Studiul osciloscopului catodic

Studiul osciloscopului catodic

1 Prezentare generala.

Osciloscopul este un instrument avand ca functie principala vizualizarea si masurarea semnalelor electrice, pe un ecran, ca un grafic bidimensional, in doua moduri:

I. Y(t), cand pe axa orizontala (X) se reprezinta timpul, iar pe axa verticala (Y) semnalul de masurat (sub forma unei tensiuni).

II. Y(X), cand un semnal de tensiune Y este reprezentat functie de un alt semnal de tens 353g65d iune X.

Exista in prezent o varietate destul de mare de osciloscoape. Astfel se intalnesc:

. Osciloscoape fara memorie. Acestea sunt folosite in principal pentru vizualizarea semnalelor periodice, care pot genera o imagine stabila pe ecran, sau pentru a urmari evolutia unor semnale cu variatie foarte lenta;

. Osciloscoape cu memorie, care permit inregistrarea unui semnal intr-o singura aparitie si memorarea lui pentru a fi vizualizat ulterior.

In functie de modul in care se face prelucrarea semnalelor osciloscoapele pot fi:

. analogice (osciloscopul 'clasic');

. digitale. Semnalul este digitizat (transformat in forma numerica), iar apoi poate fi stocat, prelucrat, afisat. In acest caz, osciloscopul este implicit cu memorie.

Domeniul de frecventa acoperit este pana la cateva sute de MHz pentru osciloscoapele obisnuite (numite si 'de timp real'), dar poate ajunge pana la zeci de GHz in cazul osciloscoapelor cu esantionare, care se bazeaza pe caracterul repetitiv al semnalelor vizualizate.

2. Schema bloc generala.

O schema bloc foarte generala, valabila atat pentru un osciloscop analogic cat si pentru unul digital, este data in figura 1. Se pun in evidenta trei blocuri principale:

. Canalul Y, al carui rol este de a realiza conditionarea (prelucrarea) semnalelor studiate. Majoritatea osciloscoapelor existente permit vizualizarea a doua semnale, aplicate pe intrarile notate in schema cu YA, respectiv YB. Foarte frecvent ele sunt inscriptionate pe ecran prin CH1 si CH2 (CH de la Channel). Exista si osciloscoape ce permit analiza simultana a mai multor semnale, de exemplu 4. In modul de lucru Y(X) intrarea YB si circuitele aferente pot fi comutate pentru a prelucra semnalul utilizat pentru axa X.

. Sistem de sincronizare si baza de timp (Canalul X) care indeplineste o dubla functie:

3. Functionare si caracteristici.

In figura 3 este prezentata schema osciloscopului catodic cu doua canale. Rolul detaliat al blocurilor este prezentat in continuare:

Canalul Y Acest bloc preia semnalele de la intrare (exista doua intrari notate cu YA si YB), pe care le prelucreaza pentru a produce tensiunea necesara sistemului de deflexie pe verticala. Totodata el livreaza si un semnal pentru sincronizarea interna pentru baza de timp (generatorul de baleiaj).

Canalul X (baza de timp) - Daca pe placile de deflexie pe verticala s-a aplicat semnalul care se doreste a fi vizualizat, pe placile de deflexie orizontala, in modul de lucru normal al osciloscopului (vizualizarea variatiei temporale a semnalului y(t)), trebuie aplicat un semnal care sa asigure deplasarea pe orizontala a spotului. Deoarece pe orizontala se doreste sa se masoare timpul, miscarea spotului de electroni pe aceasta directie trebuie sa se faca cu viteza constanta (curgerea timpului este liniara). In consecinta pe placile de deflexie orizontala trebuie sa fie aplicata o tensiune liniar variabila (crescatoare) pe durata unei curse directe. Blocul care genereaza aceasta tensiune este baza de timp (BT). In ansamblu tensiunea generata de baza de timp are o forma de tip "dinte de fierastrau". Baza de timp mai are de asemenea rolul de a asigura sincronizarea imaginii vizualizate, folosind drept semnal de sincronizare fie semnalul care este vizualizat (sincronizare interna), fie un semnal extern, aplicat la borna TRG EXT (trigger extern). O alta functiune a bazei de timp consta in generarea unui semnal care sa asigure stingerea spotului pe durata cursei inverse (intoarcerea spotului). Pe placile de deflexie orizontala (X-X) se aplica semnal prin amplificatorul deflexiei pe orizontala (X-X) de la baza de timp, in modul de lucru (y)t sau din exterior in cazul cand se lucreaza in modul (y)x (intrarea X EXT).

Circuitele de control al stralucirii. O prima functiune obligatorie consta in stingerea spotului pe durata cursei inverse, utilizand semnalul furnizat de baza de timp. In afara de aceasta, unele osciloscoape mai au si posibilitatea controlului stralucirii prin intermediul unui semnal extern, aplicat la borna Z EXT. Deoarece din variatia intensitatii imaginii vizualizate putem obtine informatii despre semnal, intensitatea este vazuta ca o a treia dimensiune (Z).

Comutatorul modului de cuplaj - permite vizualizarea semnalului cu sau fara componenta continua sau, pe pozitia GND (Ground), permite vizualizarea nivelului de zero.

Atenuatorul calibrat - permite modificarea in trepte calibrate a coeficientului de deflexie pe verticala. Daca se doreste realizarea unui atenuator cu treptele Cy=10-20-50-100-200-500 mV/div, 1-2-5 V/div, vor fi necesare atenuarile din tabelul 1. schema de principiu al atenuatorului este prezentata in fig. 4

atenuator subcompensat; in acest caz atenuatorul defavorizeaza semnalele de frecvente mari, iar in raspunsul la treapta, termenul al doilea este negativ, avand la efect o distorsionare a frontului.

atenuator supracompensat; atenuatorul favorizeaza semnalele de frecvente inalte, iar in raspunsul la treapta, termenul al doilea este pozitiv, conducand la o supracrestere.

Raspunsul atenuatorului este prezentat in fig.5, iar exemplele de vizualizare ale semnalelor dreptunghiulete, in fig.6.

Semnal de intrare    Semnal de iesire

Comutatorul de canale (YA-YB) Este necesar in cazul in care osciloscopul are mai multe canale (posibilitatea de a afisa simultan mai multe semnale, cel mai frecvent doua). In acest caz, daca osciloscopul nu are decat un singur fascicol de electroni, pot fi afisate mai multe imagini simultan. Pentru a permite totusi vizualizarea simultana a semnalelor de pe mai multe canale, este folosit blocul de comutare a canalelor. Acesta are rolul de a multiplexa semnalele care trebuie vizualizate. Exisa doua moduri de vizualizare a mai multor canale: modul alternat (ALT) si modul comutat (chopper - CHOP)

Masuratori cu osciloscopul

Scop: Experimentarea folosirii osciloscopului pentru masurarea factorului de umplere, a timpilor de crestere, masurarea rezistentei si capacitatii de intrare. De asemenea este studiata sincronizarea osciloscopului, sursele pentru semnalul de sincronizare, funcþionarea in modul de vizualizare XY.

Asa cum s-a precizat anterior, osciloscopul are doua moduri de lucru:

1. Modul Y(t) - in care se vizualizeaza variatia temporala a semnalului aplicat pe unul din canalele osciloscopului. In acest mod semnalul comanda deplasarea spotului pe axa y a ecranului, iar deplasarea spotului pe axa x este data de baza de timp, care are doua funcþii importante: generarea tensiunii "dinte de fierastrau" care asigura deplasarea ciclica a spotului pe ecran si funcþia desincronizare a imaginii.

Generarea tensiunii "dinte de fierastrau" (fig.7)

Se disting mai multe intervale de timp avand urmatoarele semnificaþii:

. t_d - durata cursei directe (durata de afisare a imaginii pe ecran). Poate fi determinat cu relatia t_d=N_x·C_x , unde Nx este numarul de diviziuni de pe orizontala iar Cx reprezinta coeficientul de deflexie pe orizontala. Dupa terminarea cursei directe afisarea imaginii este oprita pana la urmatoarea declansare

Fig.7: Tensiunea generata de baza de timp    . t_i - durata cursei inverse. In acest interval tensiunea bazei de

timp revine la valoarea iniþiala, valoare ce corespunde unei pozitionari a spotului in partea din stanga a ecranului.

. t_RET - timpul de retinere. Este un interval de timp reglabil util in sincronizarea semnalelor periodice cu forme mai speciale

. t_a - timpul de asteptare. Interval de timp in care se asteapta declansarea unui noi curse directe.

. T_v - perioada desfasurarii. Pentru ca imaginea sa fie sincronizata este necesar ca T_v = k·Ts, unde Ts este perioada semnalului vizualizat.

Sincronizarea osciloscopului O imagine stabila pe ecranul osciloscopului se numeste sincronizata (triggered). Pentru a obþine o imagine sincronizata se selecteaza un nivel (level) si panta (slope) de unde se doreste sa inceapa afisarea imaginii. Acestea reprezinta reglajele de sincronizare. In funcþie de semnalul folosit pentru sincronizare putem avea:

. Sincronizare interna - se foloseste pentru sincronizare semnalul furnizat de preamplificatorul canalului Y. Daca osciloscopul are doua canale putem avea mai multe cazuri de sincronizare externa

. CH1 - sursa de sincronizare este luata de pe canalul 1 .

. CH2 - sursa de sincronizare este luata de pe canalul 2 .

. Line - semnalul de la reteaua de alimentare (de frecvenþa 50 Hz)

. Sincronizare externa - se foloseste pentru sincronizare semnalul aplicat la borna externa.

In modul de lucru Y(t), se pot efectua urmatoarele masuratori:

D. Masurarea duratei unui semnal.

Pentru masurarea duratei unui semnal, acesta se aplica la intrarea Y a osciloscopului si se regleaza amplificarea si baza de timp pana cand se obtine o oscilograma corect incadrata in ecran.

Se verifica daca reglajul fin al bazei de timp este la maxim. Apoi se masoara latimea semnalului pe ecran, in centimetri, si se inmulteste cu indicatia reglajului in trepte al bazei de timp, obtinandu-se astfel durata semnalului de masurat.

In mod analog se poate masura si durata unei parti din semnal, cum ar fi durata timpului de crestere a unui impuls (timpul in care semnalul creste de la 10% la 90% din amplitudinea sa !).

E. Masurarea perioadei unui semnal

Pentru masurarea perioadei, este necesar ca baza de timp sa fie astfel reglata incat oscilograma sa contina cel putin doua perioade succesive ale semnalului. In acest caz, daca reglajul fin al bazei de timp este la maxim, se masoara pe ecran in centimetri distanta intre doua treceri succesive ale semnalului prin aceeasi valoare si cu acelasi semn de variatie si se inmulteste cu indicatia reglajului in trepte al bazei de timp. In acest fel, se obtine direct perioada semnalului.

F. Masurarea frecventelor

Frecventa se poate masura cu osciloscopul catodic, masurand perioada semnalului ca la punctul precedent si apoi calculand frecventa cu relatia bine cunoscuta: f = T^-1 . Aceasta metoda nu asigura insa o precizie buna.

Masurari mai precise se pot obtine folosind unele metode de comparatie, cum ar fi: metoda figurilor lui Lissajous, metoda modularii intensitatii spotului, metoda oscilogramelor duble etc.

2. Modul Y(X)- in care deplasarea spotului pe axa x a ecranului nu mai este comandata de baza de timp ci de semnalul aplicat pe a doua intrare a osciloscopului. Pentru acest mod de lucru este necesar ca osciloscopul sa aiba doua intrari. Daca cele doua semnale sunt periodice, cu Ty=MT₀ si Tx=NT₀ (M,N intregi), la intervale T=MNT₀, u_x(kT) si u_y(kT) au aceleasi valori (k intreg). Prin urmare, spotul descrie o curba inchisa, numita figura Lissajous (figura 8).

Figura 8: Exemplu de figuri Lissajous

Daca pe cele doua canale se aplica semnale sinusoidale de frecvenþe egale pe ecran se obþine o elipsa avand proprietati geometrice determinate de defazajul intre cele doua sinusoide. De asemenea si pentru cazul in care sinusoidele au frecvente al caror raport este un numar intreg     se obtin niste imagini observabile (figura 9).

Figura 9. Imagini Lissajoux - pe X,Y se aplica semnale sinusoidale defazate

VIZUALIZAREA CARACTERISTICILOR

O caracteristica este reprezentarea grafica a dependentei dintre doua

marimi ce caracterizeaza, un aparat, un dispozitiv sau un material (de exemplu: caracteristica unei diode, i=f(u); caracteristicile tranzistoarelor, Ic=f(Uce); caracteristicile de magnetizare ale materialelor feromagnetice, B=f(H).

La reprezentarea grafica a caracteristicilor se folosesc doua axe rectangulare. Deplasarea spotului la osciloscop se face de asemenea dupa doua axe rectangulare, iar deviatiile sunt proportionale cu tensiunile ce se aplica celor doua perechi de placi de deflexie. Aceasta analogie face posibila vizualizarea pe ecranul osciloscopului catodic a oricarei curbe de tipul A=f(B)

VIZUALIZAREA CARACTERISTICII UNEI DIODE

Caracteristica I=f(U) a unei diode se poate vizualiza folosind montajul din figura 14. Placilor X li se aplica tensiunea U de la bornele diodei, iar placilor Y trebuie sa li se aplice o tensiune proportionala cu curentul diodei. In acest scop, in serie cu dioda s-a montat o rezistenta R la bornele careia se culege tensiunea Ur=RI, care se aplica placilor Y.

Pentru a obtine caracteristica I=f(U) tensiunea U trebuie sa ia diferite valori. De aceea, dioda trebuie alimentata in curent alternativ.