En aquest post analitzarem detalladament el funcionament dels oscil·loscopis de raigs catòdics (CRO) i la seva construcció interna. També aprendrem a utilitzar un CRO utilitzant els diversos controls i a entendre les representacions gràfiques dels diversos senyals d’entrada a la pantalla de l’objectiu.
Importància dels oscil·loscopis de raigs catòdics (CRO)
Sabem que la majoria dels circuits electrònics impliquen i funcionen estrictament amb forma d'ona electrònica o forma d'ona digital, que normalment es produeixen com a freqüència. Aquests senyals juguen un paper important en aquests circuits en forma d'informació d'àudio, dades de l'ordinador, senyals de TV, oscil·ladors i generadors de temporització (segons s'apliquen als radars), per tant, mesurar aquests paràmetres amb exactitud i correcció esdevé molt crucial en provar i resoldre problemes. de circuits
Els comptadors disponibles habitualment, com ara multímetres digitals o multímetres analògics, tenen instal·lacions limitades i només poden mesurar tensions, corrents o impedàncies de corrent continu o de corrent altern. Alguns comptadors avançats són capaços de mesurar senyals de corrent altern, però només si el senyal és molt refinat i en forma de senyals sinusoidals específics no distorsionats. Per tant, aquests comptadors no serveixen per a l’objectiu a l’hora d’analitzar circuits que impliquen formes d’ona i cicles temporitzats.
En canvi, un oscil·loscopi és un dispositiu dissenyat per acceptar i mesurar amb precisió la forma d’ona que permet a l’usuari visualitzar pràcticament la forma del pols o la forma d’ona.
El CRO és un d’aquests oscil·loscopis d’alt grau que permet a l’usuari veure una representació visual d’una forma d’ona aplicada en qüestió.
Utilitza un tub de raigs catòdics (CRT) per generar la visualització corresponent al senyal aplicat a l'entrada com a forma d'ona.
El feix d'electrons a l'interior del CRT passa per moviments desviats (escombrats) a través de la cara del tub (pantalla) en resposta als senyals d'entrada, creant una traça visual a la pantalla que representa la forma de la forma d'ona. Aquestes traces contínues permeten a l'usuari examinar la forma d'ona i provar-ne les característiques.
La característica d'un oscil·loscopi per produir la imatge real de la forma d'ona es fa molt útil en comparació amb els multímetres digitals que només són capaços de proporcionar valors numèrics de la forma d'ona.
Com tots sabem, els oscil·loscopis de raigs catòdics funcionen amb feixos d’electrons per indicar les diverses lectures a la pantalla de l’oscil·loscopi. Per desviar o processar el feix horitzontalment es fa una operació anomenada tensió d'escombratge s’incorpora, mentre que el processament vertical es realitza mitjançant la tensió d’entrada que es mesura.
TUB DE RAIG DE CÀTODE: TEORIA I CONSTRUCCIÓ INTERNA
Dins d’un oscil·loscopi de raigs catòdics (CRO), el tub de raigs catòdics (CRT) es converteix en el component principal del dispositiu. El CRT es fa responsable de generar les imatges de forma d'ona complexa a la pantalla de l'abast.
El CRT es compon bàsicament de quatre parts:
1. Una pistola d’electrons per generar el feix d’electrons.
2. Enfocament i acceleració de components per crear un feix precís d’electrons.
3. Plaques de desviació horitzontals i verticals per manipular l’angle del feix d’electrons.
4. Un recinte de vidre evacuat recobert de pantalla fosforescent per crear la resplendor visible requerida en resposta al cop del feix d'electrons a la seva superfície
La figura següent presenta els detalls bàsics de construcció d’un CRT
Ara entenem com funciona el CRT amb les seves funcions bàsiques.
Com funciona l’oscil·loscopi de raigs catòdics (CRO)
Un filament calent a l’interior del CRT s’utilitza per escalfar el costat del càtode (K) del tub que consisteix en un recobriment d’òxid. Això es tradueix en una alliberació instantània d’electrons de la superfície del càtode.
Un element anomenat quadrícula de control (G) controla la quantitat d’electrons que poden passar més lluny per la longitud del tub. El nivell de tensió aplicat a la xarxa determina la quantitat d’electrons alliberats del càtode escalfat i quants d’ells poden avançar cap a la cara del tub.
Una vegada que els electrons superen la xarxa de control, passen per l'enfocament posterior en un feix fort i una acceleració d'alta velocitat amb l'ajut de l'acceleració d'ànode.
Aquest feix d'electrons molt accelerat a la següent fase es passa entre un parell de conjunts de plaques de deflexió. L'angle o l'orientació de la primera placa es manté de manera que desvii el feix d'electrons verticalment cap amunt o cap avall. Això al seu torn està controlat per la polaritat de tensió aplicada a aquestes plaques.
També en quant es permet la deflexió de la biga es determina la quantitat de voltatge aplicat a les plaques.
Aquest feix desviat controlat passa després per més acceleració a través de tensions extremadament altes aplicades al tub, cosa que finalment provoca que el feix toqui el recobriment de la capa fosforescent de la superfície interior del tub.
Això provoca instantàniament que el fòsfor brille en resposta al cop del feix d'electrons que genera la resplendor visible a la pantalla per a l'usuari que manegi l'abast.
El CRT és una unitat completa independent que té els terminals adequats sobresortits a través d’una base posterior en pinouts específics.
Hi ha disponibles diferents formes de CRT al mercat en moltes dimensions diferents, amb diferents tubs recoberts de fòsfor i posicionament d’elèctrodes de deflexió.
Pensem ara en la manera com s’utilitza el CRT en un oscil·loscopi.
Els patrons de formes d'ona que visualitzem per a un senyal de mostra determinat s'executen d'aquesta manera:
A mesura que la tensió d’escombratge mou el feix d’electrons horitzontalment a la cara interna de la pantalla CRT, el senyal d’entrada que es mesura simultàniament obliga el feix a desviar-se verticalment, generant el patró requerit al gràfic de pantalla per a la nostra anàlisi.
Què és un escombrat individual?
Tot escombrat del feix d'electrons a la pantalla CRT se segueix amb un interval de temps fraccionat 'en blanc'. Durant aquesta fase en blanc, el feix es desconnecta breument fins que arriba al punt inicial o al costat extrem anterior de la pantalla. Es diu aquest cicle de cada escombrat 'un escombrat de la biga'
Per obtenir una visualització estable de la forma d'ona a la pantalla, se suposa que el feix d'electrons és 'escombrat' repetidament d'esquerra a dreta i viceversa mitjançant una imatge idèntica per a cada escombrat.
Per aconseguir-ho, es fa necessària una operació anomenada sincronització, que assegura que el feix retorna i repeteix cada escombrat des del mateix punt de la pantalla.
Quan es sincronitza correctament, el patró de forma d'ona a la pantalla apareix estable i constant. Tanmateix, si no s’aplica la sincronització, la forma d’ona sembla que es desplaça lentament horitzontalment des d’un extrem de la pantalla cap a l’altre extrem contínuament.
Components bàsics de CRO
Els elements essencials d’un CRO es poden veure a la figura 22.2 següent. Analitzarem principalment els detalls operatius del CRO per a aquest diagrama de blocs bàsic.
Per aconseguir una deflexió significativa i reconeixible del feix a través d'almenys un centímetre a alguns centímetres, el nivell típic de voltatge utilitzat a les plaques de deflexió ha de ser mínim a desenes o fins i tot a centenars de volts.
A causa del fet que els polsos avaluats a través d’un CRO solen tenir només uns pocs volts de magnitud, o com a màxim a diversos milivolts, es fan necessaris circuits d’amplificació adequats per augmentar el senyal d’entrada fins als nivells de tensió òptims necessaris per fer funcionar el tub.
De fet, s’utilitzen etapes amplificadores que ajuden a desviar el feix tant en el pla horitzontal com en el vertical.
Per poder adaptar el nivell de senyal d'entrada que s'està analitzant, cada pols d'entrada ha de passar per una etapa de circuit d'atenuador, dissenyada per millorar l'amplitud de la pantalla.
FUNCIONAMENT D'ESPENSA DE TENSIÓ
L’operació d’escombrat de tensió s’implementa de la manera següent:
En situacions en què l'entrada vertical es manté a 0V, se suposa que el feix d'electrons es veu al centre vertical de la pantalla. Si s’aplica un 0V de manera idèntica a l’entrada horitzontal, el feix es col·loca al centre de la pantalla i apareix com un material sòlid i de papereria. DOT al centre.
Ara, aquest 'punt' es podria moure a qualsevol lloc de la cara de la pantalla, simplement manipulant els botons de control horitzontal i vertical de l'oscil·loscopi.
La posició del punt també es pot canviar mitjançant una tensió de corrent continu específica introduïda a l'entrada de l'oscil·loscopi.
La següent figura mostra com es pot controlar exactament la posició del punt en una pantalla CRT mitjançant una tensió horitzontal positiva (cap a la dreta) i una tensió d’entrada vertical negativa (cap avall des del centre).
Senyal d’escombrat horitzontal
Perquè un senyal es faci visible a la pantalla CRT, és imprescindible habilitar una deflexió del feix a través d’un escombrat horitzontal a través de la pantalla, de manera que qualsevol entrada de senyal vertical corresponent permeti reflectir el canvi a la pantalla.
A partir de la figura 22.4 a continuació podem visualitzar la línia recta a la pantalla obtinguda a causa d’una alimentació de tensió positiva a l’entrada vertical a través d’un senyal d’escombrat lineal (de dents de serra) aplicat al canal horitzontal.
Quan el feix d’electrons es manté a una distància vertical fixa seleccionada, la tensió horitzontal es veu obligada a viatjar de negatiu a zero a positiu, fent que el feix es desplaci des del costat esquerre de la pantalla, cap al centre i cap al costat dret del pantalla. Aquest moviment del feix d'electrons genera una línia recta per sobre de la referència central central, mostrant una tensió de corrent adequada en forma de línia de llum estel·lar.
En lloc de produir un sol escombrat, el voltatge d’escombrat s’implementa per funcionar com una forma d’ona contínua. Això és essencialment per garantir una visualització coherent que sigui visible a la pantalla. Si només s’utilitza un sol escombrat, no duraria i s’esvairia instantàniament.
És per això que es generen escombrats repetits per segon a l’interior del CRT, que dóna una aparença de forma d’ona contínua a la pantalla a causa de la nostra persistència de la visió.
Si reduïm la velocitat d’escombrat anterior en funció de l’escala de temps proporcionada a l’oscil·loscopi, la impressió real del moviment del feix es podria veure a la pantalla. Si només s'aplica un senyal sinusoïdal a l'entrada vertical sense la presència de l'escombrat horitzontal, veuríem una línia recta vertical tal com es mostra a la figura 22.5.
I si la velocitat d’aquesta entrada vertical sinusoïdal es redueix prou, ens permet veure el feix d’electrons baixant pel camí d’una línia recta.
Utilitzant l’escombrat lineal de dents de serra per mostrar l’entrada vertical
Si esteu interessats en examinar un senyal d'ona sinusoïdal, haureu d'utilitzar un senyal d'escombrat al canal horitzontal. Això permetrà que el senyal aplicat al canal vertical es faci visible a la pantalla del CRO.
Un exemple pràctic es pot veure a la figura 22.6 que mostra una forma d'ona generada mitjançant l'ús d'un escombrat lineal horitzontal juntament amb una entrada sinusoïdal o sinusoïdal a través del canal vertical.
Per obtenir un cicle únic a la pantalla per a l'entrada aplicada, es fa imprescindible una sincronització del senyal d'entrada i de les freqüències d'escombrat lineal. Fins i tot amb una diferència de minuts o una sincronització incorrecta, la pantalla pot deixar de mostrar cap moviment.
Si es redueix la freqüència d’escombrat, es podria fer més nombre de cicles del senyal d’entrada sinusoïdal a la pantalla CRO.
D'altra banda, si augmentem la freqüència de l'escombrat, es permetria visualitzar a la pantalla un nombre inferior de cicles de senyal sinusoïdal d'entrada vertical. De fet, això resultaria en generar una porció augmentada del senyal d’entrada aplicat a la pantalla CRO.
Exemple pràctic resolt:
A la figura 22.7 podem veure la pantalla de l’oscil·loscopi que mostra un senyal pulsat en resposta a una forma d’ona de pols aplicada a l’entrada vertical amb un escombrat horitzontal
La numeració de cada forma d'ona permet que la pantalla segueixi les variacions del senyal d'entrada i la tensió d'escombrat de cada cicle.
Sincronització i activació
Els ajustos en l’oscil·loscopi de raigs catòdics s’executen ajustant la velocitat en termes de freqüència, per produir un cicle únic d’un impuls, molts cicles o una part d’un cicle de forma d’ona, i aquesta característica es converteix en una de les CRO. de qualsevol CRO.
A la figura 22.8 podem veure la pantalla CRO que mostra una resposta durant uns quants cicles del senyal d’escombrat.
Per a cada execució de la tensió d’escombrat horitzontal de les dents de serra mitjançant un cicle d’escombrat lineal (que té un límit del límit màxim negatiu de zero al màxim positiu), fa que el feix d’electrons viatgi horitzontalment a través de l’àrea de la pantalla CRO, començant per l’esquerra, cap al centre i després a la dreta de la pantalla.
Després d'això, la tensió de les dents de serra torna ràpidament al límit de tensió negativa inicial amb el feix d'electrons que es mou cap al costat esquerre de la pantalla. Durant aquest període de temps, quan la tensió d’escombratge experimenta un ràpid retorn al negatiu (retrocés), l’electró passa per una fase en blanc (en què la tensió de la xarxa inhibeix els electrons de colpejar la cara del tub)
Per permetre que la pantalla produeixi una imatge de senyal estable per a cada escombrat del feix, es fa imprescindible iniciar l'escombratge des del mateix punt del cicle del senyal d'entrada.
A la figura 22.9 podem veure que una freqüència d’escombrat força baixa fa que la pantalla produeixi l’aparició d’una deriva del feix a l’esquerra.
Quan es defineix a una freqüència d’escombratge elevada tal com es demostra a la figura 22.10, la pantalla produeix una aparença de deriva lateral del feix a la pantalla.
No cal dir que pot ser molt difícil o impracticable ajustar la freqüència del senyal d’escombrat exactament igual a la freqüència del senyal d’entrada per aconseguir un escombrat constant o constant a la pantalla.
Una solució més factible és esperar que el senyal torni al punt inicial de la traça en un cicle. Aquest tipus d'activació inclou algunes bones funcions que parlarem en els paràgrafs següents.
Desencadenant
L’enfocament estàndard per a la sincronització empra una petita porció del senyal d’entrada per canviar el generador d’escombrat, cosa que obliga el senyal d’escombratge a bloquejar-se o bloquejar-se amb el senyal d’entrada, i aquest procés sincronitza els dos senyals junts.
A la figura 22.11 podem veure el diagrama de blocs que il·lustra l'extracció d'una porció del senyal d'entrada en un oscil·loscopi monocanal.
Aquest senyal d’activació s’extreu de la freqüència de la línia de corrent altern (50 o 60 Hz) per analitzar qualsevol senyal extern que pugui estar associat o relacionat amb la xarxa de corrent altern, o pot ser un senyal relacionat aplicat com a entrada vertical al CRO.
Quan el commutador selector es commuta cap a 'INTERN' permet que una part del senyal d'entrada sigui utilitzada pel circuit generador de disparadors. A continuació, la sortida del generador de desencadenament de sortida s'utilitza per iniciar o iniciar l'escombrat principal del CRO, que roman visible durant un període segons el control temps / cm de l'abast.
La inicialització del disparador en diversos punts diferents d'un cicle de senyal es pot visualitzar a la figura 22.12. El funcionament de l'escombrat del disparador també es podria analitzar mitjançant els patrons de formes d'ona resultants.
El senyal que s'aplica com a entrada s'utilitza per generar una forma d'ona de desencadenament per al senyal d'escombrat. Com es mostra a la figura 22.13, l'escombrat s'inicia amb el cicle del senyal d'entrada i es manté durant un període decidit per la configuració del control de la longitud de l'escombrat. Posteriorment, l'operació CRO espera fins que el senyal d'entrada assoleixi un punt idèntic en el seu cicle abans d'iniciar una nova operació d'escombratge.
El mètode d’activació explicat anteriorment permet el procés de sincronització, mentre que el nombre de cicles que es poden visualitzar a la pantalla està determinat per la longitud del senyal d’escombrat.
FUNCIÓ MULTITRAÇA
Molts dels CRO avançats faciliten la visualització simultània de més d'un o de diversos rastres a la pantalla, cosa que permet a l'usuari comparar fàcilment les característiques especials o d'altres característiques específiques de diverses formes d'ona.
Aquesta característica normalment s'implementa utilitzant feixos múltiples de canons d'electrons múltiples, que generen feixos individuals a la pantalla CRO, però de vegades també s'executa a través d'un feix d'electrons únic.
Hi ha un parell de tècniques que s’utilitzen per generar traces múltiples: ALTERNAT i CHOPPED. En el mode alternatiu, els dos senyals disponibles a l'entrada es connecten alternativament a l'etapa del circuit de deflexió mitjançant un commutador electrònic. En aquest mode, el feix es desplaça per la pantalla CRO, independentment de les traces que es mostrin. Després d'això, el commutador electrònic tria alternativament el segon senyal i també fa el mateix per a aquest senyal.
Aquest mode de funcionament es pot veure a la figura 22.14a.
La figura 22.14b mostra el mode d’operació CHOPPED en què el feix passa per una commutació repetitiva per seleccionar entre els dos senyals d’entrada per a cada senyal d’escombratge del feix. Aquesta acció de commutació o retallada es manté indetectable per a freqüències relativament més baixes del senyal i, aparentment, es veu com dues traces individuals a la pantalla CRO.
Com mesurar la forma d'ona a través d'escales CRO calibrades
És possible que hagueu vist que la pantalla de la pantalla CRO consisteix en una escala calibrada clarament marcada. Això es proporciona per a les mesures d’amplituds i factor de temps per a una forma d’ona aplicada en qüestió.
Les unitats marcades són visibles com a quadres dividits en 4 centímetres (cm) a banda i banda dels quadres. Cadascuna d’aquestes caixes es divideix addicionalment en intervals de 0,2 cm.
Mesurant amplituds:
L'escala vertical a la pantalla del RO es pot veure calibrada en volts / cm (V / cm) o en milivolts / cm (mV / cm).
Amb l’ajut dels paràmetres dels botons de control de l’objectiu i de les marques presentades a la cara de la pantalla, l’usuari pot mesurar o analitzar les amplituds de pic a pic d’un senyal de forma d’ona o normalment d’un senyal de corrent altern.
Aquí teniu un exemple pràctic resolt per entendre com es mesura l'amplitud a la pantalla del CRO:
Nota: Aquest és l'avantatge d'un oscil·loscopi contra els multímetres, ja que els multímetres només proporcionen el valor RMS del senyal de corrent altern, mentre que un abast pot proporcionar tant el valor de RMS com el valor de pic a pic del senyal.
Mesura del temps (període) d’un cicle de corrent altern mitjançant un oscil·loscopi
L’escala horitzontal que apareix a la pantalla d’un oscil·loscopi ens ajuda a determinar el temps d’un cicle d’entrada en segons, en mil·lisegons (ms) i en microsegons (μs), o fins i tot en nanosegons (ns).
L'interval de temps consumit per un pols per completar un cicle de principi a fi s'anomena període del pols. Quan aquest pols té la forma d’una forma d’ona repetitiva, el seu període s’anomena un cicle de la forma d’ona.
Aquí teniu un exemple pràctic resolt que mostra com determinar el període d’una forma d’ona mitjançant el calibratge de la pantalla CRO:
Mesura de l'amplada del pols
Cada forma d'ona està formada per pics de tensió màxima i mínima anomenats estats alt i baix del pols. L'interval de temps durant el qual el pols es manté en els seus estats ALTA o BAIXA s'anomena amplada de pols.
Per a les pulsacions les vores de les quals augmenten i disminueixen molt (ràpidament), l’amplada d’aquestes polsades es mesura des de l’inici del pols anomenat vora anterior fins al final del pols anomenat vora final, això es mostra a la figura 22.19a.
Per a les pulsacions que tenen cicles de pujada i baixada bastant més lents o lents (tipus exponencial), l'amplada del pols es mesura a través dels seus nivells del 50% en els cicles, tal com s'indica a la figura 22.19b.
El següent exemple resolt ajuda a entendre millor el procediment anterior:
COMPRENSIÓ DEL RETARD DEL PULS
L'interval de temps entre els impulsos en un cicle de pols s'anomena retard de pols. Un exemple de retard de pols es pot veure a la següent figura 22.21, podem veure que el retard es mesura aquí entre el punt mig o el nivell del 50% i el punt d’inici del pols.
Figura 22.21
Exemple pràctic resolt que mostra com mesurar el retard de pols en CRO
Conclusió:
He intentat incloure la majoria dels detalls bàsics sobre el funcionament de l’osciloscopi de raigs catòdics (CRO) i he intentat explicar com utilitzar aquest dispositiu per mesurar diversos senyals basats en freqüències a través de la seva pantalla calibrada. Tanmateix, encara hi pot haver molts altres aspectes que potser hauria faltat aquí, tot i així aniré comprovant de tant en tant i actualitzant més informació sempre que sigui possible.
Referència: https://en.wikipedia.org/wiki/Oscilloscope
Anterior: Amplificador d’emissor comú: característiques, polarització, exemples resolts Següent: Què és la beta (β) als BJT?
