Osciloscopul catodic

OSCILOSCOPUL CATODIC

    1 Generalitati. Clasificare

    Osciloscopul catodic este un aparat de masurare sau observare, care utilizeaza unul sau mai multe fascicule de electroni pentru a da o reprezentare a valorilor instantanee ale semnalului electric masurat in functie de diverse marimi variabile, dintre care cel mai des intalnita este timpul. Aceasta reprezentare se realizeaza pe ecranul unui tub catodic, de unde si denumirea de osciloscop catodic. Este instrumentul tipic de analiza a semnalelor in domeniul amplitudine - timp.

    Prin folosirea de traductoare adecvate, se poate reprezenta dependenta de timp a oricarei marimi fizice, largind astfel foarte mult aria domeniilor de aplicatie.

    Urmare evolutiei lor actuale si prin asociere cu tehnica numerica, osciloscoapele pot fi incluse in sisteme de masurare si comanda automata programata a unor procese.

    Avantaje care au impus osciloscopul ca un instrument indispensabil din orice laborator de masurari electronice:

lipsa de inertie a elementului de analiza (spotul luminos) a fenomenului, rezultand posibilitatea de masurare pana la frecvente de ordinul sute de MHz - ilor;

consum propriu redus, fenomenul fiind analizat practic fara perturbatii;

impedanta de intrare de ordinul MW

sensibilitate ridicata;

analiza in domeniul amplitudine-timp a fenomenului si vizualizarea in sistem bidimensional.

    Clasificari

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).

2 OSCILOSCOPUL DE TIMP REAL

Schema bloc de principiu a osciloscopului de timp real. Regimuri de functionare.

Se da in figura 1. Elementele sale sunt:

a.  tubul catodic TC. Acesta contine ca principale componente:

- PF - placile de fenomen - sunt placile de deflexie pe verticala a fascicolului de electroni;
- PT - placile bazei de timp - placile de deflexie pe orizontala.

Tubului catodic i se asociaza trei axe:

axa timpului (axa orizontala);

axa amplitudinii semnalului de vizualizat (axa verticala);

axa fascicolului de electroni nedeflectat Oz.

b. etaje de prelucrare a semnalului aplicat la intrarea Y, care au rolul de a furniza placilor de deflexie pe verticala un semnal compatibil cu caracteristicile tubului catodic, incat sa se poata produce deflexia;

c.  etajul baza de timp (generatorul de baleiaj) produce o tensiune liniar variabila in timp care se aplica placilor de deflexie pe orizontala, permitand reprezentarea pe ecran a semnalului de studiat in functie de timp;

d. etaj de sincronizare si triggerare (amplificator sincronizare), cu urmatoarele functii:
- asigurarea unui raport intreg si stabil intre frecventa f a unui semnal periodic care se vizualizeaza si frecventa f_BT a tensiunii liniar variabile furnizata de etajul baza de timp, conditie necesara pentru ca imaginea de pe ecran sa fie stationara;

- alegerea, in cazul vizualizarii unor semnale aperiodice, a momentului in care sa fie comandata declansarea tensiunii baza de timp, deci inceperea vizualizarii pe ecran a fenomenului studiat;

e.  circuitele de intarziere: au rolul de a introduce o intarziere variabila si etalonata intre momentul declansarii bazei de timp si momentul aplicarii semnalului de studiat pe placile de fenomen (cca.150 ns);

f.  etaje de prelucrare a semnalului aplicat la intrarea X (amplificator X) cu rolul de a amplifica semnalul si a-l aduce la parametrii ceruti de tubul catodic;

Fig. 7.1 Osciloscopul catodic de timp real. Schema bloc de principiu

g. dispozitiv de control a intensitatii fasciculului de electroni, cu rolul de a bloca fascicolul de electroni pe durata cursei inverse a semnalului bazei de timp, prin negativarea unui electrod al tubului catodic;

h. blocul de alimentare, format din transformator, redresoare, filtru RC, are rolul de a asigura tensiuni:
- inalte (0,8 - 2 kV) pentru alimentarea electrozilor tubului catodic;

- joase - pentru alimentarea etajelor functionale ale osciloscopului;

i.   sistemul intern de calibrare - asigura determinarea cu exactitate (1 - 2 %) a scarilor de reprezentare a semnalului pe verticala (amplitudine) si pe orizontala (timp). El consta din generatoare de tensiune sinusoidala sau dreptunghiulara, de amplitudine si frecventa calibrate. Pentru verificarea lor periodica, pe panoul frontal este prevazuta o iesire speciala (CAL OUT).

    Osciloscopul de timp real are urmatoarele modalitati de functionare:

1⁰- vizualizarea unui semnal variabil in raport cu timpul:

Y = f(t) (1)
    In aceasta situatie - cel mai des intalnita - semnalul se aplica la intrarea Y si, prin circuitele aferente, placilor de deflexie pe verticala. La placile de deflexie pe orizontala se aplica tensiunea liniar- variabila (dinte de fierastrau) produsa de generatorul bazei de timp (K₂ in pozitia a). Sincronizarea tensiunii baza de timp cu semnalul de vizualizat se poate face:

manual, prin reglarea frecventei generatorului bazei de timp;

automat - folosind chiar semnalul analizat (K₁ in pozitia INTERN);

sau o sursa exterioara de sincronizare (K₁ in pozitia EXTERN),

sau o tensiune cu frecventa retelei de alimentare (50 Hz) (K₁ in pozitia RETEA).

2⁰- vizualizarea unei dependente:

    Y = f(X) (2)

    prin aplicarea semnalului Y la intrarea Y, X la intrarea X si deconectarea bazei de timp interne (regim X - Y, cu K₂ in pozitia b);

    - vizualizarea unui semnal cu modularea in intensitate a fascicolului luminos, prin aplicarea semnalului modulator la intrarea marcata cu Z (uneori poate fi chiar semnalul de vizualizat).

7.2.2 SCHEMA BLOC DETALIATA

    7.2.2.1 Tubul catodic

    Tubul catodic este un tub cu vid (10^-8 mm Hg) in care se disting urmatoarele zone:

I - zona de emisie a fascicolului de electroni;

II - zona de focalizare;

III - zona de deflexie;

IV - zona de postaccelerare;

V - zona de vizualizare (ecranul).

Fata de cele cunoscute de la disciplina de componente electronice se mai fac urmatoarele precizari:

tubul foloseste deflexia electrostatica;

- catodul este cu incalzire indirecta;

- potentiometrii pentru:

- reglarea diferentei de potential dintre grila de comanda si catod (reglarea intensitatii fascicolului de electroni, marcat cu INTENS);

- reglarea potentialului anodului de focalizare si uneori a celui de astigmatizare din zona de focalizare sunt montati pe panoul frontal al aparatului.

- urmare devierii fascicolului de electroni in zona de deflexie se obtine o deviatie pe verticala:

(3)

    unde: - L este distanta intre centrul placilor de deflexie pe verticala si ecran;

    - d este distanta dintre placile de deflexie pe verticala;

    - U_y este tensiunea de deflexie (aplicata placilor de fenomen PF);

    - U tensiunea de accelerare care imprima electronilor o viteza:

   (4)

(5)

    unde m, q sunt masa, respectiv sarcina electronului. Se remarca dependenta proportionala dintre deviatia de pe ecran si tensiunea aplicata placilor Y , la o anumita tensiune de accelerare si parametri constructivi ai tubului catodic;

dupa deflexia verticala si orizontala, fascicolul este accelerat din nou in zona de postaccelerare, in scopul cresterii luminozitatii imaginii. Electrodul de postaccelerare se realizeaza prin metalizarea suprafetei interioare a balonului de sticla sub forma unui electrod cilindric sau elicoidal, intrucat dispar in acest fel distorsiunile datorate campului electric ce apare intre placile de deviatie si electrod, intre aceste elemente introducandu-se in acelasi scop si o grila de formare, aflata la un potential de cca. 0,3 - 30 V;

- substanta cu care este acoperita fata interioara a ecranului (luminofor), absoarbe energia cinetica a electronilor la impactul acestora cu ecranul si o converteste in energie luminoasa de joasa frecventa. Substantele folosite se numesc fluorescente daca durata dintre momentul anularii radiatiei primare si initierea radiatiei secundare este de c.a. 10^-8 s si fosforescenta, daca aceasta durata este mai mare (ms, min), fenomen numit remanenta. La tuburile uzuale ea este de m s pana la ms. In alte aplicatii (fenomene foarte rapide, tranzitorii) este necesara o remanenta mai mare: secunde pana la zeci de secunde;
    - pentru a evita perturbarea imaginii de catre emisia secundara de electroni, pe peretii tubului se depune un strat de grafit coloidal, conectat la potentialul electrodului de astigmatizare al tubului sau se aluminizeaza luminoforul;

pentru evitarea influentei campurilor magnetice perturbatoare, tubul catodic este protejat in exterior de un ecran magnetic, realizat din material feromagnetic;

pentru protejarea operatorului, carcasa metalica si ecranul se afla la potentiale apropiate, scop in care anodul de astigmatizare se leaga la masa;

pe sticla ecranului sunt trasate la exterior axe gradate si un caroiaj, pentru a usura citirea valorilor semnalului masurat;

deplasarea spotului poate fi facuta si de operator din exterior, prin aplicarea unei componente de c.c. placilor X sau Y.

Parametrii tubului catodic sunt:

sensibilitatea S este deviatia obtinuta pe ecran la aplicarea unei tensiuni de deflexie de 1V placilor Y:
      (6)

    - factorul de deflexie G este inversul sensibilitatii:
(7.7)

    - liniaritatea tubului caracterizeaza valoarea sensibilitatii in functie de pozitia imaginii pe ecran. Eroarea de liniaritate este de cca. 2% la ecranele circulare, ameliorata la 0,5 - 1 % la cele dreptunghiulare.
    Distorsiuni specifice tubului catodic:

a.  distorsiuni de trapez: constau in modificari ale sensibilitatii pe verticala a tubului catodic ca urmare aplicarii tensiunii de baleiaj placilor X. Are loc o crestere a potentialului mediu al placilor X fata de potentialul mediu al placilor Y pe masura afisarii semnalului de la stanga ecranului spre dreapta. Aceasta variatie apare daca numai una din placi primeste semnal, cealalta fiind la potential constant (aplicare asimetrica a semnalului). Se elimina prin alimentarea placilor cu semnale egale, dar in antifaza (comanda simetrica).

b. distorsiuni de geometrie - apar daca exista o diferenta de potential intre al doilea anod de accelerare al zonei de focalizare (anod de astigmatizare) si potentialul mediu al placilor Y si/sau intre potentialul mediu al placilor de deviere pe orizontala si verticala. Ele pot fi reduse prin variatia potentialului unui electrod montat intre perechile de placi X si Y.

c.  distorsiuni de neliniaritate ale TC datorate dependentei coeficientului de deviatie de pozitia fascicolului pe ecran. Se corecteaza prin deformarea semnalului in sens contrar intr-un etaj de amplificare.

    2.2.2 Etaje de prelucrare a semnalelor aplicate placilor de deflexie verticala si orizontala

    Schema lantului de prelucrare a semnalului aplicat la intrarea Y cuprinde:

    - atenuatorul - este un divizor de tensiune de tip RC cu compensare in frecventa, permitand studiul unor semnale intre mV si sute de V. Are trepte comutabile (1/1;1/10;1/100;1/1000) de catre operator, de pe panoul frontal, fiind etalonat in mod obisnuit in valori ale coeficientului de deviere pe verticalaa [V/cm]. La masurare se incepe cu atenuarea cea mai mare, apoi se regleaza comutatorul in pozitia unei sensibilitati optime. Etalonarea e valabila numai pentru o anumita valoare a amplificarii, de obicei cea maxima.
    Amplificatorul de deviere trebuie sa raspunda unor cerinte:

sa permita amplificarea semnalelor de frecventa oricat de joasa, inclusiv a componentelor de c.c.;

trebuie sa furnizeze tensiuni simetrice de comanda a placilor de deflexie pe verticala (Y);

trebuie sa prezinte o amplificare mare si constanta;

sa prezinte o impedanta de intrare mare;

sa aiba o banda de trecere larga.

    Avand in vedere aceste conditii, amplificatorul Y se realizeaza in configuratie de amplificator diferential simetric si de banda larga urmat de un etaj final care asigura excursia necesara tensiunii la iesire.
    La intrarea blocului exista posibilitatea blocarii componentei continue printr-un condensator (introdus sau in circuit printr-un comutator ALT. - CONT. de pe panoul frontal). Banda de trecere a amplificatorului se restrange, valoarea superioara a frecventei devenind:

(8)

    unde R_i este rezistenta de intrare la borna Y, iar C_B condensatorul de blocare a componentei continue.
    Prelevarea semnalului se face cu un accesoriu numit sonda sau cap de proba, cu rolul de a transmite semnalul in osciloscop fara a fi perturbat de alte semnale exterioare. Ele pot de asemenea avea o atenuare proprie (1/10;1/100). Sondele pot fi pasive, cand redau semnalul in raport 1/1, sau active, cand introduc o amplificare suplimentara.

    In ceea ce priveste amplificatorul Y, pentru realizarea unei impedante ridicate de intrare el este realizat cu tranzistoare FET sau cu repetoare pe emitor la intrare.

    Realizarea sub aceasta forma a etajului de intrare permite constructia atenuatorului cu rezistente de valori mari, deci obtinerea la intrarea osciloscopului a impedantei mari necesare.

    Reglarea amplificarii in lantul amplificatorului de deflexie pe verticala se face aplicand la intrarea Y semnalul de calibrare si realizand pe ecran, prin reglarea potentiometrului ETALONARE de pe panoul frontal, amplitudinea cunoscuta a acestui semnal. In etajul II se realizeaza si deplasarea pe verticala a spotului, prin modificarea valorii componentei continue din semnal (cu potentiometrul POZITIE Y). Amplificatorul final este de tip diferential, asigurand comanda simetrica si de puterea necesara placilor Y.
    Amplificatorul de deflexie pe orizontala indeplineste urmatoarele conditii:

    - amplifica tensiunea baza de timp sau tensiunea de la exterior (la folosirea in regim X - Y de vizualizare);
    - permite modificarea pe orizontala a imaginii.

Castigul si banda de trecere a amplificatorului X sunt mai mici decat ale celui pe verticala, deoarece:
    - tensiunea baza de timp, fiind generata in interiorul osciloscopului, se obtine la valori de ordinul voltilor, deci nu necesita o amplificare;

- spectrul de frecventa al tensiunii baza de timp este mai restrans decat spectrul tensiunii de vizualizat aplicata la intrarea Y.

Unele amplificatoare X au castigul reglabil, putand fi echipate si cu atenuator calibrat rezistiv in trepte. Modificarea pozitiei pe orizontala se face al fel ca la verticala, prin modificarea componentei continue a semnalului furnizat de amplificator.

    La unele osciloscoape, denumite osciloscoape X - Y, destinate vizualizarii in regim X - Y, masurarii de defazaje sau folosirii ca indicator de nul in punti de c.a., amplificatoarele de deflexie pe orizontala si verticala sunt identice.

    7.2.2.3. Baza de timp. Sincronizarea imaginii

    Baza de timp (BT) include acele circuite care genereaza tensiunea baza de timp si asigura sincronizarea acesteia cu semnalul vizualizat.

    Tensiunea baza de timp are forma tipica din fig. 7.6 - tensiune in dinti de fierastrau. Se deosebesc:

    - cursa directa, de durata t_d, corespunzand portiunii liniar crescatoare, in care spotul parcurge ecranul de la stanga la dreapta;

cursa inversa de durata t_i (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 intrarea Y.

    Pe durata cursei inverse liniaritatea nu intereseaza; importanta este durata cat mai mica a acestei curse, scop in care se accepta un raport minim:    t_i / t_d < 0,1 (9)

    De asemenea, pentru ca pe durata acestei curse spotul sa nu lase o dara suparatoare pe ecran, el trebuie stins prin una din metodele:

pe grila de comanda G se aplica impulsuri dreptunghiulare negative de tensiune, cu frecventa egala cu frecventa tensiunii baza de timp f_BT si latime t_i a cursei inverse si care se pot obtine eventual prin derivarea tensiunii baza de timp (fig.7);

se deviaza spotul in afara ecranului, folosind o a treia pereche de placi (placi de stergere sau de blancare).
    Etajul baza de timp poate functiona in unul din urmatoarele regimuri:

a.  relaxat (autooscilant); impulsurile dinte de fierastrau sunt generate unul dupa altul, chiar si in lipsa semnalului de sincronizare. Sincronizarea cu semnalul de vizualizat poate fi asigurata in limite restranse, prin modificarea limitata a frecventei proprii a generatorului baza de timp, ceea ce constituie un dezavantaj al acestui regim. Un alt dezavantaj este acela ca nu poate fi vizualizata mai putin de o perioada a semnalului aplicat la intrarea Y;

b. declansat (triggerat) - fig.8; intrarea in functiune a generatorului baza de timp este comandata de un semnal de declansare (impuls de declansare), se executa o cursa directa si una inversa, dupa care generatorul ramane in asteptare (intervalul t_a), pana la primirea unui nou semnal de declansare. Semnalul de declansare poate fi proveni din:

tensiunea de masurat (atunci cand aceasta este periodica);

un semnal extern (daca tensiunea de masurat are amplitudine variabila);

o tensiune de frecventa retelei (50 Hz).

    In acest regim este satisfacuta automat si conditia de sincronizare, prin aceea ca momentul inceperii cursei directe este fixat de semnalul de sincronizare (provenit, de regula, din semnalul de vizualizat).
    Alte avantaje ale acestui regim de functionare sunt:

posibilitatea reglarii duratei cursei directe la orice valoare, indiferent de perioada semnalului, putand efectua astfel masuratori cantitative de timp sau frecventa;

se pot studia si fenomene a caror perioada de repetitie nu este constanta;

dat fiind ca f_BT poate fi reglata independent de frecventa semnalului de studiat, se poate vizualiza pe ecran si mai putin de o perioada.

    Regimul declansat este foarte util la studiul impulsurilor inguste si cu frecventa mare de repetitie; de asemenea, se pot vizualiza extins, pe tot ecranul, impulsuri cu factor de umplere foarte mic.
    Daca BT este declansata cu insasi impulsul pe care-l studiem, exista posibilitatea ca pe ecran sa nu apara frontul anterior al acestui impuls (tensiunea U_BT incepe pe frontul ridicator sau la terminarea acestuia, deci, cand incepe vizualizarea lui, la placile Y se aplica deja palierul impulsului). Aceasta situatie se corecteaza cu ajutorul liniei de intarziere din lantul amplificatorului pe verticala si care asigura sosirea impulsului de vizualizat la placile Y odata cu inceperea cursei directe a spotului (fig.9).
    Blocul de sincronizare (fig. 11) are rolul de a prelucra tensiunea de sincronizare, incat, indiferent de forma de variatie in timp a acesteia, generatorul baza de timp sa fie comandat cu impulsuri avand o forma bine precizata, astfel incat sa lucreze stabil, chiar daca tensiunea de sincronizare isi modifica forma in anumite limite.

    Amplificatorul semnalului de sincronizare se realizeaza astfel ca sa permita mai multe moduri de lucru:
- sincronizarea cu frontul pozitiv sau negativ (butoanele marcate +, respectiv - de pe panoul frontal);  - cuplaj in c.c. sau c.a. (CC si CA);

rejectia semnalelor de IF (HF);

controlul nivelului semnalului de sincronizare (cu potentiometrul NIVEL) la care are loc emiterea impulsului de declansare a bazei de timp in etajul TRIGGER -fig. 12;

    - regimul AUTO - operativ in situatia in care semnalul de sincronizare este absent si deci ar lipsi si impulsul de sincronizare care sa declanseze baza de timp; pentru a evita aceasta situatie in care pe ecran n-ar exista nici un fel de imagine, se prevede un circuit de declansare automata, facand ca baza de timp sa devina autooscilanta, iar pe ecran sa apara o linie orizontala corespunzatoare pozitiei spotului;
    - mod de lucru TV - semnalul de sincronizare fiind semnalul complex TV, se separa din acesta impulsurile de sincronizare linii sau cadre, putand sincroniza osciloscopul cu aceste frecvente.
    Tensiunea de baleiaj se obtine in principiu prin incarcarea si descarcarea unui condensator C pe circuite diferite, pentru a realiza constante de timp diferite pe cele doua curse, directa si inversa. Pentru a obtine o variatie liniara a tensiunii in dinti de fierastrau e necesar ca C sa se incarce la curent constant:
   (10)

    Generatorului baza de timp ii este adaugat si un circuit de retinere, cu rolul de a bloca declansarea imediat dupa terminarea cursei directe si de a asigura deci timpul necesar circuitului de temporizare sa revina in starea initiala. Se elimina astfel o sursa de perturbare a imaginii in cazul unor semnale neperiodice (fig.13).

    2.2.4. Circuitele de intarziere. Marcajul de timp

    Circuitele de intarziere produc o intarziere variabila si etalonata intre momentul declansarii bazei de timp si cel al aplicarii semnalului la placile de fenomen, ceea ce permite deplasarea imaginii pe ecran si masurarea diverselor portiuni caracteristice. In pozitia intarziat (fig. 10.14) impulsul de declansare este intarziat cu ajutorul unui monostabil pe o durata reglabila de catre operator, brut si fin.

    Pentru a masura duratele diferitelor portiuni ale semnalului (de ex. timpul de crestere al unui impuls) este necesar sa se asocieze imaginii de pe ecran un sistem de marcaj care sa etaloneze axa orizontala in timp. Procedee utilizate in acest scop pot fi:

- folosirea unui generator de impulsuri 'marker' de frecventa calibrata si variabila incorporat osciloscopului, astfel incat pe curba vizualizata pe ecran apar 'noduri' la distante egale pe orizontala Dt;
- folosirea unui sistem de marcare exterior osciloscopului, care comporta un generator de frecventa reglabila conectat la o mufa speciala de pe panoul osciloscopului si care permite reglarea intervalului Dt dintre noduri;

- folosirea metodei de suprapunere peste impulsul a carui durata se masoara, a unui semnal sinusoidal exterior, de frecventa reglabila, folosind un sertar special 'DUAL TRACE AMPLIFIER'.
    Dt = 1/f (11)

unde f este frecventa sinusoidei suprapusa peste impulsul studiat.

  2.2.5 Comutatorul de canale

    Este un circuit auxiliar care serveste la vizualizarea simultana a mai multor tensiuni cu un osciloscop avand un singur spot. In fig. 16 CBP este un circuit basculant polifazat care furnizeaza tensiuni pentru comanda cheilor electronice C₁,,C_n, astfel incat la un moment dat este blocata o singura cheie si toate celelalte sunt inchise, la blocul de deflexie pe verticala aplicandu-se tensiunea de la intrarea cheii blocate. In plus este necesar ca la trecerea de la un canal la altul tubul catodic sa fie blocat, lucru asigurat de acelasi circuit CBP.

    2.2.6 Amplificatorul de stingere

    Acesta comanda aprinderea si stingerea tubului catodic, pe baza a trei semnale pe care le primeste:
    - un semnal generat de circuitul baza de timp pentru comanda aprinderii tubului catodic pe durata cursei directe a tensiunii liniar-variabile;

un semnal generat de comutatorul de canale pentru a stinge tubul catodic in timpul comutarii canalelor in modul de lucru choppat;

un semnal extern de modulatie a intensitatii spotului aplicat la borna Z EXT.

    2.2.7 Blocul de alimentare

    Tensiunile de alimentare ale circuitelor se obtin prin redresare (dupa conversia c.c. - c.a.), iar IT prin redresare cu multiplicarea tensiunii. In schema din fig.17: - R - redresor; - ST - stabilizator; - C C.C.-C.A. - convertor curent continuu - curent alternativ; - RIT - redresor pentru inalta tensiune; B - baterie (sursa) de c.c.

Fig.7.17. Blocul de alimentare.

    in stabilizatoare se prevad circuite de protectie la supracurent si la suprasarcini rezistive de valori mici (scurtcircuit).

2.3 CARACTERISTICILE TEHNICE ALE UNUI OSCILOSCOP CATODIC

a.  Constanta deflexiei verticale - reprezinta valoarea tensiunii care aplicata pe intrarea Y produce o deplasare a fascicolului de 1 diviziune si se exprima in V/div sau mV/div. Prin actionarea reglajelor de amplificare ale blocului Y se pot obtine mai multe valori ale sensibilitatii (inversul constantei), masurata in div/V sau div/mV.

b. Constanta deflexiei orizontale reprezinta valoarea tensiunii care aplicata pe intrarea X produce deplasarea spotului cu 1 div. Se masoara tot in V/div.

c.  Coeficientul de baleiaj al bazei de timp normale - reprezinta raportul dintre timpul direct t_d al tensiunii liniar-variabile si distanta corespunzatoare pe ecranul tubului catodic, masurat in s/div sau ms/div.

d. Impedanta la bornele de intrare (bornele Y, X, Z, S) - reprezinta impedanta aparenta de sarcina a bornelor la care se aplica semnalul, formata dintr-o rezistenta de cativa MW in paralel cu cativa zeci de pF.

e.  Banda de frecventa reprezinta intervalul de frecventa in care amplificarea este constanta (pana la o cadere de -3 dB), caracterizata printr-o frecventa inferioara (uneori zero) si una superioara (pana la zeci, sute de MHz).

2.4 MaSURAREA TENSIUNII sI CUREBTULUI CU OSCILOSCOPUL CATODIC

O tensiune continua compatibila cu domeniul de intrare al aparatului se aplica pe intrarea Y. Pe ecran se obtine o deviatie y_x. Presupunand ca osciloscopul a fost in prealabil calibrat si cunoscand constanta deflexiei verticale C_y [V/div], tensiunea masurata se determina cu relatia:

U_x = C_y·y_x (12)

Masurarea curentului se reduce la a masura o cadere tensiune la bornele unei rezistente de valoare cunoscuta.

2.5 OSCILOSCOAPE CU MAI MULTE INTRARI

Osciloscoapele actuale au doua sau mai multe intrari, pentru a face posibila masurarea simultana a mai multor marimi. Prin intermediul unor comutatoare pot fi realizate urmatoarele moduri de lucru (pentru cele cu doua canale A si B):

- vizualizare numai A;

- vizualizare numai B;

- vizualizare simultana A si B, prin comutare electronica a intrarii blocului de deflexie pe verticala la cele doua intrari (CHOPPED), cu o frecventa de cca. 500 kHz;

- vizualizare a unor combinatii ale celor doua semnale: A + B; A - B; A x B;

vizualizare alternativa A;B (ALTERNATE), la fiecare cursa directa a fasciculului.

3 OSCILOSCOPUL DE TIMP TRANSLATAT (CU ESANTIONARE)

In cazul explorarii unui semnal prin esantionare, din semnalul respectiv se extrag esantioane (valori instantanee ale semnalului de durata cat mai scurta), la anumite intervale de timp.
    Semnalul original este apoi reconstituit, afisand acele esantioane sau o marime proportionala cu ele, la intervale proportionale cu pozitia punctului de pe semnal in care s-a facut esantionarea (fig.18).

    Se observa ca exista un punct de referinta fata de care primul esantion se plaseaza la un interval de timp oarecare, iar apoi toate celelalte esantioane la intervale de timp crescatoare liniar cu Dt unul fata de precedentul (esantionarea secventiala).

    Scara de timp a semnalului reconstituit difera de scara semnalului original, fiind mult mai mare, sau frecventa semnalului reconstituit este mult mai mica decat cea a semnalului original. Aceasta translatare a domeniului de frecventa a semnalului este principalul avantaj al tehnicii de esantionare, deoarece semnalul reconstituit de frecventa joasa poate fi prelucrat si vizualizat cu un osciloscop uzual (f = 10 MHz).

    Extinderea domeniului de frecventa poate atinge zeci de GHz, frecventa inaccesibila osciloscoapelor de timp real.

    Curba vizualizata pe ecran este formata din puncte, afisate cu o mare densitate (202000 puncte/div.) imaginea aparand continua. Deoarece fiecare punct corespunde unui esantion, marirea rezolutiei semnalului reconstituit implica marirea numarului de esantioane, deci micsorarea intervalului Dt.

    Din principiul de esantionare expus rezulta ca aplicarea sa este limitata numai la vizualizarea semnalelor repetitive (perioada poate sa nu fie constanta).

    Schema bloc a unui astfel de osciloscop este data in fig.19.

    Denumirile blocurilor sunt:

    - CI - circuit de intarziere;

    - PA - preamplificator;

   - CP - circuit poarta;

   - A - amplificator;

   - T - trigger;

   - BT - baza de timp ultrarapida;

   - GT - generator de tensiune in trepte;

   - C - comparator;

   - GIE - generator de impulsuri de esantionare;

   - M - mixer;

   - CF - circuit de formare;

   - CM - circuit de memorie;

    - CB - circuit de blancare.

    Semnalul de analizat, aplicat prin preamplificatorul PA, trece printr-un circuit de intarziere CI si ajunge la circuitul poarta CP. O parte din semnal actioneaza triggerul T, apoi declanseaza baza de timp ultrarapida BT, care produce tensiunea liniar - variabila in dinti de fierastrau. Comparatorul C compara aceasta tensiune cu semnalul in trepte produs de generatorul GT. Cand cele doua tensiuni sunt egale, impulsul generat de comparator (impuls principal) se aplica circuitului de formare CF si comanda:
   - revenirea BT in starea initiala;

  - producerea unui impuls de esantionare de catre GIE;

  - iluminarea spotului in timpul direct t_d, prin intermediul circuitului poarta CP;

  - saltul GT la o treapta de tensiune superioara. fata de impulsul care comanda BT, impulsurile de esantionare care se aplica circuitului poarta CP se deplaseaza in timp cu Dt, 2Dt, etc. La iesirea portii CP se obtin esantioane ale semnalului de studiat care sunt amplificate de A, stocate in circuitul de memorie CM si apoi aplicate printr-un mixer M placilor de deflexie pe verticala Y.

4 OSCILOSCOAPE CU MEMORIE (ANALOGICE)

Se utilizeaza pentru vizualizarea unor fenomene tranzitorii si a unor fenomene singulare.
    Poate fi realizat in doua variante:

    - cu memorare pe ecran bistabil;

    - cu memorare pe o grila ecran auxiliara.

    Retinerea informatiei poate dura zeci de minute pana la cateva ore; stergerea se face la o comanda exterioara.
    Un astfel de osciloscop, echipat cu circuite de interfata adecvate poate fi cuplat cu echipamente numerice si asigura teletransmiterea informatiei.

    Tubul cu memorare cu ecran bistabil este prezentat in fig. 20. Ecranul are doua zone: cu si fara emisie secundara de electroni.

    Pe suprafata interioara a tubului de sticla se depune un strat metalic fin, transparent M; efectul de memorie este realizat cu granule G dintr-un material luminescent dispersate, lipite de pelicula M.
    Tubul prezinta un tun electronic principal TP (de 'scriere'), care emite electroni rapizi  , purtatori de informatie, si doua tunuri de intretinere, auxiliare, TA, care emit electroni lenti raspanditi pe toata suprafata ecranului cu electrodul de colimare EC, format dintr-o patura metalica subtire depusa pe suprafata interioara a tubului.

    Electronii rapizi produc la impactul cu ecranul o puternica emisie secundara, deci stratul G se incarca pozitiv. Fascicolul de electroni lenti  (cu energie mica si viteza redusa) care loveste ecranul poate produce urmatoarele efecte:

pe zona neatinsa de fascicolul de 'scriere' se acumuleaza electroni, fara a produce emisie secundara (deci luminescenta);

pe zona atinsa de fascicolul de 'scriere', datorita sarcinii pozitive a stratului G, electronii sunt accelerati, produc emisie secundara si mentin oscilograma, chiar dupa disparitia tensiunii de studiat.
    Pentru stergerea oscilogramei (vizualizata initial de fascicolul emis de tunul principal TP si apoi memorata cu ajutorul fasciculelor emise de tunurile auxiliare TA) se aplica un potential pozitiv, de valoare mare, pe electrodul M.

5 OSCILOSCOAPE NUMERICE

    5.1 Schema bloc a osciloscopului numeric

    In osciloscoapele numerice ciclul prelucrarii semnalului este: semnal analogic - semnal numeric (prelucrare, pregatire) - semnal analogic pentru afisare pe tubul catodic.

    Acest mod de prelucrare a fost posibil datorita progresului inregistrat in domeniul conversiei analog - numerice si in cel al tehnicii numerice.

    Banda de frecventa a osciloscoapelor numerice este compatibila cu cea a aparatelor analogice, insa ele prezinta o serie de avantaje:

precizie superioara;

posibilitati mai mari de sincronizare si de masurare;

posibilitatea prelucrarii numerice a esantioanelor memorate;

posibilitatea realizarii functiilor altor aparate: voltmetru, wattmetru, numarator (frecventmetru), analizor de spectru.

   Schema bloc a unui osciloscop numeric este data in fig. 21.

    Rolul cel mai important il are dispozitivul de comanda, realizat de regula cu microprocesor. Acest bloc furnizeaza toate semnalele de comanda necesare functionarii intregii scheme. Asigura algoritmi de masurare a diferitilor parametri ai semnalului si prelucrarea numerica a esantioanelor prelevate din semnal.
    Baza de timp poate fi comandata de circuitul de sincronizare sau de dispozitivul de comanda. Ea poate fi realizata intr-o varianta performanta sau cu un convertor numeric - analogic comandat de microprocesor. Tensiunea variabila obtinuta este in trepte egale si ea este considerata practic liniar - variabila, de la o anumita precizie a convertorului numeric - analogic in sus (min. 8 biti).

5.2 ESANTIONAREA IN OSCILOSCOAPELE NUMERICE

Toate osciloscoapele numerice sunt osciloscoape cu esantionare. Ca moduri de esantionare se poate intalni unul din urmatoarele:

esantionarea secventiala, prezentata deja la paragraful osciloscoapelor de timp translatat. Se poate aplica numai semnalelor periodice si consta in prelevarea, in fiecare perioada, a unui singur esantion, intarziat succesiv fata de un punct de referinta de pe curba semnalului, cu un acelasi interval de timp Dt, adaugat suplimentar la intarzierea esantionului anterior. Refacerea semnalului se face intr-un numar de perioade ale semnalului egal cu numarul esantioanelor prelevate, numit timp echivalent (timp translatat). Intarzierea Dt se numeste pas de esantionare.

Perioada reala de esantionare este T + Dt, unde T este perioada semnalului, dar perioada aparenta de esantionare (in cadrul unei singure perioade a semnalului) este Dt. Deoarece acest interval poate fi facut foarte mic, rezulta posibilitatea folosirii osciloscopului pana la frecvente mult superioare frecventei de esantionare. De ex., daca Dt = 0,01 T, frecventa de esantionare este practic egala cu frecventa semnalului, dar frecventa aparenta de esantionare este de 100 ori mai mare decat frecventa semnalului, adica semnalul rezultat (pe durata a 100 de perioade T) este compus din 100 de esantioane care reproduc forma unei perioade.

esantionarea aleatoare, care se desfasoara dupa urmatorul principiu (fig.22).

si in acest caz se preleveaza esantioane la anumite intervale fata de un punct de referinta al curbei semnalului pe o perioada, insa ordinea in care ele sunt prelevate este aleatoare. Dispozitivul de comanda coordoneaza afisarea lor, cunoscand intarzierea fiecarui esantion, si determina reconstituirea corecta a imaginii semnalului.   Redarea lor are loc la o alta scara de timp (mult mai mare) decat scara achizitiei, ceea ce face ca si esantionarea aleatoare sa fie o esantionare in timp echivalent.

esantionarea in timp real - se aplica semnalelor de frecventa relativ joasa si celor tranzitorii, deci in situatii in care esantionarea in timp echivalent presupune un timp prea lung sau nu este aplicabila (datorita neperiodicitatii semnalului). Ea se desfasoara dupa principiul ilustrat in fig.23.

    La intervale egale de timp se emit impulsuri de comanda pentru esantionare, retinand valorile momentane ale in vederea reproducerii.

    Comparand modurile de esantionare rezulta ca:

esantionarea secventiala permite obtinerea de rezolutii temporale foarte mici, fiind aplicabila la semnale de frecvente foarte mari, nu insa si la vizualizarea fronturilor impulsurilor;

esantionarea aleatoare este ideala pentru vizualizarea fronturilor crescatoare ale impulsurilor, intrucat esantionarea apare aleator in raport cu tactul osciloscopului; esantionarea in timp real permite achizitia si reconstituirea si a fenomenelor singulare (tranzitorii), cu conditia prelevarii unui numar suficient de esantioane.

5.3 RECONSTITUIREA SEMNALULUI DIN ESANTIOANELE PRELEVATE

Semnalul folosit fiind cel rezultat in urma esantionarii, trebuie luate anumite precautii pentru atenuarea caracterului discontinuu al semnalului reconstituit.

Limitarea benzii de frecventa a semnalului de intrare, prin folosirea inaintea circuitelor de esantionare si memorare a unor filtre anti - alias. Semnalele alias sunt semnale false de joasa frecventa care apar in semnalele esantionate atunci cand frecventa de esantionare este prea scazuta. Filtrele sunt de tip trece-jos (FTJ) avand frecventa de taiere corelata cu frecventa de esantionare.

Numarul de esantioane prelevate intr-o perioada a semnalului si metoda de interpolare folosita.

Se stie ca un semnal poate fi reconstituit din esantioanele sale daca frecventa de esantionare este mai mare decat frecventa Nyquist (frecventa egala cu dublul frecventei maxime din spectrul semnalului). Deci, daca se preleveaza minim doua esantioane dintr-o perioada a semnalului, acestea ar fi suficiente pentru reconstituire. In practica, in general, sunt necesare minim 4 sau mai multe esantioane intr-o perioada pentru o reproducere acceptabila. In acest caz, banda semnalului nu poate depasi 25 % din frecventa de esantionare (la esantionarea in timp real). Cu tehnici de interpolare performante, se poate depasi procentul de 40 %, deci sa fie suficiente 25 esantioane pe secunda. Dupa esantionare, valorile prelevate sunt memorate si reproduse la anumite intervale de timp. Rezulta un semnal reconstituit din puncte (daca se considera numai aceste valori). Interpolarea este modalitatea prin care aceste puncte sunt unite pentru a reprezenta imaginea semnalului. Cea mai simpla este interpolarea liniara, la care punctele sunt unite prin segmente de dreapta.

In fig. 22 se reda rezultatul interpolarii unui semnal sinusoidal esantionat cu o frecventa de patru ori mai mare, egala deci cu dublul frecventei Nyquist. Forma semnalului obtinut este puternic dependenta de relatia de faza dintre semnal si procesul de esantionare. Daca insa esantionarea se face cu o frecventa de 10 ori mai mare decat frecventa semnalului, interpolarea reala introduce erori sub 5%, considerate acceptabile. S-a impus deci ca regula nescrisa prelevarea a cel putin 10 esantioane / perioada, pentru a asigura erori mici in forma semnalului dupa interpolare.

5.4 FACILITATI OFERITE DE OSCILOSCOAPELE NUMERICE

Osciloscopul a devenit tot mai mult un aparat universal de masurat, datorita numarului mare de parametri ai semnalelor electrice care se pot analiza:

    - perioada, frecventa;

   - timpi de crestere, de cadere ai fronturilor impulsurilor;

   - intarzierea, durata, factorul de umplere;

   - intervalele de timp (de la un canal la altul sau de la un registru de memorie la altul);

   - tensiunea maxima, minima, varf la varf, medie, efectiva, supracresterea, diferenta de tensiune de la un canal la altul sau de la un registru la altul.

Aceste functii de masurare sunt posibile prin faptul ca datele de masurare pot fi stocate in memorie si prelucra pentru obtinerea functiilor de masurare date.

Pentru diverse masurari sunt prevazute cursoare care pot fi plasate de operator pe imagine, delimitand liniile de caroiaj si definind intervalul de masurare. Diferenta pe verticala este convertita in unitati de tensiune, iar cea de pe orizontala in unitati de timp si frecventa. Valorile sunt afisate in forma numerica pe ecran.

Facilitati:

Valorile obtinute permit efectuarea de calcule matematice, inclusiv statistice, transformata Fourier, filtrari numerice, etc.

Este prevazuta o functie ZOOM, care permite extinderea, pe intreaga latime a ecranului, a oricarei portiuni din curba semnalului.

Posibilitatea vizualizarii unei portiuni de semnal anterioare unui semnal de declansare. Acest fapt este posibil prin aceea ca esantioanele sunt incarcate continuu intr-o memorie FIFO (First In First Out = primul intrat - primul iesit). Redarea semnalului se face la declansarea cu un impuls care determina momentul in care inregistrarea inceteaza. Durata de inregistrare anterioara impulsului de declansare poate fi reglata de operator in limita capacitatii memoriei (fig.23) Cu cat portiunea anterioara declansarii este mai mare, cu atat cea posterioara este mai scurta. Acest mod de lucru poarta denumirea de PRETRIGGER.

Un alt mod de lucru specific osciloscoapelor numerice este modul BURST TIME BASE, care consta in inregistrarea salvelor unui semnal, fara inregistrarea totala a portiunilor in care semnalul este nul, incat rezulta o economie de memorie (fig.24).

Tot in scopul economiei de memorie este supravegheat spectrul de frecventa al semnalului inregistrat si daca are loc o micsorare a benzii de frecventa, se micsoreaza corespunzator frecventa de esantionare (esantionare adaptiva).

Pentru transmiterea, inregistrarea, memorarea informatiei rezultate in procesul de masurare, majoritatea acestor osciloscoape sunt prevazute cu interfete de cuplare adecvate.

5.5 CARACTERISTICI TEHNICE SPECIFICE OSCILOSCOAPELOR NUMERICE

Numarul efectiv de biti - se refera la performantele convertorului analog numeric folosit. Acest numar determina:

- eroarea de cuantizare (neliniaritate diferentiala, coduri omise, instabilitatea timpului de apertura);

- neliniaritatea integrala (distorsiuni armonice);

- zgomotul.

Rezolutia este determinata tot de numarul de biti al CAN. De ex., pentru 10 biti rezulta 1024 de trepte de tensiune pentru intregul ecran, deci o rezolutie comparabila cu cea a unui osciloscop analogic.

Sensibilitatea - se exprima, ca si la aparatele analogice, in mV/div, insa trebuie cunoscute si sensibilitatea corespunzatoare unei cuante a CAN, pentru a nu aparea valori false ale sensibilitatii reale. Spre exemplu, la un osciloscop cu 2 mV/div, s-ar parea ca sensibilitatea e superioara altuia cu 5 mV/div. Daca insa pentru cei 2 mV corespund 2 nivele ale CAN, iar pentru cei 5 mV corespund 100 de nivele de CAN, sensibilitatile sunt, de fapt, 1 mV/cuanta la primul, fata de 0,05 mV/cuanta la al doilea, care are, deci, performante superioare.

CHESTIUNI DE STUDIAT

    1. Ce avantaje au impus osciloscopul catodic in masurarile electronice?
    2. Clasificati o.c. dupa modul de analiza a semnalelor in timp.
    3. Definiti o.c. de timp real.
    4. Care sunt zonele tubului catodic ?
    5. Care sunt modalitatile de reprezentare a semnalelor la o.c. de timp real ?
    6. a) Care este rolul etajului BT al o.c. ?
    b) Care este rolul etajelor de prelucrare a semnalelor la intrarea Y ?
    7. Care este rolul etajului de sincronizare ?
    8. Ce tensiuni asigura blocul de alimentare al o.c. ?
    9. Care este rolul sistemului intern de calibrare ?
    10. Care sunt parametrii tubului catodic ?
    11. Ce este atenuatorul calibrat rezistiv ?
    12. Care sunt cerintele amplificatorului de deviere pe verticala ?
    13. Cum se aplica semnalul de masurat ?
    14. Ce reglaje se efectueaza in lantul amplificatorului de deflexie pe verticala ?
    15. Cum sunt amplificarea si banda de trecere ale amplificatorului de deflexie pe orizontala fata de cele ale amplificatorului de deflexie pe verticala si de ce ?
    16. Ce sunt osciloscoapele X-Y si prin ce se caracterizeaza ele ?
    17. Ce tensiune se genereaza in baza de timp, care sunt portiunile caracteristice si ce se intampla in decursul fiecareia din ele?
    18. Care sunt cerintele asupra tensiunii baza de timp pe cursa directa?
    19. Cum se stinge spotul pe cursa inversa ?
    20. Care sunt regimurile bazei de timp ?
    21. Caracterizati regimul declansat.
    22. Caracterizati regimul declansat al bazei de timp.
    23. Ce regimuri ofera etajul de sincronizare si ce reglaje se pot face?
    24. Ce este comutatorul de canale ?
    25. Ce sunt marcajele de timp ? Cum se pot ele obtine ?
    26.Care sunt principalele caracteristici tehnice ale unui o.c.?
    27. In ce consta regimul AUTO de sincronizare ?
    28. Cum are loc explorarea semnalului in o.c. de timp translatat?
    29. Prezentati esantionarea secventiala folosita in o. numerice.
    30. Prezentati esantionarea aleatoare.
    31. Prezentati cateva din facilitatile o. numerice.
    32. Care sunt parametrii caracteristici specifici o.c. numerice?

Lipsesc figurile 7.7, 8, 9, 10, 13, 16.