この投稿では、陰極線オシロスコープ（CRO）の動作とその内部構造について詳しく説明します。また、さまざまなコントロールを使用してCROを使用する方法を学習し、スコープの表示画面でのさまざまな入力信号のグラフィック表現を理解します。
陰極線オシロスコープ（CRO）の重要性
電子回路の大部分は、通常周波数として生成される電子波形またはデジタル波形を厳密に含み、それを使用して動作することを私たちは知っています。これらの信号は、オーディオ情報、コンピューターデータ、TV信号、発振器、タイミングジェネレーター（レーダーに適用される）などの形でこのような回路で重要な役割を果たします。したがって、これらのタイプをテストおよびトラブルシューティングする際には、これらのパラメーターを正確かつ正確に測定することが非常に重要になります。回路の
デジタルマルチメータやアナログマルチメータなどの一般的に利用可能なメータは、機能が限られており、DCまたはAC電圧、電流、またはインピーダンスのみを測定できます。一部の高度なメーターはAC信号を測定できますが、信号が高度に洗練されており、特定の歪みのない正弦波信号の形式である場合に限ります。したがって、これらのメーターは、波形と時間サイクルを含む回路の分析に関しては目的を果たしません。
対照的に、オシロスコープは、波形を正確に受け入れて測定するように設計されたデバイスであり、ユーザーがパルスの形状または波形を実際に視覚化できるようにします。
CROは、ユーザーが問題の適用された波形の視覚的表現を見ることができる高品位オシロスコープの1つです。
入力に印加された信号に対応するビジュアルディスプレイを波形として生成するためにブラウン管（CRT）を採用しています。
CRT内の電子ビームは、入力信号に応答して管（スクリーン）の面を横切る偏向運動（スイープ）を通過し、波形形状を表す視覚的なトレースをスクリーン上に作成します。これらの連続トレースにより、ユーザーは波形を調べてその特性をテストできます。
波形の実際の画像を生成するオシロスコープの機能は、波形の数値しか提供できないデジタルマルチメータと比較して非常に役立ちます。
ご存知のとおり、陰極線オシロスコープは電子ビームを使用して、オシロスコープの画面にさまざまな読み取り値を表示します。ビームを水平方向に偏向または処理するために、 スイープ電圧 垂直処理は測定されている入力電圧によって行われますが、が組み込まれています。
ブラウン管—理論と内部構造
ブラウン管オシロスコープ（CRO）の内部では、ブラウン管（CRT）がデバイスの主要コンポーネントになります。 CRTは、スコープの画面上に複雑な波形イメージングを生成する役割を果たします。
CRTは基本的に4つの部分で構成されています。
1.電子ビームを生成するための電子銃。
2.正確な電子ビームを作成するための集束および加速コンポーネント。
3.電子ビームの角度を操作するための水平および垂直偏向板。
4.表面への電子ビームの衝突に応答して必要な可視光を生成するためのリン光スクリーンでコーティングされた真空ガラスエンクロージャ
次の図は、CRTの基本的な構造の詳細を示しています。
次に、CRTがその基本機能とどのように連携するかを理解しましょう。
ブラウン管オシロスコープ（CRO）のしくみ
CRT内のホットフィラメントは、酸化物コーティングで構成されるチューブのカソード（K）側を加熱するために使用されます。これにより、カソード表面から電子が瞬時に放出されます。
制御グリッド（G）と呼ばれる要素は、チューブの長さをさらに通過できる電子の量を制御します。グリッドに印加される電圧のレベルによって、加熱された陰極から解放される電子の量と、管の面に向かって前方に移動できる電子の数が決まります。
電子が制御グリッドを超えると、電子はその後の集束を経て、アノード加速の助けを借りて鋭いビームと高速加速になります。
次の段階でこの高度に加速された電子ビームは、2組の偏向板の間を通過します。第１のプレートの角度または向きは、それが電子ビームを垂直に上下に偏向するように保持される。これは、これらのプレート間に印加される電圧極性によって制御されます。
また、ビームのたわみが許容される量によって、プレートに印加される電圧の量によって決まります。
次に、この制御された偏向ビームは、チューブに印加された非常に高い電圧によってさらに加速され、最終的にビームがチューブの内面のリン光層コーティングに衝突します。
これにより、電子ビームの衝突に応答して蛍光体が瞬時に発光し、スコープを操作するユーザーが画面上に目に見えるグローを生成します。
CRTは独立した完全なユニットであり、適切な端子がリアベースを介して特定のピン配列に突き出ています。
さまざまな形態のCRTがさまざまな寸法で市場に出回っており、蛍光体でコーティングされたチューブと偏向電極の位置が異なります。
ここで、CRTがオシロスコープでどのように使用されるかについて考えてみましょう。
特定のサンプル信号に対して視覚化する波形パターンは、次のように実行されます。
掃引電圧がCRTスクリーンの内面で電子ビームを水平方向に移動すると、同時に測定される入力信号がビームを垂直方向に偏向させ、分析に必要なパターンをスクリーングラフ上に生成します。
シングルスイープとは
CRT画面上の電子ビームのすべての掃引の後に、部分的な「空白」の時間間隔が続きます。このブランクフェーズの間、ビームは開始点または画面の前の端に到達するまで一時的にオフになります。各スイープのこのサイクルはと呼ばれます 「ビームの1回の掃引」
画面上に安定した波形表示を得るために、電子ビームは、各掃引に対して同一のイメージングを使用して、左から右へ、またはその逆に繰り返し「掃引」されることになっています。
これを実現するには、同期と呼ばれる操作が必要になります。これにより、ビームが戻り、画面上のまったく同じポイントから各スイープが繰り返されます。
正しく同期すると、画面上の波形パターンは安定して一定に見えます。ただし、同期が適用されていない場合、波形は画面の一方の端からもう一方の端に向かって連続的にゆっくりと水平方向にドリフトしているように見えます。
基本的なCROコンポーネント
CROの重要な要素は、以下の図22.2で確認できます。この基本的なブロック図について、主にCROの運用の詳細を分析します。
少なくとも1センチメートルから数センチメートルまでのビームの意味のある認識可能な偏向を達成するために、偏向板で利用される電圧の典型的なレベルは、数十または数百ボルトで最小でなければならない。
CROを介して評価されるパルスは、通常、大きさがわずか数ボルト、または最大で数ミリボルトであるため、入力信号をチューブの動作に必要な最適な電圧レベルまでブーストするために、適切な増幅器回路が必要になります。
実際、水平面と垂直面の両方でビームを偏向させるのに役立つ増幅器ステージが採用されています。
分析中の入力信号レベルを適応させるには、各入力パルスが、ディスプレイの振幅を増強するように設計された減衰回路ステージを通過する必要があります。
電圧スイープ操作
電圧掃引動作は、次の方法で実装されます。
垂直入力が0Vに保持されている状況では、電子ビームは画面の垂直中央で見られるはずです。水平入力に0Vが同じように適用された場合、ビームは画面の中央に配置され、立体のように見えます。 ドット 中心に。
これで、この「ドット」は、オシロスコープの水平および垂直のコントロールボタンを操作するだけで、画面上のどこにでも移動できます。
ドットの位置は、オシロスコープの入力に導入された特定のDC電圧によって変更することもできます。
次の図は、CRT画面上で、正の水平電圧（右方向）と負の垂直入力電圧（中心から下方向）を介してドットの位置を正確に制御できることを示しています。
水平掃引信号
信号がCRTディスプレイに表示されるようにするには、対応する垂直信号入力によって変更が画面に反映されるように、画面全体の水平スイープによるビーム偏向を有効にすることが不可欠になります。
下の図22.4から、水平チャネルに適用された線形（鋸歯状）掃引信号を介した垂直入力への正の電圧供給によって得られたディスプレイ上の直線を視覚化できます。
電子ビームが選択された固定垂直距離にわたって保持されると、水平電圧は負からゼロ、正に強制的に移動し、ビームは画面の左側から中央、および右側に移動します。画面。この電子ビームの動きにより、中央の垂直基準の上に直線が生成され、適切なDC電圧がスターライトラインの形で表示されます。
単一のスイープを生成する代わりに、スイープ電圧は連続波形のように機能するように実装されます。これは基本的に、一貫した表示が画面に表示されるようにするためです。スイープを1回だけ使用すると、それは持続せず、即座にフェードアウトします。
そのため、CRT内で毎秒繰り返しスイープが生成され、視覚の持続性により画面上に連続した波形が表示されます。
オシロスコープで提供されるタイムスケールに応じて上記の掃引速度を下げると、ビームの実際の動きの印象を画面で確認できます。水平スイープがなくても正弦波信号のみが垂直入力に適用されると、図22.5に示すように垂直直線が表示されます。
そして、この正弦波の垂直入力の速度が十分に低下している場合、電子ビームが直線の経路に沿って上下に移動するのを見ることができます。
線形鋸歯状スイープを使用して垂直入力を表示する
正弦波信号を調べる場合は、水平チャネルでスイープ信号を使用する必要があります。これにより、垂直チャネルに適用された信号がCROの画面に表示されるようになります。
実用的な例を図22.6に示します。これは、垂直チャネルを介した正弦波または正弦波入力とともに、水平線形スイープを利用して生成された波形を示しています。
適用された入力に対して画面上で単一のサイクルを取得するには、入力信号と線形掃引周波数の同期が不可欠になります。わずかな違いや同期が正しくない場合でも、ディスプレイに動きが表示されない場合があります。
掃引周波数を下げると、正弦波入力信号のサイクル数がCRO画面に表示される可能性があります。
一方、スイープの周波数を上げると、表示画面に表示される垂直入力正弦波信号サイクルの数が少なくなります。これにより、実際には、CRO画面に適用された入力信号の拡大部分が生成されます。
解決された実用的な例：
図22.7では、水平スイープで垂直入力に適用されたパルス状の波形に応答してパルス信号を表示するオシロスコープ画面を見ることができます。
各波形の番号付けにより、ディスプレイは各サイクルの入力信号と掃引電圧の変化を追跡できます。
同期とトリガー
陰極線オシロスコープの調整は、周波数の観点から速度を調整することによって実行され、パルスの単一サイクル、多数のサイクル、または波形サイクルの一部を生成します。この機能は、CROの重要な機能の1つになります。任意のCROの。
図22.8では、スイープ信号の数サイクルの応答を表示するCRO画面を見ることができます。
線形スイープサイクル（ゼロの最大負の制限から最大正の制限までの制限がある）を介した水平鋸歯状スイープ電圧の実行ごとに、電子ビームはCRO画面領域を左から中央に向かって水平に移動します。画面の右側に。
この後、のこぎり波の電圧はすぐに開始の負の電圧制限に戻り、それに応じて電子ビームが画面の左側に移動します。掃引電圧が急速に負に戻る（リトレース）この期間中に、電子はブランク相を通過します（グリッド電圧は電子がチューブの面に衝突するのを防ぎます）
ディスプレイがビームのスイープごとに安定した信号画像を生成できるようにするには、入力信号サイクルのまったく同じポイントからスイープを開始することが不可欠になります。
図22.9では、掃引周波数がかなり低いため、ディスプレイにビームの左側のドリフトの外観が生成されていることがわかります。
図22.10で証明されているように、高い掃引周波数に設定すると、ディスプレイは画面上でビームの右側のドリフトの外観を生成します。
言うまでもなく、画面上で安定したまたは一定の掃引を実現するために、入力信号周波数と正確に等しい掃引信号周波数を調整することは非常に困難または実行不可能な場合があります。
より実現可能な解決策は、信号がサイクル内でトレースの開始点に戻るのを待つことです。このタイプのトリガーには、次の段落で説明するいくつかの優れた機能が含まれています。
トリガー
同期の標準的なアプローチでは、入力信号のごく一部を使用してスイープジェネレータを切り替えます。これにより、スイープ信号が入力信号にラッチまたはロックインされ、このプロセスによって2つの信号が同期されます。
図22.11では、入力信号の一部の抽出を示すブロック図を見ることができます。 シングルチャネルオシロスコープ。
このトリガー信号は、AC主電源に関連または関連する可能性のある外部信号、またはCROの垂直入力として適用される関連信号を分析するために、主電源ACライン周波数（50または60Hz）から抽出されます。
セレクタースイッチを「INTERNAL」に切り替えると、入力信号の一部をトリガージェネレーター回路で使用できるようになります。次に、出力トリガージェネレーター出力を使用して、CROのメインスイープを開始または開始します。これは、スコープの時間/ cm制御によって設定された期間表示されたままになります。
信号サイクル全体のいくつかの異なるポイントでのトリガーの初期化は、図22.12で視覚化できます。トリガースイープの機能は、結果の波形パターンから分析することもできます。
入力として適用される信号は、スイープ信号のトリガー波形を生成するために使用されます。図22.13に示すように、スイープは入力信号サイクルで開始され、スイープ長制御設定によって決定された期間持続します。その後、CRO動作は、入力信号がそのサイクルで同じポイントに到達するまで待機してから、新しい掃引動作を開始します。
上で説明したトリガー方法は同期プロセスを可能にしますが、ディスプレイに表示できるサイクル数はスイープ信号の長さによって決まります。
マルチトレース機能
高度なCROの多くは、表示画面で複数または複数のトレースを同時に表示できるため、ユーザーは複数の波形の特殊な特性やその他の特定の特性を簡単に比較できます。
この機能は通常、CRO画面に個別のビームを生成する複数の電子銃からの複数のビームを使用して実装されますが、単一の電子ビームを介して実行される場合もあります。
複数のトレースを生成するために使用されるいくつかの手法があります：ALTERNATEとCHOPPED。代替モードでは、入力で利用可能な2つの信号が、電子スイッチを介して偏向回路ステージに交互に接続されます。このモードでは、表示するトレースの数に関係なく、ビームはCRO画面全体にスイープされます。この後、電子スイッチは代わりに2番目の信号を選択し、この信号に対しても同じことを行います。
この動作モードは、図22.14aで確認できます。
図22.14bは、ビームの掃引信号ごとに2つの入力信号を選択するために、ビームが繰り返しスイッチングを行うCHOPPED動作モードを示しています。このスイッチングまたはチョッピングアクションは、信号の比較的低い周波数では検出されないままであり、CRO画面では2つの個別のトレースとして表示されるようです。
校正されたCROスケールで波形を測定する方法
CROディスプレイの画面は、明確にマークされた校正済みスケールで構成されていることにお気づきかもしれません。これは、問題の適用された波形の振幅と時間係数の測定のために提供されています。
マークされた単位は、ボックスの両側で4センチメートル（cm）に分割されたボックスとして表示されます。これらのボックスのそれぞれは、さらに0.2cmの間隔に分割されます。
振幅の測定：
ROの画面上の垂直スケールは、ボルト/ cm（V / cm）またはミリボルト/ cm（mV / cm）のいずれかで校正されているのがわかります。
スコープのコントロールボタンの設定、およびディスプレイの表面に表示されるマーキングの助けを借りて、ユーザーは波形信号または通常はAC信号のピークツーピーク振幅を測定または分析することができます。
これは、CROの画面で振幅がどのように測定されるかを理解するための実用的な解決例です。
注：これは、マルチメータに対するオシロスコープの利点です。マルチメータはAC信号のRMS値のみを提供し、スコープはRMSの値と信号のピークツーピーク値の両方を提供できるためです。
オシロスコープを使用したACサイクルのタイミング（期間）の測定
オシロスコープの画面に表示される水平スケールは、入力サイクルのタイミングを秒単位、ミリ秒単位（ms）、マイクロ秒単位（μs）、さらにはナノ秒単位（ns）で決定するのに役立ちます。
パルスが開始から終了までのサイクルを完了するために消費する時間間隔は、パルスの周期と呼ばれます。このパルスが繰り返し波形の場合、その周期は波形の1サイクルと呼ばれます。
これは、CROスクリーンキャリブレーションを使用して波形の周期を決定する方法を示す実際的な解決例です。
パルス幅の測定
すべての波形は、パルスの高状態と低状態と呼ばれる最大電圧ピークと最小電圧ピークで構成されています。パルスがHIGHまたはLOW状態に留まる時間間隔は、パルス幅と呼ばれます。
エッジが非常に急激に（急速に）上昇および下降するパルスの場合、そのようなパルスの幅は、リーディングエッジと呼ばれるパルスの開始からトレーリングエッジと呼ばれるパルスの終了まで測定されます。これを図22.19aに示します。
立ち上がりと立ち下がりのサイクルがかなり遅いか遅いパルス（指数タイプ）の場合、図22.19bに示すように、パルス幅はサイクルの50％レベルで測定されます。
次の解決された例は、上記の手順をよりよく理解するのに役立ちます。
パルス遅延の理解
パルスサイクルのパルス間の時間間隔は、パルス遅延と呼ばれます。パルス遅延の例を下の図22.21に示します。ここでの遅延は、中間点または50％レベルとパルスの開始点の間で測定されていることがわかります。
図22.21
CROでパルス遅延を測定する方法を示す実用的な解決例
結論：
私は、ブラウン管オシロスコープ（CRO）の動作に関する基本的な詳細のほとんどを含め、このデバイスを使用して、キャリブレーションされた画面を介してさまざまな周波数ベースの信号を測定する方法を説明しようとしました。ただし、ここで見逃した可能性のある側面はまだまだたくさんあります。それでも、随時チェックを続け、可能な場合はいつでも詳細情報を更新します。
参照： https://en.wikipedia.org/wiki/Oscilloscope
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