Osciloscopios de rayos catódicos: detalles operativos y operativos

Osciloscopios de rayos catódicos: detalles operativos y operativos

En esta publicación discutiremos detalladamente cómo funcionan los osciloscopios de rayos catódicos (CRO) y su construcción interna. También aprenderemos cómo usar un CRO usando los diversos controles y comprenderemos las representaciones gráficas de las diversas señales de entrada en la pantalla del osciloscopio.



Importancia de los osciloscopios de rayos catódicos (CRO)

Sabemos que la mayoría de los circuitos electrónicos involucran y funcionan estrictamente utilizando formas de onda electrónicas o formas de onda digitales, que normalmente se producen como una frecuencia. Estas señales juegan un papel importante en dichos circuitos en forma de información de audio, datos de computadora, señales de TV, osciladores y generadores de sincronización (como se aplican en los radares), etc.Por lo tanto, medir estos parámetros de manera precisa y correcta se vuelve muy crucial al probar y solucionar estos tipos de circuitos

Los medidores comúnmente disponibles, como los multímetros digitales o analógicos, tienen instalaciones limitadas y solo pueden medir voltajes, corrientes o impedancias de CC o CA. Algunos medidores avanzados pueden medir señales de CA, pero solo si la señal es muy refinada y en forma de señales sinusoidales específicas no distorsionadas. Por lo tanto, estos medidores no cumplen su propósito cuando se trata de analizar circuitos que involucran formas de onda y ciclos cronometrados.





Por el contrario, un osciloscopio es un dispositivo que está diseñado para aceptar y medir la forma de onda con precisión, lo que permite al usuario visualizar la forma del pulso o la forma de onda de manera práctica.

El CRO es uno de esos osciloscopios de alta calidad que permite al usuario ver una representación visual de una forma de onda aplicada en cuestión.



Emplea un tubo de rayos catódicos (CRT) para generar la pantalla visual correspondiente a la señal aplicada en la entrada como una forma de onda.

El haz de electrones dentro del CRT atraviesa movimientos desviados (barridos) a través de la cara del tubo (pantalla) en respuesta a las señales de entrada, creando un trazo visual en la pantalla que representa la forma de onda. Estos trazos continuos permiten al usuario examinar la forma de onda y probar sus características.

La función de un osciloscopio para producir la imagen real de la forma de onda se vuelve muy útil en comparación con los multímetros digitales que solo pueden proporcionar valores numéricos de la forma de onda.

Como todos sabemos, los osciloscopios de rayos catódicos funcionan con haces de electrones para indicar las diversas lecturas en la pantalla del osciloscopio. Para desviar o procesar el haz horizontalmente, una operación llamada voltaje de barrido está incorporado, mientras que el procesamiento vertical se realiza mediante la tensión de entrada que se está midiendo.

TUBO DE RAYOS CATÓDICOS - TEORÍA Y CONSTRUCCIÓN INTERNA

Dentro de un osciloscopio de rayos catódicos (CRO), el tubo de rayos catódicos (CRT) se convierte en el componente principal del dispositivo. El CRT se hace responsable de generar la imagen de forma de onda compleja en la pantalla del osciloscopio.

El CRT se compone básicamente de cuatro partes:

1. Un cañón de electrones para generar el haz de electrones.
2. Concentrar y acelerar componentes para crear un haz de electrones preciso.
3. Placas deflectoras horizontales y verticales para manipular el ángulo del haz de electrones.
4. Un recinto de vidrio evacuado recubierto con una pantalla fosforescente para crear el brillo visible requerido en respuesta al impacto del haz de electrones en su superficie.

La siguiente figura presenta los detalles básicos de construcción de un CRT

Piezas CRT

Ahora entendamos cómo funciona el CRT con sus funciones básicas.

Cómo funciona el osciloscopio de rayos catódicos (CRO)

Se usa un filamento caliente dentro del CRT para calentar el lado del cátodo (K) del tubo que consiste en un recubrimiento de óxido. Esto da como resultado una liberación instantánea de electrones de la superficie del cátodo.

Un elemento llamado rejilla de control (G) controla la cantidad de electrones que pueden pasar más lejos a través de la longitud del tubo. El nivel de voltaje aplicado en la rejilla determina la cantidad de electrones que se liberan del cátodo calentado y cuántos de ellos pueden avanzar hacia la cara del tubo.

Una vez que los electrones superan la rejilla de control, pasan por un enfoque posterior en un rayo agudo y una aceleración de alta velocidad con la ayuda de la aceleración del ánodo.

Este haz de electrones altamente acelerado en la siguiente fase pasa entre un par de juegos de placas deflectoras. El ángulo o la orientación de la primera placa se mantiene de tal manera que desvía el haz de electrones verticalmente hacia arriba o hacia abajo. Esto, a su vez, está controlado por la polaridad de voltaje aplicada a través de estas placas.

Además, la cantidad de deflexión permitida en la viga está determinada por la cantidad de voltaje aplicado en las placas.

Este rayo desviado controlado luego pasa por una mayor aceleración a través de voltajes extremadamente altos aplicados en el tubo, lo que finalmente hace que el rayo golpee el revestimiento de la capa fosforescente de la superficie interior del tubo.

Esto hace que el fósforo brille instantáneamente en respuesta al impacto del haz de electrones que genera el brillo visible en la pantalla para el usuario que maneja el alcance.

El CRT es una unidad completa independiente que tiene terminales apropiados que sobresalen a través de una base trasera en pines específicos.

Hay diferentes formas de CRT disponibles en el mercado en muchas dimensiones diferentes, con distintos tubos recubiertos de fósforo y posicionamiento de los electrodos de deflexión.

Pensemos ahora en la forma en que se emplea el CRT en un osciloscopio.

Los patrones de forma de onda que visualizamos para una señal de muestra dada se ejecutan de esta manera:

A medida que el voltaje de barrido mueve el haz de electrones horizontalmente en la cara interior de la pantalla CRT, la señal de entrada que se mide simultáneamente fuerza al haz a desviarse verticalmente, generando el patrón requerido en el gráfico de pantalla para nuestro análisis.

¿Qué es un barrido único?

A cada barrido del haz de electrones en la pantalla CRT le sigue un intervalo de tiempo fraccional 'en blanco'. Durante esta fase en blanco, el haz se apaga brevemente hasta que alcanza el punto de inicio o el extremo anterior de la pantalla. Este ciclo de cada barrido se llama 'un barrido de la viga'

Para obtener una visualización de la forma de onda estable en la pantalla, se supone que el haz de electrones se 'barre' repetidamente de izquierda a derecha y viceversa utilizando una imagen idéntica para cada barrido.

Para lograr esto, se hace necesaria una operación llamada sincronización, que asegura que el rayo regrese y repita cada barrido desde exactamente el mismo punto en la pantalla.

Cuando se sincroniza correctamente, el patrón de forma de onda en la pantalla parece estable y constante. Sin embargo, si no se aplica la sincronización, la forma de onda parece desplazarse lentamente horizontalmente desde un extremo de la pantalla hacia el otro extremo de forma continua.

Componentes básicos de CRO

Los elementos esenciales de una CRO se pueden ver en la figura 22.2 a continuación. Vamos a analizar principalmente los detalles operativos del CRO para este diagrama de bloques básico.

Para lograr una desviación significativa y reconocible del rayo de al menos un centímetro a algunos centímetros, el nivel típico de voltaje utilizado en las placas de desviación debe ser mínimo en decenas o incluso cientos de voltios.

Debido al hecho de que los pulsos evaluados a través de un CRO generalmente son de pocos voltios de magnitud, o como máximo de varios milivoltios, se necesitan circuitos amplificadores adecuados para aumentar la señal de entrada hasta los niveles de voltaje óptimos necesarios para hacer funcionar el tubo.

De hecho, se emplean etapas amplificadoras que ayudan a desviar el haz tanto en el plano horizontal como en el vertical.

Para poder adaptar el nivel de la señal de entrada que se está analizando, cada pulso de entrada debe pasar por una etapa de circuito atenuador, diseñada para mejorar la amplitud de la pantalla.

Componentes básicos de CRO

OPERACIÓN DE BARRIDO DE VOLTAJE

La operación de barrido de voltaje se implementa de la siguiente manera:

En situaciones en las que la entrada vertical se mantiene a 0 V, se supone que el haz de electrones se ve en el centro vertical de la pantalla. Si se aplica un 0V de manera idéntica a la entrada horizontal, el rayo se coloca en el centro de la pantalla y aparece como un sólido y una papelería. PUNTO en el centro.

Ahora, este 'punto' se puede mover a cualquier parte de la pantalla, simplemente manipulando los botones de control horizontal y vertical del osciloscopio.

La posición del punto también se puede cambiar mediante un voltaje de CC específico introducido en la entrada del osciloscopio.

La siguiente figura muestra cómo se puede controlar exactamente la posición del punto en una pantalla CRT a través de un voltaje horizontal positivo (hacia la derecha) y un voltaje de entrada vertical negativo (hacia abajo desde el centro).

control de puntos en CRO

Señal de barrido horizontal

Para que una señal se vuelva visible en la pantalla CRT, es imperativo habilitar una desviación del haz a través de un barrido horizontal a través de la pantalla, de modo que cualquier entrada de señal vertical correspondiente permita que el cambio se refleje en la pantalla.

De la Fig. 22.4 a continuación podemos visualizar la línea recta en la pantalla obtenida debido a una alimentación de voltaje positivo a la entrada vertical a través de una señal de barrido lineal (diente de sierra) aplicada al canal horizontal.

Pantalla de osciloscopio para cc vertical

Cuando el haz de electrones se mantiene sobre una distancia vertical fija seleccionada, el voltaje horizontal se ve obligado a viajar de negativo a cero a positivo, lo que hace que el haz se desplace desde el lado izquierdo de la pantalla, hacia el centro y hacia el lado derecho de la pantalla. pantalla. Este movimiento del haz de electrones genera una línea recta por encima de la referencia vertical central, que muestra un voltaje de CC apropiado en forma de una línea de luz estelar.

En lugar de producir un solo barrido, el voltaje de barrido se implementa para funcionar como una forma de onda continua. Esto es esencialmente para asegurar que una visualización consistente sea visible en la pantalla. Si se usa un solo barrido, no duraría y se desvanecería instantáneamente.

Es por eso que se generan barridos repetidos por segundo dentro del CRT que da la apariencia de una forma de onda continua en la pantalla debido a nuestra persistencia de la visión.

Si reducimos la tasa de barrido anterior en función de la escala de tiempo proporcionada en el osciloscopio, la impresión en movimiento real del rayo podría verse en la pantalla. Si solo se aplica una señal sinusoidal a la entrada vertical sin la presencia del barrido horizontal, veríamos una línea recta vertical como se muestra en la figura 22.5.

Visualización de osciloscopio resultante para seno vertical

Y si la velocidad de esta entrada vertical sinusoidal se reduce lo suficiente, nos permite ver el haz de electrones viajando hacia arriba y hacia abajo a lo largo de la trayectoria de una línea recta.

Uso de barrido de diente de sierra lineal para mostrar la entrada vertical

Si está interesado en examinar una señal de onda sinusoidal, tendrá que utilizar una señal de barrido en el canal horizontal. Esto permitirá que la señal aplicada en el canal vertical sea visible en la pantalla del CRO.

En la figura 22.6 se puede ver un ejemplo práctico que muestra una forma de onda generada mediante la utilización de un barrido lineal horizontal junto con una entrada sinusoidal o sinusoidal a través del canal vertical.

forma de onda generada mediante la utilización de un barrido lineal horizontal

Para obtener un solo ciclo en la pantalla para la entrada aplicada, una sincronización de la señal de entrada y las frecuencias de barrido lineal se vuelve esencial. Incluso con una diferencia de un minuto o una sincronización incorrecta, la pantalla puede no mostrar ningún movimiento.

Si se reduce la frecuencia de barrido, se pueden visualizar más ciclos de la señal de entrada sinusoidal en la pantalla CRO.

Por otro lado, si aumentamos la frecuencia del barrido permitiría que un menor número de ciclos de señal sinusoidal de entrada vertical sean visibles en la pantalla de visualización. De hecho, esto daría como resultado la generación de una parte ampliada de la señal de entrada aplicada en la pantalla CRO.

Ejemplo práctico resuelto:

problema de ejemplo resuelto CRO

En la figura 22.7 podemos ver la pantalla del osciloscopio mostrando una señal pulsada en respuesta a una forma de onda similar a un pulso aplicada a la entrada vertical con un barrido horizontal.

La numeración de cada forma de onda permite que la pantalla siga las variaciones de la señal de entrada y el voltaje de barrido para cada ciclo.

SINCRONIZACIÓN Y DISPARO

Los ajustes en el osciloscopio de rayos catódicos se ejecutan ajustando la velocidad en términos de frecuencia, para producir un solo ciclo de un pulso, muchos ciclos o una parte de un ciclo de forma de onda, y esta característica se convierte en una de las características cruciales de CRO. de cualquier CRO.

En la figura 22.8 podemos ver la pantalla CRO mostrando una respuesta para algunos ciclos de la señal de barrido.

Para cada ejecución de voltaje de barrido de diente de sierra horizontal a través de un ciclo de barrido lineal (que tiene un límite desde el límite máximo negativo de cero hasta el máximo positivo), hace que el haz de electrones viaje horizontalmente a través del área de la pantalla CRO, comenzando desde la izquierda, hacia el centro, y luego a la derecha de la pantalla.

Después de esto, el voltaje de diente de sierra regresa rápidamente al límite de voltaje negativo inicial con el haz de electrones moviéndose correspondientemente hacia el lado izquierdo de la pantalla. Durante este período de tiempo en el que el voltaje de barrido experimenta un rápido retorno al negativo (retroceso), el electrón pasa por una fase en blanco (en la que el voltaje de la red impide que los electrones golpeen la cara del tubo)

Para permitir que la pantalla produzca una imagen de señal estable para cada barrido del haz, es esencial iniciar el barrido desde el mismo punto exacto en el ciclo de la señal de entrada.

En la figura 22.9 podemos ver que una frecuencia de barrido bastante baja hace que la pantalla produzca la apariencia de una deriva del lado izquierdo del haz.

Cuando se establece en una frecuencia de barrido alta como se demuestra en la Figura 22.10, la pantalla produce una apariencia de desviación del lado derecho del rayo en la pantalla.

No hace falta decir que puede resultar muy difícil o impracticable ajustar la frecuencia de la señal de barrido exactamente igual a la frecuencia de la señal de entrada para lograr un barrido constante o constante en la pantalla.

Una solución de apariencia más factible es esperar a que la señal regrese al punto de inicio de la traza en un ciclo. Este tipo de activación incluye algunas buenas características que discutiremos en los siguientes párrafos.

Activando

El enfoque estándar para la sincronización emplea una pequeña parte de la señal de entrada para conmutar el generador de barrido, lo que obliga a la señal de barrido a engancharse o bloquearse con la señal de entrada, y este proceso sincroniza las dos señales juntas.

En la figura 22.11 podemos ver el diagrama de bloques que ilustra la extracción de una parte de la señal de entrada en un osciloscopio monocanal.

Esta señal de disparo se extrae de la frecuencia de la línea de CA de la red (50 o 60Hz) para analizar cualquier señal externa que pueda estar asociada o relacionada con la red de CA, o puede ser una señal relacionada aplicada como una entrada vertical en el CRO.

La señal de disparo se extrae de la frecuencia de la línea de CA de la red (50 o 60Hz) para analizar cualquier señal externa.

Cuando el interruptor selector se mueve hacia 'INTERNAL' permite que una parte de la señal de entrada sea utilizada por el circuito generador de disparo. Luego, la salida del generador de disparo de salida se usa para iniciar o iniciar el barrido principal del CRO, que permanece visible durante un período según lo establecido por el control de tiempo / cm del alcance.

La inicialización del disparo en varios puntos diferentes a lo largo de un ciclo de señal se puede visualizar en la figura 22.12. El funcionamiento del barrido del disparador también podría analizarse a través de los patrones de forma de onda resultantes.

La señal que se aplica como entrada se utiliza para generar una forma de onda de disparo para la señal de barrido. Como se muestra en la figura 22.13, el barrido se inicia con el ciclo de la señal de entrada y se mantiene durante un período decidido por el ajuste de control de longitud de barrido. Posteriormente, la operación CRO espera hasta que la señal de entrada alcanza un punto idéntico en su ciclo antes de iniciar una nueva operación de barrido.

El método de activación explicado anteriormente habilita el proceso de sincronización, mientras que el número de ciclos que se pueden ver en la pantalla está determinado por la duración de la señal de barrido.

FUNCIÓN MULTITRACE

Muchos de los CRO avanzados facilitan la visualización de más de uno o múltiples trazos en la pantalla de visualización simultáneamente, lo que permite al usuario comparar fácilmente las características especiales u otras características específicas de múltiples formas de onda.

Esta función se implementa normalmente usando múltiples haces de múltiples cañones de electrones, que generan un haz individual en la pantalla CRO, sin embargo, a veces esto también se ejecuta a través de un solo haz de electrones.

Hay un par de técnicas que se emplean para generar múltiples trazas: ALTERNATIVAS y PICADAS. En el modo alterno, las dos señales disponibles en la entrada, se conectan alternativamente a la etapa del circuito de deflexión a través de un interruptor electrónico. En este modo, el haz se desplaza por la pantalla CRO sin importar cuántos trazos se muestren. Después de esto, el interruptor electrónico selecciona alternativamente la segunda señal y hace lo mismo con esta señal también.

Este modo de funcionamiento se puede observar en la figura 22.14a.

La figura 22.14b muestra el modo de funcionamiento CHOPPED en el que el haz pasa por una conmutación repetitiva para seleccionar entre las dos señales de entrada para cada señal de barrido del haz. Esta acción de conmutación o corte permanece indetectable para frecuencias relativamente más bajas de la señal, y aparentemente se ve como dos trazos individuales en la pantalla CRO.

Cómo medir la forma de onda a través de escalas CRO calibradas

Es posible que haya visto que la pantalla de la pantalla CRO consta de una escala calibrada claramente marcada. Esto se proporciona para las mediciones de amplitudes y factor de tiempo para una forma de onda aplicada en cuestión.

Las unidades marcadas son visibles como cajas divididas en 4 centímetros (cm) a ambos lados de las cajas. Cada una de estas cajas se divide adicionalmente en intervalos de 0,2 cm.

Amplitudes de medición:

La escala vertical en la pantalla del RO se puede ver calibrada en voltios / cm (V / cm) o milivoltios / cm (mV / cm).

Con la ayuda de la configuración de los botones de control del osciloscopio y las marcas presentadas en la parte frontal de la pantalla, el usuario puede medir o analizar las amplitudes pico a pico de una señal de forma de onda o típicamente una señal de CA.

Aquí hay un ejemplo práctico resuelto para comprender cómo se mide la amplitud en la pantalla del CRO:

medir la amplitud refiriéndose a la calibración de pantalla de un CRO

Nota: Esta es la ventaja de un osciloscopio frente a los multímetros, ya que los multímetros solo proporcionan el valor RMS de la señal de CA, mientras que un osciloscopio puede proporcionar tanto el valor RMS como el valor pico a pico de la señal.

calcular la amplitud del período de tiempo

Medición de la sincronización (período) de un ciclo de CA mediante un osciloscopio

La escala horizontal proporcionada en la pantalla de un osciloscopio nos ayuda a determinar el tiempo de un ciclo de entrada en segundos, en milisegundos (ms) y en microsegundos (μs), o incluso en nanosegundos (ns).

El intervalo de tiempo consumido por un pulso para completar un ciclo de principio a fin se denomina período del pulso. Cuando este pulso tiene la forma de una forma de onda repetitiva, su período se denomina un ciclo de la forma de onda.

Aquí hay un ejemplo práctico resuelto que muestra cómo determinar el período de una forma de onda usando la calibración de pantalla CRO:

período de medición de la forma de onda con calibración de la pantalla del osciloscopio

Medición del ancho de pulso

Cada forma de onda se compone de picos de voltaje máximo y mínimo llamados estados alto y bajo del pulso. El intervalo de tiempo durante el cual el pulso permanece en su estado ALTO o BAJO se denomina ancho de pulso.

Para los pulsos cuyos bordes suben y bajan muy bruscamente (rápidamente), el ancho de dichos pulsos se mide desde el inicio del pulso llamado borde anterior hasta el final del pulso llamado borde posterior, esto se muestra en la figura 22.19a.

Para pulsos que tienen ciclos de subida y bajada bastante más lentos o lentos (tipo exponencial), su ancho de pulso se mide a través de sus niveles del 50% en los ciclos, como se indica en la figura 22.19b.

Osciloscopio y otros instrumentos de medición

El siguiente ejemplo resuelto ayuda a comprender el procedimiento anterior de una mejor manera:

Determine el ancho de pulso de la forma de onda

ENTENDIENDO EL RETRASO DEL PULSO

El espacio de intervalo de tiempo entre los pulsos en un ciclo de pulso se llama retraso de pulso. Se puede ver un ejemplo de retardo de pulso en la figura 22.21 a continuación, podemos ver que el retardo aquí se mide entre el punto medio o el nivel del 50% y el punto de inicio del pulso.

retraso de pulso de medición

Figura 22.21

Ejemplo práctico resuelto que muestra cómo medir el retardo de pulso en CRO

calcular el retraso del pulso

Conclusión:

He tratado de incluir la mayoría de los detalles básicos sobre cómo funciona el osciloscopio de rayos catódicos (CRO) y he tratado de explicar cómo utilizar este dispositivo para medir varias señales basadas en frecuencia a través de su pantalla calibrada. Sin embargo, puede haber muchos más aspectos que podría haber pasado por alto aquí, sin embargo, seguiré revisando de vez en cuando y actualizaré más información siempre que sea posible.

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




Anterior: Amplificador emisor común: características, polarización, ejemplos resueltos Siguiente: ¿Qué es beta (β) en BJT?