Oscilloscopi a raggi catodici - Dettagli operativi e operativi

Prova Il Nostro Strumento Per Eliminare I Problemi





In questo post discuteremo in modo elaborato come funzionano gli oscilloscopi a raggi catodici (CRO) e la loro costruzione interna. Impareremo anche come usare un CRO utilizzando i vari controlli e comprenderemo le rappresentazioni grafiche dei vari segnali di ingresso sullo schermo del display dell'oscilloscopio.

Importanza degli oscilloscopi a raggi catodici (CRO)

Sappiamo che la maggior parte dei circuiti elettronici coinvolge e lavora strettamente utilizzando la forma d'onda elettronica o la forma d'onda digitale, che normalmente sono prodotte come una frequenza. Questi segnali svolgono un ruolo importante in tali circuiti sotto forma di informazioni audio, dati del computer, segnali TV, oscillatori e generatori di temporizzazione (applicati nei radar) ecc. Pertanto, misurare questi parametri in modo accurato e corretto diventa molto cruciale durante il test e la risoluzione dei problemi di questi tipi di circuiti



I misuratori comunemente disponibili come multimetri digitali o multimetri analogici hanno servizi limitati e sono in grado di misurare solo tensioni, correnti o impedenze CC o CA. Alcuni misuratori avanzati sono in grado di misurare segnali CA ma solo se il segnale è altamente raffinato e sotto forma di segnali sinusoidali specifici non distorti. Quindi questi misuratori non riescono a servire allo scopo quando si tratta di analizzare circuiti che coinvolgono forme d'onda e cicli temporizzati.

Al contrario, un oscilloscopio è un dispositivo progettato per accettare e misurare con precisione la forma d'onda, consentendo all'utente di visualizzare praticamente la forma dell'impulso o della forma d'onda.



Il CRO è uno di quegli oscilloscopi di alta qualità che consente all'utente di vedere una rappresentazione visiva di una forma d'onda applicata in questione.

Utilizza un tubo a raggi catodici (CRT) per generare la visualizzazione visiva corrispondente al segnale applicato all'ingresso come forma d'onda.

Il fascio di elettroni all'interno del CRT passa attraverso movimenti deviati (sweep) attraverso la faccia del tubo (schermo) in risposta ai segnali di ingresso, creando una traccia visiva sullo schermo che rappresenta la forma della forma d'onda. Queste tracce continue consentono quindi all'utente di esaminare la forma d'onda e testarne le caratteristiche.

La caratteristica di un oscilloscopio di produrre l'immagine reale della forma d'onda diventa molto utile rispetto ai multimetri digitali che sono in grado di fornire solo valori numerici della forma d'onda.

Come tutti sappiamo, gli oscilloscopi a raggi catodici funzionano con fasci di elettroni per indicare le varie letture sullo schermo dell'oscilloscopio. Per deviare o elaborare il raggio orizzontalmente un'operazione chiamata sweep-tensione è incorporato, mentre l'elaborazione verticale è effettuata dalla tensione di ingresso che si sta misurando.

CATHODE RAY TUBE - TEORIA E COSTRUZIONE INTERNA

All'interno di un oscilloscopio a raggi catodici (CRO), il tubo a raggi catodici (CRT) diventa il componente principale del dispositivo. Il CRT diventa responsabile della generazione della complessa immagine della forma d'onda sullo schermo dell'oscilloscopio.

Il CRT si compone fondamentalmente di quattro parti:

1. Un cannone elettronico per generare il fascio di elettroni.
2. Messa a fuoco e accelerazione dei componenti per creare un fascio di elettroni accurato.
3. Piatti deflettori orizzontali e verticali per manipolare l'angolo del fascio di elettroni.
4. Un involucro di vetro sottovuoto rivestito con uno schermo fosforescente per creare il bagliore visibile richiesto in risposta al colpo del fascio di elettroni sulla sua superficie

La figura seguente presenta i dettagli di costruzione di base di un CRT

Parti CRT

Ora capiamo come funziona il CRT con le sue funzioni di base.

Come funziona l'oscilloscopio a raggi catodici (CRO)

Un filamento caldo all'interno del CRT viene utilizzato per riscaldare il lato catodico (K) del tubo costituito da un rivestimento di ossido. Ciò si traduce in un rilascio istantaneo di elettroni dalla superficie del catodo.

Un elemento chiamato griglia di controllo (G) controlla la quantità di elettroni che possono passare più lontano attraverso la lunghezza del tubo. Il livello di tensione applicato sulla griglia determina la quantità di elettroni che vengono liberati dal catodo riscaldato e quanti di loro possono spostarsi in avanti verso la faccia del tubo.

Una volta che gli elettroni superano la griglia di controllo, passano attraverso la successiva messa a fuoco in un raggio nitido e un'accelerazione ad alta velocità con l'aiuto dell'accelerazione anodica.

Questo fascio di elettroni altamente accelerato nella fase successiva viene passato tra un paio di serie di piastre di deflessione. L'angolo o l'orientamento della prima piastra è mantenuto in modo tale da deviare il fascio di elettroni verticalmente verso l'alto o verso il basso. Questo a sua volta è controllato dalla polarità della tensione applicata su queste piastre.

Anche di quanto è consentita la deflessione sul raggio è determinato dalla quantità di tensione applicata alle piastre.

Questo raggio deviato controllato passa quindi attraverso una maggiore accelerazione attraverso tensioni estremamente elevate applicate sul tubo, che alla fine fa sì che il raggio colpisca il rivestimento dello strato fosforescente della superficie interna del tubo.

Ciò fa sì che il fosforo si illumini istantaneamente in risposta al colpo del fascio di elettroni che genera il bagliore visibile sullo schermo per l'utente che maneggia l'oscilloscopio.

Il CRT è un'unità completa indipendente avente terminali appropriati sporgenti attraverso una base posteriore in piedinature specifiche.

Diverse forme di CRT sono disponibili sul mercato in molte dimensioni diverse, con distinti tubi rivestiti di fosforo e posizionamento degli elettrodi di deflessione.

Diamo ora qualche pensiero al modo in cui il CRT viene impiegato in un oscilloscopio.

I modelli di forma d'onda che visualizziamo per un dato segnale campione vengono eseguiti in questo modo:

Quando la tensione di sweep sposta il fascio di elettroni orizzontalmente sulla faccia interna dello schermo CRT, il segnale di ingresso che viene misurato simultaneamente forza il raggio a deviare verticalmente, generando il modello richiesto sul grafico a schermo per la nostra analisi.

Cos'è un Single Sweep

Ogni scansione del fascio di elettroni sullo schermo CRT è seguita da un intervallo di tempo 'vuoto' frazionario. Durante questa fase di bianco il raggio viene brevemente spento fino a raggiungere il punto iniziale o il precedente lato estremo dello schermo. Viene chiamato questo ciclo di ogni scansione 'un colpo di raggio'

Per ottenere una visualizzazione stabile della forma d'onda sullo schermo, si suppone che il fascio di elettroni venga 'spazzato' ripetutamente da sinistra a destra e viceversa utilizzando un'immagine identica per ogni scansione.

Per ottenere ciò, diventa necessaria un'operazione chiamata sincronizzazione, che garantisce che il raggio ritorni e ripeta ogni scansione esattamente dallo stesso punto sullo schermo.

Se correttamente sincronizzato, il pattern della forma d'onda sullo schermo appare stabile e costante. Tuttavia, se la sincronizzazione non viene applicata, la forma d'onda sembra spostarsi lentamente orizzontalmente da un'estremità dello schermo verso l'altra estremità continuamente.

Componenti CRO di base

Gli elementi essenziali di una CRO possono essere visti nella Fig. 22.2 di seguito. Analizzeremo principalmente i dettagli operativi del CRO per questo diagramma a blocchi di base.

Per ottenere una deflessione significativa e riconoscibile del raggio da almeno un centimetro ad alcuni centimetri, il livello tipico di tensione utilizzato sulle piastre di deflessione deve essere minimo di decine o addirittura centinaia di volt.

A causa del fatto che gli impulsi valutati attraverso un CRO di solito a pochi volt di grandezza, o al massimo a diversi millivolt, diventano necessari circuiti amplificatori adatti per aumentare il segnale di ingresso fino ai livelli di tensione ottimali necessari per far funzionare il tubo.

Vengono infatti impiegati stadi amplificatori che aiutano a deviare il fascio sia sul piano orizzontale che su quello verticale.

Per poter adattare il livello del segnale in ingresso che si sta analizzando, ogni impulso in ingresso deve passare attraverso uno stadio circuitale attenuatore, progettato per esaltare l'ampiezza del display.

Componenti CRO di base

FUNZIONAMENTO DI SPAZZATURA DI TENSIONE

L'operazione di scansione della tensione viene implementata nel modo seguente:

In situazioni in cui l'ingresso verticale è mantenuto a 0V, il fascio di elettroni dovrebbe essere visto al centro verticale dello schermo. Se uno 0V viene applicato in modo identico all'ingresso orizzontale, il raggio viene posizionato al centro dello schermo apparendo come un solido e PUNTO al centro.

Ora, questo 'punto' può essere spostato ovunque sulla faccia dello schermo, semplicemente manipolando i pulsanti di controllo orizzontale e verticale dell'oscilloscopio.

La posizione del punto può essere modificata anche attraverso una specifica tensione continua introdotta all'ingresso dell'oscilloscopio.

La figura seguente mostra come esattamente la posizione del punto potrebbe essere controllata su uno schermo CRT attraverso una tensione orizzontale positiva (verso destra) e una tensione di ingresso verticale negativa (verso il basso dal centro).

controllo del punto in CRO

Segnale di scansione orizzontale

Affinché un segnale diventi visibile sul display CRT, diventa imperativo abilitare una deflessione del raggio attraverso una scansione orizzontale attraverso lo schermo, in modo tale che qualsiasi ingresso di segnale verticale corrispondente consenta di riflettere il cambiamento sullo schermo.

Dalla Fig 22.4 sottostante possiamo visualizzare la linea retta sul display ottenuta grazie ad una tensione positiva alimentata all'ingresso verticale tramite un segnale di sweep lineare (a dente di sega) applicato al canale orizzontale.

Visualizzazione dell

Quando il fascio di elettroni viene mantenuto su una distanza verticale fissa selezionata, la tensione orizzontale è costretta a viaggiare da negativo a zero a positivo, facendo sì che il fascio viaggi dal lato sinistro dello schermo, al centro e al lato destro del schermo. Questo movimento del fascio di elettroni genera una linea retta sopra il riferimento verticale centrale, che mostra una tensione cc appropriata sotto forma di una linea di luce stellare.

Invece di produrre una singola scansione, la tensione di scansione viene implementata per funzionare come una forma d'onda continua. Questo è essenzialmente per garantire che una visualizzazione coerente sia visibile sullo schermo. Se viene utilizzata una sola scansione, non durerebbe e svanirebbe all'istante.

Ecco perché vengono generati sweep ripetuti al secondo all'interno del CRT che dà l'aspetto di una forma d'onda continua sullo schermo a causa della nostra persistenza della vista.

Se riduciamo la velocità di scansione di cui sopra a seconda della scala temporale fornita dall'oscilloscopio, la reale impressione in movimento del raggio potrebbe essere vista sullo schermo. Se solo un segnale sinusoidale viene applicato all'ingresso verticale senza la presenza dello sweep orizzontale, vedremmo una linea retta verticale come mostrato in Fig 22.5.

Visualizzazione dell

E se la velocità di questo ingresso verticale sinusoidale è sufficientemente ridotta ci consente di vedere il fascio di elettroni che viaggia su e giù lungo il percorso di una linea retta.

Utilizzo dello sweep a dente di sega lineare per visualizzare l'input verticale

Se sei interessato a esaminare un segnale sinusoidale, dovrai utilizzare un segnale di scansione sul canale orizzontale. Ciò consentirà al segnale applicato sul canale verticale di diventare visibile sullo schermo del CRO.

Un esempio pratico può essere visto nella Fig. 22.6 che mostra una forma d'onda generata utilizzando uno sweep lineare orizzontale insieme a un ingresso sinusoidale o sinusoidale attraverso il canale verticale.

forma d

Per ottenere un singolo ciclo sullo schermo per l'ingresso applicato, diventa essenziale una sincronizzazione del segnale di ingresso e delle frequenze di scansione lineare. Anche con una differenza minuscola o una sincronizzazione errata, il display potrebbe non mostrare alcun movimento.

Se la frequenza di scansione viene ridotta, un numero maggiore di cicli del segnale di ingresso sinusoidale potrebbe essere reso visibile sulla schermata CRO.

D'altra parte, se aumentiamo la frequenza dello sweep, sullo schermo del display sarà visibile un numero inferiore di cicli del segnale sinusoidale in ingresso verticale. Ciò comporterebbe infatti la generazione di una porzione ingrandita del segnale di ingresso applicato sullo schermo CRO.

Esempio pratico risolto:

problema di esempio risolto CRO

Nella Fig. 22.7 possiamo vedere lo schermo dell'oscilloscopio che mostra un segnale pulsato in risposta a una forma d'onda simile a un impulso applicata all'ingresso verticale con uno sweep orizzontale

La numerazione per ciascuna forma d'onda consente al display di seguire le variazioni del segnale di ingresso e la tensione di sweep per ogni ciclo.

SINCRONIZZAZIONE E TRIGGER

Le regolazioni nell'oscilloscopio a raggi catodici vengono eseguite regolando la velocità in termini di frequenza, per produrre un singolo ciclo di un impulso, molti numeri di cicli o una parte di un ciclo di forma d'onda, e questa caratteristica diventa una delle CRO è una caratteristica cruciale di qualsiasi CRO.

Nella Fig. 22.8 possiamo vedere la schermata CRO che visualizza una risposta per un numero limitato di cicli del segnale di scansione.

Per ogni esecuzione della tensione di scansione a dente di sega orizzontale tramite un ciclo di scansione lineare (avente un limite dal limite massimo negativo di zero al massimo positivo), il fascio di elettroni si sposta orizzontalmente attraverso l'area dello schermo CRO, a partire da sinistra, al centro, e poi a destra dello schermo.

Dopodiché, la tensione a dente di sega torna rapidamente al limite di tensione negativa iniziale con il fascio di elettroni che si sposta corrispondentemente sul lato sinistro dello schermo. Durante questo periodo di tempo in cui la tensione di sweep subisce un rapido ritorno al negativo (ritraccia), l'elettrone passa attraverso una fase vuota (in cui la tensione della griglia impedisce agli elettroni di colpire la faccia del tubo)

Per consentire al display di produrre un'immagine del segnale stabile per ogni scansione del raggio, diventa essenziale iniziare la scansione dallo stesso punto nel ciclo del segnale di ingresso.

Nella Fig. 22.9 possiamo vedere che una frequenza di scansione piuttosto bassa fa sì che il display produca l'apparenza di una deriva sul lato sinistro del raggio.

Quando è impostato su una frequenza di scansione elevata, come mostrato nella Figura 22.10, il display produce l'apparenza di una deriva sul lato destro del raggio sullo schermo.

Inutile dire che può essere molto difficile o impraticabile regolare la frequenza del segnale di scansione esattamente uguale alla frequenza del segnale di ingresso per ottenere una scansione costante o costante sullo schermo.

Una soluzione più fattibile è aspettare che il segnale ritorni al punto di partenza della traccia in un ciclo. Questo tipo di attivazione include alcune buone caratteristiche di cui parleremo nei paragrafi seguenti.

Trigger

L'approccio standard per la sincronizzazione impiega una piccola porzione del segnale di ingresso per commutare il generatore di sweep, che forza il segnale di sweep ad agganciarsi o agganciarsi con il segnale di ingresso, e questo processo sincronizza i due segnali insieme.

In Fig 22.11 possiamo vedere lo schema a blocchi che illustra l'estrazione di una porzione del segnale in ingresso in a oscilloscopio a canale singolo.

Questo segnale di trigger viene estratto dalla frequenza di linea AC di rete (50 o 60Hz) per analizzare eventuali segnali esterni che possono essere associati o interessati alla rete AC, o può essere un segnale correlato applicato come ingresso verticale nel CRO.

il segnale di trigger viene estratto dalla frequenza della linea AC di rete (50 o 60Hz) per analizzare eventuali segnali esterni

Quando il selettore viene spostato verso 'INTERNO', una parte del segnale di ingresso può essere utilizzata dal circuito generatore di trigger. Quindi, l'uscita del generatore di trigger di uscita viene utilizzata per avviare o avviare lo sweep principale del CRO, che rimane visibile per un periodo impostato dal controllo tempo / cm dell'oscilloscopio.

L'inizializzazione del trigger in diversi punti attraverso un ciclo di segnale può essere visualizzata in Fig. 22.12. Il funzionamento della scansione del trigger potrebbe anche essere analizzato attraverso i modelli di forma d'onda risultanti.

Il segnale che viene applicato come ingresso viene utilizzato per generare una forma d'onda di trigger per il segnale di scansione. Come mostrato nella Figura 22.13, la scansione viene avviata con il ciclo del segnale di ingresso e si mantiene per un periodo deciso dall'impostazione del controllo della lunghezza della scansione. Successivamente, l'operazione CRO attende fino a quando il segnale di ingresso raggiunge un punto identico nel suo ciclo prima di iniziare una nuova operazione di scansione.

Il metodo di attivazione sopra spiegato abilita il processo di sincronizzazione, mentre il numero di cicli che possono essere visualizzati sul display è determinato dalla lunghezza del segnale di scansione.

FUNZIONE MULTITRACE

Molte delle CRO avanzate facilitano la visualizzazione simultanea di più di una o più tracce sullo schermo del display, il che consente all'utente di confrontare facilmente le caratteristiche speciali o altre specifiche di più forme d'onda.

Questa funzione viene normalmente implementata utilizzando più fasci da più cannoni elettronici, che generano un fascio individuale sullo schermo CRO, tuttavia a volte questo viene eseguito anche attraverso un singolo fascio di elettroni.

Ci sono un paio di tecniche che vengono impiegate per generare più tracce: ALTERNATE e CHOPPED. Nella modalità alternata i due segnali disponibili in ingresso, sono alternativamente collegati allo stadio del circuito di deflessione tramite un interruttore elettronico. In questa modalità il raggio viene spostato sullo schermo CRO indipendentemente dal numero di tracce da visualizzare. Dopo questo, l'interruttore elettronico seleziona alternativamente il secondo segnale e fa lo stesso anche per questo segnale.

Questa modalità di funzionamento può essere osservata nella Fig. 22.14a.

La Fig. 22.14b mostra la modalità di funzionamento CHOPPED in cui il raggio passa attraverso una commutazione ripetitiva per la selezione tra i due segnali di ingresso per ogni segnale di scansione del raggio. Questa azione di commutazione o taglio rimane non rilevabile per frequenze relativamente più basse del segnale ed è apparentemente vista come due tracce individuali sullo schermo CRO.

Come misurare la forma d'onda tramite scale CRO calibrate

Potreste aver visto che lo schermo del display CRO è costituito da una scala calibrata chiaramente contrassegnata. Questo è fornito per le misurazioni delle ampiezze e del fattore tempo per una forma d'onda applicata in questione.

Le unità contrassegnate sono visibili come scatole che sono divise per 4 centimetri (cm) su entrambi i lati delle scatole. Ciascuna di queste scatole è inoltre suddivisa in intervalli di 0,2 cm.

Misurazione delle ampiezze:

La scala verticale sullo schermo del RO può essere vista calibrata in volt / cm (V / cm) o millivolt / cm (mV / cm).

Con l'aiuto delle impostazioni dei pulsanti di controllo dell'oscilloscopio e dei contrassegni presentati sulla parte anteriore del display, l'utente è in grado di misurare o analizzare le ampiezze picco-picco di un segnale di forma d'onda o tipicamente un segnale CA.

Ecco un esempio pratico risolto per capire come viene misurata l'ampiezza sullo schermo del CRO:

misurazione dell

Nota: questo è il vantaggio di un oscilloscopio rispetto ai multimetri, poiché i multimetri forniscono solo il valore RMS del segnale CA, mentre un oscilloscopio è in grado di fornire sia il valore RMS che il valore picco-picco del segnale.

calcolare l

Misurazione del tempo (periodo) di un ciclo CA utilizzando l'oscilloscopio

La scala orizzontale fornita sullo schermo di un oscilloscopio ci aiuta a determinare la temporizzazione di un ciclo di input in secondi, in millisecondi (ms) e in microsecondi (μs) o anche in nanosecondi (ns).

L'intervallo di tempo impiegato da un impulso per completare un ciclo dall'inizio alla fine è chiamato periodo dell'impulso. Quando questo impulso ha la forma di una forma d'onda ripetitiva, il suo periodo è chiamato un ciclo della forma d'onda.

Ecco un esempio pratico risolto che mostra come determinare il periodo di una forma d'onda utilizzando la calibrazione dello schermo CRO:

periodo di misurazione della forma d

Misurazione della larghezza dell'impulso

Ogni forma d'onda è composta da picchi di tensione massimi e minimi chiamati stati alti e bassi dell'impulso. L'intervallo di tempo per il quale l'impulso rimane al suo stato ALTO o BASSO è chiamato larghezza dell'impulso.

Per gli impulsi i cui bordi aumentano e diminuiscono molto bruscamente (rapidamente), l'ampiezza di tali impulsi viene misurata dall'inizio dell'impulso chiamato fronte di salita fino alla fine dell'impulso chiamato fronte di discesa, come mostrato nella Fig. 22.19a.

Per gli impulsi che hanno cicli di salita e discesa piuttosto più lenti o lenti (tipo esponenziale), la loro ampiezza di impulso viene misurata attraverso i livelli del 50% nei cicli, come indicato nella Fig. 22.19b.

Oscilloscopio e altri strumenti di misura

Il seguente esempio risolto aiuta a comprendere meglio la procedura di cui sopra:

Determina l

COMPRENDERE IL RITARDO DELL'IMPULSO

L'intervallo di tempo tra gli impulsi in un ciclo di impulsi è chiamato ritardo dell'impulso. Un esempio di ritardo dell'impulso può essere visto nella figura 22.21 sotto riportata, possiamo vedere che il ritardo qui è misurato tra il punto medio o il livello del 50% e il punto di inizio dell'impulso.

misurazione del ritardo dell

Figura 22.21

Esempio pratico risolto che mostra come misurare il ritardo dell'impulso in CRO

calcolare il ritardo dell

Conclusione:

Ho cercato di includere la maggior parte dei dettagli di base riguardanti il ​​funzionamento dell'oscilloscopio a raggi catodici (CRO) e ho cercato di spiegare come utilizzare questo dispositivo per misurare vari segnali basati sulla frequenza attraverso il suo schermo calibrato. Tuttavia ci possono essere ancora molti altri aspetti che potrei aver perso qui, tuttavia continuerò a controllare di tanto in tanto e ad aggiornare più informazioni ogni volta che è possibile.

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




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