Katot Işınlı Osiloskoplar - Çalışma ve Operasyonel Detaylar

Bu yazıda Katot Işınlı Osiloskopların (CRO) nasıl çalıştığını ve iç yapısını ayrıntılı olarak tartışacağız. Ayrıca, çeşitli kontrolleri kullanarak bir CRO'nun nasıl kullanılacağını öğreneceğiz ve osiloskopun görüntü ekranındaki çeşitli giriş sinyallerinin grafiksel temsillerini anlayacağız.

Katot Işını Osiloskoplarının (CRO) Önemi

Elektronik devrelerin çoğunun, normalde bir frekans olarak üretilen elektronik dalga formu veya dijital dalga formunu kesinlikle içerdiğini ve kullandığını biliyoruz. Bu sinyaller, bu tür devrelerde ses bilgisi, bilgisayar verileri, TV sinyalleri, osilatörler ve zamanlama üreteçleri (radarlarda uygulandığı gibi) vb. Şeklinde önemli bir rol oynar. Bu nedenle, bu türlerin test edilmesi ve sorunlarının giderilmesi sırasında bu parametrelerin doğru ve doğru bir şekilde ölçülmesi çok önemlidir. devrelerin

Dijital multimetreler veya analog multimetreler gibi yaygın olarak bulunan sayaçlar sınırlı olanaklara sahiptir ve yalnızca dc veya ac voltajlarını, akımları veya empedansları ölçebilir. Bazı gelişmiş ölçüm cihazları, ac sinyallerini ölçebilir, ancak yalnızca sinyal yüksek oranda rafine edilmişse ve belirli bozulmamış sinüzoidal sinyaller biçiminde ise. Bu nedenle, bu sayaçlar, dalga formu ve zamanlı döngüleri içeren devreleri analiz etme konusunda amaca hizmet etmiyor.

Aksine, bir osiloskop, kullanıcının nabzın veya dalga şeklinin şeklini pratik olarak görselleştirmesini sağlayan dalga formunu doğru bir şekilde kabul etmek ve ölçmek için tasarlanmış bir cihazdır.

CRO, kullanıcının söz konusu uygulanan bir dalga formunun görsel bir sunumunu görmesini sağlayan yüksek dereceli osiloskoplardan biridir.

Girişte bir dalga formu olarak uygulanan sinyale karşılık gelen görsel ekranı oluşturmak için bir katot ışın tüpü (CRT) kullanır.

CRT'nin içindeki elektron ışını, giriş sinyallerine yanıt olarak tüpün yüzü (ekran) boyunca saptırılmış hareketlerden (taramalar) geçer ve ekranda dalga biçimi şeklini temsil eden görsel bir iz oluşturur. Bu sürekli izler daha sonra kullanıcının dalga biçimini incelemesine ve özelliklerini test etmesine izin verir.

Bir osiloskobun dalga biçiminin gerçek görüntüsünü üretme özelliği, dalga biçiminin yalnızca sayısal değerlerini sağlayabilen dijital multimetrelere kıyasla çok yardımcı olur.

Hepimizin bildiği gibi katot ışınlı osiloskoplar, osiloskop ekranındaki çeşitli okumaları göstermek için elektron ışınlarıyla çalışır. Kirişi yatay olarak saptırmak veya işlemek için adı verilen bir işlem süpürme gerilimi dikey işlem ölçülmekte olan giriş voltajı tarafından yapılırken eklenir.

KATOD RAY TÜPÜ - TEORİ VE İÇ YAPI

Bir katot ışınlı osiloskop (CRO) içinde, Katot Işın Tüpü (CRT), cihazın ana bileşeni haline gelir. CRT, skopun ekranında karmaşık dalga formu görüntülemesini oluşturmaktan sorumlu hale gelir.

CRT temel olarak dört bölümden oluşur:

1. Elektron ışını oluşturmak için bir elektron tabancası.
2. Hassas elektron demeti oluşturmak için bileşenlere odaklanma ve hızlandırma.
3. Elektron ışınının açısını değiştirmek için yatay ve dikey saptırma plakaları.
4. Elektron ışınının yüzeyine çarpmasına tepki olarak gerekli görünür ışıltıyı oluşturmak için fosforesan ekranla kaplı, boşaltılmış bir cam muhafaza

Aşağıdaki şekil bir CRT'nin temel yapım detaylarını göstermektedir

Şimdi CRT'nin temel işlevleriyle nasıl çalıştığını anlayalım.

Katot Işınlı Osiloskop (CRO) Nasıl Çalışır?

CRT'nin içindeki sıcak bir filaman, tüpün bir oksit kaplamadan oluşan katot (K) tarafını ısıtmak için kullanılır. Bu, katot yüzeyinden elektronların anında salınmasıyla sonuçlanır.

Kontrol ızgarası (G) olarak adlandırılan bir eleman, tüp uzunluğu boyunca daha uzağa geçebilen elektron miktarını kontrol eder. Izgaraya uygulanan voltaj seviyesi, elektronların miktarının ısıtılmış katottan serbest bırakıldığını ve bunlardan kaçının tüpün yüzüne doğru ilerlemesine izin verildiğini belirler.

Elektronlar kontrol ızgarasını geçtikten sonra, anot ivmesinin yardımıyla keskin bir ışına ve yüksek hızda bir ivmeye odaklanırlar.

Bir sonraki aşamada bu oldukça hızlandırılmış elektron ışını, birkaç set saptırma plakası arasından geçirilir. İlk plakanın açısı veya yönü, elektron huzmesini dikey olarak yukarı veya aşağı saptıracak şekilde tutulur. Bu da, bu plakalara uygulanan voltaj polaritesi tarafından kontrol edilir.

Ayrıca, kiriş üzerindeki sapmaya ne kadar izin verildiği, plakalara uygulanan voltaj miktarına göre belirlenir.

Bu kontrollü saptırılmış ışın daha sonra, tüpe uygulanan aşırı yüksek voltajlar yoluyla daha fazla hızlanmaya maruz kalır ve bu da ışının, tüpün iç yüzeyinin fosforlu katman kaplamasına çarpmasına neden olur.

Bu, elektron demetinin çarpmasına tepki olarak fosforun anında parlamasına neden olur ve bu, kapsamı kullanan kullanıcı için ekranda görünür parıltı oluşturur.

CRT, uygun terminallerin bir arka taban üzerinden belirli pin çıkışlarına doğru çıkıntı yaptığı bağımsız ve eksiksiz bir ünitedir.

Farklı fosfor kaplı tüpler ve saptırma elektrotu konumlandırması ile birçok farklı boyutta farklı CRT formları piyasada mevcuttur.

Şimdi CRT'nin bir osiloskopta nasıl kullanıldığına biraz düşünelim.

Belirli bir örnek sinyal için görselleştirdiğimiz dalga biçimi modelleri şu şekilde yürütülür:

Süpürme voltajı, elektron demetini CRT ekranının iç yüzünde yatay olarak hareket ettirirken, aynı anda ölçülen giriş sinyali, ışını dikey olarak saptırmaya zorlayarak analizimiz için ekran grafiğinde gerekli modeli oluşturur.

Tek Süpürme nedir

CRT ekranındaki elektron ışınının her taramasını, kesirli bir 'boş' zaman aralığı izler. Bu boş aşama sırasında, ışın başlangıç ​​noktasına veya ekranın önceki en uç tarafına ulaşana kadar kısa bir süre KAPATILIR. Her taramanın bu döngüsüne 'kirişin bir taraması'

Ekranda kararlı bir dalga biçimi görüntüsü elde etmek için elektron ışınının her taramada aynı görüntü kullanılarak soldan sağa ve tam tersi tekrar tekrar 'taranması' gerekir.

Bunu başarmak için senkronizasyon adı verilen bir işlem gerekli hale gelir, bu da ışının ekranda tam olarak aynı noktadan geri dönmesini ve her taramayı tekrar etmesini sağlar.

Doğru şekilde senkronize edildiğinde, ekrandaki dalga biçimi modeli sabit ve sabit görünür. Bununla birlikte, senkronizasyon uygulanmazsa, dalga biçimi, ekranın bir ucundan diğer ucuna sürekli olarak yatay olarak yavaşça sürükleniyor gibi görünür.

Temel CRO Bileşenleri

Bir CRO'nun temel unsurları aşağıdaki Şekil 22.2'de görülebilir. Öncelikle bu temel blok diyagram için CRO'nun operasyonel ayrıntılarını analiz edeceğiz.

En az bir santimetreden birkaç santimetreye kadar anlamlı ve tanınabilir bir kiriş sapması elde etmek için, saptırma plakalarında kullanılan tipik voltaj seviyesi onlarca veya hatta yüzlerce voltta minimum olmalıdır.

Bir CRO aracılığıyla değerlendirilen darbelerin genellikle büyüklük olarak yalnızca birkaç voltta veya en fazla birkaç milivoltta olması nedeniyle, giriş sinyalini tüpü çalıştırmak için gerekli olan optimum voltaj seviyelerine yükseltmek için uygun yükseltici devreleri gerekli hale gelir.

Aslında, ışını hem yatay hem de dikey düzlemlerde saptırmaya yardımcı olan amplifikatör aşamaları kullanılır.

Analiz edilen giriş sinyali seviyesini uyarlayabilmek için, her bir giriş darbesinin, ekranın genliğini artırmak için tasarlanmış bir zayıflatıcı devre aşamasından geçmesi gerekir.

GERİLİM SÜPÜRME İŞLEMİ

Gerilim süpürme işlemi aşağıdaki şekilde gerçekleştirilir:

Dikey girişin 0V'de tutulduğu durumlarda, elektron ışınının ekranın dikey merkezinde görülmesi gerekir. Yatay girişe aynı şekilde 0V uygulanırsa, ışın ekranın ortasına sabit ve sabit gibi görünen konumlandırılır. NOKTA merkezde.

Şimdi, bu 'nokta', osiloskobun yatay ve dikey kontrol düğmelerini kullanarak ekran yüzünde herhangi bir yere hareket ettirilebilir.

Noktanın konumu, osiloskopun girişine eklenen belirli bir dc voltajı ile de değiştirilebilir.

Aşağıdaki şekil, pozitif yatay voltaj (sağa doğru) ve negatif dikey giriş voltajı (merkezden aşağı doğru) aracılığıyla CRT ekran üzerinde noktanın konumunun tam olarak nasıl kontrol edilebileceğini göstermektedir.

Yatay Süpürme Sinyali

Bir sinyalin CRT ekranında görünür hale gelmesi için, ekran boyunca yatay bir taramayla bir ışın sapmasının etkinleştirilmesi zorunlu hale gelir, böylece karşılık gelen herhangi bir dikey sinyal girişi, değişikliğin ekrana yansıtılmasına izin verir.

Aşağıdaki Şekil 22.4'ten, yatay kanala uygulanan doğrusal (testere dişi) bir tarama sinyali aracılığıyla dikey girişe pozitif voltaj beslemesi nedeniyle elde edilen düz çizgiyi ekranda görselleştirebiliriz.

Elektron ışını seçilen sabit bir dikey mesafe boyunca tutulduğunda, yatay voltaj negatiften sıfıra ve pozitife gitmeye zorlanır, bu da ışının ekranın sol tarafından merkeze ve sağ tarafına gitmesine neden olur. ekran. Elektron ışınının bu hareketi, merkez dikey referansın üzerinde düz bir çizgi oluşturur ve yıldız ışığı çizgisi şeklinde uygun bir doğru akım voltajı gösterir.

Tek bir tarama üretmek yerine, süpürme voltajı sürekli bir dalga formu gibi çalışmak üzere uygulanır. Bu, esasen ekranda tutarlı bir görüntünün görünmesini sağlamak içindir. Sadece tek bir süpürme kullanılırsa, uzun sürmez ve anında kaybolur.

Bu nedenle, CRT içinde saniyede saniyede tekrarlanan taramalar üretilir ve bu, görüşümüzün kalıcılığından dolayı ekranda sürekli bir dalga formu görünümü verir.

Osiloskopta sağlanan zaman ölçeğine bağlı olarak yukarıdaki süpürme oranını düşürürsek, ışının gerçek hareketli izlenimi ekranda görülebilir. Dikey girişe yatay süpürme olmadan sadece sinüzoidal bir sinyal uygulanırsa, Şekil 22.5'te gösterildiği gibi dikey bir düz çizgi görürdük.

Ve bu sinüzoidal dikey girişin hızı yeterince düşürülürse, elektron demetinin düz bir çizginin yolu boyunca aşağı doğru hareket ettiğini görmemizi sağlar.

Dikey Girişi Görüntülemek İçin Doğrusal Testere Dişi Süpürmeyi Kullanma

Bir sinüs dalgası sinyalini incelemekle ilgileniyorsanız, yatay kanalda bir tarama sinyali kullanmanız gerekecektir. Bu, dikey kanala uygulanan sinyalin CRO'nun ekranında görünür olmasına izin verecektir.

Dikey kanal boyunca bir sinüzoidal veya sinüs girişi ile birlikte yatay bir doğrusal taramanın kullanılmasıyla oluşturulan bir dalga biçimini gösteren Şekil 22.6'da pratik bir örnek görülebilir.

Uygulanan giriş için ekranda tek bir döngü elde etmek için, giriş sinyalinin ve doğrusal tarama frekanslarının bir senkronizasyonu zorunlu hale gelir. Küçük bir farkla veya yanlış senkronizasyonla bile ekran herhangi bir hareket göstermeyebilir.

Tarama frekansı azaltılırsa, CRO ekranında sinüs giriş sinyalinin daha fazla sayıda çevrimi görülebilir hale getirilebilir.

Öte yandan, taramanın frekansını arttırırsak, daha az sayıda dikey giriş sinüs sinyali döngüsünün görüntü ekranında görünmesine izin verir. Bu aslında CRO ekranında uygulanan giriş sinyalinin büyütülmüş bir kısmının üretilmesi ile sonuçlanacaktır.

Çözülmüş Pratik Örnek:

Şekil 22.7'de, dikey girişe yatay bir tarama ile uygulanan darbe benzeri bir dalga formuna yanıt olarak darbeli bir sinyal görüntüleyen osiloskop ekranını görebiliriz.

Her dalga formu için numaralandırma, ekranın her döngü için giriş sinyali ve tarama voltajındaki değişiklikleri takip etmesini sağlar.

SENKRONİZASYON VE TETİKLEME

Katot Işını Osiloskopundaki ayarlamalar, bir darbenin tek bir döngüsünü, çok sayıda döngüyü veya bir dalga formu döngüsünün bir bölümünü üretmek için hızı frekans açısından ayarlayarak gerçekleştirilir ve bu özellik, CRO'nun önemli bir özelliğidir. herhangi bir CRO.

Şekil 22.8'de, CRO ekranının birkaç tarama sinyali döngüsü için bir yanıt görüntülediğini görebiliriz.

Yatay testere dişi süpürme voltajının doğrusal bir tarama döngüsü yoluyla her bir uygulaması için (sıfır maksimum negatif sınırdan maksimum pozitife kadar bir sınıra sahiptir), elektron ışınının CRO ekran alanı boyunca soldan başlayarak merkeze ve ardından yatay olarak hareket etmesine neden olur. ekranın sağında.

Bundan sonra, testere dişi voltajı, elektron ışını uygun şekilde ekranın sol tarafına hareket ederken, hızlı bir şekilde başlangıç ​​negatif voltaj sınırına geri döner. Süpürme voltajının hızlı bir şekilde negatife döndüğü (geri çekilme) bu süre boyunca, elektron boş bir fazdan geçer (burada şebeke voltajı elektronların tüpün yüzüne çarpmasını engeller)

Ekranın, ışının her taraması için sabit bir sinyal görüntüsü üretmesini sağlamak için, taramayı giriş sinyali döngüsünde tam olarak aynı noktadan başlatmak zorunlu hale gelir.

Şekil 22.9'da, oldukça düşük bir tarama frekansının ekranın, ışının sol tarafındaki bir kayma görünümünü oluşturmasına neden olduğunu görebiliriz.

Şekil 22.10'da kanıtlandığı gibi yüksek bir tarama frekansına ayarlandığında, ekran, ekranda ışının sağ tarafına kaymış bir görünüm oluşturur.

Söylemeye gerek yok, ekranda sabit veya sabit bir tarama elde etmek için tarama sinyali frekansını giriş sinyali frekansına tam olarak eşit olarak ayarlamak çok zor veya uygulanamaz olabilir.

Daha uygun görünen bir çözüm, sinyalin bir döngüde izlemenin başlangıç ​​noktasına geri dönmesini beklemektir. Bu tür tetikleme, aşağıdaki paragraflarda tartışacağımız bazı iyi özellikleri içerir.

Tetikleme

Senkronizasyon için standart yaklaşım, tarama jeneratörünü anahtarlamak için giriş sinyalinin küçük bir bölümünü kullanır, bu da tarama sinyalini giriş sinyali ile kilitlenmeye veya kilitlenmeye zorlar ve bu işlem iki sinyali birlikte senkronize eder.

Şekil 22.11'de, bir giriş sinyalinin bir kısmının çıkarılmasını gösteren blok diyagramı görebiliriz. tek kanallı osiloskop.

Bu tetikleme sinyali, AC şebekesiyle ilişkili veya ilgili olabilecek herhangi bir harici sinyali analiz etmek için şebeke AC hat frekansından (50 veya 60 Hz) çıkarılır veya CRO'da dikey bir giriş olarak uygulanan ilgili bir sinyal olabilir.

Seçici anahtar 'DAHİLİ' konumuna getirildiğinde, giriş sinyalinin bir kısmının tetik jeneratör devresi tarafından kullanılmasını sağlar. Daha sonra, çıktı tetikleme üreteci çıkışı, kapsamın zaman / cm kontrolü tarafından belirlenen bir süre boyunca görünür kalan CRO'nun ana taramasını başlatmak veya başlatmak için kullanılır.

Bir sinyal döngüsü boyunca birkaç farklı noktada tetiklemenin başlatılması, Şekil 22.12'de görselleştirilebilir. Tetik taramasının işleyişi, sonuçta ortaya çıkan dalga biçimi modelleri aracılığıyla da analiz edilebilir.

Giriş olarak uygulanan sinyal, tarama sinyali için bir tetikleme dalga formu oluşturmak için kullanılır. Şekil 22.13'te gösterildiği gibi, tarama, giriş sinyali döngüsü ile başlatılır ve tarama uzunluğu kontrol ayarı tarafından karar verilen bir süre boyunca devam eder. Daha sonra, CRO işlemi, yeni bir tarama işlemi başlatmadan önce giriş sinyali kendi döngüsünde özdeş bir noktaya ulaşana kadar bekler.

Yukarıda açıklanan tetikleme yöntemi senkronizasyon sürecini mümkün kılarken, ekranda görüntülenebilen döngü sayısı tarama sinyalinin uzunluğu ile belirlenir.

MULTITRACE FONKSİYONU

Gelişmiş CRO'ların çoğu, görüntüleme ekranında aynı anda birden fazla veya birden fazla izin görüntülenmesini kolaylaştırır, bu da kullanıcının birden çok dalga formunun özel veya diğer belirli özelliklerini kolayca karşılaştırmasına olanak tanır.

Bu özellik normalde, CRO ekranında bireysel ışın üreten birden çok elektron tabancasından birden çok ışın kullanılarak uygulanır, ancak bazen bu aynı zamanda tek bir elektron ışınıyla da gerçekleştirilir.

Birden fazla iz oluşturmak için kullanılan birkaç teknik vardır: ALTERNATE ve CHOPPED. Alternatif modda, girişte bulunan iki sinyal dönüşümlü olarak bir elektronik anahtar vasıtasıyla saptırma devresi aşamasına bağlanır. Bu modda ışın, kaç tane iz gösterilecek olursa olsun CRO ekranı boyunca taranır. Bundan sonra, elektronik anahtar alternatif olarak ikinci sinyali alır ve bu sinyal için de aynısını yapar.

Bu çalışma modu Şekil 22.14a'da görülebilir.

Şekil 22.14b, ışının her tarama sinyali için iki giriş sinyali arasında seçim yapmak için ışının tekrarlayan bir anahtarlamadan geçtiği CHOPPED çalışma modunu gösterir. Bu anahtarlama veya kesme eylemi, sinyalin nispeten daha düşük frekansları için tespit edilemez kalır ve görünüşe göre CRO ekranında iki ayrı iz olarak görülür.

Kalibre edilmiş CRO ölçekleriyle Dalga Biçimi Nasıl Ölçülür?

CRO ekranının açıkça işaretlenmiş kalibre edilmiş teraziden oluştuğunu görmüş olabilirsiniz. Bu, söz konusu uygulanan bir dalga formu için genliklerin ve zaman faktörünün ölçümleri için sağlanır.

İşaretli birimler, kutuların her iki yanında 4 santimetreye (cm) bölünmüş kutular olarak görünür. Bu kutuların her biri ek olarak 0,2 cm'lik aralıklara bölünmüştür.

Genliklerin Ölçülmesi:

RO ekranındaki dikey ölçek, volt / cm (V / cm) veya milivolt / cm (mV / cm) olarak kalibre edilmiş olarak görülebilir.

Skopun kontrol düğmelerinin ayarlarının ve ekranın ön yüzünde sunulan işaretlerin yardımıyla, kullanıcı, bir dalga formu sinyalinin veya tipik olarak bir AC sinyalinin tepeden tepeye genliklerini ölçebilir veya analiz edebilir.

CRO'nun ekranında genliğin nasıl ölçüldüğünü anlamak için pratik bir çözüm örneği:

Not: Bu, osiloskobun multimetrelere göre avantajıdır, çünkü multimetreler yalnızca AC sinyalinin RMS değerini sağlarken, bir osiloskop hem RMS değerini hem de sinyalin tepeden tepeye değerini sağlayabilir.

Osiloskop kullanarak bir AC döngüsünün Zamanlamasını (Periyot) Ölçme

Bir osiloskopun ekranında sağlanan yatay ölçek, bir giriş döngüsünün zamanlamasını saniye, milisaniye (ms) ve mikrosaniye (μs) ve hatta nanosaniye (ns) cinsinden belirlememize yardımcı olur.

Bir döngüyü baştan sona tamamlamak için bir darbenin harcadığı zaman aralığına darbe periyodu denir. Bu darbe, tekrarlayan bir dalga formu formunda olduğunda, periyoduna dalga formunun bir döngüsü denir.

CRO ekran kalibrasyonu kullanılarak bir dalga formunun periyodunun nasıl belirleneceğini gösteren pratik bir çözülmüş örnek:

Darbe Genişliğini Ölçme

Her dalga formu, darbenin yüksek ve düşük durumları olarak adlandırılan maksimum ve minimum voltaj tepe noktalarından oluşur. Darbenin YÜKSEK veya DÜŞÜK durumlarında kaldığı zaman aralığına darbe genişliği denir.

Kenarları çok keskin (hızlı) yükselen ve düşen darbeler için, bu tür darbelerin genişliği, ön kenar olarak adlandırılan darbenin başlangıcından, arka kenar olarak adlandırılan darbenin sonuna kadar ölçülür, bu Şekil 22.19a'da gösterilmektedir.

Daha yavaş veya yavaş yükselme ve düşme döngüleri (üstel tip) olan darbeler için, darbe genişlikleri, Şekil 22.19b'de gösterildiği gibi, döngülerdeki% 50 seviyelerinde ölçülür.

Aşağıdaki çözülmüş örnek, yukarıdaki prosedürü daha iyi anlamaya yardımcı olur:

DARBE GECİKMESİNİ ANLAMAK

Darbe döngüsündeki darbeler arasındaki zaman aralığı boşluğuna darbe gecikmesi denir. Aşağıda verilen şekil 22.21'de bir darbe gecikmesi örneği görülebilir, buradaki gecikmenin orta nokta veya% 50 seviyesi ile darbenin başlangıç ​​noktası arasında ölçüldüğünü görebiliriz.

Şekil 22.21

CRO'da nabız gecikmesinin nasıl ölçüleceğini gösteren pratik çözülmüş örnek

Sonuç:

Katot Işını Osiloskopunun (CRO) nasıl çalıştığına ilişkin temel ayrıntıların çoğunu dahil etmeye ve kalibre edilmiş ekranı aracılığıyla bu cihazın çeşitli frekans tabanlı sinyalleri ölçmek için nasıl kullanılacağını açıklamaya çalıştım. Bununla birlikte, burada gözden kaçırmış olabileceğim daha birçok husus olabilir, yine de zaman zaman kontrol etmeye devam edeceğim ve mümkün olduğunda daha fazla bilgiyi güncelleyeceğim.

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