Osciloscopio de rayos catódicos

Transcripción

1 Universidad Nacional de Rosario Faculad de Ciencias Exacas, Ingeniería y Agrimensura ELECTRÓNICA II Osciloscopio de rayos caódicos Conroles, base de iempo. Descripción general, sisema de deflexión del haz, principio de funcionamieno, diagrama en bloques. Modos de operación de la base de iempos y composición de las señales. 2011

2 1. INTRODUCCIÓN: El osciloscopio de rayos caódicos (ORC) es un insrumeno que permie razar una gráfica en X-Y de una señal con respeco a ora (composición de dos señales) o bien una señal con respeco al iempo, según se necesie. Además de los circuios asociados (amplificadores, circuios de sincronismo, generador de barrido, ec.) la pare consiuiva principal del ORC es el ubo de rayos caódicos (TRC). Con el mismo y en virud del fenómeno de deflexión elecrosáica de un haz de elecrones inmerso en un campo elécrico, es posible a ravés de la incidencia de dicho haz en una panalla, visualizar las gráficas anes mencionadas. 2. EL TUBO DE RAYOS CATÓDICOS (TRC) La figura 1 refleja la esrucura inerna de un ubo de rayos caódicos caracerísicos de ese ipo. Como en oros ubos de vacío, el filameno caliena el cáodo hasa el grado de calor en que comienza a emiir elecrones. La rejilla de conrol regula el flujo de elecrones que impaca sobre la panalla. Se usan dos ánodos, aplicándose a cada uno de ellos un deerminado poencial posiivo de CC. Esos ánodos aceleran los elecrones y forman con ellos un haz, cuya inensidad se regula con el poencial aplicado a la rejilla de conrol. Figura 1 El cáodo esá formado por un cilindro de Ni con un elemeno de emisión soldado en su exremo. Ese elemeno esá consiuido de óxido de esroncio o de bario y permie una emisión elecrónica suficiene para formar el haz deseado. La esrucura de la rejilla conrola el flujo de elecrones como en un ubo clásico y consise en un cilindro con una aberura circular muy pequeña que maniene la corriene de elecrones odo lo fina que se preenda. 1

3 EL haz se enfoca formando una aguja muy fina variando la ensión del primer ánodo. Los dos ánodos del ubo se pueden comparar a un sisema de lenes ópicas como en un proyecor de cine, ya que el haz elecrónico se enfoca finalmene gracias a la acción conjuna de los dos ánodos en un puno de la panalla. Al segundo ánodo se le aplica una ensión lo suficienemene ala para imprimir al haz una gran velocidad incremenando así su inensidad y visibilidad cuando choca conra la cara del ubo recubiera de maerial fosforescene. Cuando el haz deja de incidir sobre un puno deerminado, la fosforescencia disminuye rápidamene reduciéndose el nivel de luz. La composición química de esa capa puede ser al que la luz emiida persisa durane un lapso apreciable, lo suficiene para ser observada. Cuando el haz barre rápidamene la panalla como ocurre en operación normal, el haz debe persisir durane un inervalo de iempo suficiene para que aparezca una raza coninua de la forma de onda en la panalla del ubo, por lo que debe incidir reieradamene sobre el mismo conjuno de punos de la panalla a los efecos de que la figura (forma de onda) permanezca esáica y pueda ser observada. 3. SISTEMA DE DEFLEXIÓN DEL HAZ La figura 2 muesra un diagrama esquemáico exremadamene simplificado del ORC. Se represena el TRC sólo mediane un conjuno de placas deflecoras que ambién se observan en la figura 1. Figura 2 Las placas mencionadas hacen posible la desviación horizonal y verical del haz elecrónico al como queda evidenciado en las figuras 3 y 4. Un sisema de ese ipo se conoce como de deflexión elecrosáica y es el que ordinariamene se usa en los ORC. 2

4 4. COMPOSICIÓN DE SEÑALES Una ensión variable en el iempo aplicada a las placas de deflexión verical desplazará el haz como muesra la figura 3 Figura 3 De la misma forma una ensión variable en el iempo aplicada a las placas horizonales dibujará sobre la panalla un razo horizonal como muesra la figura 4. + V() - V() Figura 4 3

5 Es posible, por lo ano, aplicando ensiones variables a ambos pares de placas lograr la composición de señales: una aplicada a las placas vericales y la ora a las horizonales como se indica en la figura 5 Figura 5 Resula evidene en virud del modo de operación del TRC, que el mismo realiza sobre la panalla una gráfica de Y= f(x). Si se consigue una ensión para aplicar a las placas horizonales cuya ecuación descripiva sea de la forma X=a. (donde represena el iempo), resulará Y= f(x) = f (a.), es decir la gráfica de Y en función del iempo es la misma que la de Y en función de X. Por lo ano para visualizar la evolución de una ensión en el iempo, se excia con la ensión a visualizar a las placas vericales, y a las horizonales con una ensión cuya evolución sea una función lineal del iempo (diene de sierra DS, por ejemplo). De ese modo la composición realizada por el ORC dibuja sobre la panalla la señal f () (ensión aplicada a las placas vericales) ransformando al eje x horizonal en el eje de los iempos, figura 6. 4

6 Figura 6 En ese ejemplo se ha considerado el caso en que TB (período del diene de sierra) es igual a T (período de la señal a visualizar que excia las placas vericales). Se ha supueso que ano Vx como Vy comienzan en cero en el mismo insane =0. Por oro lado la relación T/ TB = consane, no es necesariamene un número enero; por lo que el cero correspondiene de la señal aplicada al eje X (reroceso de la DS) enconrará a la señal en el eje Y cada vez en un puno disino de su evolución, por lo que el haz dibujará en la panalla ondas no superpuesas de cada barrido horizonal, figura 7 Y 1 er BARRIDO 2 do BARRIDO T T/2 T/4 X Figura 7 5

7 Como conclusión se pierde repeiividad en el oscilograma y no puede visualizarse una gráfica esable. Por oro lado la figura 7 presupone una onda diene de sierra cuyo iempo de reroceso es nulo, caso imposible de conseguir en la prácica. Un iempo de reroceso no nulo provoca en úlima insancia el mismo efeco que la desigualdad enre los períodos de la señal y el barrido (onda DS) anes mencionado, es decir la fala de repeiividad en el oscilograma, figura 8. Tr Y 1 er BARRIDO 2 do BARRIDO T X Tr T Figura 8 Se concluye que para ener un oscilograma esable, es necesario que exisa una relación (sincronismo) enre la señal a visualizar y el generador de DS. Debe asegurarse que la onda DS comience su barrido siempre que la señal de enrada se encuenre en el mismo puno de su evolución (nivel y pendiene). 6

8 5. Diagrama de bloques de la base de iempos El conjuno de elemenos que posibilia sincronizar la señal presene en las placas vericales (señal a observar) con el barrido presene en las placas horizonales más el generador de diene de sierra propiamene dicho consiuye lo que se denomina BASE DE TIEMPOS. La figura 9 muesra un esquema simplificado de la base de iempos, generador de diene de sierra y circuios de sincronismo. Figura 9 Exisen 2 modos de operación seleccionables exeriormene: a. Modo auo b. Modo rigger En ambos modos de operación el barrido es producido por la señal proveniene del generador de DS y el sincronismo (SYN) lo realizan los circuios adicionales indicados en la figura 9. Hacemos esa aclaración porque es posible proveer una señal de barrido accediendo direcamene a las placas horizonales con una señal exerna (conocido como modo de operación X-Y), quedando en ese caso deshabiliada la base de iempo (BT). Es posible además uilizar sólo el generador DS para proveer el barrido, suminisrando exernamene los pulsos de sincronismo, conocido como modo de SINCRONISMO EXTERNO, quedando deshabiliados sólo los circuios de SYN de la BT. 7

9 5.1 Modo rigger En ese modo de funcionamieno de la BT, la señal proveniene del amplificador verical, que excia las placas vericales del ORC ingresa a su vez al bloque de conrol de disparo. Ese bloque genera como salida un pulso de ensión cada vez que la señal de enrada cruza un deerminado nivel de ensión y con una dada pendiene. El nivel y la pendiene de la señal a la cual se producirá el pulso, son modificables exernamene a ravés de conroles accesibles al operador (LEVEL y SLOPE). Figura 10 La señal Va, o sea los pulsos generados por el bloque CONTROL DE DISPARO, la señal Ve, salida del bloque de CONTROL DE AUTO-TRIGGER y la señal Vd proveniene del CIRCUITO DE REPOSICIÓN conrolan la LLAVE BIESTABLE. La salida de esa llave, que puede permanecer en esado ALTO o BAJO, habilia cuando se encuenra en esado alo la generación del DS. Si se ha seleccionado el modo rigger la señal Ve esará en esado alo. En esa siuación un pulso en Va hará cambiar de bajo a alo la salida de la llave biesable (Vb) habiliando como dijimos la generación de DS, fig

10 Figura 11 De esa manera se consigue sincronizar la señal DS con la señal a observar. La rampa creciene proveniene del generador DS evoluciona hasa alcanzar el NIVEL DE REPOSICIÓN. Esa condición es deecada por el circuio de reposición, el cual produce a su salida la señal Vd que reorna la salida del biesable a su esado bajo, inhibiendo la generación de la DS, fig

11 HORIZONTAL Figura 12 Observaciónes: - La llave biesable solo reorna al esado bajo ane la aparición de un pulso en Vd. - Todos los pulsos que aparezcan en Va mienras la llave esá en esado alo son ignorados. - El nivel de reposición es fijo y la rampa (empo de barrido TB de la figura 7), puede modificarse exernamene variando la pendiene de la rampa. Para pensar: Por qué no se varía el NIVEL DE REPOSICIÓN dejando fija la pendiene? Exise enonces un iempo de reposición r ( de reroceso o de recuperación ) durane el cual la DS cae a cero y un iempo de espera conocido como de reención o Hold-off en el cual se espera la aparición del próximo pulso Va, con el cual se habiliará nuevamene la generación de la DS, repiiéndose el ciclo. Además como muesra la fig. 9, el circuio de reposición genera una señal durane el reroceso de la DS conocido como pulso de borrado, el cual impide que se visualice dicho reroceso en la panalla. 10

12 5.2 Modo auomáico: Anes de inroducirnos en la explicación del MODO AUTOMÁTICO, y conocido el funcionamieno del bloque CONTROL DE DISPARO, analicemos las siguienes siuaciones concluyendo qué visualizaremos en los siguienes casos: a) La señal de enrada no cora el NIVEL DE REFERENCIA, lo cual significa que la misma es menor que dicho nivel, o bien no hay señal en la enrada. b) La señal de enrada es una ensión coninua, la cual NO PUEDE generar pulsos a la salida pues NO ES VARIABLE. Es claro que en cualquiera de esas 2 siuaciones no se generan pulsos a la salida del bloque CONTROL DE DISPARO. Según lo explicado en el MODO TRIGGER la ausencia de pulsos en Va provoca que la llave permanezca en esado BAJO inhabiliando la generación de la DS y permaneciendo la panalla apagada. Por lo ano es imposible en MODO TRIGGER visualizar señales que se encuenren enre las indicadas en el caso a) y b). Si se ha seleccionado el MODO AUTOMÁTICO, la salida del bloque CONTROL AUTO/TRIGGER (Ve) dependerá de la exisencia o no de pulsos en Va, siuación que es deecada inernamene por el propio bloque CONTROL AUTO/TRIGGER. Si exisen pulsos de sincronismo, Ve permanece ALTO por lo que el funcionamieno será idénico al MODO TRIGGER (fig. 11 y 12). Si se presenan a la enrada cualquiera de las siuaciones descripas en a) o b), con lo cual no exisirán pulsos de sincronismo y esando en MODO AUTO, la salida Va permanece baja, con lo cual la salida de la llave biesable esará siempre ALTA, excepo durane el pulso de reposición generado por el circuio de reposición como ya se explicó aneriormene. De esa manera el generador de DS se dispara recurrenemene al final de la emporización (fig.13 y14). Se debe noar que esando el ORC en MODO AUTO y exisiendo una señal variable en la enrada que no cora el NIVEL DE REFERENCIA, el disparo recurrene de la DS provocará que visualicemos un oscilograma desenganchado ( fig. 13 ), ya que la DS se dispara recurrenemene pero desenganchada de la señal a observar (sin sincronismo). PARA PENSAR: a) Qué ocurre si la señal de enrada del ORC es de corriene coninua esando el mismo en MODO TRIGGER?. Y si esuviera en MODO AUTO? b) Qué ocurre si la señal a la enrada del ORC es variable, pero no cora al NIVEL DE REFERENCIA, esando el mismo en MODO TRIGGER?. Qué ocurre si se varía el NIVEL DE REFERENCIA? c) Imagínese nuevamene la siuación enunciada en el puno anerior. Qué ocurre si se varía exernamene la amplificación verical del ORC? d) Si se quiere fijar la referencia de 0 vols en la panalla, qué modo de operación elegiría? 11

13 Figura 13 V Y PANTALLA X V b V c V d Figura 14 12