Osciloscopul catodic

Osciloscopul catodic este un aparat de masurare sau observare, care utilizeaza unul sau mai multe fascicule de electroni pentru a da o reprezentare a valorilor instantanee ale semnalului electric masurat in functie de diverse marimi variabile, dintre care cel mai des intalnita este timpul. Aceasta reprezentare se realizeaza pe ecranul unui tub catodic, de unde si denumirea de osciloscop catodic. Este instrumentul tipic de analiza a semnalelor in domeniul amplitudine - timp. Elementul mobil il constituie un fascicul de electroni(cu inertie neglijabila) care este deviat de la o traiectorie rectilinie de catre un camp electric determinat de tensiunea de masurat(analizat).

Osciloscopul este unul dintre cele mai importante aparate electronice de masura. Cu un osciloscop putem oricind lua 'pulsul' unui circuit electronic. Adica putem vizualiza in orice punct al circuitului forma de unda a tensiunii electrice din acel loc, care reprezinta un semnal electric. Dar, pentru a avea o tensiune avem nevoie de un potential de referinta, caci osciloscopul masoara tensiunea ca diferenta dintre potentialul punctului in care masuram si potentialul de referinta ales. Trebuie insa avuta mare grija cum conectam osciloscopul in circuit.

Prin folosirea de traductoare adecvate, se poate reprezenta dependenta de timp a oricarei marimi fizice, largind astfel foarte mult aria domeniilor de aplicatie.

Ca urmare a evolutiei lor actuale si prin asociere cu tehnica numerica, osciloscoapele pot fi incluse in sisteme de masurare si comanda automata programata a unor procese.

Osciloscopul catodic este format din:

1. Tubul catodic(incinta vidata, din sticla);
2. Filament(incalzeste catodul pentru a provoca emisia de electroni de catre catod);
3. Fascicul de electroni(este deviat de sistemele de deflexie);
4. Catod(emite electroni datorita cresterii energiei cinetice de agitatie termica a electronilor liberi);
5. Anozi(impreuna cu catodul produc campul electric care accelereaza electronii, formand un fascicul foarte ingust de electroni);
6. Ecran(este acoperit in interior cu un strat fluorescent);
7. Placi de deflexie pe orizontala(pe acestea, se aplica o tensiune generata intern de osciloscop, tensiune ce asigura deplasarea uniforma a spotului luminos pe ecran, de la stanga la dreapta, astfel incat valorile de pe axa orizontala sa fie o masura a timpului);
8. Placi de deflexie pe verticala(pe acestea se aplica tensiunea de analizat).

Tunul electronic

reglarea vitezei de iesire a electronilor

Tunul electronic este dispozitivul care produce fascicule de electroni avand anumite viteze.

Tunul electronic este format dintr-un catod la un potential mai mic de +100 volti. Acest dispozitiv este incalzit cu ajutorul unui filament. Cresterea temperaturii catodului determina prin efect termoelectric, emisia de electroni sunt accelerati dupa aceea in campurile electrice intre catod si elemente le anodice aflate la potentiale care se maresc in timp. Intre al doilea si al treilea anod se aplica o tensiune mai mare, care poate sa varieze. Acest lucru determina modificarea vitezei electronilor la iesirea din tun. Al doilea anod mai are rol de focalizare, determinand producere unui fascicul ingust de electroni cu traiectorii paralele. Al treilea anod are un potential mai mare care creeaza o diferenta de potential de cativa mii de volti.

In jurul catodului se aplica un cilindru metalic, numit element Wehnelt, pentru a regla luminozitatea fasciculului. Elementul are un potential mai mic decat al catodului.

Sistemul de deflexie

Dupa ce fasciculul de electroni iese din tunul electronic, acesta accelerat va intra intre placile sistemului de deflexie. Fasciculul formeaza aici doua condensatoare parazite, cu armaturile orizontale si verticale.

Daca se aplica diferente de potential intre placile condensatoare, se va realiza o deviere a fasciculului de electroni in sensul invers campului electric aplicat, ori pe verticala, ori pe orizontala, ori in ambele directii.

Vizualizarea si masurarea se face legand in paralel osciloscopul la bornele elementului a carui tensiune dorim sa o masuram.

Producerea semnalului luminos pe ecran se bazeaza pe interactia electronilor din fasciculul cu atomii substantei fluorescente depuse pe ecran.

Avantajele care au impus osciloscopul ca un instrument indispensabil din orice laborator de masurari electronice sunt:

lipsa de inertie a elementului de analiza (spotul luminos) a fenomenului, ceea ce permite studierea semnalelor electrice cu frecvente pana la 150 MHz(la osciloscoapele in timp real) si pana la 20 GHz(la osciloscoapele cu esantionare).

consum propriu redus, fenomenul fiind analizat practic fara perturbatii;

vizualizarea semnalelor nerepetitive ale proceselor tranzitorii(prin osciloscoape cu tuburi catodice cu memorie);

impedanta de intrare mare, ceea ce inseamna un consum foarte mic de energie de la sursa de semnal si neinfluentarea acestei surse;

sensibilitate ridicata si precizie buna;

analiza in domeniul amplitudine-timp a fenomenului si vizualizarea in sistem bidimensional.

posibilitatea cuplarii cu aparatura numerica de memorare si prelucrare a datelor;

Datorita acestor calitati, osciloscopul este aparatul de masurat analogic cel mai complet, cu o larga utilizare in ingineria masurarilor electrice, electronice si magnetice.

In prezent exista o mare varietate de osciloscoape, atat pentru uzul general, cat si specializate pentru anumite masurari(de exemplu: caracterioscopul, vobuloscopul, etc.).

Clasificari:

I. Dupa modul de tratare a semnalelor analizate deosebim:

osciloscoape analogice, in care prelucrarea are loc numai in circuite analogice;

osciloscoape numerice (digitale), in care semnalul este convertit sub forma numerica, prelucrat astfel si reconvertit in analogic pentru afisare;

osciloscoape combinate

II. Dupa modul de analiza a semnalelor in domeniul timp, deosebim urmatoarele tipuri de osciloscoape:

osciloscoapele de timp real: sunt osciloscoapele la care intre fiecare punct al imaginii de pe ecran si fiecare valoare momentana a semnalului exista o corespondenta biunivoca. Banda lor de frecventa poate atinge 500 MHz;

osciloscoapele cu esantionare (DSO- Digital Sampling Oscilloscope), cu care, aplicand o tehnica speciala de esantionare, se pot analiza semnale cu frecvente de pana la 50 GHz. Datorita acestei tehnici ele se mai numesc si osciloscoape de 'timp translatat'.

O alta categorie de osciloscoape sunt cele cu memorie: in tehnica analogica acestea sunt echipate cu tuburi catodice al caror strat de luminofor prezinta proprietatea de remanenta a imaginii; ele sunt deosebit de utile in analiza fenomenelor tranzitorii (foarte rapide si care nu se repeta).

Osciloscopul digital

Osciloscopul digital realizeaza prelucrarea digitala a semnalelor aplicate la intrare. Precizia acestor aparate este mult mai buna decat in cazul prelucrarii analogice, printre cauze fiind eliminarea zgomotelor ce pot aparea in timpul prelucrarii semnalelor. Datorita pretului relativ ridicat al acestor aparate, se realizeaza si aplicatii soft care pot "transforma" un calculator(PC) intr-un osciloscop digital.

Exista insa soft ce permite utilizarea placii de sunet(prezenta, in mod obisnuit in orice calculator) drept placa de achizitii de date pentru osciloscop. Dezavantajul, in acest caz, este limitarea tensiunii maxime ce poate fi aplicata la "intrarea" osciloscopului le numai 5V(cat suporta, de obicei, placa de sunet), precum si limitarea superioara a frecventei semnalului ce poate fi citit corect de placa de sunet.

In general, un osciloscop digital permite nu numai vizualizarea semnalelor, ci si prelucrarea lor simultana, analiza comparativa a mai multor semnale, etc.

Osciloscop digital - soft pentru PC