Osciloscoape catodice

Osciloscoape catodice

Osciloscopul catodic (OC), este un aparat de masura de tip voltmetric (cu impedanta interna foarte mare ), care permite vizualizarea pe ecran a formei de unda a unui semnal in functie timp sau de o alta marime oarecare, data. OC sunt aparate foarte importante pentru inginerul electronist. Ele sunt utilizate in masurarea Aparate de masuraplitudinilor, frecventelor, defazajelor semnalelor de diferite forme (semnale sinusoidale, impulsuri, etc.), precum si in detectarea altor informatii continute in semnalul respectiv (timp de crestere, modulare, distorsionare, etc.). In vederea inregistrarii unor semnale, mai ales a celor neperiodice, sunt utilizate osciloscoapele cu memorie, iar in analiza detaliata a semnalelor (in special a celor de inalta frecventa), sunt folosite osciloscoape cu esantionare.

1. Schema de principiu a unui OC

Schema bloc a unui osciloscop cu un singur spot (un singur canal) este prezentata in figura 2.48. Elementele componente sunt:

- Tubul catodic (T) cu placile de deflexie pe verticala (Y) si orizontala (X). Etalonarea se face in volt/cm., respectiv sec/cm.;

- preAparate de masuraplificatoare (PV) si respectiv Aparate de masuraplificatoare (AV) pentru semnalele transmise pe placile de deflexie verticale;

- circuitul de intrare (CI), (este un atenuator in trepte);

- borna de intrare a semnalelor (Y). Selectarea semnalului de vizualizat se face cu comutatorul K₁: continuu (DC) sau alternativ (AC);

- bloc de sincronizare (S) dintre semnalul aplicat si baza de timp (BT);

- baza de timp (BT), care genereaza tensiunea in forma de dinti de fierastrau (tensiune de baleiaj), necesara deplasarii spotului pe orizontala

(figura 2.49).

- Aparate de masuraplificatorului pe orizontala (AO), care aplica semnalul furnizat de baza de timp, Aparate de masuraplificat, pe placile 'X'. Pe portiunea crescatoare a semnalului bazei de timp (t₁ la t₂), se obtine liniaritatea deflexiei orizontale in raport cu timpul. Frecventa BT poate fi reglata brut si fin. In perioada de revenire (t₂ la t₃) a tensiunii de baleiaj, pentru intreruperea spotului se utilizeaza circuitul de blancare CB. Pentru ca BT sa fie declansata intotdeauna la acelasi nivel L (figura 2.49), osciloscopul contine blocul de sincronizare S care genereaza semnale ce asigura sincronismul dintre BT si semnalul studiat;

- PO, preAparate de masuraplificator pe orizontala care Aparate de masuraplifica semnalele din exterior;

- X, borna prin care se pot aplica semnale din exterior. Pe ecranul osciloscopului se obtine o functie Y(X), care nu depinde explicit de timp;

decat cel vizualizat, pentru sincronizarea bazei de timp. In acest caz, comutatorul K₃ este trecut in pozitia corespunzatoare (EXT). Baza de timp va fi declansata intotdeauna in punctele l si 2 (figura 2.49), ca si in cazul sincronizarii interioare, indiferent de semnalul aplicat pe borna Y.

Ca si in cazul sincronizarii interioare, poate fi variat nivelul L ('LEVEL') de declansare a BT (figura 2.49). Sincronizarea poate fi efectuata atat in functie de frontul pozitiv, cat si dupa cel negativ al semnalului aplicat.

In cazul osciloscoapelor cu doua spoturi (doua canale), sincronizarea BT se efectueaza automat dupa semnalul aplicat pe una dintre intrari (Y_A sau Y_B). Borna de sincronizare exterioara mareste posibilitatile de utilizare ale osciloscopului.

La osciloscoapele uzuale, borna Y prezinta la intrare o rezistenta de l MW in paralel cu o capacitate de 20 30 pF.

Semnalele se aplica pe intrarile osciloscopului, in general, prin intermediul unui cablu coaxial, pentru a diminua din cantitatea de semnale perturbatoare (zgomote) culese din exterior.

2. Tubul catodic

Este un tub cu vid care contine urmatoarele elemente:

a) Tunul electronic, producator al fasciculului de electroni (figura 2.50), este format dintr-un catod (K) incalzit de un filAparate de masuraent (F) si o grila (G) de forma cilindrica, avand un orificiu ingust in baza, prin care electronii ies sub forma de fascicul. Potentialul grilei fata de catod este negativ. Cu cat potentialul grilei este mai negativ, cu atat cantitatea de electroni emisi de tunul electronic este mai redusa, putand fi chiar complet anulata. Astfel, prin reglarea cantitatii de electroni care parasesc tunul electronic, grila determina luminozitatea imaginii pe ecranul tubului.

b) Anozii de accelerare

Au urmatoarele doua functii:

- maresc energia electronilor care ies din tunul electronic;

- realizeaza convergenta fasciculului de electroni intr-un singur punct pe ecran.

Anozii de accelerare, avand forma unor cilindri coaxiali (figura 2.51), actioneaza ca 'lentile electrostatice', realizand focalizarea fasciculului electronic intr-un spot pe ecran. De regula, se utilizeaza l, 2 sau 3 anozi de accelerare.

a) Sistemele de deflexie, au rolul de a dirija spotul de electroni in orice punct al ecranului. Ele pot fi: - electrostatice, folosite pentru unghiuri de deflexie mici, deci pentru ecrane de dimensiuni reduse; - magnetice, utilizate in cazul unghiurilor de deflexie mari (pana la 110 130), deci pentru ecrane de dimensiuni mari (televizoare). In osciloscoapele catodice se utilizeaza sistemele de deflexie electrostatica, care sunt situate intre anozii de accelerare si ecran.

Principiul deflexiei electrostatice consta in deviatia unui fascicul de electroni in campul electric dintre doua placi metalice paralele. Pentru ca fasciculul (spotul) de electroni sa poata ajunge in orice punct al ecranului, se utilizeaza doua perechi de placi (figura 2.52). Placile de deflexie pe verticala (Y) sunt pozitionate in plan orizontal. Campul electric intre aceste placi este directional vertical, determinand deplasarea spotului de electroni pe verticala. Pozitia placilor de deflexie pe orizontala este in plan vertical. Campul electric intre aceste placi, directionat in plan orizontal, produce deplasarea spotului pe orizontala. Distanta d dintre placile de deflexie se alege astfel incat la o valoare constanta a tensiunii U aplicate placilor, campul electric E si unghiul de deviatie al spotului, sa fie cat mai mari. Distanta minima dintre placi este limitata de dimensiunile spotului electronic.

Consideratiile privind lungimea l a placilor de deflexie sunt urmatoarele:

deviatia este direct proportionala cu l;

timpul de trecere (de tranzit) t_p al electronilor in zona de camp dintre placi scade odata cu micsorarea lungimii l.

Timpul de tranzit t_p trebuie sa fie mult mai mic decat perioada minima T_min a semnalului aplicat pe bornele placilor de deflexie     (t_p<<T_min=1/f_min). In cazul indeplinirii acestei conditii, valoarea intensitatii campului electric dintre placi E este practic constanta.

Deoarece lungimea l a placilor nu poate fi redusa sub o valoare limita (deoarece aceasta ar conduce la scaderea unghiului de deflexie a), pentru reducerea timpului de tranzit t_p se mareste viteza de trecere a electronilor in spatiul dintre placile de deflexie. Aceasta se realizeaza prin cresterea tensiunilor aplicate pe anozii de accelerare. Frecventa maxima la care functioneaza acest sistem este de zeci de MHz. Pentru frecvente de lucru mai ridicate, placile de deflexie sunt divizate in mai multe zone, conectate intre ele prin intermediul liniilor de intarziere (grupuri LC) cu constante concentrate. Intarzierea introdusa de fiecare celula LC este egala cu timpul de tranzit al electronilor de la o zona la alta. Frecventele maxime de lucru atinse cu acest sistem depasesc l GHz.

b) Ecranul, constituie destinatia finala a spotului de electroni emis de tunul electronic. Este realizat din sticla transparenta. Pe fata interioara a ecranului se depune un strat de material fluorescent, care bombardat de electroni emite fotoni (cuante de lumina). Numarul fotonilor emisi in punctele bombardate de spot pe ecran (adica luminozitatea punctelor de pe ecran, care pot fi percepute vizual din afara de observator) depinde de cantitatea si energia electronilor emisi de tunul electronic. Pe aceasta proprietate se bazeaza reglarea intensitatii luminoase a formelor semnalelor vizualizate (prin modificarea potentialului grilei). Bombardarea ecranului de spotul electronic, conduce, pe langa emisia de fotoni, la emisia de electroni secundari din substanta fluorescenta. Electronii de emisie secundara, cu energie redusa, au tendinta de a se acumula in apropiere de ecranul care i-a emis. Formarea acestui 'nor electronic' ar putea bara drumul spotului de electroni spre ecran. Prevenirea acestui fenomen perturbator se face prin captarea electronilor secundari cu ajutorul unui ecran conductor (grafit depus pe peretii laterali ai tubului catodic in apropierea ecranului) Ecranul conductor este conectat la un potential pozitiv.

In fata ecranului este asezata o placa transparenta, pe care sunt trasate linii echidistan-te verticale si orizontale, pentru a permite masurarea cantitativa a deplasarii spotului pe ecran. Pentru a elimina erorile de paralaxa, placa transparenta cu gradatii trebuie asezata cat mai aproape de ecran. La tuburile catodice utilizate in osciloscoa-pele moderne, gradatiile sunt trasate pe fata interioara a ecranului inainte de depunerea stratului fluorescent.

Pentru prezentarea, in continuare, a functionarii osciloscopului cu un singur canal (spot) se urmareste schema bloc din figura 2.48.

Semnalul de studiat se aplica la intrarea Y a osciloscopului. Pentru vizualizarea unor dependente implicite Y(X), Aparate de masuraplificatorul deflexiei orizontale primeste semnalul de la preAparate de masuraplificatorul PO la care se aplica tensiunea de comparatie X.

In general, cu ajutorul osciloscoapelor se vizualizeaza variatia in timp a tensiunii de intrare; in acest scop, pe placile de deflexie pe orizontala se aplica o tensiune liniar - variabila (tensiune de baleiaj). Intrucat fiecarui punct de pe curba u_Y(t), aplicata pe intrarea Y, ii corespunde in timp un punct de pe functia liniara u_X(t), aplicata pe placile X, pe ecran se reproduce forma tensiunii u_Y in coordonatele Y - X (figura 2.53).

Vizualizarea semnalelor aplicate pe intrarea Y reclAparate de masuraa o anumita periodicitate a tensiunii liniar - variabile, aplicata pe placile X ale osciloscopului.
Forma tensiunii de baleiaj, utilizata in osciloscoape este cea in dinti de fierastrau (figura 2.49), furnizata de generatorul bazei de timp (BT). O perioada a tensiunii de baleiaj este formata din (figura 2.54):

durata cursei directe t₁ (perioada activa a BT), in care tensiunea liniar - variabila determina deplasarea spotului de la stanga la dreapta ecranului;

durata cursei inverse t₂ (perioada de intoarcere) , in care scaderea rapida a tensiunii u_X(t) determina reintoarcerea spotului in partea stanga a ecranului.

La incheierea timpului t₂, baza de timp (BT) este pregatita pentru un nou ciclu de baleiere a ecranului. Pentru ca deplasarea de la dreapta la stanga a ecranului sa nu fie sesizata de observator, pe durata t₂ spotul este blocat cu ajutorul unui circuit de blancare (figura 2.48 si 2.54). Acest circuit produce o tensiune negativa pe durata t₂, blocand astfel trecerea spotului electronic spre ecran.

Generatorul bazei de timp (BT) poate lucra in doua moduri:

periodic, cand dintii de fierastrau se succed unul dupa altul, fara pauze (figura 2.54);

comandat, cand intre doi dinti de fierastrau succesivi exista o perioada anumita de pauza t_p (figura 2.49). In acest mod de lucru BT este declansata de nivelul L ('LEVEL') al semnalului de vizualizat.

Utilizarea modului de lucru periodic (figura 2.54) prezinta dezavantajul ca, in majoritatea cazurilor, perioada BT nu coincide cu perioada semnalului de vizualizat. Utilizarea bazei de timp periodice ar conduce in aceste cazuri la o instabilitate a imaginii pe ecran; in locul unei singure imagini pe ecran ar apare mai multe imagini care s-ar deplasa in permanenta pe ecran.

Utilizarea modului de lucru comandat (declansat) dupa un nivel, care poate fi de exemplu si momentul trecerii prin zero a semnalului, permite obtinerea unei singure imagini stabile pe ecranul osciloscopului.

3. Osciloscoape cu doua canale

In osciloscoapele cu doua intrari (Y_A si Y_B), pentru vizualizarea separata pe ecran a doua semnale , exista doua solutii:

utilizarea unui tub catodic cu doua fascicule (spoturi);

utilizarea unui tub catodic obisnuit si comutatoare electronice care comuta intrarea Aparate de masuraplificatorului pe verticala cand pe semnalul aplicat pe intrarea Y_A, cand pe cel de pe intrarea Y_B (figura 2.55).

In functie de viteza de trecere de la un semnal la altul, comutatorul electronic poate functiona in doua moduri:

alternat, atunci cand comutatorul electronic este comandat de insasi BT, astfel ca o baleiere a spotului afiseaza semnalul u_A iar cealalta baleiere, semnalul u_B (figura 2.56, a).

comutat, atunci cand frecventa de comutare este stabilita de un oscilator independent. In acest mod de lucru, spotul este permanent comutat de la un semnal la altul, afisand simultan Aparate de masurabele semnale de la cele doua intrari in decursul fiecarei baleieri a ecranului (figura 2.56, b). Deoarece frecventa oscilatorului independent este, de regula, mult mai mare decat frecventele semnalelor vizualizate, multitudinea de fasii desenate separat de spot pentru afisarea fiecaruia dintre cele doua semnale par a fi unite intre ele. In acest mod de lucru este necesar ca:

sa se genereze impulsuri de blancare la fiecare trecere a spotului de la un semnal la altul;

frecventele celor doua semnale sa fie recurente, deoarece sincronizarea BT se poate efectua numai cu unul dintre cele doua semnale de intrare.

Fig. 2.56. Modurile de lucru ale osciloscopului cu doua intrari :

a. - alternat; b.- comutat

4. Osciloscoape cu esantionare

Osciloscopul cu esantionare se utilizeaza pentru vizualizarea si analiza semnalelor de frecvente foarte inalte.

Sistemul de esantionare permite luarea succesiva de 'mostre' ('sAparate de masuraple' - esantion, mostra) din forma semnalului de la intrare (figura 2.57). Aparate de masuraplitudinile acestor mici portiuni din semnalul de studiat sunt memorate si in final afisate pe ecran, fara a fi Aparate de masuraplificate. Pe ecran forma semnalului apare reconstituita din aceste puncte, care sunt esantioane luate din semnalul de la intrare prin masurari succesive. Pentru a putea lua esantioane din intreaga forma a semnalului de la intrare, fiecare impuls de comanda a esantionarii (strob) este intarziat fata de strobul precedent cu un timp t (figura 2.57). Vizualizarea unui semnal cu un osciloscop cu esantionare are astfel avantajul de a permite reconstituirea detaliata a formei semnalului vizualizat pe aproape intreaga extindere a ecranului, ceea ce faciliteaza analiza parAparate de masuraetrilor acestui semnal (de exemplu, durata si forma frontului de crestere/descrestere a impulsurilor). Cu cat numarul de puncte pe o diviziune de pe ecran este mai mare, cu atat reconstituirea semnalului de intrare esantionat se efectueaza mai fin. Intre timpul real (durata/perioada semnalului) si distanta pe orizontala intre punctele semnalului reconstituit, exista o legatura stransa data de valoarea intarzierii Δt de la o esantionare la alta (figura 2.57). Astfel, de exemplu, daca Dt = 50 ps, n = 100 puncte/diviziune, timpul echivalent pe o diviziune pentru reconstituirea semnalului vizualizat este: t_e=n Dt= 100 50=5 ns/div. Daca Dt=50 ps, iar perioada de timp real a unui semnal este T=10ns (f=100 MHz), este nevoie de un numar n=T/Dt= =10(ns)/50(ps)=200 puncte pentru esantionarea/reconstituirea acestui semnal. Pentru un numar de 100 puncte/div., semnalul mentionat va
apare pe ecran extins pe 2 diviziuni: 200 (puncte)/100 (puncte /div.) =2 div.

In cazul luarii unui punct ('mostra') din fiecare perioada T a semnalului de la intrarea osciloscopului, durata masurarii (reconstituirii esantionate a semnalului) t_m va fi t_m=T n, unde n este numarul de esantioane ('mostre'). Cu datele din exemplul de mai sus (n=200 puncte, f=100 MHz), rezulta ca un semnal cu perioada T=10 ns va fi esantionat in timpul t_m=200 10(ns)=2 ms. In consecinta, frecventa f a semnalului reconstituit si aplicat pe placile de deflexie Y ale osciloscopului va fi f=l/t_m=l/2(ms)=500KHz. Aparate de masuraplificarea unui semnal avand frecventa mentionata se poate efectua fara nici o dificultate.

In cazul semnalelor avand o frecventa mult mai joasa (de ordinul KHz), reconstituirea esantionata a imaginii ar dura foarte mult. Astfel, reconstituirea unui semnal cu f=l KHz in 200 de puncte ar dura t_m=l(ms) 200=200 ms. In acest caz, toate punctele (esantioanele) sunt luate din aceeasi perioada T pentru a micsora timpul de masurare. Reconstituirea pe ecran a semnalului de joasa frecventa esantionat are loc intr-un mod similar cu cel descris mai sus. Deoarece afisarea semnalelor de joasa frecventa (reconstituite) are loc simultan cu desfasurarea fenomenului (in timp real), notiunea de timp echivalent nu mai are nici o justificare.

Circuitele de esantionare din osciloscoapele cu esantionare pot lucra:

in timp echivalent, cand fiecare esantion este luat dintr-o alta perioada a semnalului studiat;

in timp real, cand toate esantioanele sunt luate din aceeasi perioada a semnalului analizat.

4.1. Functionarea osciloscopului cu esantionare in timp

echivalent

Schema bloc simplificata a osciloscopului cu esantionare functionand in timp echivalent este prezentata in figura 2.58, semnalul de intrare (figura 2.59) este aplicat la intrarea unei porti de esantionare. Aceasta poarta se deschide pentru un timp extrem de scurt numai atunci cand primeste un impuls de comanda a esantionarii (strob) de la comparator. Acest impuls la iesirea comparatorului apare in momentul coincidentei dintre tensiunea de referinta, furnizata de un generator de scara (semnal treapta), si tensiunea liniar - variabila, data de baza de timp (figura 2.59). Functionarea sincrona a bazei de timp si a generatorului de scara este asigurata de impulsurile de declansare, date de un formator de impulsuri (trigger).

In decursul fiecarei perioade a semnalului de intrare, comparatorul deschide poarta de esantionare pentru un timp foarte scurt in momentul coincidentei celor doua tensiuni aplicate la intrarea comparatorului. La iesirea portii apare de fiecare data un esantion al semnalului de intrare. Durata acestui esantion este aproximativ egala cu durata impulsului de control (strob) furnizat de comparator. De regula, poarta de esantionare se deschide pentru un timp extrem de redus, astfel incat se poate considera ca in cursul fiecarui proces de esantionare nu se produc variatii mari ale semnalului de intrare. Aplicate pe placile Y ale osciloscopului, punctele l, 2, 3, 4,, n, reconstituie pe ecran forma semnalului. Luarea esantioanelor din diferite puncte ale semnalului (figura 2.59) este asigurata de utilizarea tensiunii de referinta in forma de scara, care permite realizarea intarzierii t la fiecare ciclu de esantionare.

4.2. Functionarea osciloscopului cu esantionare in timp real

In modul de lucru in timp real, esantioanele sunt luate succesiv din aceeasi perioada a semnalului de intrare. Acest mod de lucru este posibil atunci cand baza de timp poate asigura un numar suficient de mare de stroburi (esantioane) in decursul unei perioade a semnalului, in vederea reconstituirii corecte a formei semnalului de vizualizat.

Din schema bloc a osciloscopului cu esantionare in timp real (figura 2.60, a) lipseste generatorul de tensiune liniar variabila; functionarea BT (generatorul de scara) este dictata exclusiv de impulsurile de tact ale unui oscilator local. Impulsurile furnizate de acest oscilator constituie, pe de o parte, stroburi care comanda puntea de esantionare, iar pe de alta parte, dicteaza frecventa salturilor de tensiune la iesirea generatorului de scara, conectata la placile de deflexie X ale osciloscopului. Pentru a se obtine viteze diferite de deplasare ale spotului pe orizontala, oscilatorul pilot este cuplat la un divizor de frecventa. Frecventa impulsurilor de tact de la iesirea ansAparate de masurablului oscilator - divizor se selecteaza in functie de perioada semnalelor vizualizate, densitatea de puncte pe diviziune si timpul pe diviziune. Astfel, de exemplu, pentru a asigura un numar de 100 puncte/diviziune pentru un timp/diviziune de l ms/div., frecventa impulsurilor la iesirea divizorului trebuie sa fie: f=100

(puncte/div.)/1(ms/div.)=100 KHz.

Daca parAparate de masuraetrul timp/div. se modifica la l0ms/div., ceea ce implica o deplasare mai lenta a bazei de timp, frecventa impulsurilor la iesirea ansAparate de masurablului oscilator - divizor trebuie sa fie: f =100 (puncte/div.)/10 (ms/div.)=10 KHz, adica divizata cu 10 fata de cazul precedent. Circuitul de blocare al triggerului blocheaza functionarea acestuia din urma pana in momentul cand semnalul de la iesirea generatorului de scara atinge nivelul sau final.

3. Osciloscoape cu memorie

Osciloscoapele cu memorie permit retinerea informatiei de masurare cu variatie periodica sau aperiodica avand frecventa de variatie in limite largi. Memorarea asigura studierea variatiilor temporale dupa desfasurarea fenomenelor, compararea mai multor semnale care apar in momente diferite, afisarea unor semnale cu frecventa de repetitie redusa s.a.

Osciloscoapele cu memorie se realizeaza in doua variante fundAparate de masuraental diferite: cu memorie analogica si cu memorie numerica.

Costul tuburilor cu memoria imaginii (memorie analogica) este extrem de ridicat. Tendinta actuala dominanta in domeniul osciloscoapelor cu memorie consta in eliminarea acestui tub costisitor si utilizarea unui tub catodic clasic cuplat la un sistem numeric de memorare a imaginii.

La osciloscopul numeric (figura 2.61) semnalul de vizualizat este mai intai esantionat in timp real dupa care este convertit in semnal numeric (cu ajutorul convertorului analog/numeric A/N) si stocat intr-o memorie numerica, de unde poate fi extras si reconstituit in analogic (cu ajutorul convertorului numeric/analogic N/A) si afisat pe ecran, pe o durata usor controlabila, iar imaginea stocata poate fi readusa pe ecran ori de cate ori este necesar. In plus, ca si la osciloscoapele cu esantionare, redarea tensiunii de intrare se poate face la viteze foarte mici, compatibile cu ochiul uman.

La primele osciloscoape numerice, secventierea comenzilor era realizata de o baza de timp (logica cablata) pilotata de un oscilator cu cuart, dupa care s-a trecut la comanda cu microprocesor.