Osciloscópios de raios catódicos - detalhes operacionais e operacionais

Neste artigo, discutiremos detalhadamente como funcionam os osciloscópios de raios catódicos (CRO) e sua construção interna. Também aprenderemos como usar um CRO usando os vários controles e entender as representações gráficas dos vários sinais de entrada na tela do visor do osciloscópio.

Importância dos osciloscópios de raios catódicos (CRO)

Sabemos que a maioria dos circuitos eletrônicos envolvem estritamente e funcionam usando formas de onda eletrônicas ou digitais, que normalmente são produzidas como uma frequência. Esses sinais desempenham um papel importante em tais circuitos na forma de informações de áudio, dados de computador, sinais de TV, osciladores e geradores de tempo (conforme aplicados em radares) etc. Portanto, medir esses parâmetros com precisão e corretamente torna-se muito crucial ao testar e solucionar problemas desses tipos de circuitos

Os medidores normalmente disponíveis, como multímetros digitais ou multímetros analógicos, têm recursos limitados e são capazes de medir tensões CC ou CA, correntes ou impedâncias apenas. Alguns medidores avançados são capazes de medir sinais CA, mas apenas se o sinal for altamente refinado e na forma de sinais sinusoidais não distorcidos específicos. Conseqüentemente, esses medidores não atendem ao propósito quando se trata de analisar circuitos envolvendo formas de onda e ciclos temporizados.

Em contraste, um osciloscópio é um dispositivo que é projetado para aceitar e medir a forma de onda com precisão, permitindo ao usuário visualizar a forma do pulso ou a forma de onda de forma prática.

O CRO é um daqueles osciloscópios de alto grau que permite ao usuário ver uma representação visual de uma forma de onda aplicada em questão.

Ele emprega um tubo de raios catódicos (CRT) para gerar a exibição visual correspondente ao sinal aplicado na entrada como uma forma de onda.

O feixe de elétrons dentro do CRT passa por movimentos defletidos (varreduras) na face do tubo (tela) em resposta aos sinais de entrada, criando um traço visual na tela que representa a forma da forma de onda. Esses traços contínuos permitem ao usuário examinar a forma de onda e testar suas características.

O recurso de um osciloscópio para produzir a imagem real da forma de onda torna-se muito útil em comparação com multímetros digitais, que são capazes de fornecer apenas valores numéricos da forma de onda.

Como todos sabemos, os osciloscópios de raios catódicos trabalham com feixes de elétrons para indicar as várias leituras na tela do osciloscópio. Para desviar ou processar o feixe horizontalmente, uma operação chamada voltagem de varredura é incorporado, enquanto o processamento vertical é feito pela tensão de entrada que está sendo medida.

CATHODE RAY TUBE - TEORIA E CONSTRUÇÃO INTERNA

Dentro de um osciloscópio de raios catódicos (CRO), o tubo de raios catódicos (CRT) torna-se o principal componente do dispositivo. O CRT se torna responsável por gerar a imagem da forma de onda complexa na tela do osciloscópio.

O CRT é basicamente composto por quatro partes:

1. Um canhão de elétrons para gerar o feixe de elétrons.
2. Focalizar e acelerar componentes para criar feixes de elétrons precisos.
3. Placas defletoras horizontais e verticais para manipulação do ângulo do feixe de elétrons.
4. Um invólucro de vidro evacuado revestido com tela fosforescente para criar o brilho visível necessário em resposta ao impacto do feixe de elétrons em sua superfície

A figura a seguir apresenta os detalhes básicos de construção de um CRT

Agora vamos entender como o CRT funciona com suas funções básicas.

Como funciona o osciloscópio de raios catódicos (CRO)

Um filamento quente dentro do CRT é usado para aquecer o lado do cátodo (K) do tubo que consiste em um revestimento de óxido. Isso resulta em uma liberação instantânea de elétrons da superfície do cátodo.

Um elemento denominado grade de controle (G) controla a quantidade de elétrons que podem passar pelo comprimento do tubo. O nível de voltagem aplicado na grade determina a quantidade de elétrons que são liberados do cátodo aquecido e quantos deles podem se mover em direção à face do tubo.

Uma vez que os elétrons ultrapassam a grade de controle, eles passam por uma focagem subsequente em um feixe agudo e uma aceleração de alta velocidade com a ajuda da aceleração anódica.

Este feixe de elétrons altamente acelerado na próxima fase é passado entre dois conjuntos de placas de deflexão. O ângulo ou a orientação da primeira placa é mantida de tal forma que desvia o feixe de elétrons verticalmente para cima ou para baixo. Isso, por sua vez, é controlado pela polaridade da tensão aplicada a essas placas.

Além disso, o quanto a deflexão no feixe é permitida é determinado pela quantidade de tensão aplicada nas placas.

Esse feixe desviado controlado então passa por mais aceleração por meio de tensões extremamente altas aplicadas no tubo, o que finalmente faz com que o feixe atinja a camada fosforescente de revestimento da superfície interna do tubo.

Isso faz com que o fósforo brilhe instantaneamente em resposta ao impacto do feixe de elétrons, gerando o brilho visível na tela para o usuário que manipula o osciloscópio.

O CRT é uma unidade completa independente com terminais apropriados projetados para fora através de uma base traseira em pinagens específicas.

Diferentes formas de CRTs estão disponíveis no mercado em muitas dimensões diferentes, com tubos revestidos de fósforo distintos e posicionamento de eletrodo de deflexão.

Vamos agora pensar um pouco sobre a forma como o CRT é empregado em um osciloscópio.

Os padrões de forma de onda que visualizamos para um determinado sinal de amostra são executados desta maneira:

Conforme a tensão de varredura move o feixe de elétrons horizontalmente na face interna da tela CRT, o sinal de entrada que está sendo medido simultaneamente força o feixe a desviar verticalmente, gerando o padrão necessário no gráfico da tela para nossa análise.

O que é uma varredura única

Cada varredura do feixe de elétrons na tela CRT é seguida por um intervalo de tempo 'em branco' fracionário. Durante esta fase em branco, o feixe é brevemente DESLIGADO até atingir o ponto inicial ou o extremo anterior da tela. Este ciclo de cada varredura é chamado 'uma varredura do feixe'

Para obter uma exibição de forma de onda estável na tela, o feixe de elétrons deve ser 'varrido' repetidamente da esquerda para a direita e vice-versa, usando uma imagem idêntica para cada varredura.

Para isso, é necessária uma operação chamada sincronização, que garante que o feixe retorne e repita cada varredura exatamente do mesmo ponto da tela.

Quando sincronizado corretamente, o padrão da forma de onda na tela parece estável e constante. No entanto, se a sincronização não for aplicada, a forma de onda parece estar lentamente se desviando horizontalmente de uma extremidade da tela para a outra extremidade continuamente.

Componentes básicos de CRO

Os elementos essenciais de um CRO podem ser testemunhados na Fig. 22.2 abaixo. Vamos analisar principalmente os detalhes operacionais do CRO para este diagrama de blocos básico.

Para obter uma deflexão significativa e reconhecível do feixe de pelo menos um centímetro a alguns centímetros, o nível típico de voltagem utilizado nas placas de deflexão deve ser mínimo em dezenas ou mesmo centenas de volts.

Devido ao fato de que os pulsos avaliados por meio de um CRO geralmente em apenas alguns volts em magnitude, ou no máximo em vários milivolts, circuitos amplificadores adequados tornam-se necessários para impulsionar o sinal de entrada até os níveis de tensão ideais necessários para executar o tubo.

Na verdade, estágios amplificadores são empregados, o que ajuda a desviar o feixe nos planos horizontal e vertical.

Para poder adaptar o nível do sinal de entrada que está sendo analisado, cada pulso de entrada deve passar por um estágio do circuito atenuador, projetado para aumentar a amplitude do display.

OPERAÇÃO DE VARREDURA DE TENSÃO

A operação de varredura de tensão é implementada da seguinte maneira:

Em situações em que a entrada vertical é mantida em 0 V, o feixe de elétrons deve ser visto no centro vertical da tela. Se um 0V for aplicado de forma idêntica à entrada horizontal, o feixe é posicionado no centro da tela, parecendo um sólido e estático PONTO no centro.

Agora, esse 'ponto' pode ser movido para qualquer lugar na tela, simplesmente manipulando os botões de controle horizontal e vertical do osciloscópio.

A posição do ponto também pode ser alterada por meio de uma tensão CC específica introduzida na entrada do osciloscópio.

A figura a seguir mostra como exatamente a posição do ponto pode ser controlada em uma tela CRT por meio de uma tensão horizontal positiva (para a direita) e uma tensão de entrada vertical negativa (para baixo do centro).

Sinal de varredura horizontal

Para que um sinal se torne visível no monitor CRT, torna-se imperativo permitir a deflexão do feixe por meio de uma varredura horizontal na tela, de modo que qualquer entrada de sinal vertical correspondente permita que a alteração seja refletida na tela.

Da Fig 22.4 abaixo, podemos visualizar a linha reta no display obtida devido a uma alimentação de tensão positiva para a entrada vertical por meio de um sinal de varredura linear (dente de serra) aplicado ao canal horizontal.

Quando o feixe de elétrons é mantido ao longo de uma distância vertical fixa selecionada, a tensão horizontal é forçada a viajar de negativo a zero para positivo, fazendo com que o feixe viaje do lado esquerdo da tela, para o centro e para o lado direito do tela. Este movimento do feixe de elétrons gera uma linha reta acima da referência vertical central, exibindo uma tensão CC apropriada na forma de uma linha de luz das estrelas.

Em vez de produzir uma única varredura, a tensão de varredura é implementada para funcionar como uma forma de onda contínua. Isso é essencialmente para garantir que uma exibição consistente seja visível na tela. Se apenas uma única varredura fosse usada, ela não duraria e desapareceria instantaneamente.

É por isso que varreduras repetidas são geradas por segundo dentro do CRT, o que dá uma aparência de forma de onda contínua na tela devido à nossa persistência de visão.

Se reduzirmos a taxa de varredura acima, dependendo da escala de tempo fornecida no osciloscópio, a impressão real do movimento do feixe pode ser testemunhada na tela. Se apenas um sinal senoidal fosse aplicado à entrada vertical sem a presença da varredura horizontal, veríamos uma linha reta vertical conforme ilustrado na Figura 22.5.

E se a velocidade dessa entrada vertical senoidal for suficientemente reduzida, permite-nos ver o feixe de elétrons viajando para cima e para baixo ao longo do caminho de uma linha reta.

Usando a varredura linear em dente de serra para exibir a entrada vertical

Se você estiver interessado em examinar um sinal de onda senoidal, terá que utilizar um sinal de varredura no canal horizontal. Isso permitirá que o sinal aplicado no canal vertical se torne visível na tela do CRO.

Um exemplo prático pode ser visto na Fig. 22.6, que mostra uma forma de onda gerada pela utilização de uma varredura linear horizontal junto com uma entrada senoidal ou senoidal através do canal vertical.

Para obter um único ciclo na tela para a entrada aplicada, torna-se essencial uma sincronização do sinal de entrada e das frequências de varredura linear. Mesmo com uma diferença de minuto ou sincronização incorreta, o visor pode falhar em mostrar qualquer movimento.

Se a frequência de varredura for reduzida, mais número de ciclos do sinal de entrada sinusoidal pode ser tornado visível na tela CRO.

Por outro lado, se aumentarmos a frequência da varredura, permitiremos que um número menor de ciclos de sinal senoidal de entrada vertical seja visível na tela de exibição. Na verdade, isso resultaria na geração de uma parte ampliada do sinal de entrada aplicado na tela CRO.

Exemplo prático resolvido:

Na Fig.22.7 podemos ver a tela do osciloscópio exibindo um sinal pulsado em resposta a uma forma de onda semelhante a um pulso aplicada à entrada vertical com uma varredura horizontal

A numeração para cada forma de onda permite que o display siga as variações do sinal de entrada e a tensão de varredura para cada ciclo.

SINCRONIZAÇÃO E DISPARO

Os ajustes no Osciloscópio de Raios Catódicos são executados ajustando a velocidade em termos de frequência, para produzir um único ciclo de um pulso, vários números de ciclos ou uma parte de um ciclo de forma de onda, e este recurso torna-se um dos CRO é um recurso crucial de qualquer CRO.

Na Fig.22.8, podemos ver a tela CRO exibindo uma resposta para alguns ciclos do sinal de varredura.

Para cada execução de tensão de varredura em dente de serra horizontal por meio de um ciclo de varredura linear (tendo um limite do limite máximo negativo de zero ao máximo positivo), faz com que o feixe de elétrons se desloque horizontalmente pela área da tela CRO, começando da esquerda para o centro e, em seguida, à direita da tela.

Depois disso, a tensão dente de serra retorna rapidamente ao limite de tensão negativa inicial, com o feixe de elétrons movendo-se correspondentemente para o lado esquerdo da tela. Durante este período de tempo em que a tensão de varredura sofre um retorno rápido para o negativo (retrace), o elétron passa por uma fase em branco (em que a tensão da grade inibe os elétrons de atingirem a face do tubo)

Para permitir que o display produza uma imagem de sinal estável para cada varredura do feixe, torna-se essencial iniciar a varredura exatamente do mesmo ponto no ciclo do sinal de entrada.

Na Fig.22.9, podemos ver que uma frequência de varredura bastante baixa faz com que a tela produza a aparência de um desvio do lado esquerdo do feixe.

Quando definido para uma alta frequência de varredura, conforme comprovado na Figura 22.10, a tela produz a aparência de um desvio do lado direito do feixe na tela.

Desnecessário dizer que pode ser muito difícil ou impraticável ajustar a frequência do sinal de varredura exatamente igual à frequência do sinal de entrada para obter uma varredura constante ou constante na tela.

Uma solução de aparência mais viável é esperar que o sinal retorne ao ponto inicial do traço em um ciclo. Este tipo de acionamento inclui alguns bons recursos que discutiremos nos próximos parágrafos.

Gatilho

A abordagem padrão para a sincronização emprega uma pequena porção do sinal de entrada para alternar o gerador de varredura, o que força o sinal de varredura a travar ou travar com o sinal de entrada, e este processo sincroniza os dois sinais juntos.

Na Fig 22.11, podemos ver o diagrama de blocos que ilustra a extração de uma parte do sinal de entrada em um osciloscópio de canal único.

Este sinal de disparo é extraído da frequência da linha CA da rede elétrica (50 ou 60 Hz) para analisar quaisquer sinais externos que possam estar associados ou relacionados com a rede CA ou pode ser um sinal relacionado aplicado como uma entrada vertical no CRO.

Quando a chave seletora é alternada para 'INTERNAL', permite que uma parte do sinal de entrada seja usada pelo circuito gerador do acionador. Em seguida, a saída do gerador de disparo de saída é usada para iniciar ou iniciar a varredura principal do CRO, que permanece visível por um período definido pelo controle de tempo / cm do osciloscópio.

A inicialização do disparo em vários pontos diferentes ao longo de um ciclo de sinal pode ser visualizada na Fig. 22.12. O funcionamento da varredura de disparo também pode ser analisado por meio dos padrões de forma de onda resultantes.

O sinal que é aplicado como entrada é usado para gerar uma forma de onda de disparo para o sinal de varredura. Conforme mostrado na Fig 22.13, a varredura é iniciada com o ciclo do sinal de entrada e é mantida por um período decidido pelo ajuste do controle de comprimento da varredura. Subseqüentemente, a operação CRO espera até que o sinal de entrada atinja um ponto idêntico em seu ciclo antes de iniciar uma nova operação de varredura.

O método de acionamento explicado acima permite o processo de sincronização, enquanto o número de ciclos que podem ser visualizados no display é determinado pela duração do sinal de varredura.

FUNÇÃO MULTITRACE

Muitos dos CROs avançados facilitam a visualização de mais de um ou vários traços na tela do visor simultaneamente, o que permite ao usuário comparar facilmente as características especiais ou outras características específicas de várias formas de onda.

Esse recurso é normalmente implementado usando feixes múltiplos de canhões de elétrons múltiplos, que geram feixes individuais na tela CRO, no entanto, às vezes isso também é executado por meio de um único feixe de elétrons.

Existem algumas técnicas que são empregadas para gerar vários rastreamentos: ALTERNATE e CHOPPED. No modo alternado os dois sinais disponíveis na entrada, são conectados alternadamente ao estágio do circuito de deflexão através de uma chave eletrônica. Neste modo, o feixe é varrido pela tela CRO, independentemente de quantos traços sejam exibidos. Depois disso, a chave eletrônica pega alternativamente o segundo sinal e faz o mesmo para este sinal também.

Este modo de operação pode ser testemunhado na Fig. 22.14a.

A Fig 22.14b demonstra o modo de operação CHOPPED em que o feixe passa por uma comutação repetitiva para selecionar entre os dois sinais de entrada para cada sinal de varredura do feixe. Esta ação de comutação ou corte permanece indetectável para frequências relativamente mais baixas do sinal e é aparentemente vista como dois traços individuais na tela CRO.

Como medir a forma de onda por meio de escalas CRO calibradas

Você deve ter visto que a tela do display CRO consiste em uma escala calibrada claramente marcada. Isso é fornecido para as medições de amplitudes e fator de tempo para uma forma de onda aplicada em questão.

As unidades marcadas são visíveis como caixas que são divididas por 4 centímetros (cm) em ambos os lados das caixas. Cada uma dessas caixas é adicionalmente dividida em intervalos de 0,2 cm.

Medindo amplitudes:

A escala vertical na tela do RO pode ser vista calibrada em volts / cm (V / cm) ou milivolts / cm (mV / cm).

Com a ajuda das configurações dos botões de controle do osciloscópio e das marcações apresentadas na tela, o usuário pode medir ou analisar as amplitudes pico a pico de um sinal de forma de onda ou normalmente um sinal AC.

Aqui está um exemplo prático resolvido para entender como a amplitude é medida na tela do CRO:

Observação: essa é a vantagem de um osciloscópio em relação aos multímetros, já que os multímetros fornecem apenas o valor RMS do sinal CA, enquanto um osciloscópio é capaz de fornecer tanto o valor RMS quanto o valor pico a pico do sinal.

Medindo o tempo (período) de um ciclo CA usando osciloscópio

A escala horizontal fornecida na tela de um osciloscópio nos ajuda a determinar o tempo de um ciclo de entrada em segundos, em milissegundos (ms) e em microssegundos (μs), ou mesmo em nanossegundos (ns).

O intervalo de tempo consumido por um pulso para completar um ciclo do início ao fim é chamado de período do pulso. Quando esse pulso está na forma de uma forma de onda repetitiva, seu período é chamado de um ciclo da forma de onda.

Aqui está um exemplo prático resolvido mostrando como determinar o período de uma forma de onda usando a calibração da tela CRO:

Medindo a largura do pulso

Cada forma de onda é composta de picos de tensão máximos e mínimos chamados de estados alto e baixo do pulso. O intervalo de tempo durante o qual o pulso permanece em seus estados HIGH ou LOW é chamado de largura de pulso.

Para pulsos cujas bordas aumentam e diminuem muito acentuadamente (rapidamente), a largura de tais pulsos é medida do início do pulso, chamada de borda de ataque, até o final do pulso, chamada de borda de fuga, isso é mostrado na Fig. 22.19a.

Para pulsos que têm ciclos de subida e descida bem mais lentos ou lentos (tipo exponencial), sua largura de pulso é medida em seus níveis de 50% nos ciclos, conforme indicado na Fig. 22.19b.

O seguinte exemplo resolvido ajuda a entender o procedimento acima de uma maneira melhor:

ENTENDENDO O ATRASO DE PULSO

O espaço de intervalo de tempo entre os pulsos em um ciclo de pulso é chamado de atraso de pulso. Um exemplo de atraso de pulso pode ser visto na figura 22.21 abaixo, podemos ver que o atraso aqui é medido entre o ponto médio ou o nível de 50% e o ponto inicial do pulso.

Figura 22.21

Exemplo prático resolvido mostrando como medir o atraso de pulso em CRO

Conclusão:

Tentei incluir a maioria dos detalhes básicos sobre como funciona o osciloscópio de raios catódicos (CRO) e tentei explicar como usar esse dispositivo para medir vários sinais baseados em frequência por meio de sua tela calibrada. No entanto, pode haver ainda muitos outros aspectos que eu poderia ter perdido aqui, no entanto, continuarei verificando de vez em quando e atualizarei mais informações sempre que possível.

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