Oscilloscopio elettronico - dispositivo, principio di funzionamento

La radio amatoriale, come hobby, è un'attività molto eccitante e, si può dire, avvincente. Molti ci entrano negli splendidi anni scolastici e, nel tempo, questo hobby può diventare una professione per la vita. Anche se non puoi ottenere un'istruzione superiore in ingegneria radio, uno studio indipendente sull'elettronica ti consente di ottenere risultati e successi molto elevati. Un tempo, la rivista Radio chiamava tali specialisti ingegneri senza diplomi.

I primi esperimenti con l'elettronica iniziano, di regola, con l'assemblaggio dei circuiti più semplici, che iniziano a funzionare immediatamente senza regolazione e impostazione. Molto spesso si tratta di vari generatori, chiamate, alimentatori senza pretese. Tutto questo può essere raccolto leggendo una quantità minima di letteratura, solo descrizioni di schemi ripetibili. In questa fase, di regola, è possibile cavarsela con un set minimo di strumenti: un saldatore, una taglierina laterale, un coltello e diversi cacciaviti.

A poco a poco, i disegni diventano più complicati e prima o poi si scopre che senza regolazione e regolazione semplicemente non funzioneranno. Pertanto, è necessario acquisire strumenti di misura sottili e prima è, meglio è. La vecchia generazione di ingegneri elettronici aveva un tester di puntatore con un tale dispositivo.

Allo stato attuale, il tester interruttore, spesso chiamato un avometro, ha sostituito multimetro digitale. Questo può essere trovato nell'articolo "Come usare un multimetro digitale". Sebbene il buon vecchio tester per puntatori non rinunci alle sue posizioni, e in alcuni casi il suo uso è preferibile rispetto a un dispositivo digitale.

Entrambi questi dispositivi consentono di misurare tensioni, correnti e resistenze dirette e alternate. Se le tensioni costanti sono facili da misurare, è sufficiente scoprire solo il valore, quindi con tensioni alternate ci sono alcune sfumature.

Il fatto è che sia il puntatore che i moderni dispositivi digitali sono progettati per misurare una tensione alternata sinusoidale e, in un intervallo di frequenza piuttosto limitato: il risultato della misurazione sarà il valore effettivo della tensione alternata.

Se tali dispositivi misurano la tensione di una forma rettangolare, triangolare o a dente di sega, ovviamente le letture sulla scala del dispositivo saranno, ma non è necessario garantire l'accuratezza delle misurazioni. Bene, c'è solo tensione, e quale non è esattamente noto. E come essere in questi casi, come continuare la riparazione e lo sviluppo di nuovi circuiti elettronici sempre più complessi? Qui il radioamatore arriva sul palco quando devi acquistare un oscilloscopio.

Un po 'di storia

Con l'aiuto di questo dispositivo puoi vedere con i tuoi occhi cosa sta succedendo nei circuiti elettronici: qual è la forma del segnale, dove è apparso o scomparso, i rapporti tempo e fase dei segnali. Per osservare diversi segnali, è necessario almeno un oscilloscopio a due raggi.

Qui possiamo ricordare una storia lontana, quando nel 1969 fu creato l'oscilloscopio a cinque raggi C1-33, prodotto in serie dallo stabilimento di Vilnius. Il dispositivo utilizzava un CRT 22LO1A, utilizzato solo in questo sviluppo. Il cliente di questo dispositivo era, ovviamente, il complesso militare-industriale.

Strutturalmente, questo apparato era costituito da due blocchi posizionati su un rack con ruote: l'oscilloscopio stesso e l'alimentazione. Il peso totale della struttura era di 160 kg! Il kit dell'oscilloscopio includeva una telecamera di registrazione RFK-5 collegata allo schermo, che assicurava la registrazione di forme d'onda su pellicola. L'aspetto dell'oscilloscopio a cinque raggi C1-33 con la telecamera installata è mostrato nella Figura 1.

Figura 1. Oscilloscopio a cinque raggi C1-33, 1969

L'elettronica moderna consente di creare oscilloscopi digitali portatili delle dimensioni di un telefono cellulare. Uno di questi dispositivi è mostrato nella Figura 2. Ma questo sarà discusso più avanti.

Figura 2. Oscilloscopio digitale tascabile DS203

Oscilloscopi di vario tipo

Fino a poco tempo fa venivano prodotti diversi tipi di oscilloscopi a fascio di elettroni. Innanzitutto, si tratta di oscilloscopi universali, che vengono spesso utilizzati a scopi pratici. Oltre a questi, sono stati prodotti anche oscilloscopi di archiviazione basati su CRT di archiviazione, ad alta velocità, stroboscopici e speciali. Questi ultimi tipi erano destinati a vari compiti scientifici specifici, che i moderni oscilloscopi digitali stanno attualmente affrontando con successo. Pertanto, ci concentreremo ulteriormente sugli oscilloscopi elettronici universali universali.

Dispositivo CRT

La parte principale dell'oscilloscopio elettronico, ovviamente, è il tubo a raggi catodici - CRT. Il suo dispositivo è mostrato in Figura 3.

Figura 3. Dispositivo CRT

Strutturalmente, un CRT è un lungo cilindro di vetro 10 di forma cilindrica con un'estensione a forma di cono. Il fondo di questa estensione, che è uno schermo CRT, è coperto da un fosforo che emette un bagliore visibile quando un raggio di elettroni lo colpisce 11. Molti CRT hanno uno schermo rettangolare con divisioni applicate direttamente sul vetro. È questo schermo che è l'indicatore dell'oscilloscopio.

Un raggio di elettroni è formato da una pistola elettronica

Il riscaldatore 1 riscalda il catodo 2, che inizia a emettere elettroni. In fisica, questo fenomeno è chiamato emissione termoionica. Ma gli elettroni emessi dal catodo non voleranno lontano, si limiteranno a sedersi sul catodo. Per ottenere un raggio da questi elettroni, sono necessari molti più elettrodi.

Questo è l'elettrodo di messa a fuoco 4 e l'anodo 5 collegati all'acquadag 8. Sotto l'influenza del campo elettrico di questi elettrodi, gli elettroni si staccano dal catodo, accelerano, si concentrano in un raggio sottile e si precipitano sullo schermo coperto dal fosforo, facendo brillare il fosforo. Insieme, questi elettrodi sono chiamati pistole elettroniche.

Raggiungendo la superficie dello schermo, il raggio di elettroni non solo provoca un bagliore, ma anche espelle elettroni secondari dal fosforo, causando la sfocatura del raggio. L'acquadag di cui sopra, che è un rivestimento di grafite della superficie interna del tubo, serve a rimuovere questi elettroni secondari. Inoltre, aquadag protegge in una certa misura il raggio da campi elettrostatici esterni. Ma tale protezione non è sufficiente, quindi, la parte cilindrica del CRT, dove si trovano gli elettrodi, è posizionata in uno schermo metallico fatto di acciaio elettrico o permalloy.

Un modulatore 3 si trova tra il catodo e l'elettrodo di messa a fuoco, il cui scopo è controllare la corrente del raggio, che consente di estinguere il raggio durante lo sweep inverso ed evidenziarlo durante la corsa in avanti. Nelle lampade di amplificazione, questo elettrodo è chiamato griglia di controllo. Il modulatore, l'elettrodo di messa a fuoco e l'anodo hanno fori centrali attraverso i quali vola il fascio di elettroni.

Piatti deflettori Un CRT ha due coppie di piatti deflettori. Queste sono le piastre della deflessione verticale del raggio 6 - la piastra Y, a cui viene fornito il segnale in esame, e le piastre della deflessione orizzontale 7 - la piastra X e la tensione di scansione orizzontale viene applicata su di esse. Se le piastre di deflessione non sono collegate da nessuna parte, un punto luminoso dovrebbe apparire al centro dello schermo CRT. Nella figura, questo è il punto O2. Naturalmente, la tensione di alimentazione deve essere applicata al tubo.

È qui che dovrebbe essere sottolineato un punto importante. Quando il punto si ferma, senza muoversi da nessuna parte, può semplicemente bruciare il fosforo e un punto nero rimarrà per sempre sullo schermo CRT. Ciò può accadere durante il processo di riparazione dell'oscilloscopio o con l'autoproduzione di un semplice dispositivo amatoriale.Pertanto, in questa modalità, dovresti ridurre al minimo la luminosità e sfocare il raggio: puoi ancora vedere se c'è un raggio o se è assente.

Quando viene applicata una certa tensione alle piastre di deflessione, il raggio si discosterà dal centro dello schermo. Nella Figura 3, il raggio si sposta verso il punto O3. Se la tensione cambia, il raggio traccerà una linea retta sullo schermo. È questo fenomeno che viene utilizzato per creare sullo schermo l'immagine del segnale studiato. Per ottenere un'immagine bidimensionale sullo schermo, è necessario applicare due segnali: il segnale di prova - applicato alle piastre Y e la tensione di scansione - applicato alle piastre X. Possiamo dire che sullo schermo si ottiene un grafico con gli assi coordinati X e Y.

Scansione orizzontale

È la scansione orizzontale che forma l'asse X del grafico sullo schermo.

Figura 4. Tensione di scansione

Come si può vedere nella figura, la scansione orizzontale viene eseguita dalla tensione a dente di sega, che può essere divisa in due parti: avanti e indietro (Fig. 4a). Durante la corsa in avanti, il raggio si sposta uniformemente sullo schermo da sinistra a destra, e al raggiungimento del bordo destro ritorna rapidamente. Questo si chiama corsa inversa. Durante la corsa in avanti, viene generato un impulso di retroilluminazione, che viene inviato al modulatore del tubo e sullo schermo appare un punto luminoso, che traccia una linea orizzontale (Fig. 4b).

La tensione diretta, come mostrato in Figura 4, inizia da zero (un raggio al centro dello schermo) e cambia in una tensione di Umax. Pertanto, il raggio si sposterà dal centro dello schermo verso il bordo destro, ad es. solo metà dello schermo. Per avviare la scansione dal bordo sinistro dello schermo, il raggio viene spostato a sinistra applicando una tensione di polarizzazione. L'offset del raggio è controllato da una maniglia sul pannello anteriore.

Durante la corsa di ritorno, l'impulso di retroilluminazione termina e il raggio si spegne. La posizione relativa dell'impulso di retroilluminazione e la tensione di scansione del dente di sega sono visibili nello schema funzionale dell'oscilloscopio mostrato nella Figura 5. Nonostante la varietà di schemi circuitali dell'oscilloscopio, i loro circuiti funzionali sono approssimativamente gli stessi, simili a quelli mostrati nella figura.

Figura 5. Schema funzionale dell'oscilloscopio

Sensibilità CRT

È determinato dal coefficiente di deviazione, che mostra quanti millimetri il fascio devia quando viene applicata una tensione costante di 1 V alle piastre. Per vari CRT, questo valore è compreso nell'intervallo 0,15 ... 2 mm / V. Si scopre che applicando una tensione di 1 V alle piastre deflettrici, il raggio può muovere il raggio di soli 2 mm, e questo è nel migliore dei casi. Per deviare il raggio di un centimetro (10 mm), è necessaria una tensione di 10/2 = 5V. Con una sensibilità di 0,15 mm / V per lo stesso movimento, saranno necessari 10 / 0,15 = 66,666 V.

Pertanto, al fine di ottenere una notevole deviazione del raggio dal centro dello schermo, il segnale in esame viene amplificato da un amplificatore a canale verticale a diverse decine di volt. Il canale di amplificazione orizzontale, con il quale viene eseguita una scansione, ha la stessa tensione di uscita.

La maggior parte degli oscilloscopi universali ha una sensibilità massima di 5mV / cm. Quando si utilizza un CRT di tipo 8LO6I con una tensione di ingresso di 5 mV, le piastre deflettrici richiedono una tensione di 8,5 V per spostare il fascio di 1 cm. È facile calcolare che ciò richiederà un'amplificazione più di 1.500 volte.

Tale guadagno deve essere ottenuto nell'intera banda passante e maggiore è la frequenza, minore è il guadagno, che è inerente a qualsiasi amplificatore. La banda passante è caratterizzata da una frequenza superiore f up. A questa frequenza, il guadagno del canale di deflessione verticale diminuisce di 1,4 volte o di 3 dB. Per la maggior parte degli oscilloscopi universali, questa banda è 5 MHz.

E cosa accadrà se la frequenza del segnale di ingresso supera la frequenza superiore, ad esempio 8 ... 10 MHz? Riuscirà a vederlo sullo schermo? Sì, sarà visibile, ma l'ampiezza del segnale non può essere misurata. Puoi solo assicurarti che ci sia un segnale o meno. A volte tali informazioni sono abbastanza.

Deviazione verticale del canale. Divisore di input

Il segnale studiato viene inviato all'ingresso del canale della deviazione verticale attraverso il divisore di ingresso, mostrato in Figura 6. Spesso il divisore di ingresso viene chiamato attenuatore.

Figura 6. Il divisore di input della deviazione verticale del canale

Utilizzando il divisore di input, diventa possibile studiare il segnale di input da pochi millivolt a diverse decine di volt. Nel caso in cui il segnale di ingresso superi le capacità del divisore di ingresso, vengono utilizzate sonde di ingresso con un rapporto di divisione di 1:10 o 1:20. Quindi il limite di 5 V / div diventa 50 V / div o 100 V / div, il che consente di studiare segnali con tensioni significative.

Ingresso aperto e chiuso

Qui (Figura 6), puoi vedere l'interruttore B1, che rende possibile applicare un segnale attraverso un condensatore (ingresso chiuso) o direttamente all'ingresso del divisore (ingresso aperto). Quando si utilizza la modalità "input chiuso", è possibile studiare la componente variabile del segnale, ignorando la sua componente costante. Il semplice diagramma mostrato nella Figura 7. aiuterà a spiegare ciò che è stato detto: il diagramma è stato creato nel programma Multisim, in modo che tutto in queste cifre, sebbene virtualmente, sia abbastanza giusto.

Figura 7. Stadio dell'amplificatore su un singolo transistor

Un segnale di ingresso con un'ampiezza di 10 mV attraverso un condensatore C1 viene inviato alla base del transistor Q1. Selezionando la resistenza R2, la tensione sul collettore del transistor viene impostata pari alla metà della tensione di alimentazione (in questo caso 6 V), che consente al transistor di funzionare in modalità lineare (amplificando). L'output è monitorato da XSC1. La Figura 8 mostra il risultato della misurazione in modalità di ingresso aperto, sull'oscilloscopio viene premuto il pulsante DC (corrente continua).

Figura 8. Misure in modalità di ingresso aperta (canale A)

Qui puoi vedere (canale A) solo la tensione sul collettore del transistor, lo stesso 6V appena menzionato. Il raggio nel canale A "è decollato" a 6 V, ma la sinusoide amplificata sul collettore non è avvenuta. Semplicemente non può essere individuato con la sensibilità del canale 5V / Div. Canale Un raggio nella figura è mostrato in rosso.

Il segnale dal generatore viene applicato all'ingresso B, la figura è mostrata in blu. Questa è un'onda sinusoidale con un'ampiezza di 10 mV.

Figura 9. Misure in modalità input chiuso

Ora, premi il pulsante AC nel canale A - corrente alternata, questo è in realtà un ingresso chiuso. Qui puoi vedere il segnale amplificato - una sinusoide con un'ampiezza di 87 millivolt. Si scopre che la cascata su un transistor ha amplificato il segnale con un'ampiezza di 10 mV di 8,7 volte. I numeri nella finestra rettangolare sotto lo schermo mostrano le tensioni e i tempi nei punti degli indicatori T1, T2. Marcatori simili sono disponibili nei moderni oscilloscopi digitali. Questo è in realtà tutto ciò che si può dire su ingressi aperti e chiusi. E ora continuiamo la storia dell'amplificatore a deflessione verticale.

Pre amplificatore

Dopo il divisore di ingresso, il segnale in esame passa al pre-amplificatore e, passando attraverso la linea di ritardo, entra nell'amplificatore terminale del canale Y (Figura 5). Dopo l'amplificazione necessaria, il segnale entra nelle piastre di deflessione verticale.

Il preamplificatore suddivide il segnale di ingresso in componenti parafase per fornirlo all'amplificatore terminale Y. Inoltre, il segnale di ingresso dal preamplificatore viene inviato al trigger di scansione, che fornisce un'immagine sincrona sullo schermo durante la scansione in avanti.

La linea di ritardo ritarda il segnale di ingresso rispetto all'inizio della tensione di scansione, il che rende possibile l'osservazione del bordo anteriore dell'impulso, come mostrato nella Figura 5 b). Alcuni oscilloscopi non hanno una linea di ritardo, che, in sostanza, non interferisce con lo studio dei segnali periodici.

Sweep channel

Il segnale di ingresso dal preamplificatore viene anche inviato all'ingresso dello shaper di impulso del trigger di scansione.L'impulso generato avvia il generatore di spazzata, che produce una tensione a dente di sega che aumenta gradualmente. La velocità di risposta e il periodo della tensione di scansione sono selezionati dall'interruttore Time / Div, che consente di studiare i segnali di ingresso in un ampio intervallo di frequenza.

Tale scansione è chiamata interna, ad es. l'attivazione viene dal segnale in esame. Tipicamente, gli oscilloscopi hanno un trigger "Interno / Esterno", per qualche motivo non mostrato nello schema funzionale in Figura 5. In modalità trigger esterno, il trigger può essere attivato non dal segnale in esame, ma da qualche altro segnale da cui dipende il segnale in esame.

Questo potrebbe essere, ad esempio, un impulso di trigger della linea di ritardo. Quindi, anche con un oscilloscopio a raggio singolo, è possibile misurare il rapporto temporale di due segnali. Ma è meglio farlo con un oscilloscopio a due raggi, se è, ovviamente, a portata di mano.

La durata della scansione dovrebbe essere selezionata in base alla frequenza (periodo) del segnale esaminato. Supponiamo che la frequenza del segnale sia 1KHz, cioè periodo del segnale 1ms. L'immagine di una sinusoide con un tempo di scansione di 1ms / div è mostrata in Figura 10.

Figura 10

Con un tempo di scansione di 1 ms / div, un periodo di onda sinusoidale di 1 KHz occupa esattamente una divisione della scala lungo l'asse Y. La scansione è sincronizzata dal raggio A lungo un bordo ascendente in termini di un livello del segnale di ingresso di 0 V. Pertanto, l'onda sinusoidale sullo schermo inizia con un semiciclo positivo.

Se la durata della scansione viene cambiata in 500 μs / div (0,5 ms / div), un periodo della sinusoide occuperà due divisioni sullo schermo, come mostrato nella Figura 11, che, ovviamente, è più conveniente per osservare il segnale.

Figura 11

Oltre alla stessa tensione a dente di sega, il generatore di spazzata genera anche un impulso di retroilluminazione, che viene alimentato al modulatore e "accende" il fascio di elettroni (Fig. 5 g). La durata dell'impulso di retroilluminazione è uguale alla durata del raggio anteriore. Durante la corsa di ritorno, non vi è alcun impulso di retroilluminazione e il raggio si spegne. Se non vi è alcuna soppressione del raggio, sullo schermo apparirà qualcosa di incomprensibile: la corsa inversa, e persino modulata dal segnale di ingresso, cancella semplicemente tutti i contenuti utili della forma d'onda.

Una tensione di scansione a dente di sega viene fornita all'amplificatore terminale del canale X, suddivisa in un segnale di parafase e alimentata alle piastre di deflessione orizzontale, come mostrato nella Figura 5 (e).

Ingresso esterno amplificatore X.

Non solo la tensione proveniente dal generatore di sweep, ma anche la tensione esterna può essere fornita all'amplificatore terminale X, il che consente di misurare la frequenza e la fase del segnale utilizzando le figure di Lissajous.

Figura 12. Figure di Lissajous

Ma l'interruttore di ingresso X non è mostrato nello schema funzionale in Figura 5, così come l'interruttore del tipo di operazioni di sweep, che è stato menzionato un po 'sopra.

Oltre ai canali X e Y, l'oscilloscopio, come qualsiasi dispositivo elettronico, ha un alimentatore. Gli oscilloscopi di piccole dimensioni, ad esempio C1-73, C1-101, possono funzionare con una batteria dell'auto. A proposito, per il loro tempo, questi oscilloscopi erano molto buoni e sono ancora utilizzati con successo.

Figura 13. Oscilloscopio C1-73

Figura 14. Oscilloscopio C1-101

L'aspetto degli oscilloscopi è mostrato nelle figure 13 e 14. Il più sorprendente è che sono ancora offerti di acquistarli nei negozi online. Ma il prezzo è tale che è più economico acquistare oscilloscopi digitali di piccole dimensioni su Aliexpress.

I dispositivi oscilloscopio aggiuntivi sono calibratori di ampiezza e sweep integrati. Questi sono, di regola, generatori di impulsi rettangolari abbastanza stabili, collegandoli all'ingresso dell'oscilloscopio, usando gli elementi di sintonia è possibile configurare gli amplificatori X e Y. A proposito, anche i calibratori moderni hanno tali calibratori.

Come utilizzare l'oscilloscopio, i metodi e i metodi di misurazione saranno discussi nel prossimo articolo.

Continuazione dell'articolo: Come usare l'oscilloscopio

Boris Aladyshkin

Comments

[#1]

Con un tempo di scansione di 1 ms / div, un periodo di onda sinusoidale da 1 KHz occupa esattamente una divisione della scala lungo l'asse Y. Sarà più corretto lungo l'asse "X"