Principio di funzionamento dell'oscilloscopio analogico. Il principio di funzionamento di un oscilloscopio

28.12.2023

L'articolo descriverà in dettaglio come utilizzare un oscilloscopio, cos'è e per quali scopi è necessario. Nessun laboratorio può esistere senza apparecchiature di misurazione o fonti di segnali, tensioni e correnti. E se hai intenzione di progettare e creare vari dispositivi (soprattutto se parliamo di tecnologia ad alta frequenza, ad esempio alimentatori inverter), sarà problematico fare qualsiasi cosa senza un oscilloscopio.

Cos'è un oscilloscopio

Si tratta di un dispositivo che permette di “vedere” la tensione, o più precisamente, la sua forma in un certo periodo di tempo. Con il suo aiuto, puoi misurare molti parametri: tensione, frequenza, corrente, angoli di fase. Ma la cosa particolarmente positiva di questo dispositivo è che consente di valutare visivamente la forma del segnale. Dopotutto, nella maggior parte dei casi, è lei a parlare di cosa sta succedendo esattamente nel circuito in cui viene effettuata la misurazione.

In alcuni casi, ad esempio, la tensione può contenere non solo una componente costante, ma anche una componente alternata. E la forma della seconda potrebbe essere lontana da una sinusoide ideale. I voltmetri, ad esempio, percepiscono un segnale del genere con grandi errori. Gli strumenti puntatori daranno un valore, quelli digitali - molto meno e i voltmetri CC - molte volte di più. La misurazione più accurata può essere eseguita utilizzando il dispositivo descritto nell'articolo. E non importa se viene utilizzato l'oscilloscopio H3013 (come utilizzarlo verrà discusso di seguito) o un altro modello. Le misure sono le stesse.

Caratteristiche del dispositivo

Questo è abbastanza semplice da implementare: è necessario collegare un condensatore all'ingresso dell'amplificatore. In questo caso l'ingresso è chiuso. Si prega di notare che in questa modalità di misurazione i segnali a bassa frequenza con una frequenza inferiore a 5 Hz vengono attenuati. Pertanto, possono essere misurati solo in modalità di input aperto.

Quando l'interruttore è impostato sulla posizione centrale, l'amplificatore viene disconnesso dal connettore di ingresso e si verifica un cortocircuito nell'alloggiamento. Grazie a questo, è possibile installare una spazzata. Poiché è impossibile utilizzare l'oscilloscopio S1-49 e gli analoghi senza la conoscenza dei controlli di base, vale la pena parlarne in modo più dettagliato.

Ingresso del canale dell'oscilloscopio

Sul pannello frontale è presente una scala sul piano verticale: viene determinata utilizzando il regolatore di sensibilità del canale lungo il quale avviene la misurazione. È possibile modificare la scala non in modo fluido, ma graduale, utilizzando un interruttore. Quali valori possono essere impostati utilizzandolo, guarda il caso accanto ad esso. Sullo stesso asse di questo interruttore è presente un regolatore per una regolazione fluida (ecco come utilizzare l'oscilloscopio S1-73 e modelli simili).

Sul pannello frontale puoi trovare una maniglia con una freccia a doppia punta. Se lo ruoti, il grafico di questo canale inizierà a muoversi sul piano verticale (verso il basso e verso l'alto). Tieni presente che accanto a questa manopola è presente un grafico che mostra in che modo è necessario ruotarla per aumentare o diminuire il valore del moltiplicatore. entrambi i canali sono uguali. Inoltre, sul pannello frontale sono presenti le manopole per la regolazione del contrasto, della luminosità e della sincronizzazione. Vale la pena notare che l'oscilloscopio tascabile digitale (stiamo discutendo su come utilizzare il dispositivo) ha anche una serie di impostazioni per la visualizzazione dei grafici.

Come vengono effettuate le misurazioni?

Continuiamo a descrivere come utilizzare un oscilloscopio digitale o analogico. È importante notare che hanno tutti un difetto. Una caratteristica degna di nota è che tutte le misurazioni vengono eseguite visivamente, quindi esiste il rischio che l'errore sia elevato. Dovresti anche tenere conto del fatto che le tensioni di scansione hanno una linearità estremamente bassa, che porta ad uno spostamento di fase o di frequenza di circa il 5%. Per ridurre al minimo questi errori, è necessario soddisfare una semplice condizione: il grafico dovrebbe occupare circa il 90% dell'area dello schermo. Quando si misura la frequenza e la tensione (c'è un intervallo di tempo), i controlli di guadagno del segnale di ingresso e di regolazione della velocità di scansione devono essere impostati sulle posizioni all'estrema destra. Vale la pena notare una caratteristica: poiché anche un principiante può utilizzare un oscilloscopio digitale, i dispositivi con un tubo a raggi catodici hanno perso la loro rilevanza.

Come misurare la tensione

Per misurare la tensione è necessario utilizzare i valori di scala sul piano verticale. Per iniziare, devi eseguire uno di questi passaggi:

Collegare tra loro entrambi i terminali di ingresso dell'oscilloscopio.
Spostare l'interruttore della modalità di ingresso nella posizione che corrisponde al collegamento al filo comune. Quindi utilizzare il regolatore accanto al quale è presente una freccia bidirezionale per garantire che la linea di scansione coincida con la linea centrale (orizzontale) sullo schermo.

Passare il dispositivo alla modalità di misurazione e applicare il segnale all'ingresso che deve essere esaminato. In questo caso, il commutatore di modalità è impostato su qualsiasi posizione di lavoro. Ma come utilizzare un oscilloscopio digitale portatile? È un po’ più complicato: tali dispositivi hanno molte più regolazioni.

Di conseguenza, puoi vedere un grafico sullo schermo. Per misurare con precisione l'altezza, utilizzare una penna con una freccia a doppia punta orizzontale. Assicurati che il punto superiore del grafico cada su quello situato al centro. C'è una graduazione su di esso, quindi sarà molto più semplice calcolare la tensione effettiva nel circuito.

Come misurare la frequenza

Utilizzando un oscilloscopio è possibile misurare gli intervalli di tempo, in particolare il periodo del segnale. Comprendi che la frequenza di qualsiasi segnale è sempre proporzionale al periodo. Le misurazioni del periodo possono essere effettuate in qualsiasi area dell'oscillogramma. Ma è più conveniente e più preciso misurare nei punti in cui il grafico interseca l'asse orizzontale. Pertanto, prima di iniziare le misurazioni, assicurarsi di impostare la scansione esattamente su una linea orizzontale situata al centro. Poiché l'utilizzo di un oscilloscopio digitale portatile è molto più semplice rispetto all'utilizzo di uno analogico, quest'ultimo è caduto da tempo nell'oblio e viene utilizzato raramente per le misurazioni.

Successivamente, utilizzando la maniglia indicata dalla freccia a due punte orizzontale, è necessario spostare l'inizio del periodo con la riga più a sinistra sullo schermo. Dopo aver calcolato il periodo del segnale, puoi utilizzare una semplice formula per calcolare la frequenza. Per fare ciò, è necessario dividere l'unità per il periodo precedentemente calcolato. La precisione della misurazione varia. Per aumentarlo è necessario allungare il grafico orizzontalmente il più possibile.

Presta attenzione a una regolarità: all'aumentare del periodo, la frequenza diminuisce (la proporzione è inversa). E viceversa: man mano che il periodo diminuisce, la frequenza aumenta. Un margine di errore basso si verifica quando è inferiore all'1%. Ma non tutti gli oscilloscopi possono fornire una precisione così elevata. Solo con quelli digitali, in cui la scansione è lineare, è possibile ottenere misurazioni così precise.

Come viene determinato lo sfasamento?

E ora come utilizzare l'oscilloscopio S1-112A per misurare lo sfasamento. Ma prima, una definizione. Lo sfasamento è una caratteristica che mostra come due processi (oscillatori) si trovano l'uno rispetto all'altro in un periodo di tempo. Inoltre, la misurazione non avviene in secondi, ma in parti di un periodo. In altre parole, l'unità di misura sono le unità angolari. Se i segnali sono posizionati equamente l'uno rispetto all'altro, anche il loro sfasamento sarà lo stesso. Inoltre, ciò non dipende dalla frequenza e dal periodo: la scala effettiva dei grafici sull'asse orizzontale (tempo) può essere qualsiasi cosa.

La massima precisione della misurazione sarà se allunghi il grafico su tutta la lunghezza dello schermo. Negli oscilloscopi analogici, il grafico del segnale per ciascun canale avrà la stessa luminosità e colore. Per distinguere questi grafici l'uno dall'altro è necessario fare in modo che ciascuno abbia la propria ampiezza. Ed è importante rendere la tensione fornita al primo canale la più ampia possibile. Ciò renderà molto meglio mantenere sincronizzata l'immagine sullo schermo. Ecco come utilizzare l'oscilloscopio S1-112A. Altri dispositivi differiscono leggermente nel funzionamento.

Un oscilloscopio elettronico viene utilizzato per studiare processi periodici che variano rapidamente. Ad esempio, utilizzando un oscilloscopio è possibile misurare corrente e tensione ed esaminarne la variazione nel tempo. È possibile misurare e confrontare le frequenze e le ampiezze di diverse tensioni alternate. Inoltre, un oscilloscopio, quando si utilizzano convertitori appropriati, consente di studiare processi non elettrici, ad esempio, per misurare brevi periodi di tempo, periodi di oscillazione, ecc. I vantaggi di un oscilloscopio a fascio di elettroni sono la sua elevata sensibilità e inerzia. azione libera, che permette di studiare processi la cui durata è dell’ordine di 10 –6  10 –8 s.

L'elemento principale di un oscilloscopio elettronico è tubo a raggi catodici(CRT). La struttura schematica di tale tubo è mostrata in riso. 3. Un tubo a raggi catodici è costituito da una serie di elettrodi metallici posti in un contenitore di vetro. L'aria viene pompata fuori dal palloncino ad una pressione di circa 10–6 mmHg. Arte. Un sottile strato di fluorescente viene applicato sulla parte anteriore del palloncino. Sotto l'influenza di un fascio di elettroni, lo schermo fluorescente (8) inizia a brillare.

Consideriamo gli elettrodi di un tubo a raggi catodici nell'ordine in cui compaiono. Il filamento (1), attraverso il quale scorre la corrente alternata, riscalda il catodo (2). Gli elettroni volano fuori dal catodo a causa dell'emissione termoionica.

Emissione termoionica- Questo è il fenomeno dell'emissione di elettroni da parte di corpi riscaldati.

Dietro il catodo si trova un elettrodo di controllo (3) a forma di griglia o cilindro con fori. Il suo funzionamento è simile al funzionamento della griglia di controllo in un tubo elettronico. Quando il potenziale dell'elettrodo di controllo cambia rispetto al catodo, l'intensità del flusso di elettroni cambia, modificando così la luminosità del punto luminoso sullo schermo del tubo.

Il primo e il secondo anodo (4 e 5), sotto forma di cilindri con diaframmi, forniscono la velocità necessaria di movimento degli elettroni e creano un campo elettrico di una certa configurazione, focalizzando il flusso di elettroni in un raggio stretto (fascio).

Il fascio di elettroni focalizzato passa quindi tra due coppie di piastre di deflessione reciprocamente perpendicolari. A potenziali diversi su una delle coppie di piastre di deflessione, il raggio viene deviato verso la piastra con un potenziale maggiore. La deflessione del raggio è proporzionale alla tensione applicata. Le piastre verticali (7) forniscono il movimento orizzontale del fascio di elettroni attraverso lo schermo, mentre le piastre orizzontali (6) forniscono il movimento verticale del fascio.

1 - filamento, 2 - catodo, 3 - elettrodo di controllo, 4 - primo anodo, 5 - secondo anodo, 6 - piastre di deflessione verticale, 7 - piastre di deflessione orizzontale, 8 - schermo fluorescente

Lo schema a blocchi dell'oscilloscopio è mostrato in riso. 4. L'oscilloscopio è costituito da un tubo a raggi catodici (CRT), un generatore di tensione di scansione e due amplificatori. Uno degli amplificatori, progettato per amplificare la tensione in esame, è solitamente chiamato amplificatore verticale, poiché la tensione da esso viene fornita alle piastre orizzontali del tubo catodico, che assicuravano la deflessione verticale del raggio lungo lo schermo. La tensione dal secondo amplificatore viene fornita alle piastre verticali che assicurano il movimento orizzontale del raggio. Questo amplificatore è chiamato orizzontale. La tensione del generatore di scansione viene fornita alle piastre tramite un amplificatore orizzontale.

Per studiare la natura dei cambiamenti nei segnali elettrici nel tempo, è stato utilizzato un dispositivo appositamente integrato nell'oscilloscopio, chiamato generatore di scansioni. Questo generatore produce una tensione a dente di sega ( riso.4), che nel tempo
aumenta linearmente da zero al valore massimo
, e poi in brevissimo tempo
scende a zero. La frequenza della rampa di tensione può essere modificata utilizzando la manopola " frequenza di scansione". Una tensione a dente di sega viene solitamente applicata alle piastre verticali. In questo caso, il raggio si devia orizzontalmente in modo proporzionale al valore della tensione a dente di sega in un dato momento. Poiché questa tensione aumenta linearmente con il tempo, il raggio si muove orizzontalmente in modo uniforme, che corrisponde allo scorrere del tempo e, quindi, lo spostamento orizzontale del raggio è proporzionale al tempo, quindi quando il generatore di scansione è acceso, l'orizzontale viene considerato l'asse del tempo.

Alle basse frequenze di scansione è possibile notare il progressivo movimento uniforme del punto in senso orizzontale. Se la frequenza di scansione è elevata, sullo schermo è visibile solo una linea orizzontale. Ciò si verifica a causa dell'inerzia della percezione visiva e del bagliore residuo del tubo, ad es. Visivamente, alle alte frequenze, non abbiamo il tempo di notare il movimento sequenziale del raggio sullo schermo da sinistra a destra all'aumentare della tensione. Da zero al massimo e ritorno quasi istantaneo della trave nella posizione originale. Ad ogni successivo “dente di sega” il raggio si muove lungo la stessa traccia da sinistra a destra in senso orizzontale e viceversa, e ciò si ripete con una frequenza pari alla frequenza di scansione.

Per vedere come cambia la tensione testata nel tempo, è necessario applicare simultaneamente Entrata X "spazza tensione mentre è acceso" Entrata A "segnale in fase di studio
. Lasciamo stare il tempo il segnale in studio raggiunge il valore
e i valori della tensione di scansione
. Il raggio, partecipando simultaneamente a due movimenti reciprocamente perpendicolari: orizzontalmente (sotto l'influenza della tensione di scansione) e verticalmente (sotto l'influenza della tensione di prova
), andremo al punto (Fig.5). Se la tensione in esame varia secondo una legge armonica e il suo periodo coincide con il periodo di scansione
, poi nel tempo
sullo schermo il raggio “scriverà” un periodo di una sinusoide. Su ogni dente della sega successivo, quando la tensione raggiunge i valori desiderati
,
,
eccetera. il fascio di elettroni colpirà di conseguenza gli stessi punti ,,eccetera. sinusoidi, come sul primo “dente”.

L'immagine sullo schermo dell'oscilloscopio sarà stazionaria se il periodo di scansione è uguale o un numero intero di volte maggiore del periodo del segnale studiato. Se questa condizione non viene soddisfatta (spesso a causa dell'instabilità della frequenza del generatore di scansione), l'immagine “fluttuerà” sullo schermo.

Per misurare il periodo è necessario applicare la tensione in prova alle piastre orizzontali e accendere il generatore di scansione" EntrataX ", applicando una tensione a dente di sega alle piastre verticali. Ruotando la manopola " generatore di spazzata", ottieni un'immagine stabile sullo schermo: una sinusoide. Conta il numero di celle del periodo sinusoidale e, moltiplicando per il valore di divisione del generatore di spazzate, ottieni il periodo di oscillazione.

Dispositivo oscilloscopio

Oscilloscopio(Latino oscillo - oscillazione + greco γραφω - scrittura) - un dispositivo progettato per studiare (osservare, registrare; anche misurare) i parametri di ampiezza e tempo del segnale elettrico fornito al suo ingresso, o direttamente sullo schermo.

Per scopo e metodo di emissione delle informazioni di misurazione:

Oscilloscopi a scansione periodica per l'osservazione diretta della forma del segnale su uno schermo (raggio catodico, cristalli liquidi, ecc.);

Oscilloscopi a scansione continua per la registrazione di una curva su nastro fotografico (oscilloscopio a loop).

Tramite l'elaborazione del segnale di ingresso

Analogico;

Digitale

In base al numero di raggi: raggio singolo, doppio, ecc. Il numero di raggi può raggiungere 16 o più (un oscilloscopio a n raggi ha n numero di ingressi di segnale e può visualizzare contemporaneamente n grafici di segnali di ingresso sullo schermo ).

Gli oscilloscopi con scansione periodica si dividono in: universale (normale), ad alta velocità, stroboscopico, a memoria e speciale; Gli oscilloscopi digitali possono combinare la capacità di utilizzare diverse funzioni.

Esistono anche oscilloscopi combinati con altri strumenti di misura (ad esempio un multimetro).

Un oscilloscopio può anche esistere non solo come dispositivo autonomo, ma anche come set-top box a un computer (collegato tramite qualsiasi porta: LPT, COM, USB, ingresso scheda audio).

Utilizzando un oscilloscopio elettronico, è possibile osservare la forma di un segnale elettrico, il che lo rende indispensabile durante l'installazione e lo studio delle apparecchiature elettroniche. Inoltre un oscilloscopio elettronico può misurare la tensione nei circuiti studiati; allo stesso tempo praticamente non consuma energia dal circuito in studio e può funzionare in un'ampia gamma di frequenze. Grazie a queste proprietà del dispositivo, è ampiamente utilizzato non solo nell'ingegneria radiofonica, ma anche in altri settori della ricerca scientifica.

Nonostante la varietà dei circuiti dell'oscilloscopio elettronico, questi si basano sull'uso di un tubo a raggi catodici (CRT). Un oscilloscopio con display basato su CRT è costituito da un tubo a raggi catodici, un'unità di scansione orizzontale e un amplificatore di ingresso (per amplificare i segnali di ingresso deboli). Contiene anche blocchi ausiliari: unità di controllo della luminosità, unità di scansione verticale, calibratore di durata, calibratore di ampiezza.

Consideriamo un tipico tubo a raggi catodici controllato elettrostaticamente. Il tubo viene evacuato ad alto vuoto in modo che gli elettroni possano muoversi senza entrare in collisione con le molecole d'aria (Figura 1).

Il catodo riscaldato è una fonte di elettroni. Gli elettroni volano lungo l'asse del tubo per l'azione dell'elettrodo accelerante o anodo A, il cui potenziale è mantenuto positivo (diverse centinaia o migliaia di volt) rispetto al catodo K.

Nel caso più semplice, l'anodo è un disco rotondo con un foro dal quale fuoriescono un certo numero di elettroni sotto forma di un fascio stretto (fascio di elettroni). Il raggio, propagandosi lungo l'asse del tubo, colpisce lo schermo fluorescente, dove parte dell'energia cinetica degli elettroni viene convertita in energia luminosa e appare un punto luminoso.

Il catodo è circondato da un elettrodo cilindrico G, che ha un potenziale negativo rispetto al catodo. L'elettrodo svolge due funzioni: raccoglie gli elettroni lungo l'asse del tubo e controlla (come la griglia in un tubo a vuoto) il numero di elettroni che vanno dal catodo all'anodo. In un tubo a raggi catodici, il numero di elettroni, a seconda del potenziale dell'elettrodo di controllo, determina la luminosità del punto luminoso sullo schermo del tubo. Il catodo, la griglia e l'anodo costituiscono il cosiddetto “cannone elettronico” o “faretto elettronico”.

Nel tubo di un dispositivo semplice, il punto luminoso sullo schermo assomiglierà più a un disco luminoso che a un punto. Ciò è dovuto all'azione delle forze di reciproca repulsione degli elettroni nel fascio e alla loro deviazione dall'asse. Pertanto, è necessario disporre di un dispositivo per convertire un fascio di elettroni divergente in uno convergente. Per analogia con l'ottica, questo processo è chiamato messa a fuoco.

Nella focalizzazione elettrostatica vengono introdotti due o più anodi, con il potenziale del secondo anodo superiore al potenziale del primo. Un elettrone che ha deviato dall'asse del cannone elettronico entra nel campo tra i due anodi, tendendo a seguire la direzione delle linee del campo elettrico, cioè viene deviato verso l'interno verso l'asse. Il grado di convergenza e, quindi, la posizione del fuoco può essere modificato modificando il potenziale di uno degli anodi.

Il punto luminoso viene spostato sullo schermo in base alla tensione da testare. Il fascio di elettroni passa tra due coppie di piastre di deflessione alle quali viene applicata una tensione. Una coppia di piastre X1 e X2 crea un campo elettrico trasversale, provocando la deflessione del raggio nella direzione orizzontale. Un'altra coppia di piastre Y1 e Y2 crea una deflessione verticale della trave. La sensibilità alla deflessione è determinata dallo spostamento del punto luminoso sullo schermo causato da una differenza di potenziale tra le piastre di 1 V. La sensibilità è inversamente proporzionale alla tensione di accelerazione, quindi è desiderabile una bassa tensione anodica. Tuttavia, ci sono requisiti opposti: la luminosità del punto aumenta con l'aumentare della tensione anodica. La sensibilità media alla tensione di un tipico tubo di un oscilloscopio è leggermente inferiore a 1 mm/V.

1. Scopo generale e progettazione di un oscilloscopio elettronico.

2. Progettazione e tipologie dei tubi a raggi catodici.

3. Misurazione dei parametri dei segnali elettrici utilizzando un oscilloscopio elettronico.

8.1. SCOPO GENERALE E DISPOSITIVO DI UN OSCILLOSCOPIO ELETTRONICO.

Un oscilloscopio elettronico (EO) è un dispositivo per osservare la relazione funzionale tra due o più quantità fisiche, convertite in parametri elettrici e caratterizzanti un processo fisico. Lo schema a blocchi dell'EO è mostrato in Fig. 8.1.

I segnali dei parametri vengono forniti alle piastre di deflessione reciprocamente perpendicolari di un tubo a raggi catodici (CRT) e un'immagine grafica (oscillogramma) della relazione in studio viene osservata, misurata e fotografata sullo schermo del tubo.

Riso. 8.1. Schema a blocchi di un oscilloscopio elettronico.

Quando si studia la dipendenza dal tempo del processo, il segnale A in studio viene alimentato all'ingresso dell'amplificatore di deflessione verticale Y (Fig. 8.1).

Il movimento orizzontale del raggio è creato dal generatore di scansione, che sposta il raggio lungo l'asse X.

Gli oscilloscopi multiraggio vengono utilizzati per studiare contemporaneamente due o più processi (segnali).

Gli oscilloscopi si dividono in universali, a memoria, stroboscopici, ad alta velocità e speciali.

universale Gli oscilloscopi sono disposti secondo lo schema di Fig. 8.1.

Memorabile avere un CRT con memorizzazione della carica. Conservano a lungo l'immagine del segnale (anche quando l'oscilloscopio è spento) e sono convenienti per studiare processi singoli e raramente ripetuti.

IN stroboscopico Gli oscilloscopi utilizzano il principio del gating sequenziale (ovvero, registrando in un tempo molto breve) valori istantanei del segnale per trasformarlo (comprimerlo o allungarlo nel tempo). Ad ogni ripetizione del segnale, il valore istantaneo del segnale viene campionato in un punto, ma il punto di campionamento si sposta lungo il segnale prima dell'arrivo del segnale successivo. Gli oscilloscopi stroboscopici sono quelli a banda più larga e consentono di studiare segnali periodici della durata di 10–11 s.

Esprimere gli oscilloscopi consentono di studiare non solo processi periodici, ma anche singoli processi veloci

Speciale gli oscilloscopi vengono utilizzati per studiare segnali televisivi o ad alta tensione, ecc.

8.2. DISPOSITIVO E TIPI DI CRT.

I CRT sono chiamati dispositivi elettronici sotto vuoto in cui il cilindro ha la forma di un tubo e che utilizzano flussi di elettroni focalizzati sotto forma di fasci.

Esistono CRT a raggio singolo, doppio e multiraggio. Come principale caratteristica di classificazione dei CRT, viene scelto il loro scopo: ricevere o trasmettere CRT (in televisione), CRT di memorizzazione o radar, convertitori elettro-ottici.

IN ricezione Un CRT converte sequenze di segnali elettrici in un'immagine visibile. Tali tubi includono tubi indicatori radar, tubi per oscilloscopi, tubi catodici e monitor di visualizzazione. IN trasmettere Nei tubi, invece, l'immagine ottica viene convertita in una sequenza di segnali elettrici. Entrambe le trasformazioni sono possibili nei tubi di stoccaggio.

I progetti della maggior parte dei tipi di CRT contengono i seguenti elementi di base: un faretto elettronico, un sistema di deflessione e uno schermo per la visualizzazione visiva delle informazioni.

Sia i campi elettrici che quelli magnetici vengono utilizzati per formare e controllare i flussi di elettroni. Il faretto elettronico utilizzato in tutti i CRT è sostanzialmente dello stesso tipo. È costituito da un catodo (solitamente ossido) e diversi elettrodi che formano il fascio di elettroni: un modulatore, un elettrodo acceleratore, il primo e il secondo anodo (Fig. 8.2).

Il modulatore è sotto una piccola tensione negativa regolabile, rispetto al catodo, di 5-10 V e, come la griglia di controllo dei tubi elettronici, controlla la corrente del fascio di elettroni, ad es. in definitiva, dalla luminosità dello schermo.

I campi elettrici assialmente simmetrici negli spazi tra gli elettrodi del faretto formano elettrici lenti a contatto, deviando gli elettroni verso l'asse del tubo, cioè focalizzare il fascio di elettroni. L'elettrodo di accelerazione che separa il modulatore dagli anodi impedisce l'influenza delle variazioni di tensione sul modulatore sulla qualità della focalizzazione del raggio.

Riso. 8.2. Schema elettrico di un faretto CRT elettronico.

Il colore della luminosità dello schermo è determinato dalla composizione chimica del fosforo applicato sulla superficie interna della lampadina. Vengono utilizzati silicato di zinco Zn 2 SiO 4 (colore bagliore giallo-verde), solfuro di zinco ZnS con una miscela di rame (bagliore verde) o argento (blu)

bagliore blu). Gli schermi con una lunga luminescenza, necessaria per il radar, sono realizzati in due strati (il primo strato eccita la luminescenza del secondo). Gli schermi sono rotondi o rettangolari; Ad essi viene applicata una griglia di scala per misurare i valori misurati.

La luminosità del fosforo dipende dalle sue proprietà e dalla potenza fornita allo schermo. Un aumento della luminosità dovuto alla densità di corrente è limitato da una violazione della focalizzazione del raggio e dal pericolo di esaurimento del fosforo. Il modo principale per aumentare la luminosità è aumentare la tensione di accelerazione. Tuttavia, all’aumentare dell’energia cinetica degli elettroni, essa diminuisce sensibilità tubi alla tensione di deflessione:

s = h / U spento, cioè la quantità di deviazione del punto sullo schermo del tubo h per 1 V di tensione di deflessione.

Nei moderni CRT, agli elettroni viene data più energia solo dopo essere passati attraverso un sistema di deflessione (CRT "post-accelerazione"). Per fare ciò, la superficie interna del pallone dallo schermo al collo è ricoperta da una soluzione colloidale di grafite - acquadag, creando uno strato conduttivo al quale viene applicata una tensione positiva, maggiore della tensione del secondo anodo. A volte uno strato ad alta resistività viene applicato sulla superficie interna del pallone sotto forma di una spirale con un piccolo passo in modo che la tensione di accelerazione aumenti gradualmente dal secondo anodo allo schermo.

Per studiare due o più processi che si verificano simultaneamente, vengono utilizzati (2-5) CRT ti-beam, aventi un numero corrispondente di faretti, i cui raggi vengono focalizzati e deflessi in modo indipendente.

Memorabile I CRT differiscono in quanto l'oscillogramma del processo in studio viene registrato da un fascio di elettroni non solo sotto forma di un'immagine luminosa sullo schermo, ma anche sotto forma di un potenziale rilievo sulla superficie di un dielettrico posto davanti allo schermo, capace di mantenere a lungo questo sollievo. Ciò consente di riprodurre successivamente l'oscillogramma più volte o di aumentarne il tempo di incandescenza.

Nei tubi radar, il segnale sullo schermo viene ricevuto in coordinate polari, quindi i CRT per radar hanno una scansione del raggio radiale-azimutale e funzionano nella modalità luminosità del segnale fornito al modulatore del proiettore. Il sistema di deflessione elettromagnetica è costituito da una coppia di bobine, rotante attorno al collo del tubo in sincronia con la rotazione dell'antenna radar. Una corrente lineare a dente di sega scorre attraverso le bobine, deviando il raggio radialmente verso la periferia dello schermo. Il CRT deve avere alta risoluzione, alta luminosità, elevato contrasto dell'immagine, deflessione lineare del raggio e lungo bagliore residuo, in modo che durante una rotazione completa dell'antenna, sullo schermo venga conservata un'immagine completa dei bersagli contrassegnati e degli oggetti locali.

In un CRT con controllo elettrostatico, il sistema di deflessione è costituito da due coppie di piastre X e Y reciprocamente perpendicolari. Per ottenere un oscillogramma, un grafico della dipendenza del valore in esame dal tempo, la tensione di prova viene applicata a una coppia di piastre verticali piastre di deflessione "Y" e tra le piastre di deflessione orizzontali "X" viene applicata la tensione di spazzamento a dente di sega. Se il periodo di scansione viene selezionato come multiplo del periodo della tensione in studio, sullo schermo viene osservata un'immagine (grafico) stabile e chiara del processo in studio.

I sistemi di messa a fuoco e deflessione elettromagnetici producono un raggio più potente per un'elevata luminosità dello schermo e una migliore qualità di messa a fuoco su tutta la superficie dello schermo rispetto ai sistemi puramente elettrostatici.

Una bobina di messa a fuoco posta sul collo del tubo crea un effetto nitido eterogeneo un campo magnetico. Ha componenti assiali e radiali del vettore di induzione. Se gli elettroni volano in un campo magnetico ad angolo rispetto al vettore di induzione, a causa della loro interazione con radiale componente B r, si verifica la forza di Lorentz, che torce gli elettroni attorno all'asse del tubo e impartisce loro la componente angolare della velocità. Questo componente, interagendo con assiale componente B z del vettore induzione, provoca la comparsa di una forza diretta verso l'asse del tubo. L'entità di questa forza è tanto maggiore quanto più l'elettrone viene allontanato dall'asse del tubo, quindi quando lasciano la bobina gli elettroni arrivano in un fascio convergente con un fuoco sullo schermo.

8.3. MISURA DEI PARAMETRI DEL SEGNALE ELETTRICO MEDIANTE UN OSCILLOSCOPIO ELETTRONICO.

Utilizzando un oscilloscopio, è possibile osservare e registrare la forma degli impulsi e misurare tutti i parametri principali dei processi periodici: ampiezza della tensione, frequenza e fase. Il principio di registrazione e misurazione delle tensioni U (t) è chiaro dalla Fig. 8.1, e i metodi per misurare la frequenza e la fase delle oscillazioni elettriche saranno discussi di seguito.

I canali di deflessione verticale del/i raggio/i sono dotati di amplificatori a banda larga. Negli oscilloscopi multipercorso il numero di amplificatori è uguale al numero di raggi.

Per misurare le ampiezze e le durate dei segnali, su una lastra trasparente adiacente allo schermo vengono applicati assi coordinati con divisioni calibrate in unità di tensione (lungo l'asse “Y”) o tempo (lungo l'asse “X”) mediante appositi impulsi di calibrazione generato da un generatore interno.

Quando si osservano processi periodici (soprattutto quelli veloci), è importante ottenere un'immagine fissa del segnale in funzione del tempo sullo schermo dell'oscilloscopio. Per fare ciò è necessario che il periodo di scansione sia uguale o multiplo del periodo del segnale studiato. Tuttavia. in pratica, di regola, questa condizione è difficile da rispettare. Pertanto, viene utilizzata la coordinazione forzata dei periodi del segnale lungo gli assi X e Y, vale a dire loro sincronizzazione. Lo scopo della sincronizzazione è garantire che le frequenze del segnale in studio e dello sweep siano uguali o differiscano Totale numero di volte.

La sincronizzazione consiste nel fatto che il generatore di tensione a dente di sega fornisce tensione alle piastre deviatrici “X” in momenti rigorosamente definiti. Questi momenti sono impostati da speciali impulsi di clock generati da una fonte esterna (sincronizzazione esterna) oppure sono determinati dal momento in cui il segnale di test raggiunge un certo livello (sincronizzazione interna).

Per misurare frequenze e fasi oscillazioni armoniche utilizzando un oscilloscopio elettronico, il cosiddetto Figure di Lisajoux (FL). Si tratta di traiettorie chiuse disegnate da un punto che compie contemporaneamente due oscillazioni armoniche in due direzioni reciprocamente perpendicolari (studiate per la prima volta dallo scienziato francese J. Lisajoux). Essi possono essere facilmente osservati sullo schermo dell'oscilloscopio se i corrispondenti segnali armonici vengono applicati simultaneamente alle piastre di deflessione orizzontale e verticale.

L'aspetto delle figure dipende dal rapporto tra i periodi (frequenze), le fasi e le ampiezze di entrambe le oscillazioni. Nel caso più semplice, l'uguaglianza di entrambi i periodi del PL sono ellissi che, con una differenza di fase j = 0

oppure j = p degenerano in segmenti diritti e quando j = p / 2 e uguali ampiezze si trasformano in cerchi (Fig. 8.3).

Riso. 8.3. Vista delle figure di Lisajous con diversi rapporti di periodi di oscillazione (1: 1, 1: 2, ecc.) e differenze di fase.

Se i periodi di entrambe le oscillazioni non coincidono esattamente, la loro differenza di fase cambia continuamente, a seguito della quale l'ellisse viene continuamente deformata. In periodi significativamente diversi non si osservano curve chiuse, ma se i periodi vengono messi in relazione come numeri interi si ottengono PL di forma più complessa, alcuni dei quali sono mostrati in Fig. 8.3.

Un oscilloscopio elettronico (EO) è un dispositivo con il quale si osserva, esamina e misura le ampiezze dei segnali elettrici e i loro parametri temporali. Tale dispositivo è l'unità di misurazione radio più comune, grazie alla quale è possibile vedere i processi elettrici in corso, indipendentemente dal momento in cui appare l'impulso e dalla sua durata. Dall'immagine trasmessa allo schermo è possibile determinare con precisione le fluttuazioni di ampiezza del segnale in esame e la loro durata su qualsiasi parte della rete.

Gli oscilloscopi che funzionano sulla base di un tubo a raggi catodici sono unità ingombranti e a bassa mobilità. Tuttavia, sono caratterizzati da un'elevata precisione di misurazione. Tali dispositivi sono in grado di elaborare rapidamente i segnali in arrivo. Hanno un'ampia gamma di frequenze e un'eccellente sensibilità.

Ambito di utilizzo dell'EO

La portata degli oscilloscopi è vasta. Con il loro aiuto, il ricercatore potrà osservare le forme degli impulsi elettrici, grazie ai quali questo dispositivo è diventato un “assistente” indispensabile nel lavoro di installazione delle apparecchiature elettroniche. Funzionalità dell'EO:

determinazione dei parametri di tensione e tempo del segnale e della sua frequenza;
osservare la forma d'onda;
tracciamento della distorsione degli impulsi su qualsiasi parte della rete;
determinazione dello sfasamento;
misura di corrente, resistenza.

Quando si misurano i valori di tensione nei circuiti elettrici, l'oscilloscopio non consuma praticamente alcuna energia e funziona su un'ampia gamma di frequenze.

L'oscilloscopio elettronico viene utilizzato nei laboratori di ricerca, nei servizi diagnostici per auto e nelle officine di riparazione elettronica. Grazie a questo dispositivo, puoi determinare rapidamente la causa del malfunzionamento del microcircuito.

Dispositivo di oscilloscopi elettronici

Nonostante l'ampia gamma di strumenti di misura radio, il circuito dell'oscilloscopio, indipendentemente dal modello e dalle caratteristiche di progettazione delle unità, è approssimativamente lo stesso. I componenti più importanti di qualsiasi OE:

tubo a raggi catodici (CRT);
canali di deflessione (verticali e orizzontali);
Blocco di controllo;
calibratori;
Alimentazione elettrica.

La parte principale dell'EO è un CRT sottovuoto, ovvero un contenitore di vetro allungato. Contiene un complesso di elettrodi (chiamato cannone elettronico) e uno schermo di fosfori, grazie al quale è possibile osservare la bioluminescenza dovuta all'ingresso di elettroni. Il tubo a vuoto contiene anche un catodo, un modulatore, 2 anodi e una coppia di piastre di deflessione. Il canale orizzontale contiene un generatore di scansione, un dispositivo di sincronizzazione e un amplificatore. Il canale di deflessione verticale include un cavo di collegamento, un interruttore a levetta di ingresso e divisori di tensione.

L'unità di controllo è progettata per illuminare la corsa di andata ed è necessaria per spegnere il fascio di elettroni durante la corsa di ritorno. Un calibratore è un dispositivo che svolge la funzione di un generatore di tensione. È progettato per la determinazione estremamente accurata della frequenza e dell'ampiezza dei segnali di impulso. L'alimentatore fornisce alimentazione a tutti i componenti e i meccanismi dell'EO. Al blocco viene fornita una tensione di 220 V, dopo di che viene convertita e diretta a filamenti incandescenti, amplificatori del generatore e altri componenti del dispositivo.

Caratteristiche del funzionamento degli oscilloscopi elettronici

Il funzionamento di qualsiasi modello EO prevede la trasformazione degli impulsi studiati in un'immagine visiva visualizzata sullo schermo di un CRT a vuoto. Gli elettroni vengono emessi utilizzando un cannone elettronico, che si trova di fronte all'estremità del tubo del fascio. Tra il sistema di elettrodi e lo schermo si trovano un modulatore, attraverso il quale viene regolato il flusso di elettroni, nonché 2 coppie di piastre che consentono la deviazione del fascio di elettroni orizzontalmente o verticalmente.

Il principio di funzionamento di un CRT è il seguente: al filamento viene fornita una tensione alternata e al modulatore viene fornita una tensione costante. Le piastre deviatrici sono alimentate con una tensione costante, grazie alla quale il flusso di elettroni viene spostato lateralmente, e con una tensione alternata necessaria per creare una linea di scansione. La sua lunghezza è influenzata dall'ampiezza della tensione a dente di sega. Quando la tensione viene applicata contemporaneamente a una e alla seconda coppia di piastre, sullo schermo viene visualizzata una linea di scansione sinusoidale dell'impulso in esame.

Selezione dell'OE in base allo scopo

I modelli più comuni di oscilloscopi elettronici sono considerati dispositivi universali. In essi, il segnale in esame viene fornito attraverso attenuatori e amplificatori a un CRT a deflessione verticale. La pendenza orizzontale è dovuta al generatore di spazzate. Tali dispositivi consentono di studiare gli impulsi elettrici in un'ampia gamma di frequenze e ampiezze. Grazie a questi modelli di oscilloscopio è possibile misurare la durata di un segnale in arrivo in frazioni di secondo.

L'uso di oscilloscopi elettronici stroboscopici consente di studiare le forme e misurare i parametri di ampiezza e tempo dei segnali che si verificano periodicamente. Tali dispositivi sono necessari per studiare i processi transitori nella tecnologia dei semiconduttori ad alta velocità, nei micromoduli e nei dispositivi integrati. Utilizzando questo dispositivo di misurazione è possibile osservare segnali ripetuti con una durata di una frazione di secondo.

Speciali oscilloscopi a raggi catodici sono progettati per risolvere problemi specifici. Molto spesso, tali dispositivi vengono utilizzati per studiare i segnali televisivi e radar. Le unità per scopi speciali contengono componenti specifici nella loro progettazione.

Anche gli oscilloscopi a memoria sono ampiamente utilizzati. Vengono utilizzati quando è necessario studiare processi lenti e singoli impulsi. Tali modelli EO sono dotati di uno speciale dispositivo con memoria, grazie al quale è possibile salvare i dati ricevuti per un certo tempo. Se necessario, il segnale può essere riprodotto per il suo studio e successiva elaborazione.

Per monitorare i segnali armonici o pulsati che fluiscono in tempo reale in unità di nanosecondi, vengono utilizzati EO ad alta velocità. L'elaborazione rapida degli impulsi da parte di tali dispositivi viene ottenuta mediante l'uso di un CRT a onda progressiva. Questi dispositivi non hanno un amplificatore generatore nel canale di deflessione verticale.

Anche gli EO con blocchi sostituibili sono molto richiesti. Cambiando l'unità del dispositivo è possibile modificarne le caratteristiche e i parametri di funzionamento fondamentali, quali:

larghezza di banda;
fattore di scansione;
valore di deviazione.

Modificando il blocco è possibile modificare la funzionalità del dispositivo.

Selezione di EO in base al numero di canali

I produttori di strumenti di misura radio producono oscilloscopi che possono essere singoli, doppi o multiraggio, nonché due e multicanale. L'EO a raggio singolo è un'unità dotata di un dispositivo di input. I più comuni sono i dispositivi a due raggi e a due canali. Sono progettati per l'osservazione e lo studio simultanei di due segnali di impulsi su uno schermo CRT.

Gli oscilloscopi a doppio raggio sono convenienti da utilizzare quando è necessario confrontare i segnali di impulso in uscita e in ingresso, per monitorare diversi convertitori e per risolvere altri problemi. Questi dispositivi elettronici hanno 4 modalità di funzionamento:

Monocanale, quando attivato funziona solo uno dei due canali.
Alternanza, che consente di attivare a turno uno e il secondo canale dopo ogni scansione.
Un'interruzione che consente l'attivazione di entrambi i canali. Tuttavia, la loro commutazione avviene con frequenza disuguale.
Aggiunta, grazie alla quale entrambi i canali funzionano con lo stesso carico.

I dispositivi a doppio canale e a doppio raggio presentano vantaggi e svantaggi. I vantaggi del primo sono un prezzo economico e eccellenti caratteristiche tecniche. I vantaggi di quest'ultimo risiedono nella possibilità di studiare due segnali sia separatamente che insieme. Gli apparecchi elettronici multiraggio vengono realizzati secondo il principio dei due raggi. Quanti raggi ha un oscilloscopio, ha lo stesso numero di ingressi di segnale.

Vantaggi degli oscilloscopi elettronici

Gli oscilloscopi elettronici presentano numerosi vantaggi importanti:

misurazione operativa dell'ampiezza del segnale con un oscilloscopio;
elevata stabilità dell'immagine;
maggiore sensibilità;
Enormi funzionalità per un uso pratico.

Le misurazioni effettuate da EO sono eccezionalmente chiare. Con il loro aiuto, puoi considerare qualsiasi processo elettrico. Utilizzando l'immagine su un CRT, è possibile misurare e confrontare correnti e tensioni, indipendentemente dalla forma, nonché valutare i loro valori di ampiezza e le caratteristiche di fase di varie apparecchiature. Un oscilloscopio è uno strumento semplice con un'elevata precisione di misurazione. La presenza di una vasta gamma di tali dispositivi di misurazione radio consentirà di selezionare un dispositivo per scopi specifici.

Caratteristiche della connessione EO

Il dispositivo di misura radio deve essere collegato alla sorgente dei segnali oggetto di studio utilizzando fili e un cavo coassiale. I cavi di collegamento devono essere utilizzati per osservare gli impulsi continui a bassa e media frequenza. Per studiare gli impulsi e le tensioni ad alta frequenza, è consigliabile utilizzare cavi ad alta frequenza. Per indebolire l'influenza del circuito di ingresso, il dispositivo è collegato tramite un ripetitore. Tale dispositivo ha un'elevata resistenza attiva, una piccola capacità di ingresso, parametri di ampiezza e frequenza uguali e un basso coefficiente di trasmissione.

In caso di misurazione della tensione con un impulso ad alta tensione, è necessario includere un divisore di tensione tra l'uscita della sorgente del segnale e l'ingresso del dispositivo di misurazione radio. Per evitare distorsioni durante l'emissione di impulsi brevi, si consiglia di utilizzare cavi ad alta frequenza con una lunghezza minima. Se è necessario ottenere oscillogrammi con impulsi di corrente, nel circuito in esame è necessario includere un resistore aggiuntivo con un piccolo valore di induttanza.