tài liệu đo lường và kỹ thuật đo

bài giảng môn đo lường và kỹ thuật đo trường đại học sư phạm kỹ thuật thành phố hồ chí minh. Bài giảng chi tiết có hình ảnh minh họa trực quan cho người học, công thức rõ ràng chú thích đầy đủ. có thể sử dụng làm tài liệu học tập cho môn đo lường và thiết bị đo cho ngành điện.

CHƯƠNG 7 : DAO ĐỘNG KÝ

ĐIỆN TỬ

I Ống tia điện tử

II Các khối chức năng trong dao động ký III Sự tạo ảnh trên dao động ký

IV Các loại dao động ký

V Thanh đo dao động ký

VI Ứng dụng dao động ký

II ỐNG TIA ĐIỆN TỬ:

1 Nguyên lý chung.

• Kết qủa đo là sự lệch của chùm tia điện tử khỏi quỹ đạo thẳng dưới tác dụng của từ trường hay điện trường đại lượng cần đo.

2 Ống phóng tia điện tử :

• Kết qủa đo là sự lệch của chùm tia điện tử khỏi quĩ đạo thẳng dưới tác dụng của từ trường hay điện trường đại lượng cần đo

a Cấu tạo :

1.Ống thủy tinh

2.Ka tốt

3.Cực điều khiển

4.A.nốt thứ nhất

5.A nốt thứ hai

6.Bản cực lệch ngang

7.Bản cực lệch dọc

Cấu tạo :

1 Ka tốt : Là một ống kim loại, bề mặt phủ một lớp kim loại kiềm

thổ được nung nóng gían tiếp nhờ sợi tim đèn Đầu được uốn lõm như gương cầu

2 Cực điều khiển : Là một ống kim loại làm bằng Niken bọc lấy

katốt, có lỗ nhỏ ứng với đầu lõm của katốt để chùm tia điện tử đi qua Cực điều khiển được đặt điện áp âm so với katốt

3 A nốt A1 : Làm bằng kim loại có dạng hình trụ Một đầu hở

hướng chùm điện tử vào,một đầu kín chỉ chừa một lỗ nhỏ tại tâm cho chùm tia điện tử tập trung đi qua.A1 được đặt điện áp dương

so với katốt,có nhiệm vụ làm tăng tốc độ chùm tia điện tử

4 A nốt A2 : Làm bằng kim loại, được đặt điện áp dương so với

katốt Thay đổi điến áp trên A2 sẽ làm thay đổi độ hội tụ chùm tia điện tử,làm chùm tia điện tử nhỏ lại hay lớn ra

5 Bản cực lệch dọc và lệch ngang : Điện trường hay từ trường của

các bản cực này làm thay đổi quỹ đạo chùm tia điện tử

Súng điện tử tạo thành một chùm tia điện tử nhỏ, gọn, đủ năng lượng, bắn tới màng huỳnh quang thì gây phát sáng tại nơi điện tử bắn vào Khi sợi đốt được cấp điện thì bề mặt katôt phát ra các điện tử Nhờ điện áp đặt vào lưới M âm hơn một chút so với katod mà chỉ có một số điện tử vượt qua được lưới M, các điện tử này không thể

đi xa trục quá nhờ các điện cực M, A1, A2 đều có vách chắn Nhờ có hình dạng đặt biệt và các điện áp đặt vào khác nhau mà giữûa các điện cực M, A1, A2 tạo được các vùng điện trường không đều, tác động làm chùm tia điện tử được hội tụ 2 lần trước khi đến các cặp phiến X và Y Mỗi cặp gồm hai phiến đặt song song và đưa vào một hiệu thế làm cho khoảng không gian giữûa chúng có một điện trường đều, 2 cặp X và Y đặt lần lược trước – sau, vuông góc với nhau và bao quanh cổ trục ở phần sau A2.Như vậy khi chùm điện tử đi qua thì điện trường của cặp phiến làm cho quỹ đạo của điện tử bị lệch theo hướng trục X và trục Y, theo hàm parabol Sau khi thoát khỏi vùng điện trường của cặp Y và cặp X thì điện tử bay tiếp về phía màng ảnh theo chuyển động quán tính (chuyển động thẳng đều)

b Nguyên lý:

• c Đặc điểm:

• + Độ nhạy và độ chính xác rất cao

• + Quá trình làm lệch điện tử bằng điện trường nên hầu như đo được các đại lượng đo có công suất nhỏ và các đại lượng biến thiên cao

• + Có cấu tạo phức tạp giá thành cao và cần có nguồn riêng

• _Ứng dụng: Ống phóng tia điện tử dùng làm dao động ký điện

tư ûhoặc các máy đo cần hiển thị đại lượng đo

cũng như phụ thuộc vào thời gian điện tử chuyển động về phía màn ảnh Chất huỳnh quang được quét lên đáy ống tia điện tử, đây là chất có khả năng phát sáng khi bị các điện tử bắn vào với vận tốc nhất định đủ lớn Sau tác dụng bắn phá thì ánh sáng còn được lưu lại một thời gian ngắn gọi là độ “dư huy “ của màng huỳnh quang

Khoảng lệch của điểm sáng do điện tử tạo nên trên màng huỳnh quang

so với vị trí ban đầu phụ thuộc vào cường độ điện trường E của cặp

phiến ( cũng có nghĩa là tỷ lệ thuận với điện áp VY đặt vào cặp phiến và tỉ lệ nghịch với khoảng cách d giữa 2 phiến

Hình 7.1 Các khối chức năng dao động ký 5

2

I.CÁC KHỐI CHỨC NĂNG TRONG DAO ĐỘNG KÝ

LINE (6.3 VAC-5Hz)

INT

EXI T

Tín hiệu

3

1

4

Khếch đại dọc

Nguồn cung cấp

CRT

Khếch đại ngang

Mạch kích Schmitt vi phânMạch Khối tín hiệu răng cưa

Exit kích

2 Khối khuếch đại tín hiệu điều khiển chùm tia điện tử quét theo chiều dọc

3.Khối tạo tín hiệu răng cưa làm chuẩn thời gian cho trục X của màn ảnh dao động kí

4 Khối khuếch đại tín hiệu điều khiển chùm tia điện tử quét theo chiều ngang

5 Khối tạo tín hiệu xung kích cho sự đồng bộ hoá, điều khiển chùm tia điện tử quét dọc và

ngang để cho hình ảnh hiển thị trên màn ảnh đứng yên ( nghĩa là phải có sự phối hợp đồng bộ cho sự điều khiển quét dọc và quét ngang của chùm tia điện tử )

1.Nguồn cung cấp tạo ra điện áp một chiều cung cấp cho cac anod (vào khoảng vài KV

Lưới ca tốt, cực gia tốc và tất cả các điện áp một chiều cho các mạch trong dao động ký.

Tín hiệu thanh đo (prope) được đưa qua mạch phân tầm (mạch giảm- attenuator network) để tín hiệu đưa vào mạch tiền khuếch đại

(preamplifier) đây là mạch khuếch đại điện áp như phần vôn kế điện tử.

Ngõ vào của mạch phân tầm đo có khóa S1 cho 2 cách ghép:

• Ghép trực tiếp DC, tín hiệu DC và AC đều được đưa vào.

• Ghép gián tiếp AC chỉ cho tín hiệu DC vào Còn ở vị trí O khóa S1

nối mass không có tín hiệu vào.

II MẠCH KHẾCH ĐẠI LÀM LỆCH TIA ĐIỆN

TỬ

a.Đặc tính

Nhiệm vụ của mạch là làm lớn tín hiệu vào, tạo các điện áp vi sai

ra đưa tới cặp phiến làm lệch chùm tia điện tử trên màn ảnh để vẽ chính xác hình dạng tín hiệu cần quan sát, do đó cần có :

Sơ đồ khối khuếch đại

dọc

Thanh

đo Mạch giảm

Tiền khếch đại Khuyếch đại công suất CRT

1.Khối khuếch đại quét dọc:

Mạch phân tầm đo và mạch khuyếch đại làm

lệch của máy hiện sóng

Tùy theo vị trí của nút thay đổi tầm đo (theo đơn vị Volt/Div), mạch

giảm có khóa S2 ở vị trí tương ứng.

Sau đó tín hiệu đưa vào mạch khuếch đại vi sai (Q2, Q3) có mạch

khuếch đại “theo điện áp“ (mạch khuếch đại đệm) Q1, Q4 Cuối cùng tín hiệu ở C2, C3 ( VC2 – VC3 ) được đưa vào mạch khuếch đại công suất (main frame amplifier) Điện áp ở hai đầu ra của mạch khuếch đại công suất đưa vào hai bản cực lệch dọc ( kết hợp với điện áp DC có sẳn của bản cực lệch dọc)

Nút thay đổi tầm đo

CAL

50 0

50

mV

5 2

20 10 2 1

VOLTS /DIV

VC2 VC3

VB3

VB2

E3

IE

Tín hiệu vào

Mạch phân tầm đo

Mạch tiền khuếch đại

+Vcc

-Vcc

R3

R3

R3

R3

R3

R8

Q1

R2

R9

R1

Q4

Q3

R

R0

Q2

R11

R3

Rs

R1

R10

AC

Mass

S1

S2

Tiếp theo là mạch khuếch đại lệch đứng (do độ nhạy của ống tia điện tử không cao nên để có lệch tia điện tử trên màn ảnh cần thực hiện khuếch đại tín hiệu trước khi đưa nó tới các cặp phiến làm lệch) Các mạch này phải truyền tải tín hiệu chính xác (không gây méo biên độ và pha) trong một dải tần số rộng Cuối cùng tín hiệu đo được dẫn đến 2 bản cực lệch đứng (cặp phiến Y),tạo sự quét dọc Nếu lúc này một điện áp tỷ lệ với thời gian được đặt vào cặp phiến lệch ngang (X),thì trên màn ảnh dao động kí sẽ xuất hiện hình dạng trung thực tín hiệu cần quan sát Tín hiệu tỷ lệ với thời gian có dạng hình răng cưa, còn được gọi là tín hiệu quét,do phần mạch quét tạo ra

Tín hiệu đo sau khi đã chuyển thành điện áp được đưa vào lối Y, qua bộ phân áp Mạch này sử dụng các tụ và điện trở chính xác nhằm đảm bảo cho trở kháng nhập vào là giống nhau ở mọi vị trí phân áp (núm xoay có đơn vị V/Div)

b) Nguyên lý làm việc:

Tín hiệu cần quan sát chỉ ổn định khi chu kì của điện áp răng cưa là 1 bội

số nguyên lần chu kì điện áp cần đo và cả 2 tín hiệu cùng khởi hành đồng

thời trong suốt thời gian của mỗi sóng quét

Trong thực tế phải có mạch tạo gốc thời gian để thực hiện đồng bộ cưỡng bức sóng Có thể đồng bộ bằng tín hiệu đo trích ra từ mạch khuếch đại lệch đứng (chế độ đồng bộ trong), hoặc bằng tín hiệu lấy từ ngoài (chế độ đồng bộ ngoài, khi công tắc B2 bật qua vị trí (2)) Cũng có thể đưa 1 tín hiệu khác không tỷ lệ với thời gian đến mạch khuếch đại lệch ngang (X) để dẫn tới cặp phiến X qua công tắc B3 (chế độ đo X_Y: như đo tần số, góc lệch pha …)

Để điện áp đo bằng dao động kí được xác định chính xác về biên độ và tần số thì trong dao động kí có mạch phát xung chuẩn, đây là nguồn tạo xung vuông chuẩn Trước khi đo biên độ, công tắc B1 bật vào vị trí (2); trước khi đo tần số (chu kì) thì sử dụng bộ chuẩn thời gian

Cấu tạo một mạch khuếch đại làm lệch có thể như hình 2 (gồm mạch điện trở vào lớn và cầu khuếch đại vi sai)

2.Cấu tạo và hoạt động:

Biến trở R11 trên hình 2 là thành phần điều khiển dịch chuyển mức DC: khi tiếp điểm ở giữa thì VB4 ở mức đất, tia điện tử ở trung tâm màn hình (nếu tín hiệu vào

Y cũng là “0” ); khi VB4 dương , VB3 dương lên, VC3 giảm làm cho tia điện tử được đẩy lên phía trên màn hình; khi VB4 âm tia được dịch chuyển xuống dưới Sự dịch chuyển một chiều (DC) này không làm ảnh hưởng tới dạng sóng quan sát đưa tới ngõ vào Y, nó chỉ làm cho trục X của sóng được dời lên trên hay xuống dưới.

Khi có áp dương đặt vào Y thì VB2 cũng dương làm cho IC2 tăng, còn IC3 giảm, kết quả là VC2 giảm còn VC3 tăng Sự biến thiên điện áp ở hai ngõ ra mạch KĐVS là bằng nhau về độ lớn và ngược chiều, sẽ được nối vào hai phiến làm lệch (của 1 cặp phiến) khiến cho chùm điện tử khi đi qua nó thì bị đẩy khỏi tấm âm và hút về tấm dương Do thế ở các phiến bằng nhau và ngược chiều mà thế ở giữa các tấm bằng “0” volt và tốc độ của chùm điện tử không bị ảnh hưởng.

Khi áp vào Y bằng “0” thì B1 ở mức đất Nếu B4 được điều chỉnh (bằng R11 để có được mức đất thì B2 và B3 đều có mức áp âm và IC2 = IC3 , VC2 = VC3.

Để có điện trở vào lớn thì Q1 và Q4 được mắc theo mạch tải Emitơ Q2 Q3 tạo

thành cầu khuếch đại vi sai.

Sơ đồ mạch khồi khếch đại quét ngang.

Vị trí khóa

b- Khối khuếch đại quét ngang:

Khối khuếch đại quét ngang giống như khối khuếch đại quét dọc Ngoài ra tín hiệu vào có 2 cách phụ thuộc vào vị trí của khóa S2 Nếu khóa S2 ở vị trí EXT tín hiệu quét ngang được đưa ngoài vào Nếu S2 ở vị trí INT thì tín hiệu quét dạng răng cưa từ mạch tạo tín hiệu quét răng cưa (sweep generator) được đưa vào

S1

Tín hiệu

vào

Nối AC

Nối

2

Khuyếch đại ngang

Quét răng cưa

Mạch giảm

CRT EXT

INT

III MẠCH TẠO GỐC THỜI GIAN:

1.Mạch tạo sóng quét.

Mức khởi động dưới

Mức khởi động trên

V1

V2

Vcc – 1V

- Vcc – 1V

Mạch tạo sóng răng cưa

Mạch tạo sóng quét có thể như (h7-6b): ở đây nguồn áp V1 không đổi tạo ra dòng I2 ổn định để nạp cho tụ, và

t RC

V

Theo phương trình, khi V1 không thay đổi,RC không thay đổi thì điện áp Vr tỷ lệ với thời gian tụ nạp điện.Tại thời điểm T2 người ta cho xung dương điều khiển tụ phóng điện thật nhanh Độ dốc của điện áp răng cưa phụ thuộc vào nguồn điện áp chuẩn V1 và vào hằng số thời gian RC, vì thế thay đổi độ dốc là thay đổi tỷ lệ thời gian của mạch quét

Tạo răng cưa bằng mạch tích phân Dạng sóng

TR

c

T2

t

T1

Vr

Tr = T1 + Tw = nT ; n = 1, 2

VT

T

Dạng sóng đã đồng bộ

Đầu thường có hai loại : loại có tỷ số 1:1 và loại 10:1 ( giảm áp

10 lần khi đi qua) Mạch thay thế tương đương của hai loại như hình vẽ

• Ở loại 1: Cc là điện dung kí sinh của dây dẫn ; Ci là điện dung và Ri là điện trở ngõ vào Y Do đó tổng trở vào Zvào = (Cc + Ci)//Ri

• Ở loại 2: trong đầu đo có tụ điều chỉnh được là Cs và thêm tụ

C1, điện trở R1 nên điện áp vào được tính :

( ) ( [ C S ) i ]

S C

i

R C

C C

R C

Ri C

C

C V

V

//

//

//

1 1

1

1 1

'

+ +

+

+

+

Ri

R1

Cs

Vi'

R

Vr

_ +

t1

t2

V1

I2

Mạch tạo sóng vuông ( mạch Schmitt

+

-2 1 3

T1 3

2 1

T2 3

2

1

R4 R5

R2

R1

R7

R6

C2

V1

Mạch Schmitt trigơ : ngõ ra (V1) của mạch tạo sóng răng cưa được dẫn lại ngõ vào không đảo của KĐTT, qua R6 còn ngõ vào đảo được tiếp đất qua R Vì KĐTT có hệ số khuếch đại rất lớn nên ngõ ra mạch Schmitt dễ dàng đạt trạng thái dương hoặc âm

Mạch tạo sóng răng cưa có VB1 ổn định bằng mạch phân áp R1–R2 , do vậy sụt áp trên R3 cũng không đổi, dòng I1 ổn định vì :

VR3 = VB1 - VBE và:

Khi có tín hiệu đồng bộ âm ở ngõ vào KĐTT kéo lối vào này xuống thấp hơn lối vào dương thì ngõ ra mạch Schmitt trigơ ở mức bão hòa âm, IB2 rất nhỏ và T2 ngắt Lúc này dòng I1 nạp vào tụ, tạo ở đầu ra một sóng tỷ lệ với thời gian (sóng răng cưa )

t k

t C

I

2 1

( vì I1 và C1 không đổi )

−

Khi áp trên tụ giảm xuống dưới mức khởi động dưới của mạch Schmitt thì ngõ ra chuyển sang bão hòa âm làm T2 ngắt, tụ C1 nạp lại

Thời gian tụ phóng điện rất ngắn nên một chu trình nạp –xả ( 1 chu

kì của điện áp răng cưa) thực tế được tính theo thời gian tụ nạp :

t2 – t1 = ∆t = T0 Với các mức khởi động trên và dưới đã ấn định cho mạch Schmitt thì chu kì T0 của điện áp răng cưa là phụ thuộc độ dốc ( hệ số k), cũng tức là phụ thuộc vào I1 và C1 Nếu điều chỉnh I1 bằng R3, và C1 bằng các vị trí công tắc S1 ( h.7-6a) thì thực tế trên dao động kí là chúng

ta thay đổi thời gian quét (chu kì sóng quét) bằng núm TIME/DIV

t RC

V

V r 1 ∆

Điện áp trên tụ tăng tuyến tính cho tới khi đạt mức khởi động trên của mạch Schmitt thì ngõ ra chuyển sang bão hòa dương, dòng IB2 lớn làm cho T2 dẫn, tụ phóng điện nhanh qua T2 xuống đất

Khuyếch đại xung kích

Khối đồng bộ hóa

Khuyếch đai ïdọc

Khuyếch đại ngang Cuộn lệch

Vi phân

Xén

Mạch Hodd-off Schmitt

Xung răng cưa Xung dương hồi

Điều khiển ngang Không phải đường hồi Điều khiển dọc

EX

T A

S1 B

-VEE

-VEE -VEE

+VCC

INT EXT Vào - X

S3

Lưới catốt

S2

VC2

VC1

Để sóng quan sát ổn định (đứng im, không trôi ) trên màn ảnh

dao động kí thì 2 sóng phải khởi hành đồng thời và: Tr = T1+Tw = nT

Tr là chu kì sóng quét

T là chu kì sóng quan sát

T1 là thời gian quét

Tw là thời gian nghỉ n = 1,2,3,…

2.Mạch tạo gốc thời gian ( mạch tạo sự đồng bộ tín hiệu )

Tín hiệu kích khởi để có

đồng bộ được trích lấy từ ngay

trong máy hoặc từ ngoài Trong

hình nó được lấy từ tín hiệu đưa

vào mạch KĐ lệch đứng

Mạch khuếch đại kích khởi

cũng có 2 ngõ ra vi sai như ở

mạch khuếch đại lệch đứng,

mạch này còn có hệ số khuếch

đại rất lớn làm cho sóng ra có

dạng gần như vuông

Xung vuông sau đó qua mạch vi phân, mạch xén để tạo thành xung nhọn âm có sườn xung trùng với thời điểm bắt đầu của mỗi chu kì sóng quan sát Khi nó được dẫn ngay tới lối vào đồng bộ mạch schmitt (của bộ tạo sóng quét) thì trên màn ảnh dao động kí chỉ luôn luôn vẽ được một chu kì sóng quan sát

Để sóng quan sát được vẽ một hay nhiều chu kì thì xung kích khởi cần được đưa qua mạch giữ (Hold-off) trước khi dẫn tới ngõ vào đồng bộ mạch Schmitt (của bộ tạo sóng quét) Mạch này xóa bớt các xung nhọn âm, đảm bảo trong mỗi chu kì quét chỉ có một xung nhọn âm làm đồng bộ gốc thời gian Mạch giữ được điều khiển với mức lớn nhất của sóng răng cưa nên từ ngõ ra mạch sóng quét có đường hồi tiếp về mạch giữ (h7-7)

Tiếp đó mạch Schmitt trigơ đã được thiết kế sao cho có các điểm khởi động trên và dưới gần mức đất thì tín hiệu ra ở mạch Schmitt là tín hiệu xung vuông dốc đứng, có gốc thời gian trùng với sóng quan sát (h.7-7)

Xung này được đưa qua 1 mạch đảo trước khi dẫn tới lưới của ống tia điện tử ( cực M) Xung âm xuất hiện khi sóng răng cưa giảm từ mức dương cực đại tới mức âm cực đại nên xung âm làm cho toàn bộ chùm tia điện tử phát ra từ Katod của ống CRT bị đẩy trở lại Katod, trên màn hình lúc này đường quét hồi về của tia sóng bị xóa đi Tín hiệu kích khởi đồng bộ có thể lấy từ trong ( công tắc S1 đặt ở kênh A hoặc kênh B), hoặc lấy từ ngoài (công tắc S1 nối với nguồn ngoài EXT)

Trong mạch khuếch đại kích khởi, R10 điều chỉnh DC của tín hiệu

ra nên nó điều khiển thời điểm mà tại đó sóng bắt đầu hiện trên màn ảnh Sóng quan sát có thể bắt đầu từ nửa chu kì âm khi công tắc S2 chuyển sang vị trí V02: xung kích khởi được tạo ra vào thời điểm tín hiệu quan sát qua mức “0” và từ dương qua âm, làm sóng quét cũng chỉ bắt đầu tại thời điểm đó để vẽ sóng lên màn hình, sóng bắt đầu từ chu kì âm của tín hiệu quan sát Còn có khối mạch xóa , lấy tín hiệu từ ngõ ra mạch tạo sóng quét ( cụ thể là lấy từ ngõ V2 xung vuông của mạch Schmitt)