¿Cuál es la función de un osciloscopio?
El osciloscopio es un instrumento de medida electrónico muy utilizado. Puede convertir señales eléctricas invisibles en imágenes visibles, lo que facilita a las personas el estudio de los procesos cambiantes de diversos fenómenos eléctricos. Los osciloscopios utilizan un haz de electrones estrecho compuesto de electrones de alta velocidad para impactar una pantalla recubierta con material fluorescente, que puede producir pequeños puntos de luz (así es como funcionan los osciloscopios analógicos tradicionales). Bajo la acción de la señal medida, el haz de electrones es como la punta de un bolígrafo, que puede dibujar la curva de cambio del valor instantáneo de la señal medida en la pantalla. El osciloscopio se puede utilizar para observar las curvas de forma de onda de diferentes amplitudes de señal que cambian con el tiempo y también se puede utilizar para probar diversas cantidades eléctricas, como voltaje, corriente, frecuencia, diferencia de fase, modulación de amplitud, etc.
Clasificación
Según las diferentes clasificaciones de señales
Los osciloscopios analógicos utilizan circuitos analógicos (osciloscopios, basados en cañones de electrones). El cañón de electrones dispara electrones a la pantalla y los electrones emitidos se enfocan para formar un haz de electrones que incide en la pantalla. La superficie interior de la pantalla está recubierta con fósforo para que los puntos alcanzados por el haz de electrones brillen.
Los osciloscopios digitales son osciloscopios de alto rendimiento fabricados mediante una serie de tecnologías como adquisición de datos, conversión A/D y programación de software. El modo de trabajo de un osciloscopio digital es convertir el voltaje medido en información digital a través de un convertidor analógico (ADC). Un osciloscopio digital captura una serie de muestras de una forma de onda y las almacena hasta que se determina si las muestras acumuladas representan la forma de onda. Luego, un osciloscopio digital reconstruye la forma de onda. Los osciloscopios digitales se pueden dividir en osciloscopios de almacenamiento digital (DSO), osciloscopios digitales de fósforo (DPO) y osciloscopios de muestreo.
Para mejorar el ancho de banda de los osciloscopios analógicos, es necesario promover plenamente los tubos de osciloscopio, la amplificación vertical y el escaneo horizontal. Para mejorar el ancho de banda de un osciloscopio digital, solo necesita mejorar el rendimiento del convertidor A/D frontal y no existen requisitos especiales para el osciloscopio ni el circuito de escaneo. Además, los osciloscopios digitales pueden aprovechar al máximo la memoria, el almacenamiento y el procesamiento, así como una variedad de capacidades de disparo y disparo avanzado. En la década de 1980, los osciloscopios digitales surgieron como una nueva fuerza con muchos logros y es probable que reemplacen por completo a los osciloscopios analógicos. De hecho, los osciloscopios analógicos han pasado del primer plano al segundo plano.
Dependiendo de la estructura y prestaciones.
①Osciloscopio ordinario. La estructura del circuito es simple, la banda de frecuencia es estrecha y la linealidad del escaneo es pobre. Sólo se utiliza para observar formas de onda.
②Osciloscopio multifuncional. Con un ancho de banda de frecuencia amplio y una buena linealidad de escaneo, puede probar cuantitativamente señales de CC, baja frecuencia, alta frecuencia, frecuencia ultraalta y señales de pulso. Con la ayuda del calibrador de amplitud y del calibrador de tiempo, la precisión de la medición puede llegar a 5.
③Osciloscopio multilínea. Usando tubos de osciloscopio multihaz, las formas de onda de dos o más señales de la misma frecuencia se pueden mostrar en la pantalla al mismo tiempo, sin diferencia de tiempo y con una relación de sincronización precisa.
④Osciloscopio multicanal. Utilizando la estructura de interruptores electrónicos y circuitos de compuerta, las formas de onda de más de dos canales de señales de la misma frecuencia se pueden mostrar simultáneamente en la pantalla de un tubo de osciloscopio de un solo haz. Sin embargo, existe una diferencia horaria y la relación temporal no es precisa.
⑤Osciloscopio de muestreo. La tecnología de muestreo se utiliza para convertir señales de alta frecuencia en señales analógicas de baja frecuencia para su visualización, y el rango de frecuencia efectivo puede alcanzar el nivel de GHz.
⑥Osciloscopio con memoria. Utilizando un osciloscopio de almacenamiento o tecnología de almacenamiento digital, el proceso transitorio, los fenómenos no periódicos y las señales de frecuencia ultrabaja de una sola señal eléctrica se guardan en la pantalla del osciloscopio o se almacenan en el circuito para realizar pruebas repetidas.
⑦Osciloscopio digital. En el interior está el microprocesador y en el exterior está la pantalla digital. Algunos productos pueden mostrar formas de onda y caracteres en la pantalla del osciloscopio al mismo tiempo. La señal de medición se envía a la memoria de datos a través de un convertidor analógico a digital (convertidor A/D). A través de la operación del teclado, puede realizar operaciones de suma, resta, multiplicación, división, promedio, raíz cuadrada y media cuadrática en los datos de parámetros de forma de onda recopilados y mostrar el número de respuesta.
Componentes básicos
Circuito de visualización
El circuito de visualización incluye un tubo de osciloscopio y su circuito de control. Un osciloscopio es un tubo electrónico especial y una parte importante del osciloscopio.
El osciloscopio consta de tres partes: cañón de electrones, sistema de desviación y pantalla fluorescente.
(1) Cañón de electrones
El cañón de electrones se utiliza para generar y formar una corriente de electrones enfocada de alta velocidad para bombardear la pantalla fluorescente, provocando que emita luz. Consiste principalmente en el filamento F, el cátodo K, el electrodo de control G, el primer ánodo A1 y el segundo ánodo A2. A excepción del filamento, los demás electrodos son cilindros metálicos cuyos ejes se mantienen sobre el mismo eje. Después de calentar el cátodo, puede emitir electrones a lo largo de la dirección axial; el electrodo de control tiene un potencial negativo en relación con el cátodo. Cambiar el potencial puede cambiar la cantidad de electrones que pasan a través de los microporos controlados, es decir, controlar el brillo de los puntos de luz en la pantalla fluorescente. En los tubos de osciloscopio modernos, para aumentar el brillo del punto de luz en la pantalla de fósforo sin reducir la sensibilidad a la desviación del haz de electrones, se agrega un electrodo de postaceleración A3 entre el sistema de desviación y la pantalla de fósforo.
El primer ánodo aplica un voltaje positivo de aproximadamente varios cientos de voltios al cátodo. Se aplica al segundo ánodo un voltaje positivo más alto que el del primer ánodo. El haz de electrones que pasa a través del orificio de control es acelerado por el alto potencial del primer ánodo y del segundo ánodo, y se mueve hacia la pantalla de fósforo a alta velocidad. El haz de electrones se expande gradualmente debido a la repulsión de las cargas. Mediante el efecto de enfoque del campo eléctrico entre el primer y el segundo ánodo, los electrones se recombinan y se encuentran en un punto. Al controlar adecuadamente la diferencia de potencial entre el primer ánodo y el segundo ánodo, el foco puede simplemente caer en la pantalla fluorescente y aparecerá un punto pequeño y brillante. Cambiar la diferencia de potencial entre el primer ánodo y el segundo ánodo puede ajustar el enfoque del punto de luz. Este es el principio de ajuste de "enfoque" y "enfoque auxiliar" del osciloscopio. El tercer ánodo se forma recubriendo una capa de grafito dentro del cono del tubo del osciloscopio. Suele tener un voltaje muy alto. Tiene tres funciones: ① Acelerar aún más los electrones que pasan por el sistema de desviación, para que tengan suficiente energía. bombardear la pantalla para obtener suficiente brillo; (2) el recubrimiento de grafito en todo el cono puede actuar como un escudo (3) el bombardeo con haz de electrones de la pantalla fluorescente producirá electrones secundarios, que pueden ser absorbidos por A3 a alto potencial.
(2) Sistema de deflexión
El sistema de deflexión del tubo del osciloscopio es principalmente del tipo de deflexión electrostática y consta de dos pares de placas metálicas paralelas perpendiculares entre sí, llamadas placas de deflexión horizontales y Placas de deflexión verticales respectivamente. Controla el movimiento del haz de electrones en dirección horizontal y vertical respectivamente. Cuando los electrones se mueven entre las placas de desviación, si no se aplica voltaje a las placas de desviación, no habrá campo eléctrico entre las placas de desviación. Los electrones que ingresan al sistema de desviación después de salir del segundo ánodo se moverán a lo largo del eje y se dispararán hacia el centro. de la pantalla. Si hay voltaje en la placa de desviación, habrá un campo eléctrico entre las placas de desviación y los electrones que ingresan al sistema de desviación serán emitidos a la posición designada de la pantalla fluorescente bajo la acción del campo eléctrico de desviación.
Si las dos placas de desviación son paralelas entre sí y la diferencia de potencial es igual a cero, el haz de electrones con una velocidad de υ que pasa a través del espacio de la placa de desviación se moverá en la dirección original (establecida como la dirección del eje) y presione las coordenadas del origen de la pantalla fluorescente. Si hay una diferencia de potencial constante entre las dos placas de desviación, se formará un campo eléctrico entre las placas de desviación. El campo eléctrico es perpendicular a la dirección del movimiento de los electrones, por lo que los electrones se desviarán hacia la placa de desviación. mayor potencial. De este modo, en el espacio entre las dos placas de desviación los electrones se mueven en este punto tangencialmente a lo largo de una parábola. Finalmente, el electrón cae en el punto A de la pantalla fluorescente, que está a cierta distancia del origen (0) de la pantalla fluorescente. Esta distancia se llama deflexión, representada por y. La deflexión y es proporcional al voltaje Vy aplicado a la placa de deflexión. De manera similar, cuando se aplica un voltaje CC a la placa de desviación horizontal, ocurre una situación similar excepto que el punto de luz se desvía en la dirección horizontal.
(3) Pantalla fluorescente
La pantalla fluorescente está ubicada en el terminal del tubo del osciloscopio. Su función es mostrar el haz de electrones desviado para su observación. La pared interior de la pantalla del osciloscopio está recubierta con una capa de material luminiscente, lo que provoca que aparezca fluorescencia donde la pantalla es impactada por electrones de alta velocidad. En este momento, el brillo del punto de luz depende del número, la densidad y la velocidad del haz de electrones. Cuando cambia el voltaje del electrodo de control, la cantidad de electrones en el haz de electrones cambiará y el brillo del punto también cambiará. Cuando se utiliza un osciloscopio, no es aconsejable permitir que aparezca un punto brillante en la pantalla del osciloscopio, de lo contrario el material fluorescente en ese punto se quemará debido al impacto de electrones a largo plazo, perdiendo así su capacidad de emitir luz.
Las pantallas fluorescentes recubiertas con diferentes sustancias fluorescentes mostrarán diferentes colores y diferentes tiempos de brillo cuando sean impactadas por electrones. Por lo general, hay tubos de osciloscopio que emiten luz verde para observar formas de onda de señales generales y tubos de osciloscopio de color amarillo anaranjado para observar señales no periódicas y de baja frecuencia.
Entre los osciloscopios de fotografía, se utilizan generalmente los osciloscopios azules de persistencia corta.
Circuito amplificador del eje y
Dado que la sensibilidad de deflexión del tubo del osciloscopio es muy baja, por ejemplo, la sensibilidad de deflexión vertical del osciloscopio de uso común modelo 13SJ38J es de 0,86 mm/V. (El voltaje de aproximadamente 12 V produce una desviación de 1 cm), por lo que generalmente el voltaje de la señal que se va a medir debe amplificarse primero mediante un circuito de amplificación vertical y luego agregarse a la placa de desviación vertical del tubo del osciloscopio para obtener un patrón de tamaño vertical apropiado.
Circuito amplificador del eje x
Dado que la sensibilidad de desviación del tubo del osciloscopio en la dirección horizontal también es muy baja, el voltaje (voltaje de onda de diente de sierra u otro voltaje) conectado al tubo horizontal Placa de desviación del tubo del osciloscopio El voltaje) primero debe amplificarse mediante el circuito de amplificación horizontal y luego aplicarse a la placa de desviación horizontal del tubo del osciloscopio, de modo que se pueda obtener un patrón del tamaño apropiado en la dirección horizontal.
Circuito síncrono de escaneo
El circuito de escaneo genera un voltaje de onda de diente de sierra. La frecuencia del voltaje en diente de sierra se puede ajustar continuamente dentro de un cierto rango. La función del voltaje de diente de sierra es hacer que el haz de electrones emitido por el cátodo del tubo del osciloscopio forme un desplazamiento horizontal periódico en la pantalla. Este desplazamiento es proporcional al tiempo, es decir, forma una línea base de tiempo. De esta manera, la señal de medición aplicada en dirección vertical se puede mostrar en la pantalla de acuerdo con la forma de onda que varía en el tiempo.
Circuito de alimentación
Circuito de alimentación: Proporciona el alto voltaje negativo y el voltaje de filamento necesarios para circuitos de amplificación verticales y horizontales, circuitos de escaneo y sincronización, osciloscopios y circuitos de control.
De acuerdo con el principio del osciloscopio, se puede ver en el diagrama de bloques funcional que el voltaje de la señal medida se agrega al extremo de entrada del eje Y del osciloscopio y luego se agrega a la placa de desviación vertical. del osciloscopio a través del circuito de amplificación vertical. Aunque el voltaje de deflexión horizontal del osciloscopio es principalmente un voltaje de onda de diente de sierra (usado para observar formas de onda), a veces se usan otros voltajes aplicados (usados para medir la frecuencia y la diferencia de fase, etc.), por lo que hay un voltaje de deflexión horizontal en la entrada. extremo del circuito amplificador horizontal Interruptor de selección de señal para seleccionar el voltaje de onda de diente de sierra dentro del osciloscopio u otro voltaje aplicado al terminal de entrada del eje X como voltaje de desviación horizontal según sea necesario.
Además, para mantener la estabilidad de los gráficos mostrados en la pantalla fluorescente, es necesario sincronizar la frecuencia de la señal de voltaje de diente de sierra y la frecuencia de la señal de medición. De esta manera, no solo se puede ajustar continuamente la frecuencia del voltaje de la onda en diente de sierra, sino que también se debe ingresar una señal de sincronización al circuito que genera la onda en diente de sierra. De esta manera, para un osciloscopio simple (como el osciloscopio doméstico SB10) que solo puede generar escaneo continuo (es decir, onda de diente de sierra continua), se debe ingresar una señal de sincronización relacionada con la frecuencia de la señal observada en su circuito de escaneo para Incluye la frecuencia de oscilación de la onda en diente de sierra. Para los osciloscopios (como el osciloscopio doméstico ST-16, el osciloscopio de doble traza SR-8, etc.), tienen la función de esperar el escaneo (es decir, no generan ondas de diente de sierra en momentos normales, solo generan ondas de diente de sierra cuando llega la señal medida). Para satisfacer diversas necesidades, la señal de sincronización (o disparador) se puede seleccionar a través del interruptor de selección de señal de sincronización o disparador. Generalmente hay tres fuentes: ① La señal medida se toma del circuito de amplificación vertical. (2) Introducir algunas señales externas relevantes como señales de sincronización (o disparador), llamadas señales de "sincronización externa" (o "disparador externo") Esta señal se agrega al terminal de entrada de sincronización externa (o disparador externo) (3) Algunas; El osciloscopio también tiene un interruptor de "sincronización de energía". El voltaje de la fuente de alimentación de 220 V, 50 Hz se reduce mediante el secundario del transformador como señal de sincronización.
Principio básico
Visualización de forma de onda
Según el principio del tubo de osciloscopio, cuando se aplica un voltaje de CC a un par de placas de desviación, el punto de luz aparecerá en la pantalla. Habrá un desplazamiento fijo que es proporcional al voltaje de CC aplicado. Si se aplican dos tensiones continuas a las placas de desviación vertical y horizontal al mismo tiempo, la posición del punto de luz en la pantalla fluorescente está determinada por el desplazamiento en ambas direcciones.
Osciloscopio de dos hilos
En el proceso de prácticas de tecnología electrónica, a menudo es necesario observar los cambios de dos (o más) señales a lo largo del tiempo al mismo tiempo. Y pruebe y compare estas diferentes señales. Para lograr este propósito, basándose en la aplicación de los principios del osciloscopio ordinario, se utilizan los dos métodos siguientes para mostrar múltiples formas de onda al mismo tiempo: uno es el método del osciloscopio de dos líneas (o líneas múltiples) y el otro es el método del osciloscopio de dos líneas (o multilínea); Método del osciloscopio de doble traza (o multitraza). Método oscilométrico. Los osciloscopios fabricados con estos dos métodos se denominan osciloscopios de doble línea (o multilínea) y osciloscopios de doble traza (o multitraza), respectivamente.
Osciloscopio de doble traza
El osciloscopio de doble traza (o multitraza) agrega un interruptor electrónico especial al osciloscopio de una sola línea para realizar la separación de dos (o más) formas de onda. . espectáculo. Dado que los osciloscopios de doble traza (o multitraza) son más fáciles de implementar que los osciloscopios de doble traza (o multitraza), no es necesario utilizar osciloscopios complejos y costosos de "doble cavidad" o "multicavidad", por lo que Los osciloscopios de doble traza (o multitraza) se utilizan ampliamente.
Clasificación de instrumentos
Los osciloscopios se pueden dividir en osciloscopios analógicos y osciloscopios digitales. Para la mayoría de las aplicaciones electrónicas, los osciloscopios analógicos y digitales serán suficientes. Pero para algunas aplicaciones específicas, debido a las diferentes características de los osciloscopios analógicos y los osciloscopios digitales, habrá lugares donde serán adecuados e inadecuados.
Analógico
Los osciloscopios analógicos funcionan midiendo el voltaje de la señal directamente, trazando el voltaje verticalmente al pasar un haz de electrones a través de la pantalla del osciloscopio de izquierda a derecha.
Digital
El modo de trabajo de un osciloscopio digital es convertir el voltaje medido en información digital a través de un convertidor analógico (ADC). Un osciloscopio digital captura una serie de muestras de una forma de onda y las almacena hasta que se determina si las muestras acumuladas representan la forma de onda. Luego, un osciloscopio digital reconstruye la forma de onda.
Los osciloscopios digitales se pueden dividir en osciloscopios de almacenamiento digital (DSO), osciloscopios digitales de fósforo (DPO) y osciloscopios de muestreo.
Para mejorar el ancho de banda de los osciloscopios analógicos, es necesario promover plenamente los tubos de osciloscopio, la amplificación vertical y el escaneo horizontal. Para mejorar el ancho de banda de un osciloscopio digital, solo necesita mejorar el rendimiento del convertidor A/D frontal y no existen requisitos especiales para el osciloscopio ni el circuito de escaneo. Además, los osciloscopios digitales pueden aprovechar al máximo la memoria, el almacenamiento y el procesamiento, así como una variedad de capacidades de disparo y disparo avanzado. En la década de 1980, los osciloscopios digitales surgieron como una nueva fuerza con muchos logros y es probable que reemplacen por completo a los osciloscopios analógicos. De hecho, los osciloscopios analógicos han pasado del primer plano al segundo plano.
Aplicaciones de prueba
Medidas de voltaje
Cualquier medición realizada con un osciloscopio se puede reducir a una medición de voltaje. El osciloscopio puede medir la amplitud de voltaje de varias formas de onda, no solo voltaje de CC y voltaje sinusoidal, sino también amplitud de voltaje de pulso o no sinusoidal. Más útilmente, puede medir la amplitud de voltaje de varias partes de la forma de onda del voltaje del pulso, como el sobreimpulso o la caída. Esto no tiene comparación con ningún otro instrumento de medición de voltaje.
1. Método de medición directa
El llamado método de medición directa consiste en medir la altura de la forma de onda de voltaje medida directamente desde la pantalla y luego convertirla en un valor de voltaje. Al probar cuantitativamente el voltaje, generalmente gire la perilla de ajuste fino del interruptor de sensibilidad del eje Y a la posición de "calibración", de modo que el valor de voltaje medido se pueda calcular directamente a partir del valor indicado de "V/div" y la ordenada. Valor ocupado por la señal medida. Por lo tanto, el método de medición directa también se denomina método de regla.
(1) Medición de voltaje CA
(2) Medición de voltaje CC
Método de medición comparativo
El método de medición comparativo es Se compara una forma de onda de voltaje estándar conocida con la forma de onda de voltaje medida para obtener el valor de voltaje medido.
Ingrese el voltaje medido Vx en el canal del eje Y del osciloscopio, ajuste el interruptor de selección de sensibilidad del eje Y "V/div" y su perilla de ajuste fino para que la altura Hx que sea conveniente para La medición se muestra en la pantalla fluorescente y se registra." Las posiciones del interruptor V/div” y la perilla de ajuste permanecen sin cambios. Elimine el voltaje medido, ingrese un voltaje estándar ajustable conocido Vs en el eje Y y ajuste la amplitud de salida del voltaje estándar para que muestre la misma amplitud que el voltaje medido. En este momento, la amplitud de salida del voltaje estándar es igual a la amplitud del voltaje medido. El método de comparación puede evitar errores de suma causados por sistemas verticales, mejorando así la precisión de la medición.
Medición del tiempo
La base de tiempo del osciloscopio puede producir una línea de exploración que está linealmente relacionada con el tiempo, por lo que la escala horizontal de la pantalla fluorescente se puede utilizar para medir el tiempo. parámetros de la forma de onda, como el período de repetición de la señal periódica, el ancho de la señal del pulso, el intervalo de tiempo, el tiempo de subida (flanco ascendente) y el tiempo de caída (flanco descendente), la diferencia de tiempo entre dos señales, etc.
Cuando el dispositivo de "sintonía fina" del interruptor de velocidad de escaneo "t/div" del osciloscopio se coloca en la posición de calibración, la forma de onda de visualización horizontal se puede leer y calcular directamente en función del valor indicado de la Interruptor "t/div". El tiempo representado por la escala se puede utilizar para calcular los parámetros de tiempo de la señal medida con mayor precisión.
Medición de fase
Es de importancia práctica medir la diferencia de fase entre dos tensiones sinusoidales con un osciloscopio. La frecuencia y el tiempo se pueden medir con contadores, pero la relación de fase entre voltajes sinusoidales no se puede medir directamente. Hay muchas formas de medir la fase con un osciloscopio y comúnmente se utiliza el método simple.
1. Método de doble traza
2. Método de medición de fase del diagrama de Lissajous
Medición de frecuencia
1. >
2. Método gráfico de medición de frecuencia de Li.