Khoảng thời gian giữa hai điểm của tín hiệu cũng được tính bằng cách đếm số ô theo chiều ngang giữa hai điểm và nhân với giá trị của timediv. Việc xác định tần số của tín hiệu được xác định bằng cách tính chu kỳ theo cách như trên. Sau đó nghịch đảo chu kỳ ta tính được tần số. Ví dụ : Ở hình bên timediv là 1ms, chu kỳ của tín hiệu là 16ô, như vậy chu kỳ là 16ms, suy ra f = 116ms = 62,5hz. Ngoài cách đo tần số thông qua việc đo chu kỳ như ở trên, có thể đo tần số bằng dao động ký như sau : So sánh tần số của tín hiệu cần đo fx với tần số chuẩn f0. Tín hiệu cần đo đưa vào cực y, tín hiệu tần số chuẩn đưa vào cực x. Chế độ làm việc này của dao động ký gọi là chế độ xY mode và các sóng đều có dạng hình sin. Khi đó trên màn hình sẽ hiện ra một đường cong phức tạp gọi là đường cong lissajou. Điều chỉnh tần số chuẩn tới khi tần số cần đo là bội hoặc ước nguyên của tần số chuẩn thì trên màn hình sẽ có một đường lissajou đứng yên. Hình dáng của đường lissajou rất khác nhau tùy thuộc vào tỉ số tần số giữa hai tín hiệu và độ lệch pha giữa chúng. Ta có : Với n là số múi theo chiều ngang và m là số múi theo chiều dọc (hoặc có thể lấy số điểm cắt lớn nhất theo mỗi trục hoặc số điểm tiếp tuyến với hình lissajou của mỗi trục). Phương pháp hình lissajou cho phép đo tần số trong khoảng tứ 10hz tới tần số giới hạn của máy.
Trường ĐHSP Hà Nội Khoa Vật lý Lớp K26 LL PPDH Vật lý Nhóm 03 Họ tên: Hỏa Thị Thanh Bình Nguyễn Thị Ngọc Ngày thực hành: 09/09/2023 Xác nhận giáo viên hướng dẫn BÁO CÁO THỰC NGHIỆM ( BÀI 01: THỰC HÀNH SỬ DỤNG DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ VÀ MÁY PHÁT ÂM TẦN ) I MỤC ĐÍCH Nắm cấu tạo, nguyên lý chức dao động ký điện tử, máy phát âm tần (máy phát tần số GF-597) Biết sử dụng chức dao động ký số để thực phép đo cụ thể (i) Biên độ; (ii) Khoảng thời gian; (iii) Tần số; (iv) Độ lệch pha hai dao động; (v) Tổng hợp hai dao động phương, tần số; (vi) Tổng hợp hai dao động tần số có phương dao động vng góc với Đánh giá kết đo dao động ký số nhận xét, kết luận vai trò chức dao động ký số đo lường II NỘI DUNG I Tìm hiểu phương pháp sử dụng Dao động kí điện tử Dao động kí điện tử gì? - Máy sóng điện tử hay cịn gọi dao động ký điện tử (electronic oscilloscope) thiết bị điện tử dùng để quan sát dao động điện dao động hiển thị dạng sóng Nó chủ yếu sử dụng để vẽ dạng tín hiệu điện thay đổi theo thời gian Dao động ký giống máy thu hình nhỏ có hình kẻ có nhiều phần điểu khiển TV Hình 1.2 panel dao động ký thơng dụng vói phần hiển thị sóng, phần điều khiển theo trục x, trục y, đồng chế độ hình kết nồi đầu đo Màn hình dao động ký chia ô, 10 ô theo chiều ngang ô theo chiều đứng Ở chế độ hiển thị thơng thường, dao động ký dạng sóng biến đổi theo thời gian : Trục đứng y trục điện áp, trục ngang x trục thời gian Độ chói hay độ sáng hình đơi cịn gọi trục z Các thiết bị điện tử thường chia thành hai nhóm la thiết bị tương tự thiết bị số, dao động ký Dao động ký tương tự (analog oscilloscope) chuyển trực tiếp tín hiệu điện cần đo thành dịng electron bắn lên hình Điện áp làm lệch chùm electron cách tỉ lệ tạo tức thời dạng sóng tương ứng hình Trong đó, dao động ký số (digital oscilloscope) lấy mẫu dạng sóng, đưa qua chuyển đổi tương tự số (adc) Sau sử dụng thơng tin dạng số để tái tạo lại dạng sóng hình Tùy vào ứng dụng mà người ta sử dụng dao động ký loại cho phù hợp Thông thường, cần hiển thị tín hiệu dạng thời gian thực (khi chúng xảy ra) sử dụng dao động ký tương tự Khi cần lưu giữ thông tin hình ảnh để xử lý sau hay in dạng sóng người ta dùng dao động ký số có khả kết nối với máy tính vi xử lý Phần tài liệu nói đến dao động ký tương tự, loại dùng phổ biến kỹ thuật đo lường Đặc điểm, công dụng + Giải tần làm việc 70 MHz + Tốc độ lấy mẫu max GS/s + Lưu trữ 20000 điểm + Độ nhạy cao + 32 điểm đo tự động phân tích FFT + Tự động đặt cấu hình Autoset tự động đặt khoảng đo Auto-ranging + Tự động bắt đỉnh + Tự động Trigger theo độ rộng xung + Màn hiển thị inch TFT + Thẻ nhớ USB phía trước cổng USB thiết bị phía sau + kênh đo quan sát dạng tín hiệu - Bằng cách sử dụng dao động kí ta xác định được: Tần số dao động tín hiệu; Giá trị điện áp thời gian tương ứng tín hiệu; Góc lệch pha hai tín hiệu; Dạng sóng điểm khác mạch điện tử; Thành phần tín hiệu gồm thành phần chiều xoay chiều nào; Trong tín hiệu có thành phần nhiễu nhiễu có thay đổi theo thời gian hay khơng - Đo thơng số cường độ tín hiệu: Đo điện áp, đo dịng điện, đo cơng suất Đo tần số, chu kì, khoảng thời gian tín hiệu Đo độ di pha tín hiệu Vẽ tự động đo đặc tính phổ tín hiệu Vẽ đặc tuyến Vôn-ampe linh kiện Vẽ tự động, đo đặc tuyến biên độ-tần số + Kết nối máy tính, thiết bị khác thơng qua chuẩn GPIB + In trực tiếp kết máy in Và đo đại lượng vật lý biến thành đại lượng điện phù hợp với tín hiệu vào dao động ký điện tử Cấu trúc chung Bộ khếch đại Bộ chuyển đổi số - tương tự ADC Bộ chọn kênh DeMUX Bộ nhớ liệu Vi xử lý Bộ nhớ hiển thị Hiển thị LCD Nguyên lý làm việc Điện áp (tín hiệu) cần nghiên cứu đưa vào kênh đo, tín hiệu lấy mẫu qua khối phân áp/ khuếch đại (Amp) đưa vào biến đổi tương tự - số (ADC) Dao động ký số có kênh đo, tín hiệu sau biến đổi thành tín hiệu số qua chọn kênh (DeMUX) để vào khối xử lí Khối xử lí dao động ký số TBS1072C bao gồm thành phần Thứ nhớ liệu (Acquisition memory) giữ nhiệm vụ nơi lưu trữ tín hiệu số kênh đo theo thời gian Các khối liệu khác nằm nhớ vi xử lý (µP) tính tốn, xử lí Fourier, … đưa khối nhớ hiển thị (Display memory) Do dao động ký số TBS1072C gồm kênh đo xử lí đưa hiển thị tín hiệu miền tần số nên cần phải có nhớ hiển thị Dữ liệu từ khối nhớ hiển thị sau xuất hiển thị (Display) để ta quan sát Các chức Nóm xoay INTEN dïng chỉnh cờng độ vệt sáng hình Nóm xoay FOCUS dïng ®iỊu chØnh ®é tơ cđa chùm tia êlectron (tức độ nét vệt sáng hình) Nút nhấn POWER công-tắc bật tắt nguồn ổ cắm đồng trục ( lối vào) kênh tín hiệu thứ (CH1) tín hiệu đặt kênh X Núm chuyển mạch VOLTS/DIV dùng để chọn thang đo điện áp đa vào kênh CH1 núm chiết áp gắn đồng trục với dùng để điều chỉnh liên tục điện áp chia lối vào kênh CH1 Núm gạt có ba vị trí : vị trí AC dùng đo điện áp xoay chiều, vị trí DC dùng đo điện áp chiều, vị trí GND dùng để ngắn mạch lối vào kênh CH1 Núm xoay POSITION dùng điều chỉnh vị trí vệt sáng theo phơng thẳng đứng (theo trục Y) kênh CH1 Nút nhấn ALT, CHOP dùng chọn chế độ quét lần lợt kênh CH1 CH2 Vị trí ALT quét luân phiên đờng, vị trí CHOP quét luân phiên điểm Tuỳ theo tần số hay dạng tín hiệu mà ta chọn chế độ thích hợp Chuyển mạch kiểu làm việc"MODE", có bốn vị trí : vị trí CH1 làm việc với kênh 1, vị trí CH làm việc với kênh 2, vị trí DUAL làm việc với hai kênh, vÞ trÝ ADD dïng céng tÝn hiƯu cđa hai kênh (không dùng đến này) 10 Cọc nối ®Êt ( mass ) vá m¸y ®Ĩ chèng nhiƠu 11 Nút nhấn CH2 INV dùng đảo cực tính ( đảo pha 1800) tín hiệu vào kênh 12 Núm gạt chuyển mạch có ba vị trí dùng cho kênh CH2 , có vai trò giống núm chuyển mạch 13 ổ cắm đồng trục ( lối vào ) kênh tín hiệu thứ hai (CH 2) tín hiệu đặt kênh Y 14 Núm xoay POSITION dùng điều chỉnh vị trí vệt sáng theo phơng thẳng ®øng (theo trơc Y) ®èi víi kªnh CH2 15 Chun mạch VOLTS/DIV dùng chọn thang đo điện áp đa vào kênh CH2 núm chiết áp gắn đồng trục với dùng để điều chỉnh liên tục điện áp chia lối vào kênh CH2 16 Nút nhấn SLOPE dùng đảo pha tín hiệu quét, thờng đặt vị trí (+) 17 ổ cắm lối vào tín hiệu đồng quét (không dùng đến này) 18 Núm gạt chuyển mạch SOURCE có bốn vị trí : vị trí CH1 dùng để đồng điện áp quét cho kênh CH1, vị trí CH2 dùng để đồng điện áp quét cho kênh CH2, vị trí LINE EXT không dùng đến Chú ý : đa tín hiệu vào kênh chuyển mạch MODE (9) SOURCE (18) phải đặt vị trí kênh tơng ứng để đờng quét hình đợc đồng 19 Núm gạt chuyển mạch MODE TRIGGER cã vÞ trÝ : AUTO, NORM, TV-V, TV-H Trong ta đặt vị trí AUTO NORM, không dùng đến vị trí khác 20 Nóm xoay LEVEL dïng ®iỊu chØnh møc tÝn hiƯu đồng để tín hiệu đứng yên hình Chó ý r»ng nóm xoay LEVEL chØ cã t¸c dơng đồng tín hiệu kênh chuyển mạch MODE TRIGGER (19), SOURCE (18) MODE (9) đặt vị trí tơng ứng 21 Nút nhấn TRIG.ALT đặt vị trí nổi, không dùng đến vị trí chìm 22 Núm xoay chuyển mạch chọn tốc độ quét (TIME/DIV) dùng để chọn tốc độ quét thích hợp với tần số tín hiệu cần nghiên cứu Nó có ba dải quÐt : tõ 5s ®Õn 1s; tõ 50ms ®Õn 0,1ms; từ 50s đến 0,2s nút nhấn x10MAG vÞ trÝ nỉi Khi nót nhÊn x10MAG ë vÞ trÝ chìm, tốc độ quét tăng lên 10 lần so với giá trị kể Núm có vị trí kí hiệu XY(vị trí tận trái ) đợc sử dụng cặp phiến lệch X1X2 và Y1-Y2 đợc điều khiển hai tín hiệu đặt trùc tiÕp vµo hai lèi vµo CH1 vµ CH2 cđa dao ®éng ký ®iƯn tư : tÝn hiƯu ®a vào kênh CH1 để điều khiển phiến lệch ngang X1-X2 tín hiêu đa vào kênh CH2 ®Ĩ ®iỊu khiĨn c¸c phiÕn lƯch ®øng Y1-Y2 Ta dùng kiểu hoạt động để nghiên cứu mạch RLC theo phơng pháp tổng hợp hai dao động vuông góc 23 Núm xoay SWP.VAR dùng điều chỉnh liên tục tốc độ quét Khi xoay núm từ vị trí tận trái sang vị trí tận phải tốc độ quét tăng khoảng lần 24 Nút nhấn x10MAG dùng tăng tốc độ quét 10 lần ấn chìm xuống (thờng đợc đặt vị trí nổi) 25 Nóm xoay POSITION dïng dÞch chun vÞ trÝ chïm tia theo phơng ngang 26 Màn hình dao động kí ®iƯn tư 27 Chèt ®Ĩ lÊy ®iƯn ¸p chn 1kHz, biên độ 2Vpp dạng chữ nhật dùng kiểm tra hiệu chỉnh chia lối vào VOLTS/DIV kênh lối vào CH1 CH2 6.1 Kim tra hoạt động Oscilloscope, hoạt động đầu đo hiệu chuẩn thiết bị Tự động hiệu chuẩn kiểm tra đầu đo Oscilloscope Bật nút POWER để Oscilloscope hoạt động, đợi phút để Oscilloscope khởi động xong Lắp dây đo vào kênh 6.2 Cài đặt thông số hiển thị Màn hình hiển thị tín hiệu kênh Nếu khơng thấy có tín hiệu hiển thị ta bấm vào nút nút Chỉnh nút POSITION tín hiệu hiển thị bị tràn ngồi hình Có thể sử dụng nút AutoSet để đặt chế độ tự động Sử dụng nút Acquire để đặt chế độ hiển thị làm mịn/ khử nhiễu (Average – trung bình cộng 4/ 16/ 64/ 128 điểm) 6.3 Đo tự động Sử dụng nút chức Measure để tiến hành đo tự động Yêu cầu đo hiển thị tự động Giá trị điện áp đỉnh-đỉnh kênh Chu kì kênh Tần số kênh Thời gian chuyển trạng thái OFF-ON kênh Thời gian chuyển trạng thái ON-OFF kênh Lưu lại dạng tín hiệu giá trị đo tự động hiển thị hình chu kỳ thành file ảnh Ưu, nhược điểm 7.1 Ưu điểm Duy trì tốt ảnh tín hiệu hình với khoảng không gian không hạn chế Tốc độ đọc thay đổi giới hạn rộng Có thể xem lại đoạn hình ảnh lưu giữ với tố độ thấp nhiều Hình ảnh tốt hơn, tương phản so với loại oxilo tương tự Vận hành đơn giản Số liệu cần quan sát dạng số xử lý oxilo truyền trực tiếp vào máy tính ghép oxilo với máy tính 7.2 Nhược điểm Dải tần bị hạn chế tóc độ biến đổi ADC thấp Hiện nay, oxilo có nhớ có dải tần rộng phát triển nhờ cài đặt vi xử lý, biến đổi ADC có tốc độ biến đổi nhanh Dải tần ngày lên đến 100 Mhz hay na II máy phát tần số GF-597 Máy phát tần số thiết bị dùng để tạo tín hiệu điện xoay chiều có tần số thay đổi đợc khoảng 020 000 Hz Máy phát tần số thờng ®ỵc dïng kÕt hỵp víi dao ®éng ký ®iƯn tư để khảo sát mối quan hệ hiệu điện dòng điện mạch điện R, L, C A Chức núm điều chỉnh bố trí mặt máy phát tín hiệu GF-597 (Hình 2) : Công tắc S (cấp điện ~220V vào máy) Đèn báo hiệu LED Núm điều chỉnh chọn tần số máy phát Núm chuyển mạch chọn thang tÇn sè, cã ba nÊc : x10 , x100 , x1k (tøc x103) Thang x10 : 20 Hz ®Õn 200 Hz Thang x100 : 200 Hz ®Õn 2000 Hz Thang x1k : 2000 Hz ®Õn 20.000 Hz Núm chỉnh biên độ điện áp xoay chiều Cầu chì bảo vệ F Lối điện áp xoay chiều hình sin U1 (biên độ cực đại 10 Vpp) Lối điện áp xoay chiều hình sin U2 (biên độ cực đại 1Vpp) Lối điện áp xoay chiều xung vuông U3 (biên độ cực đại Vpp) B Sử dụng máy phát tín hiệu GF-597 Cắm đầu phích năm chân dây tín hiệu vào ổ ( U1) máy phát tần số GF-597 Hai đầu phich đơn lại dây tín hiệu đợc cắm vào hai đầu A, B mạch điện RLC bảng lắp ráp mạch điện Chọn tần số dòng xoay chiỊu : VÝ dơ cÇn chän tÇn sè 1000 HZ, ta vặn chuyển mạch đến vị trí x100 xoay nhẹ núm đĩa tần số đến vị trí 10, để có tần số 1000 HZ Núm điểu chỉnh biên độ điện áp tín hiệu ban đầu nên để vị trí ( khoảng 3V-5Vpp ) III Thực hành sử dụng dao động kí điện tử Đo điện áp (Biên độ) Việc tính giá trị điện áp tín hiệu thực cách đếm số hình nhân với giá trị volts/div Ví dụ: Volts/DIV V tín hiệu cho hình có : Vp = 2,7 ô x 1v = 2,8 v Vpp = 5,4 ô x 1v = 5,4 v Vrms = 0,707vp = 1,98 v Ngồi ra, với tín hiệu xung người ta cịn sử dụng máy sóng để xác định thời gian tăng sườn xung (rise time), giảm sườn xung (fall time) độ rộng xung ( pulse width) với cách tính hình bên Đo tần số khoảng thời gian Khoảng thời gian hai điểm tín hiệu tính cách đếm số ô theo chiều ngang hai điểm nhân với giá trị time/div Việc xác định tần số tín hiệu xác định cách tính chu kỳ theo cách Sau nghịch đảo chu kỳ ta tính tần số Ví dụ : Ở hình bên time/div 1ms, chu kỳ tín hiệu 16ô, chu kỳ 16ms, suy f = 1/16ms = 62,5hz Đo tần số độ lệch pha phương pháp so sánh : Ngoài cách đo tần số thông qua việc đo chu kỳ trên, đo tần số dao động ký sau : So sánh tần số tín hiệu cần đo fx với tần số chuẩn f0 Tín hiệu cần đo đưa vào cực y, tín hiệu tần số chuẩn đưa vào cực x Chế độ làm việc dao động ký gọi chế độ x-Y mode sóng có dạng hình sin Khi hình đường cong phức tạp gọi đường cong lissajou Điều chỉnh tần số chuẩn tới tần số cần đo bội ước nguyên tần số chuẩn hình có đường lissajou đứng n Hình dáng đường lissajou khác tùy thuộc vào tỉ số tần số hai tín hiệu độ lệch pha chúng f0 m fx n Ta có : Với n số múi theo chiều ngang m số múi theo chiều dọc (hoặc lấy số điểm cắt lớn theo trục số điểm tiếp tuyến với hình lissajou trục) Phương pháp hình lissajou cho phép đo tần số khoảng tứ 10hz tới tần số giới hạn máy Nếu muốn đo độ lệch pha ta cho hai tần số hai tín hiệu nhau, đường lissajou có dạng elip Điều chỉnh y-Pos x-Pos cho tâm elip trùng với tâm hình (gốc tọa độ) Khi đó, góc lệch pha tính : A arctg B Với a, b đường kính trục dài đường kính trục ngắn elip Nhược điểm phương pháp không xác định dấu góc pha sai số phép đo lớn (5-10%) Tổng hợp hai dao động tần số có phương dao động vng góc với Trước sử dụng máy, cần chỉnh hệ số khuếch đại hai kênh CH1, CH2 giống Để làm điều đó, ta làm sau: Để núm số (MODE) chế độ DUAL, hai kênh tín hiệu hiển thị hình Nối hai kênh vào với tín hiệu điều chỉnh núm 20, 27 cho hai tín hiệu trùng khít lên nghĩa chúng có hệ số khuếch đại Sau chỉnh xong, không điều chỉnh hai núm 20 27 q trình làm thí nghiệm Ví dụ “ Khảo sát tổng hợp hai dao động vng góc, đo dung kháng Zc điện dung Cx dao động ký điện tử” Bước 1: Mắc tụ điện Cx hai điểm A, C theo Hình Chọn dao động điện có tần số f = 1000 Hz lấy từ máy phát tín hiệu xoay chiều Vì dịng điện chạy qua tụ sớm pha π/2 so với điện áp hai đầu nên tín hiệu hai lối vào (u R0 uCx) dao động ký điện tử hai dao động tần số, lệch pha π/2 có phương vng góc Trên hình quỹ đạo chuyển động tổng hợp, có dạng elip vng Hình 4: Sơ đồ thí nghiệm “ Khảo sát mạch rlc dùng dao động ký điện tử hai kênh máy phát tín hiệu xoay chiều” Bước 2: Điều chỉnh điện trở R0 hộp điện trở mẫu thập phân tới elip vuông trở thành đường trịn Khi đó, biên độ U0C = U0R0 ta có: Suy điện dung tụ điện: Giữ nguyên tần số dòng điện, thực động tác lần, ghi giá trị tần số f giá trị tìm điện trở R0 vào Bảng 14.2 Cũng thực phép đo ZC Cx cách chọn giá trị xác định điện trở R0 điều chỉnh tần số f dao động điện lấy từ máy phát tần số) Bảng Đo dung kháng ZC điện dung Cx Lần đo f (Hz) ZCi = R0i (Ω ) 10