Elektorscoop
Als inleiding op een reeks artikelen over een oscilloskoop voor zelfbouw worden in dit artikel de ontwerpoverwegingen van een dergelijk meetapparaat beschreven, uitgaande van de basisprincipes. Hierbij wordt zowel aandacht besteed aan de vraag 'waarvoor dient het?' als aan de vraag 'hoe werkt het?'.
Een oscilloskoop is, letterlijk vertaald, een apparaat dat trillingen zichtbaar maakt'. In dit geval gaat het om elektrische trillingen (blokgolven, sinusgolven, of meer ingewikkelde signalen) waarvan de golfvorm op het beeldscherm zichtbaar wordt gemaakt. Aangezien geluidsgolven, radiogolven, mechanische trillingen en vele andere signalen omgezet kunnen worden in elektrische trillingen, is een dergelijk meetapparaat op verschillende terreinen te gebruiken.
Het basisprincipe is vrij eenvoudig. In de beeldbuis zit een 'elektronenkanon', dat een zeer smalle bundel elektronen 'afvuurt'. Waar deze bundel het 'beeldscherm' treft verschijnt een lichtpunt. Tussen het elektronenkanon en het beeldscherm zijn 'afbuigplaten' geplaatst, die de bundel zowel in horizontale richting (X-richting, dus naar links of rechts) als in vertikale richting (Y-richting, dus naar boven of onder) kunnen laten afbuigen. Door de spanning op de afbuigplaten op de juiste manier te laten veranderen kan de stip gedwongen worden een willekeurige lijn op het scherm te beschrijven. Door de nalichttijd van het scherm (en van het oog!) 'ziet' men deze lijn als geheel - dus niet als een bewegende stip.
Het elektronenkanon (zie detailschets, figuur 3a) moet zoals gezegd een zeer smalle bundel elektronen afvuren. Deze elektronen verlaten de kathode met een geringe snelheid, waarna zij gebundeld en versneld moeten worden, zodat zij met hoge snelheid op een punt van het beeldscherm belanden. Dit bundelen en versnellen wordt bereikt in een "elektronisch lenzenstelsel", dat voor de kathode is geplaatst. Eerst wordt de juiste "hoeveelheid" elektronen bepaald door het stuurrooster (g1) of "Wehneltcilinder". Een negatieve spanning op deze elektrode regelt namelijk de elektronenstroom en daarmee de beeldhelderheid (intensity). Het tweede rooster (g2) krijgt een positieve spanning die de elektronen 'trekt', zodat zij een redelike aanvangssnelheid krijgen. Vervolgens doorloopt de bundel een 'lens' die eveneens aan een positieve spanning (focusseerspanning) ligt, en de buisvormige anode die op een zeer hoge positieve spanning wordt aangesloten. Deze elektroden bundelen en versnellen de elektronenstraal, waarna deze via de afbuigplaten op het beeldscherm belandt.
Bij de meest gebruikelijke toepassing van de oscilloskoop wordt de straal met een konstante snelheid van links naar rechts over het scherm bewogen, zodat iedere centimeter op het scherm in dezelfde tijd wordt doorlopen. Deze sturing wordt verzorgd door de 'tijdbasis'. De tijd waarin de straal een centimeter verplaatst wordt is naar keuze in te stellen (met een knop 'time/cm'). Er verschijnt zo een horizontale lijn op het beeldscherm (figuur 1). Zodra de straal de rechter rand van het beeldscherm bereikt, wordt deze automatisch zeer snel naar de linker rand verplaatst, waama zij weer met de ingestelde snelheid van links naar rechts gaat bewegen. Tijdens deze 'terugslag' wordt bij een goed apparaat de straal onderdrukt, zodat in deze tijd geen lijn op het scherm verschijnt.
Figuur 1. Dit beeld verschijnt op het scherm als alleen de tijdbasis is ingeschakeld. De horizontale afbuiging wordt dan wel gestuurd, maar de vertikale afbuiging niet.
Wanneer op de vertikale afbuigplaten een wisselspanning wordt aangesloten, zal de stip op het scherm op en neer bewegen. Doordat tegelijkertijd deze stip met een konstante snelheid van links naar rechts wordt bewogen, ontstaat er op het scherm een kronkellijn die de verandering van de wisselspanning in de tijd weergeeft (figuur 2).
Om een willekeurige signaalspanning op een voldoende nivo te brengen voor een zichtb are vertikale afbuiging, wordt een voorversterker gebruikt. Deze 'Y-versterker' heeft een nivoregeling, die in stappen geijkt is (volt/ cm).
Een beeld volgens figuur 2 wordt als volgt 'gelezen'. De horizontale schaal (bepaald door de tijdbasis) is 0,2 ms/cm. Een komplete periode van de wisselspanning heeft een 'lengte' van 5 schaaldelen (cm), en dit komt overeen met een tijdsduur van 5 × 0,2 = 1 ms. In een sekonde zijn er dan 1000 trillingen, dus de frekwentie is 1000 Hz. De vertikale schaal is 100 mV/cm (bepaald door de Y-versterker). De afstand van 'top' naar 'dal' van de wisselspanning ('top-top spanning') is 6 schaaldelen, dus 6 × 0,1 = 0,6 Volt. Tevens is te zien dat het signaal sinusvormig is.
Figuur 2. Als een sinusvormige wisselspanning op de Y-ingang wordt aangeboden, ontstaat bij een juiste instelling van de skoop een dergelijk beeld. De ingangsspanning 'ziet er zeo uit'. (Horizontals schaal 200 µs/cm, vertikale schaal 100 mV/cm).
Basisskoop
Het blokschema van een eenvoudige basisskoop is geschetst in figuur 3. Blok A is de beeldbuis, met de bijbehorende regelaars voor helderheid ('intensity'), focussering en astigmatisme. De laatste twee regelaars dienen er voor om de elektronenstraal goed te bundelen, zodat er een kleine ronde stip op het scherm verschijnt. Afhankelijk van het tipe beeldbuis zijn hiervoor verschillende schakelingen nodig.
Figuur 3. Blokschema van een eenvoudige oscilloskoop. Blok A is de beeldbuis, B on F zijn bufferversterkers voor de horizontale en vertikale afbuiging, C is de tijdbasis, D de triggering en E is de Y-ingang (voor-) versterker. G is de voeding.
Bij het ontwerp van de 'elektorskoop' wordt ervan uitgegaan dat alle stuurschakelingen zo universeel mogelijk moeten zijn, zodat een groot aantal verschillende beeldbuizen toegepast kunnen worden.
De horizontale afbuigplaten worden gestuurd door een versterker (blok B), die op zijn beurt door de tijdbasis (blok C) gestuurd wordt. In dit blok is ook de 'positie regelaar' opgenomen, die het mogelijk maakt om het gehele beeld in horizontale richting naar links en naar rechts te schuiven.
Bovendien is er een schakelaar die het mogelijk maakt om de X-afbuiging met een willekeurig (ekstern) signaal te sturen. De bedoeling hiervan zal verderop blijken.
De gewenste tijdbasissnelheid wordt gekozen met de schakelaar 'Time/cm'. Voor de meeste toepassingen is een bereik van 0,5 s/cm tot 1 µs/cm voldoende; voor hoog-frekwent metingen kan dit bereik nog uitgebreid worden tot 0,1 - 0,01 µs/cm.
In de inleiding is reeds aangegeven dat er steeds opnieuw van links naar rechts beelden 'geschreven' worden. De 'triggering' (blok D) zorgt ervoor, dat de opeenvolgende beelden zo veel mogelijk op dezelfde plaats verschijnen, zodat voor het oog een stilstaand beeld verschijnt. De tijdbasis stuurt de straal na het schrijven van een beeld zeer snel naar de linker rand van het beeldscherm terug. Hier blijft het staan totdat de triggerunit een startimpuls afgeeft, waarna een nieuw beeld 'geschreven' wordt. Deze startimpulsen nu worden steeds op dezelfde plaats in het signaal gegeven, zodat elk beeld bij hetzelfde deel van het signaal begint.
De plaats in het signaal waar een triggerpuls afgegeven wordt is met een aantal schakelaars en knoppen in te stellen. Met een knop '+/-' wordt gekozen tussen het positief- en het negatiefgaande deel van het signaal, er kan dus getriggerd worden tijdens de opgaande of tijdens de neergaande beweging van de stip. De plaats op de betreffende 'flank' van het signaal - het 'triggernivo' - kan automatisch gekozen worden of met de hand worden ingesteld. Voor deze handinstelling dient een knop 'triggerlevel'.
Blok E in figuur 3 is de voorversterker voor het ingangssignaal (Y-versterker). Met de 'positie'-regelaar kan het beeld in vertikale richting over het scherm verplaatst worden. De ingangsverzwakker heeft meestal een bereik vanaf 10 mV/cm tot 50 V/cm. Het frekwentiebereik van de oscilloskoop kan varieren van 0,1 MHz voor een eenvoudig laagfrekwent apparaat, via 10 ... 30 MHz voor een redelijk laboratorium meetapparaat tot 100 MHz (of zelfs tot meer dan 1 GHz!) voor hoogfrekwent apparatuur. Dit stelt uiteraard hoge eisen aan de ingangsverzwakker en aan de Y-versterker, ofschoon de bovenste frekwentiegrens meestal bepaald wordt door de kwaliteiten van de beeldbuis.
Figuur 3a geeft nog een detailschets van een eenvoudige elektronenkanon.
Het uitgangssignaal van de Y-versterker wordt via een bufferversterker (blok F) aan de vertikale afbuigplaten doorgegeven. Deze versterker kan identiek zijn aan de versterker in blok B, aangezien aan beide versterkers nagenoeg dezelfde eisen gesteld worden.
Tenslotte stelt blok G de voeding voor. Deze moet een groot aantal verschillende spanningen leveren; gloeispanning voor de beeldbuis, laagspanning voor de voortrappen, een hogere spanning voor de horizontaal en vertikaal eindversterkers, versnellings- en eventueel naversnellingsspanning, enz.
Mogelijkheden met de basisskoop
Met de basisskoop kunnen al vrij veel metingen gedaan worden. Met een aantal voorbeelden is dit duidelijk to maken.
Ms de tijdbasis gebruikt wordt voor de X-afbuiging, kan de golfvorm van een willekeurig signaal op de Y-ingang worden bekeken. Wanneer een eindversterker bijvoorbeeld met een 1000 Hz-signaal uit een sinusgenerator wordt gestuurd, zal het uitgangssignaal er uit moeten zien zoals figuur 2. Als de versterker echter overstuurd wordt kan dit een beeld opleveren zoals figuur 4, met 'afgeplatte' boven- en onderkant. Als de vertikale schaal in figuur 4 met de ingangsverzwakker van de Y-versterker is ingesteld op 5 V/cm, dan loopt deze versterker kennelijk vast bij een signaal van 4 × 5 = 20 Volt (top-top) aan de uitgang. Hiermee is dus tevens de topwaarde van de wisselspanning gemeten.
Figuur 4. Een dergelijk beeld kan ontstaan als een versterker 'vastloopt' op een to hoog ingangssignaal. De boven- en onderkanten van de sinus zijn afgeplat. (Horizontals schaal 200psec/cm, vertikale schaal 5V/cm).
Als nu een andere eindversterker genomen wordt die met kortgesloten ingang het beeld van figuur 5 oplevert, dan is de konklusie: deze versterker oscilleert! De oscillatiefrekwentie kan ook bepaald worden: de tijdbasis is afgesteld op 2½ s/cm en de sinus heeft een 'lengte' van 2½ schaaldeel, dus 2½ × 2 = 5 µs. Dit komt overleen met een frekwentie van 1/5 × 106 = 200 kHz.
Figuur 5. Het uitgangssignaal van een oscillerende eindversterker, bij kortgesloten ingang. (Horizontale schaal 2 µsec/cm, vertikale schaal 2 V/cm).
Ook in digitale schakelingen kunnen verschillende metingen gedaan worden. In het normale geval komen er vertikaal slechts twee signaalnivo's voor: '0' ≈ 0 volt en '1' ≈ (bijvoorbeeld 5 volt). Het uitgangssignaal van een schuifregister kan er nu uitzien zoals figuur 6: eerst een '1', vervolgens drie maal een '0', dan weer een '1', enzovoorts.
Figuur 6. Het uitgangssignaal van een schuifregister. De bovenste lijntjes komen overeen met een '1' (ca. 5 volt), de onderste lijnen met een '0' (ca. 0 volt).
Een kompleet nieuwe serie mogelijkheden ontstaat door ook de X-afbuiging ekstern te sturen, dus zonder gebruik te maken van de tijdbasis. Hierdoor ontstaat een zogenaamd 'Lissajous-figuur', die een vergelijking tussen twee signalen mogelijk maakt. Wanner bijvoorbeeld beide signalen dezelfde frekwentie hebben en in faze zijn, ontstaat een rechte lijn van links onder naar rechts boven (figuur 7). Als het fazeverschil tussen de signalen 90° is ontstaat er een cirkel, terwijl als zij in tegenfaze zijn een rechte lijn van linksboven naar rechtsonder ontstaat. Ook kunnen verschillende signalen met dezelfde grondfrekwentie vergeleken worden, bijvoorbeeld bij een vervormingsmeting. Een beeld zoals figuur 8 (horizontaal de oorspronkelijke sinus, vertikaal de vervorrning) wijst dan op naaldpieken in de nuldoorgangen (cross-over vervorming).
Figuur 7. Een zogenaamd Lissajous-figuur maakt een vergelijking tussen twee signalen mogelijk. De tijdbasis wordt niet gebruikt, de horizontale afbuiging wordt door het tweede eksterne signaal gestuurd. In dit geval hadden zowel het X- als het Y-signaal dezelfde frekwentie en golfvorm, terwijl zij bovendien in faze waren.
Figuur 8. Een Lissajous-figuur die bij een vervormingsmeting ontstaat geeft vrij veel informatie. In dit geval wordt de horizontale afbuiging rechtstreeks door de toongenerator gestuurd, terwijl de vertikale afbuiging het uitgangssignaal van de vervormingsmeter weergeeft. In de nuldoorgangen van het hoofdsignaal (midden op het beeld) zijn duidelijke naaldpieken te zien: crossover vervorming. Bovendien ligt de rest van het signaal niet 'plat' op de nullijn en dit wijst op harmonische vervorming (elektuur, dec. 1972, p. 1251).
Uitbreidingsmogelijkheden
Een van de meest interessante mogelijkheden is de uitbreiding tot tweekanaals oscilloskoop. Dit betekent dat er twee signaalingangen zijn voor de vertikale afbuiging, die gebruikt kunnen worden om twee verschillende signalen tegelijkertijd op het scherm zichtbaar te maken (meestal onder elkaar). Hierdoor kunnen de twee signalen gemakkelijk met elkaar vergeleken worden.
Met een normale (enkelstraals) beeldbuis kan dit bereikt worden met een 'chopper' of 'alternate' schakeling. Beide schakelingen zijn in feite schakelaars, die de beide signalen beurtelings met de vertikale afbuiging verbinden. De chopper doet dit zeer snel, zodat beide signalen als een stippellijn op het scherm verschijnen. Aangezien de 'stippen' van een beeld de 'gaten' van een vorig beeld opvullen, lijkt het alsof beide signalen kontinu als ononderbroken lijnen op het scherm staan. De alternate schakeling daarentegen schakelt sinchroon met de tijdbasis om, zodat tijdens het eerste beeld het eerste ingangssignaal verschijnt, tijdens het tweede beeld het tweede, tijdens het derde beeld weer het eerste, enzovoorts. Ook in dit geval lijkt het alsof beide signalen kontinu op het scherm staan.
Meestal worden beide schakelingen ingebouwd, omdat de chopper goed werkt vanaf gelijkspanning tot 20 ... 50 kHz terwijl de alternate schakeling vanaf ca. 500 Hz tot de allerhoogste frekwenties te gebruiken is. In een basisskoop zou men echter met de chopper kunnen volstaan.
Een tweede interessante uitbreiding is tijdmarkering. Dit houdt in dat de (horizontale) tijdschaal op het signaal ingebracht wordt, in de vorm van korte onderbrekingen of lichtende stippen. De afstand tussen deze markeringspunten is naar keuze in te stellen (in geijkte stappen) tussen bijvoorbeeld 10 ms - 1 µs.
Verdere uitbreidingen
Met een tweede tijdbasis ontstaan er een groot aantal nieuwe mogelijkheden. De eenvoudigste hiervan is wel de 'delayed trigger' (triggervertraging). Hierbij wordt de tweede tijdbasis met de triggerpuls gestart, dus bijvoorbeeld op de voorflank van een signaal. Na de ingestelde (vertragings-) tijd van deze tijdbasis wordt de hoofdtijdbasis pas gestart, zodat op dit moment 'de stip pas gaat lopen'. Hierdoor wordt het eerste stuk van het signaal weggelaten, zodat bijvoorbeeld de achterflank van het signaal nauwkeurig bekeken kan worden.
Voor sommige toepassingen kan ook 'Z-modulatie' nuttig zijn. Dit is namelijk de mogelijkheid om de helderheid van de stip te sturen met behulp van een ekstern signaal. Hierdoor kunnen bijvoorbeeld ekstra markeringspunten op het signaal gezet worden, of de straal kan tijdens een omschakelflank van het signaal onderdrukt worden - of juist ekstra helderheid krijgen.
Nog verdere uitbreidingsmogelijkheden zijn vrijwel onbeperkt te bedenken: sampling (voor zeer hoog frekwente metingen), geheugenbeeld (voor zeer laag frekwente of eenmalige metingen), automatische schaalverdeling, enzovoorts.
In volgende nummers van elektuur zal een basisskoop worden behandeld met een werkgebied van 0 - 100 kHz en een gevoeligheid van maksirnaal 10 mV/ schaaldeel. Als kathodestraalbuis wordt een DG7-32 of ekwivalent toegepast.