VIZUALIZAREA, MASURAREA SI INREGISTRAREA MARIMILOR VARIABILE IN TIMP

VIZUALIZAREA, MASURAREA SI INREGISTRAREA MARIMILOR VARIABILE IN TIMP

1. CONSIDERAºII GENERALE

Numeroase marimi fizice, electrice si neelectrice, au caracter variabil in timp, cu variatie foarte lenta, dar si foarte rapida, periodica sau singulara. Pentru studiul si caracterizarea acestora sunt necesare dispozitive de memorare a variatiei si de redare sub forma de imagine statica, adecvata interpretarii de catre operatorul uman sau de catre sistemul automat de masurare.

Metodele si mijloacele de masurare sunt diversificate, in raport de modul si viteza de variatie a marimilor. Marimile periodice, repetitive pe intervale de timp finite, se pot converti mai usor intr-o imagine statica, prin suprapunerea sincronizata in timp a variatiilor in decursul perioadei. Pe acest principiu este realizat unul din cele mai raspandite si utilizate aparate pentru masurari dinamice: osciloscopul catodic. Marimile aperiodice, tranzitorii si aleatoare, cu variatii nerepetitive, implica masurari pe durate ce nu pot fi prestabilite. Aparatele destinate masurarii acestor marimi contin elemente de memorare pe durate relativ mari de timp, suficiente pentru a permite transferul informatiei de masurare pe un suport adecvat utilizarii ulterioare. Din aceasta categorie fac parte aparatele inregistratoare, cu inregistrarea pe hartie, tub catodic, banda magnetica sau memorie digitala.

O clasificare a aparatelor utilizate pentru vizualizarea si inregistrarea semnalelor se poate realiza, de exemplu, dupa viteza de variatie in timp a marimilor masurate:

pentru marimi lent variabile, cu frecvente cuprinse intre 0 20 Hz, se utilizeaza:

- inregistratoare electromecanice: cu inregistrare continua, cu inregistrare in puncte sau inregistratoare X-Y;

- inregistratoare electronice cu bucla de reactie si urmarire automata: punti si compensatoare automate de tip integral si proportional.

pentru marimi variabile in gama frecventelor medii, 20 Hz 20 kHz:

- inregistratoare magnetice cu inregistrare directa si cu modulare de frecventa;

- oscilografe electromecanice (cu bucle).

pentru marimi rapid variabile se utilizeaza osciloscoapele electronice de mai multe tipuri:

- in timp real, cu un spot sau cu doua spoturi, cu un canal sau cu mai multe canale;

- cu esantionare;

- cu memorie analogica sau digitala;

- osciloscoape speciale : analizoare de spectru, aparate pentru vizualizarea si masurarea      caracteristicilor magnetice, radare etc.

3. OSCILOSCOPUL CATODIC

3.1. Privire generala

Osciloscopul catodic se utilizeaza pentru vizualizarea formei de variatie in timp a unei tensiunii, permitand obtinerea unor informatii privind amplitudinea, frecventa si faza acesteia, precum si detectarea altor informatii specifice semnalului respectiv: timp de crestere, modulare, distorsionare etc. Este cel mai rapid aparat analogic ce permite vizualizarea, masurarea si inregistrarea semnalelor convertite in tensiune electrica.

Primul osciloscop a fost realizat de catre Braun (1897), aducandu-se rapid unele perfectionari ce au constat in inlocuirea bazei de timp mecanice cu una electrica (1898-Zenneck) si introducerea grilei de comanda (1903-Wehnnelt). Catre anii 1925-1926 constructia s-a conturat in forma in care este cunoscut astazi osciloscopul de uz general. In prezent exista o mare varietate de osciloscoape: cu un singur canal sau cu mai multe canale, cu baza de timp simpla sau cu baza de timp dubla, de uz general, cu esantionare, cu memorare pe tub catodic sau cu memorie digitala sau osciloscoape specializate pe un anumit gen de masurari.

Forma de variatie a tensiunii electrice, aplicata la intrarea osciloscopului, se obtine sub forma unei imagini luminoase pe ecranul luminiscent al unui tub catodic, prin bombardarea acestuia cu un fascicul de electroni, pozitionat pe ecran cu ajutorul a doua sisteme de deflexie electrostatica: verticala (Y) si orizontala (X). Prin folosirea unor traductoare adecvate , ce permit obtinerea unui semnal de tensiune proportional cu marimea fizica de la intrare, aria de utilizare a osciloscopului se extinde practic la vizualizarea oricarei marimi.

Desi exactitatea masurarii nu este ridicata, osciloscopul se remarca printr-o serie de calitati ce nu pot fi intalnite la alte aparate: limite largi de variatie a frecventelor studiate, studiul simultan pe ecran a doua sau mai multe marimi, sensibilitate ridicata, posibilitatea masurarii unor valori instantanee pe imaginea obtinuta pe ecran ca si posibilitatea memorarii sau fotografierii fenomenelor.     

3.2. Osciloscopul catodic analogic de uz general

Osciloscopul catodic analogic de uz general este destinat analizei semnalelor periodice. Este un osciloscop in timp real, pe ecranul tubului catodic aparand o reprezentare a semnalului studiat, existand o corespondenta biunivoca intre punctele imaginii si punctele de pe curba semnalului. Schema de principiu a osciloscopului este prezentata in Fig.8. Se evidentiaza patru mari blocuri functionale:

I - sistemul de vizualizare, care contine tubul catodic si comenzile electrice aferente. El permite afisarea vectoriala - rezultatul compunerii a doua semnale de tensiune - unul provenind de la sistemul vertical si altul de la sistemul orizontal;

II - sistemul vertical - contine circuite de conditionare a semnalului (atenuare, amplificare) corespunzator amplitudinii sau axei y;

III - sistemul orizontal - contine circuite de generare (baza de timp) si amplificare a semnalului corespunzator axei timpului sau axei x.

IV - sistemul de sincronizare - permite declansarea conditionata a bazei de timp (semnalul pe axa x) functie de semnalul pe axa y, obtinandu-se astfel o imagine stabila pe ecran.

Tubul catodic reprezinta partea esentiala a osciloscopului. El poate fi cu un singur fascicul de electroni (spot) sau cu doua fascicule de electroni, cu memorie sau fara memorie. Osciloscoapele de uz curent au tub catodic cu un singur spot si nu sunt prevazute cu posibilitati de memorare. Fasciculul de electroni generat de tunul electronic sufera actiunea placilor de deflexie pe verticala si pe orizontala, deplasarea spotului pe ecran fiind comandata de tensiunile aplicate acestor placi de deflexie. In afara axelor de pe ecran XOY se mai ataseaza a treia axa, in lungul axei tubului, denumita axa Z. Comanda tubului dupa axa Z se refera la reglarea luminozitatii spotului si se regleaza prin intermediul potentialului grilei Wehnnelt.

Tensiunea de vizualizat se aplica la intrarea sistemului vertical (Y), cuplarea facandu-se in c.c. sau in c.a.(se suprima, cu un condensator, componenta de c.c.). Atenuatorul este alcatuit dintr-un divizor de tensiune RC compensat in frecventa, reglabil in trepte. Preamplificatorul are rolul de a amplifica semnalul de iesire al divizorului (tipic 50 mV) la nivelul cerut de amplificator. Linia de intarziere are rolul de a crea o intarziere a tensiunii ce ajunge pe placile Y de deflexie, in scopul de aparea simultan cu tensiunea de pe placile X de deflexie (baza de timp produce o anumita intarziere). Amplificatorul pe verticala este de tipul cu iesiri simetrice in antifaza si are rolul de a amplifica tensiunea de la iesirea preamplificatorului (volti) pana la nivelul necesar devierii spotului pe verticala (100-200V).

Fig.8. Schema de principiu a osciloscopului catodic analogic de uz general.

Generatorul de rampa (baza de timp) are rolul de a genera tensiunea liniar variabila necesara comenzii spotului pe orizontala. Aceasta tensiune (volti) este amplificata pana la nivelul necesar devierii spotului pe orizontala (100-200V) cu un amplificator similar celui de la sistemul Y. Amplificatorul poate fi cuplat cu baza de timp, in functionare y-t, sau direct cu intrarea X, in functionare x-y.

Constructia imaginii care apare pe ecranul tubului catodic poate fi urmarita pe baza fig.9, in care s-a considerat cazul particular al vizualizarii unei tensiuni sinusoidale, tensiunea liniar variabila de pe axa X avand aceasi frecventa cu cea de pe axa Y.

Fig.9. Constructia imaginii care apare pe ecranul tubului catodic.

Regimurile de functionare ale osciloscopului sunt urmatoarele:

- functionarea in y (fara baza de timp) - fasciculul de electroni este deviat numai pe verticala si pe ecran apare o linie verticala. Acest regim de functionare este util pentru masurarea amplitudinii tensiunii vizualizate;

- functionarea in y-t - fasciculul este actionat de ambele perechi de placi de deflexie, actiuni a caror rezultanta face ca spotul sa descrie o curba y(t), replica a curbei tensiunii de masurat u(t). Acest regim de functionare este util la masurarea directa a amplitudinii si frecventei semnalelor, la masurari cu semnale dreptunghiulare, precum si la masurari cu semnale TV sau provenite din regimuri tranzitorii;

- functionarea in x-y - fascicolul este supus, de asemenea, actiunii simultane a celor doua sisteme de placi de deflexie. Placile primesc semnale de la tensiunile aplicate la intrarile X si Y ale osciloscopului, iar pe ecran apare dependenta y(x). Acest regim de functionare este util la masurarea defazajului dintre doua tensiuni precum si la determinarea exacta a egalitatii a doua frecvente.

Caracteristicile principale referitoare la calitatea unui osciloscop catodic sunt:

- Constanta de deflexie pe verticala - este data de valoarea tensiunii, care aplicata la intrarea Y, produce o deviatie data (1 diviziune) a spotului pe ecran. Ea se exprima in V/div sau mV/div si poate fi schimbata, pe trepte fixe, din atenuatorul sistemului Y si modificata continuu din reglajul amplificarii. Pentru citirea amplitudinii tensiunii, se multiplica amplitudinea imaginii de pe ecran (in diviziuni) cu constanta treptei atenuatorului. Constanta de deflexie pe orizontala este definita identic si ea reprezinta valoarea tensiunii aplicata pe intrarea X, care produce o deviatie orizontala de 1 diviziune pe ecran. - Factorul de baleiaj al bazei de timp - reprezinta raportul dintre timpul cursei directe si distanta parcursa de spot pe ecran. Se masoara in s/div, ms/div, sau ms/div si pentru o anumita pozitie de timp este calibrat, iar citirea duratelor se face multiplicand amplitudinea pe orizontala cu factorul de baleiaj.

- Banda de frecventa - reprezinta domeniul frecventelor in care osciloscopul masoara liniar (amplificarea nu scade cu mai mult de - 3dB la frecventele extreme ale benzii). Banda de frecventa este cuprinsa, in general, intre curent continuu si zeci sau sute de MHz.

3.3. Tubul catodic.

Tuburile catodice utilizate la osciloscoapele catodice folosesc deflexia electrostatica. Ele pot fi de tipul monoaccelerator (cu un singur anod de accelerare) sau cu postaccelerare (doi anozi de accelerare), al doilea tip fiind preponderent utilizat la osciloscoapele actuale, cu banda larga de frecventa. In Fig.10 se prezinta principial o sectiune printr-un tub catodic cu deflexie electrostatica.

Fig.10. Tubul catodic (sectiune).

In partea inferioara a figurii s-au reprezentat sursele de alimentare intr-o maniera care indica ordonarea potentialelor diferitilor electrozi ai tubului. In interiorul tubului se disting urmatoarele zone:

a)   Zona generarii si accelerarii fascicolului de electroni (tunul electronic) - cuprinde filamentul F ce incalzeste catodul C, care produce electronii prin termoemisie termoelectronica, grila de comanda G (Wehnnelt) a intensitatii fasciculului de electroni si anodul de accelerare A. Grila si anodul de accelerare au forma cilindrica si orificii circulare inguste care permit trecerea unui fascicul ingust de electroni catre zona urmatoare. Viteza electronilor se obtine din relatia:

(24)

unde:

- reprezinta tensiunea anodica de accelerare.

b) Zona de focalizare si corectare a astigmatismului (defocalizarea spotului spre periferia ecranului) - cuprinde anozii de accelerare, de focalizare si de corectie a astigmatismului, care alcatuiesc impreuna un ansamblu de lentile electrostatice cu rolul de a produce un fascicul punctiform (focalizare) in orice punct al ecranului (astigmatism). Functionarea lentilelor electronice (ca si a celor optice) se bazeaza pe fenomenul de refractie (Fig.11.a): la trecerea electronului prin suprafata de separatie a doua zone cu potentiale electrice diferite se conserva componenta tangentiala a vitezei:

(25)

in care i si r reprezinta unghiurile de incidenta si respectiv de refractie.

a) b)

Fig.11. Dispozitivul de focalizare.

Prin urmare, cand electronii trec spre un electrod cu potential mai ridicat (decat al precedentului) fasciculul devine mai convergent, iar cand trec spre un electrod cu potential mai coborat devine mai divergent. Calitatile lentilelor electronice depind nu numai de diferentele de potential dintre electrozi dar si de geometria acestora. Din examinarea potentialelor electrozilor- Fig.11.b - se constata ca fasciculul de electroni este focalizat in doua locuri. Prima focalizare (F1), nedorita, apare intre grila si anod, convergenta datorandu-se potentialului ridicat al anodului (aproximativ 1kV). A doua focalizare are loc in zona anozilor A, A1 si A2. La trecerea electronilor de la A la A1 (cu un potential mai coborat), fasciculul va diverge, iar la trecerea de la A1 la A2, care are un potential mai ridicat, fasciculul va converge. Regland potentialul anodului A1 cu ajutorul potentiometrului P2 ("FOCALIZARE") se poate aranja ca focarul sa fie chiar pe ecran, situatie in care spotul are diametrul minim. Defectul de astigmatism se manifesta prin aceea ca spotul devine oval in anumite portiuni ale ecranului, situatie datorata insuficientei alinieri a lentilelor electronice si diferentei de potential dintre anodul A2 si potentialul mediu al placilor de deflexie.

O solutie pentru ameliorarea astigmatismului o reprezinta introducerea unui anod suplimentar intre anodul A2 si placile de deflexie pe verticala Y.

c)   Zona de deflexie electrostatica - cuprinde placile de deflexie pe verticala si pe orizontala. In aceasta zona informatia corespunzatoare semnalului analizat este transmisa fasciculului de electroni prin intermediul campurilor electrice produse de placile de deflexie. Pentru studiul deflexiei se considera cazul tubului monoaccelerator cu placile Y alimentate simetric iar in locul fasciculului se considera un singur electron (Fig.12). Electronul patrunde intre placile de deflexie pe verticala cu viteza ; datorita campului electric existent, asupra sa se exercita o forta si isi modifica traiectoria (arc de parabola), iar dupa parasirea placilor Y se misca in continuare in linie dreapta pana intalneste ecranul.

Fig.12. Traiectoria electronului.      Fig.13. Raspunsul luminoforului.

Ecuatiile parametrice ale miscarii in interiorul placilor de deflexie sunt:

(26)

conducand la ecuatia traiectoriei:

(27)

relatie ce reprezinta o parabola si este valabila pentru . La iesirea dintre placile de deflexie pe verticala electronul are deviatia:

(28)

si o viteza ce face cu orizontala un unghi dat de relatia:

(29)

Deviatia totala pe ecranul situat la distanta L de la iesirea placilor este:

(30)

rezultand:

(31)

ºinand cont de relatia (24) expresia deviatiei totale devine:

(32)

in care :

(33)

reprezinta sensibilitatea pe verticala a tubului catodic. Valorile uzuale pentru sensibilitatea pe verticala a tuburilor catodice moderne se incadreaza in limitele 0,5 1 mm/V fiind cu 10 20% mai mici pentru placile de deflexie pe orizontala care sunt mai aproape de ecran. Pentru marirea sensibilitatii, in conditiile in care se cauta micsorarea gabaritului (L mic), se micsoreaza tensiunea si pentru a avea totusi energie suficienta a electronilor necesara excitarii luminoforului, se mareste tensiunea de postaccelerare.

d) Zona de postaccelerare - este specifica osciloscoapelor portabile si celor cu banda de frecventa mai mare de 10MHz, deoarece viteza sporita cu care fasciculul de electroni baleiaza ecranul reclama, pentru o luminozitate satisfacatoare, o energie cinetica ridicata. In acest scop se prevede anodul de postaccelerare, situat dupa zona de deflexie si caruia i se aplica o tensiune continua de valoare mare (5-15kV). Anodul de postaccelerare se poate realiza sub forma unei depuneri prin metalizare pe suprafata interioara a tubului, in portiunea tronconica, a unui electrod sub forma de spirala rezistiva. Tot in zona de postaccelerare, la unele tuburi catodice se prevede o bobina exterioara. Aceasta, fiind strabatuta de un curent ce poate fi modificat prin potentiometrul "ROTIRE TRASA", produce prin deflexie electromagnetica rotirea imaginii, permitand alinierea ei cu axele caroiajului care se vad pe ecranul tubului.

e) Zona ecranului cuprinde stratul de luminofor depus pe suprafata interioara, care transforma energia cinetica a electronilor in energie luminoasa (si termica). Pentru ca stratul de luminofor sa nu se distruga prin efect termic, peste luminofor se depune un strat subtire de aluminiu, care imbunatateste si randamentul luminos prin reflexia produsa. Luminoforul este realizat din diferite substante cum ar fi: sulfura de zinc si cadmiu cu argint, care emite culoarea albastra, ortosilicatul de zinc, cu emisia de culoare verde etc. Pentru un luminofor calitatile cerute sunt randamentul (procentul din energia electronilor care se transforma in radiatie luminoasa) si persistenta (timpul din momentul incetarii curentului de electroni pana la scaderea intensitatii imaginii la 10% din valoarea initiala). La bombardarea luminoforului cu un impuls dreptunghiular, raspunsul sau luminos arata ca in Fig.13, in care se observa si modul de definitie a notiunilor de fluorescenta, fosforescenta, persistenta si luminiscenta.

3.4. Sistemul vertical

Atenuatorul de intrare are rolul de a diviza tensiunea de intrare pana la nivele acceptate de amplificatorul canalului Y. El trebuie sa indeplineasca doua conditii: sa aiba un raport de divizare cunoscut cu exactitate si constant in banda de frecventa si sa prezinte o impedanta de intrare constanta, indiferent de raportul de divizare. Prima conditie este indeplinita de divizorul mixt RC compensat (Fig.14). Raportul de divizare este:

(34)

independent de frecventa daca constantele de timp ale celor doua brate sunt egale:

(35)

unde:

-- reprezinta componenetele impedantei de intrare a amplificatorului canalului Y.

Compensarea se realizeaza prin ajustarea capacitatii , pana la indeplinirea relatiei (35). In mod uzual, osciloscoapele sunt prevazute cu mai multe celule de atenuare de tipul descris anterior, care pot fi grupate in mai multe moduri, pentru obtinerea diferitelor rapoarte de divizare.

     

Fig.14. Atenuatorul de intrare.      Fig.1 Sonda de osciloscop.

Sonda de osciloscop este elementul care permite aplicarea tensiunii la intrarea Y, fara ca acest semnal sa fie influentat de perturbatiile exterioare; in plus, sonda trebuie sa influenteze cat mai putin circuitul in care se conecteaza. O sonda este realizata (Fig.15) dintr-un cap de proba CP urmat de un cablu coaxial CC care face legatura cu osciloscopul. Exista sonde pasive (cu sau fara atenuator) si sonde active (ce contin dispozitive de amplificare cu impedante de intrare foarte mari). Sondele fara atenuator au avantajul ca nu atenueaza semnalul, dar si dezavantajul unei rezistente de intrare mai mici si al unei capacitati de intrare mari. Sondele cu atenuator in capul de proba atenueaza semnalul, in schimb au o impedanta de intrare ridicata.

Amplificarea pe canalul Y se realizeaza cu amplificatoare de banda larga, cat mai stabile si cu o buna protectie impotriva tensiunilor parazite. Schema bloc a amplificatorului pentru deflexia pe verticala este prezentata in Fig.16.

Fig.16. Schema bloc a amplificatorului Y.

Preamplificatorul PA de banda larga asigura o mare impedanta de intrare (tipic 1MW½½30pF) si amplifica semnalele de la iesirea atenuatorului (10-50mV) la valori compatibile atacarii amplificatorului AD (5-10V). Intrarea este asimetrica, iar iesirea diferentiala (simetrica). Amplificatorul diferential AD si etajul final EF au ambele intrari si iesiri diferentiale, permitand comanda simetrica a placilor de deflexie, adica cu tensiuni care prezinta variatii egale si de semn contrar. Potentiometrul "ETALONARE Y" permite reglarea amplificarii incat osciloscopul sa lucreze in mod calibrat. De la una din iesirile amplificatorului diferential se culege un semnal care, in regim de sincronizare interna a placilor de deflexie, se aplica circuitului de sincronizare, asigurand declansarea bazei de timp. Amplificatorul pe verticala, impreuna cu tubul catodic, determina banda de frecventa B a osciloscopului, ce determina, la randul ei, timpul de crestere al osciloscopului:

(36)

Daca la intrarea Y se aplica impulsuri avand timpul de crestere pe ecran se vor observa impulsuri avand timpul de crestere , existand relatia:

(37)

ce indica o deformare importanta a fronturilor impulsurilor daca si sunt comparabile.

3. Sistemul orizontal

Pentru vizualizarea si masurarea fenomenelor variabile in timp osciloscopul realizeaza axa timpului prin deplasarea spotului pe orizontala cu viteza constanta. Tensiunea necesara este de forma liniar variabila (in dinti de fierastrau), numita tensiune de baleiaj. Forma de unda a acestei tensiuni (Fig.17) are 3 zone distincte:

- timpul de crestere , pe durata caruia tensiunea creste liniar, iar spotul se deplaseaza de la stanga la dreapta ecranului;

-timpul de revenire , pe durata caruia (mult mai mica decat ) tensiunea revine la zero, determinand revenirea spotului in pozitia initiala;     

- timpul de pauza , necesar revenirii tuturor circuitelor la starea initiala.     

Fig.17. Forma de unda a tensiunii de baleiaj.      Fig.18. Schema de principiu a bazei de timp.

Aceasta tensiune liniar variabila este produsa de un generator de impulsuri cu frecventa reglabila, numit baza de timp BT. Tot de la baza de timp se comanda circuitul de suprimare al fasciculului de electroni CS, care aplica un impuls negativ grilei pe durata cursei inverse a spotului, executata la revenirea tensiunii de baleiaj si pe timpul de pauza. Declansarea cursei directe a spotului este realizata de blocul de sincronizare, comutat pe unul din cele 3 semnale de sincronizare: de la fenomen, din exterior sau de la retea. Din semnalul de sincronizare, care poate fi fenomenul aplicat pe intrarea Y cules de la preamplificator, tensiunea sinusoidala a retelei sau un impuls din exterior, se poate extrage cu ajutorul unor filtre adecvate acea componenta care trebuie sa produca sincronizarea: componenta continua, componenta alternativa, de joasa frecventa sau de inalta frecventa. Semnalul de sincronizare astfel extras este comparat cu un nivel continuu reglabil, numit nivel de triggerare, coincidenta producand un impuls ce va comanda declansarea generatorului bazei de timp. Posibilitatea de a alege si flancul impulsului pe care sa se faca triggerarea face ca sa se poata obtine pe ecran practic oricare portiune a semnalului, dilatata la scara dorita. Precizia de masurare pe axa timpului depinde de liniaritatea tensiunii de baleiaj. Pentru a obtine aceasta tensiune liniar crescatoare se utilizeaza incarcarea la un curent constant a unui condensator (Fig.18), panta tensiunii, deci si frecventa de baleiaj fiind aleasa din valorile condensatorului C si a curentului de incarcare.

a) b)

Fig.19. Functionarea bazei de timp in regim:

a)   relaxat; b) declansat.

Baza de timp poate functiona in regim relaxat sau declansat (Fig.19). In regim relaxat, dupa terminarea cursei inverse incepe o noua cursa directa. In acest regim baza de timp nu poate fi calibrata precis si nici nu permite vizualizarea semnalelor singulare aleatoare sau de o forma complicata. In regim declansat, baza de timp sta in asteptare pana la aparitia unui impuls de declansare, cand se initiaza o noua cursa directa. Impulsurile de declansare fiind sincrone cu tensiunea de vizualizat, perioada bazei de timp va fi intotdeauna egala cu un multiplu al perioadei tensiunii de vizualizat, adica este indeplinita intotdeauna conditia de sincronizare.

Schema amplificatorului pe orizontala este mai simpla decat cea a amplificatorului Y deoarece banda de frecventa necesara este mai mica si amplificarea ceruta este mult mai redusa. In Fig.20 se prezinta una din cele mai simple scheme de amplificator care poate functiona dupa o baza de timp declansata. Baza tranzistorului T1 primeste semnalul de la baza de timp, iar baza tranzistorului T2 primeste tensiunea de axare a spotului pe orizontala. Tensiunile de iesire simetrice sunt utilizate pentru atacul placilor de deflexie pe orizontala.

Fig.20. Schema unui amplificator de baleiaj pe orizontala.

Circuitul de sincronizare asigura declansarea bazei de timp in stransa corelatie cu semnalul de vizualizat. O posibila configuratie a circuitului de sincronizare este prezentata in Fig.21.

Fig.21. Schema bloc a circuitului de sincronizare.

In modul "INTERN", sincronizarea se realizeaza cu semnalul de vizualizat, de la o iesire a amplificatorului Y. Modul "EXTERN" de sincronizare se utilizeaza in situatia in care se doreste analiza corelata in timp a mai multor semnale. In acest caz, unul din semnale se aplica la borna "SINCRONIZARE EXT" servind la declansarea bazei de timp. Modul "REºEA" este adecvat pentru analiza fenomenelor de frecventa retelei. Amplificatorul de sincronizare AS este tot de tip diferential, la intrarile sale aplicandu-se semnalul de sincronizare si o tensiune continua reglabila. La depasirea acestei tensiuni se genereaza un impuls de declansare a bazei de timp. Acest impuls se obtine la iesirea formatorului de impulsuri FIS. Circuitul de retinere CR blocheaza trecerea impulsurilor prin circuitul poarta CP spre baza de timp, pe durata curselor directa si inversa

Baza de timp dubla

Unele osciloscoape moderne au si a doua baza de timp, destinata studierii diferitelor detalii ale fenomenelor. Tehnica bazei duble de timp dateaza de prin 1950, insa a fost aplicata la oscilosoapele cu doua canale.

Momentul declansarii celei de a doua baze de timp, pusa de obicei pe o viteza mare de baleiaj, se produce dupa un interval de timp Dt fata de impulsul de triggerare comandat de pe panou. In acest fel se poate alege pe fenomenul reprezentat integral detaliul ce trebuie marit (de exemplu, frontul unui impuls); prin trecerea pe baza de timp intarziata va apare pe tot ecranul detaliul ales. Schema de principiu a unei lupe de timp realizata cu doua baze de timp este prezentata in Fig.22.

Fig.22. Schema de principiu a lupei de timp.

Baza normala de timp BT1 creaza o tensiune liniar variabila care este comparata cu o tensiune continua reglabila. In momentul egalitatii tensiunilor, comparatorul emite un impuls care declanseaza a doua baza de timp BT2 rapida. Aceasta produce o tensiune liniar variabila, de amplitudine egala cu prima dar mult mai scurta, ceea ce permite dilatarea pe intreg ecranul a detaliului vizat.

3.7. Osciloscopul cu mai multe canale

Pentru vizualizarea simultana a doua sau mai multe semnale s-au realizat osciloscoape cu doua, patru sau chiar opt canale. Cele mai raspandite sunt osciloscoapele cu doua canale, ce pot fi obtinute in doua moduri:

- cu tub catodic normal si comutator electronic;

- cu tub catodic special cu doua fascicule de electroni.

Osciloscoapele cu doua canale cu comutator electronic folosesc tubul catodic obisnuit cu un singur fascicul de electroni. Ele au pentru fiecare canal (A si B) cate un atenuator si un preamplificator, ce permite si reglarea pozitiei pe ecran, iar accesul celor doua semnale la amplificatorul de deflexie pe verticala se face pe rand, prin intermediul unui comutator electronic CE (Fig.23).

Fig.23. Osciloscop cu doua canale cu comutator electronic.

Dupa modul cum se face comutarea succesiva a celor doua canale A si B se utilizeaza doua moduri de lucru:

a) Modul de lucru alternant (Fig.24.a), in care comutatorul electronic conecteaza succesiv canalele la amplificatorul vertical pe durata unei curse directe a spotului, comutarea de pe un canal pe celalalt efectuandu-se pe durata cursei inverse. Astfel, din cauza persistentei luminoforului si a retinei ochiului apar doua imagini clare si distincte la frecvente mari. Acest mod de lucru nu este indicat la fenomenele de joasa frecventa, datorita fenomenului de palpaire a imaginii (f < 20 30 Hz).

a) b)

Fig.24. Moduri de lucru:

a)   alternat; b) prin decupare.

b) Modul de lucru prin decupare (chopped) (Fig.24.b), in care comutatorul electronic comuta canalele cu o frecventa mult mai mare ca a semnalelor de vizualizat. In acest mod, pe o perioada, vor fi sute sau mii de comutari. Din cauza nesincronizarii frecventei fenomenelor studiate cu cea a oscilatorului care comanda comutarea (care are o frecventa fixa), punctele nu sunt stationare si imaginile apar continuu. Se poate comanda comutarea si din exterior cu o frecventa dorita, impulsurile avand in acest caz anumite caracteristici cerute de osciloscop. Cu acest mod de lucru nu se pot vizualiza semnalele de frecventa mare comparabila cu frecventa de comutare, caci in acest caz pot lipsi portiuni din fenomen sau punctele luminoase devin suparatoare.

La osciloscoapele cu comutator electronic, sincronizarea se poate face cu semnalul de pe canalul A sau de pe canalul B. Se mai pot vizualiza pe ecran suma sau diferenta celor doua semnale sau uneori produsul lor (A + B, A - B, AB).

Osciloscopul cu tub catodic cu doua fascicule de electroni (cu doua spoturi) permite studiul a doua fenomene, utilizand un tub catodic special cu doua spoturi. Dupa modul de realizare a celor doua spoturi se deosebesc trei variante de tuburi catodice:

- Tub catodic cu fascicul divizat, care are un singur tun electronic (filament, catod, grila, anod), divizarea fasciculului realizandu-se la un al doilea anod de accelerare, inaintea placilor de deflexie. El are doua perechi de placi de deflexie pe verticala si un singur rand de placi de deflexie pe orizontala. Tubul catodic de acest tip este mai economic, dar nu permite reglajul independent al intensitatii luminoase a celor doua imagini si fenomenele se pot influenta capacitiv la frecvente inalte. De aceea, acest tip de tub este mai rar folosit.

- Tub catodic cu doua fascicule de electroni obtinute de la tunuri electronice independente, cu placi de deflexie verticala independente si placi de deflexie orizontala comune.

Este permis reglajul independent al celor doua imagini ca intensitate si focalizare. Tubul este mai scump, dar pentru avantajele oferite este foarte utilizat.

- Tub catodic cu doua fascicule de electroni si placi de deflexie diferite si pe verticala si pe orizontala. Ele permit reprezentarea pe ecran a doua fenomene cu baze de timp diferite. Sunt scumpe si mai rar folosite.

3.8. Osciloscopul cu esantionare

La vizualizarea semnalelor de frecventa inalta, peste 400 500 MHz, se intampina dificultati insurmontabile la realizarea amplificatoarelor de deflexie si la obtinerea unei iluminari bune a tubului catodic la viteze mari.

Prin tehnica esantionarii, semnalul de inalta frecventa este translatat in domeniul frecventelor joase, pentru care poate fi utilizat osciloscopul normal (f £ 10 MHz). Se cunosc doua metode de esantionare: esantionarea secventiala, aplicabila numai la semnale periodice si esantionarea aleatoare, aplicabila semnalelor de orice fel.

Principiul esantionarii secventiale presupune prelevarea, in decursul a mai multor perioade ale semnalului, a cate unui singur esantion pe perioada (fig.2a). Primul esantion este prelevat la un moment determinat in raport cu un punct de referinta de pe curba semnalului de vizualizat. Celelalte esantioane sunt prelevate la intervale de timp egale cu perioada semnalului plus pasul de esantionare. Cu aceste esantioane se reconstituie semnalul initial, transalatat la o frecventa mult mai joasa, nemaiexistand o corespondenta biunivoca intre imaginea de pe ecran si punctele de pe curba semnalului.

a) b)

Fig.2 Esantionare:

a) secventiala ; b) aleatoare.

Principiul esantionarii aleatoare permite vizualizarea si a semnalelor neperiodice. Deosebirea fata de esantionarea secventiala consta in aceea ca intarzierea cu care este preluat esantionul se modifica aleator de la un ciclu la altul, astfel incat punctele memorate apar intr-o succesiune aleatoare pe curba vizualizata a semnalului. Dispozitivul de comanda al osciloscopului trebuie sa cunoasca cat este intarzierea fiecarui esantion, pentru a reconstitui corect semnalul (Fig.2b).

3.9. Osciloscopul cu memorie

Osciloscoapele cu memorie permit studiul fenomenelor cu variatie periodica sau aperiodica dupa desfasurarea lor si permit compararea diferitelor fenomene ce se succed periodic sau aleator cu frecvente joase de repetitie. Ele se realizeaza principial in doua moduri diferite: cu memorie analogica si cu memorie digitala.

Osciloscoapele cu memorie analogica utilizeaza un tub catodic special (cu memorie) si circuite electronice suplimentare ce permit stocarea sau stergerea imaginii fenomenului. Tubul catodic cu memorie functioneaza ca principiu pe baza fenomenului de emisie secundara a unor dielectrici. In prezent nu se mai construiesc astfel de osciloscoape, fapt pentru care nu se mai dezvolta principiul de functionare si memorare analogica.

Osciloscoapele cu memorie digitala utilizeaza tuburi catodice normale, memorarea fenomenului realiza[c1] ndu-se intr-o memorie digitala. Pentru aceasta, semnalul de tensiune trebuie de la inceput convertit numeric si apoi memorat intr-un registru de memorie. Prin intermediul unui circuit de esantionare se preleveaza esantioane de semnal, la intervale de timp egale, care vor fi convertite numeric in convertorul analog-digital si apoi memorate. Numarul de esantioane este de asemenea memorat astfel ca la citirea memoriei, un convertor digital-analogic va recompune semnalul iar numarul de esantioane permite desfasurarea lui in timp.

Fig.26. Schema de principiu a unui osciloscop cu memorie digitala.

Daca se memoreaza un fenomen y=(x) atunci si semnalul x este prelucrat si memorat de un lant asemanator ca semnalul y.

Acest tip de osciloscop cu memorie digitala permite si derularea informatiei cu viteza diferita decat cea de la inregistrare, astfel ca fenomenul poate fi dilatat sau comprimat dupa necesitati.

O alta facilitate o prezinta posibilitatea de a prelucra numeric informatia cu mijloace de calcul (microprocesoare) pentru a obtine diferite valori (efectiva, medie), sau parametri ai informatiei (frecventa, perioada, durata), sau pentru a corecta influenta unor factori de eroare (temperatura, zgomot etc.). Rezultatul prelucrarilor se afiseaza pe tub alaturi de imaginea obtinuta, exactitatea fiind in acest mod compatibila cu cea a voltmetrelor digitale.