1

Unitatea de învăţare nr.10:

Osciloscopul catodic analogic.Constuctia si functionarea tubului

catodic. Genertorul de baza de timp. Masurarea tensiunilor , duratelor si a

frecventei cu osciloscopul.

Cuprins:10.1 Osciloscopul catodic

10.2.1. Osciloscopul catodic în timp real cu un canal10.2.2. Osciloscopul catodic cu mai multe canale

10.2 Osciloscopul cu memorie digitală

Obiective:La sfârşitul acestei unităţi de învăţare, studenţii vor fi capabili:

- să poată interpreta schema unui osciloscop catodic cu unul sau cu două canale

precum și modul în care se realizaeză o măsurătoere cu un astfel de dispozitiv.

10.1 Osciloscopul catodicOsciloscopul catodic este un aparat electronic ce permite, cu precizii nu prea mari

(nivel de erori de 3-8%) vizualizarea evoluţiei în timp a unor tensiuni electrice. Deşiprecizia de măsurare nu este foarte mare, aparatul oferă prin vizualizare, în afară devalorile cantitative şi posibilitatea unor aprecieri calitative asupra procesului analizat,respectiv o cantitate de informaţie deosebit de importantă.

Osciloscopul catodic se poate utiliza pentru: vizualizarea unor semnale periodice sau neperiodice într-o gamă de frecvenţă

foarte largă; urmărirea simultană pe ecran a două sau mai multor mărimi; zonele esenţiale ale curbelor afişate se pot mări după dorinţă; prin fotografiere, imaginea afişată se poate păstra pe timp nelimitat.

11.2.1. Osciloscopul catodic în timp real cu un canalOsciloscopul catodic în timp real oferă posibilitatea măsurării şi afişării procesului

în momentele în care se produce aceasta.Elementul său de bază este tubul catodic, care se poate realiza în variante: în construcţienormală, cu un spot (canal) sau cu două spoturi, cu sau fără postaccelerare, cu sau fărămemorie.

2

Fig.1 Tub catodic cu un canal (un tun şi un spot)

Tubul catodic cu un singur spot (canal) şi cu postaccelerare este compus dinurmatoarele elemente (fig.10):

catodul 3 cu încălzire indirectă, care lucrează cuplat cu filamentul 2; grile de comandă 4; anodul de preaccelerare 5; electrozii de focalizare 6; sistemele de deflexie 7 şi 8; electrodul de postaccelerare 9; ecranul tubului 10; soclul tubului l.

Funcţionare:Electronii emişi de catod sunt acceleraţi de câmpul electric al ansamblului catod-

anozi, intensitatea fascicolului de electroni fiind reglată de potenţialul grilei de comandă 4.Fascicolul de electroni este focalizat de sistemul grilă-anod de preaccelerare-anod defocalizare, astfel încât pe ecran să se obţină o urmă luminoasă cât mai subţire şi mai clară.

Tuburile catodice pentru osciloscoape sunt echipate în general cu deflexieelectrostatică, realizată cu două perechi de plăci plane, 7 şi 8, pe două direcţii (X- orizontală şiY- verticală).

Sistemul de deflexie deviază spotul din centrul tubului (ecranului) într-un punct decoordonate (X,Y), funcţie de tensiunile aplicate pe cele două perechi de plăci. În final,electronii sunt acceleraţi de electrodul de postaccelerare 9. Ecranul 10 conţine pe suprafaţainterioară un strat de luminofor, care face vizibil spotul electronic.

O caracteristică importantă a tubului catodic este sensibilitatea de tensiunedUd/dYS , care are expresia:

aUd2LlS

unde1 - lungimea plăcilor de deflexie în direcţia Z;L - distanţa ecran - plăci de deflexie;d - distanţa dintre plăcile de deflexie;Ua - tensiunea de accelerare din tunul electronic.

3

La o excitaţie electronică în salt sub formă de treaptă, intensitatea luminoasă a uneisubstanţe de tip luminofor arată ca în figura de mai jos

Fig.3a) impuls în treaptă;b) variaţia intensităţii luminoforului.

Intervalul de timp dintre momentul încetării curentului electronic (întrerupereaspotului) şi momentul dispariţiei intensităţii luminoase la 10% din valoarea iniţială senumeşte persistenţă.

În fig.3 este prezentată schema funcţională a unui astfel de osciloscop, în vedereaînţelegerii funcţionării sale.

Fig. 3 Schema funcţională a osciloscopului cu un canal

Semnalul electric de măsurat se aplică preamplificatorului PAV prin intermediulatenuatorului calibrat A. Un comutator de intrare pe canalul Y permite cuplarea intrăriipreamplificatorului la masă (M) sau la intrarea Y prin cuplaj de curent continuu sau curent

4

alternativ, după tipul semnalului, realizând de regulă rezistenţa de intrare de M101 şicapacitatea de intrare de 30-50pF.

Preamplificatorul PAV şi amplificatorul canalului vertical AV realizează unansamblu de amplificare de curent continuu cu bandă largă de frecvenţă a căruiamplificare se poate regla continuu. Imaginea se poate deplasa vertical, după dorinţă, prinprepolarizarea cu o componentă continuă a tensiunii de deflexie verticală.

Prin supracomanda amplificatorului, orice porţiune a curbei urmărite pe ecran se poatedecupa şi prezenta la dimensiuni verticale mărite.

În continuare, amplificatorul deflexiei orizontale AO primeşte semnalul de lapreamplificatorul PAO, la care se aplică tensiunea de comparaţie X. Se asigură astfelvizualizarea unor dependenţe implicite Y(X).

În general osciloscoapele vizualizează variaţia în timp a tensiunii de intrare; în acestscop pe plăcile de deflexie orizontale se aplică o tensiune de baleiaj în formă de dinţi defierăstrău. Tensiunea de baleiaj are trei zone distincte (fig.14)

a) tc – timpul de creştere, în care tensiunea creşte liniar având ca efect deplasarea cuviteză constantă a spotului luminos de la stânga spre dreapta ecranului;

b) ts – timpul de scădere, în care se produce revenirea bruscă a spotului în poziţiainiţială;

c) tp – timpul de pauză, necesar restabilirii stărilor iniţiale ale tuturor circuitelordispozitivului de baleiaj.

Fig.4 Tensiunea de baleiaj

Tensiunea de baleiaj este garantată de baza de timp BT, care conţine un generatorde tensiune liniar variabilă, a cărei frecvenţă se poate modifica în trepte fixe şi fin.Generatorul de baleiaj comandă circuitul de blocare CB, care pe durata timpului descădere şi de pauză negativează grila şi întrerupe fluxul de electroni.

Momentul declanşării frontului (porţiunea crescătoare) tensiunii dinte de fierăstrăueste dat de un circuit de sincronizare CS (fig.3).

Oscilatorul dispune de un sistem intern de calibrare care are rolul determinării cuexactitate (1-2%) a scărilor de reprezentare a semnalului pe verticală (amplitudine) şiorizontală (timp). În osciloscop se încorporează generatoare de tensiune sinusoidală saurectangulară, având amplitudinea şi frecvenţa calibrate, şi un voltmetru (clasa 1,5).

11.1.2. Osciloscopul catodic cu mai multe canaleUn astfel de aparat permite vizualizarea simultană a două sau mai multe mărimi

variabile. De regulă se construiesc osciloscoape cu două canale, dar se realizează şiosciloscoape cu 4 şi 8 canale.

După modul de realizare se disting: osciloscoape cu un spot şi comutator electronic; osciloscoape cu două spoturi.Osciloscopul cu un spot şi comutator electronic conţine un tub catodic cu un singur

spot. Sistemul de deflexie orizontală generează tensiunea de baleiaj comună ambelor canale

5

de acţiune, iar un comutator electronic, înglobat în blocul de amplificare al canalului vertical,deviază spotul de electroni la intervale regulate pentru fiecare din cele două semnale deintrare (fig.5).

Fig. 5 Schema funcţională a unui osciloscop cu comutator

Circuitul basculant de comandă CBC închide succesiv comutatoarele electronice princare semnalele preamplificate se aplică circuitulul sumator SUM, şi apoi amplificatoruluifinal AV. Există două moduri de lucru:

a) Comutat – la care ritmul comutărilor succesive este impus, la acele două intrări, deun oscilator intern autonom. În decursul unei desfăşurări pe orizontală a spotului,comutatorul electronic comută de mai multe ori amplificatorul final AV la celedouă canale. Modul de lucru comutat se utilizează la măsurarea (vizualizarea)semnalelor de joasă frecvenţă. Frecvenţa oscilatorului autonom fiind destul demare (100KHz – 1MHz), practic cele două semnale măsurate sunt vizibilesimultan pe ecran.

b) Alternat – modul de lucru în care amplificatorul deflexiei verticale este cuplatsuccesiv la cele două semnale pe durata a câte unei desfăşurări complete abaleiajului. La frecvenţe mari ale semnalului, ritmul de revenire a spotului lafiecare canal este atât de mare încât timpul dintre două desfăşurări succesive seaflă sub remanenţa luminoforului, imaginea percepută fiind clară, fără pâlpâire.

Oscilatorul cu două spoturi are două tuburi catodice speciale. În funcţie de modul deproducere a celor două spoturi, există trei variante de tuburi catodice:

a) Tubul catodic cu fascicul divizat, care conţine un singur tun electronic. Fascicululeste divizat la al doilea anod de accelerare. Deflexia orizontală este comunăambelor canale iar cea verticală, este separată.

b) Tubul catodic cu două spoturi, care are două tunuri electronice, sistem de deflexieorizontală comun şi plăci de deflexie verticală independente. Această soluţiepermite reglarea separată a iluminării celor două imagini şi modulatia Z.

c) Tubul electronic cu două tunuri, care are două surse de electroni cu toţi electroziiaferenţi complet independenţi. Cu acest aparat, se pot compara două semnale,utilizând baze de timp diferite.

6

Osciloscoapele cu două spoturi sunt mai puţin răspândite, ele fiind utilizate numaiatunci când măsurătorile nu pot fi efectuate cu osciloscoape cu comutator: în domeniulfrecvenţelor foarte înalte, la studiul simultan al semnalelor asincrone etc.

10.2 Osciloscopul cu memorie digitalăUn osciloscop cu memorie permite reţinerea informaţiei măsurate, permiţând

analiza semnalelor şi după desfăşurarea fenomenelor, compararea mai multor semnalecare apar în momente diferite, afişarea unor semnale cu frecvenţă de apariţie (afişare)redusă ş.a. Osciloscoapele cu memorie se realizează în două variante diferite:

osciloscoape cu memorie analogică; osciloscoape cu memorie digitală.Aceste aparate constituie o combinaţie între un lanţ de măsurare – conversie

analog/digitală şi digital/analogică – sistem de afişare cu tub catodic.Mărimea variabilă de timp este prelucrată în lanţul informaţional format dintr-un etaj

de amplificare şi filtrare AF, un etaj de eşantionare – reţinere SH, convertorul analog/digitalA/D, memoria digitală M, convertor digital/analogic D/A şi un filtru de ieşire F (fig.6.)

Eşantionarea unui semnal digital înseamnă prelevarea, la intervale de timp egale saualeatoare, de eşantioane din acel semnal. Culegerea eşantioanelor trebuie făcută astfel încâtdin eşantioane să se poată reface variaţia iniţială a semnalului de intrare.

Conform teoremei eşantionării rezultă: dacă fm este frecvenţa maximă a spectrului semnalului variabil, atunci frecvenţa de

eşantionare fe trebuie să fie: me f2f ; dacă semnalul eşantionat este trecut printr-un filtru trece – jos ideal, cu frecvenţa

de tăiere fm, la ieşire se va obţine semnalul iniţial.

Fig.6 lanţul informaţional al osciloscopului

În practică se impune frecvenţa minimă de eşantionare fe=(3-5)fm.

Fig.7 Procesul de eşantionare şi conversie A/D

7

În figura 7 este prezentat schematic procesul de eşantionare – reţinere şi conversieA/D. Circuitul de eşantionare – reţinere, constă în esenţă dintr-un comutator electronic CEşi un condensator cu memorare analogică C. În intervalul ts (eşantionare) comutatorul CEse închide; în timpul tranzitoriu ta tensiunea pe condensator ajunge la valoarea instantaneea tensiunii de intrare. În intervalul th (reţinere), CE este deschis, condensatorul C reţinevaloarea tensiunii din momentul separării lui C. În acest timp (th) se efectuează conversiaA/D. Cele două intervale limitează frecvenţa de eşantionare la hse tt1f , care la rândul ei,limitează rezoluţia sistemului după axa timpului (frecvenţa maximă a semnalului de intrare).

Memorarea şirului de numere binare rezultate în urma conversiei A/D se face înregistre electronice cu scriere-citire de tip RAM. Capacitatea memoriei limitează durata deînregistrare a semnalului de intrare, durată care depinde şi de frecvenţa de eşantionare. Întrecapacitatea memoriei Cm (în cuvinte de 8 biţi, de pildă), frecvenţa de eşantionare fe şiintervalul de timp de înregistrare Ti există relaţia:

iem TfC În figura 8 este prezentată schema funcţională a unui osciloscop digital.

Fig. 8 Schema funcţională a unui osciloscop digital

Semnalul de intrare u(t) este atenuat şi filtrat la intrare, eşantionat (S/H) şi convertit încod numeric (A/D). În continuare, semnalul este memorat în memoria digitală M, de unde esteextras sub formă digitală, prin intermediul unei interferenţe digitale ID, sau sub formăanalogică, prin conversie digital-analogică (D/A) şi filtrare. Toate secvenţele de lucru aleaparatului sunt comandate de dispozitivul de comandă DC (de exemplu, un microprocesor), înritmul impus de un generator de tact.

Derularea semnalului se poate face cu o viteză diferită de cea a înregistrării,înregistrarea putând fi comprimată sau dilatată în timp.

Rezumat:Voltmetre electronice analogice. Multimetre. Sunt aparate destinate măsurării de tensiuni continue,

alternative şi în impulsuri, în gamă largă de frecvenţe. Deşi în prezent nu se mai produc ca aparate individuale, ciîn variante de multimetre, destinate măsurării mai multor mărimi (tensiuni, curenţi, rezistente, inductanţe,capacităţi), studiul lor este important prin aceea ca tensiunile reprezintă o clasa de mărimi care interesează înmod frecvent. Evoluţia lor s-a bazat pe creşterea performantelor în electronică, cu consecinţe în creştereapreciziilor, domeniilor de frecvenţe şi vitezei de lucru.

8

Clasificări:– după modul prelucrării tensiunii măsurate:

analogice numerice.

– după natura tensiunii măsurate: de c.c. de c.a.

Voltmetre de c.a. Un voltmetru de c.a. este format din două părţi distincte:– partea de detecţie, care transformă semnalul alternativ de măsurat într-un semnal continuu proporţional;– partea de măsură în c.c.După tipul detecţiei, voltmetrele de c.a. se pot clasifica în voltmetre:– de valori efective (Vef);– de valori medii (Vmed);– de valori de vârf (Vmax).

Observaţii privind performantele voltmetrelor cu detecţie:1. Dependenta indicaţiei de forma de undă. Voltmetrul a cărui indicaţie este cel mai puţin afectată de prezenţa

armonicilor este cel de valori efective (cu termocuplu), întrucât acesta este sensibil la căldura dezvoltată defiecare din componentele valorii efective:

2ef3

2ef2

2ef1ef VVVV De

asemenea, voltmetrele care utilizează detecţie pătratică nu sunt influenţate de prezenţa armonicilor, ele măsurândvaloarea eficace a semnalului, indiferent de forma acestuia. Voltmetrele care sunt considerabil influenţate deprezenţa armonicilor sunt cele de valori medii şi cele de valori de vârf.

2. Domeniul de frecvenţă este determinat de banda de frecvenţă a amplificatorului voltmetrului Acesta este îngeneral de bandă largă, astfel încât voltmetrele de valori efective şi .medii au un domeniu între câţiva Hz şi 10Mhz. La voltmetrele de valori de vârf la care detecţia precede amplificarea, banda este mult mai mare, ajungândla sute de MHz.

3. O altă sursă de erori legată de forma de undă şi care apare numai la voltmetrele de valori de vârf este ceadatorata undei nesimetrice. În acest caz, dacă se inversează conexiunile de intrare ale voltmetrului, citirile vordiferi.

4. Timpul de răspuns este intervalul dintre aplicarea semnalului şi stabilirea indicaţiei. Este de ordinul 0,5 s lavoltmetrele de valori medii şi ajunge la 2 s la voltmetrele de valori eficace, datorită inerţiei termice.

5. Influenţa zgomotului. Acesta este intern (generat în aparat) şi extern (care însoţeşte semnalul).Zgomotulintern este proporţional cu banda voltmetrului şi nu depinde de tipul detecţiei utilizate.Voltmetrul de vârf dă eroriconsiderabile, întrucât vârful semnalului de zgomot este imprevizibil

Osciloscopul catodic - este un aparat electronic ce permite, cu precizii nu prea mari (nivel de erori de3-8%) vizualizarea evoluţiei în timp a unor tensiuni electrice. Deşi precizia de măsurare nu este foarte mare,aparatul oferă prin vizualizare, în afară de valorile cantitative şi posibilitatea unor aprecieri calitative asupraprocesului analizat, respectiv o cantitate de informaţie deosebit de importantă.

Osciloscopul catodic se poate utiliza pentru: vizualizarea unor semnale periodice sau neperiodice într-o gamă de frecvenţă foarte largă; urmărirea simultană pe ecran a două sau mai multor mărimi; zonele esenţiale ale curbelor afişate se pot mări după dorinţă; prin fotografiere, imaginea afişată se poate păstra pe timp nelimitat.

Lucrare de verificare:1. De ce este grila Wehnelt mai negativă decât catodul?

2. Pe unde se închide curentul electric creat de fascicul?

3. Cum se explică efectul de lentilă electrostatică?

4. Din ce cauză la tuburile moderne se folosesc trei anozi de accelerare și focalizare?

Bibliografie :1. Cruceru, C., Tehnica măsurărilor în telecomunicaţii, Editura Tehnică, Bucureşti, 1987

9

2. Manolescu, P., Ionescu-Golovanov, C., Măsurări electrice şi electronice, EdituraDidactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1979

3. Iliescu, E., Bărbulescu, D., Ionescu-Golovanov, C., Szabo, W., Szekely, I., Măsurărielectrice şi electronice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1983

4. Dordea, R., Măsurări electrice şi electronice, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti,1975

5. Ionescu, G., Măsurări şi traductoare, Editura Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 19856. Alecu, E., Gabrilă, Gh., Măsurări electrice, Academia Militară, Bucureşti, 19817. Braşovan, I., Măsurări electrice, Institutul Politehnic „Traian Vuia”, Timişoara, 19768. Mihoc, D., Ceparu, M., ş.a., Teoria şi elementele sistemelor de reglare automată, Editura

Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 19809. Ignea, A, Stoiciu, D., Măsurări electronice, senzori și traductoare, Editura Politehnica,

Timișoara, 200710. Chivu, M., Ignea, A., Măsurări electrice și electronice. Probleme, LitografiaInstitutului Politehnic “Traian Vuia” Timișoara 1984.11. Ignea, A., Chivu, M., Borza, I., Măsurări electrice și electronice în instalații.Editura ORIZONTURI UNIVERSITARE, Timișoara. 1998.12. Jurca, T., Stoiciu, D., Instrumentație de măsurare. Structuri și circuite, Editura deVest, Timișoara, 1996.