Giáo trinh : KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ part 7 ppt

Với dao động ký đa kênh kiểu dùng chuyển mạch điện tử, hoạt động của bộ tạo quét có thể thực hiện theo một trong hai chế độ hoặc là quét kiểu luân phiên hoặc là quét theo kiểu ngắt quảng

Với dao động ký đa kênh kiểu dùng chuyển mạch điện tử, hoạt động của bộ tạo quét có thể thực hiện theo một trong hai chế độ hoặc là quét kiểu luân phiên hoặc là quét theo kiểu ngắt quảng (chop mode switching)

Trên hình 3-10 minh họa nguyên tắc hoạt động của kiểu quét luân phiên,

vào kênh B Cả 2 sóng được đồng bộ hóa và được dịch mức DC Điện áp đưa vào kênh A là VA được dịch lên trên mức đất, còn điện áp VB dịch xuống dưới mức đất

khoảng thời gian từ t1 ÷ t2 (hình3-10,c) Tần số lặp lại của chuyển mạch đủ lớn cho phép các dạng sóng có vẻ hiện một cách đồng thời trên màn hình (hình 3-10,d)

VA

VB

Điện áp quét

Điện áp vào

khuếch đại

khuếch Y

Dạng sóng

hiện trên màn

hình

a)

b)

c)

d)

Hình 3-10 Kiểu quét luân phiên Hình 3-11 Kiểu quét ngắt quảng

VA

VB

Điện áp chuyển mạch t

1 t2 t3 t4t5 t6 t7

Dạng sóng hiện với tín hiệu cao tần

Trong chế độ quét kiểu ngắt quảng thì hoạt động của mạch được minh họa

khuếch đại đứng, trong thời gian t2 cho tín hiệu kênh B, sau đó tiếp tục tín hiệu kênh

A vào trong thời gian t3 và tín hiệu kênh B vào trong thời gian t4 , v.v… Cứ như thế dạng sóng vào được lượng tử hóa theo tần số của điện áp chuyển mạch, và hình dạng sóng đối với các tín hiệu cao tần có dạng như chỉ ra trên hình 3-11 Đối với các tín hiệu tần thấp vết gián đoạn là không nhìn thấy

Như vậy, chế độ quét luân phiên thích hợp đối với các tín hiệu cao tần, còn kiểu ngắt quảng tốt đối với các tín hiệu tần thấp

§ 6 ĐẦU DÒ CỦA DAO ĐỘNG KÝ

6.1 Đầu dò 1:1

Khác với các máy đo thông thường, các đầu đo của dao động ký điện tử làm

bằng cáp đồng trục nối với đầu dò (probe) Mỗi probe có 2 đầu nối: đầu vào và đầu

tiếp đất Đầu tiếp đất nối với màn chắn của cáp, còn đầu vào nối với lõi của cáp

đồng trục dùng để đẫn tín hiệu cần đo (hình 3-12)

Hình 3-12 Đầu dòø(probe) 1:1 của dao động ký điện tử

Kiểu đầu dò này được gọi là đầu dò 1:1 Mạch điện tương đương của đầu dò khi nối với nguồn tín hiệu như trên hình 3-13 Cáp đồng trục có một điện dung tương

sóng thường là 1MΩ mắc song song với một điện dung cỡ 30pF Trở kháng toàn phần

do cáp đồng trục và đầu vào của máy hiện sóng phải đảm bảo luôn luôn lớn hơn nhiều so với trở kháng của nguồn tín hiệu Nếu điều kiện trên không thỏa mãn tín hiệu sẽ bị suy giảm và pha sẽ bị dịch chuyển khi nối với máy hiện sóng

Hình 3-13 Mạch tương đương của đầu dò khi nối với nguồn tín hiệu

Ở những tần số mà dung kháng của các tụ (Ccc + Ci) lớn hơn nhiều so với các điện trở thuần Rs và Ri thì ảnh hưởng của điện dung không đáng kể Điện áp lối vào máy hiện sóng là:

h 3-14 Mạch đầu dò suy giảm 10:1 của máy hiện sóng.

i s

i s

R V V

+

Với sự tăng của tần số tín hiệu, dung kháng sẽ nhỏ dần và tín hiệu vào sẽ bị

6.2 Đầu dò suy giảm

Đầu dò suy giảm dùng để giảm mức tín hiệu vào theo một hệ số nhất định, thường là tỷ lệ 10:1 Sơ đồ mạch nối đầu dò suy giảm 10:1 với nguồn tín hiệu, sơ đồ tương đương và cấu tạo của probe chỉ ra trên hình 3-14

n hiệu,

a) Sơ đồ nối đầu dò với nguồn tí

b) Sơ đồ tương đương,

Ở dải tần thấp và trung bình, ảnh hưởng của các điện dung là nhỏ, nên không gây ảnh hưởng nhiều đến việc truyền dẫn tín hiệu Điện áp vào máy hiện sóng là:

Rs

R1

Ri

C1

C2

Vs

Vi

C = C + C2 i cc

a)

i s

i s

R V

V

+ +

=

1

(3-4) Khi R s << R 1 thì:

i

i s

R V V

+

≈

1

(3-5)

s

M M

Ω + Ω

Ω

V

V =

Độ suy giảm tín hiệu do ảnh hưởng của các tụ điện độc lập có thể xác định như sau:

1 ) / ( /

1 /

2

1 /

X X V

C

ω

;

2 1

1

C C

C V

+

ó C2 là điện dung tương đương của cáp đồng trục Ccc và điện dung vào

đ

Trong đ

iện trở thì từ (3-5) và (3-6) ta có:

2 1

1 1

C C

C R

R

R

i

i

+

=

Nếu vẽ giản đồ pha có thể thấy rõ điện áp trên tụ C và R là cùng pha và bằng nhau về mặt biên độ Như vậy tụ C1 bù trừ hoàn toàn sự có mặt của tụ C2 i 2 Nói cách khác, sự suy giảm do ảnh hưởng của tụ C2 được

1 2

1 C

R

R

Trên hình 3-14,c là cấu tạo điển hình của một đầu dò suy giảm C là điện

:1 khác và hình 3-15 Trong trường hợp này, C là tụ cố định, còn tụ biến đổi phụ C mắc song Một kiểu đầu dò suy giảm 101 mạch tương đương của nó vẽ trên 3 song với Ci và Ccc

Hình 3-15 Đầu dò 10:1 – sơ đồ mạch và đầu vào của máy hiện sóng

6.3 Đầu dò chủ động (Active probe)

Đầu dò chủ động chứa các bộ khuếch đại điện tử nhằm tăng trở kháng lối vào

các tầng vào FET, hoặc khuếch đại thuật toán đầu vào FET được mắc theo kiểu lặp áp Trở kháng vào thông thường từ 1MΩ ÷ 10MΩ //3,5pF Phải có nguồn nuôi cho bộ khuếch đại hoạt động Nguồn nuôi này có thể lấy từ máy hiện sóng hoặc tạo bộ nguồn riêng

và giảm thiểu điện dung vào Trong các đầu dò chủ động hiện đại sử dụng

§ 7 DAO DỘNG KÝ CÓ NHỚ

7.1 Dao động ký có nhớ dạng tương tự

Trong thực tế kỹ thuật có những trường hợp cần phải nghiên cứu những tín hiệu không lặp lại, những biến cố đơn Để có thể lưu giữ được dạng tín hiệu người ta

sử dụng các dao động ký có nhớ dạng tương tự

Ta biết rằng đối với các dao động ký thông thường, sự phát sáng huỳnh quang

a điện tử có năng lượng đủ lớn đập vào Thời thuộc vào bản chất của chất huỳnh quang và đ

sáng hai trạng thái ổn định

Hình 3-16 CRT nhớ tương tự kiểu lưu sáng hai trạng thái ổn định

Thuật ngữ hai trạng thái ổn định dùng cho các CRT có thể hoạt động ở một trong 2 trạng thái có nhớ và không có nhớ

Ngoài các bộ phận thông thường như trong các CRT của các dao động ký khác (súng điện tử write gun – súng viết, và các hệ thống lái tia), trong ống CRT của dao động ký lưu trữ còn có thêm các bộ phận:

7.1.1 Hệ thống súng tưới hay súng phun (flood gun) đặt phía sau tấm lái tia

có năng áng huỳnh quang

Hoạt

Khi c u

(bia), màn sẽ

trên màn hình xảy ra khi được chùm ti

gian phát sáng chỉ cỡ miligiây và nó phụ

ược đặc trưng bằng độ dư huy của chất đó

Trong các dao động ký có nhớ CRT được chế tạo đặc biệt cho phép hình ảnh trên màn huỳnh quang có thể lưu sáng hàng giờ hoặc lâu hơn Trên hình 3-16 minh họa cấu trúc của CRT loại nhớ tương tự kiểu lưu

Write gun

Ống chuẩn trực

Flood gun

Bia Đế bia (ZnO2)

lệch đứng Nhiệm vụ của súng tưới là tạo ra các electron lượng thấp tưới đều khắp màn hình Do các electron có năng lượng thấp nên không đủ gây phát s

7.1.2 Màn lưu trữ Được cấu tạo từ một lớp mỏng ôxýt kẽm (ZnO2) trên phủ

chất huỳnh quang Lớp oxýt kẽm gọi là đế bia, màn huỳnh quang gọi là bia

động của CRT loại lưu sáng như sau:

h øm tia điện tử từ súng viết có năng lượng cao bắn tới màn huỳnh quang phát sáng tại những điểm bị electron đập vào Đồng thời với việc phát

ra sự phát xạ các electron thứ cấp Màn (bia) tại

do mất o

dạng của tín h

súng phun phát ra sẽ được hút về phía đường tích điện dương trên bia và chạy về đế bia có thế dương hơn Khi đi qua lớp nhớ huỳnh quang chúng làm cho phốt pho tiếp

electr n nên tích điện dương Nói cách khác một đường tích điện dương có

iệu vào sẽ được vạch ra trên màn huỳnh quang Chùm tia điện tử từ

tục phát sáng Như vậy mặc dù tín hiệu vào đã tắt, nhưng trên màn hình ta vẫn giữ được dạng sóng của nó

7.2 Dao động ký có nhớ dạng số

Sơ đồ khối của dao động ký số được chỉ ra trên hình 3-17 Hoạt động của máy như sau:

Điện áp tín hiệu cần nghiên cứu sau khi qua mạch lối vào sẽ được lấy mẫu và được biến đổi sang dạng số nhờ khối biến đổi ADC (Analog to Digital Converter) Mã số lối ra của ADC được lưu trữ trong bộ nhớ RAM với địa chỉ xác định bởi bộ đếm

, bộ điều khiển đọc địa chỉ bộ đếm sẽ gọi ) Tín hiệu tương tự lối ra của DAC sẽ qua mạch khuếch đại Y để đưa vào

Hình 3-17 Dao động ký lưu trữ dạng số

Dao động ký cũng hoạt động ở 2 chế độ nhớ và không nhớ Trường hợp không nhớ tín hiệu vào trực tiếp đưa vào kênh khuếch đại Y để đưa vào điều khiển phiến lệch YY của CRT

§ 8 DỤNG CỤ GHI BIỂU ĐỒ

Khi muốn đưa dữ liệu ra màn hình

địa chỉ trong RAM đưa số liệu qua mạch biến đổi số tương tự DAC (Digital to Analog Converter

kênh lệch đứng YY của CRT, đồng thời bộ điều khiển khởi phát bộ tạo gốc thời gian để tạo sóng quét đưa vào kênh lệch ngang XX Trên màn hình ta sẽ quan sát được dạng sóng đã lưu trữ

X

HV

Y KĐ

Vào kênh Y

Vào Y

Y

X ĐẾM

CONTROL

Gốc thời gian kênh XKĐ

8.1 Máy ghi biểu đồ trên băng kiểu điện kế

Nguyên tắc của máy ghi biểu đồ trên băng giấy kiểu điện kế dùng bút ghi chỉ

ra trên hình 3-18 Trên trục của một điện kế khung quay từ điện gắn một bút vẽ, đầu

bút tì lên giấy như hình vẽ Dưới tác dụng của điện áp đặt vào, khung dây sẽ quay và kéo theo bút vẽ vạch lên giấy Độ lệch của bút sẽ tỷ lệ thuận với điện áp đặt vào khung dây Khi tờ giấy chạy với tốc độ không đổi dưới bút vẽ thì dạng sóng của điện áp vào sẽ được vẽ ra trên giấy Do sự chuyển động của giấy tỷ lệ với thời gian nên

iểu đồ theo tọa độ x(t)

Hình 3-18 Máy ghi biểu đồ trên băng giấy kiểu điện kế

Một phương pháp khác để vẽ đồ thị trên băng giấy minh họa trên hình 3-19 rong trường hợp này hệ thống làm lệch là một điện kế nhỏ có gương quay kiểu chỉ

ị bằng ánh sáng thay cho bút vẽ Một hệ thống quang học điều tiêu chính xác chùm

a sáng tử ngoại chiếu lên gương và phản chiếu lên băng giấy ảnh, kết quả thu được ûnh của tín hiệu nghiên cứu trên băng giấy ảnh

dụng cụ trên còn được gọi là máy ghi b

T

th

ti

a

Hình 3-19 Máy ghi biểu đồ trên băng dùng tia sáng

Ưu điểm chủ yếu của phương pháp này là hệ thống cho phép ghi các dạng sóng với tần số cao tới 5kHz, trong khi máy ghi kiểu dùng bút bị hạn chế tối đa là 200Hz Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi phải có loại giấy ảnh xử lý đặc biệt

Ngoài phần cơ khí để điều khiển sự dịch chuyển của băng giấy thì phần còn lại của máy ghi giống như cơ cấu của một vôn kế điện tử tương tự Sơ đồ mạch điều khiển điện kế dùng cho máy ghi như hình 3-20

Bộ suy giảm để thay đổi khoảng điện áp lối vào và được điều chỉnh để cho các tầm đo 1cm/V; 2cm/V hoặc 0,1cm/V; v.v…

Hệ thống điều khiển kéo băng giấy dùng mô tơ và các hệ thống truyền động bánh răng để kéo giấy được điều khiển bằng dòng điện nhờ các biến trở Có thể điều chỉnh tốc độ dịch chuyển của băng giấy ở mức cao tớiø 5cm/s, hoặc ở mức thấp tới 5cm/h Ngoài ra còn có thêm một hệ thống cơ khí để nâng và hạ bút

Hình 3-20 Mạch điều khiển điện kế dùng cho máy ghi biểu đồ

8.2 Máyï ghi biểu đồ trên băng kiểu chiết áp

Hoạt động của máy ghi biểu đồ trên băng giấy kiểu chiết áp theo nguyên t biến trở tự cân bằng Sơ đồ nguyên lý của dụng cụ chỉ ra trên hình 3-21

Bút ghi được gắn trên một dây kéo và chuyển động nhờ mô tơ Đầu giữ

gắn với đầu con trượt của một biến trở chiết áp Hai đầu của chiết áp đặt dưới ng

điện áp một chiều (±E) Điện áp lấy ra từ đầu con trượt thông qua một dây điện

mạch khuếch đại lặp lại để đưa vào một mạch cộng điện áp

ắc

bút uồn trở nhỏ qua

Mô tơ kéo điều khiển bút ghi hoạt động dưới sự tác động của điện áp trên lối ủa bộ khuếch đại cộng Ký hiệu các dòng lối vào mạ

có điện áp lối ra của mạch cộng là:

4 3 2

2 5 4

3 2

⎠

⎜⎜

−

= + +

−

=

R R R R I

I I R

Vo = – (V2 + Vi + VF)

⎞

(3-10)

chiết áp Nếu bút bị lệch ra khỏi vị trí cân bằng

làm cho mô tơ trợ động sẽ quay theo chiều cần thiết để sao cho VF trở về không Khi

Giả sử điện áp vào Vi = 0, chiết áp R1 ở giữa để cho V2 = 0 Nếu đầu giữ bút

ở điểm giữa chiết áp dây trượt thỉ ta có VF = 0 Như vậy theo (3-4) ta có Vo = 0, mô

tơ đứng yên và bút ở vị trí chính giữa

VF = 0 mô tơ sẽ đứng yên

Bây giờ giả sử bút vẽ nằm yên ở tâm của biểu đồ, VF = Vi = 0 Điều chỉnh

ở R để sao cho V = +E/2, thế lối ra mạch cộng bây giờ là V = –E/2 sẽ kích

hoạt mô tơ quay theo chiều sao cho bút đưa con trượt biến trở về phía –E Khi thế

VF=–E/2 thì điện áp lối ra bộ cộng lại bằng không, mô tơ ngừng quay và bút ghi nằm

ở một vị trí xác định

Hình 3-21 Máy ghi biểu đồ dùng nguyên tắc biến trở tự cân bằng

V2 = –E, thì bút sẽ bị kéo về các điểm ứng với VF = +E/2 hoặc +E tương ứng Biến trở

R1 đóng vai trò biến trở điều chỉnh vị trí ban đầu của bút vẽ trên băng giấy

mạch cộng Giả sử Vi > 0, thế lối ra bộ khuếch đại là –Vi sẽ điều khiển mô tơ quay

lối vào Vi là một đại lượng biến thiên chậm thì bút sẽ di chuyển liên tục sao

c tín hiệu biến đổi rất chậm dưới 10Hz

dừng Nếu thế

cho VF = –Vi, kết quả sẽ vẽ nên dạng sóng biến thiên của Vi trên băng giấy

Ưu điểm của dụng cụ là độ chính xác cao hơn nhiều so với kiểu điện kế Theo lý thuyết thì có thể đạt ±0,2% so với kiểu điện kế là ±2%

Nhược điểm là đáp tuyến tần số rất thấp, thường chỉ áp dụng cho cá

8.3 Máyï ghi biểu đồ trên băng dùng điện cực rắn

Phương pháp ghi biểu đồ trên băng dùng điện cực rắn được minh họa trên hình 3-22 Đầu ghi là một tập hợp gồm nhiều điện cực (cỡ vài trăm) được ghép nối

iện lên bề mặt băng giấy

tần số rất tốt

vì đầu ghi là đứng yên, máy có thể ghi các

n hiệu tới 1kHz

tục

tiếp nhau trên một thanh ngang cố định Các điện cực được điều khiển bằng mạch điện tử và thực hiện việc ghi tín hiệu bằng cách phóng đ

chuyên dụng dịch chuyển bên dưới

Dụng cụ có đáp tuyến

tí

Nguyên tắc điều khiển các điện cực

ghi được minh họa trên hình 3-23 Tín hiệu

lối vào được lượng tử hóa thành từng mức

gián đoạn nhờ một hệ thống các bộ so sánh

liên tiếp mắc song song với nhau Đầu ra

của mỗi bộ so sánh điều khiển trực tiếp

một điện cực ghi Các mức thế so sánh

được thực hiện bằng một cầu điện trở chia

áp giữa các bộ nguồn ±E

Dạng sóng tín hiệu ghi trên băng sẽ

cực ghi lớn thì dạng sóng ghi gần như là liên

có dạng một đường đứt nét Khi số điện

+ -SS4

+ -SS3

+ -SS2

+

-SS1

U1 U2 U3 U4

+E

V4

Tầng so áp

-E V1 V2 V3

Mạch kích điện cực ghi

Các điện cực ghi

CONTROL Tín hiệu vào

Hình 3-22

Hình 3-23 Quá trình lượng tử hóa tín hiệu vào và điều khiển các điện cực ghi

Phương pháp ghi dùng điện cực rắn có nhược điểm là mạch điều khiển phức tạp vì phải dùng một số lượng lớn các mạch so sánh và các điện cực ghi Tuy nhiên việc sử dụng các mạch tích hợp cho phép đơn giản hóa vấn đề đặt ra

8.4 Máyï ghi theo tọa độ xy

Nguyên tắc hoạt động của máy ghi theo tọa độ xy là sử dụng bút vẽ dịch chuyển đồng thời theo cả 2 chiều x và y để vẽ biểu đồ trên một tờ giấy đặt cố định

Cơ cấu ghi tương tự như đối với máy ghi biểu đồ theo nguyên tắc biến trở tự cân bằng (hình 3-24) Ở đây bút vẽ được gắn trên một giá mang và sự dịch chuyển của bút theo chiều dọc trên giá (trục y) được điều khiển bằng mô tơ M1 Toàn bộ giá mang bút có

và 4 puli trợ động

ếch đại lối vào và mạch chọn khoảng đo chỉ ra trên hình 3-25 Các

Với vị trí của S1 và S2 như hình vẽ 3-25 ta có độ lợi của mạch khuếch đại là:

Các mạch biến đổi tín hiệu vào kênh X và kênh Y để điều khiển các mô tơ

chỉnh mức 0, bộ khuếch đại cộng và một mạch lặp áp để hồi tiếp điện áp lấy từ con trượt của biến trở gắn với đầu bút ghi

Tầng khu

M2

M1

Hình 3-24 Cơ cấu ghi theo tọa độ xy

c

xích trên bản vẽ sao cho điện áp lối ra của mạch là 1V

10 10

90

10 90 900 )

/ 1 , 0 ( A lợi Độ

4 3

4 3 2

+

+ +

= +

+ +

=

K K

K K K R

R

R R R cm V

õ được khuếch đại lên thành 10 x 0,1V/cm = 1V; tín hiệu 1V này sẽ đưa tới bộ huếch đại cộng và sẽ tạo ra độ lệch 1cm của bút ghi

se

k