Kathodestraaloscilloscopen - Werkings- en operationele details

In dit bericht zullen we uitgebreid bespreken hoe kathodestraaloscilloscopen (CRO) werken en de interne constructie ervan. We zullen ook leren hoe u een CRO kunt gebruiken met behulp van de verschillende bedieningselementen en de grafische weergave van de verschillende ingangssignalen op het weergavescherm van de scoop begrijpen.

Belang van kathodestraaloscilloscopen (CRO)

We weten dat de meeste elektronische schakelingen uitsluitend elektronische golfvormen of digitale golfvormen gebruiken en er strikt gebruik van maken, die normaal gesproken als frequentie worden geproduceerd. Deze signalen spelen een belangrijke rol in dergelijke circuits in de vorm van audio-informatie, computergegevens, tv-signalen, oscillatoren en timinggeneratoren (zoals toegepast in radars) enz. Daarom wordt het nauwkeurig en correct meten van deze parameters erg cruciaal bij het testen en oplossen van problemen met deze typen. van circuits

De algemeen verkrijgbare meters, zoals digitale multimeters of analoge multimeters, hebben beperkte faciliteiten en kunnen alleen gelijk- of wisselspanningen, stromen of impedanties meten. Sommige geavanceerde meters kunnen AC-signalen meten, maar alleen als het signaal zeer verfijnd is en in de vorm van specifieke niet-vervormde sinusvormige signalen. Daarom voldoen deze meters niet aan het doel als het gaat om het analyseren van circuits met golfvormen en getimede cycli.

Een oscilloscoop daarentegen is een apparaat dat is ontworpen voor het nauwkeurig accepteren en meten van golfvormen, waardoor de gebruiker de vorm van de puls of de golfvorm praktisch kan visualiseren.

De CRO is een van die hoogwaardige oscilloscopen waarmee de gebruiker een visuele weergave van een toegepaste golfvorm in kwestie kan zien.

Het maakt gebruik van een kathodestraalbuis (CRT) voor het genereren van de visuele weergave die overeenkomt met het signaal dat als golfvorm aan de ingang wordt toegevoerd.

De elektronenbundel in de CRT gaat door afgebogen bewegingen (sweeps) over het oppervlak van de buis (scherm) als reactie op de ingangssignalen, waardoor een visueel spoor op het scherm wordt gecreëerd dat de golfvorm weergeeft. Deze continue sporen stellen de gebruiker vervolgens in staat de golfvorm te onderzoeken en de kenmerken ervan te testen.

Het kenmerk van een oscilloscoop om het daadwerkelijke beeld van de golfvorm te produceren, wordt erg nuttig in vergelijking met digitale multimeters die alleen numerieke waarden van de golfvorm kunnen leveren.

Zoals we allemaal weten, werken kathodestraaloscilloscopen met elektronenbundels voor het aangeven van de verschillende metingen op het oscilloscoopscherm. Voor het horizontaal afbuigen of bewerken van de straal wordt een bewerking genoemd sweep-spanning is opgenomen, terwijl de verticale verwerking wordt gedaan door de ingangsspanning die wordt gemeten.

CATHODE RAY TUBE - THEORIE EN INTERNE CONSTRUCTIE

Binnen een kathodestraaloscilloscoop (CRO) wordt de kathodestraalbuis (CRT) het belangrijkste onderdeel van het apparaat. De CRT wordt verantwoordelijk voor het genereren van de complexe golfvormbeeldvorming op het scherm van de scoop.

De CRT bestaat in wezen uit vier delen:

1. Een elektronenkanon voor het genereren van de elektronenbundel.
2. Focusserende en versnellende componenten om een ​​nauwkeurige elektronenbundel te creëren.
3. Horizontale en verticale afbuigplaten voor het manipuleren van de hoek van de elektronenbundel.
4. Een geëvacueerde glazen behuizing bedekt met een fosforescerend scherm voor het creëren van de vereiste zichtbare gloed als reactie op het treffen van de elektronenstraal op het oppervlak

De volgende afbeelding toont de basisconstructiedetails van een CRT

Laten we nu eens kijken hoe de CRT werkt met zijn basisfuncties.

Hoe kathodestraaloscilloscoop (CRO) werkt

Een hete gloeidraad in de CRT wordt gebruikt voor het verwarmen van de kathode (K) -zijde van de buis bestaande uit een oxidecoating. Dit resulteert in een onmiddellijke afgifte van elektronen van het kathode-oppervlak.

Een element genaamd het stuurrooster (G) regelt de hoeveelheid elektronen die verder over de buislengte kunnen passeren. Het niveau van de spanning die op het rooster wordt aangelegd, bepaalt de hoeveelheid elektronen die worden bevrijd van de verwarmde kathode en hoeveel van hen naar de voorkant van de buis mogen bewegen.

Zodra de elektronen het stuurrooster overstijgen, gaan ze door de daaropvolgende focussering tot een scherpe straal en een snelle versnelling met behulp van anodeversnelling.

Deze sterk versnelde elektronenbundel wordt in de volgende fase tussen een paar sets afbuigplaten geleid. De hoek of de oriëntatie van de eerste plaat wordt zo gehouden dat deze de elektronenbundel verticaal naar boven of naar beneden afbuigt. Dit wordt op zijn beurt geregeld door de spanningspolariteit die over deze platen wordt toegepast.

Ook door hoeveel de afbuiging op de straal is toegestaan, wordt bepaald door de hoeveelheid spanning die op de platen wordt toegepast.

Deze gecontroleerde afgebogen straal gaat dan door meer versnelling door extreem hoge spanningen op de buis, waardoor de straal uiteindelijk de fosforescerende laag van het binnenoppervlak van de buis raakt.

Dit zorgt ervoor dat de fosfor onmiddellijk gloeit als reactie op het treffen van de elektronenbundel die de zichtbare gloed op het scherm genereert voor de gebruiker die de kijker hanteert.

De CRT is een onafhankelijke complete eenheid met de juiste aansluitingen die via een achterbasis naar buiten steken in specifieke pinouts.

Er zijn verschillende vormen van CRT's op de markt verkrijgbaar in veel verschillende afmetingen, met verschillende fosforgecoate buizen en positionering van de afbuigelektrode.

Laten we nu eens nadenken over de manier waarop de CRT wordt gebruikt in een oscilloscoop.

De golfvormpatronen die we visualiseren voor een bepaald samplesignaal worden op deze manier uitgevoerd:

Terwijl de zwaaispanning de elektronenbundel horizontaal op de binnenkant van het CRT-scherm beweegt, dwingt het ingangssignaal dat tegelijkertijd wordt gemeten de straal verticaal af te buigen, waardoor het vereiste patroon op de schermgrafiek voor onze analyse wordt gegenereerd.

Wat is een enkele sweep

Elke beweging van de elektronenstraal op het CRT-scherm wordt gevolgd met een fractioneel 'blanco' tijdsinterval. Tijdens deze blanco fase wordt de straal kort uitgeschakeld totdat deze het startpunt of de vorige uiterste zijde van het scherm bereikt. Deze cyclus van elke sweep wordt aangeroepen 'one sweep of the beam'

Om een ​​stabiele golfvormweergave op het scherm te krijgen, wordt verondersteld dat de elektronenbundel herhaaldelijk van links naar rechts wordt 'gezwaaid' en vice versa met een identieke afbeelding voor elke zwaai.

Om dit te bereiken, is een operatie genaamd synchronisatie nodig, die ervoor zorgt dat de straal terugkeert en elke zwaai herhaalt vanaf precies hetzelfde punt op het scherm.

Bij een correcte synchronisatie lijkt het golfvormpatroon op het scherm stabiel en constant. Als de synchronisatie echter niet wordt toegepast, lijkt de golfvorm langzaam en continu horizontaal van het ene uiteinde van het scherm naar het andere uiteinde te drijven.

Basis CRO-componenten

De essentiële elementen van een CRO zijn te zien in Fig. 22.2 hieronder. We gaan voornamelijk de operationele details van de CRO analyseren voor dit basisblokdiagram.

Om een ​​zinvolle en herkenbare afbuiging van de bundel over ten minste een centimeter tot enkele centimeters te bereiken, moet het typische spanningsniveau dat op de afbuigplaten wordt gebruikt minimaal tientallen of zelfs honderden volt bedragen.

Vanwege het feit dat de pulsen die via een CRO worden beoordeeld, meestal slechts enkele volts in grootte zijn, of hoogstens enkele millivolt, zijn geschikte versterkerschakelingen nodig om het ingangssignaal te versterken tot het optimale spanningsniveau dat nodig is om de buis te laten lopen.

In feite worden versterkertrappen gebruikt die helpen om de bundel af te buigen op zowel het horizontale als het verticale vlak.

Om het ingangssignaalniveau dat wordt geanalyseerd aan te passen, moet elke ingangspuls door een verzwakkingscircuitstap gaan, ontworpen om de amplitude van het display te vergroten.

WERKING SPANNINGSVEGEN

De werking van de spanningszwaai wordt op de volgende manier geïmplementeerd:

In situaties waarin de verticale invoer op 0V wordt gehouden, wordt verondersteld dat de elektronenbundel in het verticale midden van het scherm te zien is. Als een 0V identiek wordt toegepast op de horizontale invoer, wordt de straal in het midden van het scherm gepositioneerd en ziet het eruit als een vaste stof en briefpapier PUNT in het midden.

Nu kan deze 'stip' overal op het scherm worden verplaatst door eenvoudig de horizontale en verticale bedieningsknoppen van de oscilloscoop te manipuleren.

De positie van de punt kan ook worden gewijzigd door middel van een specifieke gelijkspanning die wordt geïntroduceerd aan de ingang van de oscilloscoop.

De volgende afbeelding laat zien hoe precies de positie van de stip op een CRT-scherm kon worden gecontroleerd door een positieve horizontale spanning (naar rechts) en een negatieve verticale ingangsspanning (naar beneden vanuit het midden).

Horizontaal zwaaisignaal

Om een ​​signaal zichtbaar te maken op het CRT-scherm, wordt het noodzakelijk om een ​​straalafbuiging mogelijk te maken door een horizontale zwaai over het scherm, zodat elke corresponderende verticale signaalinvoer het mogelijk maakt dat de verandering op het scherm wordt gereflecteerd.

In figuur 22.4 hieronder kunnen we de rechte lijn op het scherm visualiseren die wordt verkregen als gevolg van een positieve spanningstoevoer naar de verticale ingang via een lineair (zaagtand) zwaaisignaal dat wordt toegevoerd aan het horizontale kanaal.

Wanneer de elektronenbundel over een geselecteerde vaste verticale afstand wordt gehouden, wordt de horizontale spanning gedwongen om van negatief naar nul naar positief te gaan, waardoor de bundel van de linkerkant van het scherm naar het midden en naar de rechterkant van het scherm beweegt. scherm. Deze beweging van de elektronenbundel genereert een rechte lijn boven de middelste verticale referentie, die een geschikte gelijkspanning weergeeft in de vorm van een sterlichtlijn.

In plaats van een enkele zwaai te produceren, wordt de zwaaispanning geïmplementeerd om te werken als een continue golfvorm. Dit is in wezen om ervoor te zorgen dat een consistente weergave op het scherm zichtbaar is. Als er maar een enkele sweep wordt gebruikt, zou deze niet lang meegaan en onmiddellijk verdwijnen.

Dat is de reden waarom herhaalde zwaaien per seconde worden gegenereerd in de CRT, die de indruk geven van een continue golfvorm op het scherm vanwege ons aanhoudende zicht.

Als we de bovenstaande zwaaisnelheid verlagen, afhankelijk van de tijdschaal die op de oscilloscoop wordt weergegeven, kan de echt bewegende indruk van de straal op het scherm worden waargenomen. Als alleen een sinusvormig signaal wordt toegepast op de verticale ingang zonder de aanwezigheid van de horizontale zwaai, zouden we een verticale rechte lijn zien, zoals afgebeeld in figuur 22.5.

En als de snelheid van deze sinusvormige verticale invoer voldoende wordt verlaagd, kunnen we de elektronenbundel langs het pad van een rechte lijn naar beneden zien gaan.

Lineaire zaagtandbeweging gebruiken om verticale invoer weer te geven

Als u een sinusgolfsignaal wilt onderzoeken, moet u een sweep-signaal op het horizontale kanaal gebruiken. Hierdoor kan het signaal dat op het verticale kanaal wordt toegepast, zichtbaar worden op het scherm van de CRO.

Een praktisch voorbeeld is te zien in figuur 22.6 die een golfvorm laat zien die wordt gegenereerd door gebruik te maken van een horizontale lineaire zwaai samen met een sinusoïdale of sinusinvoer door het verticale kanaal.

Om voor de toegepaste input een enkele cyclus op het scherm te krijgen, wordt een synchronisatie van het inputsignaal en de lineaire sweep-frequenties essentieel. Zelfs met een klein verschil of een onjuiste synchronisatie kan het zijn dat het display geen enkele beweging vertoont.

Als de sweep-frequentie wordt verlaagd, kan een groter aantal cycli van het sinusinvoersignaal zichtbaar worden gemaakt op het CRO-scherm.

Aan de andere kant, als we de frequentie van de sweep verhogen, zou een kleiner aantal verticale ingangssinus-signaalcycli zichtbaar zijn op het weergavescherm. Dit zou in feite resulteren in het genereren van een vergroot deel van het aangelegde ingangssignaal op het CRO-scherm.

Opgelost praktisch voorbeeld:

In figuur 22.7 kunnen we zien dat het oscilloscoopscherm een ​​pulserend signaal weergeeft als reactie op een pulsachtige golfvorm die wordt toegepast op de verticale ingang met een horizontale zwaai

Door de nummering voor elke golfvorm kan het display de variaties van het ingangssignaal en de zwaaispanning voor elke cyclus volgen.

SYNCHRONISATIE EN TRIGGERING

Aanpassingen in de kathodestraaloscilloscoop worden uitgevoerd door de snelheid in termen van frequentie aan te passen, voor het produceren van een enkele cyclus van een puls, een groot aantal cycli of een deel van een golfvormcyclus, en deze functie wordt een van de CRO is een cruciale functie van elke CRO.

In figuur 22.8 kunnen we zien dat het CRO-scherm een ​​respons weergeeft voor een aantal cycli van het sweep-signaal.

Voor elke uitvoering van horizontale zaagtandzwaai-spanning via een lineaire zwaai-cyclus (met een limiet van maximale negatieve limiet van nul tot maximaal positief), zorgt ervoor dat de elektronenbundel horizontaal over het CRO-schermgebied beweegt, beginnend van links naar het midden, en vervolgens rechts van het scherm.

Hierna keert de zaagtandspanning snel terug naar de negatieve startspanning, waarbij de elektronenbundel overeenkomstig naar de linkerkant van het scherm beweegt. Gedurende deze periode waarin de sweep-spanning een snelle terugkeer naar het negatieve (retrace) ondergaat, gaat het elektron door een blanco fase (waarbij de roosterspanning de elektronen ervan weerhoudt het oppervlak van de buis te raken)

Om het display in staat te stellen een stabiel signaalbeeld te produceren voor elke zwaai van de bundel, wordt het essentieel om de zwaai vanaf exact hetzelfde punt in de ingangssignaalcyclus te starten.

In figuur 22.9 kunnen we zien dat een tamelijk lage sweep-frequentie ervoor zorgt dat het scherm de indruk geeft van een linkerzijafwijking van de straal.

Indien ingesteld op een hoge sweep-frequentie, zoals bewezen in Figuur 22.10, geeft het scherm de indruk van een rechterzijafwijking van de straal op het scherm.

Het behoeft geen betoog dat het erg moeilijk of onpraktisch kan zijn om de frequentie van het zwaaisignaal exact gelijk te stellen aan de frequentie van het ingangssignaal om een ​​constante of constante zwaai op het scherm te bereiken.

Een meer haalbare ogende oplossing is om te wachten tot het signaal terugkeert naar het beginpunt van het spoor in een cyclus. Dit type triggering bevat enkele goede functies die we in de volgende paragrafen zullen bespreken.

Triggeren

De standaardbenadering voor de synchronisatie maakt gebruik van een klein deel van het ingangssignaal voor het schakelen van de sweep-generator, waardoor het sweep-signaal wordt vergrendeld of vergrendeld met het ingangssignaal, en dit proces synchroniseert de twee signalen met elkaar.

In figuur 22.11 kunnen we het blokschema zien dat de extractie van een deel van het ingangssignaal in een enkelkanaals oscilloscoop.

Dit triggersignaal wordt onttrokken aan de AC-netfrequentie (50 of 60Hz) voor het analyseren van externe signalen die mogelijk verband houden met of betrekking hebben op het AC-net, of een gerelateerd signaal zijn dat wordt toegepast als een verticale ingang in de CRO.

Wanneer de keuzeschakelaar naar 'INTERNAL' wordt geschakeld, kan een deel van het ingangssignaal worden gebruikt door het triggergeneratorcircuit. Vervolgens wordt de uitgangstrigger-generatoruitgang gebruikt om de hoofdzwaai van de CRO te starten of te starten, die zichtbaar blijft gedurende een periode zoals ingesteld door de tijd / cm-regeling van de scoop.

De initialisatie van de triggering op verschillende punten in een signaalcyclus kan worden gevisualiseerd in Fig. 22.12. De werking van de trigger sweep kan ook worden geanalyseerd via de resulterende golfvormpatronen.

Het signaal dat wordt toegepast als ingang wordt gebruikt voor het genereren van een triggergolfvorm voor het zwaaisignaal. Zoals getoond in Afb. 22.13, wordt de zwaai geïnitieerd met de ingangssignaalcyclus en houdt deze stand gedurende een periode die wordt bepaald door de instelling van de zwaailengteregeling. Vervolgens wacht de CRO-bewerking totdat het ingangssignaal een identiek punt in zijn cyclus bereikt voordat een nieuwe zwaai-bewerking wordt geïnitieerd.

De hierboven toegelichte triggermethode maakt het synchronisatieproces mogelijk, terwijl het aantal cycli dat op het display kan worden bekeken, wordt bepaald door de lengte van het sweep-signaal.

MULTITRACE-FUNCTIE

Veel van de geavanceerde CRO's vergemakkelijken het bekijken van meer dan één of meerdere sporen tegelijkertijd op het beeldscherm, waardoor de gebruiker gemakkelijk de speciale of andere specifieke kenmerken van meerdere golfvormen kan vergelijken.

Deze functie wordt normaal gesproken geïmplementeerd met behulp van meerdere bundels van meerdere elektronenkanonnen, die een individuele bundel op het CRO-scherm genereren, maar soms wordt dit ook uitgevoerd via een enkele elektronenbundel.

Er zijn een aantal technieken die worden gebruikt om meerdere sporen te genereren: ALTERNATE en CHOPPED. In de alternatieve modus zijn de twee signalen die beschikbaar zijn aan de ingang, afwisselend verbonden met de afbuigschakelingstrap via een elektronische schakelaar. In deze modus wordt de straal over het CRO-scherm geveegd, ongeacht hoeveel sporen er moeten worden weergegeven. Hierna pikt de elektronische schakelaar afwisselend het tweede signaal op en doet hetzelfde voor dit signaal.

Deze werkwijze is te zien in Fig. 22.14a.

Figuur 22.14b toont de CHOPPED-werkingsmodus waarin de straal door een herhaalde schakeling gaat voor het selecteren tussen de twee ingangssignalen voor elk zwaaisignaal van de straal. Deze schakel- of hakactie blijft voor relatief lagere frequenties van het signaal niet detecteerbaar en wordt blijkbaar gezien als twee individuele sporen op het CRO-scherm.

Golfvorm meten met gekalibreerde CRO-schalen

Je hebt misschien gezien dat het scherm van het CRO-display bestaat uit duidelijk gemarkeerde gekalibreerde schaal. Dit is bedoeld voor de metingen van amplitudes en tijdfactor voor een toegepaste golfvorm in kwestie.

De gemarkeerde eenheden zijn zichtbaar als dozen die aan weerszijden van de dozen over 4 centimeter (cm) zijn verdeeld. Elk van deze dozen is bovendien onderverdeeld in intervallen van 0,2 cm.

Amplitudes meten:

De verticale schaal op het scherm van de RO kan worden gekalibreerd in volt / cm (V / cm) of millivolts / cm (mV / cm).

Met behulp van de instellingen van de bedieningsknoppen van de scoop en de markeringen die op de voorkant van het scherm worden weergegeven, kan de gebruiker de piek-tot-piekamplitudes van een golfvormsignaal of typisch een AC-signaal meten of analyseren.

Hier is een praktisch opgelost voorbeeld om te begrijpen hoe de amplitude wordt gemeten op het scherm van de CRO:

Opmerking: dit is het voordeel van een oscilloscoop ten opzichte van multimeters, omdat multimeters alleen de RMS-waarde van het AC-signaal leveren, terwijl een scoop zowel de waarde van RMS als de piek-tot-piekwaarde van het signaal kan leveren.

Het meten van de timing (periode) van een wisselstroomcyclus met behulp van een oscilloscoop

De horizontale schaal op het scherm van een oscilloscoop helpt ons om de timing van een invoercyclus te bepalen in seconden, in milliseconden (ms) en in microseconden (μs), of zelfs in nanoseconden (ns).

Het tijdsinterval dat een puls verbruikt om een ​​cyclus van begin tot eind te voltooien, wordt de periode van de puls genoemd. Wanneer deze puls de vorm heeft van een zich herhalende golfvorm, wordt zijn periode een cyclus van de golfvorm genoemd.

Hier is een praktisch opgelost voorbeeld dat laat zien hoe de periode van een golfvorm kan worden bepaald met behulp van CRO-schermkalibratie:

Pulsbreedte meten

Elke golfvorm bestaat uit maximale en minimale spanningspieken die de hoge en lage toestanden van de puls worden genoemd. Het tijdsinterval waarvoor de puls in zijn HOOG- of LAAG-toestand blijft, wordt de pulsbreedte genoemd.

Voor pulsen waarvan de flanken zeer scherp (snel) stijgen en dalen, wordt de breedte van dergelijke pulsen gemeten vanaf het begin van de puls genaamd de voorflank tot aan het einde van de puls genaamd de achterflank, dit wordt getoond in figuur 22.19a.

Voor pulsen die tamelijk langzamere of langzamere stijg- en daalcycli hebben (exponentieel type), wordt hun pulsbreedte gemeten over hun 50% niveaus in de cycli, zoals aangegeven in Fig. 22.19b.

Het volgende opgeloste voorbeeld helpt om de bovenstaande procedure op een betere manier te begrijpen:

DE PULSVERTRAGING BEGRIJPEN

De tijdsintervalruimte tussen de pulsen in een pulscyclus wordt pulsvertraging genoemd. Een voorbeeld van een pulsvertraging is te zien in de onderstaande afbeelding 22.21, we kunnen zien dat de vertraging hier wordt gemeten tussen het middelpunt of het 50% -niveau en het startpunt van de puls.

Figuur 22.21

Praktisch opgelost voorbeeld dat laat zien hoe pulsvertraging in CRO kan worden gemeten

Gevolgtrekking:

Ik heb geprobeerd de meeste basisdetails op te nemen over hoe Cathode Ray Oscilloscope (CRO) werkt, en heb geprobeerd uit te leggen hoe dit apparaat te gebruiken voor het meten van verschillende op frequentie gebaseerde signalen via het gekalibreerde scherm. Er kunnen echter nog veel meer aspecten zijn die ik hier misschien heb gemist, maar ik zal het van tijd tot tijd blijven controleren en meer informatie bijwerken wanneer dat mogelijk is.

Referentie: https://en.wikipedia.org/wiki/Oscilloscoop