Osciloscopul catodic este un aparat de masurare sau observare, care utilizeaza
unul sau mai multe fascicule de electroni pentru a da o reprezentare a valorilor instantanee ale
semnalului electric masurat in functie de diverse marimi variabile, dintre care cel mai des intalnita este
timpul. Aceasta reprezentare se realizeaza pe ecranul unui tub catodic, de unde si denumirea de osciloscop catodic.
Este instrumentul tipic de analiza a semnalelor in domeniul amplitudine - timp.
Osciloscopul a devenit tot mai mult un aparat universal de masurat, datorita numarului
mare de parametri ai semnalelor electrice care se pot analiza: perioada, frecventa;timpi de crestere,
de cadere ai fronturilor impulsurilor;intarzierea, durata, factorul de umplere.
1. Scurt istoric
In 1897 a fost inventat primul tub cu raze catodice.La inceput
a fost utilizat in oscilografe.
Multi cercetatori au incercat sa imbunatateasca tubul cu raze catodice
pentru afisarea imaginilor fotografice.Manfred von Ardenne a produs un tub de
joasa tensiune care a fost introdus de inginerii de la General Radio Co in
primul osciloscop rudimentar cu tub cu raze catodice (1931).Aparatul era compus
din doua parti :
· Un tub cu raze catodice , cu diametrul de 6 inch (15,2 cm), protejat
printr-un cilindru exterior la bombardamentele ionice
· O cutie in care erau montate circuitele pentru controlul focalizarii.
S-au obtinut astfel semnale vizibile in prezenta luminii ambiante.Durata
de viata a tubului era de 1000 de ore, iar pretul de vanzare de 265 dolari.
Osciloscopul modern a fost dezvoltat de Allen Du Mont, care a deschis un laborator
pentru proiectarea tuburilor cu raze catodice (1931).Cu un astfel de tub, in
anul 1932 Du Mont a realizat un osciloscop cuprinzand atat circuitele
pentru controlul focalizarii cat si sursa de alimentare si circuitele
de baleiaj pe care a inceput sa le comercializeze la pretul de 185 dolari.Imbunatatirea
tubului cu raze catodice, in principal prin scaderea potentialului anodului,
alegerea unor noi materiale pentru ecran si controlul intensitatii fasciculului
de electroni, au permis obtinerea in laboratoarele Du Mont a unui osciloscop
cu o frecventa de baleiaj de 10-5000 Hz (1933), model imbunatatit ulterior,
ajungandu-se practic la forma osciloscopului modern(1934) cu linii de
masura gravate pe sticla ecranului si butoane pentru reglajul continuu al baleiajului
si focalizarii.Un osciloscop similar destinat insa tehnicienilor, pentru
lucrarile de service a fost lansat in anul 1935 de firma RCA.
Tabelul 1 . Etapele principale ale dezvoltarii osciloscopului
Anul Etapa
1897 Inventarea tubului cu raze catodice (CRT)
1931 Aparitia primului osciloscop
1974 Executia primului osciloscop cu microprocesor
Instrumentul cel mai apropiat inginerilor, osciloscopul , a cunoscut imbunatatiri
majore in perioada anilor ’50 si ’60 datorita utilizarii unei configuratii elicoidale
a placilor de post-accelerare la tuburile cu raze catodice, fapt care a permis obtinerea unei straluciri marite a afisarii si
cresterea vitezei de scriere; ca urmare frecventa limita a evoluat de la 10 MHz la 100 MHz.
2. Clasificare
Exista mai multe criterii de clasificare : a. Dupa modul de tratare a semnalelor analizate deosebim:
-; osciloscoape analogice, in care prelucrarea are loc numai in circuite
analogice;
-; osciloscoape numerice (digitale), in care semnalul este convertit sub
forma numerica, prelucrat astfel si reconvertit in analogic pentru afisare;
-; combinate. b. Dupa modul de analiza a semnalelor in domeniul timp, deosebim urmatoarele
tipuri de osciloscoape:
-; osciloscoapele de timp real: sunt osciloscoapele la care intre fiecare
punct al imaginii de pe ecran si fiecare valoare momentana a semnalului exista
o corespondenta biunivoca. Banda lor de frecventa poate atinge 500 MHz;
-; osciloscoapele cu esantionare (DSO- Digital Sampling Oscilloscope),
cu care, aplicand o tehnica speciala de esantionare, se pot analiza semnale
cu frecvente de pana la 50 GHz. Datorita acestei tehnici ele se mai numesc
si osciloscoape de "timp translatat".
O alta categorie de osciloscoape sunt cele cu memorie: in tehnica analogica
acestea sunt echipate cu tuburi catodice al caror strat de luminofor prezinta proprietatea de remanenta
a imaginii; ele sunt deosebit de utile in analiza fenomenelor tranzitorii (foarte rapide si care nu se repeta).
3. Componente si mod de functionare
Un osciloscop catodic este format dintr-un electronic(tub catodic),generator
de baleiaj, amplificatoare.
Tubul catodic este format dintr-un tub de sticla vidat, in care sunt fixate:catod,
grila de control,anod de focalizare,anod de accelerare,placi de deflexie si ecran.
Catodul este incalzit la o temperatura ridicata cu ajutorul unui filament
de incalzire, iar electronii se evapora din suprafata lui.(Inainte ca natura acestui proces de emisie
electronica sa fi fost complet inteleasa acestor electroni li se dadea numele de ,,raze catodice?).Anodul de accelerare,
care are un mic orificiu in centrul lui este mentinut la un potential pozitiv mai ridicat decat cel
al catodului, astfel incat intre catod si anod sa existe uncamp electric dirijat de la dreapta la stanga.Acest
camp este limitat de spatiul cuprins
intre catod si anod, iar electronii care trec prin orificiul practicat
in anod, se deplaseaza de la anod catre ecranul fluorescent.Functia grilei de control este de a regla numarul de elctroni
care ajung la anod(si deci luminozitatea spotului de pe ecran).Anodul de focalizare face ca electronii
care au parasit catodul in directii putin diferite, sa ajunga cu totii in acelasi punct de pe ecran.Ansamblul
complet, format din catod,grila de control, anod de focalizare si electrod de accelerare este numit
tun electronic.
Electronii accelerasi trec prin doua perechi de placi de deflexie(pe orizontala
si pe verticala).Campul electric realizat intre primele doua placi ii deviaza spre dreapta
sau spre stanga si campul dintre celelalte doua placi ii deviaza in sus sau in jos.In
absenta unor astfel de campuri,electronii se propaga in linie dreapta de la orificiul anodului de accelerare pana la ecranul fluorescent
si produc un spot luminos pe ecran, in punctul unde il ciocnesc.Ecranul se numeste fluorescent
deoarece contine o subsatnta numita luminofor, care transforma energia cinetica a electronilor care strabat tubul
catodic, in energie luminoasa.
Baza de timp include acele circuite care genereaza tensiunea baza de timp si
asigura sincronizarea acesteia cu semnalul vizualizat. Se deosebesc:cursa directa,
de durata td, corespunzand portiunii liniar crescatoare, in care spotul
parcurge ecranul de la stanga la dreapta; cursa inversa de durata ti (portiunea
descrescatoare), in care ecranul este parcurs de la dreapta la stanga
si care este mult mai scurta in timp.
Vizualizarea semnalului y(t) are loc pe durata cursei directe. In acest interval
intereseaza in primul rand liniaritatea semnalului baza de timp,pentru
a asigura o redare fara distorsiuni a tensiunii aplicate la intrareaY.
Pe durata cursei inverse liniaritatea nu intereseaza; importanta este durata
cat mai mica a acestei curse, scop in care se accepta un raport minim:
ti / td < 0,1
Alaturi de multe alte domenii, medicina a beneficiat din plin de perfectionarile
aduse aparaturii electronice.In anul 1960 , firma Lockheed, a anuntat
producerea unui transmitator MF portabil, datele de la electrozii plasati pe
corpul uman fiind transmise la un receptor ce permitea efectuarea electrocardiogramei
(EKG).
Din totalul echipamentelor electronice medicale : 1,0% sunt electrocardiografe;1,5%
sunt electroencefalografe ; 8,9% sunt echipamente de diagnosticare, de baleiaj,
cu ultrasunete;7,4% sunt sisteme de monitorizare;4,2% monitoare pentru presiunea
sangelui
Osciloscopul a fost folosit de cercetatorii de la Universitatea Colorado pentru
producerea unei imagini in doua dimensiuni, similara cu cea executata
cu raze X, utilizand ultrasunete in impulsuri.
In medicina sunt folosite osciloscoape cu memorie (analogice). Pe suprafata
interioara a tubului de sticla se depune un strat metalic fin, transparent M;
efectul de memorie este realizat cu granule dintr-un material luminescent dispersate,
lipite de pelicula M.
Tubul prezinta un tun electronic principal TP(de "scriere"), care
emite electroni rapizi , purtatori de informatie, si doua tunuri de intretinere,
auxiliare, TA, care emit electroni lenti raspanditi pe toata suprafata
ecranului cu electrodul de colimare EC, format dintr-o patura metalica subtire
depusa pe suprafata interioara a tubului.Electronii rapizi produc la impactul
cu ecranul o puternica emisie secundara, deci stratul G se incarca pozitiv.
Fascicolul de electroni lenti (cu energie mica si viteza redusa) care loveste
ecranul poate produce urmatoarele efecte: pe zona neatinsa de fascicolul de
"scriere" se acumuleaza electroni, fara a produce emisie secundara
(deci luminescenta) ;pe zona atinsa de fascicolul de "scriere", datorita
sarcinii pozitive, electronii sunt accelerati, produc emisie secundara si mentin
oscilograma, chiar dupa disparitia tensiunii(in cazul medicinii a ritmului
cardiac) de studiat. Pentru stergerea oscilogramei (vizualizata initial de fascicolul
emis de tunul principal TP si apoi memorata cu ajutorul fasciculelor emise de
tunurile auxiliare TA) se aplica un potential pozitiv, de valoare mare, pe electrodul
M.
Pe toracele pacientului se aplica electrozi conectati la un osciloscop.Impulsurile
pe care electrozii le transmit osciloscopului, sunt impulsuri electrice .In
tubul catodic fasciculul de electroni au o energie cinetica, care este transformata
de luminoforul de pe suprafata interioara a ecranului in energie luminoasa,
aparand astfel spotul.Procesul acesta de redare grafica a ritmului cardiac
este realizat intocmai cum a fost descris la functionarea unui osciloscop.Daca
pacientul are puls pe ecranul oscilosopului va aparea un grafic care creste
si scade(nu intotdeauna este periodica aceasta crestere si scadere).Daca
graficul nu este la fel pe toata perioada monitorizarii pacientului acesta are
probleme cardiace.In astfel de cazuri extreme medicul stie ca trebuie
sa intervina.Imaginea de pe ecran este insotita si de sunet.De fiecare
data cand curba atinge punctul de maxim se aude un piuit.In cazul
in care pacientul nu mai are puls, pe ecran va aparea o linie continua
si un piuit care nu inceteaza.In acest caz medicul stie ca trebuie
sa intervina pentru a-l resuscita.De fiecare data cand ii stimuleaza
electric inima, cu ajutorul a doua padele incarcate electric, pe ecran
apare din nou un grafic neregulat,insa daca inima nu raspunde la impulsuri,
graficul devine din nou constant,sub forma unei linii, insotite de un
sunet continuu.
Ecranul osciloscopic este folosit si in ecocardiografie(ultrasonocardiografie).Ea
foloseste un ecograf cu cristal piezoelectric care se aplica pe toracele bolnavului;
ecourile captate sunt convertite in energie electrica, amplificate si
expuse pe un ecran osciloscopic, sub forma unor puncte sau linii verticale,
miscatoare. Astfel, se cerceteaza ecoul (si totodata functia) valvulei mitrale,
apoi a celor aortice, tricupside si pulmonare.