Cathode Ray Oscilloscopes - Detail Kerja dan Operasional

Pada postingan kali ini kita akan membahas secara rinci cara kerja Cathode Ray Oscilloscopes (CRO) dan konstruksi internalnya. Kita juga akan belajar bagaimana menggunakan CRO menggunakan berbagai kontrol dan memahami representasi grafis dari berbagai sinyal input pada layar tampilan scope.

Pentingnya Cathode Ray Oscilloscopes (CRO)

Kita tahu bahwa mayoritas rangkaian elektronik secara ketat melibatkan dan bekerja menggunakan bentuk gelombang elektronik atau bentuk gelombang digital, yang biasanya diproduksi sebagai frekuensi. Sinyal ini memainkan peran penting dalam rangkaian seperti informasi audio, data komputer, sinyal TV, osilator dan generator waktu (seperti yang diterapkan dalam radar) dll. Oleh karena itu, mengukur parameter ini secara akurat dan benar menjadi sangat penting saat menguji dan mengatasi masalah jenis ini. sirkuit

Pengukur yang tersedia secara umum seperti multimeter digital atau multimeter analog memiliki fasilitas terbatas dan hanya dapat mengukur tegangan, arus, atau impedansi dc atau ac. Beberapa pengukur tingkat lanjut dapat mengukur sinyal ac tetapi hanya jika sinyal tersebut sangat halus dan dalam bentuk sinyal sinusoidal tertentu yang tidak terdistorsi. Oleh karena itu, meter ini gagal untuk memenuhi tujuan ketika datang untuk menganalisis sirkuit yang melibatkan bentuk gelombang dan siklus waktunya.

Sebaliknya osiloskop adalah perangkat yang dirancang untuk menerima dan mengukur bentuk gelombang secara akurat sehingga memungkinkan pengguna untuk memvisualisasikan bentuk pulsa atau bentuk gelombang secara praktis.

CRO adalah salah satu osiloskop tingkat tinggi yang memungkinkan pengguna untuk melihat representasi visual dari bentuk gelombang yang diterapkan yang dimaksud.

Ini menggunakan tabung sinar katoda (CRT) untuk menghasilkan tampilan visual yang sesuai dengan sinyal yang diterapkan pada input sebagai bentuk gelombang.

Berkas elektron di dalam CRT melewati gerakan yang dibelokkan (sapuan) melintasi permukaan tabung (layar) sebagai respons terhadap sinyal input, menciptakan jejak visual pada layar yang mewakili bentuk gelombang. Jejak kontinu ini kemudian memungkinkan pengguna untuk memeriksa bentuk gelombang dan menguji karakteristiknya.

Fitur osiloskop untuk menghasilkan citra bentuk gelombang yang sebenarnya menjadi sangat membantu dibandingkan dengan multimeter digital yang hanya mampu memberikan nilai numerik bentuk gelombang tersebut.

Seperti kita ketahui osiloskop sinar katoda bekerja dengan berkas elektron untuk menunjukkan berbagai bacaan pada layar osiloskop. Untuk membelokkan atau memproses balok secara horizontal disebut operasi tegangan sapuan digabungkan, sedangkan pemrosesan vertikal dilakukan oleh tegangan input yang sedang diukur.

CATHODE RAY TUBE - TEORI DAN KONSTRUKSI INTERNAL

Di dalam osiloskop sinar katoda (CRO), Tabung Sinar Katoda (CRT) menjadi komponen utama perangkat. CRT bertanggung jawab untuk menghasilkan pencitraan bentuk gelombang kompleks pada layar ruang lingkup.

CRT pada dasarnya terdiri dari empat bagian:

1. Pistol elektron untuk menghasilkan berkas elektron.
2. Memfokuskan dan mempercepat komponen untuk menciptakan berkas elektron yang akurat.
3. Pelat defleksi horizontal dan vertikal untuk memanipulasi sudut berkas elektron.
4. Selungkup kaca yang dievakuasi dilapisi dengan layar berpendar untuk menciptakan cahaya tampak yang diperlukan sebagai respons terhadap benturan berkas elektron pada permukaannya

Gambar berikut menyajikan rincian konstruksi dasar CRT

Sekarang mari kita pahami bagaimana CRT bekerja dengan fungsi dasarnya.

Cara Kerja Cathode Ray Oscilloscope (CRO)

Filamen panas di dalam CRT digunakan untuk memanaskan sisi katoda (K) tabung yang terdiri dari lapisan oksida. Ini menghasilkan pelepasan elektron secara instan dari permukaan katoda.

Sebuah elemen yang disebut grid kontrol (G) mengontrol jumlah elektron yang dapat melewati lebih jauh sepanjang tabung. Tingkat tegangan yang diterapkan pada jaringan menentukan jumlah elektron yang dibebaskan dari katoda yang dipanaskan, dan berapa banyak elektron yang dibiarkan bergerak maju menuju permukaan tabung.

Setelah elektron melampaui grid kontrol, mereka melalui pemfokusan berikutnya menjadi sinar yang tajam dan akselerasi kecepatan tinggi dengan bantuan percepatan anoda.

Berkas elektron yang sangat cepat ini pada fase berikutnya dilewatkan di antara beberapa set pelat defleksi. Sudut atau orientasi pelat pertama dipegang sedemikian rupa sehingga membelokkan berkas elektron secara vertikal ke atas atau ke bawah. Ini pada gilirannya dikendalikan oleh polaritas tegangan yang diterapkan di seluruh pelat ini.

Juga oleh seberapa banyak defleksi pada balok diperbolehkan ditentukan oleh jumlah tegangan yang diterapkan pada pelat.

Balok yang dibelokkan terkontrol ini kemudian mengalami lebih banyak percepatan melalui tegangan yang sangat tinggi yang diterapkan pada tabung, yang akhirnya menyebabkan sinar tersebut mengenai lapisan lapisan berpendar dari permukaan bagian dalam tabung.

Ini secara instan menyebabkan fosfor bersinar sebagai respons terhadap sambaran sinar elektron yang menghasilkan cahaya yang terlihat di layar untuk pengguna yang menangani ruang lingkup.

CRT adalah unit lengkap independen yang memiliki terminal yang sesuai menonjol keluar melalui alas belakang ke pinout tertentu.

Berbagai bentuk CRT tersedia di pasar dalam berbagai dimensi, dengan tabung berlapis fosfor yang berbeda dan posisi elektroda defleksi.

Sekarang mari kita pikirkan cara CRT digunakan dalam osiloskop.

Pola bentuk gelombang yang kami visualisasikan untuk sinyal sampel tertentu dieksekusi dengan cara ini:

Saat tegangan sapuan menggerakkan berkas elektron secara horizontal pada permukaan bagian dalam layar CRT, sinyal input yang sedang diukur secara bersamaan memaksa berkas untuk menangkis secara vertikal, menghasilkan pola yang diperlukan pada grafik layar untuk analisis kami.

Apa itu Sapu Tunggal

Setiap sapuan berkas elektron pada layar CRT diikuti dengan interval waktu 'kosong' pecahan. Selama fase kosong ini sinar dimatikan sebentar hingga mencapai titik awal atau sisi ekstrim layar sebelumnya. Siklus setiap sapuan ini disebut 'satu sapuan balok'

Untuk mendapatkan tampilan bentuk gelombang yang stabil di layar, berkas elektron seharusnya 'disapu' berulang kali dari kiri ke kanan dan sebaliknya menggunakan pencitraan yang identik untuk setiap sapuan.

Untuk mencapai hal ini, operasi yang disebut sinkronisasi menjadi diperlukan, yang memastikan bahwa berkas kembali dan mengulangi setiap sapuan dari titik yang sama persis di layar.

Jika disinkronkan dengan benar, pola bentuk gelombang di layar tampak stabil dan konstan. Namun jika penyelarasan tidak diterapkan, bentuk gelombang tampak bergerak perlahan secara horizontal dari satu ujung layar ke ujung lainnya secara terus menerus.

Komponen CRO Dasar

Elemen penting CRO dapat dilihat pada Gambar 22.2 di bawah. Kami akan menganalisis detail operasional CRO untuk diagram blok dasar ini.

Untuk mencapai defleksi balok yang bermakna dan dapat dikenali melalui setidaknya satu sentimeter hingga beberapa sentimeter, tingkat tegangan tipikal yang digunakan pada pelat defleksi harus minimum pada puluhan atau bahkan ratusan volt.

Karena fakta bahwa pulsa yang dinilai melalui CRO biasanya hanya dalam beberapa volt, atau paling banyak pada beberapa milivolt, rangkaian penguat yang sesuai menjadi penting untuk meningkatkan sinyal input hingga level tegangan optimal yang diperlukan untuk menjalankan tabung.

Faktanya, tahap penguat digunakan yang membantu membelokkan balok pada bidang horizontal dan vertikal.

Untuk dapat menyesuaikan level sinyal input yang sedang dianalisis, setiap pulsa input harus melalui tahap rangkaian atenuasi, yang dirancang untuk meningkatkan amplitudo tampilan.

PENGOPERASIAN TEGANGAN SWEEP

Operasi sapuan tegangan diimplementasikan dengan cara berikut:

Dalam situasi ketika input vertikal ditahan pada 0V, berkas elektron seharusnya terlihat di tengah vertikal layar. Jika 0V diterapkan secara identik ke input horizontal, balok diposisikan di tengah layar tampak seperti benda padat dan alat tulis DOT di tengah.

Sekarang, 'titik' ini dapat dipindahkan ke mana saja di seluruh permukaan layar, cukup dengan memanipulasi tombol kontrol horizontal dan vertikal osiloskop.

Posisi titik juga dapat diubah melalui tegangan dc tertentu yang dimasukkan pada masukan osiloskop.

Gambar berikut menunjukkan bagaimana tepatnya posisi titik dapat dikontrol melalui layar CRT melalui tegangan horizontal positif (ke arah kanan) dan tegangan input vertikal negatif (ke bawah dari tengah).

Sinyal Sapuan Horisontal

Agar sinyal terlihat pada tampilan CRT, maka menjadi penting untuk mengaktifkan defleksi berkas melalui sapuan horizontal melintasi layar, sehingga setiap masukan sinyal vertikal yang sesuai memungkinkan perubahan tersebut dipantulkan pada layar.

Dari Gambar 22.4 di bawah ini kita dapat memvisualisasikan garis lurus pada tampilan yang diperoleh karena umpan tegangan positif ke input vertikal melalui sinyal sapuan linier (gigi gergaji) yang diterapkan ke saluran horizontal.

Ketika berkas elektron ditahan pada jarak vertikal tetap yang dipilih, tegangan horizontal dipaksa untuk bergerak dari negatif ke nol ke positif, menyebabkan berkas bergerak dari sisi kiri layar, ke tengah, dan ke sisi kanan layar. layar. Pergerakan berkas elektron ini menghasilkan garis lurus di atas referensi vertikal pusat, menampilkan tegangan dc yang sesuai dalam bentuk garis cahaya bintang.

Alih-alih menghasilkan sapuan tunggal, tegangan sapuan diterapkan untuk bekerja seperti bentuk gelombang kontinu. Ini pada dasarnya untuk memastikan tampilan yang konsisten terlihat di layar. Jika hanya satu sapuan yang digunakan, itu tidak akan bertahan dan akan menghilang secara instan.

Itulah mengapa sapuan berulang dibuat per detik di dalam CRT yang memberikan tampilan bentuk gelombang kontinu di layar karena ketekunan penglihatan kita.

Jika kita mengurangi laju sapuan di atas tergantung pada skala waktu yang disediakan pada osiloskop, kesan gerakan nyata dari pancaran dapat disaksikan di layar. Jika hanya sinyal sinusoidal yang diterapkan ke input vertikal tanpa adanya sapuan horizontal, kita akan melihat garis lurus vertikal seperti yang digambarkan pada Gambar 22.5.

Dan jika kecepatan masukan vertikal sinusoidal ini cukup berkurang, memungkinkan kita untuk melihat berkas elektron bergerak naik ke bawah sepanjang jalur garis lurus.

Menggunakan Sapu Gigi Gergaji Linier untuk Menampilkan Input Vertikal

Jika Anda tertarik untuk memeriksa sinyal gelombang sinus, Anda harus menggunakan sinyal sapuan pada saluran horizontal. Ini akan memungkinkan sinyal yang diterapkan pada saluran vertikal menjadi terlihat di layar CRO.

Contoh praktis dapat dilihat pada Gambar 22.6 yang menunjukkan bentuk gelombang yang dihasilkan dengan memanfaatkan sapuan linier horizontal bersama dengan masukan sinusoidal atau sinus melalui saluran vertikal.

Untuk mendapatkan satu siklus pada layar untuk masukan yang diterapkan, sinkronisasi sinyal masukan dan frekuensi sapuan linier menjadi penting. Bahkan dengan selisih satu menit atau sinkronisasi yang salah, tampilan mungkin gagal menunjukkan gerakan apa pun.

Jika frekuensi sapuan dikurangi, lebih banyak jumlah siklus sinyal input sinus dapat dibuat terlihat di layar CRO.

Di sisi lain, jika kita meningkatkan frekuensi sapuan akan memungkinkan jumlah yang lebih rendah dari siklus sinyal sinus masukan vertikal terlihat pada layar tampilan. Hal ini sebenarnya akan menghasilkan bagian yang diperbesar dari sinyal input yang diterapkan pada layar CRO.

Contoh Praktis yang Dipecahkan:

Pada Gbr. 22.7 kita dapat melihat layar osiloskop menampilkan sinyal berdenyut sebagai respons terhadap bentuk gelombang seperti pulsa yang diterapkan ke input vertikal dengan sapuan horizontal

Penomoran untuk setiap bentuk gelombang memungkinkan tampilan mengikuti variasi sinyal input dan tegangan sapuan untuk setiap siklus.

SINKRONISASI DAN PEMICU

Penyesuaian pada Cathode Ray Oscilloscope dilakukan dengan mengatur kecepatan dari segi frekuensi, untuk menghasilkan satu siklus pulsa, banyak jumlah siklus, atau sebagian dari siklus bentuk gelombang, dan fitur ini menjadi salah satu CRO yang menjadi fitur penting. dari CRO manapun.

Pada Gbr. 22.8 kita dapat melihat layar CRO menampilkan respons untuk beberapa siklus sinyal sapuan.

Untuk setiap pelaksanaan tegangan sapuan gigi gergaji horizontal melalui siklus sapuan linier (memiliki batas dari batas negatif maksimum nol hingga positif maksimum), menyebabkan berkas elektron bergerak secara horizontal melintasi area layar CRO, mulai dari kiri, ke tengah, dan kemudian di sebelah kanan layar.

Setelah ini tegangan gigi gergaji kembali dengan cepat kembali ke batas tegangan negatif awal dengan berkas elektron bergerak ke sisi kiri layar. Selama periode waktu ini ketika tegangan sapuan mengalami pengembalian cepat ke negatif (retrace), elektron melewati fase kosong (di mana tegangan jaringan menghambat elektron agar tidak menabrak permukaan tabung)

Untuk memungkinkan tampilan menghasilkan gambar sinyal yang stabil untuk setiap sapuan sinar, penting untuk memulai sapuan dari titik yang sama persis dalam siklus sinyal masukan.

Pada Gbr.22.9 kita dapat melihat bahwa frekuensi sapuan yang agak rendah menyebabkan tampilan menghasilkan tampilan penyimpangan sisi kiri balok.

Jika disetel ke frekuensi sapuan tinggi seperti yang dibuktikan pada Gambar 22.10, tampilan menghasilkan tampilan penyimpangan sisi kanan berkas di layar.

Tak perlu dikatakan, bisa jadi sangat sulit atau tidak praktis untuk menyesuaikan frekuensi sinyal sapuan persis sama dengan frekuensi sinyal input untuk mencapai sapuan yang stabil atau konstan di layar.

Solusi pencarian yang lebih layak adalah menunggu sinyal kembali ke titik awal jejak dalam sebuah siklus. Jenis pemicuan ini mencakup beberapa fitur bagus yang akan kita bahas di paragraf berikut.

Memicu

Pendekatan standar untuk sinkronisasi menggunakan sebagian kecil sinyal masukan untuk mengalihkan generator penyapu, yang memaksa sinyal penyapu untuk mengunci atau mengunci dengan sinyal masukan, dan proses ini menyinkronkan dua sinyal secara bersamaan.

Pada Gambar 22.11 kita dapat melihat diagram blok yang mengilustrasikan ekstraksi sebagian sinyal input dalam a osiloskop saluran tunggal.

Sinyal pemicu ini diambil dari frekuensi saluran utama AC (50 atau 60Hz) untuk menganalisis sinyal eksternal yang mungkin terkait atau berkaitan dengan sumber listrik AC, atau mungkin sinyal terkait yang diterapkan sebagai input vertikal di CRO.

Ketika sakelar pemilih dialihkan ke 'INTERNAL' memungkinkan sebagian dari sinyal input untuk digunakan oleh rangkaian generator pemicu. Kemudian, keluaran generator pemicu keluaran digunakan untuk memulai atau memulai penyapuan utama CRO, yang tetap terlihat selama periode yang ditentukan oleh kontrol waktu / cm dari ruang lingkup.

Inisialisasi pemicuan di beberapa titik berbeda di seluruh siklus sinyal dapat divisualisasikan pada Gambar 22.12. Fungsi sapuan pemicu juga dapat dianalisis melalui pola bentuk gelombang yang dihasilkan.

Sinyal yang diterapkan sebagai input digunakan untuk menghasilkan bentuk gelombang pemicu untuk sinyal sapuan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 22.13, sapuan dimulai dengan siklus sinyal masukan dan dipertahankan selama periode yang ditentukan oleh pengaturan kontrol panjang sapuan. Selanjutnya, operasi CRO menunggu hingga sinyal input mencapai titik yang sama dalam siklusnya sebelum memulai operasi sapuan baru.

Metode pemicuan yang dijelaskan di atas memungkinkan proses sinkronisasi, sedangkan jumlah siklus yang dapat dilihat pada tampilan ditentukan oleh panjang sinyal sapuan.

FUNGSI MULTITRACE

Banyak CRO lanjutan memfasilitasi tampilan lebih dari satu, atau beberapa jejak pada layar tampilan secara bersamaan, yang memungkinkan pengguna untuk dengan mudah membandingkan karakteristik khusus atau spesifik lainnya dari beberapa bentuk gelombang.

Fitur ini biasanya diimplementasikan dengan menggunakan beberapa berkas sinar dari beberapa senjata elektron, yang menghasilkan berkas tunggal pada layar CRO, namun terkadang ini juga dijalankan melalui berkas elektron tunggal.

Ada beberapa teknik yang digunakan untuk menghasilkan banyak jejak: ALTERNATE dan CHOPPED. Dalam mode alternatif, dua sinyal yang tersedia di input, dihubungkan secara bergantian ke tahap rangkaian defleksi melalui sakelar elektronik. Dalam mode ini pancaran disapu ke layar CRO tidak peduli berapa banyak jejak yang akan ditampilkan. Setelah ini, sakelar elektronik secara bergantian mengambil sinyal kedua dan melakukan hal yang sama untuk sinyal ini juga.

Mode operasi ini dapat dilihat pada Gambar 22.14a.

Gambar 22.14b mendemonstrasikan mode operasi CHOPPED dimana pancaran melewati peralihan berulang untuk memilih antara dua sinyal masukan untuk setiap sinyal sapuan dari berkas. Tindakan peralihan atau pemotongan ini tetap tidak terdeteksi untuk frekuensi sinyal yang relatif lebih rendah, dan tampaknya terlihat sebagai dua jejak individu di layar CRO.

Bagaimana Mengukur Bentuk Gelombang melalui timbangan CRO yang dikalibrasi

Anda mungkin telah melihat bahwa layar tampilan CRO terdiri dari skala terkalibrasi yang ditandai dengan jelas. Ini disediakan untuk pengukuran amplitudo dan faktor waktu untuk bentuk gelombang terapan yang dimaksud.

Satuan yang ditandai terlihat sebagai kotak yang dibagi menjadi 4 sentimeter (cm) di kedua sisi kotak. Masing-masing kotak ini juga dibagi menjadi interval 0,2 cm.

Mengukur Amplitudo:

Skala vertikal pada layar RO dapat dilihat terkalibrasi dalam volt / cm (V / cm) atau milivolt / cm (mV / cm).

Dengan bantuan pengaturan tombol kontrol ruang lingkup, dan tanda yang disajikan di muka layar, pengguna dapat mengukur atau menganalisis amplitudo puncak-ke-puncak dari sinyal bentuk gelombang atau biasanya sinyal AC.

Berikut adalah contoh praktis yang dipecahkan untuk memahami bagaimana amplitudo diukur pada layar CRO:

Catatan: Ini adalah keunggulan osiloskop terhadap multimeter, karena multimeter hanya menyediakan nilai RMS dari sinyal AC, sedangkan ruang lingkup mampu memberikan nilai RMS serta nilai puncak-ke-puncak sinyal.

Mengukur Waktu (Periode) dari siklus AC menggunakan Osiloskop

Skala horizontal yang disediakan pada layar osiloskop membantu kita menentukan waktu siklus input dalam hitungan detik, dalam milidetik (ms), dan dalam mikrodetik (μs), atau bahkan dalam nanodetik (ns).

Interval waktu yang dikonsumsi oleh denyut untuk menyelesaikan suatu siklus dari awal sampai akhir disebut periode denyut. Ketika pulsa ini dalam bentuk gelombang berulang, periodenya disebut satu siklus bentuk gelombang.

Berikut adalah contoh praktis yang menunjukkan bagaimana menentukan periode bentuk gelombang menggunakan kalibrasi layar CRO:

Mengukur Lebar Pulsa

Setiap bentuk gelombang terdiri dari puncak tegangan maksimum dan minimum yang disebut sebagai status tinggi dan rendah dari pulsa. Interval waktu di mana pulsa tetap pada status TINGGI atau RENDAH disebut lebar pulsa.

Untuk pulsa yang ujungnya naik dan turun dengan sangat tajam (cepat), lebar pulsa tersebut diukur dari awal pulsa yang disebut ujung depan hingga ujung pulsa yang disebut trailing edge, ini diperlihatkan pada Gambar 22.19a.

Untuk pulsa yang memiliki siklus naik dan turun yang agak lebih lambat atau lamban (tipe eksponensial), lebar pulsa diukur melintasi level 50% dalam siklus, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 22.19b.

Contoh terpecahkan berikut membantu untuk memahami prosedur di atas dengan cara yang lebih baik:

MEMAHAMI PENUNDAAN PULSA

Jarak interval waktu antara pulsa dalam siklus pulsa disebut penundaan pulsa. Contoh penundaan pulsa dapat dilihat pada gambar 22.21 di bawah ini, kita dapat melihat penundaan di sini diukur antara titik tengah atau level 50% dan titik awal pulsa.

Gambar 22.21

Contoh dipecahkan praktis yang menunjukkan bagaimana mengukur penundaan pulsa di CRO

Kesimpulan:

Saya telah mencoba memasukkan sebagian besar detail dasar mengenai cara kerja Cathode Ray Oscilloscope (CRO), dan telah mencoba menjelaskan cara menggunakan perangkat ini untuk mengukur berbagai sinyal berbasis frekuensi melalui layar yang dikalibrasi. Namun masih banyak lagi aspek yang mungkin saya lewatkan di sini, namun saya akan terus memeriksa dari waktu ke waktu dan memperbarui lebih banyak info jika memungkinkan.

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