Osciloscópio eletrônico - dispositivo, princípio de operação

O rádio amador, como hobby, é uma atividade muito emocionante e, pode-se dizer, viciante. Muitos entram nos maravilhosos anos escolares e, com o tempo, esse hobby pode se tornar uma profissão para toda a vida. Mesmo que você não tenha uma educação superior em engenharia de rádio, o estudo independente de eletrônica permite alcançar resultados e sucesso muito altos. Ao mesmo tempo, a revista Radio chamou esses especialistas de engenheiros sem diplomas.

Os primeiros experimentos com a eletrônica começam, via de regra, com a montagem dos circuitos mais simples, que começam a funcionar imediatamente sem ajustes e configurações. Na maioria das vezes, são vários geradores, chamadas, fontes de alimentação despretensiosas. Tudo isso pode ser coletado lendo a quantidade mínima de literatura, apenas descrições de padrões repetíveis. Nesta fase, como regra, é possível conviver com um conjunto mínimo de ferramentas: um ferro de solda, cortadores laterais, uma faca e várias chaves de fenda.

Gradualmente, os designs se tornam mais complicados e, mais cedo ou mais tarde, acontece que, sem ajustes e ajustes, eles simplesmente não funcionarão. Portanto, você precisa adquirir instrumentos de medição finos e quanto antes melhor. A geração mais velha de engenheiros eletrônicos possuía um testador de ponteiro com esse dispositivo.

Atualmente, o testador de chave, freqüentemente chamado de avômetro, substituiu multímetro digital. Isso pode ser encontrado no artigo "Como usar um multímetro digital". Embora o bom e velho testador de ponteiros não desista de suas posições e, em alguns casos, seu uso seja preferível em comparação com um dispositivo digital.

Ambos os dispositivos permitem medir tensões diretas e alternadas, correntes e resistências. Se é fácil medir tensões constantes, basta descobrir apenas o valor; então, com tensões alternadas, existem algumas nuances.

O fato é que o ponteiro e os dispositivos digitais modernos são projetados para medir uma tensão alternada senoidal e, em uma faixa de frequência bastante limitada: o resultado da medição será o valor real da tensão alternada.

Se esses dispositivos medem a tensão de uma forma retangular, triangular ou dente de serra, as leituras na escala do dispositivo, é claro, serão, mas você não precisa garantir a precisão das medições. Bem, há apenas tensão, e qual não é exatamente conhecida. E como, nesses casos, como continuar reparando e desenvolvendo novos circuitos eletrônicos cada vez mais complexos? Aqui o radioamador chega ao palco quando você precisa comprar um osciloscópio.

Um pouco de história

Com a ajuda deste dispositivo, você pode ver com seus próprios olhos o que está acontecendo nos circuitos eletrônicos: qual é a forma do sinal, onde ele apareceu ou desapareceu, as relações de tempo e fase dos sinais. Para observar vários sinais, é necessário pelo menos um osciloscópio de dois feixes.

Aqui podemos relembrar uma história distante, quando em 1969 foi criado o osciloscópio de cinco feixes C1-33, produzido em massa pela fábrica de Vilnius. O dispositivo usou um CRT 22LO1A, que foi usado apenas neste desenvolvimento. O cliente deste dispositivo era, é claro, o complexo industrial militar.

Estruturalmente, esse aparelho era composto de dois blocos colocados em um rack com rodas: o próprio osciloscópio e a fonte de alimentação. O peso total da estrutura foi de 160 kg! O escopo incluiu uma câmera de gravação RFK-5 conectada à tela, o que garantiu a gravação de formas de onda no filme. A aparência do osciloscópio de cinco feixes C1-33 com a câmera instalada é mostrada na Figura 1.

Figura 1. Osciloscópio de cinco feixes C1-33, 1969

A eletrônica moderna possibilita a criação de osciloscópios digitais de mão do tamanho de um telefone celular. Um desses dispositivos é mostrado na Figura 2. Mas isso será discutido mais adiante.

Figura 2. Osciloscópio digital de bolso DS203

Osciloscópios de vários tipos

Até recentemente, vários tipos de osciloscópios de feixe de elétrons eram produzidos. Antes de tudo, estes são osciloscópios universais, que são mais frequentemente usados ​​para fins práticos. Além deles, também foram produzidos osciloscópios de armazenamento baseados em CRTs de armazenamento, de alta velocidade, estroboscópicos e especiais. Os últimos tipos foram projetados para várias tarefas científicas específicas, com as quais os osciloscópios digitais modernos estão lidando com sucesso. Portanto, focaremos ainda mais os osciloscópios eletrônicos universais de uso geral.

Dispositivo CRT

A parte principal do osciloscópio eletrônico, é claro, é o tubo de raios catódicos - CRT. Seu dispositivo é mostrado na Figura 3.

Figura 3. Dispositivo CRT

Estruturalmente, um CRT é um cilindro de vidro longo 10 de forma cilíndrica com uma extensão em forma de cone. A parte inferior desta extensão, que é uma tela de CRT, é revestida com um fósforo que emite um brilho visível quando um feixe de elétrons o atinge 11. Muitos CRTs têm uma tela retangular com divisões aplicadas diretamente no vidro. É essa tela que é o indicador do osciloscópio.

Um feixe de elétrons é formado por uma pistola de elétrons

O aquecedor 1 aquece o cátodo 2, que começa a emitir elétrons. Na física, esse fenômeno é chamado de emissão termiônica. Mas os elétrons emitidos pelo cátodo não voam para longe, apenas se sentam no cátodo. Para obter um feixe desses elétrons, são necessários vários outros eletrodos.

Este é o eletrodo de foco 4 e o ânodo 5 conectado ao aquadag 8. Sob a influência do campo elétrico desses eletrodos, os elétrons se separam do cátodo, aceleram, focam em um feixe fino e correm para a tela revestida com o fósforo, fazendo com que o fósforo brilhe. Juntos, esses eletrodos são chamados de canhões de elétrons.

Atingindo a superfície da tela, o feixe de elétrons não apenas causa um brilho, mas também elimina elétrons secundários do fósforo, que fazem com que o feixe desfoque. O aquadag mencionado acima, que é um revestimento de grafite da superfície interna do tubo, serve para remover esses elétrons secundários. Além disso, o aquadag, em certa medida, protege o feixe dos campos eletrostáticos externos. Porém, como essa proteção não é suficiente, a parte cilíndrica do CRT, onde estão localizados os eletrodos, é colocada em uma tela de metal feita de aço elétrico ou permalloy.

Um modulador 3 está localizado entre o cátodo e o eletrodo de foco, cujo objetivo é controlar a corrente do feixe, o que permite que o feixe seja extinto durante a varredura reversa e realçado durante o curso à frente. Nas lâmpadas de amplificação, esse eletrodo é chamado de grade de controle. O modulador, eletrodo de foco e ânodo, possui orifícios centrais através dos quais o feixe de elétrons voa.

Placas de desvio Um CRT possui dois pares de placas de desvio. Estas são as placas da deflexão vertical do feixe 6 - a placa Y, à qual o sinal sob investigação é fornecido, e as placas da deflexão horizontal 7 - a placa X, e a tensão horizontal é aplicada a elas. Se as placas de deflexão não estiverem conectadas em nenhum lugar, um ponto luminoso deve aparecer no centro da tela do CRT. Na figura, este é o ponto O2. Naturalmente, a tensão de alimentação deve ser aplicada ao tubo.

É aqui que um ponto importante deve ser feito. Quando o ponto fica parado, sem se mover em lugar algum, ele pode simplesmente queimar o fósforo, e um ponto preto permanecerá para sempre na tela do CRT. Isso pode acontecer durante o processo de reparo do osciloscópio ou com a autoprodução de um simples dispositivo amador.Portanto, nesse modo, você deve reduzir o brilho ao mínimo e desfocar o feixe - ainda é possível ver se há um feixe ou se está ausente.

Quando uma certa tensão é aplicada às placas de deflexão, o feixe se desvia do centro da tela. Na Figura 3, o feixe desvia para o ponto O3. Se a tensão mudar, o feixe traçará uma linha reta na tela. É esse fenômeno que é usado para criar a imagem do sinal estudado na tela. Para obter uma imagem bidimensional na tela, dois sinais devem ser aplicados: o sinal de teste - aplicado às placas Y e a tensão de varredura - aplicada às placas X. Podemos dizer que um gráfico com os eixos coordenados X e Y é obtido na tela.

Digitalização horizontal

É a varredura horizontal que forma o eixo X do gráfico na tela.

Figura 4. Tensão de varredura

Como pode ser visto na figura, a varredura horizontal é realizada pela tensão do dente de serra, que pode ser dividida em duas partes: frente e ré (Fig. 4a). Durante o avanço, o feixe se move uniformemente pela tela da esquerda para a direita e, ao atingir a borda direita, retorna rapidamente. Isso é chamado de golpe reverso. Durante o avanço, é gerado um pulso de luz de fundo, que é alimentado ao modulador de tubos, e um ponto luminoso aparece na tela, desenhando uma linha horizontal (Fig. 4b).

A voltagem direta, como mostra a Figura 4, começa do zero (um feixe no centro da tela) e muda para uma voltagem do Umax. Portanto, o feixe se moverá do centro da tela para a borda direita, ou seja, apenas metade da tela. Para iniciar a digitalização a partir da borda esquerda da tela, o feixe é deslocado para a esquerda aplicando tensão de viés. O deslocamento do feixe é controlado por uma alça no painel frontal.

Durante o retorno, o pulso da luz de fundo termina e o feixe apaga. A posição relativa do pulso da luz de fundo e a tensão de varredura do dente de serra podem ser vistas no diagrama funcional do osciloscópio mostrado na Figura 5. Apesar da variedade de diagramas de circuitos do osciloscópio, seus circuitos funcionais são aproximadamente os mesmos, semelhantes aos mostrados na figura.

Figura 5. Diagrama funcional do osciloscópio

Sensibilidade CRT

É determinado pelo coeficiente de desvio, mostrando quantos milímetros o feixe desvia quando uma tensão constante de 1 V é aplicada às placas. Para vários CRTs, esse valor está na faixa de 0,15 ... 2 mm / V. Acontece que, aplicando uma tensão de 1 V às placas de desvio, o feixe pode movê-lo em apenas 2 mm, e esse é o melhor caso. Para desviar o feixe em um centímetro (10 mm), é necessária uma tensão de 10/2 = 5V. Com uma sensibilidade de 0,15 mm / V para o mesmo movimento, será necessário 10 / 0,15 = 66,666V.

Portanto, para obter um desvio perceptível do feixe do centro da tela, o sinal sob investigação é amplificado por um amplificador de canal vertical para várias dezenas de volts. O canal de amplificação horizontal, com o qual é realizada uma varredura, tem a mesma tensão de saída.

A maioria dos osciloscópios universais tem uma sensibilidade máxima de 5mV / cm. Ao usar um CRT do tipo 8LO6I com uma tensão de entrada de 5 mV, as placas defletoras exigirão uma tensão de 8,5 V para mover o feixe de 1 cm. É fácil calcular que isso exigirá amplificação mais de 1.500 vezes.

Esse ganho deve ser obtido em toda a banda passante e, quanto maior a frequência, menor o ganho, inerente a qualquer amplificador. A banda passante é caracterizada por uma frequência superior f up. Nesta frequência, o ganho do canal de deflexão vertical diminui 1,4 vezes ou 3 dB. Para a maioria dos osciloscópios universais, essa banda é de 5 MHz.

E o que acontecerá se a frequência do sinal de entrada exceder a frequência superior, por exemplo, 8 ... 10 MHz? Ela será capaz de vê-lo na tela? Sim, será visível, mas a amplitude do sinal não pode ser medida. Você só pode ter certeza de que há um sinal ou não. Às vezes, essas informações são suficientes.

Desvio vertical do canal. Divisor de entrada

O sinal estudado é alimentado na entrada do canal do desvio vertical através do divisor de entrada, mostrado na Figura 6. Freqüentemente, o divisor de entrada é chamado de atenuador.

Figura 6. O divisor de entrada do desvio vertical do canal

Usando o divisor de entrada, torna-se possível estudar o sinal de entrada de alguns milivolts a várias dezenas de volts. No caso em que o sinal de entrada excede as capacidades do divisor de entrada, sondas de entrada com uma proporção de divisão de 1:10 ou 1:20 são usadas. Então, o limite de 5V / div se torna 50V / div ou 100V / div, o que possibilita o estudo de sinais com tensões significativas.

Entrada aberta e fechada

Aqui (Figura 6), você pode ver a chave B1, que permite aplicar um sinal através de um capacitor (entrada fechada) ou diretamente na entrada do divisor (entrada aberta). Ao usar o modo "entrada fechada", é possível estudar o componente variável do sinal, ignorando seu componente constante. O diagrama simples mostrado na Figura 7. ajudará a explicar o que foi dito.O diagrama é criado no programa Multisim, para que tudo nessas figuras, embora virtualmente, seja razoavelmente justo.

Figura 7. Estágio do amplificador em um único transistor

Um sinal de entrada com uma amplitude de 10 mV através de um capacitor C1 é alimentado à base do transistor Q1. Ao selecionar o resistor R2, a tensão no coletor do transistor é ajustada igual à metade da tensão de alimentação (neste caso 6V), o que permite que o transistor opere em um modo linear (amplificador). A saída é monitorada pelo XSC1. A Figura 8 mostra o resultado da medição no modo de entrada aberto, no osciloscópio, o botão DC (corrente contínua) é pressionado.

Figura 8. Medições no modo de entrada aberto (canal A)

Aqui você pode ver (canal A) apenas a tensão no coletor do transistor, os mesmos 6V que acabamos de mencionar. O feixe no canal A “decolou” em 6V, mas o senoide amplificado no coletor não aconteceu. Simplesmente não pode ser discernido com a sensibilidade do canal 5V / Div. Canal Um feixe na figura é mostrado em vermelho.

O sinal do gerador é aplicado à entrada B, a figura é mostrada em azul. Esta é uma onda senoidal com uma amplitude de 10 mV.

Figura 9. Medidas no modo de entrada fechado

Agora, pressione o botão AC no canal A - corrente alternada, essa é realmente uma entrada fechada. Aqui você pode ver o sinal amplificado - um sinusóide com uma amplitude de 87 milivolts. Acontece que a cascata em um transistor amplificou o sinal com uma amplitude de 10 mV em 8,7 vezes. Os números na janela retangular abaixo da tela mostram as tensões e os tempos nos locais dos marcadores T1, T2. Marcadores semelhantes estão disponíveis nos osciloscópios digitais modernos. Na verdade, é tudo o que se pode dizer sobre entradas abertas e fechadas. E agora vamos continuar a história sobre o amplificador de deflexão vertical.

Pré amplificador

Após o divisor de entrada, o sinal sob investigação vai para o pré-amplificador e, passando pela linha de atraso, entra no amplificador terminal do canal Y (Figura 5). Após a amplificação necessária, o sinal entra nas placas de deflexão vertical.

O pré-amplificador divide o sinal de entrada em componentes parafásicos para fornecê-lo ao amplificador de terminal Y. Além disso, o sinal de entrada do pré-amplificador é alimentado ao gatilho de varredura, que fornece uma imagem síncrona na tela durante a varredura direta.

A linha de atraso atrasa o sinal de entrada em relação ao início da tensão de varredura, o que torna possível observar a borda principal do pulso, como mostra a Figura 5 b). Alguns osciloscópios não possuem uma linha de atraso, o que, em essência, não interfere no estudo de sinais periódicos.

Canal de varredura

O sinal de entrada do pré-amplificador também é alimentado na entrada do gatilho de varredura.O impulso gerado inicia o gerador de varredura, que produz uma tensão de dente de serra em subida suave. A taxa de variação e o período de tensão de varredura são selecionados pelo interruptor Time / Div, que possibilita o estudo de sinais de entrada em uma ampla faixa de frequência.

Essa verificação é chamada interna, ou seja, o disparo provém do sinal sob investigação. Normalmente, os osciloscópios têm um gatilho de disparo “Interno / Externo”, por algum motivo não mostrado no diagrama funcional da Figura 5. No modo de disparo externo, o gatilho pode ser disparado não pelo sinal sob investigação, mas por algum outro sinal do qual o sinal sob investigação depende.

Pode ser, por exemplo, um pulso de disparo da linha de atraso. Então, mesmo com um osciloscópio de feixe único, você pode medir a taxa de tempo de dois sinais. Mas é melhor fazer isso com um osciloscópio de dois feixes, se estiver, é claro, à mão.

A duração da varredura deve ser selecionada com base na frequência (período) do sinal investigado. Suponha que a frequência do sinal seja 1KHz, ou seja, período de sinal 1ms. A imagem de um sinusóide com um tempo de varredura de 1ms / div é mostrada na Figura 10.

Figura 10

Com um tempo de varredura de 1ms / div, um período de onda senoidal de 1KHz ocupa exatamente uma divisão de escala ao longo do eixo Y. A varredura é sincronizada a partir do feixe A ao longo de uma borda ascendente em termos de um nível de sinal de entrada de 0V. Portanto, a onda senoidal na tela começa com um semi-ciclo positivo.

Se a duração da varredura for alterada para 500 μs / div (0,5 ms / div), um período do senoide ocupará duas divisões na tela, como mostra a Figura 11, o que, obviamente, é mais conveniente para observar o sinal.

Figura 11

Além da própria tensão do dente de serra, o gerador de varredura também gera um pulso de luz de fundo, que é alimentado ao modulador e "acende" o feixe de elétrons (Fig. 5 g). A duração do pulso da luz de fundo é igual à duração do feixe para frente. Durante o retorno, não há pulso de luz de fundo e o feixe apaga-se. Se não houver apagamento do feixe, algo incompreensível aparecerá na tela: o curso reverso e até modulado pelo sinal de entrada simplesmente cruza todo o conteúdo útil da forma de onda.

Uma tensão de varredura em dente de serra é fornecida ao amplificador terminal do canal X, dividido em um sinal de parafase e alimentado às placas de deflexão horizontal, conforme mostrado na Figura 5 (e).

Entrada externa do amplificador X

Não apenas a tensão do gerador de varredura, mas também a tensão externa pode ser fornecida ao amplificador de terminal X, o que possibilita medir a frequência e a fase do sinal usando figuras de Lissajous.

Figura 12. Figuras de Lissajous

Mas a chave de entrada X não é mostrada no diagrama funcional da Figura 5, bem como a chave do tipo de operação de varredura, mencionada um pouco acima.

Além dos canais X e Y, o osciloscópio, como qualquer dispositivo eletrônico, possui uma fonte de alimentação. Osciloscópios de tamanho pequeno, por exemplo, C1-73, C1-101 podem funcionar com uma bateria de carro. A propósito, por seu tempo, esses osciloscópios eram muito bons e ainda são usados ​​com sucesso.

Figura 13. Osciloscópio C1-73

Figura 14. Osciloscópio C1-101

A aparência dos osciloscópios é mostrada nas Figuras 13 e 14. O mais surpreendente é que eles ainda são oferecidos para comprá-los em lojas online. Mas o preço é tal que é mais barato comprar osciloscópios digitais de pequeno porte no Aliexpress.

Os dispositivos adicionais do osciloscópio são calibradores de amplitude e varredura integrados. Geralmente, são geradores de pulsos retangulares razoavelmente estáveis, conectando-os à entrada do osciloscópio, usando os elementos de sintonia que você pode configurar os amplificadores X e Y. A propósito, os calibradores modernos também possuem esses calibradores.

Como usar o osciloscópio, métodos e métodos de medição serão discutidos no próximo artigo.

Continuação do artigo: Como usar o osciloscópio

Boris Aladyshkin