Rob's web

Home - Techniek - Electronica - Electronicabladen - Elektuur / Elektor - Elektorskoop 4

Elektorskoop 4

Tot nu toe is er nog maar nauwelijks gesproken over de bediening en de bedieningsorganen van de Elektorskoop. Het werken met de skoop is eenvoudig dank zij de logische rangschikking van de bedieningsorganen en de duidelijkheid van de funktieschakelaars. Dit is bereikt door de verschillende funkties elektrisch om te schakelen, zodat de plaats van de schakelaars willekeurig kan worden gekozen omdat de bedrading niet meer kritisch is.

Net als alle oscilloskopen heeft de Elektorskoop een - op het eerste gezicht - ingewikkeld frontpaneel. Omdat alle knoppen echter op een logische manier bij elkaar geplaatst zijn, Levert het uit elkaar houden van de diverse bedieningsorganen geen problemen op. Figuur 1 toont een voorlopige schets van het frontpaneel met in een aparte figuur de indeling van het frontpaneel. De knoppen die bij elkaar horen, zijn ter verduidelijking in een kadertje geplaatst. Zo dienen de drie knoppen in hokje A bijvoorbeeld voor de instelling van het beeld op het scherm van de beeldbuis.

De Elektorskoop is een twee-kanaals oscilloskoop. Dat wil zeggen dat er gelijktijdig twee verschillende signalen zichtbaar kunnen worden gemaakt op het beeldscherm. Om dit mogelijk te maken heeft de skoop twee aparte, identieke voorversterkers: een voor kanaal 1 (met alle bedieningsorganen in hokje D) en een voor kanaal 2 (met alle bedieningsorganen in hokje E). Omdat deze versterkers via een eindversterker de Y- (= vertikale) platen sturen, worden de twee voorversterkers aangeduid met Y1 en Y2.

Om dezelfde reden wordt de horizon-tale versterker X-versterker genoemd. Alle knoppen die betrekking hebben op de horizontale afbuiging zijn links naast de vertikale versterker geplaatst in hokje C. Daarboven is in blok B de bediening van de triggering ondergebracht. Dan is er nog een tumbler in blok F die eigenlijk nergens bijhoort. Hiermee kan in plaats van de zaagtandspanning de uitgangsspanning van kanaal Y1 op de horizontale as worden gebracht.

Onder de beeldbuis zitten naast elkaar drie potmeters waarmee respektievelijk de focussering, het astigmatisme en de helderheid van de stip op het beeldscherm kunnen worden geregeld. Ingangsbus G tenslotte is de ingang voor eksterne triggersignalen.

Drie van de vijf tumblers rechts naast de beeldbuis schakelen elektrisch. De keuzeschakelaar voor de triggerspanning en de `maal 5'-tumbler van de X-eindversterker krijgen nog op de `ouderwetse' manier rechtstreeks de te schakelen signalen toegevoerd.

Gewenste funkties

Welke schakelfunkties zijn er nu noodzakelijk?

De voorversterker is normaal DC (= voor gelijkstroom) gekoppeld; dit houdt in dat ook gelijkspanningen kunnen worden bekeken. Om een klein signaal zichtbaar te maken dat boven op de gelijkspanning zit (bijvoorbeeld brom op een voedingsspanning), is het gewenst om de gelijkspanning te blokkeren door AC (= wisselspanning)-koppeling toe te passen.

De ingang van de voorversterker is daarom omschakelbaar tussen DC- en ACkoppeling.

Bij DC-koppeling verschuift de horizon tale lijn afhankelijk van de polariteit en grootte van de aangelegde DC-spanning een stuk naar boven of naar beneden. Om dan snel even te kontroleren waar het nul-nivo ligt is het gemakkelijk als de ingang even kan worden kortgeslote. Dit gebeurt in de stand GND (ground) van de ingangstumbler.

De voorversterker moet zowel grote als kleine signalen kunnen verwerken. De maksimale gevoeligheid is 10 mV per schaaldeel; de totale versterking is hierop berekend. Bij alle andere (ongevoeligere) standen wordt het ingangssignaa verzwakt. Dit kan in 12 stappen gebeuren.

Daarnaast kan de versterking nog over een klein gebied worden gevarieerd om een kontinuregeling te verkrijgen. Het moet mogelijk zijn de horizontale lijn van boven naar beneden te verschui ven over het scherm; hiervoor dient de potmeter die is aangeduid met de twee driehoekjes waarvan een naar boven en een naar beneden wijst.

Tenslotte heeft alleen het rechter kana; de mogelijkheid het signaal te inverteren. Deze omschakeling gebeurt elektrisch aan het einde van de voorversterker.

Het tweede kanaal heeft strikt genomei geen invertering nodig, omdat wanneer beide kanalen geinverteerd zijn de onderlinge positie weer dezelfde is. In plaats van de tumbler om het signaal te inverteren, heeft kanaal Y1 een tumbler waarmee kan worden bepaald of kanaal 1, kanaal 2 of beide kanalen zichtbaar zijn op het scherm.

Wanneer beide kanalen gelijktijdig op het scherm worden geschreven zijn er twee mogelijkheden om dit te doen:

1. Eerst wordt Y1 geschreven, terwijl gedurende de volgende afbuiging Y2 wordt geschreven en zo verder;
2. Gedurende het schrijven van de lijn wordt voortdurend heel snel omgeschakeld tussen kanaal 1 en 2.

Beide sistemen hebben hun voor- en nadelen. Wanneer er om de beurt een lijn wordt geschreven (de alternate mode) gaat het beeld bij lage frekwenties flikkeren en bovendien is het nooit geheel zeker dat de fazerelatie tussen de twee signalen juist is omdat ze na elkaar in plaats van gelijktijdig worden geschreven. Wanneer de signalen `gechopped' worden is de fazerelatie altijd juist en gaat het beeld pas bij lagere frekwenties flikkeren. Bij hoge afbuigsnelheden van de zaagtandgenerator moet de chopfrekwentie echter zo hoog worden dat er technische problemen optreden; het schakelen moet dan te snel gebeuren waardoor het beeld wordt vervormd.

Het omschakelen tussen alternate en chopping gebeurt in de Elektorskoop automatisch tegelijk met het omschakelen van de tijdbasissnelheid. Hierdoor worden bedieningsfouten voorkomen; het beeld kan er namelijk wel eens zeer vreemd uitzien wanneer deze schakelaar verkeerd staat. Bij lage tijdbasissnelheden wordt nu automatisch chopping gekozen en bij de hogere snelheden alternate.

Triggering

In het vorige artikel over de Elektorskoop is gesproken over het opwekken van de triggersignalen voor de tijdbasis. Alle bedieningsorganen voor de triggering zitten rechts boven de beeldbuis bijeen. Met de potmeter 'trigger level' kan worden bepaald op welk punt van de aangelegde golfvorm de zaagtand start. Daarnaast zijn er nog enkele tumblerschakelaars die bepalen of de triggering plaatsvindt op de positieve of de negatieve flank, of het triggersignaal afkomstig is van Y1, Y2 of van de ingangsbus 'ekstern' en of de tijdbasis een lijn blijft schrijven op het scherm bij het ontbreken van triggersignalen (de stand 'auto').

De horizontale afbuiging

De spanning voor de horizon tale afbuiging wordt normaal geleverd door de zaagtandgenerator. De afbuigsnelheid kan worden gekozen met de 12-standenschakelaar terwijl het beeld horizontaal kan worden verschoven met de potmeteeposition'. Links naast de schakelaar voor de tijdbasissnelheid is een tumbler geplaatst waarmee in plaats van de zaagtandspanning de spanning van kanaal Y1 op de horizontale versterker kan worden gebracht. Deze stand is zeer geschikt om de amplitude/fazerelatie van twee signalen te vergelijken.

De elektronische schakelaar

In de Elektorskoop zijn meer elektronische schakelaars gebruikt dan strikt genomen nodig is. In industriele apparaten is het mogelijk schakelaars midden op een print te monteren en de bediening van de schakelaar via een mechanische verbinding (bowden kabel, metalen stang o.i.d.) naar het frontpaneel te voeren. Aangezien er maar weinig zelfbouwers zijn die dit soort mechanische toestanden kunnen kopieren, is voor de Elektorskoop de oplossing gezocht in de elektronische schakelaar.

Een tweede reden voor de toepassing van een elektronische schakelaar is, dat sommige omschakelingen zeer snel en voortdurend moeten gebeuren. De chopfrekwentie waarmee de uitgangssignalen van de vertikale voorversterkers worden omgeschakeld, ligt rond de 50 kHz. Het is duidelijk, dat een mechanische schakelaar zoiets niet aankan.

Het principe van de schakelaar kan worden verklaard aan de hand van figuur 2. Een diode heeft een hoge weerstand wanneer er geen stroom door loopt, en een relatief lage weerstand wanneer er wel stroom door loopt.

Figuur 2. De weerstand van een diode is afhankelijk van de stroom door de diode volgens de formule:
Dankzij deze eigenschap is een diode uitstekend geschikt als schakelaar.

Een wisselspanning die wordt aangelegd, zal afhankelijk van de gelijkstroom-voorinstelling een kleine of een grote wisselstroom door de diode tot gevolg hebben. In figuur 3 is het principe van de schakelaar getekend. De in- en uitgang van de schakeling wordt op ongeveer halve voedingsspanning gehouden. Wanneer de transistor geen sturing krijgt op de basis, spent hij en zal er een stroompje lopen door de dioden D1 en D2. Het vervangingsschema voor wisselspanningen is dan zoals in figuur 3b is getekend; het ingangssignaal wordt onverzwakt doorgegeven.

Zodra T1 wordt opengestuurd gaat D3 geleiden en sperren D1 en D2. De situatie is dan zoals is getekend in figuur 3d. In dit geval wordt er geen signaal doorgegeven.

In de praktijk is de schakelaar dubbel uitgevoerd omdat de versterkers in de elektorskoop simmetrisch zijn. Transistor T1 is wel gemeenschappelijk. In figuur 4 is het volledige schema van een schakelaar gegeven. De basis van T1 is de kommando-ingang, zodra hier een positieve spanning wordt aangelegd, gaat T1 geleiden en werkt de schakelaar als een onderbreking voor het signaal. Wanneer voor de dioden schakeldioden worden gebruikt, werkt de schakeling zeer snel. De schakelsnelheid wordt hoofdzakelijk beperkt door de kapaciteit op het knooppunt van de drie dioden. Deze kapaciteit moet via R1 worden opgeladen en wordt via D3 ontladen. Dit veroorzaakt een vertraging die kleiner wordt naarmate voor RI een lagere waarde wordt genomen.

Figuur 4. De volledige schakeling van een elektronische schakelaar. Omdat de versterkers in de Elektorskoop simmetrisch zijn, bestaat de schakeling uit twee gelijke helften.

De besturingsschakeling

In figuur 5 is het blokschema getekend van het gedeelte van de Elektorskoop dat omgeschakeld moet worden om twee kanalen op het scherm zichtbaar te maken.

Figuur 5. Het blokschema van de gedeelten die onderling moeten worden doorverbonden met de elektronische schakelaars.

Links in de figuur zijn de signaalbronnen getekend: Y1, Y2 en de zaagtandgenerator. Deze moeten worden verbonden met de Y- en de X-eindversterkers. Bij normaal enkelstraalbedrijf moet de zaagtandgenerator met de X-eindversterker zijn doorverbonden.

Op de Y-eindversterker moet dan of Y1 of Y2 zijn aangesloten. Met de schakeling achter voorversterker Y2 kan het signaal worden geinverteerd door de twee uitgangen te verwisselen.

Bij dubbelstraalbedrijf worden de uitgangen van de beide voorversterkers voortdurend beurtelings verbonden met de Y-eindversterker.

In de stand "X en Y verwisselen", tenslotte, moet Y2 verbonden zijn met de Y-eindversterker en moet de uitgang van Y1 doorverbonden zijn met de X-eindversterker. De spanningen van de zaagtandgenerator worden in dit geval verder niet gebruikt.

In tabel 1 zijn de gewenste doorverbindingen bij elkaar gezet. Dit lijkt ingewikkeld, maar uit het schema (figuur 6) blijkt, dat er slechts 3 TTL poorten nodig zijn om in kombinatie met de tumblers de gewenste funkties te realiseren. Rechts in de figuur zijn de uitgangen I t/m V getekend die de besturingssignalen leveren voor de elektronische schakelaars.

Tabel 1. Uit de tabel kan worden afgelezen welke schakelaarls) gesloten moeten zijn in het blokschema van figuur 5 bij het werken met de Elektorskoop.

Soort bedrijf	Wat op het scherm	I	II	III	IV	V
Normaal	X1	+	-	+	-	-
	Y2	-	-	+	+	-
	Y2	-	-	+	-	+
	Y1 en Y2	+ -	-	+	-
	Y1 en Y2	+ -	-	+	-	- +
X en Y verwisselen	Y1 hor.; Y2 vert.	-	+	-	+	-
	Y1 hor.; Y2 vert.	-	+	-	-	+

Figuur 6. Het schema van de besturingsschakeling. Dank zij het gebruik van TTL-logika is het schema eenvoudig.

De schakeling met de 7413 levert klokpulsen met een frekwentie van ongeveer 100 kHz. De flipflop 7474 klapt op deze impulsen om, zodat beurtelings Q en Q hoog worden en via N4 of N5 de elektronische schakelaar sturen. Op deze wijze wordt bereikt dat `gelijktijdig' twee signalen zichtbaar zijn. Met schakelaar S1b kan de oscillator die opgebouwd is uit een helft van de 7413 worden uitgeschakeld. In dat geval wordt via N2 een puls per zaagtand doorgegeven naar de klok-ingang van de flipflop. Hierdoor wordt eerst Y1 geschreven, en vervolgens Y2 gedurende de volgende zaagtand.

Op iedere omschakelflank wordt via poort N3 een donker-stuurimpuls doorgegeven naar de schakeling die de helderheid van de straal op het beeldscherm onderdrukt.

Om de werking van het wisselen van kanaal na het schrijven van een hele lijn (alternate) te verduidelijken, zijn in foto 1 de zaagtandspanning en de stuurspanning voor de elektronische schakelaar weergegeven. Op het bovenste spoor is de zaagtandspanning te zien; bij iedere volgende cyclus verandert de sturing voor de elektronische schakelaar. Foto 2 geeft de golfvorm bij chopping. De schuine lijn boven is de zaagtandspanning; met het signaal eronder wordt voortdurend de elektronische schakelaar in- en uitgeschakeld.

Foto 1. Op het onderste spoor is het stuursignaal weergegeven voor de kommandoingang van schakelaar I in de stand 'alternate'. Na iedere zaagtand verandert het stuursignaal van logisch '1' naar '0' en omgekeerd.

Foto 2. Het stuursignaal in de stand 'chopping'. De bovenste lijn geeft de zaagtand weer. Tijdens het lopen van de zaagtand schakelt de elektronische schakelaar voortdurend om.

Op foto 3 is op het bovenste spoor het signaal zichtbaar dat aan de Y-eindversterker wordt toegevoerd, wanneer twee kanalen zichtbaar worden gemaakt. In dit geval werd er op een voorversterker een sinus en op de andere voorversterker een driehoekspanning aangelegd. Het schakelsignaal op het onderste spoor is hetzelfde als dat van foto 1.

Foto 3. Het ingangssignaal van de Y-eindversterker. Op het onderste spoor het stuursignaal van schakelaar I.

De donkersturing

Tijdens het omschakelen van het ene kanaal naar het andere en na iedere zaagtand moet de helderheid van de stip op het beeldscherm worden verminderd. Dit is nodig omdat anders door het voortdurend heen en weer schakelen tussen de twee lijnen op het scherm, de ruimte tussen deze twee lijnen ook zou oplichten.

Het onderdrukken van de helderheid na iedere zaagtand is nodig omdat de stip na iedere lijn weer terugkeert naar het startpunt links op het scherm. Dit terugkeren is zichtbaar als een flauwe, gekromde lijn die storend werkt.

De schakeling voor de donkersturing (figuur 7) heeft daarom twee ingangen: een die rechtstreeks op de zaagtandgenerator (IC4, de 555) is aangesloten en waarmee de terugslagonderdrukking wordt gerealiseerd, en een tweede ingang die parallel op de klok-ingang van de 7474 is aangesloten.

Figuur 7. Het schema van de schakeling voor de donkersturing. De beide germaniumdiodes zijn toegevoegd om de snelheid te vergroten.

De 7474 slaat op iedere positieve flank om, en de donkersturing reageert alleen op deze positieve flanken. Dit is de reden waarom de tweedeler met de 7474 is toegevoegd; het was immers ook mogelijk geweest het signaal dat van de oscillator met de 7413 komt direkt aan N4 toe te voeren en het signaal voor N5 eerst nog een keer te inverteren. In dit geval zou de donkersturing zowel op positieve als op negatieve flanken moeten reageren, wat moeilijk te verwezenlijken is.

De schakeling

In figuur 7 is het schema van de schakeling voor de donkersturing getekend. Het bestaat feitelijk uit twee gewone inverterende versterkers, met als enige toevoeging de beide germaniumdiodes om de snelheid van de schakeling op te voeren.

Het signaal van de zaagtandgenerator wordt direkt aan de ingang doorgegeven. Omdat de uitgang (A) van de schakeling via een kondensator aan de wehneltcylinder van de oscilloskoopbuis is gekoppeld (met een RC-tijd van ongeveer 0,1 sekonde) kunnen er toch geen langere pulsen worden doorgegeven. De donkerstuurimpulsen die uit de besturingsschakeling komen, worden eerst gedifferentieerd door het netwerk met de twee diodes in kombinatie met de kondensator van 1n2. Dit is nodig omdat de frekwentie van deze signalen (50 kHz) wel voldoende hoog is om doorgegeven te worden. De donkersturing hoeft echter alleen maar plaats te vinden gedurende de korte tijd dat de straal van het ene naar het andere kanaal omschakelt.

Om de spanningssprong aan de uitgang zo groot mogelijk te maken werkt de laatste transistor op een voedingsspanning van 30 volt.

De schakeling moet snel zijn. Het heeft immers geen nut de straal te onderdrukken nadat de omschakeling al heeft plaatsgevonden. Daarom zijn twee germaniumdiodes toegevoegd die voorkomen dat de transistoren in verzadiging worden gestuurd. Het is namelijk zo, dat een transistor ongeveer 1 ps nodig heeft om zijn kollektorstroom te verminderen als hij helemaal is opengestuurd.

Deze tijd kan bijna 10 maal zo kort worden door er voor te zorgen dat de transistor maar net zoveel sturing op zijn basis krijgt als nodig is om de kollektorstroom te laten lopen.

Zolang de transistor niet wordt gestuurd, is de spanning op de kollektor hoog. Bij een langzaam groter wordende basisstroom zakt de kollektorspanning geleidelijk totdat de transistor in verzadiging raakt en er een restspanning van ongeveer 0,1 volt over de kollektor-emitter overgang blijft staan. Door het toevoegen van de diode kan het echter niet zo ver komen omdat, zodra de kollektorspanning beneden 0,3 volt zakt, de germaniumdiode gaat geleiden en de basisstroom vermindert.