Tài liệu Bài tiểu luận - tìm hiểu về oscilloscope

  • Số trang: 11 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 649 |
  • Lượt tải: 0
quangtran

Đã đăng 3721 tài liệu

Mô tả:

Cntlmh – Học viện hàng không việt nam. A. Mở đầu: I. Lịch sử: Trong kỹ thuật đo lường điện tử, quan sát dạng của tín hiệu là một trong những yêu cầu cơ bản để xác định tín hiệu( thường được biểu diễn theo quan hệ biến thiên theo thời gian hay theo quan hệ tần số). Oscilloscope là thiết bị giúp ta làm được điều đó, chúng vẽ được trực tiếp đồ thị biến thiên của tín hiệu, giúp ta dễ dàng quan sát dạng( phân biệt được các loại cụ thể tín hiệu) và xác định được chính xác các đại lượng cần đo. Năm 1826, Johann Poggendorff phát minh ra điện kế gương để phát hiện dòng điện. Năm 1880, Jules Francois Joubert phát minh ra Hand-drawn oscillograms – là tiền thân của máy hiện sóng hiện đại, bằng phương pháp “step by step”. Tiếp theo đó là sự ra đời của ondograph hospitalier( còn được gọi là oscillographs) vào năm 1903. Mặc dù sự ra đời của oscillograms, oscillographs(Ondograph Hospitalier), mirror galvanometer( điện kế gương) là bước đột phá quan trọng, nhưng tất cả ba kỹ thuật hiển thị điện áp này quá chậm, điều đó dẫn đến sự ra đời của ống tia cathode( CRT – thành phần quan trọng của oscilloscope), được đề xuất bởi Albert Hess và Ferdinand Braun trong những năm 1890, tuy nhiên mãi đến những năm 1920 màn hình CRT mới trở thành thực tế và phổ biến, vậy đến năm 1920 oscilloscope được sử dụng rộng rãi, nó đã khắc phục được sự chập chạp của các thế hệ trước. Năm 1985, tổng công ty LeCroy giới thiệu máy hiện sóng số đầu tiên, một phiên bản trên máy tính của máy hiện sóng tương tự. Ngày nay oscilloscope có thể coi là một máy đo vạn năng, không những dùng rộng rãi trong ngành điện tử, mà còn được dùng nhiều trong các lĩnh vực khác, như các biến đổi trong cơ học, sinh vật học, y học…(được thực hiện bằng cách chuyển đổi năng lượng cần đo sang dạng năng lượng điện). Trong kỹ thuật điện tử, tần đoạn thường là cao tần nên hầu hết oscilloscope là loại không có quán tính( dao động ký điện tử), bao gồm loại tia bị khống chế bởi từ trường và điện trường. Trong đo lường oscilloscope được sử dụng nhiều là loại tia điện tử bị khống chế bởi từ trường. II. Mục đích sử dụng và các loại oscilloscope dùng trong đo lường điện tử. Trong đo lường điện tử, khi chỉ quan sát tín hiệu biến đổi liên tục hay tín hiệu xung, với tần số lặp lại tương đối cao, và chỉ cần các thông số chính( biên độ, độ rộng) thì có thể chỉ dùng loại oscilloscope tương tự( analog) – đây cũng chính là chủ đề chính trong bài tiểu luận. Cntlmh – Học viện hàng không việt nam. Oscilloscope tương tự(analog) Khi cần đo lường, quan sát đồng thời hơn một tín hiệu( để có thể so sánh trực tiếp dao động của chúng), ta dùng loại oscilloscope nhiều kênh, ưu điểm của chúng là cho phép ta đánh giá, so sánh các thông số, đặc tính của chúng một cách nhanh chóng và hiệu quả. Thường oscilloscope hai kênh có hai hệ thống súng điện tử riêng biệt trong cùng một ống phóng tia điện tử; oscilloscope nhiều hơn hai kênh sử dụng thiết bị chuyển mạch điện tử trợ giúp( có thể vẽ đồng thời từ 2, 4,….14 dao động). Cách thức chuyển mạch thông dụng là chuyển mạch phân kênh theo thời gian và chuyển mạch phân kênh theo biên độ( theo mức). Oscilloscope loại 4 kênh. Khi cần nghiên cứu, đo lường tín hiệu độc lập( không lập lại, còn gọi là phi chu kỳ) ta dùng loại oscilloscope không đồng bộ(thường dùng loại oscilloscope không đồng bộ có nhớ). Tùy theo yêu cầu nghiên cứu và tùy thuộc vào tần số tín hiệu mà ta chọn có nhớ kiểu tương tự và có nhớ kiểu số. Khi cần nghiên cứu tín hiệu xung có độ rộng nhỏ hay tần số cao( tín hiệu siêu cao tần) thì dùng oscilloscope hoạt nghiệm, được thực hiện theo phương pháp lấy mẫu( oscilloscope stroboscope). Khi yêu cầu nghiên cứu chi tiết, cụ thể hơn về thông số cũng như đặc tính của tín hiệu hay muốn đo các thông số khác của nó, muốn xử lý kết quả quan sát, so sánh giá trị chuẩn… ta cần chọn oscilloscope có cấu tạo cài đặt bộ vi xử lý( microprocessor). Ở phần sau chúng ta sẽ tìm hiểu sơ đồ khối của oscilloscope cũng như tính năng, tác dụng của từng khối. Cntlmh – Học viện hàng không việt nam. B. Sơ đồ khối và chức năng của nó: I. Sơ đồ khối cấu tạo Oscilloscope: Bao gồm 4 phần: 1. Ống tia điện tử( chúng ta có thể thấy trên hình-1chỗ CRT hoặc hình 2) 2. Kênh lệch đứng Y. 3. Kênh lệch ngang X và đồng bộ. 4. Kênh Z( khống chế độ sáng). Hình 1. Sơ đồ khối chức năng của Oscilloscope một kênh. II. Chức năng và cấu tạo: 1. Ống tia điện tử: a) Chức năng: Là bộ phận trung tâm của oscilloscope, sử dụng loại ống 1 tia khống chế bằng điện trường. Có nhiệm vụ hiển thị dạng sóng trên màn hình và là đối tượng điều khiển chính( Uy, Ux,UG). Cntlmh – Học viện hàng không việt nam. Hình 2. Ống tia điện tử. b) Cấu tạo: Hình 3. Cấu tạo của ống tia điện tử. Ống tia điện tử CTR( viết tắc của từ Cathode Ray Tube) là 1 ống thủy tinh hình trụ, đầu có chứa các điện cực, phía cuối loe ra hình nón cụt, mặt đáy được phủ 1 lớp hình quang tạo thành màn hình. Cấu tạo gồm 3 phần:  Màn hình: Lớp huỳnh quang ( được chỉ rõ trên hình vẽ) là hợp chất photpho. Ta sẽ lấy một điện tử được bắn tới màn hình làm ví dụ. Khi có một điện tử bắn tới màn hình (do màn hình dày đặc hợp chất của Photpho nên xác xuất trúng nguyên tử PhotPho gần như 100%), điện tử sẽ truyền động năng( do điện tử chuyển động cực nhanh nên động năng rất lớn) cho các điện tử lớp ngoài cùng làm cho các điện tử này nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao và tồn tại trong thời gian rất ngắn rồi nhảy về mức năng lượng thấp( do nó không đủ năng lượng để bức khỏi nhân) và phát ra photon ánh sáng – theo thuyết lượng tử ánh sáng. Màu sắc ánh sáng cũng như thời gian tồn tại của điểm sáng( độ dư huy của màn hình) phụ thuộc vào hợp chất Photpho – thường từ vài µs đến vài s.  Súng điện tử: Cntlmh – Học viện hàng không việt nam. Gồm sợi đốt F, catot K, lưới điều chế G( M), các anot A1, A2. Nhiệm vụ: tạo gia tốc và hội tụ chùm tia điện tử. - Các điện cực có dạng hình trụ( làm bằng Niken), riêng Katot có phủ lớp Oxit kim loại để tăng khả năng bức xạ điện từ. - Các điện cực phía sao có vành rộng hơn điện cực trước và có nhiều vách ngăn. Mục đích: các chùm tia điện tử không đi quá xa trục ống, việc hội tụ sẽ dễ dàng hơn. Với cấu tạo đặc biệt này sẽ tạo ra 1 từ trường không điều đặc biệt có thể hội tụ và gia tốc chùm tia. Nguồn cấp: UK = -2 kV. UKG = 050 V. UA2 = 0 V. UA1 = 300 V. Lưới điều chế G được cấp điện âm so với K và được ghép sát K  dễ dàng điều chỉnh cường độ của chùm điện tử bắn tới màn hình. Chiết áp trên G( điều chỉnh điện áp) thường được đưa ra mặt ngoài của máy và ký hiệu là Bright hoặc Intensity dùng để điều chỉnh sáng tối của dao động đồ trên màn hình. Anot A1( anot hội tụ) cũng có chiết áp điều chỉnh đưa ra ngoài mặt máy, ký hiệu là Focus dùng để điều chỉnh độ hội tụ của chùm tia điện tử trên màn hình. Anot A2( anot gia tốc) thường được nối đất để tránh méo dao động để khi điện ấp cung cấp cho các điện cực không phải là điện áp đối xứng.  Hệ thống lái tia: Làm lệch chùm tia điện tử bắn tới màn hình theo chiều đứng hoặc chiều ngang của màn hình. Cấu tạo: gồm hai cặp phiến làm lệch được đặt trước, sau và bao quanh trục của ống:  Cặp lái đứng Y1Y2.  Cặp lái ngang X1X2. 2. Kênh lệch đứng Y: nhận tín hiệu vào cần quan sát, biến đổi và tạo ra điện áp phù hợp cung cấp cho cặp lái đứng Y1, Y2. Gồm các khối chức năng:  Chuyển mạch kết nối đầu vào S1: cho phép chọn chế độ hiển thị tín hiệu.  S1 tại AC: chỉ hiển thị thành phần xoay chiều của Uth.  S1 tại DC: hiển thị cả thành phần một chiều và xoay chiều của Uth.  S1 tại GND: chỉ quan sát tín hiệu nối đất( 0V).  Mạch vào phân áp Y: có nhiệm vụ phối hợp trở kháng và phân áp tín hiệu vào để tăng khả năng đo điện áp cao. Thường dùng các khâu phân áp R – C mắc liên tiếp nhau, hệ số phân áp không phụ thuộc vào tần số. Chuyển mạch phân áp được đưa ra ngoài mặt máy và kí hiệu là Volts/Div.  Tiền khuếch đại: Có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu, làm tăng độ nhạy chung của kệnh Y( thường cho các mạch khuếch đại có trở kháng vào và hệ số khuếch đại lớn) Cntlmh – Học viện hàng không việt nam.  Dây trễ: có nhiệm vụ giữ chậm tín hiệu trước khi đưa tới khuếch đại Y đối xứng, thường dùng trong các chế độ quét đợi để tránh mất một phần sường trước của tín hiệu khi quan sát. Thường các khâu L – C mắc nối tiếp.  Khuếch đại Y đối xứng: có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu, làm tăng độ nhạy chung của kênh Y, đồng thời tạo điện áp đối xứng để cung cấp cho cặp lái đứng Y1Y2.  Tạo điện áp chuẩn: tạo ra điện áp chuẩn có biên độ, tần số biết trước, dùng để kiểm chuẩn lại các hệ số lệch tia của oscilloscope. 3. Kênh lệch ngang X và đồng bộ: có nhiệm vụ tạo ra điện áp quét phù hợp về dạng và đồng bộ về pha so với UY1Y2 để cung cấp cho cặp lái ngang X1X2.  Chuyển mạch đồng bộ S2: cho phép ta chọn các tín hiệu đồng bộ khác nhau. S2 tại CH: tự đồng bộ( Uđb = Uth) S2 tại EXT: đồng bộ ngoài( Uđb = UEXT), tín hiệu đồng bộ được đưa qua đầu vào EXT. S2 tại LINE: đồng bộ với lưới điện AC 50Hz( Uđb = UAC50Hz lấy từ nguồn nuôi.  Khuếch đại đồng bộ và tạo dạng: Khuếch đại tín hiệu Uđb phù hợp và tạo ra dạng xungnhọn-đơn-cực-tính có chu kỳ: Tx = Tđb  Tạo xung đồng bộ: chia tần Ux và tạo ra xung đồng bộ có chu kỳ: Txđb = nTx = nTđb. Xung này sẽ tạo điều khiển bộ tạo điện áp quét để tạo ra Uq răng cưa tuyến tính theo chế độ quét đợi hoặc quét liên tục và có chu kỳ Tq = Txđb  Khuếch đại X đối xứng: khuếch đại điện áp quét và tạo ra điện áp đối xứng để đưa tới cặp lái ngang X1X2.  Mạch vào và khuếch đại X: nhận tín hiệu UX và khuếch đại, phân áp phù hợp.  Chuyển mạch S3: chuyển mạch lựa chọn chế độ quét( quét liên tục, quét đợi).  Bộ tạo điện áp quét: tạo điện áp quét liên tục( hoặc quét đợi) đưa đến cặp phiến X. 4. Kênh điều khiển chế độ sáng Z: có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều chế độ sáng Uz vào, thực hiện chọn cực tính và khuếch đại phù hợp rồi đưa tới lưới điều chế G của CRT. III. Quỹ đạo của chùm tia điện tử: Chúng ta sẽ xem xét chùm tia điện tử từ lúc được bắn ra đi đến màn hình hiển thị và nguyên lý tạo ảnh trên màn hình hiển thị. 1. Xét quỹ đạo của chùm tia điện tử khi đi qua điện trường của 2 Anot A1, A2:  UA2 > UA1 : đường sức điện trường có chiều từ A2 đến A1.  Electron chuyển động theo chiều từ A1 tới A2 ta có thể phân tích thành hai thành phần lực, một thành phần theo phương vuông góc với chùm tia và một thành phần dọc theo chùm tia. Cntlmh – Học viện hàng không việt nam.  Tại điểm A: chùm electron có khuynh hướng chuyển động dọc theo phương trục ống, đồng thời hội tụ với nhau theo phương bán kính của chùm tia  Tại B: thành phần lực theo phương bán kính đổi chiều ngược lại chùm electron có khuynh hướng phân kỳ khỏi tâm theo phương bán kinh. Tuy nhiên do cấu tạo điện cực, sự phân bố của đường sức ở B ít bị công hơn ở A  phân lượng vận tốc ở B nhỏ hơn ở A khuynh hướng hội tụ của chùm electron lớn hơn khuynh hướng phân kỳ được nói đến ở trên electron sẽ di chuyển đến điểm O giữa màn hình. 2. Xét độ lệch của tia điện tử theo chiều đứng:  Khi Uy = 0: tia điện tử bắn tới chính giữa màn hình tại điểm O.  Khi Uy khác 0: điện trường giữa các phiến làm việc lệch sẽ làm lệch quỹ đạo của tia điện tử theo chiều đứng và bắn tới màn hình tại vị trí M, lệch một khoảng là y, ta có hình sau: Độ nhạy của ống tia điện tử được tính như sau: Với: o Ly: khoảng cách từ cặp lái đứng đến màn hình. o ly: chiều dài của các cặp phiến làm lệch. o dy: khoảng cách giữa hai phiến làm lệch. o UA: điện áp gia tốc của ống tia( phụ thuộc vào UA2 và K). Tương tự độ lệch tia điện tử theo chiều ngang: Cntlmh – Học viện hàng không việt nam. 3. Nguyên lý tạo ảnh trên máy hiện sóng: Điều khiển đồng thời tia điện tử theo hai trục: trục thẳng đứng và trục nằm ngang( đưa vào đèn ống tia điện tử 2 điện áp điều khiển UY và UX. Giả sử Uth = Umsinωt đưa vào kênh Y và đưa tới cặp lái đứng Y1Y2; Uq = a.t đưa tới cặp lái ngang X1 X2điện áp trên các cặp lái tia như sau: Uy =Uy1y2 = Uth.Sy với Sy = Ky.Soy 4. Mạch tạo điện áp quét đợi( mạch Boostrap) Nhận xét: D thông, tầng T1 hoạt động như 1 mạch TF đơn giản, T1 – khóa điện tử. Điện áp trên tụ C T2 C*. điện áp bù đưa về điểm X để bù méo do sự giảm dòng điện trên R gây ra. Hoạt động: : a) Trạng thái ban đầu( t1>=t>=0): - D thông : Ux = EC –UD gần bằng Ec - T1 thông bão hòa : Uc = UCbh = gần bằng 0V. - UC* = Ux – Uq gần bằng EC b) Trạng thái tạo Uq( t3>=t>=t1) : t = t1 : Uđk có độ rộng τ = t2-t3 T1 tắt  tụ C nạp điện theo 2 giai đoạn :  Giai đoạn 1 : t1<=t<=t2 Khi D còn thông, khi C nạp điện  UC tăng Uq tăng, thông qua tụ C* làm cho UX tăng, nhưng D còn thông nên Uq tăng theo quy luật đường công. Cntlmh – Học viện hàng không việt nam.  Giai đoạn 2 : Khi t1 = t2 : UX tăng lơn hơn EC. UX tăng theo quy luật tuyến tính vì khi UC tăng Uq tăng và do C*>>C nên UX tăng tương ứng. UR = UX – UC = constant. Từ đó IR= constant, vậy dòng nạp cho tụ C không đổi, với thời gian nạp là tq = t3 – t2. c) Trạng thái hồi phục :  t = t3 : kết thúc xung đầu vào, T1 bão hòa, tụ C phóng điện qua T1UC giảm nên Uq =>UX giảm.  t = t4 : UX<=EC  D thông trở lại =>Tụ C* được nạp bổ sung, khi C* được nạp đầy thì thời gian hồi phục kết thúc. Nhận xét : - Trong giai đoạn tạo quét tq, UC tăng tuyến tính nhờ nguồn nạp chính là C* có trị số cực lớn để tích điện( làm nhiệm vụ giống như nguồn một chiều nạp cho C). - Để giảm méo phi tuyến  tầng khuếch đại T2 phải được điều chỉnh sao cho kU 1(R phải đủ lớn). - Tụ C* phải lớn nhưng không quá lớn vì nếu quá lớn thì thời gian hồi phục của mạch tăng. - Tụ C phải nhỏ nhưng không được chọn nhỏ quá( nếu tự C quá nhỏ sẽ tương đương như tụ kí sinh mạch làm việc không ổn định). 5. Một số chế độ làm việc : a) Quét liên tục đồng bộ trong (ngoài )  Dùng để quan sát ảnh của tín hiệu liên tục theo thời gian và đo các tham số của chúng.  S2 ở vị trí CH( hoặc EXT nếu là đồng bộ ngoài), S3 ở vị trí 2.  Tín hiều từ lối vào kênh Y, qua « mạch vào và bộ phân áp » Y được khuếch đại tới một mức nhất định, sau đó được giữ chậm lại rồi đưa qua bộ khuếch đại Y đối xứng để tạo 2 tín hiệu có biên độ đủ lơn, đảo pha nhau đưa tới 2 phiến đứng. b) Quét đợi đồng bộ trong :  Dùng để quan sát và đo tham số của dãy xung không tuần hoàn hoặc dãy xung tuần hoàn có độ hổng lớn.  S2 ở vị trí CH, S3 ở vị trí 1.  Quát trình hoạt động: giống chế độ 1. c) Chế độ khuếch đại:  Dùng để đo tần số, góc lệch pha, độ sâu điều chế, vẽ đặc tuyến Vôn-Ampe của diot hoặc dùng làm thiết bị so sánh. HÌnh nhận được trên màn oscilloscope gọi là hình Lixazu.  S3 ở vị trí 3.  Bộ tạo quét trong được ngắt ra khỏi quá trình hoạt động. Oscilloscope làm việc theo 2 kênh độc lập X, Y và đầu vào X cũng là đầu vào tín hiệu. Cntlmh – Học viện hàng không việt nam. Phần B- Lý thuyết đến đây là hết, phần tiếp theo sẽ trình bày về ứng dụng của Oscilloscope. C - Ứng dụng của oscilloscope: 1. Dùng để đo biên độ và chu kỳ:  Đo biên độ: Phụ thuộc vào nút phân tầm đo (theo đơn vị Volts/Div). Ví dụ: Votls/Div chỉ ở: n, khoảng cách hai đỉnh của sóng là m thì Vp-p = n.m.  Đo chu kỳ: Phụ thuộc vào nút chu kỳ của tín hiệu quét răng cưa( đơn vị là µ sec/div). Ví dụ: giả sử để ở k sec/div, một chu kỳ có l ô ngang thì chu kỳ là : T= k.l. 2. Đo sự lệch pha giữa hai tín hiệu: Hai tín hiệu lệch pha nhau một khoảng thời gian Δt Hai tín hiệu phải cùng chu kỳ và cùng biên độ. Cách tính: giả sử hai tín hiệu lệch nhau a ô trên mà hình oscilloscope, khoảng thời gian lệch đó là Δt( hình vẽ); một chu kỳ T có b ô áp dụng công thức tam suất ta được: Δt = 3. Xác định thời gian lên( rise time) và thời gian xuống (fall time): từ 10% biên độ đến 90% biên độ  Thời gian lên: tr = (số ô lên) x (time/div)  Thời gian xuống: tf = (số ô xuống ) x (time/div) 4. Vẽ đặc tuyến volt-ampere của linh kiện điên tử: Cntlmh – Học viện hàng không việt nam. Ta có thể đùng oscilloscope để vẽ đặc tuyến của Id = f(Vd). Sau đây là ví dụ vẽ đặc tuyến volt-ampere của oscilloscope:  Hinh a) Mạch vẽ đặc tuyến V-I của diod.  Hình b) Đặc tuyến V-I của diod trên màn hình dao động ký.  Hình c) Mạch vẽ đặc tuyến VCF-IC của transistor BJT theo thông số IB  Hình d) Đặc tuyến VCF – IC trên màn hình dao động ký. Project finish. ** Tài liệu tham khảo: Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử - tác giả Vũ Quý Điềm, Phạm Văn Tuân, Đỗ Lê Phú. -Cơ sở đo lường điện tử - Học viện bưu chính viễn thông. -Đo lường điện tử - tác giả: Dư Quang Bình. -http://en.wikipedia.org/wiki/Oscilloscope_history -http://www.ehow.com/about_5817217_history-oscilloscopes.html Và một số nguồn từ internet( chủ yếu là hình ảnh).
- Xem thêm -