Bài giảng Cơ sở kĩ thuật đo lường điện tử: Chương 3 - TS. Phạm Hải Đăng

Chương 3 - Quan sát và đo lường dạng tín hiệu. Nội dung chính trong chương này gồm có: Các khái niệm chung, cấu tạo Oscillo, công dụng của Oscillo, Oscillo nhiều kênh, Oscillo quan sát tín hiệu siêu cao tần, Oscillo điện tử số. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chương 3: 3: Quan Quan sát sát và và đo đo lường lường dạng dạng tín tín hiệu hiệu

Nội dung chính:

1 Các khái niệm chung.

2 Cấu tạo Oscillo

3 Công dụng của Oscillo

4 Oscillo nhiều kênh

5 Oscillo quan sát tín hiệu siêu cao tần

6 Oscillo điện tử số

3.1

3.1 Khái Khái niệm niệm chung chung

Quan sát dạng tín hiệu là một yêu cầu cơ bản trong kĩ thuật đo lường

điện tử.

 Để quan sát dạng tín hiệu, yêu cầu cần có thiết bị vẽ được trực tiếp dạng

biến thiên của tín hiệu.

 Từ đó có thể xác định định tính nhanh chóng, phân biệt các dạng tín hiệu

Cũng có thể định lượng khá chính xác đại lượng cần đo.

( )

u = f t

Thiết bị trực tiếp dùng để nghiên cứu dạng tín hiệu là dao động kí (hay còn gọi

là máy hiện sóng, oxilo) (oscilloscope)

Từ chức năng chính là hiển thị trực tiếp dạng tín hiệu, Oscillo còn được dùng

để đo biên độ, tần số, độ di phaT của tín hiệu.

3.1

3.1 Khái Khái niệm niệm chung chung

Lịch sử phát triển của Oscillo

1 Hand-draw Oscilograms: Đo tốc độ của động cơ

2 Automatic paper-drawn oscillograph: tự động vẽ dạng

sóng trên cuộn giấy.

3 CRT (Cathode Ray Tube): sử dụng ống tia điện tử để

hiển thị dạng sóng trên màn huỳnh quang.

4 Digital oscilloscopes: Oxilo điện tử

5 PC-Based oscilloscopes: sử dụng màn hình máy

tính, CPU, RAM, I/OT để lưu trữ và hiển thị dạng

sóng.

http://en.wikipedia.org/wiki/Oscilloscope#History

3.1

3.1 Khái Khái niệm niệm chung chung

Sơ đồ nguyên lí của Oscillo tương tự (CRT)

3.2

3.2 Cấu Cấu tạo tạo Oscillo Oscillo

3.2.1 Cấu tạo của CRT

 Súng điện tử, gồm có các điện cực: sợi đốt F, cathode K, lưới điều chế M,

anode A1, A2T

(phosphorus).

 Vách thành cuối ống có một lớp than chì dẫn điện từ cặp phiến làm lệch

tới màn huỳnh quang.

F

VK

Lớp phosphorus

3.2.1

3.2.1 Cấu Cấu tạo tạo của của CRT CRT

Cấu tạo của súng điện tử - Nguyên lí tiêu tụ chùm tia điện tử:

Sợi đốt F có nhiệm vụ nung nóng cathode K phát xạ chùm điện tử Điện trường tạo ra

do chênh lệch điện áp giữa lưới M, anode A1, A2 có tác dụng hội tụ và tăng tốc chùmđiện tử tới màn huỳnh quang

Điện trường giữa 2 anode A1, A2 (được mô tả trên hình vẽ) có tác dụng hội tụ chùm

điện tử vào trục chính của súng điện tử => A1: Anode tiêu tụ

Các lỗ nhỏ tại lưới M, anode A1, A2 cũng có tác dụng chắn các điện tử phân tán lệch

uuuur

Điện áp (hiệu điện thế giữa 2 anode A1

và A2) được chọn có giá trị đủ lớn để chùm

tia điện tử có vận tốc đủ để bắn tới màn

huỳnh quang và phát sáng với cường độ đủ

lớn => A2: Anode tăng tốc

3.2.1

3.2.1 Cấu Cấu tạo tạo của của CRT CRT

Hệ thống cặp phiến làm lệch – Nguyên lí lái chùm tia điện tử:

Hệ thống lái tia bao gồm 2 cặp phiến X, Y

 X: cặp phiến làm lệch ngang

 Y: cặp phiến làm lệch đứng

Giữa cặp phiến Y có hiệu điện thế và

điện trường trong không gian giữa cặp phiến.

Độ lệch của tia điện tử do cặp phiến phụ thuộc các yếu tố:

Y U

uur

y

Độ lệch của tia điện tử do cặp phiến phụ thuộc các yếu tố:

 Cường độ điện trường giữa 2 cặp phiến (đặc trưng bởi )

 Thời gian (hay quãng đường ) chịu tác động của điện trường lái tia

 Ngoài ra, vận tốc ban đầu của chùm tia và khoảng cách tới màn huỳnh quang cũng

dU

=

0.2 1( mm V / ) / Y ( / )

3.2.1

3.2.1 Cấu Cấu tạo tạo của của CRT CRT

Màn huỳnh quang:

Lớp phosphorus (chất huỳnh quang) được quét mỏng 1 hoặc vài lớp

phía bên trong ống tia điện tử.

Khi có chùm điện tử bắn vào, lớp huỳnh quang sẽ phát sáng và ánh

sáng được duy trì trong 1 khoảng thời gian – độ dư huy của màn hình.

Tuỳ thuộc vào tín hiệu cần quan sát để lựa chon thiết bị có độ dư huy

khác nhau:

 Tín hiệu có tần số thấp cần màn hình có độ dư huy cao, và ngược lại.

Độ duy huy của màn hình và tính chất lưu ảnh trên võng mạc của mắt

người có ảnh hưởng đến việc quan sát tín hiệu trên màn hình oscillo.

Màu sắc ánh sáng của màn huỳnh quang có thể thay đổi.

3.2.2

3.2.2 Bộ Bộ tạo tạo điện điện áp áp quét quét

Nguyên lí quét đường thẳng:

Để hiện thị dạng tín hiệu biến thiên theo thời gian trên màn Oscillo, ta cần đưa đưa điện

áp điều khiển lên 2 cặp phiến làm lệch:

 Điện áp của tín hiệu đưa lên cặp phiến Y

 Điện áp quét răng cưa đưa lên cặp phiến X

th

U

q

U

trên cặp phiến X và Y, chùm điện tử bị tác

động theo 2 phương x và y sẽ vẽ lên màn

X

Y

th

U →Y

động theo 2 phương x và y sẽ vẽ lên màn

hình oscillo dạng tín hiệu theo thời gian.

Ví dụ: để hiển thị tín hiệu hình sin, tín hiệu đưa lên cặp phiến

Y cũng là tín hiệu sin.

Tín hiệu đưa lên cặp phiến X là xung răng cưa lí tưởng Một

chu kì xung răng cưa tương ứng với thời gian kéo chùm tia

điện tử quét hết chiều ngang của màn hình.

3.2.2

3.2.2 Bộ Bộ tạo tạo điện điện áp áp quét quét

Vấn đề đồng bộ:

Để “ổn định” dạng tín hiệu cần quan sát trên màn oscillo, chu kì của điện áp

quét phải thoả mãn quan hệ

sẽ xuất hiện những đường chồng lên nhau trên màn hình – Hiện tượng sóng

chạy.

T = nT

Câu hỏi:

bằng 2 lần chu kì tín hiệu sin cần quan sát.

3.2.2

3.2.2 Bộ Bộ tạo tạo điện điện áp áp quét quét

chu kì nạp

(tương ứng với thời gian vẽ chùm tia trên Oscillo)

m

U ng

t

Chu kì nghịch – Chu kì phóng (thời gian kéo chùm tia về vị trí ban đầu)

không đồng đều) Định lượng sự sai khác giữa điện áp quét lí tưởng và điện

áp quét thực tế => hệ số không đường thẳng

3.2.2

3.2.2 Bộ Bộ tạo tạo điện điện áp áp quét quét

Bộ tạo dao động điện áp quét có 2 chế độ làm việc:

Chế độ quét liên tục: Xung răng cưa điện áp quét liên tục theo thời gian Chế

độ quét liên tục phù hợp với việc quan sát tín hiệu tuần hoàn hoặc các tín hiệu xung có hệ số lớn ( là độ rộng xung, là chu kì xung).

Chế độ quét đợi: Xung răng cưa điện áp quét được tạo ra khi có tín hiệu kích

động Chế độ quét đợi phù hợp với việc quan sát tín hiệu xung có hệ số

3.2.3

3.2.3 Bộ Bộ khuếch khuếch đại đại của của Oscillo Oscillo

của tín hiệu được hiển thị.

 Dải thông của bộ khuếch đại phụ thuộc vào dải thông của tín hiệu.

cưa Ngoài ra, bộ khuếch đại X cũng để khuếch đại tín hiệu ngoài khi không

dùng bộ tạo quét răng cưa

3.3

3.3 Công Công dụng dụng của của Oscillo Oscillo

Oscillo dùng để hiện thị dạng tín hiệu Ngoài ra, nó còn được dùng để:

 Đo lường thông số đặc tính của tín hiệu: đo biên độ, tần số, độ di

phaT

 Đo lường các thông số đặc tính của mạch: đặc tuyến tần số, đặc

tuyến Volt-Amp

3.3.1

3.3.1 Đo Đo biên biên độ độ của của điện điện áp áp tín tín hiệu hiệu

đồ của điện áp cần đo với điện áp chuẩn đã biết trước trị số.

Trong thực tế, để ước lượng các thông số tín hiệu qua dạng tín hiệu, ta có thể

sử dụng các khoảng chia độ (divisions – div) trên màn hình oscillo

điều khiển

 Ví dụ: trên hình vẽ, 1div sẽ tương ứng với 1V điện áp (1 V/div) theo trục

Y 1div sẽ tương ứng với 0.2s (0.2s/div) với trục X.

3.3.2

3.3.2 Đặc Đặc tuyến tuyến biên biên độ độ tần tần số số

Đặc tuyến biên độ - tần số của mạng là một trong các thông số cơ bản của một mạng

bốn cực

Đặc tuyến biên độ - tần số cho biết phản ứng của mạch với từng thành phần tần số

khác nhau => dải tần làm việc của mạch điện

Sơ đồ nguyên lí:

Bộ tạo điện áp quét: tạo ra điện áp xung răng cưa đưa vào cặp phiến X

Bộ phát sóng điều tần có tác dụng tạo tín hiệu điều hoà hình sin với tần số được điều

khiển bằng mức điện áp quét

Điện áp điều hoà hình sin được đưa vào mạng bốn cực cần nghiên cứu, đầu ra được

đưa vào mạch tách sóng tạo điện áp điều khiển cặp phiến Y

Do đó, độ lệch tia theo trục X tương ứng

với tần số tạo ra bởi bộ điều chế FM

Trên màn Oscillo hiện thị tín hiệu theo

3.4

3.4 Cấu Cấu tạo tạo của của Oscillo Oscillo nhiều nhiều kênh kênh

Khi cần quan sát nhiều tín hiệu đồng thời, quá trình đo lường và so sánh sẽ dễ dàng khi

thực hiện trên cùng 1 oscillo

Oscillo nhiều kênh cho phép quan sát đồng thời nhiều tín hiệu.

Để thực hiện oscillo nhiều kênh:

1 Loại ống CRT được ngăn đôi và gồm nhiều hệ thống súng điện tử riêng biệt

Oscillo nhiều tia Tuy nhiên, do cấu tạo phức tạp và ảnh hưởng qua lại của điện

trường giữa các cặp lái, các oscillo loại này thường giới hạn 2 hệ thống lái tia =>

Oscillo hai tia

2 Loại ống CRT có tia điện tử được phát ra từ cùng 1 kathod Hệ thống súng điện tử

loại này được kết hợp với 1 chuyển mạch điện tử để điều khiển việc lái tia lên mànhiển thị

3.4.1

3.4.1 Cấu Cấu tạo tạo của của Oscillo Oscillo 2 2 kênh kênh

Sơ đồ khối của Oscillo 2 kênh:

(a) Súng điện tử gồm 2 hệ thống lái tia độc lập (a) Súng điện tử gồm 2 hệ thống lái tia độc lập

3.4.1

3.4.1 Cấu Cấu tạo tạo ống ống tia tia điện điện tử tử của của Oscillo Oscillo hai hai tia tia

Cấu tạo ống tia điện tử của Oscillo 2 tia tương tự với Oscillo 1 kênh

Điểm khác biệt là 2 súng điện tử riêng biệt (ngăn đôi ống tia).

Mỗi chùm điện tử được bắn lên màn hình với 2 hệ thống lái tia theo

trục Y1, Y2 độc lập sẽ vẽ lên màn hiển thị 2 vệt sóng.

Hai tín hiệu cần quan sát có cùng dải tần.

1

Y

2

Y

3.4.2

3.4.2 Oscillo Oscillo có có kết kết hợp hợp chuyển chuyển mạch mạch điện điện tử tử

A Phương pháp chuyển đổi luân phiên:

Tín hiệu vào Y được thay đổi luân phiên giữa

A và B

Thời gian chuyển mạch là khi tia điện tử quét

hết màn oscillo

Để quan sát dạng 2 tín hiệu trên màn oscillo,

một số yêu cầu cần thoả mãn:

1 Hai tín hiệu phải đồng bộ pha, và chu kìTA = nTB

Mô tả chuyển đổi luân phiên giữa 2 kênh

(hoặc ngược lại).

2 Độ dư huy của màn oscillo phải đủ lớn để mắt

có cảm giác 2 tia sóng hiện đồng thời.

3.4.2

3.4.2 Oscillo Oscillo có có kết kết hợp hợp chuyển chuyển mạch mạch điện điện tử tử

B Phương pháp chuyển mạch điện tử:

Tương tự như phương pháp chuyển đổi

luân phiên, tuy nhiên tần số chuyển mạch

cao hơn nhiều

Phương pháp chuyển mạch điện tử được

thực hiện bằng 2 cách:

 Phân đường theo thời gian

 Phân đường theo mức

Mô tả chuyển đổi luân phiên giữa 2 kênh

 Phân đường theo mức

Ưu nhược điểm:

Phù hợp với tín hiệu tần số thấp

Đối với tín hiệu có tần số cao, phương

pháp chuyển mạch điện tử sẽ bị giới hạn

Do đó, phương pháp chuyển đổi luân phiên

phù hợp hơn

3.4.2

3.4.2 Oscillo Oscillo có có kết kết hợp hợp chuyển chuyển mạch mạch điện điện tử tử

Sơ đồ khối của chuyển mạch điện tử phân đường theo thời gian

∑1

U∑

3.4.2

3.4.2 Oscillo Oscillo có có kết kết hợp hợp chuyển chuyển mạch mạch điện điện tử tử

Sơ đồ khối của chuyển mạch điện tử phân đường theo mức

∑1

3.5.Cấu

3.5.Cấu tạo tạo Oscillo Oscillo quan quan sát sát tín tín hiệu hiệu siêu siêu cao cao tần tần

Giới hạn khi quan sát tín hiệu siêu cao tần bằng oscillo:

Đối với những tín hiệu siêu cao tần (GHz), thời gian bay của điện tử qua cặp phiến làm

lệch (1-10ns) tương đương với chu kì của tín hiệu cần quan sát, tia điện tử không bị làmlệch khi qua cặp phiến làm lệch Y

 Không thể giảm nhỏ kích thước của cặp phiến làm lệch quá giới hạn cho phép

Dao động đồ còn bị méo do sự lệch pha giữa 2 điện áp đưa vào cặp phiến X và Y (do

cấu tạo 2 cặp phiến không cùng nằm trên 1 tiết diện mà được đặt lần lượt theo thứ tựtrước sau)

Dao động đồ còn bị méo do điện dung kí sinh của cặp phiến làm lệch ở tần số cao

Ngoài ra dải thông của khuếch đại Y phải rất rộng, tần số quét phải rất lớn

3.5.Cấu

3.5.Cấu tạo tạo Oscillo Oscillo quan quan sát sát tín tín hiệu hiệu siêu siêu cao cao tần tần

Phương pháp hoạt nghiệm:

Sử dụng các oscillo tần số thấp để quan sát tín hiệu siêu cao tần

Nguyên lí: phân tích biên độ - thời gian của của tín hiệu cần quan sát bằng các xung

hẹp có đánh dấu Với các xung đánh dấu này, dạng tín hiệu được vẽ ra không phải làđường cong liên tục, mà là các điểm hay các đoạn rời rạc, tương ứng với thời điểm cótác động của xung đánh dấu

3.6.Cấu

3.6.Cấu tạo tạo Oscillo Oscillo có có nhớ nhớ loại loại tương tương tự tự

Trên thực tế ngoài việc quan sát đồng thời nhiều tín hiệu người ta còn

muốn nhớ lại các thông tin đã xem Để thực hiện nhớ:

Dùng kỹ thuật tương tự: Oscillo có nhớ loại tương tự

Dùng kỹ thuật số Oscillo có nhớ loại số.

3.6.1.Cấu

3.6.1.Cấu tạo tạo Oscillo Oscillo có có nhớ nhớ loại loại tương tương tự tự

Oscillo có nhớ loại tương tự có khả năng lưu dao động trên màn hình

Về cấu tạo, bao gồm thêm súng điện tử phun tràn, lớp phosphorus nhớ (các phần tử

nhớ có độ cách điện cao), lớp màng kim loại

Hiệu ứng nhớ được duy trì bằng việc đưa các điện tử từ súng phun tràn xuyên qua các

phần tử nhớ đang phát sáng (có điện áp dương hơn) về màng kim loại (điện áp dương)

Hiệu ứng nhớ được xóa khi đưa điện thế âm vào màng kim loại

3.6.2

3.6.2 Oscillo Oscillo có có nhớ nhớ loại loại số số

Về cấu tạo hoàn toàn tương tự như Oscillo 1 kênh nhưng có thêm

khối ADC, DAC, bộ nhớ ghép xen vào giữa khối lệch đứng để thực

hiện nhớ thông tin

3.7

3.7 Oscillo Oscillo điện điện tử tử số số

Để mở rộng dải tần đồng thời tự động hoá cho quá trình đo trên thực

tế khối điều khiển thường được cấu tạo là µP