Osciloscopul analogic de uz general

Este un aparat care permite vizualizarea intr-un sistem de coordonate X,Y a unui grafic luminos reprezentand dependenta a doua tensiuni electrice variabile u_x(t) si u_y(t) ale caror valori instantanee corespund absciselor si respectiv ordonatelor diverselor puncte ale graficului. Daca tensiunea u_x care determina deplasarile pe axa orizontala OX variaza liniar, imaginea obtinuta exprima dependenta de timp a tensiunii u_y generatoare a deplasarilor pe axa verticala OY. Rezulta astfel posibilitatea de a analiza evolutia in timp a marimii u_y si prin calibrarea celor doua axe pot fi masurati parametrii ce caracterizeaza aceasta evolutie. Transformarea tensiunilor u_x(t) si u_y(t) intr-un semnal optic se realizeaza pe ecranul luminescent al unui tub catodic prin bombardarea acestuia de catre un fascicul de electroni pozitionat prin intermediul unor campuri electrostatice sau electromagnetice, in functie de valorile instantanee ale acestor tensiuni.

1. Schema bloc si principiul de functionare al osciloscopului

Fig.5.20. Schema bloc a osciloscopului catodic

Elementul component principal al unui osciloscop este tubul catodic (TC) care este un tub electronic cu vid inaintat pe ecranul caruia se formeaza imaginea. Elementele principale ale unui tub catodic sunt:

C - catodul: emite electroni;

G - grila de control a intensitatii luminoase;

- anozi de accelerare, focalizare, corectare a astigmatismului;

PA - anodul de postaccelerare;

XX^' si YY^' - placile de deflexie pe orizontala respectiv pe verticala.

In scopul obtinerii unei intensitati si a unei grosimi convenabile a imaginii, electrozii , sunt prevazuti cu dispozitivele de reglaj: LUMINOZITATE, FOCALIZARE si ASTIGMATISM. In exteriorul tubului se afla bobina RT, care prin deflexie electromagnetica corecteaza abateri de la orizontalitate ale deflexiei XX. Aceste corectari se fac folosind potentiometrul de reglaj: ROTIRE TRASA. La partea frontala a TC se afla ecranul E pe care se formeaza imaginea. Pentru efectuarea de masurari pe ecranul E se afla trasat un caroiaj cuprinzand 10 diviziuni pe orizontala si 6 pe verticala.

K₁ - comutatorul de intrare pe canalul Y, prin intermediul caruia se aplica tensiunea de vizualizat u_y(t). Pozitia "a" se foloseste pentru conectarea de tensiuni continue (sau alternative avand si componenta continua), pozitia "b" se foloseste pentru tensiuni alternative, iar pozitia "c" se foloseste pentru punerea la masa a intrarii in vederea pozitionarii.

- atenuatorul in trepte prin care tensiunea se aduce in gama corespunzatoare deflexiei admise pe verticala, asigurandu-se totodata o impedanta de intrare mare. Diversele trepte de atenuare se obtin cu ajutorul unui comutator gradat V/DIV, ale carui pozitii determina valorile coeficientilor de deviatie pe verticala.

- preamplificatorul de pe canalul Y cu o impedanta de intrare ridicata (adaptata cu cea a atenuatorului), care pe langa o prima amplificare permite si deplasarea spotului pe verticala, dispunand pentru aceasta de un potentiometru POZ. Y. Pentru efectuarea de corectii ale factorului de amplificare al canalului, astfel incat sa se respecte valoarea afisata de comutatorul V/DIV, preamplificatorul este prevazut si un potentiometru de etalonare ET.Y.

- amplificatorul diferential de deviatie pe verticala, care amplifica semnalul de vizualizat la nivelul necesar placilor de deflexie pe verticala YY'.

Comutatorul permite alegerea modului de sincronizare: sincronizare cu semnalul de vizualizat (pe poz. INT), cu un semnal extern (EXT) sau cu reteaua (RETEA).

Circuitul de sincronizare CS este alcatuit dintr-un amplificator, un circuit formator, un circuit poarta si un circuit de retinere, prin intermediul carora se comanda pornirea si oprirea bazei de timp.

Generatorul tensiunii liniar variabile, GTLV, constituie baza de timp a osciloscopului, prin intermediul caruia se obtine imaginea desfasurata a tensiunii . Viteza de deplasare a spotului pe orizontala poate fi modificata in trepte cu comutatorul TIMP/DIV. Valorile indicate de acest comutator exprima inversul vitezei de deplasare a fascicolului de electroni pe orizontala si care se numesc coeficienti de baleiaj.

Amplificatorul de deflexie pe orizontala , indeplineste aceleasi functiuni ca , fiind prevazut cu potentiometrul POZ. X cu ajutorul caruia se poate deplasa imaginea pe orizontala (pozitia initiala a deplasarii). Pozitionand comutatorul pe pozitia 1, la intrarea se aplica tensiunea liniar variabila (proportionala cu timpul) de la baza de timp, caz in care se vizualizeaza . Cu comutatorul pe pozitia 2, la intrarea se poate aplica o tensiune , caz in care pe ecranul osciloscopului se obtine graficul .

Blocul de calibrare interna BCI, consta dintr-un circuit astabil care genereaza o tensiune dreptunghiulara cu amplitudine si frecventa riguros constante. Acest bloc serveste pentru verificarea si eventual corectarea etalonarii deviatiei pe verticala (cu potentiometrul ET.Y) si respectiv a deviatiei pe orizontala (cu potentiometrul ET. BT.).

Blocul de alimentare BA consta dintr-un transformator de retea, un bloc de redresare, un bloc de stabilizare si un bloc convertor de tensiuni continue, prin intermediul caruia se obtin diverse tensiuni continue pentru alimentarea circuitelor electronice (inclusiv tensiunile inalte pentru electrozii tubului catodic).

Consideram ca la intrarea canalului Y al O.C. se aplica o tensiune sinusoidala:

(5.27)

iar osciloscopul functioneaza cu sincronizare interna. Tensiunea , dupa atenuarea si amplificarea necesara, este transmisa placilor de deflexie pe verticala YY^', care deviaza fascicolul de electroni astfel incat pozitia sa pe ecran corespunde valorilor instantanee ale tensiunii aplicate conform relatiei:

(5.28)

- sensibilitatea deflexiei pe verticala, masurata in [DIV/VOLT]. Sensibilitatea este determinata de pozitia comutatorului V/DIV al atenuatorului , indicatiile acestuia reprezentand inversul sensibilitatii de deflexie, respectiv coeficientii de deviatie pe verticala

[VOLT/DIV] (5.29)

Totodata cu deflexia pe verticala, la placile de deflexie pe orizontala XX^', GTLV prin aplica o tensiune in dinti de fierastrau care determina deflexia pe orizontala (Fig.5.21).

Fig.5.21. Tensiunea bazei de timp

Fig.5.22. Obtinerea imaginii pe ecranul osciloscopului

Modul de obtinere a imaginii pe ecranul osciloscopului este prezentat in Fig.5.22.

Tensiunea u_x(t) determina deviatia spotului in directie orizontala. Intervalul de timp t_d corespunde cursei directe (active) a spotului de la stanga la dreapta ecranului, interval in care are loc formarea imaginii. Timpul reprezinta timpul foarte scurt in care spotul este readus in pozitia initiala din stanga ecranului. Pe aceasta durata fasciculul de electroni este blocat prin CSS pentru a nu aparea pe ecran traiectorii perturbatoare suprapuse peste imaginea utila. Valorile sunt astfel calibrate incat asigura baleierea completa a ecranului de la extrema stanga la cea dreapta. Variatia liniara a tensiunii u_x(t) pe intervalul t_d este cea care asigura caracterul de baza de timp. Periodizarea bazei de timp este corelata cu aceea a semnalului de vizualizat de catre blocurile canalului de sincronizare (AS,CF,CP,CR). In regim declansat, GTLV nu reia ciclul imediat dupa revenirea la U_xmin, ci asteapta ca u_y(t) sa ajunga la valoarea pentru care au fost fixate conditiile de sincronizare. Apare astfel intervalul de pauza t_p in care spotul stationeaza in stanga ecranului.

(5.30)

unde T_B este perioada bazei de timp (BT).

Se defineste o sensibilitate a deflexiei pe orizontala similara cu cea pe verticala:

(5.31)

respectiv un coeficient de deviatie :

[V/DIV] (5.32)

Pentru BT intereseaza insa, nu deplasarea spotului, ci viteza de deplasare a acestuia, care este data de relatia:

(5.33)

unde este viteza de variatie a tensiunii exprimata in [V/TIMP]. Pe o portiune liniar variabila () viteza este constanta si egala cu panta :

(5.34)

Comutatorul GTLV afiseaza valori ce reprezinta inversul vitezei :

(5.35)

acesta fiind coeficientul de baleiaj care se exprima in [TIMP/DIV] si care reprezinta timpul necesar pentru parcurgerea unei diviziuni a ecranului. Rezulta ca in cadrul cursei active, fascicolul de electroni este deplasat orizontal proportional cu timpul (viteza este constanta) si concomitent este deviat pe verticala proportional cu valorile instantanee ale tensiunii u_y(t) . Imaginea obtinuta reprezinta graficul variatiei in timp al tensiunii de vizualizat. In raport de modul in care viteza reala de variatie a tensiunii u_y(t), respectiv perioada sa, sunt corelate cu baza de timp, imaginea care apare poate fi mai comprimata sau mai dilatata. Aceasta se reflecta in aparitia pe ecran a unui numar mai mare sau mai mic de perioade intregi sau chiar a unei fractiuni de perioada. Cu comutatorul TIMP/DIV se poate selecta viteza care sa conduca la o imagine convenabila.

Caracterul periodic al tensiunii u_y(t) si functionarea sincronizata a bazei de timp au drept efect suprapunerea intr-o succesiune rapida a traiectoriilor identice descrise de spot, determinand o imagine stabila pe ecran.

Aplicatia 5.4

Aplicand o tensiunea alternativa sinusoidala cu valoarea efectiva U_ef = 2V unui osciloscop catodic, se obtine o figura cu inaltimea de 1,6 div. Ce valoare are sensibilitatea si coeficientul de deflexie pe verticala.

Aplicatia 5.5

Care este tensiunea si perioada semnalului reprezentat in figura alaturata, daca comutatorul pe directia Y este pe 5V/cm si comutatorul bazei de timp este pe 2ms/cm :

Fig.5.23. Forma de unda a tensiunii pe ecranul osciloscopului

2. Tubul catodic

Din punctul de vedere functional, subansamblurile tubului catodic realizeaza urmatoarele functii:

-tunul electronic emite, focalizeaza si accelereaza fasciculul de

electroni;

-sistemul de deflexie comanda deviatia (deplasarea) fasciculului de electroni corespunzator semnalelor de studiat;

-ecranul luminescent converteste energia cinetica a fasciculului de electroni in energie luminoasa (printr-un spot luminos).

Tuburile catodice se pot clasifica dupa mai multe considerente:

Dupa numarul de fascicule de electroni independente (spoturi)

a - tuburi cu un singur fascicul

b - tuburi cu doua sau mai multe

Dupa modul in care se efectueaza deplasarea fascicolului de electroni

a - tuburi cu deflexie electrostatica

b - tuburi cu deflexie electromagnetica

Dupa absenta sau prezenta unei accelerari suplimentare a electronilor in zona dintre placile de deflexie si ecran

a - tuburi monoaccelerator

b - tuburi postaccelerator

Dupa modalitatea de stingere a spotului pe durata cursei inverse

a - tuburi cu blocare prin negativarea grilei

b - tuburi prin deviere cu un sistem de deflexie special

Dupa caroiajul care formeaza diviziunile pe ecran

a - tuburi cu retea in interiorul tubului

b - tuburi cu retea in exteriorul tubului

In Fig.5.23 este prezentata schema unui tub catodic cu deflexie electrostatica, cu un singur spot si prevazut cu anod de post accelerare.

Tubul catodic este ecranat electric si magnetic impotriva campurilor electrice si magnetice exterioare care pot perturba fasciculul de electroni, cu un invelis din tabla de otel magnetic (sau chiar din permalloy) cu grosimea de 0,3.1,5 mm. In plus, acest ecran serveste si la protectia mecanica a tubului, precum si la fixarea acestuia pe sasiul osciloscopului.

Urmarind succesiunea fenomenelor care se produc in tubul catodic, se disting urmatoarele zone:

Fig.5.23. Schema de principiu a unui tub catodic

a) Zona generarii fascicolului de electroni

Este formata din catodul C, grila G si anodul de accelerare Ac. Catodul emite electroni prin efect termoionic. Grila G (cilindru Wehnelt) prin potentialul sau controleaza intensitatea fascicolului emis. Anodul Ac aflat la un potential de valoare ridicata fata de catod, determina un camp electric sub actiunea caruia electronii sunt atrasi din regiunea catodului si accelerati astfel incat la iesirea din aceasta zona cu o energie cinetica insemnata (la tuburile monoaccelerator aceasta energie trebuie sa fie insemnata astfel incat sa lumineze ecranul).

Semnificatia potentiometrului LUMINOZITATE este acum evidenta in sensul ca prin el se regleaza U_G astfel incat sa se obtina intensitatea dorita a spotului pe ecran. Stingerea spotului se face tot in aceasta zona prin aplicarea pe grila G a unei tensiuni suplimentare (de la CSS) puternic negativa, care nu mai permite anodului A_c extragerea electronilor emisi de catod.

In cazul tuburilor cu stingere prin deviere, anodul Ac coprinde doua orificii succesive intre care se afla un sistem de placi de deflexie. La comanda de stingere, se aplica o tensiune pe placile de deflexie care deviaza spotul, astfel incat nu mai poate trece prin cel de-al doilea orificiu. Desi complica constructia tubului, acest procedeu are avantajul ca stingerea spotului este neta, eliminandu-se influenta unei stabilizari insuficiente a surselor de alimentare, care poate fi resimtita la stingerea prin comanda pe grila.

b) Zona de focalizare si corectare a astigmatismului

Cuprinde anozii A_F si A_S care alcatuiesc impreuna un sistem de lentile electrostatice cu rolul de a converge fascicolul pe ecran, rezultand la locul de incidenta o imagine de forma unui punct rotund de dimensiuni minime. Anodul este cel care asigura convergenta iar forma rotunda a punctului, atat in centru cat si la periferia ecranului.

c) Zona de deflexie electrostatica

Este acea parte a tubului in care informatia corespunzatoare semnalului analizat este transmisa fascicolului de electroni prin intermediul campurilor electrostatice produse de placile de deflexie YY^' si XX^'. O serie de parametri importanti, cum sunt valorile coeficientilor de deviatie C_y si C_x, liniaritatea (mentinerea la valorile fixate a acestor coeficienti in centrul sau la marginea ecranului), depind de modul in care sunt realizate si situate placile de deflexie.

Tuburile cu deflexie electromagnetica (cu bobine exterioare), desi sunt mai ieftine, mai simple, au dimensiuni reduse, suprafata mai mare a ecranului si permit obtinerea unui spot mai fin, au dezavantajul ca sunt limitate la frecvente relativ joase (<20 kHz) datorita intarzierilor pe care le introduc inductivitatile bobinelor si au un consum de energie insemnat. Folosind deflexia electrostatica, banda de frecventa este mai extinsa. Deflexia electromagnetica este utilizata in cazul tuburilor cinescopice ale monitoarelor si receptoarelor TV. In tabelul 5.1 se prezinta o comparatie intre cele doua sisteme de deflexie.

Tabelul 5.1

d) Zona de postaccelerare

Este specifica osciloscoapelor de frecventa mai mare de 10 MHz, deoarece viteza sporita cu care fascicolul de electroni baleiaza ecranul, reclama, pentru obtinerea unei iluminari satisfacatoare o energie cinetica ridicata. De aceea, spre deosebire de tuburile monoaccelerator care se rezuma numai la anodul de accelerare Ac (utilizate la f<10MHz) se prevede anodul de postaccelerare PA situat dupa zona de deflexie si caruia i se aplica o tensiune pozitiva ridicata. Unul dintre procedeele de realizare a anodului de postaccelerare consta in formarea prin metalizare pe suprafata interioara a tubului (in partea tronconica) a unui electrod sub forma de spirala rezistiva. Se obtine astfel un camp electric paralel cu axa Y, care accelereaza electronii in directia ecranului. Dirijarea campului in lungul axei Y exercita o influenta care tinde sa curbeze traiectoria fascicolului catre axa, ceea ce are ca efect reducerea sensibilitatilor de deflexie. De aceea se introduce o retea (grila) GS plasata dupa placi, care da o forma radiala liniilor de camp, astfel incat accelerarea se produce fara a perturba directia pe care a fost deviat spotul.

e) Zona ecranului

Fig.5.24. Modul de obtinere al luminozitatii

pe ecranul osciloscopului

Cuprinde stratul luminescent P depus pe fata interioara, care transfera energie luminoasa si calorica. Fosforul reprezinta elementul de baza pentru realizarea stratului luminescent. La bombardarea fosforului cu electroni de energie cinetica ridicata, apare fenomenul de emisie luminoasa denumit fluorescenta. Radiatia luminoasa persista si la incetarea excitatiei, fenomenul respectiv fiind cel de fosforescenta. Intervalul de timp din durata fenomenelor de fosforescenta in care luminozitatea scade de la 90% la 10% din cea initiala, defineste persistenta imaginii.

Energia cinetica a spotului la impactul cu stratul P este convertita atat in energie luminoasa cat si termica. Daca accelerarea electronilor este mare (prin pozitionarea potentiometrului LUMINOZITATE catre limita superioara a tensiunii) si spotul este mentinut un timp indelungat intr-un anumit punct al ecranului, acesta poate duce la deteriorarea fosforului (prin efect termic). De ceea se depune o pelicula de Al pe suprafata interioara a stratului de fosfor, avand rolul de radiator termic. Tot prin aluminizare se obtine o crestere a eficientei luminoase in sensul ca radiatia emisa catre interiorul tubului este reflectata catre ecran adaugandu-se celei directe. Pe ecran apare si un caroiaj care tine seama de coeficientii . Se pune problema coincidentei axelor X,Y ale celor doua perechi de placi cu axele caroiajului. Pentru caroiajele exterioare, aceasta se face prin rotire, in regim cu baza de timp relaxata, pana cand linia continua care apare la baleierea spotului pe ecran coincide cu axa orizontala a caroiajului. In cazul caroiajului interior, este prevazuta bobina RT care fiind strabatuta de un curent ce poate fi variat prin potentiometrul ROT.TRASA produce prin deflexie electromagnetica rotirea cu a deflexiei orizontale.

Tuburi catodice cu memorie

Osciloscoapele echipate cu tuburi catodice asa zise cu memorie permit realizarea urmatoarelor aplicatii specifice:

-afisarea continua a unui semnal nerepetitiv sau a unei imagini fixe;

-punerea in evidenta a variatiilor unui semnal dat, variatii produse de modificarea unor parametri de mediu (ca: temperatura, presiune, umiditate etc.) sau aparute in timp;

-afisarea unui semnal cu frecventa de repetitie foarte mica, fara sa se produca fluctuatia imaginii sau palpairi;

-reducerea perturbatiilor aleatoare la functionarea cu persistenta variabila.

Exista numeroase tipuri de tuburi cu memorie (primul tub cu memorie performant a fost realizat in anul 1976 de firma Tektronix, sub denumirea de DVST (abrevierea numelui englezesc Direct View Storage Tube ). In prezent, cel mai raspandit tub cu memorie este tubul prin transmisie cu grila de memorare dielectrica, care este tot un tub catodic cu ecran luminescent (luminofor) dotat insa cu un sistem de grile (de memorare si colector) si unul sau doua asa zise tunuri de inundare care produc un fascicul difuz de electroni (zisi si electroni de inundare), in afara tunului de electroni primari cu mare energie cinetica (zisi electroni de scriere). Acest tub cu memorie este capabil sa afiseze o imagine pe care sa o mentina (in lipsa semnalului care a produs o) un timp foarte indelungat (de la cateva minute la cateva ore), la un nivel normal de stralucire, fara a fi necesara refacerea ei.

Un tub cu memorie (a carui structura de principiu este redata in Fig.5.25) are urmatoarele parti functionale:

- tunul de scriere, care produce un fascicul, focalizat pe ecran, de electroni primari;

- sistemul de deflexie;

- sistemul de producere al electronilor de inundare (de obicei, doua tunuri de electroni suplimentare);

- sistemul de producere (afisare persistenta) a imaginii, format in principal, din ecranul luminescent, grila de memorare, grila colector si grilele de control a electronilor de inundare.

Tunul de scriere produce un fascicul de electroni focalizat, primar, cu energie cinetica foarte mare, care bombardeaza tinta de memorare (grila de memorare). Acest fascicol este deviat de placile de deflexie Y si X ca la un tub obisnuit. Crearea imaginii, adica pastrarea punctelor ei pe grila de memorare, depinde direct de energia cu care electronii din fasciculul de scriere bombardeaza tinta de memorare. Aceasta energie depinde de diferenta de potential la care se gaseste tinta fata de sursa de electroni (care este catodul).

Fig.5.25. Tub catodic cu memorie

La fel ca la orice tub catodic, fasciculul de scriere este focalizat pe ecran, supus unei deflexii X si Y si modulat in stralucire (Z), astfel ca spotul sau reproduce pe ecran imaginea dorita printr un singur cadru (fara repetarea lui).

Persistenta imaginii (sau memorarea ei) pe o durata mare se realizeaza prin intermediul unui sistem auxiliar de electroni, denumiti de inundare, care sunt proiectati perpendicular pe intreaga suprafata a ecranului (o ploaie de electroni) si printr-o asa numita grila de memorare, plasata paralel cu ecranul, la mica distanta in spatele lui. Tunurile de inundare (suplimentare) produc un flux continuu de electroni, de energie joasa, capabil sa acopere intreaga suprafata frontala a tubului (cea ce se realizeaza prin sistemul de electrozi-grile de control a electronilor de inundare si prin grila colector).

Intre colector si ecranul luminofor este plasata grila de memorare, formata dintr-o plasa conductoare foarte fina (cu ochiuri dreptunghiulare) pe care este depus un material dielectric special ce constituie suprafata de memorare. Atunci cand este bombardata de un fascicul de electroni, grila poseda si proprietatea de emisie secundara. Memorarea imaginii se realizeaza pe suprafata exterioara a dielectricului. Colectorul este si el format dintr-o plasa fina conductoare si, avand rolul de a colecta - printr-o polarizare corespunzatoare - electronii produsi prin emisie secundara sau respinsi de grila de memorare.

Functionarea tubului cu memorie implica doua etape: scrierea si memorarea.

In procesul de scriere electronii primari rapizi lovesc suprafata grilei de memorare cu o energie suficient de mare pentru a extrage, prin emisie secundara, un numar de electroni, ceea ce duce la incarcarea pozitiva a grilei in acele puncte. Imaginea semnalului este inregistrata astfel prin "dara" de potential pozitiv de pe grila de memorare. Datorita proprietatilor dielectrice ale grilei, imaginea se poate mentine un timp indelungat.

In procesul de memorare sunt puse in functiune celelalte doua tunuri suplimentare, iar cel principal (de scriere) este dezactivat. Electronii lenti sunt usor accelerati de grila colectoare, o depasesc si reusesc sa treaca prin grila de memorare in dreptul punctelor incarcate pozitiv. Accelerati apoi de anodul de postaccelerare, ei ajung pe ecran cu o energie suficient de mare pentru a da o imagine luminoasa. Punctele ramase negative ale grilei de memorare resping electronii lenti, care sunt apoi captati de grila colectoare. In felul aceste forma semnalului se transpune de pe grila de memorare pe ecran, in absenta semnalului de intrare.

Stergerea rapida si completa a imaginii memorate se realizeaza aplicand grilei de memorare un potential negativ ridicat.

3. Atenuatorul de intrare AT_Y

Are rolul de a atenua tensiunea de intrare pana la nivelele acceptate de amplificatorul AD_y. Este un divizor de tensiune RC, compensat in frecventa si adaptat, in sensul ca tensiunea la iesirea atenuatorului nu sufera modificari din punct de vedere al frecventei fata de tensiunea de intrare (compensat in frecventa) iar rezistenta si capacitatea de intrare si de iesire se mentin constante pe toate treptele de atenuare (adaptat).

Schema unui atenuator compensat in frecventa, cu impedante de intrare si de iesire constante este prezentata in Fig.5.26, iar schema echivalenta a atenuatorului pentru comutatorul K_AT pe pozitia k in Fig.5.27.

Fig.5.26. Schema atenuatorului compensat in frecventa si adaptat

Fig.5.27. Schema echivalenta a atenuatorului

(5.37)

Factorul de atenuare in acest caz este:

(5.38)

Conditia ca atenuatorul sa fie compensat in frecventa este ca factorul de atenuare sa fie un numar real:

(5.39)

Rezistenta de intrare a atenuatorului din Fig.5.9 este:

(5.40)

iar capacitatea de intrare corespunzatoare:

(5.41)

Intrucat pe treapta intai a comutatorului rezistenta si capacitatea de intrare si de iesire a atenuatorului este si respectiv , pentru ca atenuatorul sa fie adaptat inseamna ca pe toate treptele de atenuare rezistenta si capacitatea de intrare si de iesire trebuie sa fie egale cu si respectiv . Ca urmare conditia ca atenuatorul sa fie adaptat este ca:

si (5.42)

Din relatiile (5.24) si (5.27) rezulta valorile astfel incat atenuatorul sa fie compensat in frecventa si adaptat.

(5.43)

Atenuatorul este blocul care stabileste impedanta de intrare a osciloscopului, valorile uzuale pentru cele mai multe tipuri fiind = 10MW si =1060pF. Comutarea diferitelor trepte de atenuare se face cu comutatorul care este de fapt comutatorul V/DIV din schema bloc (respectiv de pe panoul frontal al osciloscopului). Anumite tipuri de osciloscoape au comutatorul V/DIV combinat cu un potentiometru care permite modificarea continua a coeficientilor de deviatie intre doua trepte calibrate. Prin actionarea acestui potentiometru coeficientii de deviatie nu mai respecta valorile calibrate indicate de comutatorul V/DIV, acest regim fiind semnalizat prin aprinderea unei lampi.

4. Preamplificatorul si amplificatorul de deflexie

verticala

Au urmatoarele functiuni:

-amplifica tensiunea pana la nivelul necesar atacarii placilor de deflexie YY';

-transforma semnalul asimetric de la iesirea atenuatorului intr-un semnal diferential necesar pentru comanda simetrica a placilor de deflexie;

-permite deplasarea si etalonarea pe verticala a imaginii.

Preamplificatorul PA_Y este blocul care realizeaza o prima amplificare, avand intrarea asimetrica si iesire simetrica (diferentiala), fiind constituit din 1-2 etaje de amplificare. Este prevazut cu un potentiometru (notat in schema bloc cu POZ Y) cu ajutorul caruia se introduce o componenta continua care se asociaza si este amplificata impreuna cu semnalul util, oferind posibilitatea deplasarii imaginii pe verticala (sau a tresei in absenta semnalului de intrare). De asemenea mai este prevazut cu un potentiometru care permite modificarea factorului de amplificare al canalului, actionarea acestuia facandu-se in cadrul operatiei de etalonare a coeficientilor de deflexie C_Y. Acest potentiometru este notat in schema functionala cu ETY.

Amplificatorul de deflexie verticala ADY este un amplificator diferential cu intrare si iesire simetrica, alcatuit din montaje tip cascoda. El trebuie sa asigure pe cele doua placi de deflexie doua tensiuni simetrice, in antifaza, de nivel 100150V. Impreuna cu tubul catodic, acesta determina caracteristica esentiala a osciloscopului si anume banda de frecventa. Banda de frecventa se defineste pentru o scadere cu 3 dB a amplificarii ansamblului amplificator - tub catodic. Ea determina la randul sau timpul de crestere al osciloscopului.

Fig.5.28. Definirea timpului de crestere

Timpul de crestere reprezinta intervalul de timp in care semnalul observat pe ecran creste de la 10% la 90% din amplitudinea unui impuls dreptunghiular aplicat la intrarea osciloscopului. Relatia intre timpul de crestere t_c si banda de frecventa B ale osciloscopului este:

(5.44)

5. Generatorul de tensiune liniar variabila (GTLV)

Fig.5.29. GTLV al osciloscopului (a) si formele de unda ale tensiunilor (b)

Este blocul care genereaza tensiunea in dinti de fierastrau necesara vizualizarii formei de variatie in timp a tensiunii u_y(t) La majoritatea osciloscoapelor, GTLV este un integrator Miller. Un astfel de integrator este alcatuit dintr-un amplificator operational, mai multe circuite RC, cu ajutorul carora se pot obtine mai multe constante de timp de integrare si o serie de diode care, in raport de nivelul tensiunii de intrare, asigura comutarea regimurilor de incarcare si descarcare a condensatorului de pe reactie.

Schema unui GTLV si formele de unda ale tensiunilor sunt prezentate in Fig.5.29.

Presupunem ca la momentul t₀=0 capacitatea C₁ este descarcata, tensiunea de iesire u_e(t₀)=0, diodele D₁D₂ sunt blocate. Se aplica la intrarea inversoare a amplificatorului tensiunea continua -U si condensatorul C₁ incepe sa se incarce. Admitand ca rezistenta potentiometrului P_BV este zero, rezulta:

(5.45)

care este o rampa pozitiva. T₁=R₁C₁ este constanta de timp a integratorului la incarcare.

Cresterea liniara a tensiunii continua pana la momentul t_p+t_d cand tensiunea u_e(t_d)=U_m, variatia 0 corespunde baleierii complete a ecranului pe orizontala. La atingerea valorii U_m prin intermediul circuitelor CR si CP, tensiunea u_I(t) sub forma de impulsuri rectangulare trece de la valoarea 0 la U₀.

In aceasta situatie grupul de diode D₁ se deschide , numarul lor fiind astfel ales incat pe fiecare dioda sa cada cel putin 0,6V, adica:

(5.46)

Deschizandu-se grupul de diode D₁, la intrarea inversoare a lui A se aplica o tensiune pozitiva U₀ printr-o rezistenta de valoare redusa (egala cu n₁R_D) ceea ce provoaca descarcarea rapida a condensatorului C₁. Constanta de timp la descarcare:

(5.47)

Ca urmare, in intervalul de timp , tensiunea variaza tot liniar insa cu o panta puternic negativa. In momentul in care , grupul de diode D₂ se deschide, numarul lor fiind astfel calculat incat:

(5.48)

Tensiunea de iesire se mentine zero pana in momentul t=t₀+t_B cand tensiunea de intrare u_i(t) trece din nou de la valoarea U₀ la zero, cand ciclul se reia .

Pentru simetrizarea deviatiei orizontale fata de punctul central al ecranului, tensiunea de iesire este transmisa in continuare prin dioda si insumata apoi cu tensiunea continua , rezultand tensiunea cu limitele simetrice fata de linia de zero volti. Valoarea corespunde pozitionarii spotului in stanga ecranului iar cea de in extrema dreapta. Constanta de timp la incarcare pentru () este invers proportionala cu viteza de variatie in timp a tensiunii pe portiunea liniar variabila.

(5.49)

Coeficientul de baleiaj corespunzator va fi:

(5.50)

Sensibilitatea S_x de deflexie pe orizontala si tensiunea U fiind constante, rezulta ca obtinerea diverselor valori ale coeficientilor de baleiaj se face modificand constantele de timp la incarcare (adica pe ) cu ajutorul comutatoarelor care sunt sectiuni (galeti) ale comutatorului TIMP/DIV din schema bloc. La unele osciloscoape , pe langa rezistentele si condensatoarele , mai este prevazut un potentiometru destinat reglarii continue a bazei de timp. Daca 0, constanta de timp la incarcare devine:

(5.51)

Ca urmare a cresterii constantei de timp la incarcare, are loc o reducere a vitezei de deplasare a spotului pe orizontala. Deoarece valorile potentiometrului nu sunt afisate, regimul in care 0 corespunde unei baze de timp necalibrate. Acest lucru este util numai pentru o analiza calitativa a semnalului, atunci cand pe pozitiile calibrate adiacente ale comutatorului TIMP/DIV imaginea apare prea comprimata sau prea dilatata.

Fig.5.30. Functionarea bazei de timp in regim calibrat si necalibrat

6. Dispozitive si circuite, pentru cresterea performantelor osciloscopului

Circuitele prezentate in paragrafele anterioare reprezinta unitati functionale de baza ce nu lipsesc din structura oricarui osciloscop. In scopul realizarii unor performante superioare si a diversificarii anumitor functiuni, unele tipuri de osciloscoape cuprind anumite dispozitive si circuite suplimentare.

Linii de intarziere

Osciloscoapele de inalta frecventa au incluse in structura lantului de amplificare pe verticala linii de intarziere constituite din elemente LC. Rolul acestor linii de intarziere este acela de a se evita aplicarea la placile de deflexie pe verticala a semnalului de vizualizat, inainte ca baza de timp (respectiv deflexia pe orizontala a spotului ) sa fi intrat in functiune. Daca s-ar produce fenomenul mentionat ar rezulta o pierdere importanta de informatie .

Fig.5.31. Intarzieri introduse de blocurile osciloscopului

Atat semnalul de vizualizat cat si cel de sincronizare care declanseaza baza de timp, la trecerea prin diversele blocuri electronice, sufera o serie de intarzieri, intarzieri ce pot fi comparabile cu perioadele semnalelor de inalta frecventa .

In absenta liniei de intarziere LI , pe canalul de deflexie verticala rezulta o intarziere de 50ns sensibil mai mica decat cea de 190ns de pe canalul de deflexie orizontala . Prin introducerea liniei de intarziere de 160ns se asigura inceperea deviatiei pe verticala , dupa ce spotul a pornit sa se deplaseze pe orizontala, evitandu-se pericolul de a nu se vizualiza o portiune importanta din semnal. Un exemplu de liniei de intarziere este prezentata in Fig.5.32.

Fig.5.32. Linie de intarziere

Alegerea numarului n al celulelor inseriate, precum si dimensionarea inductantelor si capacitatilor se face astfel incat sa rezulte intarzierea necesara conform relatiei :

t_i = (5.52)

unde L,C sunt inductanta respectiv capacitatea echivalenta a unei celule. Uzual intarzierea introdusa de o celula este de 3.6 ns.

Sonde pentru masurari in inalta frecventa

Sondele uzuale sunt alcatuite dintr-un dispozitiv de prindere de tip cleste si o clema de masa conectate la un cablu coaxial. La celalalt capat este prevazuta cu o cupla BNC standardizata adaptata pentru prinderea la borna de pe panoul frontal al osciloscopului. Aceste sonde se mai numesc sonde normale sau de tip 1:1. In cazul utilizarii acestor sonde pentru masurari la frecvente inalte, apare un efect de suntare important, datorita capacitatii de intrare a osciloscopului si datorita capacitatii parazitare a cablului axial. De aceea, pentru masurari in inalta frecventa se folosesc sonde care contin divizoare de tensiune RC compensate in frecventa. Aceste sonde care uzual introduc atenuari de 10:1 sau 100:1, asigura imbunatatirea impedantei de intrare a osciloscopului (rezistenta de intrare mai mare si capacitate de intrare mai mica). In cazul sondelor 10:1 sau 100:1 utilizatorul nu va citi, datorita prezentei atenuatorului, valoarea exacta a tensiunii masurate si de aceea el trebuie sa ia totdeauna in considerare prezenta atenuatorului pe calea de semnal. Concret, aceasta inseamna sa inmulteasca orice tensiune citita cu 10 sau cu 100. Osciloscoapele moderne pot detecta prezenta unei sonde atenuatoare in circuit, modificand automat amplitudinile de semnal prezentate pe ecran in idea unei citiri directe si corecte a semnalelor afisate. Alte osciloscoape permit configurarea manuala a sondei care se utilizeaza, ele adaptand citirile acesteia si/sau rezultatele masurarii.

Fig.5.33. Modul de legare a sondei la intrarea osciloscopului

Impunandu-se conditia ca divizorul de tensiune (sonda) sa fie compensat in frecventa (factorul de atenuare sa fie un numar real) se obtin valorile rezistentei R si capacitatii C in functie de factorul de atenuare "a" si de valorile rezistentei de intrare Ri si respectiv a capacitatii de intrare Ci, ale osciloscopului.

(5.53)

Conditia de compensare in frecventa este :

(5.54)

Factorul de atenuare devine :

(5.55)

Din relatiile (4.48) si (4.49) rezulta :

si (5.56)

Rezistenta si capacitatea echivalenta ale sistemului de masurare sunt :

(5.57)

Se observa ca impedanta de intrare echivalenta este ameliorata de "a" ori.