Электронно-лучевые осциллографы - рабочие и эксплуатационные характеристики

В этом посте мы подробно обсудим, как работают катодно-лучевые осциллографы (CRO), и их внутреннюю конструкцию. Мы также узнаем, как использовать CRO, используя различные элементы управления, и разберемся в графическом представлении различных входных сигналов на экране дисплея осциллографа.

Важность электронно-лучевых осциллографов (CRO)

Мы знаем, что большинство электронных схем строго используют и работают с использованием электронных или цифровых сигналов, которые обычно формируются как частота. Эти сигналы играют важную роль в таких схемах в виде звуковой информации, компьютерных данных, телевизионных сигналов, генераторов и генераторов синхронизации (применяемых в радарах) и т. Д. Поэтому точное и правильное измерение этих параметров становится очень важным при тестировании и устранении неисправностей этих типов. схем

Широко доступные измерители, такие как цифровые мультиметры или аналоговые мультиметры, имеют ограниченные возможности и могут измерять только постоянное или переменное напряжение, ток или импеданс. Некоторые продвинутые измерители могут измерять сигналы переменного тока, но только если сигнал сильно уточнен и имеет форму определенных неискаженных синусоидальных сигналов. Следовательно, эти измерители не могут служить цели, когда дело доходит до анализа цепей, включающих форму волны и синхронизированные циклы.

В отличие от этого осциллограф - это устройство, которое разработано для точного приема и измерения формы волны, позволяя пользователю визуализировать форму импульса или форму волны практически.

CRO - один из тех осциллографов высокого класса, которые позволяют пользователю видеть визуальное представление применяемой формы сигнала.

В нем используется электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) для создания визуального отображения, соответствующего сигналу, подаваемому на вход в виде формы волны.

Электронный луч внутри ЭЛТ совершает отклоненные движения (развертки) по поверхности трубки (экрана) в ответ на входные сигналы, создавая визуальный след на экране, представляющий форму сигнала. Эти непрерывные кривые затем позволяют пользователю изучить форму волны и проверить ее характеристики.

Функция осциллографа для получения фактического изображения формы сигнала становится очень полезной по сравнению с цифровыми мультиметрами, которые могут предоставлять только числовые значения формы сигнала.

Как мы все знаем, электронно-лучевые осциллографы работают с электронными лучами для отображения различных показаний на экране осциллографа. Для отклонения или обработки луча по горизонтали операция, называемая напряжение развертки встроена, в то время как вертикальная обработка выполняется по измеряемому входному напряжению.

КАТОДНАЯ ТРУБКА - ТЕОРИЯ И ВНУТРЕННЕЕ ПОСТРОЕНИЕ

Внутри электронно-лучевого осциллографа (CRO) электронно-лучевая трубка (CRT) становится основным компонентом устройства. ЭЛТ становится ответственным за формирование изображения сложной формы волны на экране осциллографа.

ЭЛТ в основном состоит из четырех частей:

1. Электронная пушка для генерации электронного пучка.
2. Фокусирующие и ускоряющие компоненты для создания точного пучка электронов.
3. Горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины для управления углом электронного луча.
4. Корпус из вакуумированного стекла, покрытого фосфоресцентным экраном для создания необходимого видимого свечения в ответ на попадание электронного луча на его поверхность.

На следующем рисунке представлены основные детали конструкции ЭЛТ.

Теперь давайте разберемся, как ЭЛТ работает со своими основными функциями.

Как работает электронно-лучевой осциллограф (CRO)

Горячая нить накала внутри ЭЛТ используется для нагрева катодной (K) стороны трубки, состоящей из оксидного покрытия. Это приводит к мгновенному высвобождению электронов с поверхности катода.

Элемент, называемый управляющей сеткой (G), контролирует количество электронов, которые могут проходить дальше по длине трубки. Уровень напряжения, приложенного к сетке, определяет количество электронов, освобожденных от нагретого катода, и сколько из них может двигаться вперед к поверхности трубки.

Как только электроны преодолевают контрольную сетку, они проходят последующую фокусировку в острый луч и ускорение с высокой скоростью с помощью ускорения анода.

Этот сильно ускоренный электронный пучок на следующем этапе проходит между парой наборов отклоняющих пластин. Угол или ориентация первой пластины сохраняется таким образом, что она отклоняет электронный луч вертикально вверх или вниз. Это, в свою очередь, контролируется полярностью напряжения, приложенного к этим пластинам.

Также степень допустимого отклонения балки определяется величиной напряжения, приложенного к пластинам.

Этот управляемый отклоненный луч затем проходит через большее ускорение за счет чрезвычайно высоких напряжений, приложенных к трубке, что в конечном итоге приводит к попаданию луча на покрытие фосфоресцентного слоя на внутренней поверхности трубки.

Это мгновенно вызывает свечение люминофора в ответ на попадание электронного луча, генерирующего видимое свечение на экране для пользователя, работающего с прицелом.

ЭЛТ - это независимый полный блок, имеющий соответствующие клеммы, выступающие через заднее основание с определенными выводами.

На рынке доступны различные формы ЭЛТ различных размеров, с различными трубками с люминофорным покрытием и расположением отклоняющих электродов.

Давайте теперь немного подумаем о том, как использовать ЭЛТ в осциллографе.

Образцы формы волны, которые мы визуализируем для данного образца сигнала, выполняются следующим образом:

Поскольку напряжение развертки перемещает электронный луч горизонтально на внутренней поверхности экрана ЭЛТ, входной сигнал, который одновременно измеряется, заставляет луч отклоняться вертикально, создавая на графике экрана требуемый рисунок для нашего анализа.

Что такое одиночная развертка

Каждая развертка электронного луча на экране ЭЛТ сопровождается частичным «пустым» интервалом времени. Во время этой пустой фазы луч на короткое время выключается, пока не достигнет начальной точки или предыдущей крайней стороны экрана. Этот цикл каждой развертки называется 'один взмах луча'

Чтобы получить стабильное отображение формы волны на экране, электронный луч должен многократно «качаться» слева направо и наоборот, используя идентичное изображение для каждого сканирования.

Для этого становится необходимой операция, называемая синхронизацией, которая гарантирует, что луч возвращается и повторяет каждую развертку из одной и той же точки на экране.

При правильной синхронизации форма волны на экране выглядит стабильной и постоянной. Однако, если синхронизация не применяется, форма сигнала будет медленно дрейфовать по горизонтали от одного конца экрана к другому.

Основные компоненты CRO

Основные элементы CRO можно увидеть на рис. 22.2 ниже. Мы собираемся в первую очередь проанализировать рабочие детали CRO для этой базовой блок-схемы.

Для достижения значимого и узнаваемого отклонения луча, по крайней мере, на расстояние от сантиметра до нескольких сантиметров, типичный уровень напряжения, используемого на отклоняющих пластинах, должен быть минимум в десятки или даже сотни вольт.

В связи с тем, что импульсы, оцениваемые с помощью CRO, обычно имеют величину всего несколько вольт или самое большее несколько милливольт, необходимы подходящие схемы усилителя для повышения входного сигнала до оптимальных уровней напряжения, необходимых для работы лампы.

Фактически, используются усилительные каскады, которые помогают отклонять луч как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях.

Чтобы иметь возможность адаптировать уровень входного сигнала, который анализируется, каждый входной импульс должен пройти через каскад схемы аттенюатора, предназначенный для увеличения амплитуды дисплея.

РАБОТА С УДАЛЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ

Операция развертки напряжения реализуется следующим образом:

В ситуациях, когда вертикальный вход удерживается на уровне 0 В, предполагается, что электронный луч будет виден в вертикальном центре экрана. Если к горизонтальному входу одинаково приложено 0 В, луч располагается в центре экрана и выглядит как сплошной и канцелярский ТОЧКА в центре.

Теперь эту «точку» можно было перемещать в любом месте на экране, просто манипулируя горизонтальной и вертикальной кнопками управления осциллографа.

Положение точки также можно изменить с помощью определенного постоянного напряжения, подаваемого на вход осциллографа.

На следующем рисунке показано, как можно точно контролировать положение точки на экране ЭЛТ с помощью положительного горизонтального напряжения (направо) и отрицательного вертикального входного напряжения (вниз от центра).

Сигнал горизонтальной развертки

Для того, чтобы сигнал стал видимым на ЭЛТ-дисплее, необходимо обеспечить отклонение луча посредством горизонтальной развертки по экрану, чтобы любой соответствующий входной сигнал по вертикали позволял отразить изменение на экране.

На рисунке 22.4 ниже мы можем визуализировать прямую линию на дисплее, полученную в результате подачи положительного напряжения на вертикальный вход через линейный (пилообразный) сигнал развертки, подаваемый в горизонтальный канал.

Когда электронный луч удерживается на выбранном фиксированном расстоянии по вертикали, горизонтальное напряжение перемещается от отрицательного до нуля к положительному, в результате чего луч перемещается от левой стороны экрана к центру и к правой стороне экрана. экран. Это движение электронного луча создает прямую линию над центральной вертикальной точкой отсчета, отображающую соответствующее постоянное напряжение в виде линии звездного света.

Вместо того, чтобы производить одиночную развертку, напряжение развертки реализуется так, чтобы работать как непрерывная форма волны. По сути, это необходимо для того, чтобы на экране было постоянное отображение. Если использовать только один проход, он не продлится долго и мгновенно исчезнет.

Вот почему повторяющиеся развертки генерируются внутри ЭЛТ в секунду, что дает видимость непрерывной формы волны на экране из-за постоянного зрения.

Если мы уменьшим указанную выше скорость развертки в зависимости от шкалы времени, представленной на осциллографе, то на экране можно будет наблюдать реальное движущееся впечатление луча. Если на вертикальный вход подается только синусоидальный сигнал без горизонтальной развертки, мы увидим вертикальную прямую линию, как показано на рис. 22.5.

И если скорость этого синусоидального вертикального входа значительно уменьшится, мы сможем увидеть, как электронный луч движется вверх вниз по прямой линии.

Использование линейной пилообразной развертки для отображения вертикального ввода

Если вы хотите исследовать синусоидальный сигнал, вам нужно будет использовать сигнал развертки на горизонтальном канале. Это позволит сигналу, приложенному к вертикальному каналу, стать видимым на экране CRO.

Практический пример можно увидеть на рис. 22.6, на котором показана форма волны, генерируемая с использованием горизонтальной линейной развертки вместе с синусоидальным или синусоидальным входом через вертикальный канал.

Чтобы получить единый цикл на экране для применяемого входа, становится важной синхронизация входного сигнала и частот линейной развертки. Даже при небольшой разнице или неправильной синхронизации на дисплее может не отображаться движение.

Если частота развертки уменьшена, большее количество циклов входного синусоидального сигнала может быть отображено на экране CRO.

С другой стороны, если мы увеличим частоту развертки, на экране дисплея будет отображаться меньшее количество циклов вертикального синусоидального сигнала. Фактически это привело бы к генерации увеличенной части подаваемого входного сигнала на экране CRO.

Решенный практический пример:

На рисунке 22.7 мы можем видеть экран осциллографа, отображающий импульсный сигнал в ответ на импульсную форму волны, приложенную к вертикальному входу с горизонтальной разверткой.

Нумерация для каждой формы сигнала позволяет дисплею отслеживать изменения входного сигнала и напряжения развертки для каждого цикла.

СИНХРОНИЗАЦИЯ И ЗАПУСК

Настройки в электронно-лучевом осциллографе выполняются путем регулировки скорости с точки зрения частоты, для создания одного цикла импульса, большого количества циклов или части цикла формы волны, и эта функция становится одной из важнейших функций CRO. любой CRO.

На рис. 22.8 мы можем видеть экран CRO, отображающий реакцию на несколько циклов сигнала развертки.

Для каждого выполнения горизонтальной пилообразной развертки напряжения через линейный цикл развертки (имеющий предел от максимального отрицательного предела нуля до максимального положительного) заставляет электронный луч перемещаться горизонтально через область экрана CRO, начиная слева, к центру, а затем справа от экрана.

После этого пилообразное напряжение быстро возвращается к начальному пределу отрицательного напряжения, при этом электронный пучок перемещается в левую часть экрана. В течение этого периода времени, когда напряжение развертки претерпевает быстрое возвращение к отрицательному значению (обратный ход), электрон проходит через холостую фазу (в которой напряжение сетки препятствует удару электронов о поверхность трубки).

Для обеспечения возможности отображения на дисплее стабильного изображения сигнала для каждой развертки луча становится важным инициировать развертку с одной и той же точки в цикле входного сигнала.

На рис. 22.9 мы можем видеть, что довольно низкая частота развертки заставляет дисплей создавать видимость смещения луча влево.

При установке на высокую частоту развертки, как показано на рисунке 22.10, на экране появляется видимость смещения луча вправо.

Излишне говорить, что может быть очень трудно или практически невозможно отрегулировать частоту сигнала развертки, точно равную частоте входного сигнала для достижения устойчивой или постоянной развертки на экране.

Более реалистичное решение - дождаться возврата сигнала в начальную точку трассы в цикле. Этот тип запуска включает несколько полезных функций, которые мы обсудим в следующих параграфах.

Срабатывание

Стандартный подход к синхронизации использует небольшую часть входного сигнала для переключения генератора развертки, который заставляет сигнал развертки фиксироваться или синхронизироваться с входным сигналом, и этот процесс синхронизирует два сигнала вместе.

На Рис. 22.11 мы можем видеть блок-схему, иллюстрирующую извлечение части входного сигнала в одноканальный осциллограф.

Этот сигнал запуска извлекается из частоты сети переменного тока (50 или 60 Гц) для анализа любых внешних сигналов, которые могут быть связаны или связаны с сетью переменного тока, или может быть связанным сигналом, применяемым в качестве вертикального входа в CRO.

Когда селекторный переключатель находится в положении «ВНУТРЕННИЙ», позволяет использовать часть входного сигнала схемой триггерного генератора. Затем выходной сигнал генератора триггера используется для инициирования или запуска основной развертки CRO, которая остается видимой в течение периода, установленного регулятором time / cm осциллографа.

Инициализацию запуска в нескольких различных точках в сигнальном цикле можно визуализировать на рис. 22.12. Функционирование развертки триггера можно также проанализировать с помощью результирующих шаблонов формы сигналов.

Сигнал, который применяется в качестве входа, используется для генерации сигнала запуска для сигнала развертки. Как показано на рис. 22.13, развертка начинается с цикла входного сигнала и продолжается в течение периода, определенного настройкой управления длиной развертки. Затем операция CRO ожидает, пока входной сигнал не достигнет идентичной точки в своем цикле, прежде чем инициировать новую операцию развертки.

Вышеупомянутый объясненный метод запуска обеспечивает процесс синхронизации, в то время как количество циклов, которые можно просматривать на дисплее, определяется длиной сигнала развертки.

МУЛЬТИТРАСНАЯ ФУНКЦИЯ

Многие из усовершенствованных CRO облегчают одновременный просмотр более одной или нескольких кривых на экране дисплея, что позволяет пользователю легко сравнивать специальные или другие специфические характеристики нескольких сигналов.

Эта функция обычно реализуется с использованием нескольких лучей от нескольких электронных пушек, которые генерируют отдельный луч на экране CRO, однако иногда это также выполняется с помощью одного электронного луча.

Есть несколько методов, которые используются для создания нескольких трасс: ALTERNATE и CHOPPED. В альтернативном режиме два сигнала, поступающие на вход, поочередно подключаются к каскаду отклоняющей цепи через электронный переключатель. В этом режиме луч перемещается по экрану CRO независимо от количества отображаемых кривых. После этого электронный переключатель альтернативно выбирает второй сигнал и делает то же самое для этого сигнала.

Этот режим работы можно увидеть на рис. 22.14a.

На рис. 22.14b показан режим работы CHOPPED, в котором луч проходит повторяющееся переключение для выбора между двумя входными сигналами для каждого сигнала развертки луча. Это переключение или прерывание остается незаметным для относительно более низких частот сигнала и, по-видимому, отображается как две отдельные трассы на экране CRO.

Как измерить форму волны с помощью калиброванных шкал CRO

Вы могли заметить, что экран CRO-дисплея состоит из четко обозначенной калиброванной шкалы. Это предусмотрено для измерений амплитуд и временного фактора для рассматриваемой формы волны.

Отмеченные единицы отображаются в виде прямоугольников, разделенных по 4 сантиметра (см) по обе стороны от коробок. Каждый из этих ящиков дополнительно разделен на интервалы по 0,2 см.

Измерение амплитуд:

Вертикальную шкалу на экране обратного осмоса можно увидеть откалиброванной либо в вольтах / см (В / см), либо в милливольтах / см (мВ / см).

С помощью настроек кнопок управления осциллографом и маркировки, представленной на лицевой стороне дисплея, пользователь может измерять или анализировать размах амплитуды сигнала формы волны или, как правило, сигнала переменного тока.

Вот практический решенный пример для понимания того, как измеряется амплитуда на экране CRO:

Примечание. В этом заключается преимущество осциллографа перед мультиметрами, поскольку мультиметры предоставляют только среднеквадратичное значение сигнала переменного тока, в то время как осциллограф может предоставлять как значение среднеквадратичного значения, так и размах сигнала.

Измерение времени (периода) цикла переменного тока с помощью осциллографа

Горизонтальная шкала на экране осциллографа помогает нам определять время цикла ввода в секундах, миллисекундах (мс), микросекундах (мкс) или даже наносекундах (нс).

Интервал времени, затрачиваемый импульсом на завершение цикла от начала до конца, называется периодом импульса. Когда этот импульс имеет форму повторяющейся волны, его период называется одним периодом формы волны.

Вот практический решенный пример, показывающий, как определить период формы волны с помощью калибровки экрана CRO:

Измерение ширины импульса

Каждая форма волны состоит из максимальных и минимальных пиков напряжения, называемых высоким и низким состояниями импульса. Интервал времени, в течение которого импульс остается в своем HIGH или LOW состояниях, называется шириной импульса.

Для импульсов, чьи фронты нарастают и спадают очень резко (быстро), ширина таких импульсов измеряется от начала импульса, называемого передним фронтом, до конца импульса, называемого задним фронтом, это показано на рис. 22.19a.

Для импульсов, которые имеют довольно медленные или вялые циклы нарастания и спада (экспоненциальный тип), их длительность импульса измеряется на их 50% уровнях в циклах, как показано на рис. 22.19b.

Следующий решенный пример помогает лучше понять описанную выше процедуру:

ПОНИМАНИЕ ЗАДЕРЖКИ ИМПУЛЬСА

Промежуток времени между импульсами в импульсном цикле называется задержкой импульса. Пример задержки импульса можно увидеть на приведенном ниже рисунке 22.21, мы видим, что задержка здесь измеряется между средней точкой или уровнем 50% и начальной точкой импульса.

Рисунок 22.21

Практически решенный пример, показывающий, как измерить задержку импульса в CRO

Вывод:

Я попытался включить большинство основных деталей, касающихся работы осциллографа с катодными лучами (CRO), и попытался объяснить, как использовать это устройство для измерения различных частотных сигналов через его откалиброванный экран. Однако может быть еще много аспектов, которые я мог пропустить здесь, тем не менее, я буду время от времени проверять и обновлять дополнительную информацию, когда это возможно.

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