Slovo “osciloskop” je odvozeno od “oscillum” – oscilace a “grapho” – zápis. Účelem tohoto měřicího zařízení je tedy zobrazovat na obrazovce křivky proudu nebo napětí jako funkci času. Toto zařízení má jiný název – osciloskop (ze stejného oscilátoru a skopeo-I look) – zařízení pro pozorování tvaru vibrací. A ačkoli je druhé jméno přesnější, v literatuře v ruštině je stále přijímáno první – osciloskop.
Hlavní částí elektronického osciloskopu je katodová trubice (obr. 1), která svým tvarem připomíná televizní kineskop. Obrazovka trubice je zevnitř potažena fosforem, látkou, která může při dopadu elektronů svítit. Čím větší je tok elektronů, tím jasnější je záře části obrazovky, kam dopadají. Elektrony jsou emitovány tzv. elektronovým dělem, umístěným na konci trubice proti stínítku. Skládá se z topného tělesa (vlákna) a katody. Mezi „pistolí“ a stínítkem je modulátor, který reguluje tok elektronů létajících směrem k stínítku, dvě anody, které vytvářejí potřebné zrychlení elektronového paprsku a jeho zaostření, a dva páry desek, kterými lze elektrony podélně vychylovat. horizontální (X) a vertikální (Y) osa.
Obrazovka katodové trubice bude svítit pouze tehdy, když je na její elektrody aplikováno určité napětí. Na vlákno se obvykle přivádí střídavé napětí, na řídicí elektrodu (modulátor) se zápornou polaritou vzhledem ke katodě a kladné napětí na anody a napětí na první anodě (ostření) je výrazně menší než na druhém (zrychlení). Vychylovací desky jsou napájeny jak konstantním napětím, které umožňuje posun elektronového paprsku v jakémkoli směru vzhledem ke středu obrazovky, tak střídavým napětím, které vytváří skenovací čáru té či oné délky, stejně jako „ kreslení“ tvaru studovaných vibrací na obrazovce.
Abychom si představili, jak se získává obraz kmitání na stínítku, znázorněme stínítko trubice konvenčně ve tvaru kruhu (ačkoli trubice může mít obdélníkový) a umístěte do něj vychylovací desky (obr. 2). Pokud na vodorovné desky X1 a X2 přivedete pilové napětí, na obrazovce se objeví světélkující vodorovná čára – nazývá se skenovací čára nebo jednoduše skenování. Jeho délka závisí na amplitudě pilového napětí (obr. 2a).
Pokud nyní současně s pilovým napětím aplikovaným na desky X1 a X2 přivedeme na další pár desek (vertikální – Y1 a Y2), například střídavé napětí sinusového tvaru, skenovací čára se přesně „ohne“ podle tvaru kmitů a „kreslit“ na obraz na obrazovce (obr. 2b).
Pokud jsou periody sinusových a pilových oscilací stejné, na obrazovce se zobrazí obraz jedné „sinusoidy“. Pokud jsou periody nestejné, objeví se na obrazovce tolik úplných oscilací, kolik se jejich period vejde do periody oscilace pilového rozmítacího napětí. Osciloskop má úpravu frekvence rozmítání, pomocí které se na obrazovce dosáhne požadovaného počtu kmitů studovaného signálu.
BLOKOVÉ DIAGRAM OSCILOSKOPU
Obrázek 3 ukazuje blokové schéma osciloskopu. Dnes existuje velké množství osciloskopů různých konstrukcí a účelů. Jejich přední panely (ovládací panely) vypadají jinak a názvy ovládacích knoflíků a přepínačů se mírně liší. Ale v každém osciloskopu je minimální požadovaná sada součástek, bez kterých nemůže fungovat. Podívejme se na účel těchto hlavních uzlů.
Napájecí zdroj zajišťuje energii pro provoz všech součástí elektronického osciloskopu. Vstup zdroje přijímá střídavé napětí z městské elektrické sítě, obvykle 220 V. V něm se převádí na napětí různé velikosti: střídavé 6,3 V pro napájení vlákna katodové trubice, stejnosměrné napětí 12-24 V k výkonovým zesilovačům a generátoru, pokud jsou polovodičové (nebo 250 V, pokud elektronka), asi 150 V k napájení koncových zesilovačů pro horizontální a vertikální vychylování paprsku, několik set voltů pro zaostření elektronového paprsku a několik tisíc voltů pro urychlení elektronového paprsku .
Ze zdroje napájení jsou kromě vypínače (5) na předním panelu osciloskopu umístěny následující regulátory: „FOCUS“ (6) a „BRIGHTNESS“ (7). Otáčením těchto knoflíků se mění napětí dodávaná na první anodu a modulátor. Při změně napětí na první anodě se změní konfigurace elektrostatického pole, což vede ke změně šířky elektronového paprsku. Modulátor v katodové trubici funguje jako řídicí mřížka v trubkové triodě. Při změně napětí na modulátoru se mění proud elektronového paprsku (mění se kinetická energie elektronů), což vede ke změně jasu luminoforu obrazovky.
Vyrábí pilové napětí, jehož frekvenci lze zhruba (po krocích) měnit přepínačem (9) a plynule regulátorem (8). Na předním panelu osciloskopu se nazývají „HRUBÁ FREKVENČNÍ“ (nebo „DÉLKA MĚŘÍTKA“) a „Měkká frekvence“. Frekvenční rozsah generátoru je velmi široký – od jednotek hertzů až po jednotky megahertzů. Je pravda, že v blízkosti přepínače rozsahu jsou uvedeny hodnoty trvání (trvání) kmitů pilových zubů, nikoli jejich frekvence (u některých osciloskopů jsou uvedeny frekvence). Musíte být schopni najít frekvenci podle trvání a naopak. To se provádí pomocí vzorců: f=1/T a T=1/f, kde f je frekvence oscilací a T je doba trvání (nebo perioda) jedné oscilace. Pokud je frekvence vyjádřena v hertzech, pak doba trvání je v sekundách, frekvence je v kilohertzech (1 kHz = 1000 Hz), doba trvání je v milisekundách (1 ms = 0,001 s); frekvence – v megahertzech (1 MHz = 10 6 Hz), trvání – v mikrosekundách (1 μs = 10 -6 s).
Například doba trvání 50 ms odpovídá frekvenci 1/0,05 = 20 Hz a doba trvání 0,1 μs odpovídá frekvenci 1/10-7 = 10 Hz = 7 MHz. Tyto hodnoty jsou uvedeny ve vztahu k jednomu dílku mřížky stupnice – je připevněna k obrazovce osciloskopu. Podobný výpočet platí pro sinusové oscilace nebo pulzní signály se stejnou dobou trvání pulzu a pauzy (obr. 10). Pokud se doba trvání pulzů a pauzy mezi nimi liší, je třeba vzorec nahradit hodnotou periody opakování pulzu (perioda je vyjádřena ve stejných jednotkách jako doba trvání).
Horizontální kanálový zesilovač
Ze skenovacího generátoru je signál přiváděn do zesilovače horizontálního vychylovacího kanálu (kanál X). Tento zesilovač je nutný pro získání takové pilovité amplitudy napětí, při které je elektronový paprsek vychylován přes celou obrazovku. Zesilovač obsahuje regulátor délky snímacího řádku (jinými slovy, regulátor amplitudy výstupní rampy) (12) (na předním panelu osciloskopu se nazývá „GAIN X“ nebo „AMPLITUDE X“) a posun horizontálního rozmítání regulátor (13).
Skládá se ze vstupního atenuátoru (dělič vstupního signálu) a dvou zesilovačů – předběžný a koncový. Atenuátor umožňuje vybrat požadovanou výšku uvažovaného obrazu v závislosti na amplitudě studovaných vibrací. Pomocí přepínače vstupního atenuátoru (4) lze amplitudu signálu snížit 10krát nebo 100krát. (Poblíž přepínače jsou nápisy: 1:1 – v tomto případě není vstupní signál zeslaben; 1:10 a 1:100 – v těchto případech je útlum 10 a 100krát). Plynulejší změny v úrovni signálu a tím i velikosti obrazu na obrazovce jsou dosaženy pomocí ovládání citlivosti koncového zesilovače kanálu Y (10). V koncovém zesilovači tohoto kanálu, stejně jako u horizontálního vychylovacího kanálu, dochází k vertikálnímu nastavení posunu paprsku (11), a tím i obrazu.
Kromě toho je na vstupu vertikálního vychylovacího kanálu přepínač 1, kterým buď můžete konstantní složku studovaného signálu přivést do zesilovače (samozřejmě přes útlumový člen), nebo se jí zbavit zapnutím izolačního kondenzátoru. To zase umožňuje používat osciloskop jako stejnosměrný voltmetr, schopný měřit stejnosměrná napětí. Navíc je vstupní odpor „voltmetru“ poměrně vysoký – více než 1 MOhm.
O DALŠÍCH ÚPRAVÁCH
Kromě spínače (9) a regulátoru doby rozmítání (8) má generátor rozmítání další spínač – spínač provozního režimu rozmítání. Je také zobrazen na předním panelu osciloskopu (na blokovém schématu není vyznačen). Skenovací generátor může pracovat ve dvou režimech: v automatickém režimu – generuje pilové napětí dané doby trvání a v pohotovostním režimu – „čeká“ na příchod vstupního signálu a spustí se, jakmile se objeví. Tento režim je nezbytný při studiu signálů, které se objevují náhodně, nebo při studiu parametrů pulzu, kdy by jeho náběžná hrana měla být na začátku skenování. V automatickém režimu se může kdekoli v rozmítání objevit náhodný signál, což ztěžuje pozorování. Pohodlí pohotovostního režimu oceníte při měření tepu.
Spínač (9) je spárován (obr. 4). Ve všech polohách horní (podle nákresu) části spínače, kromě krajní levé, vytváří generátor pilovité napětí různé doby trvání. V krajní levé poloze je generátor skenování vypnutý a spodní část přepínače (9) připojuje koncový zesilovač horizontálního vychylovacího kanálu ke zdířkám „Input X“. Nyní bude horizontální skenovací řádek získán pouze tehdy, když je signál přiveden do specifikovaných zásuvek. Navíc je citlivost tohoto kanálu menší než u vertikálního vychylovacího kanálu. Délku skenovacího řádku lze nastavit pomocí regulátoru (12). Tento pracovní režim osciloskopu je potřebný např. při studiu frekvenčních a fázových vztahů harmonických kmitů metodou tzv. Lissajousova obrazce, kdy některé kmity jsou přiváděny na vstup Y osciloskopu a jiné na vstup X. .
Pokud mezi generátorem rozmítání a signálem není žádné spojení, rozmítání začne a signál se objeví v různých časech, obraz signálu na obrazovce osciloskopu se bude pohybovat buď jedním nebo druhým směrem, v závislosti na rozdílu ve frekvencích signálu a rozmítání. Pro zastavení obrazu je potřeba „synchronizovat“ generátor, tzn. poskytují provozní režim, ve kterém se začátek rozmítání bude shodovat se začátkem výskytu periodického signálu (řekněme sinusového). Generátor lze navíc synchronizovat jak z interního signálu (je odebírán ze zesilovače vertikální výchylky), tak z externího, přiváděného do zdířek „SYNCHRON INPUT“. Zvolte jeden nebo druhý režim pomocí přepínače (2) – INTERNAL – EXTERNAL. synchronizace (v blokovém schématu je přepínač v poloze „interní synchronizace“).
Synchronizace se plynule nastavuje pomocí regulátoru (5). Tímto knoflíkem lze otáčet z krajní levé polohy (znak -) do krajní pravé polohy (znak +). Jedná se o úpravu synchronizace rozmítání ze signálu odpovídající polarity. Když je rukojeť (5) v krajní levé poloze (-), je generátor skenování synchronizován zápornou hranou sinusového napětí, krajně vpravo (+) – kladně. Ve střední poloze knoflíku je synchronizace vypnuta. U některých konstrukcí osciloskopů se přepínání synchronizace z (+) nebo z (-) provádí samostatným přepínačem. V tomto případě knoflík (5) mění amplitudu synchronizace, což pomáhá získat stabilnější obraz na obrazovce.
