kategoriler: Öne Çıkan Makaleler » Pratik Elektronik
Görüntülenme sayısı: 90337
Makaleye Yorumlar: 1
Elektronik osiloskop - cihaz, çalışma prensibi
Amatör radyo, bir hobi olarak, çok heyecan verici bir aktivitedir ve biri diyebiliriz, bağımlılık yapar. Birçoğu harika okul yıllarında ortaya çıkıyor ve zamanla bu hobi yaşam için bir meslek haline gelebilir. Daha yüksek bir radyo mühendisliği eğitimi alamasanız bile, bağımsız elektronik eğitimi çok yüksek sonuçlar ve başarı elde etmenizi sağlar. Bir zamanlar Radyo dergisi diplomasız bu tür uzman mühendisleri aradı.
Elektronik ile yapılan ilk deneyler, kural olarak, ayarlama ve kurulum olmadan hemen çalışmaya başlayan en basit devrelerin montajı ile başlar. Çoğu zaman bunlar çeşitli jeneratörler, çağrılar, iddiasız güç kaynaklarıdır. Bütün bunlar minimal miktarda literatür okunarak toplanabilir, sadece tekrarlanabilir kalıpların tanımları. Bu aşamada, kural olarak, minimal bir alet seti ile elde etmek mümkündür: bir havya, yan kesiciler, bir bıçak ve birkaç tornavida.
Yavaş yavaş, tasarımlar daha karmaşık hale gelir ve er ya da geç, ayarlama ve ayarlama olmadan işe yaramayacakları ortaya çıkar. Bu nedenle, ince ölçüm aletleri edinmelisiniz ve ne kadar erken olursa o kadar iyi olur. Eski nesil elektronik mühendisleri böyle bir cihazla bir işaretçi test cihazına sahipti.
Şu anda, genellikle avometre olarak adlandırılan anahtar test cihazı değiştirildi dijital multimetre. Bu, "Dijital multimetre nasıl kullanılır?" Makalesinde bulunabilir. Her ne kadar iyi eski işaretçi test cihazı pozisyonlarından vazgeçmez ve bazı durumlarda kullanımı dijital bir cihaza kıyasla tercih edilir.
Bu cihazların her ikisi de doğrudan ve alternatif voltajları, akımları ve dirençleri ölçmenizi sağlar. Sabit voltajların ölçülmesi kolaysa, sadece değeri bulmak yeterlidir, o zaman alternatif voltajlarda bazı nüanslar vardır.
Gerçek şu ki, hem işaretçi hem de modern dijital cihazlar, sinüzoidal bir alternatif voltajı ve oldukça sınırlı bir frekans aralığında ölçmek için tasarlanmıştır: ölçümün sonucu, alternatif voltajın gerçek değeri olacaktır.
Bu tür cihazlar dikdörtgen, üçgen veya testere dişi şeklinin voltajını ölçerse, elbette cihazın ölçeğindeki okumalar olacaktır, ancak ölçümlerin doğruluğu için kefil olmanız gerekmez. Sadece gerginlik var ve hangisi tam olarak bilinmiyor. Ve bu gibi durumlarda, yeni, giderek karmaşıklaşan elektronik devrelerin onarım ve geliştirilmesine nasıl devam edilir? Burada radyo amatör bir osiloskop satın almak zorunda kaldığında sahneye geliyor.
Biraz tarih
Bu cihazın yardımıyla elektronik devrelerde neler olduğunu kendi gözlerinizle görebilirsiniz: sinyalin şekli, göründüğü veya kaybolduğu yer, sinyallerin zaman ve faz ilişkileri. Birkaç sinyali gözlemlemek için en az iki ışınlı bir osiloskop gereklidir.
Burada uzak bir hikayeyi hatırlayabiliriz, 1969'da Vilnius Tesisi tarafından seri olarak üretilen beş ışınlı osiloskop C1-33 yaratıldığında. Cihaz, sadece bu geliştirmede kullanılan bir CRT 22LO1A kullandı. Bu cihazın müşterisi elbette askeri-sanayi kompleksiydi.
Yapısal olarak, bu cihaz tekerlekli bir rafa yerleştirilen iki bloktan yapılmıştır: osiloskopun kendisi ve güç kaynağı. Yapının toplam ağırlığı 160 kg! Kapsam kiti, ekrana bağlı RFK-5 kayıt kamerasını içeriyordu ve bu da dalga formlarının filme kaydedilmesini sağlıyordu. Kamera takılıyken C1-33 beş ışınlı osiloskopun görünümü Şekil 1'de gösterilmiştir.
Şekil 1. Beş ışınlı osiloskop C1-33, 1969
Modern elektronik, cep telefonu boyutunda el tipi dijital osiloskoplar oluşturmayı mümkün kılar. Bu tür cihazlardan biri Şekil 2'de gösterilmektedir. Ancak bu daha sonra tartışılacaktır.
Şekil 2. DS203 Cep Dijital Osiloskop
Çeşitli osiloskoplar
Yakın zamana kadar çeşitli tiplerde elektron ışını osiloskopları üretildi. Her şeyden önce, bunlar genellikle pratik amaçlar için kullanılan evrensel osiloskoplardır. Bunlara ek olarak, depolama CRT'lerine dayanan depolama osiloskopları, yüksek hızlı, stroboskopik ve özel olanlar da üretildi. İkinci tipler, modern dijital osiloskopların şu anda başarılı bir şekilde başa çıktığı çeşitli spesifik bilimsel görevler için tasarlanmıştır. Bu nedenle, evrensel genel amaçlı elektronik osiloskoplara daha fazla odaklanacağız.
CRT cihazı
Elektronik osiloskopun ana kısmı, elbette katot ışınlı tüp - CRT'dir. Cihazı Şekil 3'te gösterilmiştir.
Şekil 3. CRT cihazı
Yapısal olarak bir CRT, koni şeklinde bir uzantıya sahip silindirik bir şekle sahip uzun bir cam silindirdir (10). Bir CRT ekran olan bu uzantının alt kısmı, bir elektron ışını 11'e çarptığında gözle görülür bir ışıltı yayan bir fosforla kaplıdır. Birçok CRT'nin, doğrudan cama uygulanan bölümleri olan dikdörtgen bir ekranı vardır. Bu ekran osiloskopun göstergesidir.
Bir elektron ışını, bir elektron tabancası tarafından oluşturulur
Isıtıcı 1, elektron yaymaya başlayan katodu 2 ısıtır. Fizikte, bu fenomene termiyonik emisyon denir. Ancak katot tarafından yayılan elektronlar çok uzaklara uçmayacak, sadece katoda oturacaklar. Bu elektronlardan bir ışın elde etmek için birkaç elektrot daha gereklidir.
Bu, odaklama elektrodu 4 ve aquadag 8'e bağlı anot 5'tir. Bu elektrotların elektrik alanının etkisi altında, elektronlar katottan kopar, hızlanır, ince bir ışına odaklanır ve fosforla kaplı ekrana koşarak fosforun parlamasına neden olur. Birlikte, bu elektrotlara elektron tabancaları denir.
Ekranın yüzeyine ulaşan elektron ışını sadece bir ışıltıya neden olmakla kalmaz, aynı zamanda ışığın odaklanmasına neden olan ikincil elektronları da fosfordan atar. Tüpün iç yüzeyinin grafit bir kaplaması olan yukarıda belirtilen su bu ikincil elektronların çıkarılmasına hizmet eder. Buna ek olarak, aquadag bir dereceye kadar kirişi dış elektrostatik alanlardan korur. Ancak bu tür bir koruma yeterli değildir, bu nedenle, elektrotların bulunduğu CRT'nin silindirik kısmı, elektrikli çelik veya kalıcı alaşımdan yapılmış bir metal ekrana yerleştirilir.
Bir modülatör (3) katot ve odaklama elektrodu arasına yerleştirilmiştir Amacı, ışının ters tarama sırasında söndürülmesini ve ileri strok sırasında vurgulanmasını sağlayan ışın akımını kontrol etmektir. Amplifikasyon lambalarında, bu elektroda kontrol ızgarası denir. Modülatör, odaklama elektrodu ve anot, içinden elektron ışınının uçtuğu merkezi deliklere sahiptir.
Saptırma Plakaları Bir CRT'nin iki çift saptırma plakası vardır. Bunlar, kiriş 6'nın dikey sapmasının plakalarıdır - araştırılan sinyalin sağlandığı plaka Y ve yatay sapmanın 7 plakaları - plaka X ve yatay tarama voltajı bunlara uygulanır. Saptırma plakaları herhangi bir yere bağlı değilse, CRT ekranının ortasında parlak bir nokta görünmelidir. Şekilde, bu O2 noktasıdır. Doğal olarak, besleme gerilimi tüpe uygulanmalıdır.
Burada önemli bir noktaya değinmek gerekir. Nokta hareketsiz durduğunda, hiçbir yere hareket etmeden, fosforu yakabilir ve siyah bir nokta CRT ekranında sonsuza kadar kalacaktır. Bu, osiloskopun onarım işlemi sırasında veya basit bir amatör cihazın kendi kendine üretimi ile olabilir.Bu nedenle, bu modda, parlaklığı en aza indirmeli ve ışını yeniden odaklamalısınız - yine de bir ışın olup olmadığını veya yok olup olmadığını görebilirsiniz.
Saptırma plakalarına belirli bir voltaj uygulandığında, ışın ekranın merkezinden sapacaktır. Şekil 3'te, ışın O3 noktasına sapar. Voltaj değişirse, ışın ekranda düz bir çizgi çeker. İncelenen sinyalin görüntüsünü ekranda oluşturmak için kullanılan bu fenomendir. Ekranda iki boyutlu bir görüntü elde etmek için iki sinyal uygulanmalıdır: Y plakalarına uygulanan test sinyali ve X plakalarına uygulanan tarama gerilimi X ve Y koordinat eksenlerine sahip bir grafiğin ekranda elde edildiğini söyleyebiliriz.
Yatay tarama
Ekrandaki grafiğin X eksenini oluşturan yatay taramadır.
Şekil 4. Tarama gerilimi
Şekilde görülebileceği gibi, yatay tarama iki bölüme ayrılabilen testere dişi voltajı ile gerçekleştirilir: ileri ve geri (Şekil 4a). İleri kontur sırasında, ışın ekran boyunca soldan sağa düzgün bir şekilde hareket eder ve sağ kenara ulaşıldığında hızla geri döner. Buna ters vuruş denir. İleri strok sırasında, tüp modülatörüne beslenen bir arka ışık darbesi üretilir ve ekranda yatay bir çizgi çizerek parlak bir nokta belirir (Şekil 4b).
Şekil 4'te gösterildiği gibi ileri voltaj sıfırdan başlar (ekranın ortasındaki bir ışın) ve Umax voltajına dönüşür. Bu nedenle, ışın ekranın ortasından sağ kenara doğru hareket edecektir, yani. ekranın sadece yarısı. Taramayı ekranın sol kenarından başlatmak için ışın, öngerilim voltajı uygulanarak sola kaydırılır. Işın ofseti ön paneldeki bir kol tarafından kontrol edilir.
Dönüş stroku sırasında, arka ışık darbesi sona erer ve ışın söner. Arka ışık darbesinin ve testere dişi tarama voltajının nispi konumu, Şekil 5'te gösterilen osiloskop fonksiyonel diyagramında görülebilir. Osiloskop devre şemalarının çeşitliliğine rağmen, fonksiyonel devreleri, şekilde gösterilenlere benzer, yaklaşık olarak aynıdır.
Şekil 5. Osiloskopun fonksiyonel diyagramı
CRT hassasiyeti
Plakalara 1 V'luk sabit bir voltaj uygulandığında kirişin kaç milimetre saptığını gösteren sapma katsayısı ile belirlenir. Çeşitli CRT'ler için bu değer 0.15 ... 2 mm / V aralığındadır. Saptırma plakalarına 1 V'luk bir voltaj uygulayarak, kirişin kirişi sadece 2 mm hareket ettirebileceği ve bu en iyi durumda olduğu ortaya çıkıyor. Kirişi bir santimetre (10 mm) saptırmak için 10/2 = 5V'luk bir voltaj gereklidir. Aynı hareket için 0.15 mm / V hassasiyetle 10 / 0.15 = 66.666V gerekecektir.
Bu nedenle, ışının ekranın merkezinden belirgin bir sapmasını elde etmek için, incelenen sinyal dikey bir kanal amplifikatörü tarafından birkaç on volta yükseltilir. Taramanın yapıldığı yatay amplifikasyon kanalı aynı çıkış voltajına sahiptir.
Çoğu evrensel osiloskop maksimum 5mV / cm hassasiyete sahiptir. Giriş voltajı 5 mV olan 8LO6I tipi bir CRT kullanıldığında, saptırma plakaları kirişi 1 cm hareket ettirmek için 8,5 V'luk bir voltaj gerektirir. Bunun 1.500 kereden fazla amplifikasyon gerektireceğini hesaplamak kolaydır.
Böyle bir kazanç tüm geçiş bandında elde edilmelidir ve frekans ne kadar yüksek olursa, herhangi bir amplifikatörde bulunan kazanç o kadar düşük olur. Geçiş bandı, bir üst frekans f ile karakterize edilir. Bu frekansta, dikey sapma kanalının kazancı 1,4 kat veya 3 dB azalır. Çoğu evrensel osiloskop için bu bant 5 MHz'dir.
Ve giriş sinyalinin frekansı üst frekansı, örneğin 8 ... 10 MHz'i aşarsa ne olur? Ekranda görebilecek mi? Evet, görünür olacaktır, ancak sinyal genliği ölçülemez. Sadece bir sinyal olup olmadığından emin olabilirsiniz. Bazen bu tür bilgiler oldukça yeterlidir.
Kanal dikey sapması. Giriş bölücü
İncelenen sinyal, Şekil 6'da gösterilen giriş bölücü yoluyla dikey sapma kanalının girişine beslenir. Genellikle giriş bölücüsüne zayıflatıcı denir.
Şekil 6. Kanal dikey sapmasının giriş bölücüsü
Giriş bölücüyü kullanarak, birkaç milivolttan birkaç on volta kadar giriş sinyalini incelemek mümkün hale gelir. Giriş sinyalinin giriş bölücünün yeteneklerini aşması durumunda, 1:10 veya 1:20 bölme oranına sahip giriş probları kullanılır. Daha sonra 5V / div limiti 50V / div veya 100V / div olur, bu da önemli voltajlarla sinyalleri incelemeyi mümkün kılar.
Açık ve kapalı giriş
Burada (Şekil 6), bir kapasitörden (kapalı giriş) veya doğrudan bölücünün girişine (açık giriş) bir sinyal uygulanmasını mümkün kılan B1 anahtarını görebilirsiniz. "Kapalı giriş" modunu kullanırken, sabit bileşenini yok sayarak sinyalin değişken bileşenini incelemek mümkündür. Şekil 7'de gösterilen basit şema söylenenleri açıklamaya yardımcı olacaktır Şema Multisim programında yaratılmıştır, böylece bu rakamlardaki her şey hemen hemen adil olmakla birlikte oldukça adil olur.
Şekil 7. Tek bir transistör üzerindeki amplifikatör aşaması
Transistörün (Ql) tabanına, bir kapasitör (C1) yoluyla 10 mV genliğe sahip bir giriş sinyali beslenir. Direnç R2'yi seçerek, transistörün toplayıcısındaki voltaj, transistörün doğrusal (yükseltici) modda çalışmasına izin veren besleme voltajının yarısına (bu durumda 6V) eşit olarak ayarlanır. Çıkış XSC1 tarafından izlenir. Şekil 8, açık giriş modunda ölçüm sonucunu gösterir, osiloskopta DC (doğru akım) düğmesine basılır.
Şekil 8. Açık giriş modundaki ölçümler (kanal A)
Burada (kanal A) sadece transistörün toplayıcısındaki voltajı görebilirsiniz, daha önce bahsedilen aynı 6V. Kanal A'daki ışın 6V'da “kalktı”, ancak kollektör üzerindeki güçlendirilmiş sinüzoid olmadı. 5V / Div kanalının hassasiyeti ile ayırt edilemez. Kanal Şekildeki bir ışın kırmızı renkte gösterilmiştir.
Jeneratörden gelen sinyal B girişine uygulanır, şekil mavi olarak gösterilir. Bu, büyüklüğü 10 mV olan bir sinüs dalgasıdır.
Şekil 9. Kapalı giriş modundaki ölçümler
Şimdi, kanal A - alternatif akımda AC düğmesine basın, bu aslında kapalı bir giriştir. Burada güçlendirilmiş sinyali görebilirsiniz - 87 milivoltluk bir genliğe sahip bir sinüzoid. Bir transistör üzerindeki kaskatın, sinyali 10 mV amplitüd ile 8,7 kat arttırdığı ortaya çıktı. Ekranın altındaki dikdörtgen penceredeki sayılar, T1, T2 işaretlerinin konumlarındaki gerilimleri ve süreleri gösterir. Modern dijital osiloskoplarda da benzer işaretleyiciler mevcuttur. Aslında açık ve kapalı girişler hakkında söylenebilecek her şey budur. Ve şimdi dikey saptırma amplifikatörü hakkındaki hikayeye devam edelim.
Ön amplifikatör
Giriş ayırıcıdan sonra, incelenen sinyal ön amplifikatöre gider ve gecikme hattından geçerek Y kanalının terminal amplifikatörüne girer (Şekil 5). Gerekli amplifikasyondan sonra, sinyal dikey saptırma plakalarına girer.
Ön amplifikatör, giriş sinyalini terminal amplifikatör Y'ye beslemek için parafaz bileşenlerine böler. Ayrıca, ön amplifikatörden gelen giriş sinyali, ileri tarama sırasında ekranda senkron bir görüntü sağlayan tarama tetikleyicisine beslenir.
Gecikme çizgisi, giriş sinyalini tarama voltajının başlangıcına göre geciktirir, bu da Şekil 5 b) 'de gösterildiği gibi darbenin ön kenarını gözlemlemeyi mümkün kılar. Bazı osiloskopların, esas olarak, periyodik sinyallerin çalışmasına müdahale etmeyen bir gecikme çizgisi yoktur.
Kanalı süpür
Ön amplifikatörden gelen giriş sinyali ayrıca tarama tetikleyici darbe şekillendiricinin girişine de beslenir.Üretilen dürtü, düzgün yükselen testere dişi voltajı üreten süpürme jeneratörünü başlatır. Dönüş hızı ve tarama gerilimi süresi, geniş bir frekans aralığında giriş sinyallerinin incelenmesini mümkün kılan Time / Div anahtarı ile seçilir.
Böyle bir tarama dahili olarak adlandırılır, yani. tetikleme soruşturma altındaki sinyalden gelir. Tipik olarak, osiloskoplar bir sebepten dolayı Şekil 5'teki fonksiyonel şemada gösterilmeyen bir "Dahili / Harici" tetik tetikleyiciye sahiptir. Harici tetikleme modunda, tetikleyici incelenen sinyal tarafından değil, incelenen sinyalin bağlı olduğu başka bir sinyalle tetiklenebilir.
Bu, örneğin bir gecikme hattı tetikleme darbesi olabilir. Ardından, tek ışınlı bir osiloskopla bile, iki sinyalin zaman oranını ölçebilirsiniz. Ancak bunu elbette el altındaysa, iki ışınlı bir osiloskopla yapmak daha iyidir.
Süpürme süresi araştırılan sinyalin frekansına (süresine) göre seçilmelidir. Sinyal frekansının 1KHz olduğunu varsayalım, yani. sinyal süresi 1ms. 1 ms / böl tarama süresine sahip bir sinüzoid görüntüsü Şekil 10'da gösterilmektedir.
Şekil 10
1 ms / böl tarama süresinde, 1 KHz sinüs dalga periyodu Y ekseni boyunca tam olarak bir ölçek bölünmesi kaplar, tarama 0 V giriş sinyali seviyesi açısından yükselen bir kenar boyunca A ışınından senkronize edilir. Bu nedenle, ekrandaki sinüs dalgası pozitif bir yarım döngü ile başlar.
Tarama süresi 500 μs / div (0,5 ms / div) olarak değiştirilirse, sinüsoidin bir periyodu, elbette sinyali gözlemlemek için daha uygun olan Şekil 11'de gösterildiği gibi ekranda iki bölüm kaplar.
Şekil 11
Testere dişi voltajının kendisine ek olarak, süpürme jeneratörü de modülatöre beslenen ve elektron ışını “ateşleyen” bir arka ışık darbesi üretir (Şekil 5 g). Arka ışık darbesinin süresi, ön ışının süresine eşittir. Dönüş stroku sırasında arka ışık darbesi yoktur ve ışın söner. Işın boş bırakılmazsa, ekranda anlaşılmaz bir şey görünecektir: ters vuruş ve hatta giriş sinyali tarafından modüle edilen, dalga formunun tüm yararlı içeriğini keser.
Testere dişi tarama voltajı, kanal X'un terminal amplifikatörüne uygulanır, bir parafaz sinyaline bölünür ve Şekil 5 (e) 'de gösterildiği gibi yatay sapma plakalarına beslenir.
Amplifikatör X Harici Giriş
Sadece süpürme jeneratöründen gelen voltaj değil, aynı zamanda Lissajous rakamlarını kullanarak sinyalin frekansını ve fazını ölçmeyi mümkün kılan terminal amplifikatör X'e harici voltaj da sağlanabilir.
Şekil 12. Lissajous figürleri
Ancak, giriş anahtarı X, Şekil 5'teki fonksiyonel diyagramda ve ayrıca biraz yukarıda bahsedilen süpürme işlemlerinin türünde gösterilmemiştir.
X ve Y kanallarına ek olarak, osiloskop, herhangi bir elektronik cihaz gibi, bir güç kaynağına sahiptir. Küçük boyutlu osiloskoplar, örneğin C1-73, C1-101 bir araba aküsünden çalışabilir. Bu arada, zamanları için bu osiloskoplar çok iyiydi ve hala başarılı bir şekilde kullanılıyor.
Şekil 13. Osiloskop C1-73
Şekil 14. Osiloskop C1-101
Osiloskopların görünümü Şekil 13 ve 14'te gösterilmektedir. En şaşırtıcı olanı, hala çevrimiçi mağazalarda satın almanın teklif edilmesidir. Ancak fiyat, Aliexpress'den küçük boyutlu dijital osiloskoplar satın almak için daha ucuz olacak.
Ek osiloskop cihazları yerleşik genlik ve tarama kalibratörleridir. Bunlar, kural olarak, dikdörtgen pulsların oldukça kararlı jeneratörleridir, bunları osiloskopun girişine bağlar, ayarlama elemanlarını kullanarak X ve Y amplifikatörlerini yapılandırabilirsiniz. Bu arada, modern kalibratörlerde de bu tür kalibratörler bulunur.
Osiloskopun nasıl kullanılacağı, ölçüm yöntemleri ve yöntemleri bir sonraki makalede ele alınacaktır.
Makalenin devamı: Osiloskop nasıl kullanılır
Boris Aladyshkin
Ayrıca bkz. electro-tr.tomathouse.com
: