Capitolul 9. Osciloscopul analogic în timp real

9.1. Privire generală

Osciloscopul catodic se utilizează pentru vizualizarea formei de variaţie în timp a unei tensiunii, permiţând obţinerea unor informaţii privind amplitudinea, frecvenţa şi faza acesteia, precum şi detectarea altor informaţii specifice semnalului respectiv: timp de creştere, modulare etc. Este cel mai rapid aparat analogic ce permite vizualizarea, măsurarea şi înregistrarea semnalelor convertite în tensiune electrică.

Primul osciloscop a fost realizat de către Braun (1897), aducându-se rapid unele perfecţionări ce au constat în înlocuirea bazei de timp mecanice cu una electrică (1898-Zenneck) şi introducerea grilei de comandă (1903-Wehnnelt). Către anii 1925-1926 construcţia s-a conturat în forma în care este cunoscut astăzi osciloscopul de uz general. În prezent există o mare varietate de osciloscoape: cu un singur canal sau cu mai multe canale, cu bază de timp simplă sau cu bază de timp dublă, de uz general, cu eşantionare, cu memorare pe tub catodic sau cu memorie digitală sau osciloscoape specializate pe un anumit gen de măsurări.

Forma de variaţie a tensiunii electrice, aplicată la intrarea osciloscopului, se obţine sub forma unei imagini luminoase pe ecranul luminiscent al unui tub catodic, prin bombardarea acestuia cu un fascicul de electroni, poziţionat pe ecran cu ajutorul a două sisteme de deflexie electrostatică: verticală (Y) şi orizontală (X). Prin folosirea unor traductoare adecvate, ce permit obţinerea unui semnal de tensiune proporţional cu mărimea fizică de la intrare, aria de utilizare a osciloscopului se extinde practic la vizualizarea oricărei mărimi fizice.

Deşi exactitatea măsurării nu este ridicată, osciloscopul se remarcă printr-o serie de calităţi ce nu pot fi întâlnite la alte aparate: limite largi de variaţie a frecvenţelor studiate, studiul simultan pe ecran a două sau mai multe mărimi, sensibilitate ridicată, posibilitatea măsurării unor valori instantanee pe imaginea obţinută pe ecran ca şi posibilitatea memorării sau fotografierii fenomenelor.

9.2. Osciloscopul catodic analogic de uz general

Osciloscopul catodic analogic de uz general este destinat analizei semnalelor periodice. Este un osciloscop în timp real, pe ecranul tubului catodic apărând o reprezentare a semnalului studiat, existând o corespondenţă biunivocă între punctele imaginii şi punctele de pe curba semnalului. Schema de principiu a osciloscopului este prezentată în Fig.9.1.

Fig.9.1. Schema de principiu a osciloscopului catodic analogicde uz general.

Se evidenţiază patru mari blocuri funcţionale:I - sistemul de vizualizare, care conţine tubul catodic şi comenzile electrice aferente. El

permite afişarea vectorială - rezultatul compunerii a două semnale de tensiune - unul provenind de la sistemul vertical şi altul de la sistemul orizontal;

II - sistemul vertical - conţine circuite de condiţionare a semnalului (atenuare, amplificare) corespunzător amplitudinii sau axei Y;

III - sistemul orizontal - conţine circuite de generare (baza de timp) şi amplificare a semnalului corespunzător axei timpului sau axei X.

IV - sistemul de sincronizare - permite declanşarea condiţionată a bazei de timp (semnalul pe axa x) funcţie de semnalul pe axa Y, obţinându-se astfel o imagine stabilă pe ecran.

Tubul catodic reprezintă partea esenţială a osciloscopului. El poate fi cu un singur fascicul de electroni (spot) sau cu două fascicule de electroni, cu memorie sau fără memorie. Osciloscoapele de uz curent au tub catodic cu un singur spot şi nu sunt prevăzute cu posibilităţi de memorare. Fasciculul de electroni generat de tunul electronic suferă acţiunea plăcilor de deflexie pe verticală şi pe orizontală, deplasarea spotului pe ecran fiind comandată de tensiunile aplicate acestor plăci de deflexie. În afara axelor de pe ecran XOY se mai ataşează a treia axă, în lungul axei tubului, denumită axa Z. Comanda tubului după axa Z se referă la reglarea luminozităţii spotului şi se reglează prin intermediul potenţialului grilei Wehnnelt.

Tensiunea de vizualizat se aplică la intrarea sistemului vertical (Y), cuplarea făcându-se în c.c. sau în c.a.(se suprimă, cu un condensator, componenta de c.c.). Atenuatorul este alcătuit dintr-un divizor de tensiune RC compensat în frecvenţă, reglabil în trepte. Preamplificatorul are rolul de a amplifica semnalul de ieşire al divizorului (tipic, 50 mV) la nivelul cerut de amplificator. Linia de întârziere are rolul de a crea o întârziere a tensiunii ce ajunge pe plăcile Y de deflexie, în scopul de apărea simultan cu tensiunea de pe plăcile X de deflexie (baza de timp produce o anumită întârziere). Amplificatorul pe verticală este de tipul cu ieşiri simetrice în

antifază şi are rolul de a amplifica tensiunea de la ieşirea preamplificatorului până la nivelul necesar devierii spotului pe verticală (100-200V).

Generatorul de semnal rampă (baza de timp) generează tensiunea liniar variabilă necesară comenzii spotului pe orizontală. Această tensiune este amplificată până la nivelul necesar devierii spotului pe orizontală (100-200V) cu un amplificator similar celui de la sistemul Y. Amplificatorul poate fi cuplat cu baza de timp, în funcţionare y-t, sau direct cu intrarea X, în funcţionare x-y.

Construcţia imaginii care apare pe ecranul tubului catodic poate fi urmărită în Fig.9.2, în care s-a considerat cazul particular al vizualizării unei tensiuni sinusoidale, tensiunea liniar variabilă de pe axa X având aceeaşi frecvenţă cu cea de pe axa Y.

Fig.9.2. Construcţia imaginii care apare pe ecranul tubului catodic.

Regimurile de funcţionare ale osciloscopului sunt următoarele:- funcţionarea în y (fără baza de timp) - fasciculul de electroni este deviat numai pe

verticală şi pe ecran apare o linie verticală. Acest regim de funcţionare este util pentru măsurarea amplitudinii tensiunii vizualizate;

- funcţionarea în y-t - fasciculul este acţionat de ambele perechi de plăci de deflexie, acţiuni a căror rezultantă face ca spotul să descrie o curbă y(t), replică a curbei tensiunii de măsurat u(t). Acest regim de funcţionare este util la măsurarea directă a amplitudinii şi frecvenţei semnalelor, la măsurări cu semnale dreptunghiulare, precum şi la măsurări cu semnale TV sau provenite din regimuri tranzitorii;

- funcţionarea în x-y - fascicolul este supus, de asemenea, acţiunii simultane a celor două sisteme de plăci de deflexie. Plăcile primesc semnale de la tensiunile aplicate la intrările X şi Y ale osciloscopului, iar pe ecran apare dependenţa y(x). Acest regim de funcţionare este util la măsurarea defazajului dintre două tensiuni precum şi la determinarea exactă a egalităţii a două frecvenţe.

9.3. Tubul catodic

Tuburile catodice utilizate la osciloscoapele catodice folosesc deflexia electrostatică. Ele pot fi de tipul monoaccelerator (cu un singur anod de accelerare) sau cu postaccelerare (doi anozi de accelerare), al doilea tip fiind preponderent utilizat la osciloscoapele actuale, cu bandă largă de frecvenţă. În Fig.9.3. se prezintă principial o secţiune printr-un tub catodic cu deflexie electrostatică.

Fig.9.3. Tubul catodic (secţiune).

În partea inferioară a figurii s-au reprezentat sursele de alimentare într-o manieră care indică ordonarea potenţialelor diferiţilor electrozi ai tubului. In interiorul tubului se disting următoarele zone:

► Zona generării şi accelerării fascicolului de electroni (tunul electronic) - cuprinde filamentul F ce încălzeşte catodul C, care produce electronii prin emisie termoelectronică, grila de comandă G (Wehnnelt) a intensităţii fasciculului de electroni şi anodul de accelerare A. Grila şi anodul de accelerare au formă cilindrică şi orificii circulare înguste care permit trecerea unui fascicul îngust de electroni către zona următoare. Viteza electronilor se obţine din relaţia:

ve

mU UA A0

52 6 10 (9.1)

unde UA reprezintă tensiunea anodică de accelerare.► Zona de focalizare şi corectare a astigmatismului (defocalizarea spotului spre periferia

ecranului) - cuprinde anozii de accelerare, de focalizare şi de corecţie a astigmatismului, care alcătuiesc împreună un ansamblu de lentile electrostatice cu rolul de a produce un fascicul punctiform (focalizare) în orice punct al ecranului (astigmatism). Funcţionarea lentilelor electronice (ca şi a celor optice) se bazează pe fenomenul de refracţie (Fig.9.4.a): la trecerea electronului prin suprafaţa de separaţie a două zone cu potenţiale electrice diferite se conservă componenta tangenţială a vitezei:

(9.2)în care i şi r reprezintă unghiurile de incidenţă şi respectiv de refracţie.

a) b)Fig.9.4. Dispozitivul de focalizare.

Prin urmare, când electronii trec spre un electrod cu potenţial mai ridicat (decât al precedentului) fasciculul devine mai convergent, iar când trec spre un electrod cu potenţial mai coborât devine mai divergent. Calităţile lentilelor electronice depind nu numai de diferenţele de potenţial dintre electrozi dar şi de geometria acestora. Din examinarea potenţialelor electrozilor - Fig.9.4.b - se constată ca fasciculul de electroni este focalizat în două locuri. Reglând potenţialul anodului A1 cu ajutorul potenţiometrului P2 (“FOCALIZARE”) se poate aranja ca focarul să fie chiar pe ecran, situaţie în care spotul are diametrul minim.

► Zona de deflexie electrostatică - cuprinde plăcile de deflexie pe verticală şi pe orizontală. În această zonă informaţia corespunzătoare semnalului analizat este transmisă fasciculului de electroni prin intermediul câmpurilor electrice produse de plăcile de deflexie. Pentru studiul deflexiei se consideră cazul tubului monoaccelerator cu plăcile Y alimentate simetric iar în locul fasciculului se consideră un singur electron (Fig.9.5.). Electronul pătrunde între plăcile de deflexie pe verticală cu viteza v0 ; datorită câmpului electric

Ey existent, asupra

sa se exercită o forţă F eEy y şi îşi modifică traiectoria (arc de parabolă), iar după părăsirea plăcilor Y se mişcă în continuare în linie dreaptă până întâlneşte ecranul.

Fig.9.5. Traiectoria electronului. Fig.9.6. Răspunsul luminoforului.

Ecuaţiile parametrice ale mişcării în interiorul plăcilor de deflexie sunt:

yeU

mdt

y1

22 z v t 0 (9.3)

conducând la ecuaţia traiectoriei:

yeU

mdvz

y1

202

2(9.4)

relaţie ce reprezintă o parabolă şi este valabilă pentru 0 z l . La ieşirea dintre plăcile de deflexie pe verticală electronul are deviaţia:

yeU

mdvl

y1

02

21

2 (9.5)

şi o viteză v ce face cu orizontala un unghi dat de relaţia:

tg eU l

mdv

y

02 (9.6)

Deviaţia totală pe ecranul situat la distanţa L de la ieşirea plăcilor este:y y y y L 1 2 1 tg (9.7)

rezultând:

yeU l

mdvl L

y 2

202 (9.8)

Ținând cont de relaţia (9.8) expresia deviaţiei totale devine:

yU l

dUl L

y

A

42( ) (9.9)

în care :

Sl l L

dUyA

2

4(9.10)

reprezintă sensibilitatea pe verticală a tubului catodic. ► Zona de postaccelerare - este specifică osciloscoapelor portabile şi celor cu banda de

frecvenţă mai mare de 10MHz, deoarece viteza sporită cu care fasciculul de electroni baleiază ecranul reclamă, pentru o luminozitate satisfăcătoare, o energie cinetică ridicată. In acest scop se prevede anodul de postaccelerare, situat după zona de deflexie şi căruia i se aplică o tensiune continuă de valoare mare (5-15kV). Anodul de postaccelerare se poate realiza sub forma unei depuneri prin metalizare pe suprafaţa interioară a tubului, în porţiunea tronconică, a unui electrod sub formă de spirală rezistivă. Tot în zona de postaccelerare, la unele tuburi catodice se prevede o bobină exterioară. Aceasta, fiind străbătută de un curent ce poate fi modificat prin potenţiometrul “ROTIRE TRASĂ”, produce prin deflexie electromagnetică rotirea imaginii, permiţând alinierea ei cu axele caroiajului care se văd pe ecranul tubului.

► Zona ecranului cuprinde stratul de luminofor depus pe suprafaţa interioară, care transformă energia cinetică a electronilor în energie luminoasă (şi termică). Pentru ca stratul de luminofor să nu se distrugă prin efect termic, peste luminofor se depune un strat subţire de aluminiu, care îmbunătăţeşte şi randamentul luminos prin reflexia produsă. Luminoforul este realizat din diferite substanţe cum ar fi: sulfura de zinc şi cadmiu cu argint, care emite culoarea albastră, ortosilicatul de zinc, cu emisia de culoare verde etc. Pentru un luminofor calităţile cerute sunt randamentul (procentul din energia electronilor care se transformă în radiaţie luminoasă) şi persistenţa (timpul din momentul încetării curentului de electroni până la scăderea intensităţii imaginii la 10% din valoarea iniţială). La bombardarea luminoforului cu un impuls dreptunghiular, răspunsul său luminos arată ca în Fig.9.6, în care se observă şi modul de definiţie a noţiunilor de fluorescenţă, fosforescenţă, persistenţă şi luminiscenţă.

9.4. Sistemul vertical

Atenuatorul de intrare are rolul de a diviza tensiunea de intrare până la nivele acceptate de amplificatorul canalului Y. El trebuie să îndeplinească două condiţii: să aibă un raport de divizare cunoscut cu exactitate şi constant în banda de frecvenţă şi să prezinte o impedanţă de intrare constantă, indiferent de raportul de divizare. Prima condiţie este îndeplinită de divizorul mixt RC compensat (Fig.9.7). Raportul de divizare este:

kR

Ri 1 (9.11)

independent de frecvenţă dacă constantele de timp ale celor două braţe sunt egale:RC R CC i i (9.12)

unde: R Ci i, - reprezintă componentele impedanţei de intrare a amplificatorului canalului Y.Compensarea se realizează prin ajustarea capacităţii CC , până la îndeplinirea relaţiei

(9.12). În mod uzual osciloscoapele sunt prevăzute cu mai multe celule de atenuare de tipul descris anterior, care pot fi grupate în mai multe moduri, pentru obţinerea diferitelor rapoarte de divizare.

Fig.9.7. Atenuatorul de intrare. Fig.9.8. Sonda de osciloscop.

Sonda de osciloscop este elementul care permite aplicarea tensiunii la intrarea Y, fără ca acest semnal să fie influenţat de perturbaţiile exterioare; în plus, sonda trebuie să influenţeze cât mai puţin circuitul în care se conectează. O sondă este realizată (Fig.9.8) dintr-un cap de probă CP urmat de un cablu coaxial CC care face legătura cu osciloscopul. Există sonde pasive (cu sau fără atenuator) şi sonde active (ce conţin dispozitive de amplificare cu impedanţe de intrare foarte mari). Sondele fără atenuator au avantajul că nu atenuează semnalul, dar şi dezavantajul unei rezistenţe de intrare mai mici şi al unei capacităţi de intrare mari. Sondele cu atenuator în capul de probă atenuează semnalul, în schimb au o impedanţă de intrare ridicată.

Amplificarea pe canalul Y se realizează cu amplificatoare de bandă largă, cât mai stabile şi cu o bună protecţie împotriva tensiunilor parazite. Schema bloc a amplificatorului pentru deflexia pe verticală este prezentată în Fig.9.9 .

Fig.9.9 Schema bloc a amplificatorului Y.

Preamplificatorul PA de bandă largă asigură o mare impedanţă de intrare (tipic 1M30pF) şi amplifică semnalele de la ieşirea atenuatorului (10-50mV) la valori compatibile atacării amplificatorului AD (5-10V). Intrarea este asimetrică, iar ieşirea diferenţială (simetrică). Amplificatorul diferenţial AD şi etajul final EF au ambele intrări şi ieşiri diferenţiale, permiţând comanda simetrică a plăcilor de deflexie, adică cu tensiuni care prezintă variaţii egale şi de semn contrar. Potenţiometrul “ETALONARE Y” permite reglarea amplificării încât osciloscopul să lucreze în mod calibrat. De la una din ieşirile amplificatorului diferenţial se culege un semnal care, în regim de sincronizare internă a plăcilor de deflexie, se aplică circuitului de sincronizare, asigurând declanşarea bazei de timp. Amplificatorul pe verticală, împreună cu tubul catodic, determină banda de frecvenţă B a osciloscopului, ce determină, la rândul ei, timpul de creştere al osciloscopului:

tBcr ( )

( )ns

MHz

350(9.13)

Dacă la intrarea Y se aplică impulsuri având timpul de creştere tcri pe ecran se vor observa impulsuri având timpul de creştere tcrt , existând relaţia:

t t tcrt cr cri 2 2 (9.14)

9.5. Sistemul orizontal

Pentru vizualizarea şi măsurarea fenomenelor variabile în timp osciloscopul realizează axa timpului prin deplasarea spotului pe orizontală cu viteză constantă. Tensiunea necesară este de formă liniar variabilă (în dinţi de fierăstrău), numită tensiune de baleiaj. Forma de undă a acestei tensiuni (Fig.9.10) are 3 zone distincte:

- timpul de creştere tc , pe durata căruia tensiunea creşte liniar, iar spotul se deplasează de la stânga la dreapta ecranului;

- timpul de revenire tr , pe durata căruia (mult mai mică decât tc ) tensiunea revine la zero, determinând revenirea spotului în poziţia iniţială; - timpul de pauză t p , necesar revenirii tuturor circuitelor la starea iniţială.

Fig.9.10. Forma de undă a tensiunii de baleiaj. Fig.9.11. Schema de principiu a bazei de timp.

Această tensiune liniar variabilă este produsă de un generator de impulsuri cu frecvenţa reglabilă, numit baza de timp BT. Tot de la baza de timp se comandă circuitul de suprimare al fasciculului de electroni CS, care aplică un impuls negativ grilei pe durata cursei inverse a spotului, executată la revenirea tensiunii de baleiaj şi pe timpul de pauză. Declanşarea cursei directe a spotului este realizată de blocul de sincronizare, comutat pe unul din cele 3 semnale de sincronizare: de la fenomen, din exterior sau de la reţea. Din semnalul de sincronizare, care poate fi fenomenul aplicat pe intrarea Y cules de la preamplificator, tensiunea sinusoidală a reţelei sau un impuls din exterior, se poate extrage cu ajutorul unor filtre adecvate acea componentă care trebuie să producă sincronizarea: componenta continuă, componenta alternativă, de joasă frecvenţă sau de înaltă frecvenţă. Semnalul de sincronizare astfel extras este comparat cu un nivel continuu reglabil, numit nivel de triggerare, coincidenţa producând un impuls ce va comanda declanşarea generatorului bazei de timp. Posibilitatea de a alege şi flancul impulsului pe care să se facă triggerarea face ca să se poată obţine pe ecran practic oricare porţiune a semnalului, dilatată la scara dorită. Precizia de măsurare pe axa timpului depinde de liniaritatea tensiunii de baleiaj. Pentru a obţine această tensiune liniar crescătoare se utilizează încărcarea la un curent constant a unui condensator (Fig.9.11), panta tensiunii, deci şi frecvenţa de baleiaj fiind aleasă din valorile condensatorului C şi a curentului de încărcare.

a) b) Fig.9.12. Funcţionarea bazei de timp în regim: a) relaxat; b) declanşat.

Baza de timp poate funcţiona în regim relaxat sau declanşat (Fig.9.12). În regim relaxat, după terminarea cursei inverse începe o nouă cursă directă. În acest regim baza de timp nu poate fi calibrată precis şi nici nu permite vizualizarea semnalelor singulare aleatoare sau de o formă complicată. În regim declanşat, baza de timp stă în aşteptare până la apariţia unui impuls de declanşare, când se iniţiază o nouă cursă directă. Impulsurile de declanşare fiind sincrone cu tensiunea de vizualizat, perioada bazei de timp va fi întotdeauna egală cu un multiplu al perioadei tensiunii de vizualizat, adică este îndeplinită întotdeauna condiţia de sincronizare.

Circuitul de sincronizare asigură declanşarea bazei de timp în strânsă corelaţie cu semnalul de vizualizat. O posibilă configuraţie a circuitului de sincronizare este prezentată în Fig.9.13.

Fig.9.13. Schema bloc a circuitului de sincronizare.

9.6. Baza de timp dublă

Unele osciloscoape moderne au şi a doua bază de timp, destinată studierii diferitelor detalii ale fenomenelor. Momentul declanşării celei de a doua baze de timp, pusă de obicei pe o viteză mare de baleiaj, se produce după un interval de timp t faţă de impulsul de triggerare comandat de pe panou. În acest fel se poate alege pe fenomenul reprezentat integral detaliul ce trebuie mărit (de exemplu, frontul unui impuls); prin trecerea pe baza de timp întârziată va apare pe tot ecranul detaliul ales. Schema de principiu a unei lupe de timp realizată cu două baze de timp este prezentată în Fig.9.14.

Fig.9.14. Schema de principiu a lupei de timp.

9.7. Osciloscopul cu mai multe canale

Pentru vizualizarea simultană a două semnale s-au realizat osciloscoape cu două canale, ce pot fi obţinute în două moduri:

- cu tub catodic normal şi comutator electronic;

- cu tub catodic special cu două fascicule de electroni.

Fig.9.15. Osciloscop cu două canale cu comutator electronic.

Osciloscoapele cu două canale cu comutator electronic folosesc tubul catodic obişnuit cu un singur fascicul de electroni. Ele au pentru fiecare canal (A şi B) câte un atenuator şi un preamplificator, ce permite şi reglarea poziţiei pe ecran, iar accesul celor două semnale la amplificatorul de deflexie pe verticală se face pe rând, prin intermediul unui comutator electronic CE (Fig.9.15).

După modul cum se face comutarea succesivă a celor două canale A şi B se utilizează două moduri de lucru:

a) Modul de lucru alternant (Fig.9.16 a), în care comutatorul electronic conectează succesiv canalele la amplificatorul vertical pe durata unei curse directe a spotului, comutarea de pe un canal pe celălalt efectuându-se pe durata cursei inverse. Astfel, din cauza persistenţei luminoforului şi a retinei ochiului apar două imagini clare şi distincte la frecvenţe mari. Acest mod de lucru nu este indicat la fenomenele de joasă frecvenţă, datorită fenomenului de pâlpâire a imaginii (f < 20 30 Hz).

a) b)Fig.9.16. Moduri de lucru: a) alternat; b) prin decupare.

b) Modul de lucru prin decupare (chopped) (Fig.9.16 b), în care comutatorul electronic comută canalele cu o frecvenţă mult mai mare ca a semnalelor de vizualizat. În acest mod, pe o perioadă, vor fi sute sau mii de comutări. Din cauza nesincronizării frecvenţei fenomenelor studiate cu cea a oscilatorului care comandă comutarea (care are o frecvenţa fixă), punctele nu sunt staţionare şi imaginile apar continuu. Se poate comanda comutarea şi din exterior cu o frecvenţă dorită, impulsurile având în acest caz anumite caracteristici cerute de osciloscop. Cu acest mod de lucru nu se pot vizualiza semnalele de frecvenţă mare comparabilă cu frecvenţa de comutare, căci în acest caz pot lipsi porţiuni din fenomen sau punctele luminoase devin supărătoare.