Osciloscopul catodic

OSCILOSCOPUL CATODIC

Osciloscopul catodic este aparatul de control si masura cel mai intrebuintat in electronica. Cu ajutorul lui se poate vizualiza curba reprezentativa a unei functii y =f(x).

Functia y reprezinta o diferenta de potential iar variabila x reprezinta de obicei timpul (figura 1.1).

1.1 Tubul catodic

Fig 1.1

Partea principala a unui osciloscop este tubul catodic. Acesta este format dintr-un tub de sticla vidat, in forma de trunchi de con, terminat printr-un cilindru (figura 1.2). Baza mare, aproape plana, constituie ecranul. Partea cilindrica contine tunul electronic, format din mai multi electrozi, si doua perechi de placi de deviatie. Capatul partii cilindrice, numit culot, contine terminalele desti­nate a asigura legaturile electrice intre diferitii electrozi ai tubului si circuitele electronice aferente.

Partea interioara a ecranului este acoperita cu o substanta foto-emisiva destinata formarii unei pete lumi­noase (spot) in locul de impact al fasciculului de electroni produs de tunul electronic.

Fig. 1.2

Natura substantei foto-emisive determina durata petei luminoase pe ecran (persistenta spotului).

Una dintre substantele foto-emisive cele mai folosite este ortosilicatul de zinc.

1.2 Rolul diferitilor electrozi

Tunul electronic este format din catod, cilindrul Wehnelt, si unul sau mai multi electrozi de accelerare, figura 1.3.

Catodul, cu incalzire, indirecta, este de nichel aco­perit cu oxizi de bariu si strontiu. Prin incalzirea catodu-lui de catre filament acesta emite electroni.

Cilindrul Wehnelt este tot din nichel. Acest cilindru este prevazut cu o deschidere circulara ingusta prin care trece fasciculul de electroni produs de catod.

Deoarece potentialul cilindrului Wehnelt este negativ (si reglabil) fata de catod, cilindrul Wehnelt joaca rolul grilei de comanda dintr-un tub electronic. Lasind sa treaca prin deschiderea sa mai multi sau mai putini elec­troni, cu ajutorul lui putem regla luminozitatea spotului pe ecran.

Anodele din nichel A₁ ,A₂ si A₃ aflate la un potential pozitiv fata de catod formeaza o lentila electronica des­tinata a concentra fasciculul de electroni. A₁ si A₃ sunt anozii de accelerare in timp ce A₂, care este negativ fata de a₁ are rolul de a regla concentratia fasciculului.

Placile de deviatie servesc pentru a devia fasciculul de electroni vertical (cele doua placi orizontale) si orizontal (cele doua placi verticale).

Anodul de postaccelerare, format din grafit coloidal, este adus la un potential de cativa kilowati si serveste la accelerarea electronilor dupa iesirea acestora dintre placile de deviatie. Aceasta are urmatoarele efecte :

- amelioreaza luminozitatea si concentratia spotului;

- face posibila micsorarea vitezei electronilor inaintea intrarii lor intre placile de deviatie, de unde o buna sensi­bilitate a tubului catodic (prin sensibilitate se intelege tensiunea de accelerare aplicata pentru a obtine pe ecran o deviatie de 1 mm).

1.3 Alimentarea

Alimentarea tubului catodic este realizata prin urma­toarele circuite :

- un circuit de incalzire care furnizeaza o tensiune alternativa, de obicei de 6,3 V, pentru alimentarea fila­mentului ;

- circuite redresoare care furnizeaza diferite tensiuni continue necesare alimentarii electrozilor. Frecvent, inal­tele tensiuni sunt obtinute utilizand circuite multiplicatoare de tensiune;

tensiuni reglabile necesare cilindrului Wehnelt si anodului de concentrare A₂. Aceste tensiuni sunt reglate cu ajutorul potentiometrelor.

Alimentarea unui tub catodic necesita tensiuni de cativa kilovolti, ceea ce impune o izolare corespunzatoare.

Comanda deviatiei spotului pe ecran poate fi realizata folosind una din urmatoarele doua variante :

1) Comanda asimetrica

Montajul necesar realizarii acestei comenzi este aratat in figura 1.4. Una din placile de deviatie este legata la masa osciloscopului (potential 0) iar cealalta este adusa la un potential pozitiv sau negativ fata de masa cu ajutorul potentiometrului P. in pozitia din mijloc placa B se afla la un potential nul fata de masa. Cand cursorul este deplasat in sus, placa B este adusa la un potential pozitiv iar cand cursorul este deplasat in jos, ea este adusa la un potential negativ fata de masa.

Acest procedeu prezinta un inconvenient, anume de a introduce distorsiunile numite trapezoidale. Deplasarea spotului pe ecran este invers proportionala cu viteza electronilor la intrarea acestora intre placile de deviatie. Cu dispozitivul de comanda prezentat in figura l.4 potentialul punctului M situat la mijlocul distantei dintre placi nu este constant (el depinde de pozitia cursorului potentiometrului P). Aceasta variatia a potentialului determina o variatie a vitezei electronilor, ceea ce constituie cauza distorsiunilor.

Pentru evitarea producerii distorsiunilor trapezoidale se foloseste comanda simetrica prezentata in continuare.

2) Comanda simetrica

Placa B (figura 1.5) este adusa la un potential E fata de masa m timp ce placa A este adusa la potentialul -E.

Fig. 1.4E₁ =E₂=E Fig. 1.5

In aceste conditii, punctul M situat la mijlocul distantei dintre placi are un potential constant (0 V) pentru orice valoarea a lui E.

1.4 Sincronizarea

Referat: Diviziunea celulei si ereditatea Referat: Ecosistemul

Fig. 1.6

Vizualizarea unei diferente de potential in functie do timp se obtine aplicand placilor verticale o tensiune liniar variabila, adica in forma de dinti de ferastrau. Aceasta tensiune este produsa de un generator numit baza de timp; ea este amplifi­cata de amplificatorul orizontal inainte de a fi aplicata placilor verticale (de deviatie pe orizontala). Vom considera ca exemplu o sinusoida care trebuie vizualizata pe ecranul osciloscopului. Curba obtinuta pe ecran va fi stabila cand perioada tensiunii liniar variabile (T_d) va fi un multiplu intreg al perioadei sinusoidei (T_s), figura 1.6. Aceasta metoda de stabilizare a imaginii prezinta un inconvenient. Perioada semnalului de vizualizat este, in general, oarecare. Este, deci, necesar sa se modifice perioada tensiunii liniar variabile.

Pentru reglajul acesteia din urma se foloseste un comutator cu mai multe pozitii etalonate si un potentiometru care permite o ajustare progresiva, deci, neetalonata.

Fiecare pozitie a comutatorului este caracterizata prin µtimpul in care spotul parcurge pe ecran o distanta de l cm sau de o diviziune. In general se fixeaza urmatoarele pozitiietalon : 0,5 ms/div.; 1 ms/div.; 2 ms/div.; ; 0,1 ms/div.; 0,2 ms/div.; 0,5 ms/div.

Acest etalonaj nu este valabil decat pentru o anumita pozitie a butonului de reglaj progresiv.

Reglajul progresiv al baleiajului (deplasarea spotului pe ecran) determina pierderea avantajului etalonarii aces­tuia. In acest mod masurarea perioadei semnalului vizua­lizat devine imposibila.

Acest inconvenient poate fi eliminat folosind functio­narea "declansata' a bazei de timp. In acest caz chiar semnalul care trebuie examinat declanseaza baleiajul atunci cand el atinge o anumita valoare. Valoarea aceasta este reglata cu ajutorul unui potentiometru.

Functionarea "declansata' necesita o legatura intre amplificatorul vertical si baza de timp.

Sa examinam figura 1.7. Cand semnalul care trebuie vizualizat atinge nivelul "u' baleiajul incepe in a. Spotul parcurge ecranul de la stanga la dreapta. Ajuns la extre­mitatea dreapta el revine in stanga ecranului si reincepe in b, cand semnalul atinge din nou nivelul "u'

Fig. 1.7

(in punctul B) s.a.m.d. in aceste conditii spotul parcurge acelasi traseu pe ecran si figura este stabila. Stabilitatea figurii nu depinde de viteza baleiajului si, din aceasta cauza, se poate profita de etalonajui bazei de timp fixand pozitia butonului potentiometrului ajustabil la valoarea etalonata.

1.5 Figurile Lissajous

1.5.1. Generalitati

Fie un punct P care se deplaseaza pe curba G in planul definit de axele Ox si Oy (figura 1.8). Coordonatele x_p si y_p ale punctului considerat sunt functii de timp: x_p=f(t) si y_p=g(t).

Fig. 1.8

Cu ajutorul osciloscopului putem vizualiza astfel de curbe. Pentru aceasta se aplica placilor de deviatie verti­cala o tensiune u₁ = K₁y iar celor de deviatie orizontala o tensiune u₂ = K₂x. Ne propunem sa examinam astfel de curbe cand functiile f si g sunt sinusoidale ; curbele obti­nute pe ecran se numesc figuri Lissajous.

1.5.2. Functii sinusoidale de aceeasi frecventa

1. Cazul unui defazaj oarecare

Fie y = A₁ sin wt si x =A₂ sin(wt + j unde j>0. Functiile y si x sunt, de exemplu, doua tensiuni alternative sinusoidale aplicate intrarilor Y si X ale unui osciloscop pentru care baleiajul a fost suprimat. Se pune intrebarea daca figura Lissajous depinde de semnul defazajului. Raspunsul la o astfel de intrebare este dat de constructia grafica a curbei Lissajous obtinuta cand consideram func­tiile y = A₁ sin wt si x = A₂ sin(wt j unde j < 0 dar are aceeasi valoare absoluta ca si precedenta. Se observa ca figura obtinuta (figura 1.9) nu depinde de semnul defazajului. Se poate scrie :

si

de unde

sin |j| = OA/OB

Fig. 1.9

Putem afirma ca figurile Lissajous permit determina­rea valorii absolute a defazajului a doua functii alterna­tive sinusoidale de aceeasi frecventa.

2. Cazul unui defazaj nul

Fie functiile y = A₁ sin wt si x = A₂ sin wt. Rezultatul este usor de stabilit prin calcul:

sinwt = x/A₂

de unde

y = A₁ /A₂.

Functia y este de forma y = ax, adica o dreapta care trece prin originea axelor, figura 1.10.

3. Cazul unui defazaj egal cu p

Fie curbele y = A₁ sin wt si x = A₂ sin (wt + p = - A₂ sin wt. Ca si in cazul precedent, rezultatul este usor de prevazut. Din punct de vedere algebric se poate scrie :

sin wt = x A₂

de unde

y = - A₁x/A₂

Rezulta ca functia y este de forma y = ax unde a < 0, deci ea este reprezentata printr-o dreapta care trece prin originea axelor, figura 1.11.

Fig. 1.10                        Fig. 1.11

4. Cazul unui defazaj egal cu p/4

Fie curbele y = A₁ sin wt si x = A₂ sin (wt + p/4 . Curba reprezentativa va fi cea aratata in figura 1.12. Se poate verifica usor ca in cazul unui defazaj egal cu -p/4 se obtine acelasi raspuns.

5. Cazul unui defazaj egal cu p 2

Fie curbele y = A₁ sin wt si x = A₂ sin (wt + p/2 . Curba reprezentativa va fi cea aratata in figura l.13. In cazul unui defazaj j p/2 se obtine acelasi rezultat.

Fig. 1.12 Fig.1.13

6. Cazul unui defazaj egal cu 3p/4

Fie curbele y = A₁ sin wt si x = A₂ sin (wt + 3p/4 . Curba reprezentativa va fi cea aratata in figura 1.14. In cazul unui defazaj j -3p/4 rezultatul este acelasi.

Fig. 1.14

Fig. 1.15                                   Fig. 1.16

1.5.3. Functii sinusoidale de frecvente diferite

Sa consideram doua functii dintre care una sa aiba a frecventa dubla fata de cealalta:

y = A₁ sin 2wt si x = A₂ sin wt. Pe ecran se va obtine curba aratata in figura 1.15.

in situatia in care y = A₁ sin wt si x = A₂ sin 2wt se va obtine curba aratata in figura 1.16.

Alte trei cazuri sunt prezentate in figura 1.17 unde s-a notat cu f_x frecventa corespunzatoare functiei x si cu f_y cea corespunzatoare functiei y:

Fig. 1.17

f_x = 3f_y vezi fig. 1.17 a;

f_x = f_y 3 vezi fig. 1.17 b;

f_x = 2 f_y /3 vezi fig. 1.17 c

In general, pentru raportul frecventelor egal cu m/n figura obtinuta taie de m ori fiecare din cele doua laturi paralele ale dreptunghiului in care se inscrie figura Lissa­jous si de n ori celelalte doua laturi paralele. Daca ra­portul frecventelor nu este dat de numere intregi, atunci petele (care arata punctele de intersectie) sunt desenate pe intreg ecranul in mod uniform si figurile Lissajous nu se observa.

1.6 Comutatoare electronice pentru osciloscopul catodic

Folosirea osciloscopului catodic mono spot prevazut cu un comutator electronic este extrem de avantajoasa in studiul unor procese care necesita vizualizarea simultana a doua semnale. In acest sens pot fi date nenumarate exemple : vizualizarea simultana a semnalelor de intrare si iesire existente la un amplificator (avantaje : evaluarea rapida a amplificarii si aprecierea calitativa a caracteris­ticii de raspuns), observarea simultana a unui semnal de radiofrecventa modulat in amplitudine si a semnalului detectat (avantaje: calculul rapid al randamentului de­tectorului si evaluarea gradului de distorsiuni introduse de catre acesta), vizualizarea semnalelor de intrare-iesire pentru un filtru (in vederea aprecierii caracteristicii aces­tuia), observarea semnalelor produse de un generator standard si de un oscilator oarecare (pentru etalonarea acestuia din urma) etc.

Utilizarea unui osciloscop cu doua tunuri electronice este, evident, indicata in toate aceste cazuri. Acest aparat este insa greu de procurat iar construirea lui este dificila.

Comutatorul electronic poate inlocui in multe situatii, osciloscopul prevazut cu doua tunuri electronice. Comuta­torul electronic ,,introduce' pe rand la intrarea oscilo­scopului semnalele care trebuie vizualizate. Daca frec­venta de comutare (esantionare) este cel putin cu un ordin de marime mai mare decat cea a semnalelor, acestea se vor observa sub forma a doua curbe distincte.

Micsorand frecventa bazei de timp a osciloscopu­lui catodic, ochiul nu mai poate distinge intreruperile iar curbele apar continue.

Fig 1.8

Pentru a intelege functionarea unui comutator elec­tronic sa urmarim schema bloc din figura 1.18. Semnalele care trebuie vizualizate sunt aplicate la intrarile celor doua amplificatoare A₁ si A₂ .Iesirile acestor amplificatoare sunt legate la intrarea Y a osciloscopului. Aceste amplificatoare nu functioneaza simultan ci alternativ in sensul ca intr-un interval de timp T functioneaza amplificatorul A₁ (A₂ fiind in stare de blocare) iar in urmatorul interval de timp T functioneaza amplificatorul A₂ (A₁ fiind in stare de blocare).

Comanda functionarii intermitente a celor doua amplificatoare este realizata de catre circuitul basculant astabil (CBA), in felul acesta fasciculul electronic al osciloscopului catodic traseaza in primul interval de timp T o portiune din prima curba iar in urmatorul interval de timp T o portiune din cea de a doua curba s.a.m.d.

Pe ecran apar doua curbe corespunzatoare celor doua semnale aplicate la intrarile 1 si 2. Avantajul acestor comutatoare consta in simplitatea lor constructiva in si­tuata in care sunt proiectate sa functioneze la frecvente de semnal relativ mici (de ordinul 10³ Hz). Aceste comu­tatoare prezinta si dezavantaje. Dintre acestea mentionam urmaoarele doua :

a. Obligand fasciculul electronic sa treaca rapid de la o curba la alta, zona ecranului cuprinsa intre curbe devine luminata slab astfel incat imaginea este mai putin clara in aceasta zona;

b. Deoarece frecventadeesantionare(fragmentare) trebuie sa fie cel putin cu un ordin de marime mai mare decat cea a semnalelor de vizualizat (in caz contrar curbele apar sub forma unor linii intrerupte), aceste comutatoare nu pot fi folosite la frecvente ridicate. Astfel, daca trebuie sa vizualizam doua semnale cu frecventa de 100 kHz, este necesar ca generatorul de impulsuri dreptunghiulare (circuitul basculant astabil) sa aiba o frecventa de aproxi­mativ l MHz, ceea ce presupune o constructie cu totul deosebita a acestuia.

Fig. 1.19

Un alt tip de comutatoare este acela care are la baza principiul vizualizarii semnalelor in mod alternativ. Astfel, in timpul unui cadru (timpul in care spotul baleiaza ecranul de la stanga la dreapta) se vizualizeaza unul dintre sem­nale, iar in timpul celui de al doilea cadru se vizualizeaza celalalt semnal s.a.m.d. Pentru aceasta la intrarea osciloscopului catodic se aplica un semnal de forma celui aratat in figura 1.19. Se observa ca in intervalul de timp T este vizualizata prima curba iar in urmatorul interval de timp T - cea de a doua. Vizualizarea alternativa a celor doua semnale aplicate la intrari se obtine folosind impulsuri

dreptunghiulare cu o frecventa destul de mica (zeci de. herti), totusi suficient de mare pentru a depasi limite de discriminare a ochiului. In cazul in care impulsurile drept­unghiulare generate de CBA au aceeasi frecventa cu cea a semnalului produs de baza de timp a osciloscopului (conditie de sincronism), pe ecran apar semnalele aplicate la intrarile 1 si 2 ale comutatorului sub forma a doua, curbe distincte. Acest principiu corespunde scopului vi­zualizarii unor semnale de frecvente ridicate, pana la cativa MHz.