Oscilloscopes à rayons cathodiques - Détails de fonctionnement et de fonctionnement

Dans cet article, nous discuterons en détail du fonctionnement des oscilloscopes à rayons cathodiques (CRO) et de sa construction interne. Nous allons également apprendre à utiliser un CRO à l'aide des différentes commandes et comprendre les représentations graphiques des différents signaux d'entrée sur l'écran d'affichage de l'oscilloscope.

Importance des oscilloscopes cathodiques (CRO)

Nous savons que la majorité des circuits électroniques impliquent et fonctionnent strictement en utilisant une forme d'onde électronique ou une forme d'onde numérique, qui sont normalement produites sous forme de fréquence. Ces signaux jouent un rôle important dans ces circuits sous la forme d'informations audio, de données informatiques, de signaux TV, d'oscillateurs et de générateurs de synchronisation (tels qu'appliqués dans les radars), etc. Par conséquent, mesurer ces paramètres avec précision et correctement devient très crucial lors du test et du dépannage de ces types de circuits

Les compteurs couramment disponibles tels que les multimètres numériques ou les multimètres analogiques ont des installations limitées et sont capables de mesurer des tensions, des courants ou des impédances CC ou CA uniquement. Certains compteurs avancés sont capables de mesurer des signaux alternatifs, mais seulement si le signal est très raffiné et sous la forme de signaux sinusoïdaux spécifiques non déformés. Par conséquent, ces compteurs ne répondent pas à l'objectif lorsqu'il s'agit d'analyser des circuits impliquant des formes d'onde et des cycles chronométrés.

En revanche, un oscilloscope est un dispositif conçu pour accepter et mesurer la forme d'onde avec précision, permettant à l'utilisateur de visualiser pratiquement la forme de l'impulsion ou la forme d'onde.

Le CRO est l'un de ces oscilloscopes de haute qualité qui permet à l'utilisateur de voir une représentation visuelle d'une forme d'onde appliquée en question.

Il utilise un tube à rayons cathodiques (CRT) pour générer l'affichage visuel correspondant au signal appliqué à l'entrée en tant que forme d'onde.

Le faisceau d'électrons à l'intérieur du tube cathodique passe par des mouvements déviés (balayages) à travers la face du tube (écran) en réponse aux signaux d'entrée, créant une trace visuelle sur l'écran représentant la forme de la forme d'onde. Ces traces continues permettent ensuite à l'utilisateur d'examiner la forme d'onde et de tester ses caractéristiques.

La fonction d'un oscilloscope pour produire l'image réelle de la forme d'onde devient très utile par rapport aux multimètres numériques qui ne peuvent fournir que des valeurs numériques de la forme d'onde.

Comme nous le savons tous, les oscilloscopes à rayons cathodiques fonctionnent avec des faisceaux d'électrons pour indiquer les différentes lectures sur l'écran de l'oscilloscope. Pour dévier ou traiter le faisceau horizontalement, une opération appelée tension de balayage est incorporé, tandis que le traitement vertical est effectué par la tension d'entrée qui est mesurée.

CATHODE RAY TUBE - THÉORIE ET ​​CONSTRUCTION INTERNE

À l'intérieur d'un oscilloscope à rayons cathodiques (CRO), le tube à rayons cathodiques (CRT) devient le composant principal de l'appareil. Le CRT devient responsable de la génération de l'imagerie de forme d'onde complexe sur l'écran de l'oscilloscope.

Le CRT se compose essentiellement de quatre parties:

1. Un canon à électrons pour générer le faisceau d'électrons.
2. Composants de focalisation et d'accélération pour créer un faisceau d'électrons précis.
3. Plaques de déviation horizontales et verticales pour manipuler l'angle du faisceau d'électrons.
4. Une enceinte en verre sous vide revêtue d'un écran phosphorescent pour créer la lueur visible requise en réponse à la frappe du faisceau d'électrons sur sa surface

La figure suivante présente les détails de construction de base d'un tube cathodique

Voyons maintenant comment le CRT fonctionne avec ses fonctions de base.

Fonctionnement de l'oscilloscope à rayons cathodiques (CRO)

Un filament chaud à l'intérieur du CRT est utilisé pour chauffer le côté cathode (K) du tube constitué d'un revêtement d'oxyde. Il en résulte une libération instantanée d'électrons de la surface de la cathode.

Un élément appelé grille de contrôle (G) contrôle la quantité d'électrons qui peuvent passer plus loin sur la longueur du tube. Le niveau de tension appliqué sur la grille détermine la quantité d'électrons qui sont libérés de la cathode chauffée, et combien d'entre eux sont autorisés à avancer vers la face du tube.

Une fois que les électrons ont dépassé la grille de contrôle, ils subissent une focalisation ultérieure en un faisceau pointu et une accélération à grande vitesse à l'aide de l'accélération de l'anode.

Ce faisceau d'électrons hautement accéléré dans la phase suivante est passé entre deux ensembles de plaques de déflexion. L'angle ou l'orientation de la première plaque est maintenu de telle sorte qu'il dévie le faisceau d'électrons verticalement vers le haut ou vers le bas. Ceci est à son tour contrôlé par la polarité de tension appliquée à travers ces plaques.

De plus, la valeur autorisée de la déviation sur le faisceau est déterminée par la quantité de tension appliquée sur les plaques.

Ce faisceau dévié contrôlé subit alors plus d'accélération grâce à des tensions extrêmement élevées appliquées sur le tube, ce qui amène finalement le faisceau à frapper le revêtement de la couche phosphorescente de la surface intérieure du tube.

Cela provoque instantanément la lueur du luminophore en réponse à la frappe du faisceau d'électrons générant la lueur visible sur l'écran pour l'utilisateur manipulant la lunette.

Le CRT est une unité complète indépendante dont les bornes appropriées font saillie via une base arrière dans des broches spécifiques.

Différentes formes de CRT sont disponibles sur le marché dans de nombreuses dimensions différentes, avec des tubes revêtus de phosphore distincts et un positionnement d'électrode de déviation.

Réfléchissons maintenant à la manière dont le CRT est utilisé dans un oscilloscope.

Les modèles de forme d'onde que nous visualisons pour un signal d'échantillon donné sont exécutés de cette manière:

Lorsque la tension de balayage déplace le faisceau d'électrons horizontalement sur la face interne de l'écran CRT, le signal d'entrée qui est mesuré oblige simultanément le faisceau à se dévier verticalement, générant le motif requis sur le graphique d'écran pour notre analyse.

Qu'est-ce qu'un balayage unique

Chaque balayage du faisceau d'électrons sur l'écran CRT est suivi d'un intervalle de temps fractionnaire «vide». Pendant cette phase vierge, le faisceau est brièvement éteint jusqu'à ce qu'il atteigne le point de départ ou le côté extrême précédent de l'écran. Ce cycle de chaque balayage est appelé 'un balayage du faisceau'

Pour obtenir un affichage stable de la forme d'onde sur l'écran, le faisceau d'électrons est censé être «balayé» à plusieurs reprises de gauche à droite et vice versa en utilisant une imagerie identique pour chaque balayage.

Pour y parvenir, une opération appelée synchronisation devient nécessaire, ce qui garantit que le faisceau revient et répète chaque balayage à partir exactement du même point sur l'écran.

Lorsqu'il est correctement synchronisé, le modèle de forme d'onde à l'écran apparaît stable et constant. Cependant, si la synchronisation n'est pas appliquée, la forme d'onde semble dériver lentement horizontalement d'une extrémité de l'écran vers l'autre extrémité en continu.

Composants CRO de base

Les éléments essentiels d'un CRO peuvent être observés dans la figure 22.2 ci-dessous. Nous allons principalement analyser les détails opérationnels du CRO pour ce schéma de principe de base.

Pour obtenir une déviation significative et reconnaissable du faisceau sur au moins un centimètre à quelques centimètres, le niveau typique de tension utilisé sur les plaques de déviation doit être minimum à des dizaines, voire des centaines de volts.

En raison du fait que les impulsions évaluées par un CRO sont généralement à seulement quelques volts de magnitude, ou au plus à plusieurs millivolts, des circuits amplificateurs appropriés deviennent nécessaires pour augmenter le signal d'entrée jusqu'aux niveaux de tension optimaux nécessaires pour faire fonctionner le tube.

En fait, on utilise des étages d'amplification qui aident à dévier le faisceau à la fois sur les plans horizontal et vertical.

Pour pouvoir adapter le niveau du signal d'entrée qui est analysé, chaque impulsion d'entrée doit passer par un étage de circuit atténuateur, conçu pour améliorer l'amplitude de l'affichage.

FONCTIONNEMENT DE BALAYAGE DE TENSION

L'opération de balayage de tension est mise en œuvre de la manière suivante:

Dans les situations où l'entrée verticale est maintenue à 0V, le faisceau d'électrons est censé être vu au centre vertical de l'écran. Si un 0V est appliqué de manière identique à l'entrée horizontale, le faisceau est positionné au centre de l'écran apparaissant comme un solide et du papier à lettres POINT au centre.

Maintenant, ce «point» peut être déplacé n'importe où sur la face de l'écran, simplement en manipulant les boutons de commande horizontaux et verticaux de l'oscilloscope.

La position du point peut également être modifiée grâce à une tension continue spécifique introduite à l'entrée de l'oscilloscope.

La figure suivante montre comment exactement la position du point pourrait être contrôlée sur un écran CRT via une tension horizontale positive (vers la droite) et une tension d'entrée verticale négative (vers le bas à partir du centre).

Signal de balayage horizontal

Pour qu'un signal devienne visible sur l'écran CRT, il devient impératif d'activer une déviation du faisceau par un balayage horizontal à travers l'écran, de sorte que toute entrée de signal vertical correspondante permette au changement d'être réfléchi sur l'écran.

À partir de la figure 22.4 ci-dessous, nous pouvons visualiser la ligne droite sur l'écran obtenue grâce à une alimentation en tension positive à l'entrée verticale via un signal de balayage linéaire (en dents de scie) appliqué au canal horizontal.

Lorsque le faisceau d'électrons est maintenu sur une distance verticale fixe sélectionnée, la tension horizontale est forcée de voyager de négatif à zéro en positif, ce qui fait voyager le faisceau du côté gauche de l'écran, au centre et au côté droit de l'écran. écran. Ce mouvement du faisceau d'électrons génère une ligne droite au-dessus de la référence verticale centrale, affichant une tension continue appropriée sous la forme d'une ligne de lumière stellaire.

Au lieu de produire un seul balayage, la tension de balayage est mise en œuvre pour fonctionner comme une forme d'onde continue. Il s'agit essentiellement de garantir un affichage cohérent pour être visible à l'écran. Si un seul balayage est utilisé, il ne durera pas et disparaîtra instantanément.

C'est pourquoi des balayages répétés sont générés par seconde à l'intérieur du CRT, ce qui donne l'apparence d'une forme d'onde continue sur l'écran en raison de notre persistance de la vision.

Si nous réduisons la vitesse de balayage ci-dessus en fonction de l'échelle de temps fournie sur l'oscilloscope, l'impression réelle en mouvement du faisceau pourrait être observée sur l'écran. Si seul un signal sinusoïdal est appliqué à l'entrée verticale sans la présence du balayage horizontal, nous verrions une ligne droite verticale comme illustré sur la figure 22.5.

Et si la vitesse de cette entrée verticale sinusoïdale est suffisamment réduite nous permet de voir le faisceau d'électrons remonter le long du trajet d'une ligne droite.

Utilisation du balayage linéaire en dents de scie pour afficher l'entrée verticale

Si vous souhaitez examiner un signal sinusoïdal, vous devrez utiliser un signal de balayage sur le canal horizontal. Cela permettra au signal appliqué sur le canal vertical de devenir visible sur l'écran du CRO.

Un exemple pratique peut être vu sur la figure 22.6 qui montre une forme d'onde générée en utilisant un balayage linéaire horizontal avec une entrée sinusoïdale ou sinusoïdale à travers le canal vertical.

Afin d'obtenir un seul cycle sur l'écran pour l'entrée appliquée, une synchronisation du signal d'entrée et des fréquences de balayage linéaire devient indispensable. Même avec une différence minime ou une synchronisation incorrecte, l'affichage peut ne pas afficher de mouvement.

Si la fréquence de balayage est réduite, un plus grand nombre de cycles du signal d'entrée sinusoïdal peut être rendu visible sur l'écran CRO.

D'un autre côté, si nous augmentons la fréquence du balayage, un nombre inférieur de cycles de signal sinusoïdal d'entrée vertical sera visible sur l'écran d'affichage. Cela entraînerait en fait la génération d'une partie agrandie du signal d'entrée appliqué sur l'écran CRO.

Exemple pratique résolu:

Sur la figure 22.7, nous pouvons voir l'écran de l'oscilloscope affichant un signal pulsé en réponse à une forme d'onde semblable à une impulsion appliquée à l'entrée verticale avec un balayage horizontal

La numérotation de chaque forme d'onde permet à l'affichage de suivre les variations du signal d'entrée et de la tension de balayage pour chaque cycle.

SYNCHRONISATION ET DÉCLENCHEMENT

Les ajustements dans l'oscilloscope à rayons cathodiques sont exécutés en ajustant la vitesse en termes de fréquence, pour produire un seul cycle d'une impulsion, plusieurs cycles ou une partie d'un cycle de forme d'onde, et cette fonction devient l'une des CRO est une caractéristique cruciale de tout CRO.

Sur la figure 22.8, nous pouvons voir l'écran CRO affichant une réponse pour quelques cycles du signal de balayage.

Pour chaque exécution de la tension de balayage horizontal en dents de scie via un cycle de balayage linéaire (ayant une limite entre la limite négative maximale de zéro et le positif maximal), le faisceau d'électrons se déplace horizontalement à travers la zone de l'écran CRO, en commençant par la gauche, vers le centre, puis à droite de l'écran.

Après cela, la tension en dents de scie revient rapidement à la limite de tension négative de départ, le faisceau d'électrons se déplaçant en conséquence vers le côté gauche de l'écran. Pendant cette période de temps où la tension de balayage subit un retour rapide vers le négatif (retracement), l'électron passe par une phase vierge (dans laquelle la tension de grille empêche les électrons de frapper la face du tube)

Pour permettre à l'affichage de produire une image de signal stable pour chaque balayage du faisceau, il devient essentiel de lancer le balayage à partir du même point exact dans le cycle du signal d'entrée.

Sur la figure 22.9, nous pouvons voir qu'une fréquence de balayage plutôt faible amène l'affichage à produire une apparence de dérive du côté gauche du faisceau.

Lorsqu'il est réglé sur une fréquence de balayage élevée comme le montre la figure 22.10, l'affichage produit une apparence de dérive du côté droit du faisceau sur l'écran.

Inutile de dire qu'il peut être très difficile ou impossible d'ajuster la fréquence du signal de balayage exactement égale à la fréquence du signal d'entrée pour obtenir un balayage régulier ou constant sur l'écran.

Une solution plus réaliste consiste à attendre que le signal revienne au point de départ de la trace dans un cycle. Ce type de déclenchement inclut quelques bonnes fonctionnalités dont nous parlerons dans les paragraphes suivants.

Déclenchement

L'approche standard pour la synchronisation utilise une petite partie du signal d'entrée pour commuter le générateur de balayage, ce qui force le signal de balayage à se verrouiller ou à se verrouiller avec le signal d'entrée, et ce processus synchronise les deux signaux ensemble.

Sur la figure 22.11, nous pouvons voir le schéma de principe illustrant l'extraction d'une partie du signal d'entrée dans un oscilloscope monocanal.

Ce signal de déclenchement est extrait de la fréquence de ligne CA du secteur (50 ou 60 Hz) pour analyser tout signal externe qui peut être associé ou concerné au secteur CA, ou peut être un signal associé appliqué en tant qu'entrée verticale dans le CRO.

Lorsque le sélecteur est basculé sur «INTERNE», une partie du signal d'entrée peut être utilisée par le circuit du générateur de déclenchement. Ensuite, la sortie du générateur de déclenchement de sortie est utilisée pour lancer ou démarrer le balayage principal du CRO, qui reste visible pendant une période définie par la commande temps / cm de l'oscilloscope.

L'initialisation du déclenchement en plusieurs points différents au cours d'un cycle de signal peut être visualisée sur la figure 22.12. Le fonctionnement du balayage de déclenchement pourrait également être analysé à travers les modèles de forme d'onde résultants.

Le signal appliqué comme entrée est utilisé pour générer une forme d'onde de déclenchement pour le signal de balayage. Comme le montre la figure 22.13, le balayage est lancé avec le cycle de signal d'entrée et il se poursuit pendant une période déterminée par le réglage de commande de longueur de balayage. Ensuite, l'opération CRO attend jusqu'à ce que le signal d'entrée atteigne un point identique dans son cycle avant de lancer une nouvelle opération de balayage.

Le procédé de déclenchement expliqué ci-dessus permet le processus de synchronisation, tandis que le nombre de cycles qui peuvent être visualisés sur l'affichage est déterminé par la longueur du signal de balayage.

FONCTION MULTITRACE

De nombreux CRO avancés facilitent la visualisation simultanée de plusieurs ou de plusieurs traces sur l'écran d'affichage, ce qui permet à l'utilisateur de comparer facilement les caractéristiques spéciales ou autres de plusieurs formes d'onde.

Cette fonction est normalement mise en œuvre en utilisant plusieurs faisceaux provenant de plusieurs canons à électrons, qui génèrent un faisceau individuel sur l'écran CRO, mais parfois cela est également exécuté par un seul faisceau d'électrons.

Il existe quelques techniques utilisées pour générer plusieurs traces: ALTERNATE et CHOPPED. Dans le mode alternatif, les deux signaux disponibles à l'entrée sont connectés en alternance à l'étage du circuit de déviation via un interrupteur électronique. Dans ce mode, le faisceau est balayé sur l'écran CRO, quel que soit le nombre de traces à afficher. Après cela, le commutateur électronique sélectionne alternativement le deuxième signal et fait de même pour ce signal également.

Ce mode de fonctionnement peut être vu sur la figure 22.14a.

La figure 22.14b montre le mode de fonctionnement CHOPPED dans lequel le faisceau passe par une commutation répétitive pour sélectionner entre les deux signaux d'entrée pour chaque signal de balayage du faisceau. Cette action de commutation ou de hachage reste indétectable pour des fréquences relativement plus basses du signal, et est apparemment vue comme deux traces individuelles sur l'écran CRO.

Comment mesurer la forme d'onde avec des échelles CRO calibrées

Vous avez peut-être vu que l'écran de l'affichage CRO est constitué d'une échelle calibrée clairement marquée. Ceci est prévu pour les mesures d'amplitudes et de facteur de temps pour une forme d'onde appliquée en question.

Les unités marquées sont visibles sous forme de boîtes qui sont divisées sur 4 centimètres (cm) de chaque côté des boîtes. Chacune de ces boîtes est en outre divisée en intervalles de 0,2 cm.

Mesure des amplitudes:

L'échelle verticale sur l'écran du RO peut être vue calibrée en volts / cm (V / cm) ou en millivolts / cm (mV / cm).

À l'aide des paramètres des boutons de commande de l'oscilloscope et des marquages ​​présentés sur la face de l'écran, l'utilisateur est capable de mesurer ou d'analyser les amplitudes crête à crête d'un signal de forme d'onde ou généralement d'un signal CA.

Voici un exemple concret résolu pour comprendre comment l'amplitude est mesurée sur l'écran du CRO:

Remarque: c'est l'avantage d'un oscilloscope par rapport aux multimètres, car les multimètres ne fournissent que la valeur RMS du signal AC, tandis qu'un oscilloscope est capable de fournir à la fois la valeur RMS ainsi que la valeur crête à crête du signal.

Mesure de la durée (période) d'un cycle CA à l'aide de l'oscilloscope

L'échelle horizontale fournie sur l'écran d'un oscilloscope nous aide à déterminer le timing d'un cycle d'entrée en secondes, en millisecondes (ms) et en microsecondes (μs), voire en nanosecondes (ns).

L'intervalle de temps consommé par une impulsion pour terminer un cycle du début à la fin est appelé la période de l'impulsion. Lorsque cette impulsion est sous la forme d'une forme d'onde répétitive, sa période est appelée un cycle de la forme d'onde.

Voici un exemple concret résolu montrant comment déterminer la période d'une forme d'onde à l'aide de l'étalonnage d'écran CRO:

Mesure de la largeur d'impulsion

Chaque forme d'onde est composée de pics de tension maximum et minimum appelés états haut et bas de l'impulsion. L'intervalle de temps pendant lequel l'impulsion reste à ses états HAUT ou BAS est appelé largeur d'impulsion.

Pour les impulsions dont les fronts montent et descendent très brusquement (rapidement), la largeur de ces impulsions est mesurée à partir du début de l'impulsion appelée front montant jusqu'à la fin de l'impulsion appelée front descendant, ceci est illustré sur la figure 22.19a.

Pour les impulsions qui ont des cycles de montée et de descente plutôt lents ou lents (type exponentiel), leur largeur d'impulsion est mesurée à travers leurs niveaux de 50% dans les cycles, comme indiqué sur la figure 22.19b.

L'exemple résolu suivant aide à mieux comprendre la procédure ci-dessus:

COMPRENDRE LE RETARD D'IMPULSION

L'espace de temps entre les impulsions dans un cycle d'impulsion est appelé retard d'impulsion. Un exemple de retard d'impulsion peut être vu dans la figure 22.21 ci-dessous, nous pouvons voir que le retard est ici mesuré entre le point médian ou le niveau de 50% et le point de départ de l'impulsion.

Graphique 22.21

Exemple résolu pratique montrant comment mesurer le retard d'impulsion en CRO

Conclusion:

J'ai essayé d'inclure la plupart des détails de base sur le fonctionnement de l'oscilloscope à rayons cathodiques (CRO) et j'ai essayé d'expliquer comment utiliser cet appareil pour mesurer divers signaux basés sur la fréquence grâce à son écran calibré. Cependant, il peut y avoir encore beaucoup d'autres aspects que j'ai pu manquer ici, néanmoins je continuerai à vérifier de temps en temps et à mettre à jour plus d'informations chaque fois que cela sera possible.

Référence: https://en.wikipedia.org/wiki/Oscilloscope