Cathode Ray Oscilloscopes - Arbeids- og operasjonsdetaljer

I dette innlegget vil vi diskutere hvordan Cathode Ray Oscilloscopes (CRO) fungerer og dens interne konstruksjon. Vi vil også lære å bruke en CRO ved å bruke de forskjellige kontrollene og forstå de grafiske representasjonene av de forskjellige inngangssignalene på skjermbildet for omfanget.

Viktigheten av katodestråleoscilloskoper (CRO)

Vi vet at flertallet av de elektroniske kretsene strengt involverer og arbeider ved bruk av elektronisk bølgeform eller digital bølgeform, som normalt produseres som en frekvens. Disse signalene spiller en viktig rolle i slike kretser i form av lydinformasjon, datamaskindata, TV-signaler, oscillatorer og tidsgeneratorer (slik de brukes i radarer) osv. Derfor blir det veldig viktig å måle disse parametrene nøyaktig og riktig mens vi tester og feilsøker disse typene. av kretser

De vanlig tilgjengelige målere som digitale multimetre eller analoge multimetre har begrensede fasiliteter og er i stand til å måle DC- eller AC-spenninger, strømmer eller impedanser. Noen avanserte målere er i stand til å måle vekselstrømssignaler, men bare hvis signalet er svært raffinert og i form av spesifikke uforvrengte sinusformede signaler. Derfor tjener ikke disse målerne formålet når det gjelder å analysere kretser som involverer bølgeform og tidsbestemte sykluser.

Derimot er et oscilloskop en enhet som er designet for å akseptere og måle bølgeform nøyaktig slik at brukeren kan visualisere formen på pulsen eller bølgeformen praktisk talt.

CRO er et av de oscilloskopene av høy kvalitet som lar brukeren se en visuell fremstilling av en anvendt bølgeform.

Den benytter et katodestrålerør (CRT) for å generere det visuelle displayet som tilsvarer signalet som påføres inngangen som en bølgeform.

Elektronstrålen inne i CRT går gjennom avbøyde bevegelser (feier) over røret (skjermen) som svar på inngangssignalene, og skaper et visuelt spor på skjermen som representerer bølgeformen. Disse kontinuerlige sporene lar brukeren deretter undersøke bølgeformen og teste egenskapene.

Funksjonen til et oscilloskop for å produsere det faktiske bildet av bølgeformen blir veldig nyttig sammenlignet med digitale multimeter som bare er i stand til å gi numeriske verdier av bølgeformen.

Som vi alle vet, fungerer katodestråleoscilloskoper med elektronstråler for å indikere de forskjellige målingene på oscilloskopskjermen. For å avbøye eller behandle strålen horisontalt, kalles en operasjon feiespenning er innlemmet, mens den vertikale behandlingen gjøres av inngangsspenningen som måles.

KATODESTRÅLERØR - TEORI OG INTERN KONSTRUKSJON

Inne i et katodestråleoscilloskop (CRO) blir Cathode Ray Tube (CRT) hovedkomponenten i enheten. CRT blir ansvarlig for å generere den komplekse bølgeformbildet på skjermen av omfanget.

CRT består i utgangspunktet av fire deler:

1. En elektronpistol for å generere elektronstrålen.
2. Fokusere og akselerere komponenter for å skape nøyaktig elektronstråle.
3. Horisontale og vertikale avbøyende plater for å manipulere vinkelen til elektronstrålen.
4. Et evakuert glassinnkapsling belagt med fosforescerende skjerm for å skape den nødvendige synlige gløden som svar på elektronstrålens slag på overflaten

Figuren nedenfor viser de grunnleggende konstruksjonsdetaljene til en CRT

La oss nå forstå hvordan CRT fungerer med sine grunnleggende funksjoner.

Hvordan Cathode Ray Oscilloscope (CRO) fungerer

En varm filament inne i CRT brukes til å varme opp katoden (K) siden av røret bestående av et oksydbelegg. Dette resulterer i en øyeblikkelig frigjøring av elektroner fra katodeoverflaten.

Et element kalt kontrollrutenettet (G) styrer mengden elektroner som kan passere lenger over rørlengden. Spenningsnivået på nettet bestemmer mengden elektroner som frigjøres fra den oppvarmede katoden, og hvor mange av dem som får lov til å bevege seg fremover mot røret.

Når elektronene overgår kontrollrutenettet, går de gjennom påfølgende fokusering i en skarp stråle og en høyhastighetsakselerasjon ved hjelp av anode-akselerasjon.

Denne sterkt akselererte elektronstrålen i neste fase føres mellom et par sett med avbøyningsplater. Vinkelen eller retningen til den første platen holdes på en slik måte at den avbøyer elektronstrålen vertikalt opp eller ned. Dette blir igjen styrt av spenningspolariteten påført over disse platene.

Også av hvor mye avbøyningen på strålen er tillatt bestemmes av mengden spenning som påføres på platene.

Denne kontrollerte avbøyde strålen går deretter gjennom mer akselerasjon gjennom ekstremt høye spenninger påført røret, noe som til slutt får strålen til å treffe det fosforescerende lagbelegget på innsiden av røret.

Dette får øyeblikkelig fosfor til å gløde som svar på treffet av elektronstrålen som genererer den synlige gløden på skjermen for brukeren som håndterer omfanget.

CRT er en uavhengig komplett enhet med passende terminaler stukket ut via en bakre base i spesifikke pinouts.

Ulike former for CRT er tilgjengelig i markedet i mange forskjellige dimensjoner, med distinkte fosforbelagte rør og avbøyningselektrodeposisjonering.

La oss nå tenke på hvordan CRT brukes i et oscilloskop.

Bølgeformmønstrene som vi visualiserer for et gitt prøvesignal, utføres på denne måten:

Når svepespenningen beveger elektronstrålen horisontalt på den indre siden av CRT-skjermen, tvinger inngangssignalet som måles strålen samtidig til å avbøyes vertikalt, og genererer det nødvendige mønsteret på skjermgrafen for analysen vår.

Hva er en enkelt feie

Hver feiing av elektronstrålen på CRT-skjermen følges med et fraksjonelt 'blankt' tidsintervall. I løpet av denne blanke fasen blir strålen kort slått AV til den når startpunktet eller forrige ekstreme side av skjermen. Denne syklusen av hver fei kalles 'ett sveip av strålen'

For å oppnå en stabil bølgeformdisplay på skjermen, skal elektronstrålen 'feies' gjentatte ganger fra venstre til høyre og omvendt ved å bruke en identisk bildebehandling for hver feie.

For å oppnå dette blir en operasjon kalt synkronisering nødvendig, som sikrer at strålen returnerer og gjentar hver feiing fra nøyaktig samme punkt på skjermen.

Når den er riktig synkronisert, ser bølgeformmønsteret ut på skjermen stabil og konstant. Men hvis synkroniseringen ikke blir brukt, ser det ut til at bølgeformen sakte går horisontalt fra den ene enden av skjermen mot den andre enden kontinuerlig.

Grunnleggende CRO-komponenter

De essensielle elementene i en CRO kan sees i figur 22.2 nedenfor. Vi skal først og fremst analysere CROs operasjonelle detaljer for dette grunnleggende blokkdiagrammet.

For å oppnå en meningsfull og gjenkjennelig avbøyning av strålen gjennom minst en centimeter til noen centimeter, må det typiske spenningsnivået som brukes på avbøyningsplatene være minst ti eller til og med hundrevis av volt.

På grunn av det faktum at pulser som vurderes gjennom en CRO vanligvis bare på noen få volt i størrelse, eller maksimalt på flere millivolt, blir passende forsterkerkretser nødvendige for å øke inngangssignalet opp til de optimale spenningsnivåene som er nødvendige for å kjøre røret.

Faktisk brukes forsterkertrinn som hjelper til med å avlede strålen på både det horisontale og vertikale planet.

For å være i stand til å tilpasse inngangssignalnivået som blir analysert, må hver inngangspuls gå gjennom et dempekretsstrinn, designet for å forbedre amplituden til skjermen.

DRIFT AV SPENNINGSFEI

Spenningssveipoperasjonen implementeres på følgende måte:

I situasjoner når den vertikale inngangen holdes på 0V, skal elektronstrålen sees i det vertikale sentrum av skjermen. Hvis en 0V påføres den horisontale inngangen identisk, plasseres strålen i midten av skjermen og ser ut som en solid og skrivesaker PUNKTUM i sentrum.

Nå kan denne 'prikken' flyttes hvor som helst over skjermen, ganske enkelt ved å manipulere de horisontale og de vertikale kontrollknappene til oscilloskopet.

Posisjonen til prikken kan også endres gjennom en bestemt likestrømsspenning innført ved inngangen til oscilloskopet.

Følgende figur viser hvordan nøyaktig posisjonen til prikken kunne styres gjennom på en CRT-skjerm gjennom en positiv horisontal spenning (mot høyre) og en negativ vertikal inngangsspenning (nedover fra midten).

Horisontalt feiesignal

For at et signal skal bli synlig på CRT-skjermen, blir det viktig å aktivere en strålebøyning gjennom et horisontalt sveip over skjermen, slik at en hvilken som helst tilsvarende vertikal signalinngang gjør at endringen kan reflekteres på skjermen.

Fra figur 22.4 nedenfor kan vi visualisere den rette linjen på skjermen oppnådd på grunn av en positiv spenningstilførsel til den vertikale inngangen gjennom et lineært (sagetann) sveipesignal påført den horisontale kanalen.

Når elektronstrålen holdes over en valgt fast vertikal avstand, blir den horisontale spenningen tvunget til å bevege seg fra negativ til null til positiv, noe som får strålen til å bevege seg fra venstre side av skjermen, til sentrum og til høyre side av skjerm. Denne bevegelsen av elektronstrålen genererer en rett linje over den midtre vertikale referansen, og viser en passende likestrømsspenning i form av en stjernelyslinje.

I stedet for å produsere en enkelt feie, blir feiespenningen implementert for å fungere som en kontinuerlig bølgeform. Dette er egentlig for å sikre at en jevn skjerm blir synlig på skjermen. Hvis bare en enkelt feie brukes, vil den ikke vare og vil falme ut umiddelbart.

Derfor genereres gjentatte feier per sekund inne i CRT, som gir en kontinuerlig bølgeform på skjermen på grunn av vårt vedvarende syn.

Hvis vi reduserer ovennevnte feiehastighet avhengig av tidsskalaen som er gitt på oscilloskopet, kan det virkelige bevegelige inntrykket av bjelken bli vitne til på skjermen. Hvis bare et sinusformet signal blir påført den vertikale inngangen uten tilstedeværelse av horisontal feie, vil vi se en vertikal rett linje som vist i figur 22.5.

Og hvis hastigheten på denne sinusformede vertikale inngangen er tilstrekkelig redusert, kan vi se elektronstrålen bevege seg oppover langs banen til en rett linje.

Ved å bruke lineær sagtannfeie for å vise vertikal inngang

Hvis du er interessert i å undersøke et sinusbølgesignal, må du bruke et feiesignal på den horisontale kanalen. Dette vil tillate at signalet som brukes på den vertikale kanalen blir synlig på skjermen til CRO.

Et praktisk eksempel kan sees i figur 22.6 som viser en bølgeform generert ved å benytte en horisontal lineær fei sammen med en sinusformet eller sinusinngang gjennom den vertikale kanalen.

For å oppnå en enkelt syklus på skjermen for den påførte inngangen, blir en synkronisering av inngangssignalet og de lineære sveipfrekvensene avgjørende. Selv med et minutts forskjell eller feil synkronisering, kan det hende at skjermen ikke viser noen bevegelse.

Hvis sveipfrekvensen reduseres, kan flere sykluser av sinusinngangssignalet bli synliggjort på CRO-skjermen.

På den annen side, hvis vi øker frekvensen av feien, vil det tillate lavere antall vertikale inngangssinussignalsykluser å være synlige på skjermen. Dette vil faktisk resultere i å generere en forstørret del av det påførte inngangssignalet på CRO-skjermen.

Løst praktisk eksempel:

I figur 22.7 kan vi se oscilloskopskjermen som viser et pulssignal som svar på en pulslignende bølgeform påført den vertikale inngangen med et horisontalt sveip

Nummereringen for hver bølgeform gjør det mulig for skjermen å følge variasjonene av inngangssignalet og feiespenningen for hver syklus.

SYNKRONISERING OG TRIGGERING

Justeringer i katodestråleoscilloskop utføres ved å justere hastigheten når det gjelder frekvens, for å produsere en enkelt pulssyklus, mange sykluser, eller en del av en bølgeformsyklus, og denne funksjonen blir en av CRO er en avgjørende funksjon av en hvilken som helst CRO.

I figur 22.8 kan vi se CRO-skjermen som viser et svar i noen få sykluser av feiesignalet.

For hver utførelse av horisontal feiespenning på sagetann via en lineær sveipesyklus (som har en grense fra maksimal negativ grense på null til maksimal positiv), får elektronstrålen til å vandre horisontalt over CRO-skjermområdet, fra venstre, til sentrum og deretter til høyre for skjermen.

Etter dette returnerer sagtannsspenningen raskt tilbake til startgrensen for negativ spenning med elektronstrålen som tilsvarende beveger seg til venstre side av skjermen. I løpet av denne tidsperioden når sveipespenningen gjennomgår en rask tilbakevending til det negative (tilbakesporingen), går elektronen gjennom en tom fase (hvor nettspenningen hindrer elektronene i å treffe ansiktet på røret)

For å gjøre det mulig for skjermen å produsere et stabilt signalbilde for hver feiing av strålen, blir det viktig å starte sveipingen fra nøyaktig samme punkt i inngangssignalsyklusen.

I figur 22.9 kan vi se at en ganske lav sveipfrekvens forårsaker at skjermen gir et utseende av en stråling på venstre side.

Når den er satt til en høy sveipefrekvens som vist i figur 22.10, gir skjermen et utseende av en stråling fra høyre side av strålen på skjermen.

Det er unødvendig å si at det kan være veldig vanskelig eller upraktisk å justere svepesignalfrekvensen nøyaktig lik inngangssignalfrekvensen for å oppnå en jevn eller konstant feiing på skjermen.

En mer gjennomførbar løsning er å vente på at signalet kommer tilbake til startpunktet for sporet i en syklus. Denne typen utløsere inkluderer noen gode funksjoner som vi vil diskutere i de følgende avsnittene.

Utløser

Standardmetoden for synkronisering benytter en liten del av inngangssignalet for å bytte sveipgeneratoren, som tvinger feiesignalet til å låses eller låses sammen med inngangssignalet, og denne prosessen synkroniserer de to signalene sammen.

I figur 22.11 kan vi se blokkdiagrammet som illustrerer ekstraksjonen av en del av inngangssignalet i a enkeltkanalsoscilloskop.

Dette utløsersignalet trekkes ut fra strømnettfrekvens (50 eller 60Hz) for å analysere eventuelle eksterne signaler som kan være tilknyttet eller opptatt av strømnettet, eller som kan være et relatert signal som brukes som en vertikal inngang i CRO.

Når velgerbryteren veksles mot 'INTERNAL', kan en del av inngangssignalet brukes av utløsergeneratorkretsen. Deretter blir utgangsutløsergeneratorutgangen brukt til å starte eller starte hovedfeien til CRO, som forblir synlig i en periode som angitt av tid / cm-kontrollen av omfanget.

Initialiseringen av utløseren på flere forskjellige punkter over en signalsyklus kan visualiseres i figur 22.12. Funksjonen til utløserfeien kan også analyseres gjennom de resulterende bølgeformmønstrene.

Signalet som påføres som inngangen brukes til å generere en utløserbølgeform for svepesignalet. Som vist i figur 22.13 initieres feiingen med inngangssignalsyklusen og den opprettholder i en periode som er bestemt av innstillingen for sveipelengdekontrollen. Deretter venter CRO-operasjonen til inngangssignalet oppnår et identisk punkt i syklusen før den starter en ny feieoperasjon.

Ovennevnte forklarte utløsermetode muliggjør synkroniseringsprosessen, mens antall sykluser som kan vises på displayet bestemmes av lengden på feiesignalet.

MULTITRACE-FUNKSJON

Mange av de avanserte CRO-ene letter visning av mer enn ett eller flere spor på skjermen samtidig, noe som gjør det mulig for brukeren å sammenligne de spesielle eller andre spesifikke egenskapene til flere bølgeformer.

Denne funksjonen implementeres normalt ved hjelp av flere stråler fra flere elektronkanoner, som genererer individuell stråle på CRO-skjermen, men noen ganger utføres dette også gjennom en enkelt elektronstråle.

Det er et par teknikker som brukes for å generere flere spor: ALTERNATE og CHOPPED. I den alternative modusen er de to signalene som er tilgjengelige på inngangen, vekselvis koblet til avbøyningskretsstadiet gjennom en elektronisk bryter. I denne modusen blir strålen feid over CRO-skjermen uansett hvor mange spor som skal vises. Etter dette velger den elektroniske bryteren alternativt det andre signalet og gjør det samme for dette signalet også.

Denne driftsmåten kan sees i fig. 22.14a.

Fig. 22.14b viser CHOPPED-modusen der strålen går gjennom en gjentatt svitsjing for å velge mellom de to inngangssignalene for hvert sveipesignal fra strålen. Denne bytte- eller huggehandlingen forblir uoppdagelig for relativt lave frekvenser av signalet, og blir tilsynelatende sett på som to individuelle spor på CRO-skjermen.

Hvordan måle bølgeform gjennom kalibrerte CRO-skalaer

Du har kanskje sett at skjermen til CRO-skjermen består av tydelig merket kalibrert skala. Dette er gitt for målingene av amplituder og tidsfaktor for en anvendt bølgeform.

De merkede enhetene er synlige som bokser som er delt gjennom 4 centimeter (cm) på hver side av boksene. Hver av disse boksene er i tillegg delt inn i intervaller på 0,2 cm.

Måle amplituder:

Den vertikale skalaen på skjermen til RO kan sees kalibrert i enten volt / cm (V / cm) eller millivolt / cm (mV / cm).

Ved hjelp av innstillingene til kontrollknappene for omfanget og markeringene som vises på forsiden av skjermen, er brukeren i stand til å måle eller analysere topp-til-topp-amplitudene til et bølgeformssignal eller vanligvis et vekselstrømssignal.

Her er et praktisk løst eksempel for å forstå hvordan amplitude måles på skjermen til CRO:

Merk: Dette er fordelen med et oscilloskop mot multimeter, siden multimeter bare gir RMS-verdien til vekselstrømssignalet, mens et omfang er i stand til å gi både verdien av RMS så vel som topp-til-topp-verdien til signalet.

Måling av timing (periode) for en vekselstrømssyklus ved bruk av oscilloskop

Den horisontale skalaen som er gitt på skjermen til et oscilloskop hjelper oss med å bestemme tidspunktet for en inngangssyklus i sekunder, i millisekunder (ms) og i mikrosekunder (μs), eller til og med i nanosekunder (ns).

Tidsintervallet som brukes av en puls for å fullføre en syklus fra start til slutt, kalles pulsen. Når denne pulsen er i form av en repeterende bølgeform, kalles perioden en syklus av bølgeformen.

Her er et praktisk løst eksempel som viser hvordan du bestemmer perioden for en bølgeform ved hjelp av CRO-skjermkalibrering:

Måle pulsbredde

Hver bølgeform består av maksimale og minimale spenningstopper kalt som høye og lave tilstander av pulsen. Tidsintervallet som pulsen forblir i HØY eller LAV tilstand kalles pulsbredden.

For pulser der kantene stiger og synker veldig skarpt (raskt), måles bredden på slike pulser fra begynnelsen av pulsen kalt forkanten opp til slutten av pulsen kalt bakkanten, dette er vist i figur 22.19a.

For pulser som har ganske tregere eller svake stignings- og fall-sykluser (eksponentiell type), måles deres pulsbredde over 50% -nivået i syklusene, som indikert i figur 22.19b.

Følgende løste eksempel hjelper deg med å forstå fremgangsmåten ovenfor på en bedre måte:

FORSTÅELSE PULSFORSINKELSE

Tidsintervallområdet mellom pulser i en pulssyklus kalles pulsforsinkelse. Et eksempel på en pulsforsinkelse kan sees i nedenstående figur 22.21, vi kan se forsinkelsen her måles mellom midtpunktet eller 50% -nivået og startpunktet til pulsen.

Figur 22.21

Praktisk løst eksempel som viser hvordan man måler pulsforsinkelse i CRO

Konklusjon:

Jeg har prøvd å inkludere de fleste grunnleggende detaljene angående hvordan Cathode Ray Oscilloscope (CRO) fungerer, og har prøvd å forklare hvordan du bruker denne enheten til å måle forskjellige frekvensbaserte signaler gjennom den kalibrerte skjermen. Imidlertid kan det være mange flere aspekter som jeg kanskje har gått glipp av her, men jeg fortsetter å sjekke innimellom og oppdatere mer info når det er mulig.

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