Elektorskoop 3
Zaagtandgenerator en triggerversterker
De zaagtandgenerator en de triggerversterker van de Elektorskoop zijn zoveel mogelijk opgebouwd met IC's zonder dat hierdoor afbreuk is gedaan aan de prestaties: de tijdbasissnelheid is instelbaar in 12 stappen tussen 0,5 mikrosekonde tot 0,1 sekonde per schaaldeel bij een schermgrootte van 7 cm en de triggering is betrouwbaar vanaf 1 mm amplitude op het beeldscherm. Bij het ontbreken van triggerimpulsen wordt automatisch een heldere lijn op het scherm geschreven.
De zaagtandgenerator levert de spanning die nodig is om de elektronenbundel in de beeldbuis horizontaal af te buigen. De triggerversterker zorgt hierbij ervoor, dat het beeld dat op het scherm wordt geschreven schijnbaar stilstaat.
Bij het ontwerp is waar mogelijk gebruik gemaakt van IC's om het aantal komponenten zoveel mogelijk te beperken. Hierdoor was het mogelijk om enkele ekstra's in de schakeling in te bouwen zoals:
- Een circuit dat er automatisch voor zorgt dat er altijd een lijn op het scherm wordt geschreven, ook als er geen signaal op de vertikale versterker wordt aangeboden. (Nuttig bij o.a. DC metingen.)
- Besturing van de funkties door middel van gelijkspanningen. Hier-door zijn de verbindingen niet kritisch en wordt onderlinge beinvloeding voorkomen.
- De schakelaar voor de verschillende tijdbasissnelheden zit direkt op de print, er behoeven dus geen ekstra verbindingen te worden gelegd.
De tijdbasis kan worden getriggerd met signalen van de vertikale kanalen (kanaal 1 of 2) of met een signaal dat via de bus `extern' binnenkomt. Hierbij kan worden gekozen tussen de positieve of de negatieve flank van het signaal.
Het punt waarop de tijdbasis start kan kontinu worden gevarieerd met de pot-meter 'trigger level'. De keuze van het triggerpunt is zeer belangrijk omdat hierdoor de stabiliteit van het beeld wordt bepaald.
De automaat die bij het ontbreken van triggersignalen de zaagtandgenerator door last werken is uitschakelbaar. Met dezelfde schakelaar kan de zaagtandgenerator ook in de 'free run' mode worden geschakeld. In deze stand loopt de tijdbasis `vrif, dat wil zeggen onafhankelijk van eventuele triggersignalen.
De opgegeven tijdbasissnelheden gel-den bij een schermdiameter van 7 cm. Bij een grotere buis wordt het scherm in precies dezelfde tijd beschreven, waardoor de snelheid bij een 13 cm buis bijna 2 × zo groot is. Dit kan op eenvoudige wijze worden gekorrigeerd met een instelpotmeter in de tijdbasis.
Het blokschema
Aan de hand van het blokschema kan in het kort worden verklaard hoe de tijdbasis werkt. In figuur 1 is allereerst de ingangskeuzeschakelaar getekend. Blok 1 is de triggerversterker die het binnengekomen signaal vergelijkt met een instelbaar referentienivo. De uitgang van de triggerversterker is positief als het ingangssignaal groter is dan het referentienivo en omgekeerd.
Figuur 1. Het blokschema van de tijdbasis van de elektorskoop. Het deel links van de twee diodes zorgt voor de opwekking van een goede triggerimpuls terwijl het rechter gedeelte de zaagtand opwekt.
De blokspanning wordt doorgegeven aan 2, de fazedraaier. Met behulp van deze schakeling is het mogelijk op de positieve of de negatieve flank van het ingangssignaal te triggeren.
Blok 3 maakt van iedere positieve flank een korte impuls die de zaagtandgenerator 5 triggert.
De autotriggerschakeling 4 zorgt ervoor dat de zaagtandgenerator toch een zaagtand levert als er geen triggerimpulsen aanwezig zijn.
Blok 6 tenslotte is de uitgangstrap die door zijn hoge ingangsimpedantie de lineariteit van de zaagtand niet bederft.
Figuur 2. Deze figuur illustreert hoe een stilstaand beeld tot stand komt. De keuze van een juiste referentiespanning in de triggerversterker is hierbij zeer belangrijk.
De triggerschakeling
De zaagtandgenerator geeft een spanning af die lineair met de tijd toeneemt (zie figuur 2).
Deze spanning buigt de elektronenstraal in de beeldbuis regelmatig van links naar rechts af. Omdat gelijktijdig op de vertikale platen het te onderzoeken signaal staat, wordt de golfvorm van dit signaal weergegeven op het beeldscherm. Het stuk van het signaal op de vertikale platen dat binnen stippellijn 1 en 2 ligt is zichtbaar op het scherm. Gedurende de tijd tussen stippellijn 2 en 3 gaat de elektronenstraal terug naar het startpunt links op het scherm. In deze periode mag er geen lijn op het scherm worden geschreven en daarom wordt de helderheid van de elektronenstraal onderdrukt door een speciale schakeling tijdens de terugslag.
Om een stilstaand beeld te verkrijgen moet tijdens de volgende looptijd van de zaagtand een identiek stukje van het vertikale signaal worden geschreven. In figuur 2A is dit b.v. niet het geval; het startpunt van lijn 1 en lijn 3 ligt niet op overeenkomstige punten van het sinussignaal op de vertikale platen.
Een manier om er voor te zorgen dat de zaagtand op het juiste moment start is het vergelijken van de momentele waarden van de vertikale spanning met een bepaalde referentiespanning. De zaagtand start zodra de sinuskurve het referentienivo bereikt. De werkingswijze blijkt uit figuur 2B. De stippellijnen 1 en 3 liggen nu op overeenkomstige plaatsen van de sinuskurve.
Er wordt dus steeds hetzelfde stuk van het signaal op de vertikale platen weergegeven en door de traagheid van het menselijk oog en de nalichtduur van het scherm lijkt het alsof het beeld stilstaat en voortdurend aanwezig is. De triggerversterker is dus eigenlijk een spanningsvergelijker, die het binnenkomend signaal vergelijkt met een intern referentienivo. Voor regelmatige signalen volstaat het dat de triggerversterker reageert op de nuldoorgangen van het signaal (zie figuur 2C). her zijn bij wijze van voorbeeld twee sinussignalen getekend met verschillende amplituden. Beide signalen zullen een stabiel beeld veroorzaken.
Het signaal van figuur 2D daarentegen zal geen stilstaand beeld tot gevolg hebben omdat de amplituden niet konstant zijn en er na elkaar sinussen met een verschillende amplitude worden geschreven. Dit heeft tot gevolg dat het hele beeld groen wordt.
Dit probleem kan worden opgelost door het referentienivo anders to kiezen. In het rechter gedeelte van figuur 2D is het referentienivo zo hoog gekozen dat er per uitslingering maar een triggerimpuls ontstaat.
Het komt er dus op neer dat het referentienivo altijd zo moet worden gekozen dat er alleen identieke stukken van de golfvorm op het scherm worden geschreven.
Het schema van de triggerversterker
In figuur 3 is het schema getekend van de triggerversterker. Met behulp van schakelaar S2 kan worden gekozen tussen kanaal 1, kanaal 2 of ekstern. Via emittervolger Ti komt het signaal op de niet-inverterende ingang van de analoge komparator LM 311. Deze vergelijkt het ingangssignaal met het referentienivo dat door P1 wordt bepaald. De versterking van de LM 311 is zo groot (200.000x) dat er aan de uitgang blokgolven verschijnen met flanken die zo steil zijn dat er direkt TTL-logika mee kan worden aangestuurd.
Figuur 3. Het schema van de triggerversterker en de fazedraaier. Hierbij is zoveel mogelijk van IC's gebruik gemaakt. Met S2 is het mogelijk de triggerbron te kiezen en met S5 kan het triggersignaal worden geinverteerd.
| Voornaamste gegevens van de LM 311. | |
| Maksimale voedingsspanning V+ - V- | 36 volt |
| Maksimale ingangsspanning | 30 volt hoger dan V- 30 volt lager dan V-F maar niet lager dan V-. |
| Ingangsstroom | 250 nA |
| Versterking | 200.000× |
| Minimale vertragingstijd | 200 ns |
| Opgenomen stroom | 5,1 mA (V+ = 15 volt) 4,1 mA (V- = 15 volt) |
In tabel 1 zijn de belangrijkste gegevens van de LM 311 vermeld. De LM 311 is een verbeterde versie van de bekende komparator 710 wat betreft de ingangsimpedantie, voedingsspanning en het ingangsspanningsbereik. Als `nadeel' staat bier tegenover dat de LM 311 ongeveer 5 maal zo traag is. Voor toe-passing in de elektorskoop is de vertragingstijd van 0,2 is van de LM 311 echter nog akseptabel, temeer omdat door de grotere traagheid de kans op ongewenste oscillaties kleiner is.
Uit tabel 1 blijkt dat de LM 311 ingangsspanningen verdraagt die binnen de voedingsspanning liggen. Hierdoor is het niet nodig de ingangen van het IC te beschermen met behulp van diodes. Door het ontbreken van de beschermdiodes is het mogelijk grote ingangsspanningen aan de ingang toe te voeren, waardoor de nauwkeurigheid van de schakeling beter is.
Om oscillatie te voorkomen zijn de volgende maatregelen genomen: het ingangscircuit is zo simmetrisch mogelijk opgebouwd omdat hierdoor eventuele terugwerking vanuit de uitgang van het IC op beide ingangen dezelfde storing veroorzaakt en dus geen invloed heeft. Om deze reden is ook de hoge ingangsimpedantie van het IC niet benut. Bij een hoge ingangsimpedantie zou de schakeling namelijk ook gelijke kapaciteiten tussen de uitgang en de ingangen moeten hebben om ongewenste effekten te voorkomen.
Tenslotte is er met behulp van R9 nog meekoppeling toegevoegd waardoor het IC nooit in zijn lineaire gebied staat ingesteld.
De uitgang van de LM 311 ligt via R10 aan een voedingsspanning van 5 volt en kan direkt de TTL-poorten van de fazedraaier sturen.
Fazedraaier
Achter de LM 311 is een 7400 als fazedraaier gebruikt. Hiermee is het mogelijk de faze van het bloksignaal 180° te draaien zonder dat er signaalvoerende leidingen naar de schakelaar lopen. De werking is als volgt: Met de schakelaar S5 in de getekende stand is een ingang van poort 2 hoog. Deze poort laat daarom het signaal op de andere ingang gewoon door. Een ingang van poort 4 ligt via de schakelaar aan de nul en poort 4 zal geen signaal doorlaten. De uitgang van poort 4 is voortdurend hoog waardoor poort 3 het signaal van poort 2 doorgeeft naar de monostabiele. Met schakelaar S5 in de andere stand laat poort 4 het signaal door en spert poort 2. Omdat het signaal dat aan poort 2 wordt aangeboden geinverteerd is door poort 1 kan de faze dus om worden geschakeld met S5.De triggerautomaat en de impulsvormer
Het signaal dat uit de fazedraaier komt wordt toegevoerd aan de B-ingangen van de twee monostabiele flipflop's. Omdat de B-ingang is gebruikt, reageren de mono's op de positieve flank van het signaal. De bovenste monoflop geeft op ieder positieve flank een negatieve impuls of van ongeveer 0,1 µs.
De zaagtandgenerator start zodra zijn ingang laag' wordt, en de impuls van 0,1 ps is joist lang genoeg om de zaagtandgenerator te laten starten.
De onderste monoflop krijgt eveneens een positieve flank op de B-ingang. De monotijd van deze helft van de 123 is echter veel Langer, ongeveer 0,5 sekonde. De Q-uitgang wordt hoog en de schakeling heeft verder geen invloed omdat de diode in de uitgang spert.
Wanneer er nu gedurende 0,5 s geen nieuwe triggerimpuls op de B-ingang komt, dan wordt de Q-uitgang laag en de zaagtandgenerator zal vrij gaan lopen. Op deze eenvoudige wijze wordt bereikt dat bij het ontbreken van triggersignalen de tijdbasis toch blijft werken. Bij Lange tijdbasistijden kan de automaat wel een foutieve triggering veroorzaken; hij moet dan worden uitgeschakeld.
De 555
Om te kunnen begrijpen hoe de zaagtandgenerator werkt, is het noodzakelijk eerst de 555 te bespreken aan de hand van het blokschema van figuur 4. In feite is de schakeling een flipflop (blok 4) met een set- en een reset-ingang die verbonden zijn met de uitgang van een komparator.
Figuur 4. Blokschema van het timer IC 555. Aan de hand van dit blokschema is het mogelijk de werking van de zaagtandgenerator te begrijpen zonder dat er verder op het inwendige schema van de 555 hoeft te worden ingegaan.
Met behulp van een spanningsdeler die uit drie gelijke weerstanden bestaat, wordt een referentiespanning voor de komparatoren gemaakt. Zodra de spanning op ingang 2 lager wordt dan 1/3 van de voedingsspanning wordt de uitgang van komparator 2 hoog en wordt de flipflop geset. Voor ingang 6 geldt hetzelfde, met dien verstande dat een hogere spanning dan 2/3 van de voedingsspanning de flipflop reset.
De 555 heeft twee uitgangen; een open kollektor uitgang (7) waarmee gewoonlijk een kondensator wordt ontladen en een logische uitgang (3) die van nul naar de voedingsspanning schakelt.
De reset ingang (4) reageert op spanningen beneden 1 volt en laat de uitgangen laag worden.
De werking komt op het volgende neer:
zodra de spanning op punt 6 even hoger is geweest dan 2/3 van de voedingsspanning, wordt uitgang 3 laag en geleidt T1. Zodra de spanning op punt 2 even beneden 1/3 van de voedingsspanning is geweest, wordt uitgang 3 hoog en spert T1.
De zaagtandgenerator
In figuur 5 is het schema van de zaagtandgenerator getekend. T2 is een stroombron die een kondensator, die met S1a wordt gekozen, oplaadt. De kondensatorspanning gaat naar punt 6 en 7 van IC4, de 555. Punt 6 reageert op spanningen die hoger zijn dan 10 volt (2/3×15) en via punt 7 kan de kondensator worden ontladen.
Figuur 5. Het schema van de zaagtandgenerator. De kortste tijd is 0,5 µs/schaaldeel en vervolgens zijn de tijden 1 µs/schaaldeel, 3 µs, 10 µs, 30 µs enz. t/m 0,1 sekonde/schaaldeel.
Stel, dat de kondensator niet wordt ontladen via punt 7, in dit geval zal de spanning op de kondensator lineair stijgen omdat de kondensator opgeladen wordt met een konstante stroom. Zodra de kondensatorspanning hoger wordt dan 10 volt slaat de flipflop in de 555 om en wordt de kondensator ontladen. De flipflop kan nu alleen weer omklappen door een spanning op punt 2 die lager is dan 5 volt (de flipflop wordt dan Beset).
Punt 2 is aangesloten op de kollektor van T4. Zodra T4 gaat geleiden zakt de spanning op punt 2 beneden 5 volt en begint de zaagtandspanning weer te stijgen.
De spanning op de kollektor van T4 zakt beneden de 5 volt als er aan twee voorwaarden is voldaan: De emitter moet lager zijn dan 5 volt (dit wordt veroorzaakt door de negatieve triggerimpuls) en de spanning op de basis moet hoger zijn dan 5,6 volt. Dit laatste is het geval wanneer T3 spert. T3 spert wanneer de sturing op de basis ontbreekt; met andere woorden, wanneer de zaagtandspanning lager is dan 0,6 volt.
Deze laatste voorwaarde is noodzakelijk omdat de zaagtand pas opnieuw mag starten nadat de spanning tot (nagenoeg) nul volt gezakt is omdat de zaagtand anders ergens midden op het beeldscherm begint te schrijven in plaats van uiterst links.
De schakeling met T5 en T6 is een komplementaire emittervolger die is toegevoegd om belasting van de zaagtandspanning te voorkomen. Meestal wordt op deze plaats een fet toegepast om de benodigde ingangsimpedantie te verkrijgen. Vanwege de detektorschakeling met T3 is het echter noodzakelijk een schakeling met een goed gedefinieerd spanningsverschil tussen in- en uitgang te gebruiken. Bij fet's kunnen al snel door tolerantie verschillen van enkele volts in de source-gate spanning voorkomen, hetgeen inhoudt dat fet's op deze plaats afgeregeld moeten worden en dus minder geschikt zijn. De stroombron bestaat uit een voorspanningscircuit met D3, R18 en R16 in kombinatie met T2 en de emitterweerstand. D3 is toegevoegd om de temperatuurscoefficient van de basis-emitter overgang van T2 te kompenseren. Met P2 kan de laadstroom van de kondensatoren worden ingesteld. Hiermee kan naderhand de tijdbasis worden geijkt. De kondensatoren C11 t/m C22 zijn de tijdbepalende komponenten. De waarden zijn zo gekozen dat er een 1-3-1030 enz. volgorde bestaat, terwijl toch gewone standaard-waarden worden gebruikt. Voor de grote waarden moeten helaas elektrolieten worden toegepast, tantaal tipen met een kleine lek genieten de voorkeur.
Afhankelijk van de kwaliteit van de elektrolieten zal het eerste stukje van de zaagtand meer of minder a-lineair zijn. Hoewel deze afwijking zichtbaar is, is ze niet erg storend.
Punt 4 van IC4 is de reset ingang. Wordt de spanning op dit punt lager dan 1 volt dan heeft dit hetzelfde effekt alsof de spanning op punt 6 hoger is dan 10 volt, met andere woorden uitgang 3 wordt laag en de kondensator wordt via punt 7 ontladen.
Op deze wijze wordt de hele zaagtandgenerator buiten werking gesteld. Normaal is punt 4 'hoog' door de weerstand van 10 k die met de positieve voedingsspanning is verbonden. In de stand 'X en Y verwisselen' van schakelaar 3 wordt 4 echter direkt aan massa gelegd. Dit is gedaan omdat in deze stand waarbij een van de vertikale ingangsversterkers met de horizontale eindversterker is doorverbonden geen donkerstuurimpulsen mogen worden opgewekt. De donkerstuurimpulsen worden van punt 3 van het IC afgenomen en de enige manier om ze te onderdrukken is het stoppen van de hele zaagtandgenerator. De funktie van de stand X en Y verwisselen zal uitvoeriger worden besproken bij de besturing van de elektorskoop. In het kort komt het er op neer dat er aan de horizontale platen geen zaagtand wordt toegevoerd maar het signaal dat van een van de Y-versterkers komt. Er kunnen dan Lissajous figuren zichtbaar worden gemaakt zonder dat hiervoor snoeren hoeven te worden verwisseld.
Aansluiting 5 is ontkoppeld met een kondensator van 0,1 µF om een stabielere zaagtand te krijgen.
De schakeling in de emitter van T4 lijkt op het eerste gezicht overbodig; de weerstand en de diode naar de +5 volt zijn toegevoegd om de logische '1' aan de uitgang van IC3 dichter bij de +5 volt te krijgen. De diode voorkomt dat het IC wordt beschadigd door spanningen die hoger zijn dan 5,6 volt.
In de blokkeerschakeling met T3 en T4 zijn de kondensatoren C26 en C28 toegevoegd om de schakelsnelheid te verhogen. De vertragingstijd van deze schakeling ligt in de orde van enkele tienden van een mikrosekonde. De grootste vertragingstijd Levert het IC 555 op, het heeft bijna 1 bts nodig om op de triggerimpuls te reageren. Tl (zie figuur 4) is hierbij de voornaamste beperkende faktor. De flipflop reageert al op signalen van 0,1 MS, de transistor heeft vervolgens een kleine mikrosekonde nodig om uit de verzadiging te raken. Zodra T1 niet meer spert, wordt een van de kondensatoren C11 t/m C22 opgeladen en begint de zaagtandspanning te stijgen.
In figuur 5 is ook nog P3 getekend waarmee de horizontale positie wordt geregeld. De zaagtandspanning varieert tussen 0,6 en 10,6 volt,-wanneer P3 op de gemiddelde waarde van deze spanning is ingesteld, staat het beeld in het midden van het scherm.
Omdat in dit artikel een aantal nieuwe bedieningsorganen zijn genoemd volgt hieronder nog even een beknopt overzicht:
| Potentiometers | |
|---|---|
| P1 | Trigger level |
| P2 | instelpot om de zaagtand te ijken |
| P3 | horizontale positie |
| Schakelaars | |
| Sla | keuze tijdbasissnelheid (12 standen) |
| S2 | keuze van het triggersignaal (Y1, Y2 of ext) |
| S3 | vertikaal kanaal horizontaal weergeven |
| S4 | Keuze werkwijze tijdbasis: free run; normaal; Auto (lijn op scherm bij ontbreken triggering) |
| S5 | triggering op + of - flank. |
Figuur 6. Het uitgangssignaal van de tijdbasis in de 'free run' mode bij de hoogste snelheid. De iooptijd van de zaagtand is 3,5 µs (7 cm × 0,5 µs/cm). De lineariteit is ook bij deze snelheid nog goed.