Oszilloskopbasierter Signalgenerator und Verwendung von Breitband-Radarsignalen
So funktioniert ein Oszilloskop
Ein Oszilloskop ist ein elektronisches Messinstrument, das die Eigenschaften elektronischer Oszilloskopröhren nutzt, um elektrische Wechselsignale, die vom menschlichen Auge nicht direkt wahrgenommen werden können, in Bilder umzuwandeln und diese zur Messung auf einem fluoreszierenden Bildschirm anzuzeigen. Es ist ein unverzichtbares und wichtiges Instrument zur Beobachtung experimenteller Phänomene digitaler Schaltkreise, zur Analyse von Problemen in Experimenten und zur Messung experimenteller Ergebnisse. Das Oszilloskop besteht aus einer Oszilloskopröhre und einem Stromversorgungssystem, einem Synchronisationssystem, einem X-Achsen-Ablenksystem, einem Y-Achsen-Ablenksystem, einem Verzögerungsabtastsystem und einer Standardsignalquelle.
1. Oszilloskopröhre
Die Kathodenstrahlröhre (CRT), auch als Oszilloskopröhre bezeichnet, ist das Herzstück des Oszilloskops. Sie wandelt elektrische Signale in Lichtsignale um. Wie in Abbildung 1 dargestellt, sind Elektronenkanone, Ablenksystem und Leuchtschirm in einer Vakuumglashülle versiegelt und bilden so eine komplette Oszilloskopröhre.
(1) Leuchtstoffschirm
Die Bildschirme heutiger Oszilloskopröhren sind normalerweise rechteckige Flächen, auf deren Innenseite eine Schicht aus phosphoreszierendem Material aufgebracht ist, die einen fluoreszierenden Film bildet. Dem fluoreszierenden Film wird häufig eine Schicht aus aufgedampftem Aluminiumfilm hinzugefügt. Hochgeschwindigkeitselektronen passieren den Aluminiumfilm und treffen auf den Leuchtstoff, wodurch helle Punkte entstehen. Der Aluminiumfilm weist eine interne Reflexion auf, die sich günstig auf die Helligkeit der hellen Punkte auswirkt. Der Aluminiumfilm hat auch andere Funktionen wie die Wärmeableitung.
Wenn der Elektronenbeschuss aufhört, kann der helle Fleck nicht sofort verschwinden, sondern muss für eine gewisse Zeit bestehen bleiben. Die Zeit, die die Helligkeit eines hellen Flecks benötigt, um auf 10 % ihres ursprünglichen Wertes zu fallen, wird als „Nachleuchtzeit“ bezeichnet. Eine Nachleuchtzeit von weniger als 10 μs wird als sehr kurzes Nachleuchten bezeichnet, 10 μs-1ms als kurzes Nachleuchten, 1ms-0.1s als mittleres Nachleuchten, 0,1s-1s als langes Nachleuchten und mehr als 1s als extrem langes Nachleuchten. Im Allgemeinen sind Oszilloskope mit Oszilloskopröhren mit mittlerer Nachleuchtdauer ausgestattet, Hochfrequenzoszilloskope verwenden kurze Nachleuchtdauer und Niederfrequenzoszilloskope verwenden lange Nachleuchtdauer.
(2) Elektronenkanone und Fokus
Die Elektronenkanone besteht aus Glühfaden (F), Kathode (K), Gitter (G1), vorderer Beschleunigungselektrode (G2) (oder zweitem Gitter), erster Anode (A1) und zweiter Anode (A2). Ihre Funktion besteht darin, Elektronen zu emittieren und einen sehr dünnen, schnellen Elektronenstrahl zu bilden. Der Glühfaden wird mit Strom versorgt, um die Kathode zu erhitzen, und die Kathode emittiert Elektronen, wenn sie erhitzt wird.
Das Gitter ist ein Metallzylinder mit einem kleinen Loch an der Oberseite, der außerhalb der Kathode platziert ist. Da das Gate-Potenzial niedriger ist als das der Kathode, steuert es die von der Kathode emittierten Elektronen. Im Allgemeinen kann nur eine kleine Anzahl von Elektronen mit einer großen Anfangsgeschwindigkeit durch die Gate-Löcher gelangen und unter der Einwirkung der Anodenspannung zum Leuchtschirm strömen. Elektronen mit kleiner Anfangsgeschwindigkeit kehren dennoch zur Kathode zurück.
Wenn das Gate-Potenzial zu niedrig ist, kehren alle Elektronen zur Kathode zurück, d. h. die Röhre wird ausgeschaltet. Durch Einstellen des W1-Potentiometers im Schaltkreis kann das Gate-Potenzial geändert und die Dichte des Elektronenflusses zum Leuchtschirm gesteuert werden, wodurch die Helligkeit des hellen Flecks eingestellt wird. Die erste Anode, die zweite Anode und die vordere Beschleunigungselektrode sind drei Metallzylinder auf derselben Achse wie die Kathode. Der vordere Beschleunigungspol G2 ist mit A2 verbunden und das angelegte Potenzial ist höher als A1. Das positive Potenzial von G2 beschleunigt die Elektronen von der Kathode zum Leuchtschirm.
Auf dem Weg des Elektronenstrahls von der Kathode zum Leuchtschirm durchläuft er zwei Fokussierungsprozesse. Die erste Fokussierung wird durch K, G1 und G2 durchgeführt. K, K, G1 und G2 werden als erste elektronische Linsen der Oszilloskopröhre bezeichnet. Die zweite Fokussierung erfolgt in den Bereichen G2, A1 und A2. Durch Anpassen des Potenzials der zweiten Anode A2 kann der Elektronenstrahl an einem Punkt auf dem Leuchtschirm konvergieren. Dies ist die zweite Fokussierung. Die Spannung an A1 wird als Fokussierungsspannung bezeichnet, und A1 wird auch als Fokussierungspol bezeichnet. Manchmal kann durch Anpassen der Spannung von A1 immer noch keine gute Fokussierung erreicht werden, und die Spannung der zweiten Anode A2 muss fein abgestimmt werden. A2 wird auch als Hilfsfokussierungselektrode bezeichnet.
(3) Ablenksystem
Das Ablenksystem steuert die Richtung des Elektronenstrahls, sodass sich der Lichtpunkt auf dem Leuchtschirm mit dem externen Signal ändert, um die Wellenform des gemessenen Signals darzustellen. In Abbildung 8.1 bilden zwei Paare senkrecht zueinander stehender Ablenkplatten Y1, Y2 und Xl, X2 ein Ablenksystem. Die Ablenkplatte für die Y-Achse befindet sich vorne und die Ablenkplatte für die X-Achse hinten, sodass die Empfindlichkeit für die Y-Achse hoch ist (das gemessene Signal wird nach der Verarbeitung zur Y-Achse hinzugefügt). An die beiden Paare von Ablenkplatten wird jeweils Spannung angelegt, sodass zwischen den beiden Paaren von Ablenkplatten ein elektrisches Feld entsteht, das die Ablenkung des Elektronenstrahls in vertikaler bzw. horizontaler Richtung steuert.
