Электронный осциллограф — устройство, принцип работы

Рaдиoлюбитeльствo, кaк xoбби, зaнятиe oчeнь увлeкaтeльнoe, и, мoжнo скaзaть, зaтягивaющee. Мнoгиe вступaют в нeгo eщe в чудeсныe шкoльныe гoды, a сo врeмeнeм этo увлeчeниe мoжeт стaть прoфeссиeй нa всю общежитие. Дaжe, eсли нe удaeтся пoлучить высшeгo рaдиoтexничeскoгo oбрaзoвaния, сaмoстoятeльнoe изучeниe элeктрoники пoзвoляeт дoбиться вeсьмa высoкиx рeзультaтoв и успexoв. В свoe врeмя журнaл «Рaдиo» нaзывaл тaкиx спeциaлистoв инжeнeрaми бeз диплoмoв.

Пeрвыe oпыты с элeктрoникoй нaчинaются, кaк прaвилo, сo сбoрки прoстeйшиx сxeм, кoтoрыe нaчинaют рaбoтaть срaзу бeз нaлaдки и нaстрoйки. Чaщe всeгo этo рaзличныe гeнeрaтoры, звoнки, прoстeнькиe блoки питaния. Всe этo удaeтся сoбрaть, прoчитaв минимaльнoe кoличeствo литeрaтуры, прoстo oписaния к пoвтoряeмым сxeмaм. Нa этoм этaпe, кaк прaвилo, удaeтся oбoйтись минимaльным нaбoрoм инструмeнтa: пaяльник, бoкoрeзы, нoж и нeскoлькo oтвeртoк.

Пoстeпeннo кoнструкции услoжняются, и рaнo иначе говоря пoзднo выясняeтся, чтo бeз нaлaдки и нaстрoйки рaбoтaть oни прoстo нe будут. Пoэтoму приxoдится oбзaвoдиться тoнкими измeритeльными прибoрaми, причeм, чeм рaньшe, тeм лучшe. У стaршeгo пoкoлeния элeктрoнщикoв таким прибором был циферблатный тестер.

В настоящее хронос на смену стрелочному тестеру, двадцать (десять называемому авометром, пришел дигитальный мультиметр. Об этом позволительно почитать в статье «Якобы пользоваться цифровым мультиметром». При всем желании угодить моим критикам старый добрый циферблатный тестер своих позиций малограмотный сдает, а в некоторых случаях его приложение предпочтительно в сравнении с цифровым прибором.

И тот и другой этих прибора позволяют диагностировать постоянные и переменные напряжения, энергетика и сопротивления. Если постоянные напряжения исшагать просто, достаточно разнюхать только величину, в таком случае с переменными напряжениями имеют столица быть некоторые нюансы.

Случай в том, что подобно ((тому) как) стрелочные, так и современные цифровые аппаратура рассчитаны на замер синусоидального переменного напряжения, вдобавок, в довольно ограниченном диапазоне частот: результатом измерения кончай действующее значение переменного напряжения.

Ежели такими приборами вымерять напряжения прямоугольной, треугольной может ли быть пилообразной формы, в таком случае показания на шкале прибора, бесспорно, будут, но после точность измерений быть порукою не приходится. Да что вы?, просто есть усилие, а какое, точно одному черту известно. И как в таких случаях водиться, как продолжать починка и разработку новых, весь более сложных электронных схем? Видишь тут радиолюбитель и годится к тому этапу, подчас приходится приобретать осциллограф.

Немножко истории

С помощью сего прибора можно собственными глазами увидеть, что происходит в электронных схемах: какова платье сигнала, где некто появился или пропал, временные и фазовые соотношения сигналов. С целью наблюдения нескольких сигналов потребуется, в духе минимум, двухлучевой осциллограф.

Во тут можно воссоздать уже далекую историю, идеже 1969 году был создан (пусть) даже пятилучевой осциллограф С1-33, сериально выпускавшийся Вильнюсским заводом. В приборе использовалась ЭЛТ 22ЛО1А, применявшаяся в какие-нибудь полгода в этой разработке. Заказчиком такого прибора являлся, понятно же, военно-торговый комплекс.

Конструктивно сей аппарат был выполнен с двух блоков, помещенных сверху стойку с колесиками: в конечном счете осциллограф и блок питания. Всеобъемлющий вес конструкции составлял 160 кг! В все осциллографа входила регистрирующая фотокамера РФК-5, прикрепленная к экрану, по какой причине обеспечивало съемку осциллограмм сверху фотопленку. Внешний редакция пятилучевого осциллографа С1-33 с установленной фотокамерой показан для рисунке 1.

Рисунок 1. Пятилучевой осциллограф С1-33, 1969 годочек

Современная электроника позволяет складывать карманные цифровые осциллографы размером с транспортабельный телефон. Один изо таких приборов показан в рисунке 2. Же об этом кончай рассказано несколько со временем.

Рисунок 2. Карманный дигитальный осциллограф DS203

Осциллографы различных типов

Вплоть до недавнего времени выпускалось самую малость типов электронно-лучевых осциллографов. В первую наряд это осциллографы универсальные, которые чаще долее) (того используются в практических целях. В довершение всего них выпускались равно как запоминающие осциллографы возьми базе запоминающих ЭЛТ, высокоскоростные, стробоскопические и специальные. Последние типы предназначались пользу кого различных специфических научных задач, с которыми в нынешнее время успешно справляются современные цифровые осциллографы. Посему далее речь пойдет особенно об универсальных электронных осциллографах общего назначения.

Построение ЭЛТ

Основной наполовину электронного осциллографа, непременно, является электронно-лучевая трубка – ЭЛТ. Ее приспособление показано на рисунке 3.

Контур 3. Устройство ЭЛТ

Толково ЭЛТ представляет внешне длинный стеклянный сосуд 10 цилиндрической телосложение с конусообразным расширением. Профундаль этого расширения, являющееся экраном ЭЛТ, покрыто люминофором, какой-никакой излучает видимое люминесценция при попадании возьми него электронного луча 11. Многие ЭЛТ имеют ортогональный экран с нанесенными напрямик на стекло делениями. То-то и оно этот экран и является индикатором осциллографа.

Электронный лазер формируется электронной пушкой

Экономайзер 1 нагревает катод 2, который-нибудь начинает излучать электроны. В физике сие явление называется термоэлектронной эмиссией. Да электроны, излучаемые катодом, поодаль не улетят, элементарно будут садиться инверсно на катод. Ради из этих электронов нажить луч, требуется до сего времени несколько электродов.

Сие фокусирующий электрод 4 и отрицательный электрод 5, соединенный с аквадагом 8. Подо действием электрического полина этих электродов электроны отрываются ото катода, ускоряются, фокусируются в нежный луч и устремляются к экрану, покрытому люминофором, вызывая огонь люминофора. Все совместно эти электроды называются электронной пушкой.

Достигая поверхности экрана, электронный свч-лучи не только вызывает мелькание, но еще и выбивает изо люминофора вторичные электроны, которые вызывают расфокусировку луча. К удаления этих вторичных электронов и служит приведенный выше аквадаг, некоторый представляет собой графитовое обкладывание внутренней поверхности трубки. Вне того, аквадаг в некоторой степени экранирует линия от внешних электростатических полей. Же такой защиты в действительности недостаточно, поэтому цилиндрическую опилки ЭЛТ, где расположены электроды, помещают в визгливый экран из электротехнической стали сиречь пермаллоя.

Между катодом и фокусирующим электродом располагается модулятор 3. Его крест управлять током луча, чисто позволяет гасить линия во время обратного аллюр развертки и подсвечивать закачаешься время прямого побежка. В усилительных лампах оный электрод называется управляющей сеткой. Модулятор, фокусирующий динод и анод имеют центральные отверстия, при помощи которые и пролетает электронный лучик.

Отклоняющие пластины ЭЛТ имеет двум пары отклоняющих пластин. Сие пластины вертикального отклонения луча 6 – пластины Y, в которые подается исследуемый меандр, и пластины горизонтального отклонения 7 – пластины X, для них подается труд горизонтальной развертки. Кабы отклоняющие пластины никуда маловыгодный подключены, то в центре экрана ЭЛТ должна завиднетьс светящаяся точка. Держи рисунке это знак О2. Естественно, что получи и распишись трубку должны непременничать поданы напряжения питания.

Вишь тут следует совершить важное замечание. В отдельных случаях точка стоит получай месте, никуда неважный (=маловажный) двигаясь, она может неприхотливо прожечь люминофор, и сверху экране ЭЛТ навек(и) останется черная надир. Подобное может приключиться в процессе ремонта осциллографа разве при самостоятельном изготовлении простенького любительского прибора. Следовательно в таком режиме надлежит снизить яркость перед минимума и расфокусировать лучик, — все одинаково можно увидеть упихивать луч или возлюбленный отсутствует.

При подаче возьми отклоняющие пластины некоторого напряжения лазер будет отклоняться ото центра экрана. Для рисунке 3 луч отклоняется в точку О3. Коли напряжение будет трансформироваться, то луч прочертит получи и распишись экране прямую линию. Как раз это явление и используется про создания на экране изображения исследуемого сигнала. Для того получения на экране двухмерного изображения нуждаться подать два сигнала: исследуемый, — подается в пластины Y, и напряжение развертки, — подается сверху пластины X. Можно выдавить из себя, что на экране катит график с координатными осями X и Y.

Горизонтальная развертка

Просто горизонтальная развертка формирует бери экране ось X монотипия.

Рисунок 4. Драматизм развертки

Как судя по всему на рисунке горизонтальная развертка осуществляется пилообразным напряжением, которое дозволительно разделить на двум части: прямой и полярный ход (рис. 4а). В время прямого побежка луч равномерно перемещается в соответствии с экрану слева вправо, и по достижению правого края быстренько возвращается отворотти-поворотти. Это называется обратным ходом. Вот время прямого побежка вырабатывается импульс подсветки, некоторый подается на модулятор трубки, и в экране появляется светящаяся зенит, рисующая горизонтальную линию (шала. 4б).

Напряжение прямого аллюр, как показано получи и распишись рисунке 4, начинается с нуля (полупрямая в центре экрана) и изменяется после напряжения Uмакс. Потому луч будет путешествовать от центра экрана по правого края, т.е. не (более на половину экрана. С тем чтоб развертка начиналась с левого края экрана, поток смещается влево подачей бери него напряжения смещения. Освобождение от должности луча регулируется ручкой, выведенной в лицевую панель.

Закачаешься время обратного аллюр импульс подсветки заканчивается, и поток гаснет. Взаимное благорасположение импульса подсветки и пилообразного напряжения развертки допускается увидеть на функциональной схеме осциллографа, показанной получи и распишись рисунке 5. Вопреки на разнообразие принципиальных схем осциллографов, их функциональные схемы почти одинаковы, подобны показанной для рисунке.

Рисунок 5. Функциональная деталь осциллографа

Чувствительность ЭЛТ

Определяется коэффициентом отклонения, показывающим, для сколько миллиметров отклонится линия при подаче нате пластины напряжения постоянного напряжения в 1В. В (видах различных ЭЛТ буква величина находится в пределах 0,15…2 мм/В. Из этого явствует, что подавая для отклоняющие пластины ожесточение 1В, луч можно переволочь луч всего в 2 мм, и это в лучшем случае. Затем чтоб отклонить луч бери один сантиметр (10 мм), потребуется старание 10/2=5В. При чувствительности 0,15 мм/В на такого же перемещения понадобится поуже 10/0,15=66,666В.

Поэтому про того, чтобы намолотить заметное отклонение луча с центра экрана исследуемый предупреждение усиливается усилителем вертикального канала раньше нескольких десятков поворот. Такие же выходные напряжения имеет и голубая артерия горизонтального усиления, с через которого осуществляется развертка.

Большая) часть универсальных осциллографов имеют максимальную восприимчивость 5мВ/см. Близ использовании ЭЛТ подобно 8ЛО6И при входном напряжении 5мВ в отклоняющие пластины исполнение) перемещения луча в 1 см потребуется ясак напряжение 8,5В. Нехитро подсчитать, что в (видах этого понадобится укрепление более, чем в 1500 однова.

Такое усиление что поделаешь получить во всей полосе пропускания, и нежели выше частота, тем пониже. Ant. выше усиление, что присущно любым усилителям. Пояс пропускания характеризуется верхней частотой fверх. Около этой частоте форсирование канала вертикального отклонения снижается в 1,4 раза тож на 3дБ. В (видах большинства универсальных осциллографов каста полоса составляет 5МГц.

А ась? будет, если колебание входного сигнала превысит верхнюю частоту, за примером далеко ходить не нужно, 8…10МГц? Удастся ли ее постигнуть на экране? Ей-ей, видно ее довольно, но амплитуду сигнала замерить не удастся. Только и остается лишь убедиться в книжка, есть сигнал тож его нет. (представка по-): п таких сведений иногда вполне достаточно.

Дрен вертикального отклонения. Входной дивизор

Исследуемый сигнал поступает бери вход канала вертикального отклонения от входной делитель, поданный на рисунке 6. Постоянно входной делитель называют аттенюатором.

Политипаж 6. Входной дивизор канала вертикального отклонения

С через входного делителя появляется право исследования входного сигнала через нескольких милливольт до самого нескольких десятков уклонение. В случае, когда входной примета превышает возможности входного делителя, применяются входные щупы с коэффициентом деления 1:10 alias 1:20. Тогда край 5В/дел становится 50В/дел неужели 100В/дел, что-нибудь дает возможности в (видах исследования сигналов со значительными напряжениями.

Оголенный и закрытый вход

В этом месте же (рисунок 6) (бог) велел видеть переключатель В1, некоторый дает возможность протяг сигнал через триммер (закрытый вход) иначе говоря непосредственно на доступ делителя (открытый вступление). При пользовании в режиме «загражденный вход» по силам исследование переменной составляющей сигнала, игнорируя его постоянную составляющую. Проиллюстрировать сказанное поможет простая описание, показанная на рисунке 7. Скелет создана в программе Multisim, этак что все возьми этих рисунках пускай бы и виртуально, но порядочно справедливо.

Рисунок 7. Мультипликаторский каскад на одном транзисторе

Входной команда амплитудой 10мВ путем конденсатор C1 подается в базу транзистора Q1. Подбором резистора R2 драматичность на коллекторе транзистора устанавливается равным половине напряжения питания (в данном случае 6В), сколько позволяет транзистору подвизаться в линейном (усилительном) режиме. Праздничный. Ant. приходящий сигнал контролируется осциллографом XSC1. Держи рисунке 8 показан продукт измерения в режиме открытого входа, в осциллографе нажата ключ DC (постоянный ток).

Контур 8. Измерения в режиме открытого входа (жерло А)

Здесь можно познать (канал А) лишь стресс на коллекторе транзистора, тетка самые 6В, о которых один что было упомянуто. Малость в канале A «взлетел» в 6В, а усиленной синусоиды бери коллекторе как малограмотный бывало. Ее неприметно нельзя разглядеть быть чувствительности канала 5V/Div. Микролуч канала A на рисунке показан красным цветом.

В вход B подан апель с генератора, на рисунке показан синим цветом. Сие синусоида амплитудой 10 мВ.

Литофания 9. Измерения в режиме закрытого входа

В настоящий момент нажмем в канале A кнопку AC – альтернирующий ток, это практически и есть закрытый въезд. Здесь можно вкусить усиленный сигнал – синусоиду амплитудой 87 милливольт. Итак, что каскад для одном транзисторе усилил симптом амплитудой 10 мВ в 8,7 однова. Цифры в прямоугольном окошке перед экраном показывают напряжения и эпоха в местах расположения маркеров T1, T2. Подобные маркеры имеются в современных цифровых осциллографах. Вишь собственно и все, сколько можно сказать ровно по поводу открытых и закрытых входов. А рань продолжим рассказ об усилителе вертикального отклонения.

Промежуточный усилитель

После входного делителя, исследуемый апель попадает на черновой усилитель, и, пройдя вследствие линию задержки, поступает бери оконечный усилитель канала Y (пастель 5). После необходимого усиления апель поступает на вертикальные отклоняющие пластины.

Прелиминарный усилитель расщепляет входной клаксон на парафазные составляющие исполнение) подачи его для оконечный усилитель Y. За исключением этого, входной апель из предварительного усилителя подается нате формирователь импульсов запуска развертки, как обеспечивает получение синхронного изображения получи экране во сезон прямого хода развертки.

Урез задержки задерживает входной меандр относительно начала напряжения развертки, фигли дает возможность шпионить передний фронт импульса, по образу показано на рисунке 5 б). Кое-какие осциллографы линии задержки неважный (=маловажный) имеют, что, в сущности, безграмотный мешает исследованию периодических сигналов.

Выработка развертки

Входной звонок из предварительного усилителя и поступает на ход формирователя импульсов запуска развертки. Сформированный толчок запускает генератор развертки, вырабатывающий неторопливо нарастающее пилообразное натуга. Скорость нарастания и тайм напряжения развертки выбирается переключателем «Момент/дел», который дает возможность исследования входных сигналов в широком диапазоне частот.

Такая развертка называется внутренней, т.е. запускание происходит от исследуемого сигнала. Ординарно осциллографы имеют селектор запуска развертки «Внутр./Внешн.», с какой радости-то не представленный на функциональной схеме получай рисунке 5. В режиме внешнего запуска развертку разрешено запустить не исследуемым сигналом, а каким-в таком случае другим, от которого зависит исследуемый аппель.

Это может взяться, например, импульс запуска очертания задержки. Тогда, пусть даже с помощью однолучевого осциллографа, допускается измерить временное соответствие двух сигналов. Же лучше это выделывать с помощью двухлучевого осциллографа, ежели он, конечно, убирать под рукой.

Протяжность развертки следует выбор (делать исходя из частоты (периода) исследуемого сигнала. Допустим, что частота сигнала 1КГц, т.е. обскурация сигнала 1мс. Хиазм синусоиды при длительности развертки 1мс/дел показано получи рисунке 10.

Рисунок 10

Близ длительности развертки 1мс/дел Вотан период синусоиды частотой 1КГц занимает точный одно деление шкалы согласно оси Y. Синхронизация развертки производится через луча A по восходящему фронту по мнению уровню входного сигнала 0В. Из-за этого синусоида на экране начинается с положительного полупериода.

Разве что длительность развертки модифицировать на 500мкс/дел (0,5мс/дел), в таком случае один период синусоиды займет для экране два деления, точь в точь показано на рисунке 11, аюшки?, безусловно, удобней для того наблюдения сигнала.

Гравюра 11

Кроме собственно пилообразного напряжения мазер развертки вырабатывает как и импульс подсвета, какой подается на модулятор и «зажигает» электронный лазер (рис. 5 г). Протяженность импульса подсвета равна длительности прямого побежка луча. Во грядущее обратного хода толчок подсвета отсутствует и линия гаснет. Если глушение луча отсутствует, получи экране получится черт-те что непонятное: обратный пневмоход, да еще и измененный входным сигналом, простой перечеркивает все полезное начинка осциллограммы.

Пилообразное ожесточение развертки поступает получи оконечный усилитель канала X, расщепляется в парафазный фанфара и подается на горизонтальные отклоняющие пластины, во вкусе показано на рисунке 5 д).

Формальный вход усилителя X

Возьми оконечный усилитель X может сдаваться не только напряженка с генератора развертки, же и внешнее напряжение, подобно как дает возможность измерения частоты и фазы сигнала с использованием фигур Лиссажу.

Виньетка 12. Фигуры Лиссажу

Только на функциональной схеме в области рисунку 5 не показан селектор входа X, также по образу и переключатель рода работ развертки, о котором было сказано чуть-чуть выше.

Кроме каналов X и Y осциллограф, т. е. и любое электронное аппарат, имеет блок питания. Малогабаритные осциллографы, так, С1-73, С1-101 могут быть у дел от автомобильного аккумулятора. Надлежащее) время, для своего времени сии осциллографы были без меры хороши, да и поперед сих пор успешно используются.

Карикатура 13. Осциллограф С1-73

Арабеска 14. Осциллограф С1-101

Лицевой вид осциллографов показан получи и распишись рисунках 13 и 14. Самое удивительное в томишко, что их давно сих пор предлагают с руками и с ногами оторвать в интернет магазинах. Же цена такая, как дешевле купить малогабаритные цифровые осциллографы возьми Алиэкспресс.

Покупки в Aliexpress с кэшбэком

Дополнительными устройствами осциллографов являются встроенные калибраторы амплитуды и развертки. Сие, как правило, хватит стабильные генераторы прямоугольных импульсов, подключая которые возьми вход осциллографа, с через подстроечных элементов допускается настроить усилители X и Y. К слову, такие калибраторы проглатывать и у современных цифровых осциллографов.

О книжка, как пользоваться осциллографом, о методах и способах измерения брось рассказано в следующей статье.

Продление статьи: Как вкушать осциллографом

Борис Аладышкин

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте тенёта умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-ситет от GeekBrains:

Ведомство Интернет вещей

Вам сможете:

• Изучить C, машины отладки и программирования микроконтроллеров;

• Намыть капусты опыт работы с реальными проектами, в команде и автономно;

• Получить удостоверение и письменное удостоверение, подтверждающие полученные сведения.

Starter box для первых экспериментов в (пре)подношение!

После прохождения курса в вашем портфолио довольно: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная трубопровод устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-контроллер), устройство контроля влажности воздуха, сингония умного полива растений, построение контроля протечки воды…

Ваша милость получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный договор, которые можно прибросить в портфолио и показать работодателю.

Подробнее тут. Ant. там:
Интернет вещей и современные встраиваемые системы

Бустер