De oscilloscoopbuis werd voor talrijke toepassingen gebruikt zoals een analoog naar digitaal omzetter (door de hoogte van de spot te meten), maar ook als geheugenbuis voor computers. Dit was vooral juist na de tweede wereldoorlog, als er geen alternatieven waren.
Skoopbeeld van een optische oscilloscoop Electronencanon van een oscilloscoop Oscilloscoop die een videosignaal weergeeft Dezelfde skoop kan ook een videobeeld weergeven Zeer eenvoudige voorstelling van een oscilloscoop De blokken links in beeld waren elko's (van 2µF!), de tekening komt uit een boek gepubliceerd tijdens de tweede wereldoorlog

Geschiedenis van de oscilloscoop

Een meer modern systeem gebruikt een galvanometer met een zeer lage massa die een spiegel doet kantelen. De spiegel wordt belicht door een fijne lichtstraal. De lichtstraal wordt naar een gevoelige film gestuurd, die aan een constante snelheid beweegt (zie skoopbeeld van de optische oscilloskoop rechts). Dit was dan eerder een oscillograaf dan een oscilloscoop. De film kon positief (helder spoor) of negatief (donker spoor) ontwikkeld worden en men kon zelfs simultaan twee sporen op eenzelfde film opnemen. Het beeld rechts toont de parasitaire oscillaties bij een Ruhmkorff spoel.

Indien een opname niet nodig is, wordt de lichtstraal naar een scherm gestuurd. Er is een tweede afbuiging door een draaiende spiegel, zodat men een verticale afbuiging bekomt door de galvanometer en een horizontale afbuiging door de rotatie van de spiegel. De motor die de spiegel aandrijft is niet gesynchroniseerd met het signaal.

De oscilloscoop heeft eigenlijk een lange geschiedenis en begint met de gloeibuis van Crookes, een langwerpige buis die op een hoge spanning aangesloten wordt. De buis is gedeeltelijk luchtdicht gemaakt. Door de zeer hoge spanning komen er enkele electronen vrij. Deze electronen (die negatief geladen zijn) worden door de positieve anode aangetrokken, terwijl de ionen (die een electron verloren hebben) door de cathode aangetrokken worden. De ionen botsen tegen de cathode, waardoor er een grote aantal electronen vrijkomen. Deze electronen vormen de zogenaamde "kathodestraal", vandaar de naam "cathodestraalbuis" die beeldbuizen later zullen krijgen.

Men had het in die tijd nog niet over electronen, maar "kathodestralen" (omdat ze uit de kathode kwamen), terwijl de ionen "kanaalstralen" genoemd werden. De kathodestralen werden loodrecht op de cathode uitgestraald, wat het vermoeden deed rijzen dat we eigenlijk te maken had met deeltjes (maar men wist toen niet welk soort deeltje).

Als de cathodestralen de anode bereiken produceren ze X-stralen (als de spanning hoog genoeg is), zo werden de X-stralen ontdekt. Maar niet alle cathodestralen worden door de anode opgevangen, een deel gaat verder en bereikt de glazen omhulling die dan heel lichtjes oplicht (fluorescentie). Later zal men het effekt versterken door de binnenwand te bekleden met een fluorescerende stof.

Men kan de "straling" afbuigen met een magneet of een electrisch veld. Dit is interessant, maar de buis van Crookes is maar een curiositeit: de buis werkt enkel goed bij een bepaalde partiële druk zodat er juist genoeg ionen vrijkomen. Indien de druk te laag is worden er te weinig ionen gevormd, en dus te weinig electronen, is de druk te hoog, dan worden de vrijgekomen electronen onderweg weer opgevangen door de gasmoleculen.

Een ferme verbetering is de gloeidraad, die voor een constante electronenstroom zorgt. Men kan de hoogspanning verlagen tot meer handelbare spanningen en er zijn geen ionen meer nodig om de buis te doen werken (in tegendeel). De buis werkt het best als die volledig luchtledig is. Dankzij de gloeidraad (en het vacuum) kan men buizen bouwen die de electronenstroom kunnen sturen: triodes, pentodes, maar ook cathodestraalbuizen die in oscilloscopen en televisies gebruikt worden. De benaming "kathodestraalbuis" is een overblijfsel van het tijdperk toen men nog niet wist wat deze "stralen" precies waren.

De eerste kathodestraalbuizen worden in 1931 gebouwd. De afbuiging van de electronenstroom is electrostatisch, door evenwijdige platen waarop er een spanning aangelegd wordt. De sturing is push-pull zodat men een hogere afbuiging kan bekomen met een lagere wisselspanning. Er zijn twee platen voor de verticale afbuiging (het signaal dat gemeten moet worden) en twee platen voor de horizontale afbuiging (het signaal van de tijdsbasis).

Een oscilloscoopbuis (canon) bevat volgende onderdelen:

1. buisvoet met talrijke aansluitingen
2. gloeidraad
3. cathode (enkel de voorkant straalt electronen uit, zo'n oppervalkte van minder dan 1 vierkante mm)
4. stuurrooster (wehnelt) die de intensiteit van de electronenstraal regelt, maar ook een invloed heeft op de scherpte van de spot
5. de versnellingselectrode die op een hoge spanning geplaatst wordt
6. de focusseringselectrode, als men de helderheid van de spot verandert moet men soms de scherpstelling bijstellen
7. de horizontale afbuigplaten
8. een electrostatisch scherm
9. de verticale afbuigplaten

Soms worden de verticale en horizontale afbuigplaten omgewisseld. De invloed van de platen dicht bij de cathode is sterker en voor bepaalde toepassingen heeft men liever een grotere verticale gevoeligheid. De maximale afbuighoek is gewoonlijk 5°.

Indien de beelbduis in een televisie gebruikt werd, werden de horizontale platen als eerste geplaatst omdat het scherm meer breed is dan hoog. Bij een normale skoop staan de verticale afbuigplaten eerst zodat de amplitude van het signaal kleiner kan zijn..

Men gebruikt altijd een electrostatische afbuiging, die gemakkelijker gebruikt kan worden als men verschillende frekwenties moet weergeven. Bij magnetische afbuiging is men beperkt in de maximale frekwentie die men kan halen ten gevolge van de zelf-inductie van de spoelen.

Oscilloscoopbuizen werden in de allereerste televisies gebruikt. In Europa is men snel overgestapt op magnetische afbuiging (zelfs voor de tweede wereldoorlog), zodat men afbuighoed van 50° kon halen (kortere buizen). In de Verenigde Staten is men electrostatische afbuiging blijven gebruiken tot in de jaren 1950. Door een afgestemde kring te gebruiken kon men hogere spanningen op de electrodes zetten, zodat men een afbuighoek van 15° kon halen. De afbuigfrekwentie ligt immers vast op 60 en 15.750Hz.

Vergelijking met televisiebuizen

Het is in theorie nog altijd mogelijk om een televisiebeeld te tonen op een oscilloscoopscherm indien de skoop een Z-ingang heeft die het mogelijk maakt de intensiteit van de spot te veranderen. De Paco ES-550B (Precision Apparatus Corporation) heeft een dergelijke ingang en kan ook in XY modus werken, waarbij de eigen tijdsbasis niet meer gebruikt wordt.

Bij televisietoestellen is men overgestapt van een electrostatische afbuiging naar een electromagnetische afbuiging (met stroomspoelen die rond de hals van de buis geplaatst worden). Dankzij de electromagnetische afbuiging kan men de electronenstroom sterker afbuigen en kunnen de buizen korter gemaakt worden.

Maar oscilloscopen moeten noodzakelijkerwijze electrostatische afbuiging blijven gebruiken, die is de enige afbuiging die correct werkt op alle mogelijke frekwenties. De kathodestraalbuizen die in oscilloscopen gebruikt worden moeten dus noodgedwongen lang zijn.

Traditionele oscilloscoop

De oscilloscopen werden veelvuldig gebruikt tijdens de tweede wereldoorlog om het signaal van de radar te tonen. In die tijd was het nog niet mogelijk een directe aflezing van de positie van een vijandig schip of vliegtuig te bepalen, men moest het signaal van verschillende oscilloscopen samen interpreteren: één skoop gaf de afstand weer, een andere skoop gaf de azimuth weer en een derde de elevatie (zie de pagina over de geschiedenis van de radar).

De tijdbasis levert een zaagtandsignaal die lineair stijgt, om dan snel terug te vallen. Tijdens de terugslag wordt de spot onderdrukt. De tijdbasis kan gesynchroniseerd worden het het signaal dat onderzocht moet worden (het is enkel mogelijk repeterende signalen weer te geven). Ook de tijdbasis van een televisietoestel werkt met zaagtandsignalen en de spot wordt ook onderdrukt tijdens de terugslag.

We zullen niet de volledige werking van een oscilloscoop uitleggen. Een belangrijke instelling is echter de XY modus waarbij men een signaal op de X en de Y ingang aanlegt. De X ingang krijgt bijvoorbeeld de ingangsignaal van een module, terwijl de Y ingang de uitgangssignaal van de module krijgt. Zo kan men controleren of de module lineair werkt.

Deze modus kan ook gebruikt worden om de lineariteit van AM zenders te bepalen. Op deze pagina zie je oscilloscoopbeelden van een AM zender, zowel de klassieke beelden (omhullende) als de beelden in XY modus (de bekende trapeze beelden).

De XY modus kan ook gebruikt worden om de werking van een transistor te bepalen (tekenen van de karacteristieke curven). Er bestaan kant-en-klare modules die je op een oscilloscoop kan aansluiten en die de transistor automatisch uitmeten.

De digitale oscilloscopen worden op een nieuwe pagina besproken.

Schakeling van de PACO ES 550B

Dit was mijn eerste oscilloscoop, die in in de jaren 1980 van mijn vader gekregen had. Hij had een bandbreedte tot 5MHz, wat voldoende was om herstellingen aan kleurentelevisies te doen (de kleuren hulpdraaggolf bedroeg 3.579545MHz in de Verenigde Staten (NTSC)).

De zeer hoge spanning die nodig is voor de beeldbuis wordt opgewekt vanaf de voedingstransfo met een spanningsverdubbelaar bestaande uit twee buizen 1V2 die zowel de positieve spanning leveren (voor de versnellingsanode) als de negatieve spanning (voor de cathode en de roosters).

Dan hebben we de normale hoogspanning die opgewerkt wordt door een 5V6 een dubbele gelijkrichterbuis. Er is een smoorspoel en de voorversterkertrappen worden gevoed met een gestabiliseerde spanning afkomstig van een stabilisatiebuis OA2 (een soort neonbuis).

Er wordt ook een calibratiespanning opgewekt door middel van de gloeispanning (wisselspanning) die beperkt wordt door twee selenium gelijkrichters.

De verticale afbuiging bestaat uit de volgende buizen:

• 12AV7, buffertrap en eerste versterkertrap, de buis is vergelijkbaar met een PCC84, een dubbele triode die in VHF tuners gebruikt wordt.
• 6U8, triode-pentode, met d epentode als versterkerbuis en de triode als fasedraaier om de push pull aan te sturen. De buis komt overeen met een PCF82 een buis die in de VHF band gebruikt wordt).
• 6CL6, een pentode die als video-eindtrap gebruikt wordt in televisietoestellen (komt overeen met een PL83). We hebben een push pull schakeling zodat er een sterke afbuiging mogelijk is met een relatief lage ingangsspanning.

• 6U8 met de triode als buffertrap en de pentode als versterkertrap.
• 6C4 een vermogenstriode die geen equivalent in Europa heeft, gebruikt als fasedraaier.
• 12BH7 een dubbele triode (vergelijkbaar met ECC82), gebruikt in push pull modus.

De skoop heeft een Z ingang (modulatie van de kathodestraalstroom) en een directe X en Y ingang zodat je d eingebouwde versterkers kan uitschakelen. De verschillende vertsrekertrappen zijn niet DC-gekoppeld (zoals de meeste buizenvertserkers), een gelijkspanning kan niet getoond worden.