אוסצילוסקופים של קתודי ריי - פרטי עבודה ותפעול

בפוסט זה נדון בהרחבה כיצד פועלים אוסצילוסקופים של קתודה ריי (CRO) ובנייתו הפנימית. כמו כן, נלמד כיצד להשתמש ב- CRO באמצעות הפקדים השונים ונבין את הייצוגים הגרפיים של אותות הקלט השונים על גבי מסך התצוגה של ההיקף.

חשיבותם של אוסצילוסקופי קתודה ריי (CRO)

אנו יודעים שרוב המעגלים האלקטרוניים מערבים ועובדים אך ורק באמצעות צורת גל אלקטרונית או צורת גל דיגיטלית, המופקים בדרך כלל כתדר. אותות אלה ממלאים תפקיד חשוב במעגלים כאלה בצורת מידע שמע, נתוני מחשב, אותות טלוויזיה, מתנדים ומחוללי תזמון (כפי שהם מיושמים במכ'מים) וכו '. לכן מדידת פרמטרים אלה בצורה מדויקת ונכונה הופכת להיות קריטית מאוד בעת בדיקה ופתרון בעיות מסוג זה. של מעגלים

למונים הנפוצים, כגון מולטימטר דיגיטלי או מולטימטר אנלוגי, יש מתקנים מוגבלים והם מסוגלים למדוד מתח, זרם או עכבות זרם מתח או זרם זרם בלבד. כמה מטרים מתקדמים מסוגלים למדוד אותות זרם זרם אך רק אם האות מעודן מאוד ובצורה של אותות סינוסואידיים לא מעוותים. מכאן שמטרים אלה אינם משרתים את המטרה בכל הנוגע לניתוח מעגלים הכוללים צורת גל ומחזורים מתוזמנים.

לעומת זאת אוסצילוסקופ הוא מכשיר אשר נועד לקבלת ומדידת צורת הגל באופן מדויק המאפשר למשתמש לדמיין את צורת הדופק או את צורת הגל באופן מעשי.

CRO הוא אחד מאותם אוסצילוסקופים ברמה גבוהה המאפשר למשתמש לראות ייצוג חזותי של צורת גל מיושמת המדוברת.

היא משתמשת בצינור קרן קתודה (CRT) ליצירת התצוגה החזותית המתאימה לאות המופעל בכניסה כצורת גל.

קרן האלקטרון בתוך ה- CRT עוברת בתנועות שהופנו (מטאטאות) על פני הצינור (מסך) בתגובה לאותות הקלט, ויוצרת עקבות חזותיים על המסך המייצגים את צורת צורת הגל. עקבות רציפים אלה מאפשרים למשתמש לבחון את צורת הגל ולבדוק את מאפייניו.

התכונה של אוסצילוסקופ להפקת התמונה בפועל של צורת הגל הופכת למועילה מאוד בהשוואה למולטימטר דיגיטלי אשר מסוגלים לספק רק ערכים מספריים של צורת הגל.

כידוע, אוסצילוסקופי קרני קתודה עובדים עם קרני אלקטרונים לציון הקריאות השונות על גבי מסך האוסצילוסקופ. להסטה או עיבוד של הקורה בצורה אופקית פעולה שנקראת מתח לטאטא משולב, ואילו העיבוד האנכי נעשה על ידי מתח הכניסה שנמדד.

צינור קרני CATHODE - תיאוריה ובנייה פנימית

בתוך אוסצילוסקופ קרני קתודה (CRO), צינור ריי הקתודה (CRT) הופך למרכיב העיקרי של המכשיר. ה- CRT הופך לאחראי ליצירת הדמיית צורת הגל המורכבת על גבי מסך ההיקף.

ה- CRT מורכב בעצם מארבעה חלקים:

1. אקדח אלקטרונים ליצירת קרן האלקטרונים.
2. מיקוד ותאוצה של רכיבים ליצירת קרן אלקטרונים מדויקת.
3. לוחות הסטה אופקיים ואנכיים לצורך מניפולציה בזווית קרן האלקטרונים.
4. מתחם זכוכית מפונה המצופה במסך זרחני ליצירת הזוהר הנראה הנדרש בתגובה למכת קרן האלקטרונים על פניו.

האיור הבא מציג את פרטי הבנייה הבסיסיים של CRT

עכשיו בואו להבין כיצד ה- CRT עובד עם הפונקציות הבסיסיות שלו.

כיצד פועל אוסצילוסקופ ריי קתודי

נימה חמה בתוך ה- CRT משמשת לחימום הצד הקתודי (K) של הצינור המורכב מציפוי תחמוצת. התוצאה היא שחרור מיידי של אלקטרונים ממשטח הקתודה.

אלמנט הנקרא רשת הבקרה (G) שולט בכמות האלקטרונים שיכולים לעבור רחוק יותר לאורך הצינור. רמת המתח המופעלת על הרשת קובעת את כמות האלקטרונים המשוחררים מהקטודה המחוממת, וכמה מהם רשאים להתקדם לכיוון פני הצינור.

ברגע שהאלקטרונים עולים על רשת הבקרה, הם עוברים התמקדות עוקבת לקורה חדה ותאוצה במהירות גבוהה בעזרת האצת אנודה.

קרן אלקטרונים מואצת זו בשלב הבא עוברת בין כמה סטים של לוחות סטיה. הזווית או הכיוון של הלוח הראשון מוחזקים בצורה כזו שהיא מסיטה את קרן האלקטרונים אנכית למעלה או למטה. זה בתורו נשלט על ידי קוטביות המתח המופעלת על פני לוחות אלה.

כמו כן לפי מידת ההטיה על הקורה נקבע על ידי כמות המתח המופעלת על הלוחות.

קרן סטיה מבוקרת זו עוברת תאוצה רבה יותר באמצעות מתחים גבוהים במיוחד המופעלים על הצינור, מה שגורם לבסוף לקורה לפגוע בציפוי השכבה הזרחנית של המשטח הפנימי של הצינור.

זה גורם באופן מיידי לזרוח הזרחן בתגובה למכה של קרן האלקטרונים ויוצר את הזוהר הגלוי על המסך עבור המשתמש המטפל בהיקף.

ה- CRT הוא יחידה שלמה עצמאית עם מסופים מתאימים שהוצאו החוצה דרך בסיס אחורי לתוך פינים ספציפיים.

צורות שונות של CRT זמינות בשוק במימדים רבים ושונים, עם צינורות מובהקים בזרחן ומיקום אלקטרודות סטיה.

בואו נתייחס עכשיו לאופן השימוש ב- CRT באוסילוסקופ.

דפוסי צורת הגל שאנו מדמיינים עבור אות מדגם נתון מבוצעים באופן זה:

כאשר מתח הטאטא מניע את קרן האלקטרון בצורה אופקית על פניו הפנימיים של מסך ה- CRT, אות הקלט שנמדד בו זמנית מאלץ את הקורה להסיט אנכית, וליצור את הדפוס הנדרש בגרף המסך לניתוח שלנו.

מה זה מטאטא יחיד

כל מטאטא של קרן האלקטרונים על גבי מסך ה- CRT מתבצע עם פרק זמן 'ריק' חלקי. בשלב ריק זה מכבה הקורה לזמן קצר עד שהוא מגיע לנקודת ההתחלה או לצד הקיצוני הקודם של המסך. מחזור זה של כל מטאטא נקרא 'מטאטא אחד של הקורה'

כדי להשיג תצוגת צורת גל יציבה על המסך קרן האלקטרונים אמורה להיות 'טאטא' שוב ושוב משמאל לימין ולהיפך באמצעות הדמיה זהה לכל טאטא.

כדי להשיג זאת, יש צורך בפעולה הנקראת סנכרון, המבטיחה שהקרן תחזור ותחזור על כל טאטא מאותה נקודה על המסך.

בסנכרון נכון דפוס צורת הגל על ​​המסך נראה יציב וקבוע. עם זאת, אם הסינכרון אינו מוחל, נראה כי צורת הגל נעה באטיות אופקית מקצה המסך לעבר הקצה השני ברציפות.

רכיבי CRO בסיסיים

אלמנטים חיוניים של CRO ניתן לראות באיור 22.2 להלן. אנו הולכים לנתח בעיקר את הפרטים התפעוליים של ה- CRO עבור דיאגרמת חסימות בסיסית זו.

להשגת סטיה משמעותית ומוכרת של קרן דרך סנטימטר לפחות לסנטימטרים מסוימים, רמת המתח האופיינית המופעלת על לוחות הסטייה צריכה להיות מינימלית בעשרות ואפילו מאות וולט.

בשל העובדה כי הפולסים המוערכים באמצעות CRO בדרך כלל רק בעוצמה בודדת של וולט, או לכל היותר בכמה מיליוולט, מעגלי מגברים מתאימים הופכים להיות נחוצים בכדי להגביר את אות הכניסה לרמות המתח האופטימליות הדרושות להפעלת הצינור.

למעשה, נעשה שימוש בשלבי מגבר המסייעים להסיט את הקורה במישור האופקי וגם במישור האנכי.

כדי להיות מסוגל להתאים את רמת אות הכניסה המנותחת, כל דופק קלט צריך לעבור דרך שלב מעגל מחליש, שנועד להגביר את משרעת התצוגה.

תפעול מטאטא מתח

פעולת טאטוא המתח מיושמת באופן הבא:

במצבים בהם הקלט האנכי מוחזק על 0 וולט, קרן האלקטרונים אמורה להיראות במרכז האנכי של המסך. אם 0V מוחל באופן זהה על הקלט האופקי, הקורה ממוקמת במרכז המסך ונראית כמוצקה וניירת. נְקוּדָה במרכז.

כעת, ניתן להעביר את הנקודה הזו לכל מקום על פני המסך, פשוט על ידי מניפולציה על כפתורי הבקרה האופקיים והאנכיים של האוסצילוסקופ.

ניתן לשנות את מיקום הנקודה גם באמצעות מתח DC ספציפי שהוצג בכניסה של האוסצילוסקופ.

האיור הבא מראה כיצד ניתן לשלוט בדיוק על מיקום הנקודה על גבי מסך CRT דרך מתח אופקי חיובי (לכיוון ימין) ומתח כניסה אנכי שלילי (כלפי מטה מהמרכז).

אות גורף אופקי

כדי שאות יופיע בתצוגת ה- CRT, יהיה זה הכרחי לאפשר סטיה של קרן באמצעות טאטא אופקי על פני המסך, כך שכל קלט אות אנכי תואם מאפשר את השתקפות השינוי על המסך.

מאיור 22.4 להלן אנו יכולים לדמיין את הקו הישר בתצוגה המתקבל עקב הזנת מתח חיובי לקלט האנכי באמצעות אות טאטא ליניארי (נסורת) המופעל על הערוץ האופקי.

כאשר קרן האלקטרון מוחזקת על פני מרחק אנכי קבוע שנבחר, המתח האופקי נאלץ לנוע בין שלילי לאפס לחיובי, מה שגורם לקורה לנוע מצד שמאל של המסך, למרכז ולצד ימין של מָסָך. תנועה זו של קרן האלקטרונים מייצרת קו ישר מעל הפניה האנכית המרכזית, ומציגה מתח DC מתאים בצורת קו אור כוכבים.

במקום לייצר טאטא יחיד, מתח הטאטא מיושם לעבוד כמו צורת גל רציפה. זה בעצם כדי להבטיח תצוגה עקבית שתיראה על המסך. אם משתמשים רק בטאטא בודד, הוא לא יחזיק מעמד ויימוג מיד.

זו הסיבה שנוצרים מטאטאות חוזרות ונשנות בשנייה בתוך ה- CRT שמקנות מראה גל רציף על המסך עקב התמדה הראייה שלנו.

אם נצמצם את קצב הטאטא שלעיל בהתאם לסולם הזמן הניתן באוסילוסקופ, ניתן היה לראות את הרושם הנעים האמיתי של הקורה על המסך. אם מוחל רק קלט אנכי על הקלט האנכי ללא נוכחות הטאטא האופקי, נראה קו ישר אנכי כפי שמתואר באיור 22.5.

ואם מהירות הקלט האנכי הסינוסי הזה מופחתת מספיק מאפשרת לנו לראות את קרן האלקטרונים נעה כלפי מטה בשביל קו ישר.

שימוש בסוויפ שיניים מסורתי כדי להציג קלט אנכי

אם אתה מעוניין לבחון אות גלי סינוס, תצטרך להשתמש באות טאטא בערוץ האופקי. זה יאפשר לאות המופעל על הערוץ האנכי להיראות על גבי המסך של ה- CRO.

דוגמה מעשית ניתן לראות באיור 22.6 המציג צורת גל שנוצרת על ידי שימוש בסוויפה לינארית אופקית יחד עם קלט סינוסי או סינוסי דרך הערוץ האנכי.

על מנת להשיג מחזור יחיד על המסך עבור הקלט המיושם, סנכרון של אות הקלט ותדרי הטאטא הקווי הופך להיות חיוני. אפילו בהפרש של דקה או סנכרון שגוי התצוגה עשויה להיכשל בהצגת תנועה כלשהי.

אם תדר הטאטא מצטמצם, ניתן יהיה לראות גלוי יותר במספר המחזורים של אות הקלט הסינוסי על גבי מסך ה- CRO.

מצד שני, אם נגדיל את תדירות הטאטוא יאפשר מספר נמוך יותר של מחזורי אות סינוס קלט אנכיים להיות גלויים על גבי מסך התצוגה. זה יביא למעשה ליצירת חלק מוגדל של אות הקלט המופעל על מסך CRO.

דוגמה מעשית נפתרה:

באיור 22.7 אנו יכולים לראות את מסך האוסצילוסקופ המציג אות דופק בתגובה לדופק כמו גל המופעל על הקלט האנכי בעזרת טאטא אופקי.

המספור לכל צורת גל מאפשר לתצוגה לעקוב אחר הווריאציות של אות הקלט ומתח הטאטא לכל מחזור.

סינכרוניזציה והפעלה

התאמות באוסצילוסקופ ריי הקתודיות מתבצעות על ידי התאמת המהירות מבחינת התדירות, לייצור מחזור בודד של דופק, מספר רב של מחזורים, או חלק ממחזור צורת הגל, ותכונה זו הופכת לאחד מה- CRO הוא תכונות מכריעות של כל CRO.

באיור 22.8 אנו יכולים לראות את מסך ה- CRO מציג תגובה למספר מחזורים של אות הטאטא.

לכל ביצוע מתח טאטא אופקי של מנסורת באמצעות מחזור טאטא לינארי (בעל מגבלה מגבול שלילי מרבי של אפס למקסימום חיובי), גורם לקרן האלקטרונים לנוע אופקית על פני שטח המסך CRO, החל משמאל, למרכז ואז מימין למסך.

לאחר מכן מתח השיניים חוזר במהירות לגבול המתח השלילי המתחיל כאשר קרן האלקטרונים נעה בהתאם לצד השמאלי של המסך. בפרק זמן זה שבו מתח הטאטא עובר חזרה מהירה לשלילה (מעקב חוזר), האלקטרון עובר שלב ריק (שבו מתח הרשת מעכב את האלקטרונים להכות את פני הצינור)

כדי לאפשר לתצוגה לייצר תמונת אות יציבה לכל טאטא של הקורה, זה הופך להיות חיוני ליזום את הטאטא מאותה נקודה בדיוק במחזור אות הקלט.

באיור 22.9 אנו יכולים לראות שתדר טאטוא נמוך למדי שגורם לתצוגה להראות מראה של סחיפה בצד שמאל של הקורה.

כאשר מוגדר לתדר טאטא גבוה כפי שהוכח באיור 22.10, התצוגה מייצרת מראה של סחיפה בצד ימין של הקורה על המסך.

למותר לציין, זה יכול להיות מאוד קשה או בלתי מעשי להתאים את תדר האות המטאטא שווה בדיוק לתדר האות הקלט להשגת טאטא יציב או קבוע על המסך.

פתרון אפשרי יותר למראה הוא לחכות שהאות יחזור לנקודת ההתחלה של העקבות במחזור. סוג זה של הפעלה כולל כמה תכונות טובות שעליהן נדון בפסקאות הבאות.

טריגר

הגישה הסטנדרטית לסינכרון מעסיקה חלק קטן מאותות הקלט למיתוג מחולל הטאטא, שמאלץ את אות הטאטא להיצמד או להינעל עם אות הקלט, ותהליך זה מסנכרן את שני האותות יחד.

באיור 22.11 אנו יכולים לראות את דיאגרמת החסימה המדגימה את החילוץ של חלק מאותות הכניסה ב- a אוסצילוסקופ ערוץ יחיד.

אות ההדק הזה מופק מתדר קו החשמל (50 או 60 הרץ) לניתוח כל האותות החיצוניים שעשויים להיות קשורים לרשת החשמל, או להיות אות קשור המיושם ככניסה אנכית ב- CRO.

כאשר מתג הבורר מועבר לכיוון ה- 'INTERNAL' מאפשר להשתמש בחלק של אות הכניסה על ידי מעגל מחולל ההדק. לאחר מכן, פלט מחולל ההדק של הפלט משמש ליזום או להפעלת הטאטא הראשי של ה- CRO, שנשאר גלוי לתקופה כפי שנקבע על ידי בקרת הזמן / ס'מ בהיקף.

את האתחול של ההדק בכמה נקודות שונות על פני מחזור אות ניתן לדמיין באיור 22.12. ניתן לנתח את תפקוד מטאטא ההדק באמצעות דפוסי צורת הגל הנובעים מכך.

האות המופעל ככניסה משמש ליצירת צורת גל טריגר עבור אות הטאטא. כפי שמוצג באיור 22.13, הטאטא מתחיל עם מחזור אות הקלט והוא נמשך לתקופה שהוחלט על ידי הגדרת בקרת אורך הטאטא. בהמשך, פעולת ה- CRO ממתינה עד שאות הקלט יגיע לנקודה זהה במחזורו לפני תחילת פעולת טאטא חדשה.

שיטת ההפעלה המוסברת לעיל מאפשרת את תהליך הסנכרון, בעוד שמספר המחזורים שניתן לצפות בתצוגה נקבע על ידי אורך אות הטאטא.

פונקציית MULTITRACE

רבים מה- CRO המתקדמים מאפשרים צפייה ביותר ממספר עקבות אחד או מספר עקבות במסך התצוגה בו זמנית, מה שמאפשר למשתמש להשוות בקלות את המאפיינים המיוחדים או האחרים של צורות גל מרובות.

תכונה זו מיושמת בדרך כלל באמצעות קורות מרובות ממספר אקדחי אלקטרונים, המייצרות קרן בודדת על גבי מסך ה- CRO, אולם לעיתים זו מבוצעת גם באמצעות קרן אלקטרונים אחת.

ישנן מספר טכניקות המשמשות ליצירת עקבות מרובים: ALTERNATE ו- CHOPPED. במצב החלופי שני האותות הזמינים בכניסה, מחוברים לסירוגין לשלב מעגל הסטה באמצעות מתג אלקטרוני. במצב זה קרן נסחפת על פני מסך CRO ולא משנה כמה עקבות יוצגו. לאחר מכן, המתג האלקטרוני לחלופין בוחר את האות השני ועושה את אותו הדבר גם עבור האות הזה.

ניתן לראות את אופן הפעולה הזה באיור 22.14 א.

איור 22.14b מדגים את מצב הפעולה CHOPPED שבו הקורה עוברת מיתוג חוזר לבחירה בין שני אותות הקלט לכל אות גורף של הקורה. פעולת מיתוג או חיתוך זו אינה ניתנת לגילוי בתדרים נמוכים יחסית של האות, וככל הנראה נתפסת כשני עקבות בודדים על גבי מסך ה- CRO.

כיצד למדוד צורת גל באמצעות סולמות CRO מכוילים

יכול להיות שראית שהמסך של תצוגת CRO מורכב מסולם מכויל מסומן בבירור. זה מסופק למדידות של אמפליטודות וגורם זמן עבור צורת גל מיושמת המדוברת.

היחידות המסומנות נראות כקופסאות המחולקות ל -4 ס'מ (ס'מ) משני צידי הקופסאות. כל אחת מהקופסאות הללו מחולקת בנוסף למרווחים של 0.2 ס'מ.

מדידת אמפליטודות:

ניתן לראות את הסולם האנכי על גבי המסך של ה- RO מכויל בוולט / ס'מ (V / ס'מ) או במיליוולט / ס'מ (mV / ס'מ).

בעזרת ההגדרות של לחצני הבקרה של ההיקף, והסימונים המוצגים על פני התצוגה, המשתמש מסוגל למדוד או לנתח את משרעת השיא לשיא של אות צורת גל או בדרך כלל אות AC.

להלן דוגמה מעשית לפתרון להבנת האופן שבו נמדדת משרעת על גבי מסך ה- CRO:

הערה: זהו היתרון של אוסצילוסקופ כנגד מולטימטר, מכיוון שמולטימטר מספקים רק את ערך ה- RMS של אות ה- AC, בעוד שהיקף מסוגל לספק גם את ערך ה- RMS וגם את ערך השיא-לשיא של האות.

מדידת תזמון (תקופה) של מחזור AC באמצעות אוסצילוסקופ

הסולם האופקי המסופק על גבי המסך של אוסצילוסקופ עוזר לנו לקבוע את תזמון מחזור הקלט בשניות, באלפיות השנייה (ms) ובמיקרו-שניות (μs), ואפילו בננו-שניות (ns).

מרווח הזמן הנצרך על ידי דופק להשלמת מחזור מתחילתו ועד סופו נקרא תקופת הדופק. כאשר דופק זה הוא בצורה של צורת גל חוזרת, תקופתו נקראת מחזור אחד של צורת הגל.

להלן דוגמה מעשית שנפתרה המציגה כיצד לקבוע תקופת צורת גל באמצעות כיול מסך CRO:

מדידת רוחב הדופק

כל צורת גל מורכבת מפסגות מתח מקסימליות ומינימליות הנקראות כמצבים גבוהים ונמוכים של הדופק. מרווח הזמן שלפיו הדופק נשאר במצבי HIGH או LOW נקרא רוחב הדופק.

לפולסים שקצוותיהם עולים ויורדים בצורה חדה מאוד (במהירות), רוחב הפולסים כאמור נמדד מתחילת הדופק הנקרא הקצה המוביל עד לסוף הדופק הנקרא קצה נגרר, זה מוצג באיור 22.19 א.

לפולסים שיש להם מחזורי עלייה וירידה איטיים או איטיים למדי (סוג מעריכי), רוחב הדופק שלהם נמדד על פני רמות 50% שלהם במחזורים, כפי שמצוין באיור 22.19b.

הדוגמה הבאה שנפתרה עוזרת להבין את ההליך לעיל בצורה טובה יותר:

הבנת עיכוב הדופק

מרחב מרווח הזמן בין הפולסים במחזור הדופק נקרא עיכוב דופק. דוגמה לעיכוב דופק ניתן לראות באיור הנתון 22.21 להלן, אנו יכולים לראות את העיכוב כאן נמדד בין נקודת האמצע או רמת 50% ונקודת ההתחלה של הדופק.

איור 22.21

דוגמה מעשית נפתרה המראה כיצד למדוד עיכוב דופק ב- CRO

סיכום:

ניסיתי לכלול את מרבית הפרטים הבסיסיים הנוגעים לאופן עבודת אוסצילוסקופ הקתודה ריי (CRO), וניסיתי להסביר כיצד להשתמש במכשיר זה למדידת אותות מבוססי תדרים שונים באמצעות המסך המכויל שלו. עם זאת, יכול להיות שיש עוד הרבה היבטים שאולי פספסתי כאן, בכל זאת אמשיך לבדוק מדי פעם ולעדכן מידע נוסף מתי שזה אפשרי.

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