ekraani esiküljel olevate märgistuste abil saab kasutaja mõõta või analüüsida lainekuju signaali või tavaliselt vahelduvvoolu signaali tipust tippu amplituudi.

Siin on praktiline lahendatud näide, kuidas mõista, kuidas amplituudi CRO ekraanil mõõdetakse:

Märkus: See on ostsilloskoobi eelis multimeetrite ees, kuna multimeetrid annavad ainult vahelduvvoolusignaali RMS-väärtuse, samas kui ulatus suudab esitada nii RMS-väärtuse kui ka signaali tipp-tipp-väärtuse.

Vahelduvvoolutsükli ajastuse (perioodi) mõõtmine ostsilloskoobi abil

Ostsilloskoobi ekraanil kuvatav horisontaalne skaala aitab meil määrata sisendtsükli ajastuse sekundites, millisekundites (ms) ja mikrosekundites (μs) või isegi nanosekundites (ns).

Impulsi kulutatud ajaintervalli tsükli lõpuleviimiseks algusest lõpuni nimetatakse impulsi perioodiks. Kui see impulss on korduva lainekuju kujul, nimetatakse selle perioodi üheks lainekuju tsükliks.

Siin on praktiline lahendatud näide, mis näitab, kuidas määrata lainekuju periood CRO ekraani kalibreerimise abil:

Impulsi laiuse mõõtmine

Iga lainekuju koosneb maksimaalsest ja minimaalsest pingepiigist, mida nimetatakse impulsi kõrgeks ja madalaks olekuks. Ajavahemikku, mille jooksul impulss jääb kõrgeks või madalaks, nimetatakse impulsi laiuseks.

Impulsside korral, mille servad tõusevad ja vähenevad väga järsult (kiiresti), mõõdetakse selliste impulsside laiust impulsi algusest, mida nimetatakse esiservaks, kuni impulsi lõpuni, mida nimetatakse tagaääreks, on see näidatud joonisel 22.19a.

Impulsside puhul, millel on üsna aeglane või aeglane tõusu ja languse tsükkel (eksponentsiaalne tüüp), mõõdetakse nende impulsi laiust kogu tsüklite 50% taseme ulatuses, nagu on näidatud joonisel 22.19b.

Järgmine lahendatud näide aitab ülaltoodud protseduuri paremini mõista:

Pulsside viivituse mõistmine

Impulsside tsükli impulsside vahelist ajavahemikku nimetatakse impulsi viivituseks. Impulssiviivituse näidet võib näha allpool toodud joonisel 22.21, näeme siin mõõdetud viivitust impulsi keskpunkti või 50% taseme ja alguspunkti vahel.

Joonis 22.21

Praktiline lahendatud näide, kuidas mõõta pulsi viivitust CRO-s

Järeldus:

Olen püüdnud kaasata enamikku põhilisi üksikasju selle kohta, kuidas katoodkiirte ostsilloskoop (CRO) töötab, ja olen püüdnud selgitada, kuidas seda seadet kasutada kalibreeritud ekraani kaudu erinevate sageduspõhiste signaalide mõõtmiseks. Siiski võib siin olla veel palju aspekte, millest ma siin puudust tundsin, vaatamata sellele kontrollin aeg-ajalt ja värskendan lisateavet alati, kui see on võimalik.

Viide: https://et.wikipedia.org/wiki/Oscilloscope