Bài giảng Cơ sở đo lường điện tử: Phần 1

Bài giảng này nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản về đo lường điện tử như: Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử, đánh giá sai số và xử lý kết quả đo, các phương pháp đo, nguyên lý xây dựng, cấu trúc, cũng như ứng dụng đo lường của các thiết bị đo tham số và đặc tính của tín hiệu và mạch điện tử. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG  Nguyễn Trung Hiếu Đỗ Mạnh Hà Trần Thị Thục Linh BÀI GIẢNG CƠ SỞ ĐO LƢỜNG ĐIỆN TỬ Hà Nội 2014 LỜI NÓI ĐẦU Với phát triển khoa học kỹ thuật cơng nghệ, kỹ thuật đo lường nói chung, kỹ thuật đo lường điện tử nói riêng có vai trị quan trọng đời sống kinh tế kỹ thuật công nghệ Các máy đo lường điện tử ngày sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Để sử dụng chúng có hiệu quả, việc nghiên cứu lý thuyết nguyên lý đo lường điện tử quan trọng, kỹ sư làm việc lĩnh vực điện, điện tử, viễn thông Bài giảng nhằm trang bị cho sinh viên kiến thức đo lường điện tử như: Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử, đánh giá sai số xử lý kết đo, phương pháp đo, nguyên lý xây dựng, cấu trúc, ứng dụng đo lường thiết bị đo tham số đặc tính tín hiệu mạch điện tử Bài giảng gồm nội dung sau: Chương - Cơ sở lý thuyết đo lường điện tử Chương - Nguyên lý thiết bị đo Chương - Máy đo phương pháp đo điện tử Chương - Một số loại máy đo dùng viễn thông Bài giảng thực thời gian ngắn, nên khó tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp đồng nghiệp bạn đọc để giảng hồn thiện Mọi góp ý xin vui lịng gửi Bộ mơn Điện tử máy tính - Khoa Kỹ thuật Điện tử 1- Học viện Công nghệ Bưu Viễn thơng email: hieunt@ptit.edu.vn Chúng tơi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp đóng góp ý kiến quý báu; xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Học viện, Phòng Đào tạo, Khoa Kỹ thuật Điện tử tạo điều kiện để hoàn thành giảng Hà Nội, năm 2014 Tác giả Mục lục MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO LƢỜNG ĐIỆN TỬ 1.1 CÁC KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƢỜNG ĐIỆN TỬ 1.2 ĐỐI TƢỢNG CỦA ĐO LƢỜNG ĐIỆN TỬ 1.3 PHÂN LOẠI PHƢƠNG PHÁP ĐO 1.4 PHÂN LOẠI VÀ ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ ĐO 11 1.4.1 Phân loại thiết bị đo 11 1.4.2 Đặc tính thiết bị đo 12 1.5 ĐẶC TÍNH ĐIỆN CỦA THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ 16 1.5.1 Các tham số giới hạn 16 1.5.2 Ảnh hƣởng tải 17 1.5.3 Can nhiễu phép đo 17 1.5.4 Vỏ bảo vệ 19 1.5.5 Nối đất 19 1.6 ĐƠN VỊ ĐO LƢỜNG, CHUẨN, MẪU 20 1.6.1 Đơn vị đo lƣờng 20 1.6.2 Cấp chuẩn hóa 21 1.7 SAI SỐ TRONG ĐO LƢỜNG 22 1.7.1 Khái niệm sai số 22 1.7.2 Nguyên nhân gây sai số 22 1.7.3 Phân loại sai số 23 1.7.4 Biểu thức biểu diễn sai số 25 1.7.5 Bài toán xác định kết phân tích thống kê đo lƣờng 26 1.7.6 Đánh giá sai số phép đo gián tiếp 29 1.8 SO SÁNH THIẾT BỊ ĐO TƢƠNG TỰ VÀ THIẾT BỊ ĐO SỐ 31 1.9 CHỌN KHOẢNG ĐO TỰ ĐỘNG VÀ ĐO TỰ ĐỘNG 33 1.10 ĐO TRONG MẠCH (ICT) 33 1.11 KỸ THUẬT SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ 34 1.12 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ĐO LƢỜNG ẢO 36 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 41 CHƢƠNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ ĐO 44 2.0 GIỚI THIỆU CHƢƠNG 44 Mục lục 2.1 CẤU TRÖC CƠ BẢN CỦA MÁY ĐO 44 2.1.1 Cấu trúc máy đo tham số đặc tính tín hiệu 44 2.1.2 Cấu trúc máy đo tham số đặc tính mạch điện: 47 2.2 CẤU TRÖC CHUNG CỦA MÁY ĐO SỐ 48 2.2.1 Sự tiến triển công nghệ chế tạo thiết bị đo 48 2.2.1 Sơ đồ cấu trúc chung máy đo số 48 2.2.3 Ƣu điểm máy đo số 50 2.3 CƠ CẤU CHỈ THỊ ĐO LƢỜNG 52 2.3.1 Cơ cấu thị kim (Cơ cấu đo điện - CCĐ) 52 2.3.2 Thiết bị thị số 63 2.3.3 Ống tia điện tử - CRT 69 2.3.4 Màn hình ma trận LED, LCD, OLED,… 77 CÂU HỎI ÔN TẬP 86 CHƢƠNG MÁY ĐO VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN TỬ CƠ BẢN .87 3.1 THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ VẠN NĂNG (MULTIMETERS) 87 3.1.1 Thiết bị đo điện tử vạn tƣơng tự số 87 3.1.2 Đo dòng điện 92 3.1.3 Đo điện áp 99 3.1.4 Đo điện trở 109 3.2 MÁY HIÊN SĨNG (Ơ-XI-LƠ) 111 3.2.1 Khái niệm chung quan sát dạng tín hiệu 111 3.2.2 Sơ đồ khối nguyên lý làm việc ô-xi-lô tƣơng tự kênh 113 3.2.3 Nguyên lý phƣơng pháp quét 119 3.2.4 Nguyên lý đồng phƣơng pháp kích khởi 123 3.2.5 Ơ-xi-lơ nhiều kênh 125 3.2.6 Ô-xi-lô số 128 3.2.7 Dây đo dùng cho Ơ-xi-lơ 131 3.2.9 Ứng dụng đo lƣờng dùng Ơ-xi-lơ 134 3.3 ĐO TẦN SỐ VÀ KHOẢNG THÕI GIAN 143 3.3.1 Khái quát phƣơng pháp đo tần số khoảng thời gian 143 3.3.2 Đo tần số phƣơng pháp đếm xung 145 3.3.3 Đo tần số phƣơng pháp dùng mạch cộng hƣởng 153 Mục lục 3.4 ĐO GÓC LỆCH PHA 155 3.4.1 Khái quát phƣơng pháp đo góc lệch pha 155 3.4.2 Pha mét số 158 3.5 KHÁI NIỆM VỀ ĐO CÔNG SUẤT 160 3.5.1 Khái niệm phƣơng pháp đo công suất 160 3.5.2 Đo công suất tần số thấp tần số cao 164 3.5.3 Đo công suất dải siêu cao tần 171 3.6 ĐO CÁC THAM SỐ VÀ ĐẶC TÍNH CỦA MẠCH ĐIỆN TỬ 178 3.6.1 Giới thiệu chung 178 3.6.2 Các tham số đặc tính mạch điện 178 3.6.3 Đo trở kháng mạch linh kiện điện tử 183 3.6.4 Ứng dụng phƣơng pháp đo trở kháng 195 3.6.5 Đo tham số đặc tính linh kiện mạch phi tuyến 204 3.6.6 Đo lƣờng, kiểm nghiệm mạch điện tử số vi xử lý 205 3.7 MÁY PHÂN TÍCH PHỔ 211 3.7.1 Một số khái niệm 211 3.7.2 Các nguyên lý máy phân tích phổ 214 3.7.3 Máy phân tích phổ song song 215 3.7.4 Máy phân tích phổ nối tiếp 216 CÂU HỎI ÔN TẬP 220 CHƢƠNG MỘT SỐ LOẠI MÁY ĐO DÙNG TRONG VIỄN THÔNG 222 4.1 Máy đo luồng E1 222 4.2 Máy phân tích lỗi cáp Feeder Anten, đo công suất RF 223 4.3 Máy kiểm tra trạm gốc 228 4.4 Máy phân tích phổ 228 4.5 Máy đo phản xạ quang miền thời gian (OTDR) 233 4.6 Máy đo công suất quang 236 4.7 Máy phân tích mạng truyền dẫn 238 4.8 Máy phân tích mạng (Network Analyzer) 239 TÀI LIỆU THAM KHẢO .241 Chương – Cơ sở lý thuyết đo lường điện tử CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐO LƢỜNG ĐIỆN TỬ  Các khái niệm đo lƣờng điện tử  Đối tƣợng đo lƣờng điện tử  Phân loại phƣơng pháp đo  Chức phân loại thiết bị đo  Đơn vị đo lƣờng, chuẩn, mẫu  Đặc tính thiết bị đo  Đặc tính điện thiết bị đo điện tử  So sánh thiết bị đo tƣơng tự thiết bị đo số  Chọn khoảng đo tự động đo tự động  Đo mạch  Kỹ thuật sử dụng thiết bị đo điện tử 1.1 CÁC KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƢỜNG ĐIỆN TỬ Đo lƣờng học (Metrology) lĩnh vực khoa học ứng dụng liên ngành nghiên cứu đối tƣợng đo, phép đo, phƣơng pháp thực công cụ đảm bảo cho chúng, kỹ thuật đo, phƣơng pháp để đạt đƣợc độ xác mong muốn Các hƣớng nghiên cứu đo lƣờng bao gồm:  Các lý thuyết chung phép đo  Các đơn vị vật lý hệ thống chúng  Các phƣơng pháp công cụ đo  Kỹ thuật đo  Phƣơng pháp xác định độ xác phép đo  Cơ sở bảo đảm cho việc thống phép đo nhiều công cụ thực  Cơng cụ đo chuẩn barem  Các phƣơng pháp để chuyển đơn vị đo từ công cụ chuẩn gốc công cụ làm việc Chương – Cơ sở lý thuyết đo lường điện tử Ngành kĩ thuật chuyên nghiên cứu áp dụng thành đo lƣờng học vào phục vụ sản xuất vào đời sống gọi kĩ thuật đo lƣờng Phần trình khái niệm đo lƣờng điện tử - Đo lƣờng (Measurement) gì? Đo lƣờng trình thực nghiệm vật lý nhằm đánh giá đƣợc tham số, nhƣ đặc tính đối tƣợng chƣa biết Thơng thƣờng đo lƣờng trình so sánh đối tƣợng chƣa biết với đối tƣợng làm chuẩn (đối tƣợng chuẩn thƣờng đơn vị đo), có kết số so với đơn vị đo + Ví dụ đo điện áp: Điện áp nguồn đo đƣợc 5V nghĩa điện áp nguồn gấp lần điện áp nguồn chuẩn 1V - Đo lƣờng điện tử (Electronic Measurement): đo lƣờng mà đại lƣợng cần đo đƣợc chuyển đổi sang dạng tín hiệu điện mang thơng tin đo tín hiệu điện đƣợc xử lý đo lƣờng dụng cụ mạch điện tử + Nếu kết hợp đo lƣợng điện tử biến đổi phi điện - điện (sensor - cảm biến) cho phép đo lƣờng đƣợc hầu hết đại lƣợng vật lý thực tế - Đại lƣợng đo (Measurand): đại lƣợng vật lý chƣa biết cần xác định tham số đặc tính nhờ phép đo - Tín hiệu đo (Measuring Signal): Tín hiệu điện mang thơng tin đo - Phép đo (Measurement): Là trình xác định tham số đặc tính đại lƣợng vật lý chƣa biết phƣơng tiện kỹ thuật đặc biệt - hay đƣợc gọi thiết bị đo - Thiết bị đo (Instrument): phƣơng tiện kĩ thuật để thực phép đo có chức biến đổi tín hiệu mang thơng đo thành dạng phù hợp cho việc sử dụng nhận kết đo, chúng có đặc tính đo lƣờng đƣợc qui định Trong thực tế thiết bị đo thƣờng đƣợc hiểu máy đo (ví dụ: Máy sóng, Vơn mét số, Máy đếm tần…) - Kỹ thuật đo (Instrumentation): nhánh khoa học phƣơng pháp kỹ thuật công nghệ ứng dụng đo lƣờng điều khiển - Phƣơng pháp đo (Measuring method): Là cách thức thực trình đo lƣờng để xác định đƣợc tham số đặc tính đại lƣợng đo Phƣơng pháp đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Phƣơng pháp nhận thông tin đo từ đại lƣợng đo, Phƣơng pháp xử lý thông tin đo, Phƣơng pháp đánh giá, so sánh thông tin đo, Phƣơng pháp hiển thị, lƣu trữ kết đo… Mỗi loại máy đo coi thiết bị đo hoàn chỉnh thực theo hay vài phƣơng pháp đo cụ thể Về q trình đo lƣờng đƣợc chia thành bƣớc khác đƣợc minh họa nhƣ hình vẽ sau: Chương – Cơ sở lý thuyết đo lường điện tử Đại lượng đo Thu nhận thông tin đo Biến đổi, xử lý, đánh giá, so sánh, định lƣợng thông tin đo Lƣu trữ, hiển thị kết đo Hình 1.1 – Quá trình đo lường 1.2 ĐỐI TƢỢNG CỦA ĐO LƢỜNG ĐIỆN TỬ Đo lƣợng điện tử có phạm vi ứng dụng rộng rãi, đối tƣợng đo rộng Tuy nhiên lĩnh vực điện tử - viễn thông, đối tƣợng đo lƣờng tập chủ yếu vào đối tƣợng: Hệ thống tham số đặc tính tín hiệu mạch điện tử - Hệ thống tham số đặc tính tín hiệu điện tử: + Tham số cƣờng độ tín hiệu điện tử gồm: Cƣờng độ dịng điện, Cƣờng độ điện áp, Cơng suất tác dụng tín hiệu + Tham số thời gian gồm: Chu kỳ, tần số tín hiệu, góc lệch pha tín hiệu tần số, độ rộng phổ tín hiệu, độ rộng xung, độ rộng sƣờn trƣớc, sƣờn sau + Đặc tính tín hiệu gồm: Phổ tín hiệu, độ méo dạng tín hiệu, hệ số điều chế tín hiệu + Tín hiệu số gồm tham số: Mức logic, tần số, chu kỳ - Hệ thống tham số đặc tính mạch điện tử: + Các tham số trở kháng: Trở kháng tƣơng đƣơng, dẫn nạp tƣơng đƣơng, điện trở, điện dung, điện kháng tƣơng đƣơng, trở kháng sóng, hệ số phản xạ, hệ số tổn hao, hệ số phẩm chất mạch + Đặc tính mạch: Đặc tuyến Vôn-Ampe, Đặc tuyến biến độ - tần số, đặc tuyến Pha - tần số mạch Chú ý: Tùy theo dải tần hệ thống tham số đặc tính tín hiệu mạch điện tử cần đo khác 1.3 PHÂN LOẠI PHƢƠNG PHÁP ĐO Phép đo cơng việc thực đo lƣờng, việc tìm giá trị vật lý thực nghiệm với trợ giúp cơng cụ kỹ thuật đặc biệt Giá trị tìm đƣợc gọi kết phép đo Hoạt động thực trình đo ta kết đại lƣợng vật lý gọi trình ghi nhận kết Tùy thuộc vào đối tƣợng nghiên cứu, vào tính chất cơng cụ đo ngƣời ta cần thực phép đo ghi nhận lần hay nhiều lần Nếu nhƣ có loại ghi nhận kết phép đo nhận đƣợc kết xử lý kết từ ghi nhận Chương – Cơ sở lý thuyết đo lường điện tử Phép đo có chất trình so sánh đại lƣợng vật lý cần đo với đại lƣợng vật lý đƣợc dùng làm đơn vị chuẩn Kết phép đo đƣợc biểu diễn số tỷ lệ đại lƣợng cần đo với đơn vị Nhƣ thể thực phép đo, ta cần thiết lập đơn vị đo, so sánh giá trị đại lƣợng cần đo với đơn vị ghi nhận kết so sánh đƣợc Thơng thƣờng ngƣời ta thƣờng biến đổi tín hiệu đến dạng thuận tiện cho việc so sánh Nhƣ vậy, ta tóm tắt lại thành bốn bƣớc phép đo là: thiết lập đơn vị vật lý, biểu diễn tín hiệu đo, so sánh tín hiệu đo với đơn vị đƣợc lấy làm chuẩn ghi nhận kết so sánh Có nhiều cách phân loại phƣơng pháp đo, tùy thuộc vào phƣơng pháp nhận kết đo, phƣơng pháp xử lý thơng tin đo, dải trình đo, điều kiện đo, sai số + Phương pháp đo trực tiếp : Là phƣơng pháp đo mà kết đo nhận đƣợc trực tiếp thiết bị đo từ lần đo Thông thƣờng dùng thiết bị đo tƣơng ứng cho đối tƣợng cần đo đo Kết đo trị số đại lƣợng cần đo: X=a - Ví dụ: đo điện áp Vôn-mét, đo tần số Tần số-mét, đo công suất Oát-mét, Đo trực tiếp phép đo thực đơn giản biện pháp kỹ thuật, tiến hành đo đƣợc nhanh chóng loại trừ đƣợc sai số tính tốn +Phương pháp đo gián tiếp : Là phƣơng pháp đo mà kết đại lƣợng đo tính tốn từ kết đo phép đo trực tiếp đại lƣợng vật lý khác Kết đo trực tiếp trị số đại lƣợng cần đo, mà số liệu sở để tính trị số đại lƣợng này: X=f(a1, a2, …, an) - Ví dụ: Đo công suất chiều: P=U.I - đo điện áp dịng điện Vơn-mét Ampe-mét - Đặc điểm: nhiều phép đo thƣờng không nhận biết đƣợc kết đo Trong kỹ thuật đo lƣờng, thông thƣờng ngƣời ta muốn tránh phƣơng pháp đo gián tiếp, trƣớc hết yêu cầu tiến hành nhiều phép đo (ít hai phép đo) thƣờng khơng nhận biết đƣợc kết đo Song số trƣờng hợp khơng thể tránh đƣợc phƣơng pháp + Đo thống kê: Là phƣơng pháp thực đo nhiều lần đại lƣợng đo với thiết bị đo điện kiện đo, kết đo đƣợc tính giá trị trung bình thống kê của lần đo đo Chương – Cơ sở lý thuyết đo lường điện tử Đặc điểm: Phƣơng pháp cho phép loại trừ sai số ngẫu nhiên thƣờng dùng kiểm chuẩn thiết bị đo + Phương pháp đo tương quan: Hiện nay, kỹ thuật đo lƣờng phát triển nhiều phƣơng pháp đo tƣơng quan Nó phƣơng pháp riêng, không nằm phƣơng pháp đo trực tiếp hay phƣơng pháp đo gián tiếp Phƣơng pháp tƣơng quan dùng trƣờng hợp cần đo trình phức tạp, mà thiết lập quan hệ hàm số đại lƣợng thông số q trình nghiên cứu Ví dụ: tín hiệu đầu vào tín hiệu đầu hệ thống Khi đo thơng số tín hiệu phƣơng pháp đo tƣơng quan, cần hai phép đo mà thơng số từ kết đo chúng không phụ thuộc lẫn Phép đo đƣợc thực cách xác định khoảng thời gian kết số thuật tốn có khả định đƣợc trị số đại lƣợng thích hợp Độ xác phép đo tƣơng quan đƣợc xác định độ dài khoảng thời gian trình xét Khi đo trực tiếp thật ngƣời đo phải giả thiết hệ số tƣơng quan đại lƣợng đo kết gần 1, có sai số quy luật ngẫu nhiên trình biến đổi gây nên Ngồi phép đo nói trên, cịn số phƣơng pháp đo khác thƣờng đƣợc thực trình tiến hành đo lƣờng nhƣ sau: + Phương pháp đo thay thế: Phép đo đƣợc tiến hành hai lần, lần với đại lƣợng cần đo lần với đại lƣợng đo mẫu Điều chỉnh để hai trƣờng hợp đo có kết thị nhƣ + Phương pháp đo hiệu số: Phép đo đƣợc tiến hành cách đánh giá hiệu số trị số đại lƣợng cần đo đại lƣợng mẫu + Phương pháp đo vi sai, phƣơng pháp thị không, phƣơng pháp bù, trƣờng hợp riêng phƣơng pháp hiệu số Chúng thƣờng đƣợc dùng mạch cầu đo hay mạch bù + Phương pháp đo thẳng: kết đo đƣợc định lƣợng trực tiếp độ thiết bị thị Tất nhiên khắc độ thang độ đƣợc lấy chuẩn trƣớc với đại lƣợng mẫu loại với đại lƣợng đo + Phương pháp đo rời rạc hóa (chỉ thị số): đại lƣợng cần đƣợc đo đƣợc biến đổi thành tin tức xung rời rạc Trị số đại lƣợng cần đo đƣợc tính số xung tƣơng ứng 10 Chương – Nguyên lý thiết bị đo thời gian ngắn tự nhảy mức lƣợng thấp ban đầu phát photon ánh sáng Ví trí bị bắn phá ví trí đƣợc phát sáng, ánh sáng đƣợc lƣu lại khoảng thời gian định (gọi độ dƣ huy hình), cộng với độ lƣu ảnh võng mạc, làm cho ngƣời qua sát có cảm giác điểm sáng tồn lại lƣu hình, hình ảnh dao động đồ đƣợc quan sát nhƣ liên tục Màu sắc ánh sáng phát tùy thuộc vào hợp chất P, thƣờng màu xanh nhạy cảm với mắt ngƣời (hợp chất có chứa Silicat Kẽm), ánh sáng màu tím (hợp chất Vơnframát Canxi) tích cực với thuốc ảnh Độ dƣ huy hình phụ thuộc vào chất huỳnh quang, thông thƣờng khoảng từ vài  s đến vài s Khi quan sát tín hiệu có tần số thấp dùng hình có độ dƣ huy lớn, cịn quan sát tín hiệu tần số cao dùng hình có độ dƣ huy nhỏ Chất huỳnh quang cách điện phát xạ điện tử thứ cấp có tia điện tử bắn tới, điện tử thứ cấp phải đƣợc thu gom Anốt hậu (lớp than chì xung quanh hình) để khơng tạo thành lớp điện tử che lấp hình, ngăn cản chuyển động chùm tia điện tử Ngoài ngƣời ta cịn dùng kiểu ống có màng nhơm mỏng cho kết tủa bề mặt nơi có điện tử bắn tới, màng nhôm cho chùm điện tử qua thu gom điện tử thứ cấp dẫn chúng xuống đất máy, tác dụng phản xạ ánh sáng làm tăng cƣờng độ sáng nơi tiêu nhiệt làm tăng tuổi thọ cho hình b Súng điện tử Súng điện tử: Có nhiệm vụ tạo, gia tốc hội tụ chùm tia điện tử Cấu tạo gồm: sợi đốt F, Katốt K bao quanh sợi đốt, lƣới điều chế G, Anốt hội tụ A1, Anốt gia tốc A3 Các điện cực có dạng hình trụ có lỗ nhỏ giữa, làm Niken, riêng K có phủ lớp ôxit kim loại đáy để tăng khả xạ điện tử Các điện cực phía sau (theo chiều chuyển động chùm tia điện tử) thƣờng có vành rộng điện cực phía trƣớc có nhiều vách ngăn có tác dụng để chùm điện tử không xa trục ống, việc hội tụ dễ dàng Với cấu tạo đặc biệt điện cực nhƣ tạo điện trƣờng khơng đặc biệt hội tụ gia tốc chùm tia Các điện cực đƣợc cấp nguồn nhờ phân áp nhƣ hình vẽ UK=-2kV, UKG=050V, UA2=0V, UA1=50V300V) Triết áp Rbright điều chỉnh điện áp UGK làm thay đổi lƣợng điện tử bắn tới huỳnh quanh, làm thay đổi độ sáng dao động đồ Triết áp thƣờng đƣợc đƣa mặt máy ký hiệu “Bright hay Intensity” Triết áp Rfocus thay đổi điện áp A1 làm thay đổi độ tụ chùm tia điện tử đƣợc đƣa mặt máy ký hiệu “Focus” Lƣới điều chế G đƣợc cung cấp điện áp âm so với K đƣợc ghép sát K để dễ dàng cho việc điều chỉnh cƣờng độ chùm điện tử bắn tới hình 72 Chương – Nguyên lý thiết bị đo Anốt A2 (Anốt gia tốc) thƣờng đƣợc nối đất để tránh méo dao động để điện áp cung cấp cho điện cực điện áp đối xứng Xét quỹ đạo chuyển động chùm điện tử qua điện trƣờng điện cực Quy luật chuyển động hạt mang điện điện trƣờng từ trƣờng giống quy luật lan truyền ánh sáng môi trƣờng quang học Quy luật chuyển động điện tử điện trƣờng tĩnh tuân theo quy luật sau: + Điện tử chuyển động thẳng vùng không đổi + Nếu chùm điện tử chuyển động vùng điện trƣờng khơng đồng bị khúc xạ hay phản xạ chuyển động qua mặt đẳng Nếu bị phản xạ góc phản xạ góc tới Nếu bị khúc xạ điện tử chuyện động từ vùng có điện U1 sang vùng có điện U2 hƣớng độ lớn vận tốc điện tử thay đổi đƣợc xác định theo quy luật khúc xạ nhƣ sau: U2 U1 v2 U2 sin 1 v   sin  v1 U1 2 1 v1 Mặt đẳng Nếu U2>U1 v2>v1 điện tử đƣợc tăng tốc Xét quỹ đạo chuyển động chùm tia điện tử qua điện trƣờng A1 A2 nhƣ hình vẽ: Các mặt đẳng G A1 A2 Màn hình K F Chùm điện tử C Lực tác dụng lên điện tử – Chùm điện tử chuyển động qua điện trường điện cực 73 Chương – Nguyên lý thiết bị đo Trong không gian A1 A2 hình thành mặt đẳng thế, lực tác dụng   điện trƣờng lên điện tử vị trí là: F  qE Mặt đẳng hƣớng bề lồi phía Katot có tác dụng hội tụ chùm tia, cịn mặt đẳng có hƣớng lõm quay phía Katot có tác dụng phân kỳ chùm tia Nhƣng tổng hợp lại điện trƣờng A1-A2 có tác dụng hội tụ chùm tia (tƣơng đƣơng với thấu kính điện hội tụ) Cơ cấu G, A1, A2 tƣơng tự nhƣ hệ thống kính đƣợc thiết kế cho điện trƣờng khơng chúng có tác dụng gia tốc hội tụ chùm tia điện tử tạo thành chùm điện tử nhỏ gọn, mảnh bắn tới huỳnh quang c Hệ thống lái tia Hệ thống lái tia có nhiệm vụ làm lệch chùm tia điện tử bắn tới hình theo chiều đứng chiều ngang hình Cấu tạo gồm cặp phiến làm lệch đƣợc đặt trƣớc, sau bao quanh trục ống + Cặp lái đứng Y1Y2: phiến kim loại đặt song song với theo phƣơng nằm ngang + Cặp lái ngang X1X2: phiến kim loại đặt song song với theo phƣơng thẳng đứng Giữa cặp phiến làm lệch tạo điện trƣờng có tác dụng làm lệch quỹ đạo chuyển động chùm tia điện tử qua Xét quỹ đạo chuyện động chùm tia qua cặp lái đứng nhƣ hình vẽ… Uy Y1 chùm e- + A2 M y O dy Y2 Ly ly Màn hình – Quỹ đạo chuyển động chùm điện tử qua cặp lái đứng - Khi Uy=0, tia điện tử bắn thẳng tới hình điểm O - Khi Uy0, điện trƣờng phiến làm lệch làm lệch quỹ đạo tia điện tử theo chiều đứng bắn tới hình vị trí M, lệch khoảng theo chiều đứng y so với điểm O 74 Chương – Nguyên lý thiết bị đo Khoảng lệch đứng y tỉ lệ thuận với cƣờng độ điện trƣờng cặp lái đứng Ey (mà Ey [V/mm] = Uy/dy – đó: Uy – điện áp Y1 Y2, dy [mm] - khoảng cách Y1 Y2) độ dài phiến làm lệch ly [mm], thời gian bay điện tử Thời gian bay tỉ lệ nghịch với vận tốc chùm tia hay tỉ lệ nghịch với điện áp gia tốc UA (phụ thuộc chủ yếu vào UA2K) tỉ lệ thuận với khoảng cách từ cặp lái tia tới hình Ly [mm] Nhƣ độ lệch đứng hình đƣợc xác định nhƣ sau: y S y [mm / V ]  U y L y l y 2dy.U A hay y  S y U y L y l y y   const - đƣợc gọi độ nhạy ống tia điện tử U y 2d y U A theo phƣơng đứng S0y đặc trƣng cho đặc tính CRT độ lệch đứng tia điện tử bắn tới hình tính theo mm điện áp đặt vào cặp lái đứng V Thông thƣờng S0y=0,11mm/V Trong nhiều trƣờng hợp, muốn tăng độ nhạy mà tăng chiều dài l y khơng thể tăng q mức chiều dài ống tia nên cặp lái tia thƣờng đƣợc cấu tạo loe đầu cuối khơng phải phẳng hồn tồn Tƣơng tự, ta có độ lệch tia điện tử theo chiều ngang x U x Lx l x 2d x U A S x [mm / V ]  hay x  S x U x L l x  x x  const - đƣợc gọi độ nhạy ống tia điện U x 2d x U A tử theo phƣơng ngang S0x đặc trƣng cho đặc tính CRT độ lệch ngang tia điện tử bắn tới hình tính theo mm điện áp đặt vào cặp lái ngang V Thông thƣờng S0x=0,11mm/V Kết luận: Độ lệch tia điện tử hình theo phƣơng đứng phƣơng ngang tỉ lệ tuyến tính với điện áp tƣơng ứng đặt vào cặp lái đứng cặp lái ngang tƣơng ứng Vấn đề gây méo dao động đồ Độ sáng dao động đồ huỳnh quang CRT phụ thuộc vào lƣợng điện tử, mà cò phụ thuộc vào số lƣợng điện tử đƣợc bắn tới hình đơn vị thời gian (tức phụ thuộc vào mật độ chùm điện tử) Vì vậy, thay đổi đƣợc mật độ chùm tia điện tử thay đổi độ sáng dao động đồ Thay đổi mật độ chùm điện tử thực dễ dàng cách thay đổi điện áp cực điều chế G Ta biết, G A1 có tạo thành điện trƣờng khơng nhƣ A1 A2 có tác dụng hội tụ chùm tia Do thay đổi điện áp G độ tụ chùm tia 75 Chương – Nguyên lý thiết bị đo chũng bị ảnh hƣởng Đó lý mà thực điều chế độ sáng ta đƣợc dùng điện áp biên độ nhỏ Vì cực G có điện dƣơng lớn độ sáng dao đông đồ tăng mạnh mà gây méo dao động đồ độ tụ giảm Phép đo có sai số Độ sáng dao động đồ tăng tăng điện áp A2, nhƣng tăng điện áp A2 độ nhạy giảm Để khắc phục mâu thuẫn này, CRT thƣờng đƣợc cấu tạo thêm Anốt hậu A3 sau phiến làm lệch Cấu tạo A3 lớp than chì dẫn điện đƣợc phủ xung quanh thành ống gần sát hình Điện áp A3, thƣờng lớn gấp đơi điện áp UA2K Dƣới tác dụng điện trƣờng này, điện tử đƣợc gia tốc thêm nhƣng độ nhạy hầu nhƣ khơng bị ảnh hƣởng Tuy nhiên, điện tử đƣợc tăng tốc qua cặp phiến tác dụng A3, nhƣng khoảng thời gian không đáng kể so với khoảng thời gian điện tử từ cặp phiến lái tia đến hình Hơn nữa, giảm độ nhạy A3 đƣợc bù lại cách giảm điện áp UA2K Độ nhạy độ tụ CRT bị ảnh hƣởng hiệu điện A2 cặp phiến làm lệch Để khử bỏ ảnh hƣởng này, phải làm có điện A2 điện cặp phiến (tức điện đƣờng trục ống tia) Để dễ dàng thực điều này, ngƣời ta thƣờng nối đất A2 cung cấp điện áp âm cho K Nếu không quan tâm đến vấn đề này, mà nối phiến phiến làm lệch, phiến đƣa điện áp xoay chiều vào có tƣợng méo dạng dao động đồ nhƣ hình vẽ… Thật vậy, ứng với thời điểm khác nhau, điện trục cặp phiến U A2+Uy/3 Nhƣ ứng với Uy=Um có trị số dƣơng điện điểm UA2+Um/2, độ nhạy có giá trị nhỏ nhất, độ tụ giảm Ứng với Uy =-Um có trị số âm, điện điểm phiến là: UA2-Um/2, độ nhạy lại có trị số cao nhất, độ tụ giảm Dao động đồ biểu diễn tín hiệu hình sin Uy khơng cịn đối xứng với trị số trung bình A2 Uy Uy Dao động đồ – Méo dao động đồ cung cấp điện áp khơng đối xứng cho cặp lái tia Vì độ hội tụ phụ thuộc vào điện trƣờng phiến A2, trƣờng hợp chúng có thay đổi, nên hội tụ thực đƣợc tốt ứng với thời điểm mà thơi Nêu nhƣ độ tụ tốt Uy=0, độ tụ giảm ứng với thời điểm điện áp Uy=Um Để khử tƣợng méo dao động đồ này, ngƣời ta thực nối đất A2 đồng thời cung cấp điện áp đối xứng cho cặp lái tia (tức điện áp cặp phiến đồng 76 Chương – Nguyên lý thiết bị đo thời lệch pha 1800) Nhƣ điện điểm cặp phiến khơng đỏi có điện áp đặt vào Để thực đƣợc điều này, tầng khuếch đại tín hiệu cuối trƣớc đƣa vào cặp lái tia khuếch đối xứng dùng kiểu khuếch đại đẩy kéo hay tự động đảo pha b/ ứng dụng CRT: Thƣờng làm hình thị cho máy sóng, máy phân tích phổ, máy vẽ đặc tuyến biên độ, tần số… (a) (b) (a): CRT khống chế điện trƣờng ứng dụng cho máy đo (b): CRT khống chế từ trƣờng ứng dụng cho hình máy vi tính – Ứng dụng ống tia điện tử - CRT 2.3.4 Màn hình ma trận LED, LCD, OLED,… a Nguyên lý hình LCD Tinh thể lỏng tên trạng thái vài hợp chất hữu đặc biệt Các chất nóng chảy trạng thái: lúc đầu trạng thái nóng chảy liên tục, sau nhiệt độ tiếp tục tăng chuyển sang chất lỏng đẳng hƣớng bình thƣờng Pha trung gian hai trạng thái trạng thái tinh thể lỏng (vừa có tính chất lỏng vừa có tính chất tinh thể) ● Các phần tử tinh thể lỏng xếp dọc theo khe rãnh - Ở trạng thái tự nhiên, phần tử tinh thể lỏng xếp không theo trật tự - Khi đƣợc tiếp cận với bề mặt có khe rãnh, phần tử tinh thể lỏng xếp song song dọc theo khe rãnh 77 Chương – Nguyên lý thiết bị đo - Trạng thái tự nhiên Khi tiếp cận với bề mặt có khe rãnh ● Khi tinh thể lỏng đan xen vào phiến phiến dƣới chúng xếp thẳng hàng với khe rãnh lần lƣợt theo hƣớng "a" "b" - Sắp xếp phân cực tinh thể lỏng Các phần tử phía dọc theo chiều "a" cịn phía dƣới dọc theo chiều khác "b" đẩy tinh thể lỏng xếp theo cấu trúc xoay 90o ● Ánh sáng xuyên qua vùng không gian (khoảng trống) phần tử xếp a Khi chƣa có nguồn phân cực b Khi có nguồn phân cực - Sự lan truyền ánh sáng lớp tinh thể lòng 78 Chương – Nguyên lý thiết bị đo ● Ánh sáng xoay xuyên suốt, hệt nhƣ tinh thể lỏng xoay ● Ánh sáng xuyên qua tinh thể lỏng, tiếp hƣớng vào phần tử xếp xoay 900 nhƣ hình vẽ => ánh sáng xoay 90o xuyên qua tinh thể lỏng ● Ánh sáng bẻ uốn cong 90o nhƣ phân tử xoay ● Các phần tử xếp có điện trƣờng đặt vào Khi có điện trƣờng đặt vào, tinh thể lỏng cấu trúc lại làm xoay ánh sáng xuyên qua ● Cấu trúc phân tử tinh thể lỏng xếp cách dễ dàng có điện trƣờng đặt vào điện cực Anot ngồi tác dụng Khi có điện áp đặt, phân tử tự xếp theo chiều dọc (dọc theo điện trƣờng) ánh sáng xuyên suốt dọc theo chiều xếp phân tử ● Chắn sáng với lọc phân cực (Polarizing filters - lọc phân cực) - Khi có điện áp đặt vào, kết hợp lọc phân cực làm xoay tinh thể lỏng trở thành hiển thị LCD - Ánh sáng xuyên qua hai lọc phân cực xếp với trục phân cực nhƣ hình vẽ trái - Ánh sáng bị chặn lọc phân cực xếp với trục phân cựn nhƣ hình vẽ phải - Sử dụng lọc phân cực 79 Chương – Nguyên lý thiết bị đo b Cấu tạo Màn hình LCD Kết hợp hai lọc phân cực xoay tinh thể lỏng tạo lên hình tinh thể lỏng - Nguyên lý cấu tạo hình LCD  Polarizing Filters: Bộ lọc phân cực  Alighnment layers: Sắp xếp lớp  Voltage: Điện áp  Light: Ánh sang  Khi hai lọc phân cực xếp dọc suốt theo hƣớng vng góc với trục điện cực, ánh sáng vào từ phía trên, đổi hƣớng 90o dọc theo hƣớng đƣờng hình soắn ốc phân tử tinh thể lỏng, ánh sáng xuyên qua lọc dƣới  Khi có điện áp đặt vào, phân tử tinh thể lỏng nắn thẳng đƣờng từ hình đƣờng soắn ốc dừng, đổi hƣớng rẽ ánh sáng, ngăn cản ánh sáng xuyên qua lọc dƣới (bộ lọc thấp)  Hình vẽ miêu tả nguyên lý điển hình cúa xoay hình tinh thể lỏng LCD, tinh thể lỏng nơi mà phân tử xoay hình đƣờng soắn ốc đan xen hai lọc điện cực (phân cực) Khi có điện áp đặt vào ánh sáng bị chắn hình xuất đen c Các hệ thống hiển thị Có hai kiểu cấu tạo hình tinh thể lỏng chính, khác thiết kế nguồn sáng Trong kiểu thứ nhất, ánh sáng đƣợc phát từ đèn nền, có vơ số phƣơng phân cực nhƣ ánh sáng tự nhiên Ánh sáng đƣợc cho lọt qua lớp kính lọc phân cực thứ 80 Chương – Nguyên lý thiết bị đo nhất, trở thành ánh sáng phân cực phẳng có phƣơng thẳng đứng Ánh sáng phân cực phẳng đƣợc tiếp tục cho truyền qua thủy tinh lớp điện cực suốt để đến lớp tinh thể lỏng Sau đó, chúng tiếp tục tới kính lọc phân cực thứ hai; có phƣơng phân cực vng góc với kính lọc thứ nhất, tới mắt ngƣời quan sát Kiểu hình thƣờng áp dụng cho hình màu máy tính hay TV Để tạo màu sắc, lớp cùng, trƣớc ánh sáng đến mắt ngƣời, có kính lọc màu Ở loại hình tinh thể lỏng thứ hai, chúng sử dụng ánh sáng tự nhiên vào từ mặt có gƣơng phản xạ nằm sau, dội ánh sáng lại cho ngƣời xem Đây cấu tạo thƣờng gặp loại hình tinh thể lỏng đen trắng thiết bị bỏ túi Do không cần nguồn sáng nên chúng tiết kiệm lƣợng Các nguyên lý hiển thị ● Các ký tự, chữ số đồ hoạ đƣợc hiển thị dựa theo phƣơng pháp hiển thị: Hệ thống đoạn Hiển thị độ dài xếp theo dạng hình số "8" để hiển thị số Hệ thống ma trận điểm (hiển thị ký tự) Hiển thị xếp thao hàng cột để hiển thị ký tự Hệ thống ma trận điểm (hiển thị đồ hoạ) Hiển thị xếp theo hàng cột để hiển thị đồ hoạ 81 Chương – Nguyên lý thiết bị đo c Nguyên lý hiển thị mầu ● Mầu đƣợc hiển thị nhờ lọc mầu dành cho thành phần hiển thị, hệ thống ma trận điểm, điểm mầu đỏ (R), xanh (G), xanh dƣơng (B) nhận đƣợc sử dụng lọc mầu, ba mầu kết hợp lại cho ta điểm ảnh, điểm mầu cho mầu có cƣờng độ sáng khác nhau, điểm ảnh cho vô số mầu mầu tổng hợp đƣợc từ ba mầu Cấu trúc hình LCD - Cấu trúc hình LCD mầu Cấu trúc hình LCD mầu nhƣ 0, gồm: Polarizing filter (Bộ lọc phân cực) Điều khiển ánh sáng vào thoát Glass substrate (Hợp chất thuỷ tinh đặc biệt) Lọc chặn điện từ điện cực Transparent electrodes (Điện cực suốt) Là dẫn điện suốt cho phép ánh sáng xuyên qua Alignment layer (Sắp xếp lớp) Là hai bề mặt có rãnh, phân tử tinh thể lỏng, Các phân tử đƣợc xếp theo hình xoắn ốc 90o Liquid crystals (Các tinh thể lỏng) Spacer (Khoảng trống) Duy trì khoảng cách kính Color filter (Bộ lọc mầu) Mầu đƣợc lọc thể dùng lọc R, G B 82 Chương – Nguyên lý thiết bị đo Backlighting (Ánh sáng phía sau) Ánh sáng đƣợc chiếu từ phía sau hình xuyên qua lớp trên, hình điện thoại, ngƣời ta sử dụng ánh sáng chiếu từ xung quanh sau dùng lớp phản xạ để hƣớng ánh sáng chiếu thẳng góc với hình từ sau phía trƣớc Nguyên tắc hoạt động + Active element (Transistor) - Phần tử tích cực (Transistor) + X Electronic - Điện cực X + Y Electronic - Điện cực Y + Light - Ánh sang - Cấu tạo phần tử điều khiển điểm ảnh Cấu tạo phần tử điều khiển điểm ảnh cho hình LCD nhƣ Trong đó: - Các điện cực X Y xếp thành hàng dãy, điểm giao có Transistor trƣờng, chân S đấu vào điện cực Y, chân G đấu vào điện cực X , Transistor dẫn chân D có điện áp điện cực Y tạo điện áp chênh lệch với đế LCD - Mỗi Transistor điều khiển điểm mầu, tín hiệu ngắt mở đƣợc đƣa đến điện cực X, tín hiệu Video đƣợc đƣa đến điện cực Y, điện áp chênh lệch điện cực X Y làm Transistor dẫn tạo điểm mầu có cƣờng độ sáng định 83 Chương – Nguyên lý thiết bị đo ● Mỗi điểm mầu Transistor điều khiển, điểm mầu phát mầu có cƣờng độ sáng khác nhau, cƣờng độ sáng phụ thuộc vào tín hiệu Video đặt vào điện cực Y ● Ba điểm mầu mang ba mầu khác R (đỏ), G (Xanh lá) B (Xanh lơ) tạo lên điểm ảnh, thay đổi cƣờng độ sáng điểm mầu tạo cho điểm ảnh có vơ số mầu sắc khác (Nguyên lý trộn mầu tự nhiên) ● Màn hình điện thoại có độ phân giải 96 x 128 nghĩa có 96 x 128 = 12338 điểm ảnh có 12338x3 = 37014 điểm mầu d Phân loại hình LCD LCD ma trận thụ động LCD ma trận thụ động (Dual Scan Twisted Nematic, DSTN LCD) có đặc điểm đáp ứng tín hiệu chậm (300ms) dễ xuất điểm sáng xung quanh điểm bị kích hoạt khiến cho hình bị nhịe Các cơng nghệ đƣợc Toshiba Sharp đƣa HPD (hybrid passive display), cuối năm 1990, cách thay đổi công thức vật liệu tinh thể lỏng để rút ngắn thời gian chuyển đổi trạng thái phân tử, cho phép hình đạt thời gian đáp ứng 150ms độ tƣơng phản 50:1 Sharp Hitachi theo hƣớng khác, cải tiến giải thuật phân tích tín hiệu đầu vào nhằm khắc phục hạn chế DSTN LCD, nhiên hƣớng chƣa đạt đƣợc kết đáng ý 84 Chương – Nguyên lý thiết bị đo LCD ma trận chủ động LCD ma trận chủ độn thay lƣới điện cực điều khiển loại ma trận Transistor phiến mỏng (thin film transistor, TFT LCD) có thời gian đáp ứng nhanh chất lƣợng hình ảnh vƣợt xa DSTN LCD Các điểm ảnh đƣợc điều khiển độc lập transistor đƣợc đánh dấu địa phân biệt, khiến trạng thái điểm ảnh điều khiển độc lập, đồng thời tránh đƣợc bóng ma thƣờng gặp DSTN LCD Một số hình ảnh Màn hình LCD thực tế + Màn hình ký tự LCD 4x16 85 Chương – Nguyên lý thiết bị đo + Màn hình đồ họa LCD Màn hình ma trận LCD CÂU HỎI ÔN TẬP Trong cấu đo thị kim, kim thị dừng lại vị trí cân có cân mơmen nào, viết phƣơng trình cân mơmen Nêu ngun tắc hoạt động thị kiểu từ điện? Nêu nguyên tắc hoạt động thị kiểu điện từ? Nêu cấu tạo, hoạt động đặc điểm cấu đo điện từ? Nêu cấu tạo, hoạt động đặc điểm cấu đo từ điện? Sơ đồ khối nguyên lí hoạt động chung cấu thị số? Các ƣu điểm, nhƣợc điểm cấu thị số? Kể tên lọai thị số thƣờng dùng? Khái niệm LED đoạn sáng Katốt chung? Muốn hiển thị số 0, phải làm gì? 10 Khái niệm LED đoạn sáng Anốt chung? Muốn hiển thị số 3, phải làm gì? 11 Khái niệm LCD ƣu, nhƣợc điểm LCD? (chú ý: không cần nêu nguyên lí hoạt động) 86 ... 4,54 5,84 12 ,9 0,7 41 0,9 41 1 ,19 0 1, 533 2 ,13 2,77 3,75 4,60 8, 61 0,737 0,920 1, 156 1, 476 2,02 2,57 3,36 4,03 6,86 0, 718 0,906 1, 134 1, 440 1, 943 2,45 3 ,14 4, 71 5,96 0, 711 0,896 1, 119 1, 415 1, 895 2,36... dụ: [Hz] = 1/ [S], [C]= [A.S], [V]= [A.S/m] Ngồi hệ SI cịn sử dụng hệ số ƣớc số đơn vị: T G M K h da D c m  n p f a 10 12 10 9 10 6 10 3 10 2 10 10 -1 10-2 10 -3 10 -6 10 -9 10 -12 10 -15 10 -18 + Chuẩn:... lần đo n khác PTC n 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95 0,98 0,99 0,999 1, 000 1, 376 1, 963 3,08 6, 31 12, 71 31, 8 63,7 636,6 0, 816 1, 0 61 1,336 1, 886 2,92 4,30 6,96 6,92 31, 6 0,765 0,978 1, 250 1, 638 2,35 3 ,18