קטגוריות: מאמרים מוצגים » אלקטרוניקה מעשית
מספר צפיות: 90337
הערות לכתבה: 1
אוסצילוסקופ אלקטרוני - מכשיר, עיקרון הפעולה
רדיו חובבים, כתחביב, הוא פעילות מרגשת מאוד, ואפשר לומר, ממכרת. רבים נכנסים לזה בשנות הלימודים הנהדרות, ועם הזמן התחביב הזה יכול להפוך למקצוע לכל החיים. אפילו אם אינך יכול לקבל השכלה גבוהה בהנדסת רדיו, לימוד אלקטרוניקה עצמאי מאפשר לך להשיג תוצאות והצלחה גבוהות מאוד. באותה עת קרא מגזין הרדיו למהנדסים מומחים כאלה ללא תעודות.
הניסויים הראשונים באלקטרוניקה מתחילים, ככלל, עם הרכבת המעגלים הפשוטים ביותר, שמתחילים לעבוד מייד ללא התאמה והתקנה. לרוב מדובר בגנרטורים שונים, שיחות, ספקי כוח יומרות. את כל זה ניתן לאסוף על ידי קריאה של מינימום ספרות, רק תיאורים של דפוסים שניתן לחזור עליהם. בשלב זה, ככלל, ניתן לעשות זאת עם סט כלים מינימלי: מגהץ, חותכי צד, סכין וכמה מברגים.
בהדרגה, העיצובים מסתבכים יותר, ובמוקדם או במאוחר מתברר שללא התאמה וכוונון הם פשוט לא יעבדו. לכן עליכם לרכוש מכשירי מדידה דקים, ויפה שעה אחת קודם. לדור המבוגר של מהנדסי האלקטרוניקה היה בודק מצביעים עם מכשיר כזה.
נכון לעכשיו החלף הבוחן למתג, המכונה לעיתים קרובות avometer מודד דיגיטלי. ניתן למצוא זאת במאמר "כיצד להשתמש במולטימטר דיגיטלי." אם כי בוחן המצביע הישן והטוב אינו מוותר על עמדותיו, ובמקרים מסוימים עדיף השימוש בו לעומת מכשיר דיגיטלי.
שני המכשירים הללו מאפשרים למדוד מתח, זרמים והתנגדות ישירים ומתחלפים. אם קל למדידה במתחים קבועים, מספיק לדעת רק את הערך, אז עם מתחים לסירוגין ישנם כמה ניואנסים.
העובדה היא שגם מצביעים וגם מכשירים דיגיטליים מודרניים מיועדים למדוד מתח סינוסואידי לסירוגין, ובטווח תדרים מוגבל למדי: תוצאת המדידה תהיה הערך האמיתי של המתח המתחלף.
אם מכשירים כאלה מודדים מתח של צורה מלבנית, משולשת או מסור, אזי הקריאות בסולם המכשיר, כמובן, יהיו, אך אינך צריך להסכים לדיוק המדידות. ובכן, יש פשוט מתח, ואיזה מהם אינו ידוע בוודאות. ומה לעשות במקרים כאלה, איך להמשיך לתקן ולפתח מעגלים אלקטרוניים מורכבים יותר ויותר? כאן חובב הרדיו מגיע לבמה כשצריך לרכוש אוסצילוסקופ.
קצת היסטוריה
בעזרת מכשיר זה תוכלו לראות במו עיניכם מה קורה במעגלים אלקטרוניים: מה צורת האות, היכן הוא הופיע או נעלם, יחסי זמן ושלב של האותות. כדי לצפות במספר אותות, נדרש לפחות אוסילוסקופ דו קרני.
כאן ניתן לזכור סיפור רחוק, כאשר בשנת 1969 נוצר האוסילוסקופ חמש-קרני C1-33, שיוצר המוני על ידי מפעל וילנה. המכשיר השתמש ב- CRT 22LO1A, אשר שימש רק בפיתוח זה. הלקוח של המכשיר הזה היה כמובן המתחם הצבאי-התעשייתי.
מבחינה מבנית, המנגנון הזה היה עשוי משני בלוקים שהונחו על מתלה עם גלגלים: האוסילוסקופ עצמו ואספקת החשמל. המשקל הכולל של המבנה היה 160 ק"ג! ההיקף כלל מצלמת הקלטה RFK-5 המחוברת למסך, מה שהבטיח את הקלטת צורות הגל על הסרט. המראה של אוסילוסקופ C1-33 בעל חמש קרן עם המצלמה המותקנת מוצג באיור 1.
איור 1. איוסילוסקופ חמש-קרני C1-33, 1969
אלקטרוניקה מודרנית מאפשרת ליצור אוסצילוסקופים דיגיטליים כף יד בגודל טלפון נייד. אחד מהתקנים מסוג זה מוצג באיור 2. אך זה יידון בהמשך.
איור 2. אוסצילוסקופ דיגיטלי לכיס DS203
אוסצילוסקופים מסוגים שונים
עד לאחרונה הופקו כמה סוגים של אוסצילוסקופי קרני אלקטרונים. ראשית כל, מדובר באוסילוסקופים אוניברסליים, המשמשים לרוב למטרות מעשיות. בנוסף להם, יוצרו אוסצילוסקופים לאחסון המבוססים על CRTs אחסון, סטרובוסקופיים במהירות גבוהה ומיוחדים. הסוגים האחרונים נועדו לבעיות מדעיות ספציפיות, שאוסילוסקופים מודרניים מתמודדים בהצלחה כעת. לכן עוד נתמקד באוסילוסקופים אלקטרוניים אוניברסליים לשימוש כללי.
מכשיר CRT
החלק העיקרי של האוסילוסקופ האלקטרוני הוא כמובן צינור קרן הקתודה - CRT. המכשיר שלה מוצג באיור 3.
איור 3. התקן CRT
מבחינה מבנית, CRT הוא גליל זכוכית ארוך 10 בעל צורה גלילית עם שלוחה בצורת חרוט. החלק התחתון של הרחבה זו, שהוא מסך CRT, מצופה בזרחן שפולט זוהר גלוי כאשר קרן אלקטרונים פוגעת בו 11. למסכי CRT רבים יש מסך מלבני עם חלוקות המיושמות ישירות לזכוכית. המסך הזה הוא האינדיקטור לאוסילוסקופ.
קרן אלקטרונים נוצרת על ידי אקדח אלקטרונים
התנור 1 מחמם את הקתודה 2, שמתחילה לפלוט אלקטרונים. בפיזיקה תופעה זו נקראת פליטה תרמית. אבל האלקטרונים שנפלטים מהקתודה לא יעופו רחוק, הם פשוט ישבו על הקתודה. כדי להשיג קרן מאלקטרונים אלה, יש צורך במספר אלקטרודות נוספות.
זהו האלקטרודה המתמקדת 4 והאנודה 5 המחוברת לאקוודאג 8. בהשפעת השדה החשמלי של האלקטרודות הללו, האלקטרונים מתנתקים מהקתודה, מאיצים, מתמקדים בקורה דקה וממהרים אל המסך המכוסה בזרחן, וגורם לזרחן לזוהר. יחד, אלקטרודות אלה נקראות רובי אלקטרונים.
בהגעה אל פני המסך, קרן האלקטרונים לא רק גורמת לזוהר, אלא גם דופקת אלקטרונים משניים מהזרחן, הגורמים להתמקדות של הקורה. האקוואדג שהוזכר לעיל, שהוא ציפוי גרפיט של המשטח הפנימי של הצינור, משמש להסרת האלקטרונים המשניים הללו. בנוסף, אקוואדג מגן במידה מסוימת על הקורה מפני שדות אלקטרוסטטיים חיצוניים. אך הגנה כזו איננה מספיקה, לכן החלק הגלילי של ה- CRT, בו האלקטרודות נמצאות, ממוקם במסך מתכת העשוי מפלדה חשמלית או פרמלויי.
מודולטור 3 ממוקם בין הקתודה לאלקטרודה המתמקדת, מטרתו לשלוט על זרם הקורה המאפשר לכבות את הקורה במהלך הטאטה ההפוכה ולהדגיש אותה במהלך השביתה קדימה. במנורות הגברה האלקטרודה הזו מכונה רשת בקרה. המודולטור, האלקטרודה המתמקדת והאנודה הם בעלי חורים מרכזיים דרכם עובר קרן האלקטרונים.
צלחות סטיה ל- CRT שני זוגות של צלחות סטיה. אלה הן לוחות הסטיה האנכית של הקורה 6 - הפלטה Y, שאליה מסופק האות הנבדק, והלוחות של הסטייה האופקית 7 - לוחית X, והמתח האופקי מוחל עליהם. אם לוחות ההטיה אינם מחוברים לשום מקום, נקודה זוהרת אמורה להופיע במרכז מסך ה- CRT. באיור, זו הנקודה O2. באופן טבעי, יש להפעיל את מתח האספקה על המכשיר.
כאן צריך להעלות נקודה חשובה. כאשר הנקודה עומדת בשקט, מבלי לזוז לשום מקום, היא יכולה פשוט לשרוף את הזרחן, ונקודה שחורה תישאר לנצח על מסך ה- CRT. זה יכול לקרות בתהליך התיקון של האוסילוסקופ או בייצור עצמי של מכשיר חובבני פשוט.לכן במצב זה, עליכם להפחית את הבהירות למינימום ולמקד את הקורה - עדיין תוכלו לראות אם יש קרן או שהיא נעדרת.
כאשר מופעל מתח מסוים על לוחות הסטיה, הקורה תסטה ממרכז המסך. באיור 3, הקורה נוטה לנקודה O3. אם המתח משתנה, הקורה תצייר קו ישר על המסך. תופעה זו משמשת ליצירת דימוי האות הנלמד על המסך. כדי להשיג תמונה דו ממדית על המסך, יש להחיל שני אותות: אות הבדיקה - המופעל על לוחות Y, ומתח הסריקה - המופעל על לוחות ה- X. אנו יכולים לומר כי מתקבל על המסך גרף עם צירי הקואורדינטות X ו- Y.
סריקה אופקית
הסריקה האופקית היא זו שיוצרת את ציר ה- X של הגרף על המסך.
איור 4. מתח לטאטא
כפי שניתן לראות בתרשים, הסריקה האופקית מתבצעת על ידי מתח של מסור שיניים, אותו ניתן לחלק לשני חלקים: קדימה ואחורית (איור 4 א). במהלך המשיכה קדימה, הקורה נעה אחידה על פני המסך משמאל לימין, וכשהגיעה לקצה הימני חוזרת במהירות. זה נקרא אירוע מוחי הפוך. במהלך המשיכה קדימה נוצר דופק של תאורה אחורית, המוזן למתכנן הצינור, ונקודה זוהרת מופיעה על המסך ומציירת קו אופקי (איור 4b).
המתח קדימה, כפי שמוצג באיור 4, מתחיל מאפס (קרן במרכז המסך) ומשתנה למתח של Umax. לכן הקורה תעבור ממרכז המסך לקצה הימני, כלומר רק חצי מהמסך. כדי להתחיל את הסריקה מהקצה השמאלי של המסך, הקורה מועברת שמאלה על ידי הפעלת מתח הטיה. קיזוז הקורה נשלט על ידי ידית בלוח הקדמי.
במהלך שבץ החזרה, דופק התאורה האחורית מסתיים והקרן נכבה. ניתן לראות את המיקום היחסי של דופק התאורה האחורית ומתח הטאטא של מסור השיניים בתרשים התפקודי של האוסילוסקופ המוצג באיור 5. למרות מגוון הדיאגרמות של מעגלי האוסילוסקופ, מעגלי התפקוד שלהם זהים בערך, בדומה לאלו שמוצגים באיור.
איור 5. תרשים פונקציונלי של האוסילוסקופ
רגישות CRT
זה נקבע על ידי מקדם הסטייה, ומראה כמה מילימטרים הקורה מתהפכת כאשר מתח קבוע של 1 וולט מוחל על הלוחות. עבור CRTs שונים, ערך זה הוא בטווח 0.15 ... 2 מ"מ / וולט. מתברר כי על ידי הפעלת מתח של 1 וולט על לוחות הסטייה, הקורה יכולה להזיז את הקורה ב -2 מ"מ בלבד, וזה במקרה הטוב. כדי להסיט את הקורה בסנטימטר (10 מ"מ), יש צורך במתח של 10/2 = 5V. עם רגישות של 0.15 מ"מ / וולט לאותה תנועה, יהיה צורך 10 / 0.15 = 66.666 וולט.
לכן, בכדי להשיג סטייה בולטת של הקורה ממרכז המסך, האות הנחקר מוגבר על ידי מגבר ערוצים אנכיים לכמה עשרות וולט. לערוץ ההגברה האופקי, איתו מתבצעת סריקה, יש אותו מתח יציאה.
לרוב האוסילוסקופים האוניברסאליים יש רגישות מרבית של 5mV / cm. בעת שימוש ב- CRT מסוג 8LO6I עם מתח כניסה של 5 מגה-וולט, צלחות הסטייה ידרשו מתח של 8.5 וולט כדי להזיז את הקורה 1 ס"מ. קל לחשב שזה ידרוש הגברה יותר מ- 1,500 פעמים.
יש להשיג רווח כזה ברצועת הכלים כולה, וככל שהתדר גבוה יותר, כך הרווח נמוך יותר הטמון בכל מגבר כלשהו. פס הפס מתאפיין בתדר עליון למעלה. בתדר זה הרווח של ערוץ הסטיה האנכית פוחת פי 1.4 או פי 3 dB. לרוב האוסילוסקופים האוניברסאליים, פס זה הוא 5 מגה הרץ.
ומה יקרה אם התדר של אות הקלט עולה על התדר העליון, למשל 8 ... 10 מגהרץ? האם היא תוכל לראות את זה על המסך? כן, זה יהיה גלוי, אך לא ניתן למדוד את משרעת האות. אתה יכול רק לוודא שיש איתות או לא. לפעמים מספיק מידע כזה.
סטייה אנכית של הערוץ. מחלק קלט
האות הנלמד מועבר לכניסה של ערוץ הסטייה האנכית דרך מחיצת הקלט, המוצג באיור 6. לעיתים קרובות מחיצת הקלט נקראת מנחת.
איור 6. מחלק הקלט של סטייה אנכית של הערוץ
בעזרת מחלק הקלט ניתן ללמוד את אות הקלט מכמה מיליוולט לכמה עשרות וולט. במקרה בו אות הקלט חורג מהיכולות של מחלק הקלט, נעשה שימוש בבדיקות קלט ביחס חלוקה של 1:10 או 1:20. ואז הגבול של 5V / div הופך ל- 50V / div או 100V / div, מה שמאפשר ללמוד אותות עם מתחים משמעותיים.
כניסה פתוחה וסגורה
כאן (איור 6), תוכלו לראות את המתג B1, המאפשר להחיל אות דרך קבל (קלט סגור) או ישירות לכניסה של המחלק (קלט פתוח). כאשר משתמשים במצב "קלט סגור" ניתן ללמוד את הרכיב המשתנה של האות תוך התעלמות מהרכיב הקבוע שלו. התרשים הפשוט שמוצג באיור 7 יעזור להסביר את הנאמר, התרשים נוצר בתוכנית Multisim כך שכל מה שמופיע באיורים אלה, אם כי למעשה, הוא די הוגן.
איור 7. שלב מגבר על טרנזיסטור יחיד
אות קלט עם אמפליטודה של 10 mV דרך קבל C1 מוזר לבסיס הטרנזיסטור Q1. על ידי בחירת הנגד R2, המתח על אספן הטרנזיסטור מוגדר שווה למחצית מתח האספקה (במקרה זה 6V), המאפשר לטרנזיסטור לעבוד במצב ליניארי (מגבר). הפלט מנוטר על ידי ה- XSC1. איור 8 מציג את תוצאת המדידה במצב קלט פתוח, באוסילוסקופ נלחץ על כפתור DC (זרם ישר).
איור 8. מדידות במצב קלט פתוח (ערוץ A)
כאן תוכלו לראות (ערוץ A) רק את המתח בקולט הטרנזיסטור, אותו 6 וולט שהוזכר זה עתה. הקורה בערוץ A "המריאה" ב 6V, אך הסינוסואיד המוגבר על הקולט לא התרחש. זה פשוט לא ניתן להבחין ברגישות של ערוץ 5V / Div. ערוץ קרן באיור מוצג באדום.
האות מהגנרטור מוחל על כניסה B, הדמות מוצגת בכחול. זהו גל סינוס עם אמפליטודה של 10 mV.
איור 9. מדידות במצב קלט סגור
כעת, לחץ על כפתור AC בערוץ A - זרם חילופין, זהו למעשה קלט סגור. כאן תוכלו לראות את האות המוגבר - סינוסואיד עם אמפליטודה של 87 מיליוולט. מסתבר כי המפל על טרנזיסטור אחד הגביר את האות במשרעת של 10 מגה וולט פי 8.7. המספרים בחלון המלבני שמתחת למסך מראים את המתחים והשעות במיקומי הסמנים T1, T2. סמנים דומים זמינים באוסילוסקופים דיגיטליים מודרניים. זה בעצם כל מה שאפשר לומר על כניסות פתוחות וסגורות. ועכשיו בואו נמשיך את הסיפור על מגבר ההטיה האנכי.
מגבר קדם
לאחר מחיצת הקלט, האות הנחקר עובר למגבר הקדם, ועובר דרך קו העיכוב, נכנס למגבר המסוף של ערוץ Y (איור 5). לאחר ההגברה הדרושה, האות נכנס ללוחות הסטיה האנכיים.
המגבר המקדים מפצל את אות הכניסה לרכיבי פרפרזה כדי לספק אותו למגבר הטרמינל Y. בנוסף, אות הקלט ממגבר קדם-הזנה מוזין להטאטא הטאטא, המספק תמונה סינכרונית על המסך במהלך הגרוף קדימה.
קו העיכוב מעכב את אות הקלט ביחס לתחילת מתח הטאטא, המאפשר לצפות בקצה המוביל של הדופק, כפי שמוצג באיור 5 ב). בחלק מהאוסצילוסקופים אין קו עיכוב, אשר במהותו אינו מפריע לחקר האותות התקופתיים.
לטאטא ערוץ
אות הכניסה ממגבר המקדים מוזן גם לכניסה של ההדק.הדחף שנוצר מפעיל את מחולל הטאטאות המייצר מתח שיני מסור עולה בצורה חלקה. קצב השינה ותקופת המתח לטאטא נבחר על ידי מתג Time / Div המאפשר ללמוד אותות קלט בטווח תדרים רחב.
סריקה כזו נקראת פנימית, כלומר ההפעלה מגיעה מהאות שנחקר. בדרך כלל, לאוסילוסקופים מתג סריקה "פנימי / חיצוני", מסיבה כלשהי שלא מוצג בתרשים הפונקציונלי באיור 5. במצב ההדק החיצוני, ניתן להפעיל את הסריקה לא על ידי האות הנבדק, אלא על ידי איתות אחר שעליו תלוי האות הנבדק.
זה יכול להיות, למשל, דופק מפעיל קו עיכוב. ואז, אפילו בעזרת אוסצילוסקופ מקרן יחיד, אתה יכול למדוד את יחס הזמן של שני אותות. אבל עדיף לעשות זאת בעזרת אוסצילוסקופ דו-קרני, אם הוא כמובן בהישג יד.
יש לבחור את משך ההגרלה על סמך התדר (התקופה) של האות שנחקר. נניח שתדירות האות היא 1KHz, כלומר תקופת אות 1ms. תמונה של סינוס עם משך סריקה של 1ms / div מוצגת באיור 10.
איור 10
עם זמן סריקה של 1ms / div, תקופת גל סינוס אחת של 1KHz תופסת חלוקה בקנה מידה אחד בדיוק לאורך ציר Y. הסריקה מסונכרנת מקורה A לאורך קצה עולה מבחינת רמת אות קלט של 0V. לכן גל הסינוס על המסך מתחיל במחצית מחזור חיובית.
אם משך הסריקה ישתנה ל 500 מיקרוגרם / דיוו (0.5 ms / div), אז פרק זמן אחד של הסינוסואיד יתפוס שתי חלוקות על המסך, כפי שמוצג באיור 11, שכמובן, נוח יותר לצפייה באות.
איור 11
בנוסף למתח השיניים המסור עצמו, גנרטור הטאטאות מייצר גם דופק תאורה אחורית, המוזן למודולטור ו"להצית "את קרן האלקטרונים (איור 5 גר '). משך דופק התאורה האחורית שווה למשך הקורה הקדמית. במהלך שבץ החזרה, אין דופק של תאורה אחורית והקרן נכבה. אם אין ריקון קרני, יופיע על המסך משהו לא מובן: שבץ ההפוך, ואפילו מודול על ידי אות הקלט, פשוט מוחק את כל התוכן השימושי של צורת הגל.
מתח טאטא של מנוף מסור מועבר למגבר המסוף של ערוץ X, מפוצל לאות פרפזה ומוזן ללוחות הסטיה האופקיים, כמוצג באיור 5 (ה).
מגבר X קלט חיצוני
לא רק מתח מגנרטור הטאטאות, אלא גם מתח חיצוני ניתן לספק למגבר המסוף X, המאפשר למדוד את התדר ואת שלב האות באמצעות דמויות Lissajous.
איור 12. דמויות של ליסג'וס
אבל מתג הקלט X לא מוצג בתרשים הפונקציונלי באיור 5, כמו גם המתג מסוג פעולות הניקוי, שהוזכר קצת למעלה.
בנוסף לערוצים X ו- Y, האוסילוסקופ, כמו כל מכשיר אלקטרוני, כולל ספק כוח. אוסצילוסקופים קטנים בגודל, למשל C1-73, C1-101 יכולים לעבוד מסוללת מכונית. אגב, בזמנם, האוסילוסקופים הללו היו טובים מאוד, והם עדיין משמשים בהצלחה.
איור 13. אוסצילוסקופ C1-73
איור 14. אוסצילוסקופ C1-101
המראה של האוסילוסקופים מוצג באיורים 13 ו -14. המפתיע ביותר הוא שהם עדיין מוצעים לקנות אותם בחנויות מקוונות. אבל המחיר הוא כזה שזול יותר לקנות אוסצילוסקופים דיגיטליים בגודל קטן ב- Aliexpress.
התקני אוסצילוסקופ נוספים הינם כיול משרדי מובנה וסוחף. אלה, ככלל, מחוללי דופק מלבניים יציבים למדי, המחברים אותם לכניסה של האוסילוסקופ, בעזרת אלמנטים של כוונון תוכלו לקבוע את התצורה של המגברים X ו- Y. אגב, לאוסילוסקופים מודרניים מודרניים יש גם כיולים כאלה.
כיצד להשתמש באוסילוסקופ, שיטות ושיטות המדידה יידונו במאמר הבא.
המשך המאמר: כיצד להשתמש באוסילוסקופ
בוריס אלאדישקין
ראה גם באתר elektrohomepro.com
: