De elektronenstraaloscilloscoop.

Transcriptie

1 Theorie De elektronenstraaloscilloscoop. Algemeen. De elektronenstraaloscilloscoop is één van de meest veelzijdige meetapparaten in de moderne elektrische en elektronische meettechniek. Zijn geschiktheid om momentele meetgrootheden tweedimensionaal weer te geven laat toe het verloop van meetgrootheden in functie van de tijd, maar ook de wederzijdse afhankelijkheid van in de tijd veranderlijke meetgrootheden te zien. 1 De elektronenstraalbuis. 1.1 Opbouw. Het centrale meetsysteem van een oscilloscoop is de elektronenstraalbuis (ook kathodestraalbuis of Braunsche buis genoemd). In de volgende tekening is de samenstelling te zien van een elektronenstraalbuis. 1. Verwarming 2. Kathode 3. Wehneltcilinder 4. Hulpanode 5. Anode 6. Elektronenstraal 7. Fluorescentielaag 8. Lichtvlek: spot x-x, y-y afbuigplaten 2 De oscilloscoop 3.1EIT Pagina 1

2 Als meetsysteem dient hier de Braunsche buis (elektronenstraalbuis) met een praktisch massaloze elektronenstraal. De buis is luchtledig. Binnen in de buis zendt de opgewarmde kathode elektronen uit, die door de anode (positief potentiaal t.o.v. de kathode) aangetrokken en versneld worden door een hoogspanning van enige kvolts op deze anode. De elektronensnelheid is daarbij zo groot, dat bijna geen elektronen over de anode kunnen afvloeien. De cilindervormige anode heeft een kleine opening en werkt als diafragma. Een groot deel van de versnelde elektronen bereikt als elektronenstraal door het diafragma het fluorescerend scherm. Deze elektronenstraal wekt op de fluorescerende laag binnen de glaskolf een lichtvlek op. 1.2 Intensiteitsregeling. De intensiteit van de ontstane lichtvlek hangt af van de snelheid en de concentratie van de inslaande elektronen en kan met een stuurelektrode (ook stuurrooster of Wehneltcilinder genoemd) beïnvloed worden. Het stuurrooster heeft een negatief veranderlijk potentiaal tegenover de kathode. Daardoor wordt de straalstroom sterker of zwakker en de lichtvlek overeenkomstig helderder of donkerder. 1.3 Focusering. Binnenin de elektronenstraal stoten zich de negatieve elektronen wederzijds af. Een elektronische optiek, die uit de anode en de hulpanode bestaat, maakt het mogelijk de elektronenstraal door het veranderen van de spanning meer of minder te bundelen (krachtwerking in een elektrisch veld op ladingen). Daardoor laat zich de diameter van de lichtvlek veranderen (scherpte). Dit heet focusering. 1.4 Afbuiging. Om op het beeldscherm i.p.v. een lichtvlek een beeld te bekomen, moet de elektronenstraal afgebogen worden. Hiertoe gebruikt men twee haaks op elkaar staande afbuigplaatparen. Door aanleggen van een spanning aan de platenparen laat zich de elektronenstraal en daarmee de lichtvlek op het scherm zowel verticaal als horizontaal afbuigen. Men spreekt van verticale afbuiging (Y-afbuiging) en horizontale afbuiging (X-afbuiging). Ieder platenpaar heeft zijn eigen elektronische versterker. Het ontstaan van een beeld op de oscilloscoop. 2 De oscilloscoop 3.1EIT Pagina 2

3 Opdracht: teken zelf de beelden in figuren 4 tot en met 6 Tip: lees de onderstaande tekst. Zonder spanning aan de afbuigplaten ontstaat er een lichtvlek in het midden van het scherm. Dit is niet altijd mogelijk aan te tonen, daar de constructeur dat verhindert omwille van het inbranden van de spot op het fluorescerende scherm. Legt men aan de verticale afbuigplaten een gelijkspanning, zo verplaatst zich de lichtvlek uit de rusttoestand naar boven of naar beneden. Wordt er in plaats van een gelijkspanning een wisselspanning aan de platen gelegd, dan wordt de straal met de aangelegde frequentie afgebogen en er ontstaat een verticale streep op het scherm. Leggen we een wisselspanning aan de horizontale platen, dan beweegt zich de straal horizontaal en komt er een horizontale streep op het scherm. Door een langzaam aanstijgende (lineair verloop) en een snel afvallende spanning (zaagtandspanning) aan de x-platen te legen, wordt de lichtvlek van links naar rechts over het scherm geleid. Bij de terugslag wordt de straal onderdrukt (geen beeld te zien). Ligt aan de x-platen een zaagtandspanning en aan de y-platen een sinusvormige spanning, ontstaat op het beeldscherm de tijdsfunctie van de wisselspanning (een sinusspanning). Bij exacte gelijkheid van de beide frequenties ontstaat er een stilstaand beeld. De oscilloscoop is zo in staat, gelijkspanningen en tijdgebonden spanningen (trillingen) voor te stellen. Ook het verloop van tijdgebonden stromen kunnen getoond worden, indien men de betreffende meetstroom in een spanning omzet ( spanningsval U = I R). Daartoe gebruikt men een ohmse weerstand met gekende waarde. 2 De tijdbasis (horizontale sturing). Het deel van een oscilloscoop dat de zaagtandspanning en de frequentie ervan genereerd is de tijdbasis. Deze is instelbaar om aangepast te kunnen worden aan het te meten signaal. Zo kan men één volledige cyclus of meerdere cycli op het scherm brengen. 3 Verticale versterker (verticale sturing). Om de nodige spanning van ca. 100 V aan de afbuigplaten te bekomen heeft men een versterker nodig om de gemeten spanning te versterken of te verzwakken. De maximale versterking is normaal zo gekozen, dat voor 1 cm verticale afbuiging een meetspanning van 1 tot 10 mv nodig is. Om aanpasbaar te zijn aan verschillende grootten van ingangssignalen is er een verzwakker die in trappen schakelbaar is. 2 De oscilloscoop 3.1EIT Pagina 3

4 4 Het scherm. Het scherm is opgedeeld in rasters. Ieder raster heeft een breedte en een hoogte van 1 cm. Men noemt dit divisions. Het scherm is normaal opgedeeld in 8 verticale divisions en 10 horizontale divisions. Iedere division heeft 5 onderverdelingen. 5 Het toestel TEKTRONIX MHz bandbreedte. Dit toestel is een zeer complex toestel en is zowel een analoge als een digitale oscilloscoop. Hier wordt enkel het analoge gedeelte besproken. 50 MHz, betekent dat het toestel in staat is signalen met een tijdsduur van 1 / 50 miljoenste seconde (= 0,02µs of 20ns) op het scherm te tonen. 5.1 De bedieningen. Volgende figuur toont het volledige frontpaneel met scherm en bedieningsknoppen. Zoals reeds kort beschreven hebben we enkele essentiële onderdelen nodig. 2 De oscilloscoop 3.1EIT Pagina 4

5 2 De oscilloscoop 3.1EIT Pagina 5

6 5.2 Primaire bedieningen, scherm en schermbeïnvloedingen. Dit deel is op het frontpaneel met cijfers 1 tot 7. De delen zijn: Vul de naam van de delen in bovenstaande vakken in. 5.3 De verticale versterkers / verzwakkers. Dit is hier in het meervoud geschreven, daar dit toestel twee identieke kanalen heeft. Deze worden genoemd: CH1 (Channel 1) CH2 (Channel 2) Op de projectie wordt dit voorgesteld in de volgende figuur met de cijfers 8 tot Vul de naam van de delen in bovenstaande vakken in. Tip: lees de uitleg op de volgende pagina s. 2 De oscilloscoop 3.1EIT Pagina 6

7 Betekenis van de knoppen en schakelaars 8. POSITION CH1: Verticale positie van de straal voor het eerste (CH1) kanaal. Dit betekent door aan deze knop te draaien kan de straal die overeenstemt met dit kanaal verticaal verschoven worden. 9. POSITION CH2: Idem voor het tweede (CH2) kanaal. 10. CH1 BOTH CH2: Keuze schakelaar. Deze laat toe kanaal 1 (CH1) of kanaal 2 (CH2) of beide (BOTH) gelijktijdig op het scherm te tonen. 2 De oscilloscoop 3.1EIT Pagina 7

8 11. NORM CH2 INVERT: Schakelaar in de linkse stand dit is de normale mode. Het signaal wordt getoond zoals het werkelijk is. In de mode CH2 INVERT, wordt het signaal geïnverteerd (180 gedraaid). 12. ADD ALT CHOP: Deze keuzeschakelaar laat toe: ADD: kanaal 1 bij kanaal 2 op te tellen. In de stand ALT worden de twee stralen NA elkaar op het scherm getoond. In de stand CHOP worden de twee stralen GELIJKTIJDIG op het scherm getoond. ALT wordt gebruikt bij snelle signalen. CHOP bij langzame signalen. 13. VERSTERKER- VERZWAKKER-KEUZE Met deze keuzeschakelaar kan men het ingangssignaal aanpassen aan het scherm. Dit wordt opgegeven in Volts per schermdivisie. Dit betekent bijvoorbeeld als de schakelaar in de stand 2 V / DIV staat, heeft ieder verticale divisie de waarde van 2 Volt. Men kan deze schakelaar het best vergelijken met de meetbereikschakelaar bij een multimeter. Zo kan men de spanningswaarde van het ingangssignaal meten. 14. CAL x 10 PULL: Door de knop te verdraaien naar links gaat men uit calibratie. Dit betekent dat de VOLTS/DIV niet meer exact zijn met de ingestelde waarde. Trekt men de knop uit, dan wordt het ingangssignaal 10 x versterkt. 15. AC GND DC: Koppelingskeuze, AC en DC zijn de koppelingen van het ingangssignaal met de ingangsversterker van de scoop. DC is rechtstreeks (gelijksspanningsgekoppeld), AC (wisselspanningsgekoppeld) is via een condensator. GND toont u in de plaats van het ingangssignaal de nullijn = 0 Volt = G round. 16. Dit zijn de ingangspluggen. Deze zijn uitgevoerd met BNC connectoren. 2 De oscilloscoop 3.1EIT Pagina 8

9 5.4 De tijdbasis. De tijdbasis uitgedrukt in SEC/DIV (seconden per divisie) dient om de tijd van het toestel aan te passen aan het ingangssignaal. Op de projectie (volgende pagina) wordt dit voorgesteld met de cijfers 17 tot Vul de naam van de delen in bovenstaande vakken in. 17. COARSE: Beeldverschuiving naar links of rechts. 18. FINE: Fijnafstemming van de links-rechts-verschuiving. 19. TIJDSKEUZESCHAKELAAR: Instelkeuzeschakelaar voor de tijd per divisie. 20. CAL: Naar rechts draaien tot het klikt = gekalibreerd. Naar links draaien zijn de tijden niet meer gekalibreerd en stemmen dus niet meer overeen met de waarden aangeduidt door de keuzeschakelaar. 21. XI X10 X50: De ingestelde tijd van de tijdbasis wordt vermenigvuldigt met de aangegeven waarden. 22. SYSTEEMGROUND: Dit is de referentieground = massa van het toestel. 23. PROBE ADJUST: 500mV P-P 1kHz. Dit dient om de meetproben af te regelen, zodat ze getrouw de signalen kunnen doorgeven (zonder vervorming). 2 De oscilloscoop 3.1EIT Pagina 9

10 2 De oscilloscoop 3.1EIT Pagina 10

11 6.5. Trigger-functie. Triggeren wil zeggen dat men kiest welk signaal gebruikt wordt als referentie voor de tijdbasis. Hierdoor krijgt men een stilstaand beeld. Op de projectie wordt dit voorgesteld met de cijfers 24 tot De oscilloscoop 3.1EIT Pagina 11

12 Vul de naam van de delen in bovenstaande vakken in. Betekenis van de knoppen en schakelaars 24. SLOPE: Triggerkeuze op een stijgende of dalende spanning. 25. LEVEL: Bepaalt de drempel (spanningsniveau) waarop getriggerd zal worden. 26. TRIG'D: Trigger delayed, vertraagd triggeren. 27. P-PAUTO NORM SGL SWP: Automatisch triggeren: toestel zoekt zelf het optimale triggerpunt. Norm: normaal triggeren. Sgl Swp: singel sweep. Eén straal trekken. Speciaal voor de geheugenfunctie. TV Line: 50 Hz triggering. TV Field: speciale triggermode voor TV-signalen. 28. RESET: Zet alle signalen terug en wacht op een nieuw signaal om te triggeren. (speciaal voor de geheugenfunctie). 29. HOLDOFF: Speciale functie voor de geheugenfunctie. 30. SOURCE: Kies de bron waarop getriggerd zal worden = referentiebron. Kanaal 1,2 (CM, CH2) of extern (vreemd signaal), line = netfrequentie. 31. COUPLING: AC, LF HF REJECT, DC AC: Het triggersignaal wordt wisselspanningsmatig gekoppeld. LF en HF REJECT zijn filters om storingen uit te filteren. LF-reject, houdt laagfrequente storingen tegen. HF-reject, houdt hoogfrequente storingen tegen. DC: Het triggersignaal wordt gelijkspanningsmatig gekoppeld. 32.EXT INPUT: Ingangsplug voor aansluiten van het vreemd triggersignaal. 2 De oscilloscoop 3.1EIT Pagina 12