음극선 오실로스코프 – 작동 및 작동 세부 정보

이 게시물에서는 CRO (Cathode Ray Oscilloscope)의 작동 방식과 내부 구조에 대해 자세히 설명합니다. 또한 다양한 컨트롤을 사용하여 CRO를 사용하는 방법을 배우고 스코프 디스플레이 화면에서 다양한 입력 신호의 그래픽 표현을 이해합니다.

음극선 오실로스코프 (CRO)의 중요성

우리는 대부분의 전자 회로가 일반적으로 주파수로 생성되는 전자 파형 또는 디지털 파형을 사용하여 엄격하게 관련되고 작동한다는 것을 알고 있습니다. 이러한 신호는 오디오 정보, 컴퓨터 데이터, TV 신호, 발진기 및 타이밍 발생기 (레이더에 적용됨) 등의 형태로 이러한 회로에서 중요한 역할을합니다. 따라서 이러한 매개 변수를 정확하고 정확하게 측정하는 것은 이러한 유형을 테스트하고 문제를 해결하는 동안 매우 중요합니다. 회로 수

디지털 멀티 미터 또는 아날로그 멀티 미터와 같이 일반적으로 사용되는 미터는 시설이 제한되어 있으며 DC 또는 AC 전압, 전류 또는 임피던스 만 측정 할 수 있습니다. 일부 고급 미터는 ac 신호를 측정 할 수 있지만 신호가 고도로 정제되고 왜곡되지 않은 특정 사인파 신호 형태 인 경우에만 가능합니다. 따라서 이러한 미터는 파형 및 시간주기가 포함 된 회로를 분석 할 때 목적을 달성하지 못합니다.

반대로 오실로스코프는 파형을 정확하게 받아들이고 측정하도록 설계된 장치로 사용자가 펄스 또는 파형의 모양을 실제로 시각화 할 수 있습니다.

CRO는 사용자가 문제가되는 적용된 파형의 시각적 표현을 볼 수있는 고급 오실로스코프 중 하나입니다.

입력에 적용된 신호에 해당하는 시각적 디스플레이를 파형으로 생성하기 위해 음극선 관 (CRT)을 사용합니다.

CRT 내부의 전자빔은 입력 신호에 응답하여 튜브 (화면)의 표면을 가로 질러 편향된 움직임 (스윕)을 거치며, 파형 모양을 나타내는 화면에 시각적 트레이스를 생성합니다. 이러한 연속 트레이스는 사용자가 파형을 검사하고 그 특성을 테스트 할 수 있도록합니다.

파형의 실제 이미지를 생성하는 오실로스코프의 기능은 파형의 숫자 ​​값만 제공 할 수있는 디지털 멀티 미터에 비해 매우 유용합니다.

우리 모두가 알고 있듯이 음극선 오실로스코프는 오실로스코프 화면에 다양한 판독 값을 표시하기 위해 전자 빔과 함께 작동합니다. 빔을 수평으로 편향 시키거나 처리하려면 스윕 전압 수직 처리는 측정중인 입력 전압에 의해 수행됩니다.

음극선 관-이론 및 내부 구조

음극선 오실로스코프 (CRO) 내부에서 음극선 관 (CRT)은 장치의 주요 구성 요소가됩니다. CRT는 스코프 화면에 복잡한 파형 이미징을 생성하는 역할을합니다.

CRT는 기본적으로 네 부분으로 구성됩니다.

1. 전자빔을 생성하기위한 전자총.
2. 정확한 전자 빔을 생성하기 위해 구성 요소를 집중하고 가속합니다.
3. 전자 빔의 각도를 조작하기위한 수평 및 수직 편향 플레이트.
4. 인광 스크린으로 코팅 된 진공 유리 엔클로저는 표면에 전자 빔이 부딪히면 필요한 가시 광선을 생성합니다.

다음 그림은 CRT의 기본 구성 세부 정보를 보여줍니다.

이제 CRT가 기본 기능과 함께 작동하는 방식을 이해하겠습니다.

CRO (음극선 오실로스코프) 작동 방식

CRT 내부의 뜨거운 필라멘트는 산화물 코팅으로 구성된 튜브의 음극 (K)면을 가열하는 데 사용됩니다. 이로 인해 음극 표면에서 전자가 즉시 방출됩니다.

제어 그리드 (G)라고하는 요소는 튜브 길이를 가로 질러 더 멀리 통과 할 수있는 전자의 양을 제어합니다. 그리드에 적용되는 전압의 수준은 가열 된 음극에서 방출되는 전자의 양과 그 중 얼마나 많은 전자가 튜브 표면을 향해 앞으로 이동할 수 있는지를 결정합니다.

전자가 제어 그리드를 능가하면 양극 가속의 도움으로 날카로운 빔과 고속 가속으로 후속 초점을 맞 춥니 다.

다음 단계에서이 고도로 가속 된 전자 빔은 두 세트의 편향 판 사이를 통과합니다. 제 1 플레이트의 각도 또는 방향은 전자 빔을 수직으로 위 또는 아래로 편향시키는 방식으로 유지됩니다. 이것은 차례로 이러한 플레이트에 적용된 전압 극성에 의해 제어됩니다.

또한 빔의 편향이 허용되는 정도에 따라 플레이트에 적용된 전압의 양이 결정됩니다.

이렇게 제어 된 편향된 빔은 튜브에 적용된 극도로 높은 전압을 통해 더 많은 가속을 거치며, 결국 빔이 튜브 내부 표면의 인광 층 코팅에 부딪 힙니다.

이것은 스코프를 취급하는 사용자를 위해 스크린에 가시 광선을 생성하는 전자 빔의 충돌에 반응하여 형광체가 즉시 빛나게합니다.

CRT는 후면베이스를 통해 특정 핀아웃으로 돌출 된 적절한 단자가있는 독립적 인 완전한 장치입니다.

다양한 형태의 CRT가 다양한 치수로 시중에 나와 있으며, 별개의 인광체 코팅 튜브와 편향 전극 위치를 지정할 수 있습니다.

이제 오실로스코프에서 CRT가 사용되는 방식에 대해 생각해 보겠습니다.

주어진 샘플 신호에 대해 시각화하는 파형 패턴은 다음과 같이 실행됩니다.

스위프 전압이 전자빔을 CRT 화면의 내부면에서 수평으로 이동함에 따라 동시에 측정되는 입력 신호는 빔이 수직으로 편향되도록하여 분석에 필요한 패턴을 화면 그래프에 생성합니다.

단일 스윕이란?

CRT 화면에서 전자빔의 모든 스위프 다음에는 부분적인 '빈'시간 간격이 따릅니다. 이 공백 단계 동안 빔은 시작 지점 또는 화면의 이전 극단에 도달 할 때까지 잠시 꺼집니다. 각 스윕의이주기를 '빔의 한 스윕'

화면에 안정된 파형 디스플레이를 얻기 위해 전자 빔은 각 스위프에 대해 동일한 이미징을 사용하여 왼쪽에서 오른쪽으로 또는 그 반대로 반복적으로 '스위핑'되어야합니다.

이를 위해 동기화라는 작업이 필요합니다.이 작업은 빔이 화면의 정확히 동일한 지점에서 각 스위프를 반환하고 반복하도록합니다.

올바르게 동기화되면 화면의 파형 패턴이 안정적이고 일정하게 나타납니다. 그러나 동기화가 적용되지 않으면 파형이 화면의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝으로 계속 수평으로 천천히 드리프트하는 것처럼 보입니다.

기본 CRO 구성 요소

CRO의 필수 요소는 아래 그림 22.2에서 확인할 수 있습니다. 이 기본 블록 다이어그램에 대한 CRO의 운영 세부 사항을 주로 분석 할 것입니다.

적어도 1 센티미터에서 몇 센티미터까지 빔의 의미 있고 인식 가능한 편향을 달성하려면 편향 판에 사용되는 일반적인 전압 레벨이 최소 수십 또는 수백 볼트 여야합니다.

일반적으로 CRO를 통해 평가되는 펄스는 크기가 몇 볼트 또는 최대 몇 밀리 볼트에 불과하므로 튜브를 작동하는 데 필요한 최적의 전압 레벨까지 입력 신호를 증폭하는 데 적합한 증폭기 회로가 필요합니다.

실제로, 수평면과 수직면 모두에서 빔을 편향시키는 데 도움이되는 증폭기 스테이지가 사용됩니다.

분석중인 입력 신호 레벨을 조정할 수 있으려면 각 입력 펄스가 디스플레이의 진폭을 향상 시키도록 설계된 감쇠기 회로 단계를 거쳐야합니다.

전압 스위프 작동

전압 스윕 작동은 다음과 같은 방식으로 구현됩니다.

수직 입력이 0V로 유지되는 상황에서 전자 빔은 화면의 수직 중앙에서 보여야합니다. 수평 입력에 동일하게 0V를 적용하면 빔이 화면 중앙에 위치하여 단색과 문구처럼 보입니다. 점 중앙에.

이제이 '점'은 오실로스코프의 수평 및 수직 제어 버튼을 조작하기 만하면 화면의 어느 곳으로나 이동할 수 있습니다.

도트의 위치는 오실로스코프의 입력에 도입 된 특정 DC 전압을 통해 변경할 수도 있습니다.

다음 그림은 CRT 화면에서 양의 수평 전압 (오른쪽으로)과 음의 수직 입력 전압 (중앙에서 아래쪽)을 통해 점의 위치를 ​​정확히 제어 할 수있는 방법을 보여줍니다.

수평 스위프 신호

신호가 CRT 디스플레이에 표시 되려면 해당 수직 신호 입력이 변경 사항을 화면에 반영 할 수 있도록 화면을 가로 지르는 수평 스위프를 통해 빔 편향을 활성화하는 것이 필수적입니다.

아래 그림 22.4에서 수평 채널에 적용된 선형 (톱니) 스위프 신호를 통해 수직 입력에 대한 양의 전압 공급으로 인해 얻은 디스플레이의 직선을 시각화 할 수 있습니다.

전자빔이 선택한 고정 수직 거리에 고정되면 수평 전압이 강제로 음에서 0, 양으로 이동하여 빔이 화면의 왼쪽에서 중앙, 오른쪽으로 이동합니다. 화면. 이러한 전자빔의 움직임은 중심 수직 기준 위에 직선을 생성하여 별빛 선의 형태로 적절한 DC 전압을 표시합니다.

단일 스위프를 생성하는 대신 연속 파형처럼 작동하도록 스위프 전압이 구현됩니다. 이는 본질적으로 화면에 일관된 디스플레이를 표시하기위한 것입니다. 단일 스윕 만 사용하면 지속되지 않고 즉시 사라집니다.

그렇기 때문에 CRT 내부에서 초당 반복되는 스위프가 생성되어 우리의 지속성으로 인해 화면에 연속적인 파형이 나타납니다.

오실로스코프에서 제공하는 시간 척도에 따라 위의 스위프 속도를 줄이면 빔의 실제 움직이는 느낌이 화면에 표시 될 수 있습니다. 수평 스위프없이 수직 입력에 정현파 신호 만 적용되면 그림 22.5와 같이 수직 직선이 표시됩니다.

이 정현파 수직 입력의 속도가 충분히 감소하면 전자빔이 직선 경로를 따라 아래로 이동하는 것을 볼 수 있습니다.

선형 톱니 스위프를 사용하여 수직 입력 표시

사인파 신호를 검사하려면 수평 채널에서 스위프 신호를 사용해야합니다. 이렇게하면 수직 채널에 적용된 신호가 CRO 화면에 표시됩니다.

그림 22.6에서는 수직 채널을 통한 사인파 또는 사인 입력과 함께 수평 선형 스위프를 사용하여 생성 된 파형을 보여주는 실제 예를 볼 수 있습니다.

적용된 입력에 대해 화면에서 단일 사이클을 얻으려면 입력 신호와 선형 스위프 주파수의 동기화가 필수적입니다. 미세한 차이나 잘못된 동기화가 있더라도 디스플레이에 움직임이 표시되지 않을 수 있습니다.

스위프 주파수가 감소하면 사인 입력 신호의 더 많은 사이클이 CRO 화면에 표시 될 수 있습니다.

반면에 스위프 주파수를 높이면 디스플레이 화면에 더 적은 수의 수직 입력 사인 신호 사이클이 표시 될 수 있습니다. 이것은 실제로 CRO 화면에 적용된 입력 신호의 확대 된 부분을 생성하는 결과를 가져옵니다.

해결 된 실제 예 :

그림 22.7에서 수평 스위프를 사용하여 수직 입력에 적용된 펄스와 같은 파형에 대한 응답으로 펄스 신호를 표시하는 오실로스코프 화면을 볼 수 있습니다.

각 파형에 대한 번호 지정을 통해 디스플레이는 각 사이클에 대한 입력 신호 및 스위프 전압의 변화를 따를 수 있습니다.

동기화 및 트리거링

Cathode Ray Oscilloscope의 조정은 주파수 측면에서 속도를 조정하여 실행되며 펄스의 단일 사이클, 여러 사이클 또는 파형 사이클의 일부를 생성하며이 기능은 CRO 중 하나가되는 중요한 기능입니다. 모든 CRO의.

그림 22.8에서 우리는 스위프 신호의 몇 사이클에 대한 응답을 표시하는 CRO 화면을 볼 수 있습니다.

선형 스위프 사이클을 통해 수평 톱니 스위프 전압을 실행할 때마다 (최대 음의 한계가 0에서 최대 양으로 제한됨) 전자 빔이 CRO 화면 영역을 가로 질러 왼쪽에서 시작하여 중앙으로 이동 한 다음 화면 오른쪽에 있습니다.

이 후 톱니 전압은 전자 빔이 화면 왼쪽으로 이동하면서 시작 음의 전압 한계로 빠르게 돌아갑니다. 스위프 전압이 음 (귀선)으로 빠르게 복귀하는이 기간 동안 전자는 공백 단계를 거치게됩니다 (그리드 전압은 전자가 튜브의 표면에 부딪히는 것을 방지 함).

디스플레이가 빔의 모든 스위프에 대해 안정적인 신호 이미지를 생성 할 수 있도록하려면 입력 신호 사이클의 똑같은 지점에서 스위프를 시작하는 것이 필수적입니다.

그림 22.9에서 우리는 디스플레이가 빔의 좌측 드리프트처럼 보이게하는 다소 낮은 스위프 주파수를 볼 수 있습니다.

그림 22.10에서 입증 된대로 높은 스위프 주파수로 설정하면 디스플레이가 화면에서 빔의 오른쪽 드리프트처럼 보입니다.

말할 필요도없이, 화면에서 지속적이거나 일정한 스위프를 달성하기 위해 스위프 신호 주파수를 입력 신호 주파수와 정확히 동일하게 조정하는 것은 매우 어렵거나 실행 불가능할 수 있습니다.

보다 실현 가능한 해결책은 신호가 사이클에서 트레이스의 시작점으로 돌아올 때까지 기다리는 것입니다. 이러한 유형의 트리거에는 다음 단락에서 논의 할 몇 가지 좋은 기능이 포함되어 있습니다.

트리거링

동기화를위한 표준 접근 방식은 스위프 생성기를 전환하기 위해 입력 신호의 작은 부분을 사용하여 스위프 신호가 입력 신호와 래치 또는 고정되도록하고이 프로세스는 두 신호를 함께 동기화합니다.

그림 22.11에서 우리는 입력 신호의 일부를 추출하는 블록 다이어그램을 볼 수 있습니다. 단일 채널 오실로스코프.

이 트리거 신호는 AC 전원과 연관되거나 관련 될 수있는 외부 신호를 분석하기 위해 전원 AC 라인 주파수 (50 또는 60Hz)에서 추출되거나 CRO에서 수직 입력으로 적용되는 관련 신호일 수 있습니다.

선택기 스위치를 '내부'로 전환하면 입력 신호의 일부를 트리거 생성기 회로에서 사용할 수 있습니다. 그런 다음 출력 트리거 생성기 출력을 사용하여 CRO의 메인 스위프를 시작하거나 시작합니다.이 스위프는 스코프의 시간 / cm 제어에 의해 설정된 기간 동안 계속 표시됩니다.

신호주기에 걸쳐 여러 다른 지점에서 트리거링의 초기화는 그림 22.12에서 시각화 할 수 있습니다. 트리거 스위프의 기능은 결과 파형 패턴을 통해 분석 될 수도 있습니다.

입력으로 적용되는 신호는 스위프 신호에 대한 트리거 파형을 생성하는 데 사용됩니다. 그림 22.13에서 볼 수 있듯이 스위프는 입력 신호 사이클로 시작되고 스위프 길이 제어 설정에 의해 결정된 기간 동안 지속됩니다. 그 후, CRO 작업은 새로운 스위프 작업을 시작하기 전에 입력 신호가 해당주기에서 동일한 지점에 도달 할 때까지 대기합니다.

위에서 설명한 트리거링 방법은 동기화 프로세스를 활성화하는 반면, 디스플레이에서 볼 수있는 사이클 수는 스위프 신호의 길이에 따라 결정됩니다.

다중 추적 기능

많은 고급 CRO는 디스플레이 화면에서 동시에 하나 이상의 트레이스를 쉽게 볼 수 있도록하여 사용자가 여러 파형의 특수 또는 기타 특정 특성을 쉽게 비교할 수 있도록합니다.

이 기능은 일반적으로 CRO 화면에 개별 빔을 생성하는 여러 전자총의 여러 빔을 사용하여 구현되지만 때로는 단일 전자 빔을 통해 실행되기도합니다.

여러 추적을 생성하는 데 사용되는 몇 가지 기술인 ALTERNATE 및 CHOPPED가 있습니다. 대체 모드에서는 입력에서 사용할 수있는 두 신호가 전자 스위치를 통해 편향 회로 스테이지에 교대로 연결됩니다. 이 모드에서는 얼마나 많은 트레이스가 표시 되든 상관없이 빔이 CRO 화면을 스윕합니다. 그 후 전자 스위치는 두 번째 신호를 번갈아 선택하고이 신호에 대해서도 동일한 작업을 수행합니다.

이 작동 모드는 그림 22.14a에서 확인할 수 있습니다.

그림 22.14b는 빔이 빔의 모든 스위프 신호에 대해 두 입력 신호 사이에서 선택하기 위해 반복적 인 스위칭을 거치는 CHOPPED 작동 모드를 보여줍니다. 이 스위칭 또는 쵸핑 동작은 상대적으로 낮은 주파수의 신호에 대해 감지되지 않고 CRO 화면에서 두 개의 개별 트레이스로 보입니다.

보정 된 CRO 스케일을 통해 파형을 측정하는 방법

CRO 디스플레이의 화면이 명확하게 표시된 보정 된 눈금으로 구성되어 있음을 보셨을 것입니다. 이는 해당 파형의 진폭 및 시간 계수를 측정하기 위해 제공됩니다.

표시된 단위는 상자의 양쪽에 4cm (cm)로 나누어 진 상자로 표시됩니다. 이 상자는 각각 0.2cm 간격으로 추가로 나뉩니다.

진폭 측정 :

RO 화면의 수직 눈금은 volts / cm (V / cm) 또는 millivolts / cm (mV / cm)로 보정 된 것을 볼 수 있습니다.

스코프의 제어 버튼 설정과 디스플레이 전면에 표시되는 표시를 통해 사용자는 파형 신호 또는 일반적으로 AC 신호의 피크 대 피크 진폭을 측정하거나 분석 할 수 있습니다.

다음은 CRO 화면에서 진폭이 측정되는 방식을 이해하기위한 실제 해결 된 예입니다.

참고 : 멀티 미터는 AC 신호의 RMS 값만 제공하는 반면 스코프는 신호의 피크 대 피크 값과 RMS 값을 모두 제공 할 수 있기 때문에 멀티 미터에 대한 오실로스코프의 장점입니다.

오실로스코프를 사용하여 AC 사이클의 타이밍 (주기) 측정

오실로스코프 화면에 제공되는 수평 스케일은 초, 밀리 초 (ms), 마이크로 초 (μs) 또는 나노초 (ns) 단위로 입력주기의 타이밍을 결정하는 데 도움이됩니다.

펄스가 처음부터 끝까지 사이클을 완료하는 데 소요되는 시간 간격을 펄스 기간이라고합니다. 이 펄스가 반복적 인 파형 형태 인 경우 그주기를 파형의 한주기라고합니다.

다음은 CRO 화면 보정을 사용하여 파형의주기를 결정하는 방법을 보여주는 실제 해결 된 예입니다.

펄스 폭 측정

모든 파형은 펄스의 높고 낮은 상태라고하는 최대 및 최소 전압 피크로 구성됩니다. 펄스가 HIGH 또는 LOW 상태로 유지되는 시간 간격을 펄스 폭이라고합니다.

에지가 매우 급격하게 (빠르게) 상승 및 감소하는 펄스의 경우 이러한 펄스의 폭은 리딩 에지라고하는 펄스의 시작부터 후행 에지라고하는 펄스의 끝까지 측정되며, 이는 그림 22.19a에 나와 있습니다.

다소 느리거나 느린 상승 및 하강주기 (지수 형)를 갖는 펄스의 경우 펄스 폭은 그림 22.19b에 표시된 것처럼주기의 50 % 수준에서 측정됩니다.

다음 해결 된 예는 위의 절차를 더 잘 이해하는 데 도움이됩니다.

펄스 지연 이해

펄스 사이클에서 펄스 사이의 시간 간격 공간을 펄스 지연이라고합니다. 펄스 지연의 예는 아래 그림 22.21에서 볼 수 있습니다. 여기서 지연은 중간 지점 또는 50 % 레벨과 펄스의 시작 지점 사이에서 측정 된 것을 볼 수 있습니다.

그림 22.21

CRO에서 펄스 지연을 측정하는 방법을 보여주는 실제 해결 예제

결론:

CRO (Cathode Ray Oscilloscope) 작동 방식에 대한 기본 세부 사항 대부분을 포함하려고 노력했으며이 장치를 사용하여 보정 된 화면을 통해 다양한 주파수 기반 신호를 측정하는 방법을 설명하려고 노력했습니다. 그러나 여기서 놓쳤을 수있는 더 많은 측면이있을 수 있지만, 그럼에도 불구하고 수시로 확인하고 가능할 때마다 더 많은 정보를 업데이트 할 것입니다.

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