Osciloscopul catodic

Osciloscopul catodic

Osciloscopul catodic este un aparat electronic ce permite, cu precizii nu prea mari (nivel de erori de 5-8%) vizualizarea evolutiei in timp a unor tensiuni electrice. Desi precizia de masurare nu este foarte mare, aparatul ofera prin vizualizare, in afara de valorile cantitative si posibilitatea unor aprecieri calitative asupra procesului analizat, respectiv o cantitate de informatie deosebit de importanta.

Osciloscopul catodic se poate utiliza pentru:

- vizualizarea unor semnale periodice sau neperiodice intr-o gama de frecventa foarte larga;

- urmarirea simultana pe ecran a doua sau mai multor marimi;

- zonele esentiale ale curbelor afisate se pot mari dupa dorinta;

- prin fotografiere, imaginea afisata se poate pastra pe timp nelimitat.

In continuare va fi prezentat osciloscopul catodic in timp real cu un canal si cu doua canale.

1 Osciloscopul catodic in timp real cu un canal

Osciloscopul catodic in timp real ofera posibilitatea masurarii si afisarii procesului in momentele in care se produce acesta.

Elementul sau de baza este tubul catodic, care se poate realiza in variante: in constructie normala, cu un spot (canal) sau cu doua spoturi, cu sau fara postaccelerare, cu sau fara memorie.

Tubul catodic cu un singur spot (canal) si cu post-accelerare este compus din urmatoarele elemente (fig.10.1):

- catodul 3 cu incalzire indirecta, care lucreaza cuplat cu filamentul 2;

- grile de comanda 4;

- anodul de preaccelerare 5;

- electrozii de focalizare 6;

- sistemele de deflexie 7 si 8;

- electrodul de postaccelerare 9;

- ecranul tubului 10;

- soclul tubului 1.

Functionare.

Electronii emisi de catod sunt accelerati de campul electronic al ansamblului catod-anozi, intensitatea fascicolului de electroni fiind reglata de potentialul grilei de comanda 4. Fascicolul de electroni este focalizat de sistemul grila-anod de preaccelerare-anod de focalizare, astfel incat pe ecran sa se obtina o urma luminoasa cat mai subtire si mai clara.

Tuburile catodice pentru osciloscoape sunt echipate in general cu deflexie electrostatica, realizata cu doua perechi de placi plane, 7 si 8, pe doua directii (X - orizontala si Y - verticala).

Fig. 10.1 Tub catodic cu un canal

Sistemul de deflexie deviaza spotul din centrul tubului (ecranului) intr-un punct de coordonate (X,Y), functie de tensiunile aplicate pe cele doua perechi de placi. In final electronii sunt accelerati de electrodul de postaccelerare 9. Ecranul 10 contine pe suprafata interioara un strat de luminofor, care face vizibil spotul electronic.

O caracteristica importanta a tubului catodic este sensibilitatea de tensiune , care are expresia:

unde:

1 - lungimea placilor de deflexie in directia Z;

L - distanta ecran - placi de deflexie;

d - distanta dintre placile de deflexie;

U_a - tensiunea de accelerare din tunul electronic.

Valorile uzuale ale sensibilitatii sunt:

- dupa directia verticala: (0,2-0,6)mm/V;

- dupa directia orizontala: [(0,2-0,6)-(10-15%)]mm/V.

La o excitatie electronica in salt sub forma de treapta, intensitatea luminoasa a unei substante de tip luminofor arata ca in fig.10.2.

a) Impuls in treapta

b) Variatia intensitatii luminoforului

Fig.10.2

Intervalul de timp dintre momentul incetarii curentului electronic (intreruperea spotului) si momentul disparitiei intensitatii luminoase la 10% din valoarea initiala se numeste pe persistenta.

Persistenta si culoarea luminii emise depind de compozitia luminoforului. Cateva tipuri de luminofori si caracteristicile acestora sunt prezentate in tabelul urmator:

Caracteristicile unor luminofori

Tabelul

In fig. 10.3 este prezentata schema functionala a unui astfel de osciloscop, in vederea intelegerii functionarii sale.

Semnalul electric de masurat se aplica preamplificatorului PAV prin intermediul atenuatorului calibrat A. Un comutator de intrare pe canalul Y permite cuplarea intrarii preamplificatorului la masa (M) sau la intrarea Y prin cuplaj de curent continuu sau curent alternativ, dupa tipul semnalului, realizand de regula rezistenta de intrare de 1-10MΩ si capacitatea de intrare de 30-50pF.

Preamplificatorul PAV si amplificatorul canalului vertical AV realizeaza un ansamblu de amplificare cu banda larga de frecventa, a carui amplificare se poate regla continuu. Imaginea se poate deplasa vertical, dupa dorinta, prin prepolarizarea cu o componenta continua a tensiunii de deflexie verticala.

Prin supracomanda amplificatorului, orice portiune a curbei urmarite pe ecran se poate decupa si prezenta la dimensiuni verticale marite.

In continuare amplificatorul deflexiei orizontale AO primeste semnalul de la preamplificatorul PAO, la care se aplica tensiunea de comparatia X. Se asigura astfel vizualizarea unor dependente implicite Y(X).

Fig. 10.3 Schema functionala a osciloscopului cu un canal

In general osciloscoapele vizualizeaza variatia in timp a tensiunii de intrare; in acest scop pe placile de deflexie orizontale se aplica o tensiune de baleiaj in forma de dinti de fierastrau. Tensiunea de baleiaj are trei zone distincte (fig. 10.2):

a) t_c - timpul de crestere, in care tensiunea creste liniar avand ca efect deplasarea cu viteza constanta a spotului luminos de la stanga spre dreapta ecranului;

b) t_s - timpul de scadere, in care se produce revenirea brusca a spotului in pozitia initiala;

c) t_p - timpul de pauza, necesar restabilirii starilor initiale ale tuturor circuitelor dispozitivului de baleiaj.

Tensiunea de baleiaj este garantata de baza de timp BT, care contine un generator de tensiune liniar variabila, a carei frecventa se poate modifica in trepte fixe si fin. Generatorul de baleiaj comanda circuitul de blocare CB, care pe durata timpului de scadere si de pauza negativeaza grila si intrerupe fluxul de electroni.

Momentul declansarii frontului (portiunea crescatoare) tensiunii dinte de fierastrau este dat de un circuit de sincronizare GS (fig.10.3).

Fig. 10.4 Tensiunea de baleiaj

Semnalul de declansare al circuitului de sincronizare activeaza generatorul de baleiaj. Schema functionala a unui generator de baleiaj este prezentata in fig. 10.5.a si contine: a) un circuit basculant de pornire CBP, un circuit basculant de repunere CBR, un integrator, un circuit de intarziere (R_i, C_i) si un circuit de separare ES. Functionarea schemei este aratata in fig.4.5b.

Astfel, in starea de repaus condensatoarele C si C_i sunt descarcate. La primirea impulsului de declansare, circuitul CBP dupa basculare incepe sa incarce condensatorul C, iar etajul de separare transmite tensiunea liniar-variabila spre amplificatorul deflexiei orizontale. Totodata, prin dioda D, condensatorul C_i se incarca la aceeasi tensiune cu C. La atingerea tensiunii maxime, circuitul CBR basculeaza si inhiba intrarea in CBP, iar prin inchiderea comutatorului electric CE, condensatorul C se descarca brusc (timpul t_s, fig. 10.4). Dioda D se blocheaza si C_i se descarca in timpul t_m>t_s, unde t_m este un timp suficient pentru revenirea la starea initiala a tuturor componentelor generatorului de baleiaj.

Cand tensiunea U_Ci se anuleaza, circuitul de repunere CBR revine in starea de repaus si anuleaza inhibarea circuitului basculant de pornire. Din acel moment generatorul de baleiaj este in asteptare (t_a) si la primul impuls de declansare, procesul de generare a tensiunii de baleiaj se repeta.

In lipsa impulsului de declansare, tensiunea de baleiaj nu se genereaza, deci spotul luminos dispare de pe ecran. Pentru evitarea acestui neajuns, osciloscoapele dispun si de un circuit de declansare automata (mod de lucru AUTO), care in absenta impulsului de declansare de la semnal, pune in functiune un oscilator autonom ce asigura declansarea GB.

Fig. 10.5

a) schema functionala;

b) graficul functionarii schemei.

Evidentierea unor detalii ale curbelor, masurarea lor convenabila sau masurarea cu precizie marita a intervalelor de timp este posibila prin introducerea celui de al doilea dispozitiv de baleiaj - baza de timp intarziata. De obicei, baza de timp principala se noteaza cu A, iar cea intarziata cu B.

Osciloscoapele care dispun si de o baza de timp intarziata se pot utiliza in cel putin trei moduri de lucru:

a) numai A;

b) A iluminat de B - baza de timp A desfasoara intregul semnal pe durata desfasurarii deflexiei B spotul este intensificat (acest mod de lucru fiind utilizat la masurarea intervalelor de timp);

c) B intarziat de A - portiunea de semnal cuprins de baleiajul B este adus pe intregul ecran (decuparea si marirea unor detalii ale curbei afisate).

Osciloscopul contine si circuite care actioneaza asupra axei Z a tubului:

- intensificare spot de catre A sau B;

- blocare spot in timpul de scadere sau de pauza al baleiajului;

- modulare Z (modularea intensitatii spotului cu o tensiune exterioara.

In ceea ce priveste blocul de alimentare, acesta este constituit din surse stabilizate de inalta si joasa tensiune, formate din transformator, redresor, filtru RC. Redresoare sunt:

- de inalta tensiune (0,8-2KV), pentru alimentarea electrozilor tubului si (0,3-30KV), pentru postaccelerare;

- de joasa tensiune (pentru alimentarea etajelor din schema bloc);

Oscilatorul dispune de un sistem intern de calibrare care are rolul determinarii cu exactitate (1-2%) a scarilor de reprezentare a semnalului pe verticala (amplitudine) si orizontala (timp). In osciloscop se incorporeaza generatoare de tensiune sinusoidala sau rectangulara, avand amplitudinea si frecventa calibrate, si un voltmetru (clasa 1,5). Pentru controlul periodic al amplitudinii semnalului calibrat, pe panoul frontal este prevazuta o iesire speciala (CAL.OUT).