Scrigroup - Documente si articole

Username / Parola inexistente      

Home Documente Upload Resurse Alte limbi doc  

 
CATEGORII DOCUMENTE


AstronomieBiofizicaBiologieBotanicaCartiChimieCopii
Educatie civicaFabule ghicitoriFizicaGramaticaJocLiteratura romanaLogica
MatematicaPoeziiPsihologie psihiatrieSociologie


Osciloscopul catodic - Componente si mod de functionare

Fizica


loading...



DOCUMENTE SIMILARE

Trimite pe Messenger
Frecarea - Fortele de frecare
Miscare rectilinie uniform variata
PROIECT DE LECTIE Mecanisme simple.Parghia
MISCAREA PLAN–PARALELA
Vidiconul
STARILE MATERIEI: solida, lichida si gazoasa
TITANUL SI ALIAJE DE TITAN (Tratarea termica)
DETERMINAREA INDICELUI DE VISCOZITATE A UNUI ULEI LUBRIFIANT
Pile primare (ireversibile)
Notiuni de termodinamica si fizica statistica

TERMENI importanti pentru acest document

: osciloscop E0102 : schema osciloscop e0102 : : osciloscop analogic scheme :

Osciloscopul catodic

Generalitati :

 Osciloscopul catodic este un aparat electronic de masurat care permite vizualizarea formei semnalelor si masurarea a diverse marimi electrice. Prin prezentarea formei de variatie in timp a semnalului, asa-zisa forma de unda, se ofera o cantitate de informatie de masurare mai mare decat in cazul altor aparate (date cu privire la valorile maxime, valoarea de varf-varf, frecventa, faza initiala, gradul de modulatie, distorsiuni etc.).

Osciloscopul prezinta o serie de calitati, ca de exemplu:

-    lipsa inertiei in procesul masurarii (timpul de raspuns de ordinul nano-secundelor), ceea ce permite studierea semnalelor electrice cu frecvente pana la150 MHz (la osciloscoapele in timp real) si pana la 20 GHz (la osciloscoapele cuesantionare);

-    impedanta de intrare mare, ceea ce inseamna un consum foarte mic deenergie de la sursa de semnal si neinfluentarea acestei surse;

       -   sensibilitate ridicata si precizie buna;

-    vizualizarea semnalelor nerepetitive ale proceselor tranzitorii (prinosciloscoape cu tuburi catodice cu memorie);

-    posibilitatea cuplarii cu aparatura numerica de memorare si prelucrare a datelor;

-    posibilitatea reprezentarii functiilor de tip y = f(x), deci nu in raport cu timpul ci in functie de o marime externa x (ceea ce permite vizualizarea unor functii ca cele de transfer ale etajelor electronice, curbe de magnetizare etc.).

Datorita acestor calitati, osciloscopul este aparatul de masurat analogic eel mai complet, cu o larga utilizare in ingineria masurarilor electrice, electronice si magnetice.

In prezent exista o mare varietate de osciloscoape, atat pentru uzul general cat si specializate pentru anumite masurari (de exemplu: vobuloscopul etc.). In cadrul acestui capitol vor fi prezentate osciloscopul catodic standard, dar (pe scurt) si alte tipuri de osciloscoape.

Scurt  istoric

     In 1897 a fost inventat primul tub cu raze catodice.La inceput a fost utilizat in oscilografe.

   Multi cercetatori au incercat sa imbunatateasca tubul cu raze catodice pentru afisarea imaginilor  fotografice.Manfred von Ardenne a produs un tub de joasa tensiune care a fost introdus de inginerii de la General Radio Co in primul osciloscop rudimentar cu tub cu raze catodice (1931).Aparatul era compus din doua parti :

·       Un tub cu raze catodice , cu diametrul de 6 inch (15,2 cm), protejat printr-un cilindru exterior la bombardamentele ionice

·              O cutie in care erau montate circuitele pentru controlul focalizarii.

     S-au obtinut astfel semnale vizibile in prezenta luminii ambiante.Durata de viata a tubului era de 1000 de ore, iar pretul de vanzare de 265 dolari.

      Osciloscopul modern a fost dezvoltat de Allen Du Mont, care a deschis un laborator pentru proiectarea tuburilor cu raze catodice (1931).Cu un astfel de tub, in anul 1932 Du Mont a realizat un osciloscop cuprinzand atat circuitele pentru controlul focalizarii cat si sursa de alimentare si circuitele de baleiaj pe care a inceput sa le comercializeze la pretul de 185 dolari.Imbunatatirea tubului cu raze catodice, in principal prin scaderea potentialului anodului, alegerea unor noi materiale pentru ecran si controlul intensitatii fasciculului de electroni, au permis obtinerea in laboratoarele Du Mont a unui osciloscop cu o frecventa de baleiaj de 10-5000 Hz (1933), model imbunatatit ulterior, ajungandu-se practic la forma osciloscopului modern(1934) cu linii de masura gravate pe sticla ecranului si butoane pentru reglajul continuu al baleiajului si focalizarii.Un osciloscop similar destinat insa tehnicienilor, pentru lucrarile de service a fost lansat in anul 1935 de firma RCA.

 

        Tabelul 1 . Etapele principale ale dezvoltarii osciloscopului

    Anul

                                 Etapa               

   1897

 Inventarea tubului cu raze catodice (CRT)

   1931

Aparitia primului osciloscop

   1974

Executia primului osciloscop cu microprocesor

                                   

      

Instrumentul cel mai apropiat inginerilor, osciloscopul , a cunoscut imbunatatiri majore in perioada anilor ’50 si ’60 datorita utilizarii unei configuratii elicoidale a placilor de post-accelerare la tuburile cu raze catodice, fapt care a permis obtinerea unei straluciri marite a afisarii si cresterea vitezei de scriere; ca urmare frecventa limita a evoluat de la 10 MHz la 100 MHz.

Clasificare

  Exista mai multe criterii de clasificare :

 a.  Dupa modul de tratare a semnalelor analizate deosebim:

            – osciloscoape analogice, in care prelucrarea are loc numai in circuite analogice;
            – osciloscoape numerice (digitale), in care semnalul este convertit sub forma numerica,            prelucrat astfel si reconvertit in analogic pentru afisare;
            – combinate.

 b. Dupa modul de analiza a semnalelor in domeniul timp, deosebim urmatoarele tipuri de osciloscoape:

                     – osciloscoapele de timp real: sunt osciloscoapele la care intre fiecare punct al imaginii de pe ecran si fiecare valoare momentana a semnalului exista o corespondenta biunivoca. Banda lor de frecventa poate atinge 500 MHz;
        – osciloscoapele cu esantionare (DSO- Digital Sampling Oscilloscope), cu care, aplicand o tehnica speciala de esantionare, se pot analiza semnale cu frecvente de pana la 50 GHz.
Datorita acestei tehnici ele se mai numesc si osciloscoape de 'timp translatat'.

    O alta categorie de osciloscoape sunt cele cu memorie: in tehnica analogica acestea sunt echipate cu

tuburi catodice al caror strat de luminofor prezinta proprietatea de remanenta a imaginii; ele sunt deosebit

de utile in analiza fenomenelor tranzitorii (foarte rapide si care nu se repeta).

Componente si mod de functionare

       Un osciloscop catodic este format dintr-un electronic(tub catodic),generator de baleiaj,

     amplificatoare.

    Tubul catodic este format dintr-un tub de sticla vidat, in care sunt fixate:catod, grila de control,anod de

focalizare,anod de accelerare,placi de deflexie si ecran.

    Catodul este incalzit la o temperatura ridicata cu ajutorul unui filament de incalzire, iar electronii se

evapora din suprafata lui.(Inainte ca natura acestui proces de emisie electronica sa fi fost complet inteleasa

acestor electroni li se dadea numele de ,,raze catodice˝).Anodul de accelerare, care are un mic orificiu in

centrul lui este mentinut la un potential pozitiv mai ridicat decat cel al catodului, astfel incat intre catod si

anod sa existe uncamp electric dirijat de la dreapta la stanga.Acest camp este limitat de spatiul cuprins

intre catod si anod, iar electronii care trec prin orificiul practicat in anod, se deplaseaza de la anod catre

ecranul fluorescent.Functia grilei de control este de a regla numarul de elctroni care ajung la anod(si deci

luminozitatea spotului de pe ecran).Anodul de focalizare face ca electronii care au parasit catodul in

directii putin diferite, sa ajunga cu totii in acelasi punct de pe ecran.Ansamblul complet, format din

catod,grila de control, anod de focalizare si electrod de accelerare este numit tun electronic.

     Electronii accelerasi trec prin doua perechi de placi de deflexie(pe orizontala si pe verticala).Campul

electric realizat intre primele doua placi ii deviaza spre dreapta sau spre stanga si campul dintre

celelalte doua placi ii deviaza in sus sau in jos.In absenta unor astfel de campuri,electronii se propaga in

linie dreapta de la orificiul anodului de accelerare pana la ecranul fluorescent si produc un spot luminos pe

ecran, in punctul unde il ciocnesc.Ecranul se numeste fluorescent deoarece contine o subsatnta numita

luminofor, care transforma energia cinetica a electronilor care strabat  tubul catodic, in energie luminoasa.

                Baza de timp  include acele circuite care genereaza tensiunea baza de timp si asigura sincronizarea acesteia cu semnalul vizualizat. Se deosebesc:cursa directa, de durata td, corespunzand portiunii liniar crescatoare, in care spotul parcurge ecranul de la stanga la dreapta; cursa inversa de durata ti (portiunea descrescatoare), in care ecranul este parcurs de la dreapta la stanga si care este mult mai scurta in timp.
   
Vizualizarea semnalului y(t) are loc pe durata cursei directe. In acest interval intereseaza in primul rand liniaritatea semnalului baza de timp,pentru a asigura o redare fara distorsiuni a tensiunii aplicate la intrareaY.
    Pe durata cursei inverse liniaritatea nu intereseaza; importanta este durata cat mai mica a acestei curse, scop in care se accepta un raport minim:

                       ti / td < 0,1

1.1 Tubul catodic

Inima unui osciloscop o reprezinta tubul catodic, a carui constructie este reprezentata de figura 5-10.

                        

Dintr-un catod, in general incalzit indirect, sunt emisi electroni si accelerati in directia anodului pozitiv, care este pus sub o tensiune de cativa kilovalti fata de catod. Intensitatea fascicolului de electroni poate fi reglata prin electrodul de comanda, incarcat negativ. Prin aceasta este de exemplu posibil ca fasciculul de electroni sa fie comandat intunecat la anumiti timpi. Electrodul lentila serveste pentru focalizarea fasciculului de electroni pe ecranul fluorescent. Prin aceasta se obtine un punct luminos precis, respectiv o pata de lumina precisa. Deflectia fasciculului de electroni are loc electrostatic datorita placilor de defelctie pe directiile x si y, placi care sunt conectate la tensiunile de deflectie Ux si Uy.

 

1.2 Reprezentarea variatiei in timp a semnalelor de masuri periodice

Pentru reprezentarea pe un osciloscop a variatiei y(t) in functie de timp a unui semnal de masura periodic este in primul rand necesar un generator de baleaj pe orizontala, care - pornind de la tensiune initiala negativa - produce o tensiune in dinti de fierastrau liniar cresacatoare in timp pentru placile de deflectie pe axa x. Semnalul de masurat ca atare este aplicat pe placile de deflectie din directia y. Imaginea pe ecran care ia nastere se poate construi in conformitate fig. 5-12 din variatia in raport cu timpul  tensiunii semnalului de masurat y(t) - in exemplu sinusoidala - si din tensiunea in dinti de fierastrau x(t). Prin declansarea comandata de catre semnalulde masurat y(t) a generatorului de baleiaj al bazei in timp rezulta o imagine stabila pe ecran. In cazul cel mai simplu se obtine din deviatia verticala y si din coeficientul de baleiaj ky (in V/cm) amplitudinea Uy=kyy si din distanta pe orizontala  Δx si coeficientul de tip kt (in s/cm) durata perioadei T a semnalului de masurat conform relatiei:

         T = Δt = kt Δx

       

                 

 Generatorul de baleiaj pe orizontala consta in principiu dintr-un amplificator de integrare, al carui condensator este la inceputul procesului de baleiere incarcat negativ si a carei tensiune de iesire creste liniar la un curent de intare constant negativ. Declansarea prin impuls (triggerarea) a generatorului de baleiaj pe orizontala se realizeaza de obicei prin semnalul de masurare cand acesta atinge un anumit nivel de prag reglabil.

       

  1.3 Schema bloc a unui osciloscop

     

   Schema bloc a unui osciloscop tipic este reprezentata de fig. 5-13.

       

             

Semnalele de masurat y1(t) si y2(t) ajung la placile de deflectie in directia y ale tubului catodic dupa ce trec prin cate un preamplificator, un comutator electronic si un amplificator final.

     Preamplificatoarele cu banda larga cu un interval de frecvente de la 0 pana la aproximativ 20(50)MHz(frecventa limita) au punctul de zero si amplificarea reglabile. Se folosesc coeficienti de baleiaj cu limita inferioara pana la aproximativ 5mV/cm.

     In explorarea y,t triggerarea poate fi realizata sau extern sau prin unul din cele doua semnale. Daca lipseste semnalul de triggerare, linia de zero poate fi trasata prin mersul in gol al generatorului de baleiaj pe orizontala. La blocul de triggerare se poate regla nivelul semnalului si flancul semnalului. In special la masurarea duratelor de crestere mai scurte este avantajos sa se foloseasca un timp de intarziere reglabil. Pana la putin inainte de frontul crescator al unui semnal de masurat baleiajul poate fi intarziat si apoi cu o viteza de baleiere mai mare frontul crescator al acesteia poate fi reprezentat extins pe intreg ecranul.

      Fasciculul electronic poate sa fie, daca este necesar, sincronizat pentru stingere printr-o tensiune negativa cu ajutorul unui electrod de comanda. Aceasta sincronizare de stingere se realizeaza intodeauna atunci cand fasciculul electronic ajunge la marginea din dreapta a ecranului si este readus la marginea din stanga. O sincronizare de stingere poate avea loc si printr-o intrare separata, asa-numita intrare z. Cu ajutorul acestei modulatii z poate fi realizat un amestec de anumite amplitudini sau repere de timp.

     Comutarea intre cele doua semnale de masurare pe intrarea y se realizeaza alternand sau cu o frecventa rectangulara(choppare) de aproximativ 1MHz. In functionarea choppata generatorul de baleiaj pe orizontala comanda comutatorul cu care alternativ fiecare dintre cele doua semnale de masurare este pus in legatura directa pe percursul unui ciclu. In final baleiajul pe directia x poate fi comandat si printr-o intrare separata cu preamplificator propiu, in loc de a fi comandat de generatorul de baleiaj. In cazul acesta se vorbeste de functionarea x,y.

                                        

5.1. PREZENTARE GENERALA

Schema de principiu a unui osciloscop standard este prezentata in figura 5.1, cu urmatoarea semnificatie a blocurilor componente: tubul catodic (TQ reprezinta dispozitivul de masurare si afisare al osciloscopului (in interiorul acestuia se produce fasciculul de electroni care este focalizat si deviat, corespunzator variatiei semnalelor de studiat, pe un ecran luminescent care devine luminos in


214


Masurari electronice


punctul in care este lovit de spotul de electroni); atenuatorul de intrare (A) consta dintr-un divizor de tensiune de tipul RC, reglabil in trepte cu comutatorul K2, prin care se prescrie gama de amplitudine pentru tensiunea de masurat (ca sa se realizeze coeficientul de deviatie dorit); preamplificatorul (PA) amplifica semnalul la nivelul cerut de amplificatorul Ay; unele osciloscoape au pe intrarea canalului X un atenuator si un preamplificator identice cu cele ale canalului Y; linia de intarziere (L7) are rolul de a intarzia cu (100-200) ns semnalul aplicat placilor de deflexie pe verticala pentru a fi usor in urma semnalului declansat si aplicat placilor de deflexie pe orizontala (pentru a reda cat mai exact forma de unda a lui Y); amplificatorul final (Ay) amplifica tensiunea de iesire din PA pana la nivelul cerut de sistemul de deflexie pe verticala; baza de timp (BT) are rolul de a genera o tensiune liniar variabila in timp (in 'dinti de ferastrau') necesara comenzii spotului pe orizontala; tensiunea de baleiaj este sincronizata pe semnalul de masurat cand comutatorul K3 este in a, sau pe un semnal din exterior cand K3 este in b; amplificatorul final (Ax) amplifica semnalul bazei de timp pana la nivelul cerut de deflexia pe orizontala. Semnalul pentru deflexia pe orizontala poate proveni de la BT (cand K5 este in a, osciloscopul functionand in sistemul de coordonate y-t (adica se vizualizeaza variatia in timp a semnalului) sau de la intrarea X cand K3 este in b osciloscopul functionand in sistemul y-x.

Fig. 5.1

Blocul de alimentare, BA, are rolul de a furniza tensiuni continue stabile: pentru alimentarea blocurilor PA si BT (10-20 V), pentru alimentarea amplificatoarelor finale (100-200 V) si pentru alimentarea tubului catodic (de ordinul kilovoltilor).

Notatiile: Pi, P2, P3, P si P5 reprezinta butoanele unor potentiometre de reglare necesare unei vizualizari cat mai bune.


Osciloscopul catodic


215


5.2. 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).

Sistemul de deflexie determina deviatia fasciculului fie prin actiunea unui camp electric, numita deflexie electrostatica, fie prin actiunea unui camp magnetic, numita deflexie electromagnetica. In mod obisnuit osciloscoapele au tuburi catodice cu deflexie electrostatica. In tabelul 5.1, ce va urma, se prezinta o comparatie intre aceste doua feluri de deflexie.

Tubul catodic se realizeaza in mai multe variante:

-    dupa numarul de fascicule electronice: monofascicular si multifascicular
(eel mai raspandit fiind osciloscopul cu doua spoturi numit si duoscop);

-    dupa numarul de canale ale intrarii Y: un canal si un singur fascicul
(monocanal), multicanal (2, 4, 6 canale) si un singur fascicul avand la baza
principiul multiplexarii in timp;

-    dupa modul de accelerare: cu un anod de accelerare (monoaccelerator) si
cu doi anozi de accelerare (postaccelerare);

-               dupa forma placilor de deflexie: paralele, curbate, segmentate, distribuite etc.
In figura 5.2 se prezinta schema constructiva a unui tub catodic mono­
fascicular cu postaccelerare, care va fi considerat de tip standard.


Fig. 5.2

Elementele componente ale tubului catodic sunt inchise intr-un tub de sticla cu bune calitati mecanice si electroizolante, vidat. Vidul din tub (l(T6lCr8 mmHg) este necesar, in primul rand pentru evitarea fenomenului de ionizare (care ar duce la 'arderea' tubului), iar in al doilea rand pentru micsorarea distantelor dintre electrozii sub tensiune (rigiditatea de 50-70 kV/mm este de circa 100 ori mai buna


216                                                                                                                        Masurari electronice

decat a aerului ambiant). Pentru conservarea calitatii acestui vid - care se poate deteriora datorita caldurii degajate de filament si catod - pe portiunea adiacenta electrozilor G si Ax, in interiorul tubului, se depune o pelicula de bariu care are rolul de a absorbi si fixa moleculele gazoase rezultate din incalzirea mentionata. Aceasta pelicula poate fi usor recunoscuta dupa culoarea ei neagra si luciul metalic.

Tubul catodic este ecranat electric si magnetic impotriva campurilor electric si magnetic din exterior 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

Notatiile din figura 5.2 au semnificatiile: F - filamentul, C - catodul, G -grila de comanda (Wehnnelt), Ax - anodul ecran, A2 - anodul de focalizare, A3 -anodul de accelerare, X si Y - placile de deflexie pe orizontala si respectiv pe verticala, GE - grila ecran, PA - anodul de postaccelerare, E - ecranul luminescent, F - fasciculul de electroni si S - spotul luminos.

5.2.1. Structure si functionarea tunului electronic

Electrozii C, G, A1; A2, si A3 formeaza asa-zisul tun electronic. Acesta serveste la generarea, reglarea, focalizarea si accelerarea fasciculului de electroni pana la viteza necesara producerii spotului luminos pe ecranul luminescent. Sursa de electroni o constituie o pastila emisiva (din oxizi de thoriu) fixata pe suprafata frontala a catodului. Acesta este incalzit indirect cu filamentul (F) din wolfram, a carui forma (rasucita) trebuie sa anuleze campul magnetic propriu care poate perturba fasciculul <I>. Electronii emisi de catod tree prin orificiul axial al grilei de comanda G fiind atrasi de catre anozii tubului. Intensitatea fasciculului de electroni /$ (deci si luminozitatea spotului) este reglata prin potentialul grilei, care este negativ fata de catod. Operatia se realizeza cu potentiometrul Pi 'luminozitate' (v. fig. 5.1) care polarizeaza grila fata de catod la o tensiune negativa de ordinul zecilor de volti (-10-150 V).

Accelerarea fasciculului de electroni de la emisie pana la impactul cu ecranul se realizeza cu ajutorul anozilor A1; A3 si PA, polarizati cu tensiuni de ordinul kilovoltilor. Fasciculul <I> se accelereaza in doua etape: mai intai se accelereaza partial cu ajutorul anodului A3 (0,7 1 kV), apoi dupa deflexie se accelereaza cu ajutorul anodului de postaccelerare PA (5 10 kV). Aceasta solutie, utilizata la tubul catodic de inlta frecventa (peste 10 MHz), asigura o crestere a sensibilitatii tubului prin reducerea tensiunii anodului A3 si totodata baleierea spotului pe intregul ecran cu tensiuni de iesire ale amplificatoarelor finale de 100 150 V. De exemplu, in cazul tubului B10S1 cu UA3 = 2 kV si sensibilitatea Sy = 0,17 mm/V, chiar la o tensiune de iesire a amplificatorului Uy = 200 V spotul va fi baleiat numai 3,4 cm, adica numai o treime din cursa. Pentru a putea baleia intregul ecran de 10 cm, trebuie redusa tensiunea de accelerare UA3 = 0,7 kV dar devine insuficienta pentru accelerarea fasciculului, ceea ce ar duce la micsorarea luminozitatii. Iesirea din acest impas este posibila prin introducerea anodului de


Osciloscopul catodic


217


postaccelerare. Anodul de postaccelerare se realizeaza prin depunerea unei pelicule conductoare din grafit coloidal pe suprafata interioara a partii tronconice a tubului in forma unui electrod cilindric sau elicoidal. Electrodul cilindric introduce distorsiuni datorita campului electric care se formeaza ihtre acest electrod si placile de deflexie. Electrodul elicoidal este conectat la un capat la un potential apropiat de eel al placilor de deflexie, iar la celalalt capat la potentialul de postaccelerare; se formeaza astfel un camp electric uniform crescator avand suprafetele echipotentiale sfere concentrice. La tensiuni de postaccelerare UPA = 5 10 kV (chiar 15 20 kV in cazul tuburilor prismatice cu ecran dreptunghiular pentru inalta frecventa) se asigura o luminozitate corespunzatoare a trasei (dara lasata pe ecran de spotul luminos) la viteze mari ale spotului luminos. Anodul PA indeplineste si rolul de colector de electroni de emisie secundara rezultati din ciocnirea fasciculului de electroni cu ecranul, impiedicand incarcarea acestuia cu sarcina negativa si totodata franarea fasciculului si scaderea luminozitatii.

Anodul PA cu tensiune mare cauzeaza o anumita defocalizare a fasciculului de electroni (efectul de colinare). Pentru a elimina acest neajuns se prevede o grila pe ecran GE din plasa fina de sarma care se monteaza in spatiul dintre placile X si anodul PA si se leaga la o tensiune pozitiva de 1 2 kV. Grila GE are forma de calota sferica pentru cresterea unghiului de deflexie, cea ce permite reducerea dimensiunii axiale a tubului.

Focalizarea fasciculului de electroni este necesara pentru a obtine un spot punctiform de dimensiuni cat mai mici si de forma circulara, atat in centrul, cat si la marginea ecranului. Focalizarea se realizeaza cu niste lentile electrostatice, formate din electrozii: G, Au A2, A3. Functionarea lentilelor electrostatice (ca si a celor optice) se bazeaza pe fenomenul de refractie a traiectoriilor electronilor la suprafata de separatie a doua campuri electrice. La trecerea unui electron cu viteza incidenta vi prin suprafata de separatie a doua zone cu tensiunile U si U2, acesta va avea o viteza v2, astfel meat componentele tangentiale ale vitezelor sa se conserve:


 = v2sin a2,


(5.1)


unde ai si a2 reprezinta unghiurile de incidenta si respectiv de refractie @intre viteze si normalele la suprafata de separatie). In figura 5.3 se prezinta fenomenul refractiei traiectoriei unui electron pentru  U2   >  U   la  suprafata  de separatie s.

U2

Traiectoria electro nului

Daca electronul trece intr-o zona cu potential mai ridicat U2> Uu viteza v2 creste si unghiul a2 scade, adica directia de miscare se apropie de normala n la suprafata s, iar in cazul in care U2< Uu directia de miscare se indeparteaza de aceasta normala. Prin urmare, cand un fascicul de electroni trece spre un electrod cu potentialul

Fig. 5.3


218


Masurari electronice


mai ridicat decat al precedentului devine mai convergent, iar cand trece spre unul cu potentialul mai coborat devine mai divergent. Calitatile lentilelor electrostatice depind de diferenta de potential dintre electrozii componenti si de geometria acestora.

Examinand potentialul electric al electrozilor G, Au A2 si A3 din figura 5.4, rezulta ca fasciculul de electroni este focalizat in doua locuri (fig. 5.4). Prima focalizare (focarul Fx) apare intre G si Ax si se datoreaza convergentei puternice a fasciculului la trecerea din grila de comanda in anodul Au care sunt la o diferenta de potential de circa 1 kV. Aceasta focalizare este nedorita la tuburile catodice; ea se utilizeaza la microscopul electronic.

Fig. 5.4

Dupa focalizarea in Fx, fasciculul devine divergent, apoi, la trecerea de la A2 la A3, care are un potential mai ridicat decat A2 , fasciculul devine din nou convergent. Regland potentialul lui A2 cu ajutorul potentiometrului P2 ' focalizare' (v. fig. 5.4) se poate face ca focarul F2 sa cada pe ecran, situatie in care spotul are diametrul minim. Daca F2 cade in interiorul tubului catodic dar in afara ecranului, dimensiunile spotului cresc, ceea ce duce la erori de masurare mari. De aceea, inaintea oricarei masurari se regleaza focalizarea pana ce spotul are dimensiuni minime.

Defectul de astigmatism se manifesta prin aceea ca spotul devine oval in anumite portiuni ale ecranului si se datoreaza unei insuficiente alinieri a lentilelor electrostatice si in special diferentei de potential dintre anodul de accelerare A3 si potentialul mediu al placilor de deflexie. Pentru a elimina acest defect se modifica potentialul anodului A3 pana la nivelul potentialului mediu al placilor de deflexie cu ajutorul potentiometrului P5 ' astigmatism' (in figura 5.4, potentialul mediu al placilor de deflexie este 100 V).


Osciloscopul catodic


219


In cazul tuburilor catodice performante, ameliorarea astigmatismului se face cu ajutorul unui anod suplimentar, numit anodul de astigmatism, plasat intre A3 si placile Y, al carui potential se regleaza cu ajutorul potentiometrului 'astigmatism'.

Se observa ca reperul de masa (de protectie) este la anodul A3. Acest mod de conectare la masa este cerut de sistemul de deflexie care necesita ca potentialul mediu al placilor de deflexie sa fie apropiat, sau chiar egal, cu potentialul anodului A3, pentru a nu distorsiona oscilograma prin defectul de astigmatism. Daca s-ar conecta catodul la masa, ar trebui ca potentialul mediu al placilor de deflexie sa fie de aproximativ 1 kV, ceea ce ar face imposibila realizarea amplificatoarelor finale ale canalelor X si Y.

5.2.2. Structure si functionarea sistemului de deflexie

In cazul osciloscoapelor de masurat se utilizeaza in exclusivitate tuburile catodice cu deviatie electrostatica (cu placi de deflexie); majoritatea tuburilor cinescopice ale 'display'-urilor (din monitoare, calculatoare, receptoare TV etc.) au deflexia realizata pe cale electromagnetica (cu bobine de deflexie). In ceea ce priveste tipul de deflexie, trebuie precizat ca: deflexia si focalizarea electromagnetica permit obtinerea celui mai fin spot, insa ea se face cu un consum de energie mai mare si este mai putin rapida. In tabelul 5.1 se prezinta o comparatie intre cele doua sisteme de deflexie.

Tabelul 5.1 Comparatie intre cele doua tipuri de deflexie

Parametrul calitativ

Deflexia electromagnetica

Deflexia electrostatica

Energie consumata

mare

foarte mica

Focalizare

excelenta

mediocra

Viteza de deflexie

mica

foarte mare

Stralucire

excelenta

slaba

Echipamente electronice asociate

complexe

simple

Sistemul de deflexie electrostatica este format din doua perechi de placi asezate paralel cu directia nedeviata a fasciculului de electroni: placile X pentru deflexia pe orizontala si placile Y pentru deflexia pe verticala.

Campul electric dintre placi, proportional cu tensiunea electrica aplicata placilor, deviaza fasciculul de electroni care trece printre placi si astfel spotul luminos se deplaseaza din centrul ecranului intr-un punct cu coordonatele (x, y).

Pentru urmarirea miscarii fasciculului de electroni in interiorul tubului catodic se utilizeaza un sistem de referinta triortogonal xyz, la care axa z coincide cu axul tubului, iar axele x, y sunt in planul paralel cu ecranul. Miscarea axiala a


220


Masurari electronice


electronilor se urmareste dupa axa z, iar deplasarea spotului pe ecran dupa axele x si y. Comanda spotului dupa axele x, y se realizeaza cu ajutorul placilor de deflexie, iar dupa axa z (adica stralucirea) cu ajutorul grilei de comanda din tubul electronic.

Ecuatiile parametrice ale miscarii si ecuatia traiectoriei electronului de la emisie pana la lovirea ecranului se stabilesc pe baza legilor din fizica: in camp electric miscarea electronului este accelerata (traiectoria este rectilinie sau curbilinie), iar in afara campului, miscarea este rectilinie uniforma.

Pe baza figurii 5.5 se pot deduce aceste ecuatii. Se considera un tub catodic monoaccelerator cu electrozii C si A3 si placile de deflexie pe verticala alimentate asimetric (placa de jos conectata la masa).




Fig. 5.5

Intre catod si anodul A3 electronul este accelerat de forta Fz = e-Ez si capata la iesire viteza v0, data de relatia de conservare a energiei:


1     2     TJ -mvo=eUa


(5.2)


in care: Ez este intensitatea campului electric de accelerare, e - sarcina electrica a electronului, m - masa electronului si Ua - tensiunea de accelerare intre C si A3 .

Cu aceasta viteza electronul patrunde intre placile de deflexie pe verticala, unde fiind supus fortei Fy = e Ey = e (Uy/d) efectueaza o miscare uniform accelerata dupa axa y si o miscare uniform rectilinie dupa axa z. Ecuatiile parametrice ale miscarii sunt:


caci:


1       2     eU

 = -ayt2=---------- y-t2,

2    y       2 md


z=vnt,


(5.3)



y

y

ay =

eE

m         m astfel ca ecuatia traiectoriei rezulta o parabola:


eU,

md



_

2

 eUy

2 mdv


4 dU


(5.4)


Osciloscopul catodic                                                                                                                           221

La iesirea din spatiul placilor Y, electronul ne mai fiind supus unei forte efectueaza o miscare rectilinie uniforma, pana la ciocnirea ecranului, dupa tangenta la parabola in punctul de iesire, unghiul a avand tangenta trigonometrica:


dy tga = —


 y

 lUy I

 z=l    2Uad


(5.5)


a carei ecuatie a traiectoriei este:

y = y(l)+ tg a(z -/) =------------- —(z—)                                   (5.6)

Deviatia pe ecran este pentru z = 111 + L:

unde Sy reprezinta sensibilitateape verticala a tubului catodic (exprimata in m/V).

Prin definitie Sy este deviatia determinata de unitatea de tensiune aplicata pe placile de deflexie pe verticala. Valoarea inversa a sensibilitatii este coeficientul de deviatie (constanta de deflexie) ky = VSy (in V/m), parametru ce se inscrie pe comutatorul blocului A/PA al circuitului de masura pe Y. Valorile lui ky se dau, de regula, in secvente de 1, 2, 5, 10 (de exemplu: 10, 20, 50, 100 mV/div 100 V/div).

Printr-un rationament similar se obtine deviatia pe ecran datorata placilor de deflexie pe orizontala:

xF =--^—U= SUX,                                        (5.7)

E         2du^        x                                                              x     x,

unde: L este distanta dintre mijlocul placilor X si ecran, Sx - sensibilitatea pe orizon­tala a tubului catodic si Ux - tensiunea aplicata placilor de deflexie pe orizontala. Cum L < L, rezulta ca sensibilitatea pe orizontala este mai mica decat cea pe verticala.

Din relatiile sensibilitatilor Sy si Sx se constata ca imbunatatirea acestora se face prin reducerea tensiunii de accelerare Ua, fie prin reducerea distantei dintre placile de deflexie, fie prin cresterea lungimii placilor. Reducerea tensiunii de accelerare prezinta dezavantajul scaderii luminozitatii imaginii ca urmare a accelerarii insuficiente a fasciculului de electroni. Iesirea din acest impas se realizeaza prin postaccelerarea fasciculului dupa iesirea din sistemul de deflexie, cu anodul PA si grila GE, solutie utilizata in cazul tuburilor catodice de inalta frecventa. Reducerea distantei dintre placi impune utilizarea unor forme evazate ca in figura 5.2 (partea dinspre ecran este trapezoidala, parabolica sau poligonala) pentru a evita intersectia fasciculului cu placile de deflexie. Cresterea lungimii placilor prezinta dezavantajul cresterii timpului de trecere (de zbor) ty = Llv0, tx = = L'/vo si reducerea frecventei maxime de deviatie.

Placile de deflexie ale ambelor perechi sunt alimentate cu tensiuni simetrice in antifaza, de la iesirile amplificatoarelor diferentiale Ay si Ax, pentru evitarea


222


Masurari electronice


distorsionarii oscilogramei (efectul de trapez). Oscilograma se va inscrie intr-un dreptunghi, ca in figura 5.6,a, in cazul in care placile Ysunt alimentate simetric cu o tensiune sinusoidala uy, iar placile X cu o tensiune in dinti de ferastrau ux simetrica in raport cu masa.

-UY


-u.

+uy

1

AA/






-u,


t


Fig. 5.6

Daca placile Y sunt alimentate simetric, iar placile X asimetric ca in figura 5.6,b, oscilograma se inscrie intr-un trapez. Cauza acestei distorsiuni este cresterea potentialului mediu al placilor X fata de potentialul mediu al placilor Y pe masura afisarii semnalului de la stanga ecranului spre dreapta.

Distorsiunea de trapez apare atunci cand numai una dintre placi primeste semnal, iar cealalta placa este la potential constant (conectata la masa). Trapezul care circumscrie oscilograma are baza mare paralela cu placa conectata la masa si baza mica paralela cu placa care primeste semnal.

In fine, daca ambele perechi de placi sunt alimentate asimetric (cu cate o placa la masa) atunci oscilograma se va inscrie intr-un fel de hexagon.


5.2.3. Caracteristici de frecventa

Daca pe placile Y de deviatie pe verticala se aplica o tensiune variabila periodic in timp Uy = uy(t + kT), sa zicem de forma sinusoidala:

uy=U0cos((dt-y0) , atunci ecuatia miscarii electronului pe directia y este:

m-

(5.8)

dvy_     U^ dt ~   d


Osciloscopul catodic                                                                                                                            223

u

deoarece maj = Fj, adica may = Fy, unde ay =Avy I At si F = eEy =e—, astfel

d

ca m —— = e—^-, u fiind o tensiune alternativa sinusoidala. In cele de mai sus:

dt             d       y

vy este componenta vitezei electronului pe directia axei y, Uo- amplitudinea

semnalului sinusoidal aplicat pe placile Y, oo - pulsatia acestui semnal si cp0 faza lui initiala.

Conditiile la limita fiind:

t = 0,   t = t. = x=l/v0 ,

z = 0,   z = lz, vy = 0    si   V3, = v, ,

unde t,=l/vo=x este timpul de zbor al electronului pe directia z intre placile de deflexie y, iar v, - valoarea vitezei electronilor la iesirea dintre aceste placi, integrand ecuatia diferentiala (5.8) intre limitele 0 si % se obtine:

2eU0  .   It      ft        )

v  =v,=--------- ^sin—cos ?— + cpn  ,

y               mil        2^2    Y0J

care presupune ca tensiunea aplicata placilor Y este modulata in amplitudine, adica    cor

Pentru un electron dat, faza initiala cp0 nu este constanta, ci are diferite valori pentru diverse momente de timp : cp(?).

Deviatia pe ecran (v. fig. 5.5) va fi (cu U2«L):

2et/0L .   It

yF=L tga =--------- — sin — ,

mvod?       2

deoarece tga = v/v0, iar sensibilitatea dinamica (notata cu Sd ) este:

'      J*       2eL-sin?t

Sd                                                  s.

Uo     mvod(ti       2

Se utilizeaza si termenul de sensibilitate normata, Sd I Sy, adica sensibilitatea dinamica relativa la cea statica, care - conform relatiei (5.7) - are expresia:


S


.   cot

 sin —

____ 2_


224


Masurari electronice



. Sd       2eL    .   arc , 1   IL


2eUav0     .   arc                               1      2   . v0     1

caci 2- =------------- sin—/—        - .

Sy     mv^       2   2dUa     Im2

------- ——sin —, msa eUa =—mvi. si — = —,

 2                            2                  /      x


c i        Sd     .   arc , arc    .                             .                  .                          

astfel ca  2- = sin—/—. Aceasta ultima relatie reprezmta  caractenstica de

Sy                        2     2

1

0.8 (16 0,4 0,2

0 J12

sdsy

_-0.4

frecventa a unuitub catodic si are forma din figura 5.7.

1

1 1 1

r                       i i i i

:

r

r

1   x

' 0                 10

20

30                40                50

?t

Fig. 5.7

Se observa ca banda de frecventa la - 3 dB (corespunzatoare lui Sdl S = N2) a tubului catodic este data de relatia:

'-3dB

De exemplu, daca un tub catodic are tensiunea de accelerare Ua = 1 kV si lungimea placilor Y de deviatie / = 25 mm, atunci el are timpul de zbor x = l/vo =

,__________                                        19 .1 fiD9D7-1D~9-1-1D~3

= l/j2eUa/m=25-l0-3/J     '                                 -,              =13,3-10-L ns = 1,33 ns, care

v                                                                  V        9,1085 10'31

conduce la o banda de trecere pentru o atenuare de - 3 dB de:

,33-10'9 = 109/8,35 = = 119,76 MHz = 120 MHz.


Osciloscopul catodic                                                                                                                           225

5.2.4. Ecranul luminescent

Ecranul il constituie suprafata frontala a tubului catodic. Peretele de sticla al ecranului este acoperit pe suprafata interioara cu o pelicula de substanta luminescenta (numita luminofor) care are rolul de a converti o parte din energia cinetica a fasciculului de electroni in energie luminoasa (cealalta parte se transforma in caldura, care poate sa arda stratul luminescent). In punctul de pe ecran bombardat de fasciculul de electroni se produce, prin fenomenul de emisie fotoelectrica, o pata luminoasa numita spot luminos. Principalii parametri de calitate ai spotului sunt: culoarea, timpul de persistenta, intensitatea luminoasa, stralucirea si finetea. Culoarea radiatiei vizibile depinde de compozitia chimica a stratului luminescent si de fenomenul de emisie a luminii ce se produce prin fluorescenta (care dureaza atata timp cat fasciculul de electroni bombardeaza ecranul) si fosforescenta (ce dureaza din momentul incetarii fasciculului electronic incident).

In tabelul 5.2 sunt prezentate tipurile de ecrane pentru tuburile catodice. In observarile directe, intrucat sensibilitatea spectrala a ochiului este cea mai buna in zona verde-galbui (lungimea de unda X = 540570 nm a spectrului vizibil), se folosesc ecrane cu fluorescenta galbena-verzuie avand ca luminofor ortosilicatul de zinc activat cu magneziu (vilemit - Zn2SiO 4Mn ).

Pentru inregistrarea fotografica, deoarece pelicula foto este mai sensibila la culoarea albastra (X ~ 500 nm) se folosesc ecrane cu fluorescenta albastra avand ca luminofor sulfura de zinc activata cu argint (ZnS - Ag). In unele aplicatii speciale se utilizeaza ecrane cu fluorescenta oranj (cu luminofor de fosfat de zinc activat cu cupru), alba (amestec de sulfura de zinc si cadmiu) sau galbena (sulfura de zinc activata cu cadmiu si argint).

Intensitatea luminoasa (luminozitatea) a spotului, Is, depinde de intensitatea de curent a fasciculului de electroni si de tensiunea ecranului. Acesta se calculeaza cu relatia empirica:

Is = A-It>QJE-U0),                                                               (5.9)

in care: A este o constanta a materialului luminescent; Uo= 0,5 1 kV o tensiune de prag; 1^ = 10 100 uA - intensitatea de curent a fasciculului de electroni; UE ~ UPA =5 10 kV - tensiunea de ecran (diferenta de potential dintre patura

luminescenta incarcata pozitiv in urma emisiei secundare si masa), care este ceva mai mare decat tensiunea anodului de postaccelerare, iar Is - luminozitatea spotului (in nit).

Pentru culoarea verde intensitatea luminoasa este de circa 5 cd (candela este unitatea de masura SI a intensitatii luminoase - v. cap.l), pentru albastru circa 3 cd, iar pentru oranj circa 0,5 cd.

Lumina emisa de stratul luminescent se propaga in toate directiile, inclusiv spre interiorul tubului. In scopul imbunatatirii luminozitatii peste stratul lumi­nescent se depune o pelicula de aluminiu de cativa um, grosime la care acesta este transparent pentru fluxul de electroni incidenti, pentru a reflecta spre exterior fluxul


226


Masurari electronice


luminos difuzat spre interiorul tubului. Din punctul de vedere electric, pelicula de aluminiu se conecteaza la anodul de postaccelerare (la tubul catodic de joasa frecventa, fara PA, se conecteaza la anodul A3) pentru a indeplini rolul de colector de electroni secundari si de bariera pentru ionii negativi.

Tabelul5.2

Tipurile de ecrane pentru tuburile catodice

Ecran

Culoare de

Culoare de

Codul standard

tip

fluorescenta

fosforescenta

Persistenta

al luminoforului

BA

albastra-purpurie

-

foarte scurta

-

BC

albastra-purpurie

-

-

-

BD

albastra

-

foarte scurta

-

BE

albastra

albastra

medie-scurta

Pll

BF

albastra-purpurie

-

medie-scurta

-

GB

albastra-purpurie

galben-verzui

lunga

P32

GE

verde

verde

scurta

P24

GH

verde

verde

medie-scurta

P31

GJ

galben-verzui

galben-verzui

medie

PI

GK

galben-verzui

galben-verzui

medie

-

GL

galben-verzui

galben-verzui

medie-scurta

P2

GM

albastra-purpurie

galben-verzui

lunga

P7

GN

albastra

verde

medie-scurta

-

GP

verde-albastrui

verde

medie-scurta

P3

GR

verde

verde

lunga

P34

GU

alba

alba

foarte scurta

-

LA

oranj

oranj

medie

-

LB

oranj

oranj

medie

-

LC

oranj

oranj

foarte lunga

-

LD

oranj

oranj

foarte lunga

P33

W

alba

-

-

P4

X

tricolor

-

-

P22

YA

oranj-galbui

oranj-galbui

medie

-

La tuburile catodice de precizie, pelicula de aluminiu se conecteaza la o tensiune UAl > UPA reglabila, pentru a imbunatati si controla stralucirea spotului. In acest caz exista posibilitatea realizarii de ecrane ce afiseaza curbe in culori diferite, prin activarea straturilor luminescente suprapuse pe ecran cu diferite valori aletensiunii UAl.

Pelicula de aluminiu serveste si ca radiator termic protejand ecranul de ardere, la un spot stationar prea luminos (defect care consta in aparitia unui punct negru).

Persistenta, mai bine spus timpul de persistenta, reprezinta intervalul de timp dintre momentul incetarii fasciculului de electroni si momentul in care intensitatea luminoasa de fosforescenta scade la un anumit prag de vizibilitate (10% in timpul zilei si 1% in semiobscuritate, din intensitatea maxima). Persistenta se evalueaza in


Osciloscopul catodic                                                                                                                           227

termenii: persistenta scurta (zeci de us), medie (zeci de ms) si lunga (secunde). Persistenta mica este necesara la tuburile de inalta frecventa, cea medie (cea mai folosita) la tuburile de uz curent, iar cea mare la tuburile de foarte joasa frecventa (radar etc.). Persistenta si culoarea spotului depind de compozitia chimica a bminoforului si sunt prezentate in tabelul 5.2.

Stralucirea (luminanta) reprezinta densitatea superficiala de intensitate

luminoasa si se masoara in nit (1 nit = cd/m2). Aceasta depinde, dupa relatia (5.9), de intensitatea de curent a fasciculubi de electroni si de tensiunea de ecran.

Finetea spotului se refera, in principal, la diametrul spotului si este conditionata de calitatile tubului electronic (focalizare, astigmatism) si ale ecranului (bombat, plat, dreptunghiular, care prezinta distorsiuni de neliniaritate la extremitati). Cu cat finetea este mai buna cu atat masurarea este mai preeisa. La oseiloseoapele obisnuite finetea este de 0,5 1 mm, iar la cele de precizie finetea este 0,2.. .0,3 mm.

Pentru masurarea parametrilor oscilogramei afisate pe ecran se foloseste o retea reticulara gradata in diviziuni (tipic 1 div. = 7-8 mm). Adesea axele x si y ale retelei sunt gradate si in subdiviziuni (tipic 5/div.), ceea ce permite reducerea erorilor de citire. Diviziunile pe axa y servesc la masurarea amplitudinii, iar cele de pe axax la masurarea timpului, frecventei si defazajului.

De regula, reteaua reticulara se face dreptunghiulara deoarece este mult mai adecvata pentru masurari decat cea circulara. Ca pozitie fata de ecran, reteaua poate fi in exterior sau in interior.

La oseiloseoapele obisnuite, reteaua este exterioara si se traseaza pe o placa din plastic transparent care se monteaza cu caroiajul spre ecran. Prezinta avantaje ca: poate fi rotita pentru aliniere la trasa orizontala (dara lasata pe ecran de catre spot), poate fi iluminata, poate fi schimbata cu alta. Dezavantajul acesteia il constituie eroarea de paralaxa care apare deoarece diviziunile retelei nu sunt in acelasi plan cu spotul luminos (asemanator aparatelor de masurat cu ac indicator). Placa de plastic are rolul de scut pentru proteetia operatorului in caz de implozie a tubului catodic.

Oscilograma afisata pe ecran poate fi afectata de o serie de distorsiuni cum sunt: de trapez, de geometrie, de ortogonalitate, de neliniaritate.

Distorsiunea de trapez a unui semnal sinusoidal a fost prezentata (cauze si solutie) intr-un paragraf anterior (v. fig. 5.6).

Distorsiunea de geometrie se refera la neliniarizarea traselor orizontala si verticala pozitionate la extremitatile retelei reticulare in raport cu caroiajul acesteia. Distorsiunea (curbura trasei) poate fi de tip 'perna' sau de tip 'butoi'. Aceasta apare daca exista diferenta intre potentialul mediu al placilor Y si eel al placilor X

si/sau al diferentei de potential dintre anodul de accelerare A, si potentialul mediu

al placilor de deflexie.

Pentru reducerea distorsiunii de geometrie se regleaza potentialul ano-dului A3 pana la nivelul potentialului mediu al placilor de deflexie cu ajutorul potentiometrului P5 ,,astigmatism' din figura 5.4. La tuburile catodice mai elaborate ameliorarea se face cu ajutorul unui anod suplimentar montat intre placile Y si anodul A3 si a altui anod intre placile Y si X. Cel de-al doilea anod impreuna cu


228                                                                                                                        Masurari electronice

placile si grila ecran GE formeaza un dispozitiv de focalizare suplimentar care permite si imbunatatirea finetii spotului (0,2-0,3 mm) si cresterea unghiului de deflexie (pana la 100°).

Distorsiunea de ortogonalitate se datoreaza abaterilor de montare perpen-diculara a placilor Y pe placile X. In acest caz, trasa este rotita fata de sistemul de axe al retelei reticulare. Aceasta distorsiune intervine ca o eroare suplimentara in masurarea timpului de crestere al semnalelor impuls. Pentru corectarea acestei distorsiuni se foloseste un dispozitiv de retire pe cale magnetica a trasei de pe ecran. Cu ajutorul unei bobine, plasata in exteriorul tubului in apropierea placilor de deflexie, este produs un camp magnetic axial (coliniar cu axul tubului) care actioneaza asupra fasciculului de electroni si roteste trasa cu un unghi dependent de valoarea inductiei. Unghiul de defazare a trasei fata de sistemul de axe se anuleaza prin reglarea curentului din bobina cu ajutorul unui potentiometru 'retire trasa'.

Distorsiunile de neliniaritate a imaginii se datoreaza dependentei constantei

de deflexie ky =— de pozitia spotului pe ecran. In pozitia centrala fasciculul de

Sy

electroni are lungime minima, iar la extremitati lungimea creste sensibil. Aceasta distorsiune se corecteaza la unele osciloscoape prin deformarea semnalului in sens contrar intr-un etaj de amplificare.

5.2.5. 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, care rezulta din abrevierea numelui englezesc 'Direct View Storage Tube'). In prezent, eel 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 unui 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.


Osciloscopul catodic


229


Un tub cu memorie (a carui structura de principiu este redata in figura 5.8) 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.


Ecran aluninizat


Tun  de electroni suplinentar


Fascicul  difuz de electroni (de inundate)

Tun  de     Sistemul electroni de  deflexie

primar

(de scriere)         Tun  de  electroni suplinentar


Grila  de roenorie

Grila  colector


Fig. 5.8

Tunul de scriere produce un fascicul de electroni focalizat, primar, cu un curent Ip si cu energie cinetica foarte mare, care bombardeaza tinta de memorare (grila de memorare). '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). Functionarea tuburilor cu memorie se bazeaza pe fenomenul de emisie secundara de electroni (pe grila de memorare), caracterizat prin raportul: y = Is I Ip in care Is este curentul de

emisie secundara (dat de ecranul-grila de memorare bombardat cu fasciculul de electroni primar) si Ip- curentul de fascicul primar (emis de catod). 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)


230                                                                                                                       Masurari electronice

si printr-o asa-numita grila de memorare, plasata paralel cu ecranul, la mica distantain spatele lui (v. fig. 5.8). Tunul de inundare produce 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 - v. fig. 5.8).

Intre colector si ecranul luminofor (de tip PI sau P20 - v. tabelul 5.2) 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. Colectorul (v. fig. 5.8) este si el format dintr-o plasa fina conductoare si, printr-o tensiune pozitiva, controleaza ploaia electronilor de inundare ca si a celor de emisie secundara.

In timpul operatiei de producere a imaginii pe ecranul luminofor (operatie numita 'scriere') - prin deflexie si modulatie a stralucirii - fasciculul electronilor de scriere (cu o sectiune transversala - spot), cu dimensiuni ceva mai mari decat ochiurile grilei de memorare, trece prin plasa colectorului si partial prin plasa cu dielectricul suprafetei de memorare si, avand energie mare, face ca - simultan - sa apara spotul luminos pe ecran (de catre electronii trecuti prin ochiurile grilei de memorare) si pe acelasi traseu, in locul socului asupra dielectricului suprafetei de memorare, sa se emita electroni secundari de catre dielectric, cea ce determina electrizarea pozitiva a dielectricului in punctele traseului imaginii. Se obtine, in acest fel, pe suprafete dielectricului (de memorare) un mozaic de puncte cu sarcini pozitive, identic cu punctele luminoase de pe ecran, conform drumului parcurs de fasciculul de scriere si intensitatii lui. In punctele care nu au fost lovite de fasciculul de scriere (blocat sau modulat mai putin intens), suprafata dielectrica de memorare este incarcata cu sarcina electrica negativa.

In aceasta situatie, electronii de inundare, cu energie mica, tree prin grila (suprafata) de memorare numai prin punctele in care aceasta suprafata este incarcata pozitiv si sunt respinsi catre colector de restul suprafetei incarcata negativ. Dupa ce tree prin plasa metaliea (suport al suprafetei dieleetriee de memorare), electronii de inundare sunt accelerati spre ecranul luminescent, in mod continuu, excitand luminoforul si producand spoturi luminoase in dreptul punctelor prin care au trecut. In acest fel, imaginea vizibila pe ecran este replica mozaicului pozitiv de pe suprafata de memorare. Aceasta imagine (initiata de fasciculul de scriere si intretinuta de electronii difuzi de inundare) poate fi mentinuta mult timp (chiar si cateva ore), in functie de calitatea dielectricului suprafetei de memorare. Pentru stergerea imaginii se aplica pe plasa suport a suprafetei de memorare impulsuri de tensiune care negativeaza intreaga suprafata a dielectricului de memorare.

5.2.6. Tubul catodic multimod

Combinand avantajele tubului cu memorie cu cele ale tubului cu re-improspatarea/'refresh' (repetarea) imaginii se obtine un tub multifunctional, pe al carui ecran se pot realiza suprafete selective, unele cu memorie si altele cu reimprospatarea imaginii - nonmemorie, astfel ca se obtin imagini fixe si portiuni


Osciloscopul catodic


231


de ecran pe care se pot reda texte, meniuri, simboluri etc. Acesta este tubul denumit multimod, care este aratat schematic in figura 5.9.




Tun de inundare


Tun scriere y (cu memorie)


Tun scriere 'refresh'




Tun stergere selectiva


Fig. 5.9

Suprafata de memorare este principial identica celei din tubul cu memorie, ca si tunul electronilor de inundare; in plus, asa cum rezulta din figura 5.9, tubul multimod are inca trei tunuri (de scriere cu memorie, de scriere ,,refresh'/ reimprospatare si de stergere selectiva). Functiile multiple se realizeaza printr-un joe de tensiuni intre plasa suprafetei de memorare si catodul tunurilor, precum si prin efectul dual al dielectricului suprafetei de memorare (emisie secundara de electroni si polarizare dielectrica). Este posibila stergerea selectiva a imaginii cu introducerea 'refresh' de imagini, suprapunerea lor etc.

5.3. STRUCTURA SI FUNCTIONAREA CANALULUI Y

Pentru osciloscopul standard din figura 5.1, schema bloc a canalului Yeste prezentata in figura 5.10.

Circuital pentru masurarea semnalului uy al canalului Y este alcatuit din: comutatorul Ku atenuatorul (divizorul de tensiune) de intrare A, preamplificatorul PA, linia de intarziere LI si amplificatorul final AY.

Semnalul electric de intrare se aplica atenuatorului prin comutatorul Kx care permite ca in pozitia 1 sa fie masurate numai tensiuni alternative (cu blocarea componentei continue), iar in pozitia 2 atat tensiuni continue cat si alternative (cu sau fara componenta continua). Pozitia 3 (cu intrarea A pusa la masa) este necesara pentru operatii de reglare a spotului (focalizare, axare Y).


232


Masurari electronice




UY


AxareY

10nF_ Wdiv
__ I I__               K2               Etalonare

A

PA

LI

Ay


+U


Placile -Y


Fig. 5.10

5.3.1. Atenuatorul de tensiune

Atenuatorul este un divizor de tensiune de tip RC compensat in frecventa (raportul de divizare nu depinde de frecventa pe o banda cat mai larga). Raportul de divizare reglabil in trepte prin intermediul comutatorului K2 in secventa 1-2-5-10 V/div. este necesar pentru prescrierea gamei de tensiune astfel meat sa se realizeze coeficientul de deviatie pe verticala dorit. Tensiunea de iesire este in domeniul 10-50 mV. Atenuatorul are, de regula, o precizie de 0,5-1 % pentru osciloscoapele obisnuite si 0,2-0,3 % pentru osciloscoapele profesionale.

Schema de principiu a divizorului unei trepte pentru atenuatorul cu cate un divizor compensat pe fiecare treapta de atenuare este prezentata in figura 5.11.


l«=Do


R1


x1/m K

T



1

Fig. 5.11

Raportul de divizare al treptei este:

1
1 _ Hi _                         Ri+Ja  l

1 '^7


1 + j

 R


1


,    (5.10)


relatie din care rezulta ca  m nu depinde de frecventa daca este indeplinita conditia:

(5.11)


Osciloscopul catodic                                                                                                                            233

situatie in care:

I = ^2.=_?2_.                                          (5.12)

m    C/j     Rr+R2

Relatia (5.12) arata ca pentru compensarea in frecventa este necesar ca grupele RC ale atenuatorului sa aiba constante de timp egale. Pentru rezistenta

de intrare R: + R2 = 1 MO, rezulta: R2 = — [MO] si Rl = 1------------------ [MO]. Realizarea

m                                    m

compensarii in frecventa se face intotdeauna prin reglarea condensatorului Ct deoarece C^Cz. In mod obisnuit Ct este un trimer ceramic cu valoarea de 3-30 pF. La unele osciloscoape se comuta valoarea atenuarii prin schimbarea factorului de reactie negativa dintr-un etaj de amplificare, solutie care are dezavantajul deplasarii liniei de zero la comutarea treptelor de atenuare datorita fenomenului de deriva a circuitului de intrare. Acest dezavantaj se inlatura prin utilizarea unui sistem de compensare automata a derivei.

5.3.2.  Preamplificatorul canalului Y

Preamplificatorul PA este unul de tensiune (de banda larga) care amplifica semnalul de iesire din atenuatorul de intrare de la nivelulde 10-50 mV la nivelul

5-10 V necesar amplificatorului AY. Acesta trebuie sa aiba performante specifice functionarii intr-un osciloscop: sa asigure forma si dinamica semnalului masurat pentru orice frecventa din banda de trecere la - 3 dB, stabilitate buna la amplificari nu prea mari (A = 50-100), impedanta de intrare (diferentiala si de mod comun) mare, zgomotul propriu si deriva termica cat mai reduse pentru o comportare satisfacatoare la masurarea tensiunilor continue foarte mici (sub 3 mV). In acest scop se utilizeaza amplificatoare instrumentale (prezentate in capitolul 2), care in unele carti se numesc amplificatoare diferentiale sau amplificatoare de masurat. Ca structura, preamplificatorul poate fi cu iesire asimetrica sau simetrica. Varianta a doua este pentru osciloscoape metrologice cu o banda de frecventa de 10-20 MHz. Etajul de intrare al preamplificatorului, indiferent de tipul iesirii, este cu TEC in repetor pe sursa pentru rezistenta de intrare mare (tipic 1 MQ).

5.3.3.  Amplificatorul final Ay

Pentru evitarea distorsionarii oscilogramei (efectul de trapez), placile de deflexie pe verticala sunt atacate cu doua tensiuni simetrice in antifaza, la nivelul de 100-150 V, furnizate de amplificatorul final Ay. Acesta are rolul atat de a amplifica semnalul de intrare si a genera cele doua tensiuni in antifaza, cat si axarea spotului pe verticala. Aceasta operatie consta in modificarea potentialelor


234


Masurari electronice


statice pe placile Y fara a modifica potentialul mediu dintre acestea (spre a evita aparitia astigmatismului, datorat in special diferentei de potential dintre anodul de accelerare A3 si potentialul mediu al placilor de deflexie). In principiu, axarea se implementeaza cu un potentiometru dublu in tandem (in contratimp) modelat electronic de un inversor de faza (defazor) Schmitt incorporat in structura ampli-ficatorului.

Schema de principiu a amplificatorului inversor Schmitt este prezentata in figura5.12.






-u.


V2


Fig. 5.12

Amplificatorul este format din tranzistoarele 7 si T2 alimentate la tensiune ridicata, E = 150-200 V. Se observa ca baza lui T2 este la un potential static constant V2 < E, ceea ce inseamna ca T2 lucreaza in baza comuna. Prin polarizarea impusa lui 7 se aranjeaza ca si potentialul mediu al bazei lui 7 (in absenta semnalului e de procesat) sa fie Vi = V2. Tranzistorul 7 lucreaza in emitor comun. Prin urmare, aplicand pe baza lui 7 semnalul e de procesat, in colectorul acestuia se obtine semnalul Uy = - Ae (adica semnalul amplificat de A ori si inversat fata de faza), iar in emitorul lui 7 se culege semnalul Ae (diminuat cu 0,6 V). Cum potentialele de emitor ale lui 7 si T2 sunt egale, iar T2 lucreaza in baza comuna si in emitor primeste semnalul Ae inseamna ca in colectorul acestuia se obtine semnalul Uy = Ae. Deci, in colectoarele lui 7 si T2 se culeg tensiuni egale si in opozitie de faza. Axarea spotului pe verticala se rezolva prin reglarea potentialului static V2 al bazei lui T2 cu ajutorul potentiometrului P3.

In scopul imbunatatirii benzii de frecventa, intre amplificator si placile Y se intercaleaza un etaj repetor; in acest fel placile Y sunt atacate cu tensiuni de pe surse cu rezistenta interna redusa, ceea ce duce la micsorarea influentei capacitatilor proprii ale placilor (3-5 pF) si deci la cresterea frecventei.

Linia de intarziere LI va fi analizata dupa prezentarea canalului X.


Osciloscopul catodic


235


5.4. STRUCTURA SI FUNCTIONAREA BAZEI DE TIMP

Pentru vizualizarea formei semnalului aplicat pe placile de deflexie pe verticala (adica functionarea osciloscopului in sistemul de coordonate y-t) este necesar ca pe placile de deflexie pe orizontala sa se aplice o tensiune liniar variabila in timp (numita tensiune de baleiaj sau tensiune in dinti de ferastrau). Aceasta este generata de catre baza de timp la un nivel de 5-8 V si apoi este amplificata, pana la nivelul de 100-150 V necesar deflexiei, cu ajutorul ampli-ficatorului final Ax (v. fig. 5.1).




t ;

Tb

Fig. 5.13

Forma tensiunii de baleiaj este prezentata in figura 5.13, in care se identifica urmatoarele intervab:

- durata deflexiei directe, td, in care spotul parcurge axa orizontala de la stanga la dreapta. Tensiunea de baleiaj este de forma u'x = kt, relatie care asociata cu (5.7) conduce la ecuatia de functionare pe axax:


x = SxAkt= vbt= t,


(5.13)


in care: A este amplificarea amplificatorului Ax; vb - viteza de baleiaj si kb - constanta de baleiaj ale carei valori sunt inscrise pe comutatorul K4 (din figura 5.1) al bazei de timp in secventa: 1, 2, 5, 10 . La osciloscopul standard kb = 1 us/div. - ls/div.;

-    durata deflexiei inverse (de revenire), th in care spotul revine rapid in
partea stanga a ecranului. In acest interval, pe grila de comanda a tubului catodic se
aplica impulsuri negative de 'blancaj' care fac invizibila dara cursei inverse;

-    perioada de baleiaj Tb = td + t, ~ td si frecventa de baleiaj fb= —. Deoarece

pe un ecran obisnuit (de circa 10 cm) nu pot fi reprezentate distinct mai mult de 5-10 sinusoide, trebuie c&fb < (0,1-0,2) fy. De exemplu, atunci cand canalul Yaie frecventa/j, = 10 MHz, baza de timp trebuie sa furnizeze tensiuni cufb = 1-2 MHz.


236


Masurari electronice


Pentru a evita distorsionarea oscilogramei se impune ca abaterea de liniaritate a cursei directe sa fie cat mai mica; la osciloscopul standard este de circa 1-3 %, iar la cele de precizie este de 0,1-0,5 %.

Pe durata deflexiei directe, spotul executa deviatiile pe verticala imprimate de semnalul de studiat. La fiecare reluare a cursei directe, spotul trebuie sa fie comandat de aceleasi valori instantanee ale semnalului pe verticala pentru ca traseele sa coincida si imaginea sa fie stabila. Acest deziderat este indeplinit daca perioada de baleiaj este egala sau este un multiplu intreg al perioadei semnalului de studiat, adica tensiunea de baleiaj sa fie riguros sincrona cu tensiunea Uy(t).

Pentru abateri mici de la aceste conditii imaginea se misca lent spre stanga sau spre dreapta in functie de sensul abaterii, iar pentru abateri mari imaginea devine incoerenta. Conditiile fb = fy sau f/fb = k, k e N se realizeaza prin modificarea frecventei fb cu ajutorul butonului K4 (v. fig. 5.1) de pe panoul frontal pana in momentul in care se obtine o imagine stabila.

In principiu, baza de timp se compune din generatorul de baleiaj si circuital de sincronizare.

5.4.1. Generatorul de baleiaj

Tensiunea de baleiaj este farnizata de generatorul bazei de timp (de baleiaj). Acesta se bazeaza pe principiul incarcarii unui condensator sub curent constant si apoi descarcarea sa pe un circuit cu o constanta de timp mult mai mica.

In figura 5.14 este prezentata schema de principiu a unui generator de baleiaj tip integrator Miller (amplificator operational).



/

   Ux

E

2

E_ 2

/        

Tb


Fig. 5.14

Generatorul de baleiaj fanctioneaza in felul urmator: la aparitia impulsului de comanda ek de durata th comutatorul electronic K se inchide, iar condensatorul C se descarca rapid, ceea ce reprezinta cursa inversa a spotului; dupa trecerea acestui


Osciloscopul catodic                                                                                                                            237

impuls, K se deschide, iar condensatorul se incarca la curent constant, generand o tensiune in rampa cu durata td, de forma:

m,=— dt =-------- 1 .                                                 (5.14)

1    C{R        RC

Dupa intervalul td urmeaza un nou impuls care inchide K, iar condensatorul se descarca din nou. Acest proces se repeta cu frecventa fb, impusa prin comutatorul K4 (v. fig. 5.1) al bazei de timp ce pe panoul frontal. Adaptarea circuitului de incarcare la frecventa de baleiaj impusa se poate face prin reglajul in trepte a lui C si reglajul fin a lui R.

Pentru constructia corecta a oscilogramei trebuie ca la momentul   — cand

spotul trece prin centrul ecranului, tensiunea generatorului de baleiaj sa treaca prin zero. La extremitatile intervalului td tensiunea este egala cu jumatatea amplitudinii sale. O astfel de deplasare se obtine prin sumarea tensiunii u cu o tensiune continua egala cu E/2 pe un amplificator diferential AD. Din schema (v. fig. 5. 14), pentru RC = td si Ad = 1 (amplificarea diferentiala in circuit deschis a ampli-ficatorului diferential), rezulta din relatia:

u-x(t) = —t-^,                                                         (5.15)

reprezentata grafic in figura 5.14.

Acest tip de generator furnizeaza tensiunea de baleiaj cu o eroare de liniaritate mica de 0,1-0,3 %.

5.4.2. Circuitul de sincronizare

In ceea ce priveste termenul folosit, 'sincronizarea bazei de timp', se intelege de fapt declansarea generatorului de baleiaj pentru furnizarea tensiunii cursei directe a spotului. Momentele declansarii sunt date de circuitul de sincronizare. Dupa modul de functionare al acestuia, baza de timp este de tipul autooscilator (sau relaxata) si declansata.

In cazul bazei de timp relaxata, generatorul de baleiaj functioneaza continuu in ritmul impus de impulsurile de comanda ek generate de un oscilator astabil. Acesta prezinta avantajul ca in lipsa unui semnal la intrarea y se afiseaza pe ecran trasa orizontala a tensiunii de baleiaj, insa nu permite calibrarea precisa a trasei in unitati de timp (s/div.) si nici vizualizarea semnalelor singulare aleatoare sau de forma complicata (in special in partea lor anterioara). Din aceste motive, osciloscoapele de laborator nu se mai echipeaza cu baza de timp relaxata.

In cazul bazei de timp declansata, starea normala a generatorului de baleiaj este cea de repaus, fiind pus in functiune (declansat) numai de catre semnalul de masurat uy in felul urmator: in momentul aparitiei semnalului uy, generatorul de baleiaj porneste si elaboreaza o rampa completa a tensiunii dupa care se opreste


238


Masurari electronice


daca uy dispare. In cazul unui semnal periodic, declansarea generatorului se produce intotdeauna in acelasi punct al semnalului si oscilograma este stabila, daca frecventa tensiunii de baleiaj este egala sau submultiplu al frecventei semnalului de studiat.

Schema de principiu a bazei de timp declansata este prezentata in figura 5.15, unde: K3 este selectorul modului de sincronizare (interna, externa sau semnal TV); IP este inversorul de polaritate, necesar deoarece formatorul de impulsuri TS este declansat numai cu fronturi pozitive, iar semnalul ce se masoara (singular) poate fi un impuls pozitiv sau negativ; K6 - selectorul de polaritate; TS - triggerul Schmitt in regim de formator de semnale dreptunghiulare; CD - circuital derivator care produce impulsuri cand la intrare i se aplica impulsuri dreptunghiulare; E - ecretorul (limitatorul) care selecteaza numai impulsurile pozitive; CB - circuital basculant bistabil ce produce impulsurile de comanda pentru declansarea generatorului de baleiaj; GB - generatorul de baleiaj.

Fig. 5.15

Modul de elaborare a tensiunii de baleiaj este aratat pe schema sinoptica de semnal din figura 5.16, a -/. Semnalul de sincronizare interna luat de la PA, avand aceeasi forma cu semnalul de vizualizat uy (curba a), este transformat in semnal dreptunghiular (curba b) de catre TS, in functie de nivelul tensiunilor de prag Vi si V2. Cu potentiometrul 'nivel' se regleaza tensiunile de prag pentru declansarea TS. Circuital derivator produce impulsuri ascutite pozitive pe frontal anterior al impulsurilor dreptunghiulare si negative pe frontal posterior al acestora (curba c). Dintre acestea, ecretorul selecteaza numai pe cele pozitive (curba d). Circuital basculant este astfel proiectat meat in starea normala, de repaus, iesirea este pe 1 logic. In felul acesta primul impuls pozitiv iesit din ecretor si aplicat pe intrarea acestuia ii aduce iesirea in zero logic, situatie in care comanda pornirea generatorului de baleiaj care incepe in momentul t0 generarea rampei tensiuni de baleiaj. Unghiul B al rampei depinde numai de caracteristicile generatorului de baleiaj. Durata deflexiei directe este egala cu intervalul de timp in care tensiunea de baleiaj atinge nivelul maxim Uxm corespunzator baleierii complete a spotului pe ecran. In momentul t spotal se stingere, indiferent de marimea semnalului de sincronizare, pentru ca sa treaca neobservat din dreapta in stanga ecranuluisi sa inceapa o noua cursa directa. In acelasi moment t, generatorul de baleiaj GB trimite un impuls negativ la intrarea circuitului basculant CB si iesirea acestuia este adusa in 1 logic. Dupa momentul tu CB este in repaus, iar GB este blocat in momentul aparitiei unui nou


Osciloscopul catodic


239


impuls pozitiv pe intrarea CB (momentul t2) cand va declansa dintele urmator. In felul acesta, declansarea generatorului de baleiaj se produce intotdeauna in acelasi punct al semnalului de masurat (de exemplu A si B din figura 5.16), adica circuital descris realizeaza sincronizarea automata a semnalelor.



r



xm

0    T

th

Fig. 5.16

Din figura 5.16 se observa ca trecerea bistabilului din 1 logic in 0 logic este comandata de semnalul de sincronizare, iar aceasta trecere declanseaza generatorul de baleiaj. Pe durata td a dintelui, bistabilul ramane insensibil la alte impulsion pozitive aplicate pe intrarea sa si revenirea in 1 logic este comandata de GB in momentul cand amplitudinea dintelui atinge nivelul U'xm.

In momentul declansarii generatorului de baleiaj GB se aplica pe grila de comanda a tubului catodic un impuls pozitiv de durata td, cules de pe cea de a doua iesire a bistabilului si amplificat pana la 20-40 V, pentru a face spotul vizibil ('aprins') in cursa directa. Cand GB este in stare de repaus, datorita negativarii mai puternice a grilei de comanda, spotul este facut invizibil ('stins') in cursa inversa.

Intrucat revenirea generatorului de baleiaj in starea de repaus se face numai cand amplitudinea dintelui atinge nivelul U'xm, necesar baleierii complete a ecranului,


240


Masurari electronice


axax poate fi calibrata in unitati de timp. Din acelasi motiv, baza de timp declansata ofera si o buna imunitate la semnalele parazite care exista in interiorul si exteriorul osciloscopului.

In figura 5.16 se observa ca timpul de inhibare th al GB este fix, ceea ce conduce la dificultati in examinarea trenurilor de impulsuri.

5.4.3. Adaptari ale bazei de timp. Circuitul de autodeclansare

Dezavantajul bazei de timp declansata consta in faptul ca in lipsa semnalului de vizualizat uy, baza de timp nu functioneaza si, ca urmare, nu este afisata trasa orizontala (si s-ar putea crede ca spotul osciloscopului este in afara ecranului), ea fiind necesara pentru punerea la punct a osciloscopului si pentru masurari in curent continuu. Pentru a evita aceasta situatie, baza de timp se prevede cu un circuit de autodeclansare ca sa poata functiona in regim autooscilant numai in absenta semnalului de vizualizat.

Schema simplificata a bazei de timp ce functioneaza in regim declansat (Dect) si in regim autooscilant (Auto) este prezentata in figura 5.17, unde: AS este un astabil de joasa frecventa (zeci de Hz), CD - circuit derivator, AT7 - comutator pentru regimul de functionare, solidar cu comutatorul de sincronizare K3 (v. fig. 5.15).

Fig. 5.17

Impulsurile generate de blocul TS-CD, pentru declansarea bistabilului CB, sunt aplicate simultan si pe intrarea astabilului AS. Daca frecventa acestora este mai mare decat 10 Hz, AS se blocheaza datorita unui circuit de inhibare format din condensatorul C si dioda Du Daca impulsurile inceteaza, condensatorul C se descarca si AS intra in oscilatie pe o frecventa proprie joasa. Prin intermediul CD si a comutatorului AT7 in pozitia Auto se transmit impulsurile de comanda blocului CB-GB, asigurand astfel functionarea in continuare a generatorului de baleiaj si deci a conservarii trasei orizontale. Daca impulsurile de declansare date de TS apar din nou, astabilul se blocheaza automat si baza de timp functioneaza in regim declansat.

Daca frecventa semnalului uy este sub 10 Hz sau pentru semnale nerepetitive (regimuri tranzitorii), AT7 se trece in pozitia Decl si baza functioneaza in regim declansat.


Osciloscopul catodic


241


5.4.4. Circuitul de inhibare (retinere)

Acesta are rolul de a bloca declansarea generatorului de baleiaj un timp suficient pentru revenirea tuturor circuitelor bazei de timp in starea initiala. Dupa expirarea timpului de inhibare (intarziere), th din fig.5.16., este posibila o noua declansare a generatorului de baleiaj.

Pentru baza de timp cu durata inhibarii fixa apar dificultati la examinarea trenurilor de impulsuri de aceeasi amplitudine (la care nu este posibila sincronizarea prin schimbarea nivelului de sincronizare), deoarece lungimea acestora nu poate fi corelata cu lungimea rampei dintelui u '„ ceea ce duce la instabilitatea oscilogramei si chiar la falsificarea acesteia (amestec de impulsuri din pachete diferite).

Pentru a se evita aceasta situatie este necesar ca timpul de inhibare al BT sa. poata fi reglat de pe panoul frontal, astfel meat pornirea generatorului de baleiaj sa fie comandata de primul impuls din fiecare pachet de impulsuri. Sa consideram trenul de impulsuri ce se aplica pe intrarea Ydin figura 5.18; atunci, pentru cazul a al bazei de timp cu timpul de inhibare thl fix, pe ecran apare o oscilograma confuza (cu impulsuri amestecate). Astfel: la prima cursa sunt baleiate impulsurile 1, 2 si 3 ale primului pachet; la a doua cursa sunt baleiate impulsurile 5 si 6 din al doilea pachet si impulsul 7 din al treilea pachet; la a treia cursa sunt baleiate impulsul 9 din al treilea pachet si impulsurile 10 si 11 din al patrulea pachet.

1       2       3

* U-v

4       5      6           7      8       9          10    11

12

LTL

b            ^^^

fh1    L

lh2

Fig. 5.18

Pentru cazul b al bazei de timp cu timpul de inhibare th2 reglabil, se obtine pe ecran o oscilograma corecta si stabila. Astfel: la prima cursa sunt baleiate impulsurile 1, 2 si 3 din primul pachet; la a doua cursa sunt baleiate impulsurile 7, 8 si 9 din al treilea pachet.

Reglarea timpului de inhibare se poate face fie prin modificarea pantei dintelui (unghiul |3) frecventa de baleiaj ramanand constanta, fie prin cresterea timpului de inhibare (adica micsorarea frecventei de baleiaj) amplitudinea ramanand constanta (v. fig. 5.18.). Prima solutie este mai simpla, insa prezinta dezavantajul ca nu se pastreaza calibrarea axei orizontale, calibrare importanta pentru masurarea para-metrilor de timp ai semnalelor logice. Aceasta solutie se aplica la osciloscopul romanesc E0103.


242


Masurari electronice


A doua solutie este mai complicata si necesita doua baze de timp ale caror viteze de baleiaj difera cu cateva ordine de marime.

5.4.5. Baza de timp dubla

Vizualizarea unor detalii din oscilograma unui semnal implica desfasurarea acelor parti ale semnalului cu o viteza mai mare a bazei de timp, realizandu-se asa numita 'lupa de timp'.

Din relatiile (5.7) si (5.13) pentru t = tdsi Uxm = A ■ U'xm, unde U'xm este amplitudinea dintelui; Uxm - tensiunea maxima aplicata placilor de deflexie pe orizontala si A - amplificarea amplificatorului canalului X, se deduce viteza de baleiaj:


1   IL'

2 dUa td


(5.16)


rezultand principiul lupei de timp. Viteza de baleiaj poate fi marita fie prin cresterea amplificarii A, fie prin micsorarea duratei dintelui, td. Cea de a doua solutie este posibila daca spotul este baleiat cu doua baze de timp: una normala BTX si cealalta rapida (sau intarziata) BT2. Baza BT2 este declansata in vecinatatea detaliului de studiat, care va fi desfasurat pe intregul ecran.

Schema de principiu a bazei de timp duble este redata in figura 5.19.



x    Placile X


Grila

tubului

catodic


Fteglaj intarziere



Fig. 5.19

Baza de timp normala, BTX, elaboreaza rampa u xl de durata tdX si ampli-tudine U'xm, corespunzatoare baleierii spotului pe intreaga cursa orizontala a ecranului. Tensiunea u'xi este comparata in comparatorul de tensiune C cu o tensiune prescrisa Up, continua, reglata de operator. In momentul egalitatii celor doua tensiuni, u'xi = Up, comparatorul emite un impuls ce declanseaza baza de timp rapida BT2. Aceasta elaboreaza o rampa u'x2 de durata td2 mai scurta si aceeasi amplitudine U'xm, ceea ce permite desfasurarea pe restul ecranului a detaliului vizat. Intervalul dintre momentele de timp ale declansarii bazelor de timp reprezinta timpul de intarziere t, al bazei BT2 care este reglat de operator pana in vecinatatea detaliului vizat.

Cum pe durata td2 a cursei rapide viteza de defilare a spotului creste, ceea ce duce la scaderea vizibilitatii, in scopul mentinerii luminozitatii trasei, blocul BT2


Osciloscopul catodic


243


elaboreaza un impuls dreptunghiular aplicat amplificatorului A, de intensificare a spotului si apoi grilei de comanda a tubului catodic, ceea ce permite vizualizarea in bune conditii a detaliului vizat.

Modul de functionare al bazei de timp duble se poate urmari pe diagrama de timp din figura 5.20, pentru cele trei situatii de lucru:

a)   'numai BTX' - functioneaza baza de timp normala, ceea ce determina
reprezentarea pe ecran a intregului semnal, de exemplu o succesiune de impulsuri
cain figura 5.20/?;

b)   'BTi intensificat de BT2' - baza, de timp BTX serveste pentru vizualizarea
intregului semnal pe ecran, dar pe durata bazei de timp BT2 spotul este intensificat.
Intarzierea t, a declansarii bazei BT2 se regleaza astfel ca portiunea intensificata a
spotului sa acopere detaliul ce urmeaza a fi examinat (ca in figura 5.20J?);


UX1

_——-

^-——

_——

——'

_—------

_-——-'

iu

p

y

'T-di

/

Uim

to

*d2

Coma

I

pe gri

a

inf

inn

n

in

i n r

inn

n

nnn

c

/


BTi

BTn


Fig. 5.20

c) 'BT2 intarziat de BTi' - baza de timp BT2 serveste pentru vizualizarea pe intregul ecran a detaliului cuprins in td2. Acest mod serveste si la masurarea precisa a intervalelor mici de timp, asa cum rezulta din figura 5.20,c.

Uneori este util si sa se vizualizeze simultan atat versiunea 'lenta' a semna-lului corespunzatoare bazei BTX cat si versiunea 'rapida' a detaliului corespunzatoare bazei BT2.

O solutie o constituie comutarea sistemului de deflexie intre cele doua baze de timp, simultan fiind realizata si o separare pe verticala a celor doua oscilograme. Pentru modul de lucru 'BT2 intarziat de BTX' imaginea de pe ecran cuprinde oscilogramele b si c din figura 5.20.


244                                                                                                                       Masurari electronice

O alta solutie o constituie mixarea celor doua baze de timp. In acest caz semnalul se vizualizeaza cu baza BTX pe toata durata timpului de intarziere si apoi se vizualizeaza detaliul cu baza BT2.

5.4.6. Circuitul de sincronizare pe semnal TV

La verificarea si depanarea receptoarelor TV, osciloscopul se utilizeaza pentru vizualizarea fie a unei linii complete din baleiajul orizontal, fie a unui cadru (semicadru) din baleiajul vertical. Pentru aceasta trebuie ca baza de timp a osciloscopului sa fie sincronizata pe unul din impulsurile de sincronizare a liniilor sau cadrelor (v. fig. 5.15) si astfel oscilograma semnalului TV examinat este stabila pe ecran.

Semnalul video cules dupa detectie contine o zona a nivelului de tensiune care cuprinde impulsurile de sincronizare destinate a comanda startul fiecarei linii sau al fiecarui semicadru si o alta zona care moduleaza luminozitatea spotului pe durata fiecarei linii (adica continutul luminos al imaginii). Pentru sincronizarea bazei de timp a osciloscopului pe startul de linie sau de cadru este necesar, mai intai, ca circuitul de sincronizare sa contina un amplificator cu prag care sa separe din semnalul video numai partea de sincronizare (partea modulatoare video este retezata, amplificatorul fiind blocat). La iesirea amplificatorului se culege un sir de impulsuri: unele pentru sincronizare linii de 4,5 us/impuls si altele pentru sincronizare cadre de 27 us/impuls.

Acest sir de impulsuri se aplica la intrarea triggerului Schmitt TS din figura 5.15 si se asigura ca acesta sa declanseze pe impulsurile de linii.

Pentru a putea sincroniza baza de timp pe impulsurile de cadre, este necesar un circuit separator care sa elimine impulsurile de linii si sa permita trecerea numai a impulsurilor de cadre. Acesta este un circuit integrator de timp RC cu constanta de timp x = 30 -f- 50 us, mult mai mare decat durata de 4,5 us a impulsului de sincronizare linii. In figura 5.21 se prezinta diagrama tensiunii de la bornele condensatorului pentru impulsuri de linie si cadre. Pe durata unui impuls de linie condensatorul se incarca la un nivel sub pragul de declansare al triggerului Schmitt, iar pe unul din cadre se incarca la un nivel suficient pentru declansarea triggerului din baza de timp a osciloscopului.



X

4.5JJS


27MS                                 _L         4,5HS|                                   27 MS   |


I

Fig. 5.21

Schema unui circuit de sincronizare pe semnal TV este aratata in figura 5.22. Se face conectarea intre IP si TS cu comutatorul triplu Ki-K2-K3 care functioneaza pe una din pozitiile: in pozitia N (normala) inversorul de polaritate IP este conectat


Osciloscopul catodic


245


direct cu TS; in pozitia TVL este introdus amplificatorul prag, cu tranzistorul T polarizat prin Ri-R2, astfel meat sa reteze toata partea modulatoare a semnalului video si sa treaca numai sirul de impulsuri de sincronizare linii si cadre; in pozitia TVC este introdus si circuital integrator RC care sterge impulsurile de linii si lasa sa treaca numai impulsurile de cadre.

Fig. 5.22

La osciloscopul romanesc E 0102 pozitia TVL lipseste, adica baza de timp a osciloscopului se sincronizeaza numai pe impulsurile de cadre.

5.5. AMPLIFICATORUL FINAL AL CANALULUIZ

Amplificatorul final Ax poate fi cuplat fie la baza de timp K5 in pozitia a (din figura 5.1), pentru functionarea osciloscopului in sistemul de coordonate y-t, fie la intrarea X cu K5 in pozitia b pentru functionarea in sistemul y-x.

Acesta amplifica tensiunea liniar variabila a bazei de timp avand amplitadinea UxM = 5-8 V pana la nivelul cerut devierii spotalui pe orizontala Ux = 100-150 V.

Pentru evitatea efectalui de trapez a oscilogramei, atacul placilor de deflexie pe orizontala se face cu doua tensiuni simetrice in antifaza, culese de la cele doua iesiri ale amplificatorului.

Schema amplificatorului Ax este asemanatoare schemei amplificatorului Ay, insa ceva mai simpla deoarece: pe de o parte, banda de frecventa necesara este cu un ordin de marime mai joasa,/& < (0,l-0,2)fy, deci cu mai putine corectii de frecventa, iar pe de alta parte, amplificarea ceruta este mult mai redusa, fiindca amplitadinea UxM este mult mai mare decat a semnalului de iesire din atenuatorul canalului Y (10-50 mV), deci nu mai este necesar un preamplificator.

In figura 5.23 este prezentata o schema simpla a amplificatorului final al blocului de deviatie pe orizontala.


246


Masurari electronice


+200V

Fig. 5.23

Observam ca este un amplificator inversor Schmitt, in care 7i lucreaza in emitor comun, iar T2 in baza comuna. Baza lui 7 primeste tensiunea in dinti de ferastrau, iar baza lui T2 primeste tensiunea de axare a spotului pe orizontala, reglabila prin potentiometrul P4. In colectorul lui 7 se obtine semnalul- Au 'x (semnalul amplificat de A ori si inversat ca faza), iar in colectorul lui T2 se obtine semnalul Au'x. Cu ajutorul potentiometrului P6 se regleaza amplificarea in scopul etalonarii trasei pe axa x.

Aceasta schema da rezultate satisfacatoare pana la frecvente de 100-200 kHz. Pentru o banda mai larga, schema amplificatorului consta din doua defazoare Schmitt conectate in cascada (iesirile din colectoarele tranzistoarelor 7 si T2 reprezinta intrari pe bazele unor tranzistoare T3 si T4), dintre care unul este de joasa tensiune (12 V) si celalalt de tensiune ridicata (200 V). Aceasta schema utilizata la oscilo-scopul standard permite modificarea amplificarii de la valoarea A la 5A, in scopul realizarii efectului de lupa de timp (prezentat anterior). Prin aceasta se realizeaza o dilatare a oscilogramei dupa axa x, astfel ca detaliul ce intereseaza sa cuprinda o buna parte sau chiar intreg ecranul.

5.6. LINIA DE INTARZIERE A CANALULUIY

Linia de intarziere, LI (v. fig. 5.1), se plaseaza intre preamplificator si ampli-ficatorul final (ca in figura 5.10) si se utilizeaza numai la osciloscoapele cu baza de timp declansata.

Toate blocurile componente ale canalului Y din figura 5.10 si cele ale canalului X din figura 5.15 produc intarzieri in transmiterea semnalelor la placile de deflexie. Valorile tipice ale timpilor de intarziere sunt:

-    canalul Y: %PA = 10 ns, xAy= 40 ns, %u = 100-150 ns si xy= 150 ns;

-    canalul X: %[P = 20 ns, Tk = 30 ns, %GB = 80 ns, zAX = 80 ns si zx = 150 ns.


Osciloscopul catodic                                                                                                                           247

Se observa ca fata de momentul intrarii semnalului de masura, canalul X produce o intarziere xx = 150 ns, iar canalul Y fara LI o intarziere de 50 ns. De exemplu, dintr-un impuls singular cu durata de 130 ns se vizualizeza numai portiunea finala de 30 ns. Rolul LI este de a intarzia semnalul uy cu eel putin 100 ns, astfel ca acesta sa ajunga pe placile de deflexie Y simultan cu ux sau chiar putin in urma.

De asemenea, se observa ca si semnalul de aprindere a spotului trebuie intarziat cu 50-60 ns, pentru ca sa fie sincron sau sa devanseze putin startul rampei u 'x a generatorului de baleiaj.

Linia de intarziere se realizeaza sub forma de cablu similar cu eel coaxial si care se comporta ca o linie de transmisie cu constante distribuite. Pentru a mari inductivitatea pe unitatea de lungime, conductorul central este inlocuit cu un solenoid din sarma emailata infasurata pe o inima subtire din polietilena, iar conductorul exterior este sub forma de tesatura metalica din sarma subtire de cupru. Inductivitatea este data de catre solenoid, iar capacitatea de catre con-densatorul cilindric format intre solenoidul interior si impletitura exterioara si are ca dielectric camasa de polietilena. Acest tip de cablu produce o intarziere de 180 ns/m si are o impedanta caracteristica de 1000 Q.. Daca se inlocuieste miezul din polietilena cu unul de ferita creste timpul de intarziere.

In fine, linia de intarziere poate fi realizata si sub forma de circuit imprimat dublu placat. Inductivitatea este constituita din cele doua circuite in creneluri, iar capacitatea de catre aceleasi circuite ce formeaza un condensator cu armaturi plan-paralele, avand drept dielectric suportul ebctroizolant al placatului. Acest tip de linie de intarziere poate fi integrat direct pe placa blocului PA - Ay.

La implementarea blocului L/pe canalul Y trebuie acordata atentie adaptarii, pentru a evita reflexiile.

5.7. SONDE PENTRU OSCILOSCOAPE

Sonda sau capul de masurare este dispozitivul prin care se preleveaza semnalul in punctul de masurare pentru a fi adus la borna de intrare a osci-loscopului.

Conectarea osciloscopului la punctul de masurare cu doua conductoare determina distorsionarea imaginii pe ecran, deoarece acestea capteaza semnale parazite din exterior. De asemenea, se introduce o capacitate suplimentara de circa 100 pF/m la intrarea osciloscopului, cu un puternic efect de suntare la inalta frecventa. Pentru a elimina aceste influente parazite se utilizeaza sonda, care este formata din capul de sonda (sonda propriu-zisa), cablu coaxial si mufe. Dupa tipul elementelor componente sondele sunt pasive (cu elemente pasive de tip RQ si active (cu tranzitoare cu efect de camp si tranzistoare bipolare).


248


Masurari electronice


5.7.1. Sondele pasive

Sunt cele mai raspandite, intrucat sunt simple si usor manevrabile. Pentru masurari la frecvente joase se utilizeaza sonda normala 1/1 care nu are nici un efect (atenuare sau amplificare) asupra semnalului sau impedantei de intrare. La frecvente inalte se utilizeaza sonda cu atenuare 1/10 sau 1/100, care contine un divizor de tensiune de tip RC compensat in frecventa. Schema electrica a sondei 1/10 este aratata in figura 5.24, unde: 1 este sonda propriu-zisa, 2 - cablu coaxial, 3 - osciloscopul catodic.

TCT    I


Fig. 5.24

Pentru

divizorul

de

tensiune

RC, raportul

tensiunilor:

1

- +

J®Ci + -

4- iaC

1 + j(»)RlCl i 1 + j<nRiC2

m -

Rl                  tf,

Uy

1

oC

R


(5.17)


C  - C a-C

unde: /?; si C, sunt rezistenta de intrare (de ordinul 1-10 MQ) si capacitatea de intrare (de ordinul zecilor de pF) ale osciloscopului; Cc - capacitatea cablului coaxial; C2 - capacitatea de intrare la osciloscop care poate atinge (si chiar depasi) 100 pF.

La astfel de valori ale lui C2, la frecvente inalte se produce un puternic efect de suntare a osciloscopului. De exemplu, pentru C2 = 100 pF si / = 1 MHz, impedanta de intrare a osciloscopului este de circa 1,6 kH, ceea ce duce la o incarcare importanta a sursei de semnal (efectul de sarcina) si deci la aparitia unor erori mari la masurarea tensiunii uYi.


Osciloscopul catodic


249


Pentru a reduce capacitatea de intrare a osciloscopului se conecteaza in serie cu C2 un condensator Cx de capacitate mica (5.10 pF). Insa Cx si C2 formeazaun divizor de tensiune care trebuie compensat in frecventa si in acest scop se sunteaza C curezistenta,/?i.

Pentru ca raportul m sa fie independent de frecventa, rezulta conditia de compensare in frecventa a divizorului de tensiune, adica:

(5.18)

situatie in care raportul tensiunilor devine:


m =



(5.19)


In acest caz, valorile elementelor aditionale sunt:


-1), Cx=


C2

m-


(5.20)


iar impedanta de intrare devine:


Rt =


 j= mR,


(5.21)


Divizorul de tensiune reduce de m ori capacitatea de intrare si efectul de suntare devine neglijabil chiar la frecvente inalte. Reglajul compensarii in frecventa se face asupra lui Cx (un trimer ceramic sau condensator coaxial format in corpul sondei).

Pentru valorile tipice: R, = 1 M£l, C2 = 9 pF, m = 10, rezulta: Rx = 9 MQ, d

= lOpF, R = = 10 mQ, C = 9pF, UY=^.

Sonda 1/10 determina cresterea de 10 ori a impedantei de intrare dar si atenuarea de 10 ori a semnalului de intrare in osciloscop.

Controlul compensarii in frecventa (adica a relatiei 5.18) se face experimental cu ajutorul unui semnal dreptunghiular de 1 kHz (care este disponibil pe panoul osciloscopului). Se culege semnalul cu ajutorul sondei si se urmareste raspunsul pe ecran, care poate avea una din formele prezentate in figura 5. 25.

compensat d

Fig. 5.25


250                                                                                                                       Masurari electronice

Pentru raspunsul b capacitatea C este prea mare si divizorul se transforma intr-un circuit trece-sus (derivator), iar semnalul este ascutit. Pentru raspunsul c capacitatea Cx este prea mica, circuital devine trece-jos (integrator), iar semnalul este rotunjit. Pentru raspunsul d este indeplinita conditia compensarii prin reglajul lui C, iar semnalul apare nedeformat pe ecran.

5.7.2. Sondele active

Sondele active permit amplificarea locala (tipic 100 ori) a semnalului de masurat si deci transmiterea acestuia spre osciloscop la un nivel mai ridicat, ca atare mai putin afectat de semnalele parazite. De asemenea, sondele au rolul de a reduce capacitatea de intrare a osciloscopului; in acest scop intrarea semnalului se face pe un tranzistor cu efect de camp in montaj sursa comuna, care are o capacitate de intrare sub 1 pF si o amplificare mare. Iesirea semnalului din sonda propriu-zisa se face printr-un repetor pe emitor, acesta avand o impedanta de intrare mare (de ordinul MQ) si o impedanta de iesire mica (de ordinul zecilor de ohmi), are o buna adaptabilitate cu cablul coaxial si permite transmiterea corecta a impulsurilor. Repetorul modifica curentul si nu amplifica tensiunea (tensiunea de iesire este egala si in faza cu tensiunea de intrare).

Sondele active sunt utile la masurarea tensiunilor din domeniul milivoltilor, folosind osciloscoape obisnuite (20 mV/div.).

Orice sonda incarca sursa de semnal (efectul de sarcina) si cauzeaza erori (de amplitudine, faza si timp de crestere) cu atat mai mari cu cat frecventa de lucru este mai mare. Ca atare, alegerea sondei adecvate se face ca aceste erori sa fie cat mai mici.

Sondele pasive 1/1 sunt recomandate pentru masurari de semnal sinusoidal cu frecventa mai mica decat 50-100 kHz (sunt bune numai pentru AF).

Pentru masurari de tensiuni sinusoidale de RF (peste 1 MHz) si de impulsuri dreptunghiulare trebuie utilizate sonde pasive sau active cu atenuare 1/10 sau 1/100. Erorile sunt cu atat mai mici cu cat rezistenta de intrare R, este mai mare, iar capacitatea de intrare C, este mai mica. De exemplu, la 1 MHz sonda 1/1 de 1 MH/75 pF produce o eroare de amplitadine eu = 12% si o eroare de faza Acp = 8°, in timp ce sonda 1/10 de 10 MQ/10 pF da erori eu = 2% si Acp = 1°. Daca masurarea cu sonda 1/1 se efectueaza la 100 kHz, erorile introduse au valori acceptabile, eB = 1,5% si Acp = 1°.

In cazul impulsurilor dreptanghiulare, eroarea ce apare la masurarea timpului de crestere a tensiunii la sursa de semnal (bistabil, trigger, porti CMOS) este mica daca sonda aleasa are capacitatea de intrare C, < 1-3 pF, conditie ce o indeplinesc sondele active cu atenuatoare de capacitate.


Osciloscopul catodic


251


5.8. OSCILOSCOPUL CU DOUA CANALE

Pentru a vizualiza simultan doua semnale se foloseste osciloscopul cu doua canale (numit si duoscop). Dupa modul de realizare al celor doua canale se disting osciloscoapele cu doua fascicule de electroni sau cu un singur fascicul si comutator electronic incorporat.

5.8.1. Osciloscopul cu doua fascicule de electroni

In functie de modul de producere al celor doua fascicule, tubul catodic folosit la aceste osciloscoape se prezinta in trei variante:

a)     tubul catodic cu doua tunuri electronice si cu placi de deflexie inde-
pendente, atat pe verticala cat si pe orizontala;

b)          tubul catodic cu doua tunuri electronice, cu placi de deflexie pe verticala
independente si cu aceleasi placi de deflexie pe orizontala, semnalele fiind
vizualizate cu aceeasi viteza de baleiaj;

c)     tubul catodic cu un singur tun electronic si cu fasciculul de electroni
divizat dupa anodul ecran Ax (din figura 5.2.).

Deflexia pe orizontala a fasciculelor este comuna, iar deflexia pe verticala este separata pentru fiecare intrare A si B.

Schema de principiu a unui osciloscop cu doua fascicule (in varianta b) este aratata in figura 5.26, unde notatiile au semnificatiile din figura 5.1.


A  o—

Ext   o-


---- '
-*---

LI

AA

LI

L r1

A

BT


TC


Fig. 5.26

Osciloscoapele cu doua fascicule au bune performante (stabilitate, precizie la masurarea fazei etc.), insa sunt scumpe si se folosesc in cazuri speciale si mai rar decat varianta cu comutator electronic.


252


Masurari electronice


5.8.2. Osciloscopul cu comutator electronic

Acestea au un tub catodic obisnuit, adica cu un singur fascicul, un sistem de deflexie pe verticala si altul pe orizontala. Vizualizarea aparent simultana a doua semnale se bazeaza pe multiplexarea in timp a sistemului de deflexie pe verticala prin intermediul unui comutator electronic incorporat in blocul de amplificare al canalului Y.

Schema de principiu a acestui osciloscop este prezentata in figura 5.27.



X- Ext   a



Comutatorul electronic CE transmite succesiv pe placile de deflexie pe verticala esantioane din semnalele aplicate pe cele doua intrari A si B. Pe ecranul tubului, datorita persistentei luminoforului, apar simultan oscilogramele distincte ale celor doua semnale. Dupa tipul de comanda al comutarii se deosebesc doua moduri de lucruri: prin alternare si prin intrerupere. Alegerea unui mod de lucru se face de obicei de catre operator, printr-un comutator plasat pe panoul frontal al osciloscopului, in functie de frecventa semnalelor,

fA si fB

Modul de lucru prin alternare ('alternate'), in care comanda comutatorului electronic CE este data de tensiunea in dinti de ferastrau luata de la baza de timp. Pe durata unei curse directe se afiseaza tensiunea A, iar pe urmatoarea tensiunea B,

asa ca in figura 5.28,a. Comutarea semnalelor la intrarea amplificatorului Ay se face cu frecventa tensiunii de baleiaj.

Acest mod se recomanda la frecvente mari (> 100 Hz) ale semnalelor A si B pentru ca imaginea sa fie clara, fara palpaire.

Daca frecventa acestor afisari este mai mare de 30 -f- 50 ori pe secunda, atunci ochiul nu sesizeaza pauzele dintre afisari si percepe oscilogramele A si B ca si cum ar fi afisate simultan.


Osciloscopul catodic


253


Fig. 5.28

Modul de lucru prin intrerupere ('chopped' sau 'comutat'), in care CE lucreaza la o frecventa de comutare fixa (100 -r 200 kHz) data de un oscilator

autonom. Pe durata cursei directe a baleiajului au loc comutari succesive ale celor doua semnale la sistemul de deflexie pe verticala, ca si in figura 5.28,&. Se afiseaza esantioane din ambele oscilograme. Daca frecventa semnalelor de intrare este mult mai mica decat frecventa de comutare, esantioanele aceluiasi semnal sunt apropiate si ochiul percepe cele doua oscilograme ca fiind continue. Acest mod se recomanda pentru frecvente mici, la care apare efectul de palpaire pentru modul de lucru prin alternare.

In ambele moduri de lucru semnalul de sincronizare al bazei de timp se ia de pe unul din canalele A sau B.

In concluzie, modul de lucru prin alternare este bun pentru frecvente mai mari decat 100 Hz, iar eel prin intrerupere pentru frecvente mai mici decat 5 -e-10 kHz).

Osciloscopul cu comutator electronic, in afara de vizualizarea simultana a tensiunilor A(t) si B(t) face posibila si alte operatii de masurare: numai A(t) sau numai B(t) sau suma A + B sau diferenta A - B sau produsul A x B sau curba A(B) etc.

5.9. OSCILOSCOPUL CU ESANTIONARE

Osciloscopul prezentat pana la acest subcapitol realizeaza o corespondenta biunivoca intre fiecare punct al imaginii de pe ecran si fiecare valoare a semnalului vizualizat si se numeste osciloscop in timp real. Limita superioara a frecventei semnalului pana la care poate functiona acest osciloscop este impusa:

-    de banda de frecventa a amplificatorului AY (ceea ce ar necesita un ampli-
ficator de banda larga - ABL);

-    de capacitatea cablului coaxial, care la frecvente inalte produce efectul de
suntare a osciloscopului si scaderea drastica a impedantei de intrare (vazuta de la


254                                                                                                                       Masurari electronice

sursa de semnal) a osciloscopului, chiar daca se utilizeaza sonde atenuatoare cu capacitati de compensare (v. subcapitolul 5.7);

- mai ales de deflexia pe verticala din tubul catodic (v. caracteristica de frecventa din figura 5.7.).

Iesirea din acest impas s-a rezolvat prin tehnica esantionarii, care permite cresterea frecventei pana la ordinul zecilor de GHz.

Esantionarea unui semnal variabil in timp consta m descompunerea acestuia in portiuni mici (esantionare), fie in scopul pregatirii semnalului pentru masurare pe cale numerica, fie in scopul micsorarii frecventei.

In primul caz este vorba de esantionare in timp real ce se utilizeaza la aparatele numerice de masurat (voltmetre, osciloscoape etc.). Principiul acestuia consta in a lua esantioane de amplitudine din semnal la intervale egale de timp, At, numit pasul esantionarii.

In eel de-al doilea caz, semnalul de inalta frecventa este convertit intr-un semnal de joasa frecventa, pastrand aceeasi forma de variatie in timp ca si cum s-a efectuat o translatie a frecventei. Exista doua metode de esantionare: secventiala si aleatoare. Pe aceasta tehnica functioneaza osciloscopul cu esantionare pentru masurari la inalta frecventa.

5.9.1. Principiul esantionarii secventiale

Din semnalul de inalta frecventa u(f) se preleveaza esantioane cu durata foarte scurta (sute de ps), pe baza carora apoi se reconstituie semnalul initial la o frecventa mult mai joasa, u'(f').

In figura 5.29 se prezinta principiul esantionarii secventiale a unui semnal sinusoidal de inalta frecventa. Fata de momentul de referinta (al trecerii prin zero) al tensiunii u(f) se preleveaza primul esantion dupa un interval de timp At. Urma-toareb esantioane (k = 2, 3, 4, , 8) se preleveaza la intervale de timp T+ kAt fata de esantionul anterior (T este perioada tensiunii u) pana la explorarea completa a semnalului. Pe baza esantioanelor memorate se reconstituie semnalul u'(f '). Din analiza figurii 5.29 se constata ca scara de timp a semnalului reconstituit este de 8 ori mai mare decat cea a semnalului original, ceea ce inseamna ca frecventa/ ' este de 8 ori mai mica decat frecventa /. Semnalul reconstituit u' este discontinuu, fiind format dintr-o succesiune de puncte. Deoarece fiecare punct corespunde unui esantion rezulta ca marirea rezolutiei semnalului u' implica marirea numarului de esantioane, deci micsorarea intervalului At (care defineste rezolutia pe orizontala). In practica numarul de esantioane prelevate pentru reconstructia unei perioade T variaza intre cateva unitati si cateva mii. Pentru un numar mic de esantioane reconstructia semnalului poate fi eronata; o oarecare ameliorare se poate obtine cu un dispozitiv de interpolare.


Osciloscopul catodic


255


In esenta, principiul esantionarii secventiale consta in translatia semnalului de inalta frecventa in domeniul frecventelor joase, ceea ce face posibila prelucrarea si afisarea semnalului pe un osciloscop de joasa frecventa (1-10 MHz).

u'

u(f)

2

f

(

    (

i

f   /

'V (

r

)

)

w

j

T+At

,T+2At



> x=t



Fig. 5.29

Esantionarea o face circuitul de esantionare care este montat in sonda de masurat. Schema de principiu a acestuia este aratata in figura 5.30.


=1-1000 MHz


10 MHz Fig. 5.30

Tensiunea de inalta frecventa u(f) este aplicata la intrarea portii de esanti­onare PE (ce are rolul de intreruptor). Comanda de inchidere a portii se face cu impulsuri foarte scurte (At sute de ps). Pe durata inchiderii, condensatorul de


256                                                                                                                        Masurari electronice

esantionare C se incarca la o valoare ce nu depaseste 10-20 % din valoarea instantanee a tensiunii u = u(f). Tensiunea la care se incarca condensatorul este:



 (5.22)


unde R este rezistenta interna a portii si C - capacitatea condensatorului. Deoarece constanta de timp a circuitului, x = RC » At condensatorul se incarca la o fractiune din tensiunea de intrare u = u(f).

Esantionul de tensiune uc este adus la valoarea instantanee a tensiunii de intrare cu amplificatorul de esantionare AE, cu amplificare de eel putin 5^10. Prin circuital de reactie al amplificatorului, aceasta tensiune este adusa la bornele condensatorului, astfel meat la o noua inchidere a portii tensiunea uc va inregistra numai variatia fata de esantionul precedent.

Esantioanele preluate prin PE si C si refacute de AE la valoarea tensiunii de intrare sunt aplicate prin cablul coaxial intrarii Y a osciloscopului de 10 MHz. Tensiunea u' constituie o replica de joasa frecventa a tensiunii u(f).

5.9.2. Osciloscopul cu esantionare secventiala

Acesta este un osciloscop de joasa frecenta (1-10 MHz) asociat cu o sonda de esantionare reductoare de frecventa si un circuit de memorare (alcatuit dintr-un amplificator si un registru de deplasare) care reduce frecventa semnalului esantionat pana la 0,1-5 Hz, ceea ce face posibila cuplarea unui inregistrator.

Cu osciloscopul cu esantionare se fac masurari la inalta frecventa, iar rezultatul se prezinta fie sub forma de oscilograma pe ecran, fie sub forma de inscriptograma ridicata cu inregistrator X-Yconectat la osciloscop.

In principiu osciloscopul cu esantionare se compune din: circuital de sincronizare, pentru stabilirea momentelor de referinta a declansarii bazei de timp; circuital de esantionare, pentru translatia semnalului in domeniul de joasa frecventa; circuital de deplasare a spotului pe orizontala (sau generic baza de timp) proportional cu pozitia punctului de esantionare pe semnal; circuitele proprii osciloscopului de joasa frecventa (prezentate anterior).

Schema bloc a osciloscopului cu esantionare secventiala este redata in figura 5.31, unde: LI este linia de intarziere; CE - circuital de esantionare realizat cu diode de comutatie foarte rapide (exemplu, dioda Schottky); AM - ampli­ficatorul de memorare; AY- amplificatorul final al canalului Y; CS - circuital de sincronizare (de declansare rapida), format dintr-un trigger Schmitt in regim de formator de impulsuri dreptunghiulare si un oscilator autoblocat care genereaza impulsuri foarte scurte; BTR - baza de timp rapida, pentru generarea tensiunii in rampa; C- comparator de tensiune, ce compara tensiunea in rampa cu o tensiune in trepte; GTT - generatorul de tensiune in trepte; GIE - generatorul de impulsuri de esantionare; Ax- amplificatorul final pentru deflexia pe orizontala; TC - tab catodic.


Osciloscopul catodic


257



u(f)


LI

CE

AM

A,

I

TC

©

I

GIE

(5)

l%mil[

__

CS

BTR

C

GTT

1

1

X


Fig. 5.31

Modul de functionare este prezentat in continuare in figura 5.32, unde se dau diagramele tensiunilor in unele puncte ale schemei. Semnalul de masurat u(f) (1-1000 MHz) se aplica prin linia de intarziere (cu 8-10 ns) circuitului de esantionare si apoi amplificatorului de memorare. Acelasi semnal se aplica circuitului de sincronizare care genereaza impulsurile de sincronizare, 1, ce reprezinta referinta de timp. Acestea declanseaza baza de timp rapida a carei tensiune in rampa 2 se compara cu tensiunea in trepte 3 in comparatorul de tensiune. In momentul egalitatii celor doua tensiuni, comparatorul emite un impuls care comanda simultan trei blocuri:

-     GIE, care emite impulsurile de esantionare 4 pentru circuital de esantionare
si amplificatorul de memorare;

-     GTT, care comanda cresterea cu o treapta a tensiunii 3;

-     TC, care intensifica spotal (spotal aprins) pe durata afisarii esantionului
respectiv si stinge spotul (prin negativarea grilei de comanda) astfel incat deplasarea
de la un esantion la altul sa nu poata fi observata.

Esantionul prelevat prin CE si refacut la valoarea initiala de catre amplificatoarele AE si AM si apoi adus la nivelul deflexiei pe verticala prin Ay constitaie o treapta a tensiunii Uy necesara afisarii unui punct al oscilogramei.

Deplasarea spotului pe orizontala se face tot in trepte si este asigurata de tensiunea in trepte a GTT (care in acest caz joaca rolul de baza de timp a osciloscopului). In momentul cand tensiunea creste cu o treapta (adica deplaseaza spotul spre dreapta ecranului) soseste si esantionul corespunzator prelevat din uy si spotal marcheaza pe ecran un punct al oscilogramei. Sincronizarea treptelor lui Ux cu cele ale lui Uy se realizeaza prin ajustarea liniei de intarziere. Cand tensiunea in trepte atinge nivelul maxim corespunzator pozitiei spotului in extremitatea din dreapta a ecranului, se sesizeaza GTT si spotal revine in extremitatea din stanga ecranului.

Se observa ca impulsurile de esantionare se produc in momentul cand tensiunea in rampa 2 este egala cu tensiunea in trepte 3, ceea ce inseamna ca numarul de esantioane prelevat pentru reconstructia semnalului u' intr-o perioada t' este egal cu numarul de trepte al tensiunii 3.

Acest numar se prescrie cu un comutator al GTT de pe panoul frontal, pentru o rezolutie impusa. Cu cat numarul de trepte este mai mare cu atat rezolutia este mai buna si deci reconstructia tensiunii u' este mai exacta. Perioada t' depinde de


258


Masurari electronice



perioada de recurenta a impulsurilor de esantionare, Te. In exemplul din figura 5.32, Te= T+ At in care Teste perioada semnalului de masurat uy, iar At = 778.


Fig. 5.32

In practica insa, pasul de esantionare se poate extinde pe mai multe perioade, si deci Te = mT+ Tin, relatie in care m si n trebuie sa fie numere intregi. Numarul m de care depinde gradul de reducere a frecventei se programeaza prin GIE, iar n prin GTT. In felul acesta /' frecventa poate fi coborata pana la ordinul hertz-ilor, ceea ce permite cuplarea unui inregistrator X-Y ('plotter') la AM si GTT. Aceasta posibilitate permite cresterea preciziei de masurare precum si imbunatatirea raportului semnal/zgomot (prin atenuarea importanta a zgomotului suprapus peste tensiunea de masurat ca urmare a inertiei mari a inregistratorului), calitati imposibil de atins la osciloscopul in timp real (osciloscopul clasic).

Osciloscopul cu esantionare secventiala se utilizeaza numai pentru vizuali-zarea semnalelor repetitive (perioada de repetitie a semnalului nu este constanta si ca atare semnalul nu este periodic in timp).

5.9.3. Osciloscopul cu esantionare aleatoare

Acesta, fata de osciloscopul cu esantionare secventiala, permite vizualizarea semnalelor de orice fel (repetitive si nerepetitive) si nu mai necesita o linie de intarziere pe canalul de deflexie pe verticala. In schimb, schema este mai complicata intrucat necesita circuite de esantionare-memorare pe fiecare canal.

Principiul esantionarii aleatoare consta in prelevarea de esantioane atat din semnalul de vizualizat cat si din tensiunea bazei de timp, la momente de timp


Osciloscopul catodic                                                                                                                           259

oarecare, fara legatura cu perioada semnalului, care se inregistreaza in cele doua memorii. Acestea sunt afisate corelat, pentru reconstructia semnalului de intrare la o frecventa mult mai joasa, u '(f').

5.10. OSCILOSCOPUL CU MEMORIE

Osciloscopul cu memorie are capacitatea de a memora datele de masurare pe baza carora se pot realiza urmatoarele aplicatii specifice:

-    afisarea continua a unui semnal nerepetitiv sau a unei imagini fixe (dupa
desfasurarea fenomenului);

-    punerea in evidenta a variatiilor unui semnal produse de modificarea unor
parametri de mediu sau in timp;

-    compararea a doua semnale care apar la momente diferite de timp;

-    afisarea unui semnal cu frecventa de repetitie redusa fara palpairea imaginii;

-   reducerea perturbatiilor aleatoare la functionarea cu persistenta variabila.
Osciloscopul cu memorie este potrivit pentru sesizarea si vizualizarea in

bune conditii a semnalelor din regimurile tranzitorii rapide, cand ochiul nu are timp sa perceapa oscilograma produsa pe ecranul osciloscopului de timp real.

Osciloscoapele cu memorie se realizeaza in doua variante fundamental diferite: cu memorie analogica si cu memorie numerica.

5.10.1. Osciloscopul cu memorie analogica

Se compune dintr-un tub catodic cu memorie si din circuitele electronice aferente care asigura inscrierea si stergerea imaginilor (traselor). Tubul catodic cu memorie a fost prezentat in paragraful 5.2.5 (v. fig. 5.8).

In functionarea unui tub catodic cu memorie se disting trei operatii: inscrierea, afisarea si stergerea imaginii.

In faza de pregatire se aduc toate celulele grilei de memorie la un potential negativ, in vederea inscrierii informatiei. Electronii lenti produsi de tunul de inundare nu pot patrunde spre ecran, deoarece sunt respinsi de dielectric si atrasi de grila colectoare (ce are un potential de circa 100 V) si ca atare ecranul nu este iluminat (v. fig. 5.8).

In faza de inscriere (inregistrare) se declanseaza tunul de scriere prin aplicarea unui potential pozitiv pe grila de comanda. Fasciculul primar de electroni dupa focalizare si deflexie bombardeaza suprafata grilei de memorare cu o energie suficient de mare pentru a provoca emisia secundara de electroni. Electronii sunt atrasi de grila colectoare (cu potentialul de 100-200 V), ceea ce duce la incarcarea pozitiva a traseului cb pe suprafata grilei de memorare parcurs de spotul de scriere. Imaginea semnalului este inregistrata astfel prin dara de potential pozitiv produsa de fasciculul primar si care se mentine datorita proprietatilor dielectrice ale grilei.


260                                                                                                                       Masurari electronice

Aceasta dara este mai transparenta (permeabila) pentru electronii din fasciculul difuz decat partea din grila ce nu a fost bombardata.

In faza de afisare (redare) a imaginii inscrisa pe grila de memorie sunt puse in functiune tunurile de inundare, iar tunul de inscriere este blocat. Electronii lenti emisi de acestea sunt usor accelerati de grila colectoare, o depasesc si apoi tree prin grila de memorie prin dreptul punctelor incarcate pozitiv. Apoi, electronii sunt accelerati de anodul de postaccelerare astfel ca la bombardarea ecranului se produce fenomenul de emisie fotoelectrica si pe ecran apare imaginea luminoasa a informatiei memorate. Punctele grilei cu potential negativ resping electronii lenti ce vor fi captati de grila colectoare. In felul acesta se transpune forma semnalului de pe grila de memorie pe ecran, la comanda operatorului, chiar in absenta semnalului de intrare. O imagine memorata poate fi afisata in mod continuu pana la stergere. Timpul in care imaginea este clara este limitat.

In faza de stergere a imaginii se aplica electrodului de stergere (plasa metalica a grilei de memorare) un impuls pozitiv (de aproximativ 4 V timp de o secunda) sau o secventa de impulsuri pozitive de durata variabila. Cea de a doua cale reprezinta functionarea cu persistenta variabila. Prin aceasta, grila de memorie devine mai pozitiva si atrage electronii lenti, ceea ce duce la uniformizarea sarcinilor si deci la stergerea informatiei. Timpul de stergere variaza intre cateva zecimi de secunda si cateva minute, in functie de latimea impulsurilor .

Electrodul de stergere, in afara de faptul ca este suportul stratului dielectric, realizeaza si deplasarea prin cuplaj capacitiv a potentialului suprafetei de memorare.

In final, performantele principale ale tuburilor catodice cu memorie sunt determinate de caracteristicile grilei de memorie si in particular de rezistenta de izolatie si proprietatile de emisie secundara ale dielectricului.

Pentru memorarea unor fenomene tranzitorii foarte rapide, ce implica o viteza de inseriere ridicata (1000 div./us) s-au realizat tuburi cu memorie avand o grila de memorie rapida dispusa inaintea grilei dielectrice. In afara de inscriere, prima grila este bombardata cu electroni rapizi emisi de tunurile de inseriere, iar in faza de transfer sarcina pozitiva este transferata grilei dielectrice si in final in faza de afisare este transformata in imagine de catre electroni lenti emisi de catre tunul de inundare.

Osciloscoapele cu memorie analogica sunt usor manevrabile, dar imaginile memorate nu se pot deplasa pe ecran, nu se pot mari, deoarece ele sunt legate intim de structura tubului catodic. Aceste osciloscoape se pot utiliza si ca osciloscoape in timp real fara memorie.

5.10.2. Osciloscopul cu memorie numerica

Marimea analogica ce trebuie masurata, u(i), este esantionata in timp real (fara schimbarea frecventei) intr-un circuit de esantionare-retinere, apoi codificata numeric (in binar) de un convertor analog-numeric.

Prelevarea esantioanelor, adica alegerea frecventei de esantionare, se face astfel meat prin pierderea de informatie sa nu fie afectata refacerea semnalului


Osciloscopul catodic


261


analogic de intrare. In acest sens, alegerea frecventei de esantionare se face in concordanta cu teoremele esantionarii:

-     daca/m este frecventa maxima din spectrul semnalului variabil continuu,
atunci frecventa de esantionare minima este, fe = 2fm (teorema esantionarii a lui
Shanon);

-     daca semnalul esantionat este trecut printr-un filtru trece-jos ideal cu
frecventa de taiere/m, la iesire se obtine semnalul initial.

In figura 5.33 este prezentata schema functionala a unui osciloscop numeric.

Fig. 5.33

Semnalul de intrare u(t) este trecut prin atenuatorul de tensiune A si pre-amplificatorul PA, apoi este esantionat in circuital de esantionare CE si codificat in binar in convertorul analog-numeric CAN. Datele numerice rezultate sunt stocate in memoria numerica M, de unde pot fi extrase oricand si reconstitait semnalul analogic cu convertorul numeric -analogic CNA. Afisarea oscilogramei pe ecran se poate face ori de cate ori este necesar, fara ca aceasta sa-si piarda din luminozitatea initiala (ceea ce nu se poate intampla la osciloscopul cu memorie analogica), cu o viteza diferita de cea a inregistrarii (inregistrarea putand fi comprimata sau dilatata in timp), compatibila cu capacitatea de perceptie a ochiului uman. La iesirile xout, Yout se poate cupla un inregistrator X-Ypentru ridicarea inscriptogramei semnalului de intrare.

Pe placile de deflexie pe orizontala se aplica tensiunea ux in trepte produsa de generatorul de tensiune in trepte GTT (care in acest caz joaca rolul de baza de timp a osciloscopului). In momental cand tensiunea ux creste cu o treapta soseste si esantionul tensiunii uy si pe ecran apare un punct al oscilogramei. Cand spotul luminos atinge extremitatea din dreapta a ecranului, tensiunea ux se anuleaza si spotul revine in extremitatea din stanga ecranului.

Programul de comanda este realizat de baza de timp cablata BT, pilotata de un oscilator cu cuart Q cu frecventa de 10 MHz.


262                                                                                                                       Masurari electronice

Osciloscopul numeric se poate cupla cu alte aparate de masura numerice (voltmetre, fazmetre etc.) in cadrul unui sistem automat de masurat.

5.11. TENDINTE ACTUALE IN EVOLUTIA OSCILOSCOPULUI

Osciloscopul catodic, in afara de vizualizarea formei semnalelor, mai are numeroase utilizari in tehnica masuratorilor electrice, electronice si magnetice. Astfel, se foloseste la masurarea tensiunii, curentului, puterii, frecventei, defazajului, rezistentei, inductantei, capacitatii, impedantei, duratei impulsurilor, gradului de mo-duktie, la ridicarea caracteristicilor: tranzistoarelor, amplificatoarelor, oscilatoarelor, materialelor magnetice etc. Osciloscopul este unul din cele mai raspandite aparate de masurat si este de neinlocuit la masurarile pe circuite integrate numerice, fenomene tranzitorii si in televiziune.

Ca atare, sunt justificate cercetarile intreprinse de firme prestigioase pentru cresterea performantelor osciloscopului.

O privire de ansamblu asupra literaturii de catalog din ultimii ani indica urmatoarele tendinte: utilizarea circuitelor integrate, utilizarea ecranului in culori, utilizarea ecranului cu cristale lichide, implementarea intr-o structura multi-functionala de tip multimetru, realizarea osciloscopului numeric cu microprocesor.

Utilizarea circuitelor integrate. Circuitele integrate patrund din ce in ce mai rapid in constructia osciloscopului, ceea ce face ca o serie de functionalitati (de exemplu baza de timp) sa fie implementate intr-un singur circuit capabil sa execute automat anumite reglaje. Ca atare, osciloscopul devine mai compact, mai versatil, mai precis, mai usor de manevrat.

Utilizarea ecranului in culori. Desi ecranul tip TV color are rezolutie mai slaba decat ecranul obisnuit, se dovedeste a fi mai util la analizoarele logice. Acestea sunt osciloscoape specializate pe vizualizarea semnalelor logice din tehnica numerica. Afisarea simultana in culori a unui numar de semnale evita erorile de interpretare (confundarea curbelor), sporeste confortul si creste viteza de lucru.

Utilizare ecranului cu cristale lichide. Acesta a permis reducerea consi-derabila a gabaritului osciloscopului, deoarece dimensiunile 'tubului' se reduc la cele ale ecranului. Datorita acestei calitati, osciloscopul a fost incorporat in structura unor multimetre numerice de buzunar, aparate cunoscute sub denumirea de multiscop ('Scope Meter').

De exemplu, aparatul Fluke 96 are functionalitatile :

-   osciloscop cu doua canale cu memorie numerica: / = 50 MHz, 1 mV/div. -

100 V/div., 10 ns/div. - 60 s/div., ecran 7x8cm2;

-    voltmetru numeric: afisaj 32/3 cifre (2,999), precizie: 0,5 % cc. si 1-3 % ca,
game: 0,3; 3; 30; 300 V cc. si ca.;

-          frecventmetru numeric cu 4 cifre, precizie 0,05%.


Osciloscopul catodic                                                                                                                           263

Ecranul in culori tip TV s-a inlocuit cu ecranul cu cristale lichide in culorile de baza rosu si verde. Acesta are rezolutia la fel de buna ca si ecranul obisnuit si pastreaza ergonomicitatea ecranului tip TV color.

Osciloscopul numeric cu microprocesor. Inlocuirea bazei de timp cablate a osciloscopului numeric cu un microprocesor a permis o simplificare importanta a comenzilor de operare (microprocesorul regleaza automat finetea si luminozitatea spotului, sincronizarea trasei etc.), precum si corectarea automata a unor erori (liniaritate, deriva termica etc.), ceea ce a condus la o crestere importanta a preciziei (0,5-1 % fata de 3-10 %), a versatilitatii si ergonomicitatii acestui tip de aparat. In plus osciloscopul cu microprocesor, poate fi asociat si cu alte aparate de masurat numerice (voltmetre, frecventmetre) intr-un sistem automat de masurat condus de calculator, prin intermediul unor interfete standard (cum sunt IEEE-488 sau RS-232).

Structuri multifunctionale de aparate numerice. Prin incorporarea unui voltmetru numeric si a unui frecventmetru numeric in cutia osciloscopului numeric se pot largi posibilitatile de exploatare prin: masurarea precisa a tensiunii si frecventei semnalului, afisarea rezultatelor acestor masurari, vizualizarea semnalului si efectuarea unor calcule asupra semnalelor afisate.

Deoarece la frecvente inalte (50-100 MHz) osciloscopul analogic este superior celui numeric s-au fabricat osciloscoape ce pot functiona atat in analogic cat si in numeric.

Realizarile din domeniul microelectronicii due nemijlocit la miniaturizarea si cresterea performantelor osciloscoapelor.

Mai nou, s-au realizat produse informatice de tip 'software' care permit simularea intregului osciloscop catodic cu ajutorul unui calculator de tip IBM-PC. Printr-o placa de achizitii (v. cap. 15), marimile de analizat (masurat), uyU uy2,, uyn, sunt stocate intr-un fisier, de unde sunt preluate - la cerere (prin comenzi ale programului-utilizator) - si afisate pe 'display'-ul calculatorului (pe care se 'deseneaza' si o grila de calibrare), in diverse culori (alese prin comenzi-program), cu o baza de timp simulata (si calculata in ms/div. tot prin produsul-program specializat pentru 'osciloscop').

 

DISTRIBUIE DOCUMENTUL

Comentarii


Vizualizari: 1316
Importanta: rank

Comenteaza documentul:

Te rugam sa te autentifici sau sa iti faci cont pentru a putea comenta

Creaza cont nou

Distribuie URL

Adauga cod HTML in site

Termeni si conditii de utilizare | Contact
© SCRIGROUP 2014. All rights reserved