Cathode Ray Oscilloscopes - Arbets- och driftsdetaljer

I det här inlägget kommer vi att diskutera hur Cathode Ray Oscilloscopes (CRO) fungerar och dess interna konstruktion. Vi kommer också att lära oss hur man använder en CRO med hjälp av de olika kontrollerna och förstå de grafiska representationerna av de olika insignalerna på skärmens omfång.

Betydelsen av katodstråleoscilloskop (CRO)

Vi vet att majoriteten av de elektroniska kretsarna strikt involverar och arbetar med elektronisk vågform eller digital vågform, som normalt produceras som en frekvens. Dessa signaler spelar en viktig roll i sådana kretsar i form av ljudinformation, datadata, TV-signaler, oscillatorer och timinggeneratorer (som tillämpas i radar) etc. Därför blir mätning av dessa parametrar exakt och korrekt mycket viktigt när man testar och felsöker dessa typer av kretsar

De allmänt tillgängliga mätarna som digitala multimetrar eller analoga multimetrar har begränsade möjligheter och kan bara mäta likspännings- eller växelspänningar, strömmar eller impedanser. Vissa avancerade mätare kan mäta växelströmssignaler men bara om signalen är mycket förfinad och i form av specifika oförvrängda sinusformade signaler. Därför misslyckas dessa mätare med att analysera kretsar som involverar vågform och tidsinställda cykler.

Däremot är ett oscilloskop en anordning som är utformad för att acceptera och mäta vågformen exakt så att användaren kan visualisera formen på pulsen eller vågformen praktiskt taget.

CRO är ett av de högkvalitativa oscilloskop som gör det möjligt för användaren att se en visuell representation av en applicerad vågform i fråga.

Den använder ett katodstrålerör (CRT) för att generera den visuella displayen som motsvarar signalen som appliceras vid ingången som en vågform.

Elektronstrålen inuti CRT går genom avböjda rörelser (sveper) över rörets yta (skärm) som svar på insignalerna och skapar ett visuellt spår på skärmen som representerar vågformen. Dessa kontinuerliga spår tillåter sedan användaren att undersöka vågformen och testa dess egenskaper.

Funktionen hos ett oscilloskop för att producera den faktiska bilden av vågformen blir mycket hjälpsam jämfört med digitala multimetrar som bara kan ge numeriska värden för vågformen.

Som vi alla vet arbetar katodstråleoscilloskop med elektronstrålar för att indikera de olika avläsningarna på oscilloskopskärmen. För att avböja eller bearbeta strålen horisontellt kallas en operation svepspänning inkorporeras, medan den vertikala behandlingen utförs av den ingångsspänning som mäts.

KATODSTRÅLRÖR - TEORI OCH INTERN KONSTRUKTION

Inuti ett katodstråleoscilloskop (CRO) blir katodstråleröret (CRT) huvudkomponenten i enheten. CRT blir ansvarig för att generera den komplexa vågformen på bilden.

CRT består i grunden av fyra delar:

1. En elektronpistol för att generera elektronstrålen.
2. Fokusera och accelerera komponenter för att skapa en korrekt elektronstråle.
3. Horisontella och vertikala avböjningsplattor för att manipulera elektronstrålens vinkel.
4. En evakuerad glaskabinett belagd med fosforescerande skärm för att skapa det synliga glöd som krävs som svar på elektronstrålens slag mot dess yta.

Följande figur visar de grundläggande konstruktionsdetaljerna för en CRT

Låt oss nu förstå hur CRT fungerar med sina grundläggande funktioner.

Hur Cathode Ray Oscilloscope (CRO) fungerar

En varm glödtråd inuti CRT används för att värma katodsidan (K) på röret som består av en oxidbeläggning. Detta resulterar i en omedelbar frisättning av elektroner från katodytan.

Ett element som kallas kontrollnätet (G) styr mängden elektroner som kan passera längre över rörlängden. Spänningsnivån som appliceras på nätet bestämmer mängden elektroner som frigörs från den uppvärmda katoden och hur många av dem som får röra sig framåt mot rörets yta.

När elektronerna överträffar kontrollnätet går de igenom efterföljande fokusering i en skarp stråle och en snabb hastighetsacceleration med hjälp av anodacceleration.

Denna starkt accelererade elektronstråle i nästa fas passeras mellan ett par uppsättningar av avböjningsplattor. Vinkeln eller orienteringen hos den första plattan hålls på ett sådant sätt att den avböjer elektronstrålen vertikalt uppåt eller nedåt. Detta styrs i sin tur av den spänningspolaritet som appliceras över dessa plattor.

Också av hur mycket avböjningen på strålen tillåts bestäms av mängden spänning som appliceras på plattorna.

Denna kontrollerade avböjda stråle går sedan igenom mer acceleration genom extremt höga spänningar som appliceras på röret, vilket slutligen får strålen att träffa den fosforescerande skiktbeläggningen på rörets insida.

Detta gör att fosforet omedelbart glöder som svar på att elektronstrålen slår och genererar det synliga glödet på skärmen för användaren som hanterar omfånget.

CRT är en oberoende komplett enhet med lämpliga terminaler utskjutna via en bakre bas i specifika pinouts.

Olika former av CRT finns på marknaden i många olika dimensioner, med distinkta fosforbelagda rör och avböjningselektrodpositionering.

Låt oss nu tänka på hur CRT används i ett oscilloskop.

Vågformsmönstren som vi visualiserar för en given samplingssignal körs på detta sätt:

När svepspänningen rör sig elektronstrålen horisontellt på CRT-skärmens inre yta, tvingar insignalen som mäts samtidigt strålen att avböjas vertikalt och genererar det önskade mönstret på skärmdiagrammet för vår analys.

Vad är en enda svepning

Varje svepning av elektronstrålen på CRT-skärmen följs med ett fraktionerat 'tomt' tidsintervall. Under denna blanka fas stängs strålen kort av tills den når till startpunkten eller föregående extrema sida av skärmen. Denna cykel för varje svep kallas 'ett svep av strålen'

För att få en stabil vågformsvisning på skärmen ska elektronstrålen 'sopas' upprepade gånger från vänster till höger och vice versa med en identisk avbildning för varje svep.

För att uppnå detta blir en operation som kallas synkronisering nödvändig, vilket säkerställer att strålen återvänder och upprepar varje svep från exakt samma punkt på skärmen.

När den är korrekt synkroniserad ser vågformsmönstret ut på skärmen stabilt och konstant. Om synkroniseringen inte tillämpas verkar emellertid vågformen långsamt glida horisontellt från ena änden av skärmen mot den andra änden kontinuerligt.

Grundläggande CRO-komponenter

De väsentliga delarna av en CRO kan ses i figur 22.2 nedan. Vi kommer i första hand att analysera CRO: s operativa detaljer för detta grundläggande blockschema.

För att uppnå en meningsfull och igenkännbar avböjning av strålen genom minst en centimeter till några centimeter, måste den typiska spänningsnivå som används på avböjningsplattorna vara minst vid tiotals eller till och med hundratals volt.

På grund av det faktum att pulserna som bedöms genom en CRO vanligtvis bara är några volt i storlek, eller högst vid flera millivolt, blir lämpliga förstärkarkretsar nödvändiga för att öka insignalen upp till de optimala spänningsnivåer som krävs för att driva röret.

I själva verket används förstärkningssteg som hjälper till att avböja strålen på både det horisontella och det vertikala planet.

För att kunna anpassa insignalnivån som analyseras måste varje ingångspuls gå igenom ett dämpningskretssteg, utformat för att förstärka displayens amplitud.

SPÄNNINGSSVÄNNING

Spänningssvepoperationen genomförs på följande sätt:

I situationer där den vertikala ingången hålls vid 0V, ska elektronstrålen ses i den vertikala mitten av skärmen. Om en 0V appliceras identiskt på den horisontella ingången, placeras strålen i mitten av skärmen och ser ut som en solid och pappersvaror PUNKT i mitten.

Nu kan denna 'punkt' flyttas var som helst över skärmens ansikte, helt enkelt genom att manipulera oscilloskopets horisontella och vertikala kontrollknappar.

Punktens position kan också ändras genom en specifik likspänning som införs vid ingången till oscilloskopet.

Följande bild visar hur exakt punktens position kunde styras genom på en CRT-skärm genom en positiv horisontell spänning (mot höger) och en negativ vertikal ingångsspänning (nedåt från mitten).

Horisontell svepsignal

För att en signal ska bli synlig på CRT-skärmen blir det absolut nödvändigt att möjliggöra en strålböjning genom ett horisontellt svep över skärmen, så att varje motsvarande vertikal signalingång gör att ändringen kan reflekteras på skärmen.

Från fig 22.4 nedan kan vi visualisera den raka linjen på skärmen som erhålls på grund av en positiv spänningsmatning till den vertikala ingången genom en linjär (sågtand) svepssignal applicerad på den horisontella kanalen.

När elektronstrålen hålls över ett valt fast vertikalt avstånd tvingas den horisontella spänningen att förflytta sig från negativ till noll till positiv, vilket får strålen att färdas från skärmens vänstra sida, till centrum och till höger om skärm. Denna rörelse hos elektronstrålen genererar en rak linje ovanför den vertikala mittreferensen och visar en lämplig likspänning i form av en stjärnljuslinje.

I stället för att producera en enda svep implementeras svepspänningen för att fungera som en kontinuerlig vågform. Detta är i huvudsak för att säkerställa en konsekvent skärm som syns på skärmen. Om bara ett enda svep används, skulle det inte hålla och skulle blekna omedelbart.

Det är därför som upprepade svep genereras per sekund inuti CRT, vilket ger en kontinuerlig vågform på skärmen på grund av vår bestående syn.

Om vi ​​sänker ovanstående svephastighet beroende på tidsskalan som ges på oscilloskopet, skulle det verkliga rörliga intrycket av strålen kunna bevittnas på skärmen. Om endast en sinusformad signal appliceras på den vertikala ingången utan närvaron av den horisontella svepningen, skulle vi se en vertikal rak linje som avbildad i figur 22.5.

Och om hastigheten för denna sinusformade vertikala ingång är tillräckligt reducerad gör det möjligt för oss att se elektronstrålen färdas upp längs vägen för en rak linje.

Använd linjär sågtandssvep för att visa vertikal ingång

Om du är intresserad av att undersöka en sinusvågsignal måste du använda en svepsignal på den horisontella kanalen. Detta gör att signalen som appliceras på den vertikala kanalen blir synlig på skärmen på CRO.

Ett praktiskt exempel kan ses i figur 22.6 som visar en vågform som genereras genom att använda en horisontell linjär svepning tillsammans med en sinusformad eller sinusinmatning genom den vertikala kanalen.

För att få en enda cykel på skärmen för den applicerade ingången blir en synkronisering av insignalen och de linjära svepfrekvenserna nödvändiga. Även med en minutskillnad eller felaktig synkronisering kan displayen misslyckas med att visa någon rörelse.

Om svepfrekvensen minskar kan mer antal cykler av sinusingångssignalen synas på CRO-skärmen.

Å andra sidan, om vi ökar frekvensen för svepningen skulle det tillåta lägre antal vertikala ingångssinuscykler att visas på skärmen. Detta skulle faktiskt resultera i att en förstorad del av den applicerade insignalen genereras på CRO-skärmen.

Löst praktiskt exempel:

I figur 22.7 kan vi se oscilloskopskärmen som visar en pulsad signal som svar på en pulsliknande vågform applicerad på den vertikala ingången med ett horisontellt svep

Numreringen för varje vågform gör att skärmen kan följa variationerna i insignalen och svepspänningen för varje cykel.

SYNKRONISERING OCH TRIGGERING

Justeringar i katodstråleoscilloskop utförs genom att justera hastigheten i termer av frekvens för att producera en enda cykel av en puls, många antal cykler eller en del av en vågformscykel, och denna funktion blir en av CRO är en avgörande funktion av någon CRO.

I figur 22.8 kan vi se CRO-skärmen som visar ett svar under några få cykler av svepssignalen.

För varje utförande av horisontell sågtandssvepsspänning via en linjär svepcykel (med en gräns från maximal negativ gräns på noll till maximal positiv), får elektronstrålen att vandra horisontellt över CRO-skärmområdet, från vänster, till centrum och sedan till höger om skärmen.

Efter detta återgår sågtandsspänningen snabbt till den negativa startgränsen med elektronstrålen som motsvarande rör sig till vänster sida av skärmen. Under denna tidsperiod när svepspänningen genomgår en snabb återgång till det negativa (återspårning), går elektronen genom en tom fas (varvid nätspänningen hindrar elektronerna från att träffa rörets yta)

För att möjliggöra för skärmen att producera en stabil signalbild för varje svep av strålen blir det viktigt att initiera svepningen från exakt samma punkt i insignalcykeln.

I figur 22.9 kan vi se att en ganska låg svepfrekvens orsakar att skärmen ger ett utseende av strålens vänstra sida.

När den är inställd på en hög svepfrekvens, vilket bevisats i figur 22.10, visar skärmen en strålning på höger sida av strålen på skärmen.

Det behöver inte sägas att det kan vara mycket svårt eller opraktiskt att justera svepsignalfrekvensen exakt lika med insignalens frekvens för att uppnå en stadig eller konstant svepning på skärmen.

En mer genomförbar lösning är att vänta på att signalen återvänder till startpunkten för spåret i en cykel. Denna typ av utlösning innehåller några bra funktioner som vi kommer att diskutera i följande stycken.

Triggering

Standardmetoden för synkronisering använder en liten del av insignalen för omkoppling av svepgeneratorn, som tvingar svepsignalen att spärras eller låsa in sig med insignalen, och denna process synkroniserar de två signalerna tillsammans.

I Fig 22.11 kan vi se blockschemat som illustrerar extraktionen av en del av insignalen i a enkelkanalsoscilloskop.

Denna utlösarsignal extraheras från nätets växelströmslinjefrekvens (50 eller 60Hz) för analys av eventuella externa signaler som kan vara associerade eller berörda nätströmmen, eller kan vara en relaterad signal applicerad som en vertikal ingång i CRO.

När väljaromkopplaren växlas mot 'INTERNAL' gör det möjligt att använda en del av insignalen av utlösargeneratorkretsen. Därefter används utgångsutlösargeneratorns utgång för att initiera eller starta CRO: s huvudsvep, som förblir synlig under en period som ställs in av tid / cm-kontrollen av omfånget.

Initialiseringen av utlösningen vid flera olika punkter över en signalcykel kan visualiseras i figur 22.12. Funktionen för avtryckarsvep kan också analyseras genom de resulterande vågformsmönstren.

Signalen som appliceras som ingången används för att generera en utlösningsvågform för svepsignalen. Såsom visas i fig 22.13 initieras svepningen med insignalcykeln och den kvarstår under en period som bestäms av inställningen för sveplängdskontroll. Därefter väntar CRO-operationen tills insignalen når en identisk punkt i sin cykel innan en ny svepoperation initieras.

Ovanstående förklarade utlösningsmetod möjliggör synkroniseringsprocessen, medan antalet cykler som kan visas på displayen bestäms av längden på svepssignalen.

MULTITRASFUNKTION

Många av de avancerade CRO: erna underlättar visning av mer än en eller flera spår på skärmen samtidigt, vilket gör det möjligt för användaren att enkelt jämföra de speciella eller andra specifika egenskaperna hos flera vågformer.

Denna funktion implementeras normalt med hjälp av flera strålar från flera elektronkanoner, som genererar enskilda strålar på CRO-skärmen, men ibland utförs detta också genom en enda elektronstråle.

Det finns ett par tekniker som används för att generera flera spår: ALTERNATE och CHOPPED. I det alternativa läget är de två signalerna som finns tillgängliga vid ingången alternerande anslutna till avböjningskretssteget via en elektronisk omkopplare. I det här läget svepas strålen över CRO-skärmen oavsett hur många spår som ska visas. Efter detta väljer den elektroniska omkopplaren alternativt den andra signalen och gör detsamma för denna signal också.

Detta driftsätt kan ses i figur 22.14a.

Fig 22.14b visar CHOPPED-funktionssättet där strålen går igenom en upprepad omkoppling för att välja mellan de två ingångssignalerna för varje svepsignal från strålen. Denna omkopplings- eller hugghandling förblir oupptäckbar för relativt lägre frekvenser av signalen och ses tydligen som två individuella spår på CRO-skärmen.

Hur man mäter vågform genom kalibrerade CRO-skalor

Du kanske har sett att skärmen på CRO-skärmen består av en tydligt kalibrerad skala. Detta tillhandahålls för mätningar av amplituder och tidsfaktor för en applicerad vågform i fråga.

De markerade enheterna är synliga som lådor som är uppdelade i 4 centimeter (cm) på vardera sidan om lådorna. Var och en av dessa lådor är dessutom uppdelad i intervaller på 0,2 cm.

Mätning av amplituder:

Den vertikala skalan på RO-skärmen kan ses kalibrerad i antingen volt / cm (V / cm) eller millivolt / cm (mV / cm).

Med hjälp av inställningarna för omfångets kontrollknappar och markeringarna som visas på skärmens framsida kan användaren mäta eller analysera topp-till-topp-amplituderna för en vågformssignal eller typiskt en växelströmssignal.

Här är ett praktiskt löst exempel för att förstå hur amplitud mäts på skärmen på CRO:

Obs: Detta är fördelen med ett oscilloskop mot multimetrar, eftersom multimetrar endast tillhandahåller RMS-värdet för växelströmsignalen, medan ett omfång kan tillhandahålla både värdet på RMS såväl som signalens topp-till-topp-värde.

Mätning av tid (period) för en växelströmscykel med Oscilloskop

Den horisontella skalan som tillhandahålls på ett oscilloskop hjälper oss att bestämma tidpunkten för en inmatningscykel i sekunder, i millisekunder (ms) och i mikrosekunder (μs) eller till och med i nanosekunder (ns).

Tidsintervallet som förbrukas av en puls för att slutföra en cykel från början till slut kallas pulsperioden. När denna puls har formen av en upprepad vågform kallas dess period en cykel av vågformen.

Här är ett praktiskt löst exempel som visar hur man bestämmer perioden för en vågform med CRO-skärmkalibrering:

Mäta pulsbredd

Varje vågform består av maximala och minsta spänningstoppar som kallas som höga och låga tillstånd för pulsen. Tidsintervallet för vilket pulsen förblir i dess HÖGA eller LÅGA tillstånd kallas pulsbredden.

För pulser vars kanter stiger och minskar mycket kraftigt (snabbt), mäts bredden av sådana pulser från början av pulsen kallad framkant upp till slutet av pulsen som kallas bakkant, detta visas i fig 22.19a.

För pulser som har ganska långsammare eller tröga stignings- och fallcykler (exponentiell typ) mäts deras pulsbredd över deras 50% -nivåer i cyklerna, såsom indikeras i Fig. 22.19b.

Följande lösta exempel hjälper till att förstå ovanstående procedur på ett bättre sätt:

FÖRSTÅ PULSFÖRDRÖJNING

Tidsintervallutrymmet mellan pulserna i en pulscykel kallas pulsfördröjning. Ett pulsfördröjningsexempel kan ses i nedanstående figur 22.21, vi kan se fördröjningen här mäts mellan mittpunkten eller 50% -nivån och startpunkten för pulsen.

Bild 22.21

Praktiskt löst exempel som visar hur man mäter pulsfördröjning i CRO

Slutsats:

Jag har försökt att inkludera de flesta grundläggande detaljer om hur Cathode Ray Oscilloscope (CRO) fungerar, och har försökt förklara hur man använder denna enhet för att mäta olika frekvensbaserade signaler genom sin kalibrerade skärm. Men det kan fortfarande finnas många fler aspekter som jag kanske har missat här, ändå kommer jag att fortsätta kontrollera då och då och uppdatera mer info när det är möjligt.

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