Lý thuyết đo lường điện Dao động ký điện tử

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 tạo tín hiệu xung kí

CHƯƠNG 8

DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN

TỬ

8.1 Ôâng tia điện tử

8.2 Các khối chức năng trong dao động ký 8.3 Sự tạo ảnh trên dao động ký

8.4 Các loại dao động ký

8.5 Thanh đo dao động ký

8.6 Ưùng dụng dao động ký

8.1.CHỈ THỊ ĐIỆN TỬ:

1 Nguyên lý chung.

• 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

2 Oáng 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

5.A nốt thứ hai

6.Bản cực lệch ngang

7.Bản cực lệch dọc

8.Màn hùynh quang

Oáng phóng tia điện tử CRT

1

Cấu tạo :

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.

• 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.

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.

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.

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

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

Là một ống kim loại làm bằng Niken bọc lấy ka tốt, có lo nhỏ ứng với đầu lõm của katốt để chùm tia điện tư

Đi qua Cực điều khiển được đặt điện áp âm so với katốt.

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 :

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.

3.A nốt A1 :

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.

4.A nốt A2 :

Điện trường hay từ trường của các bản cực này làm thay đổi quĩ đạo chùm tia điện tử 5.Bản cực lệch dọc và lệch ngang :

8.2 CÁC KHỐI CHỨC NĂNG TRONG DAO ĐỘNG KÝ

Hình 7.1 Các khối chức năng dao động ký

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.

1 TỔNG QUÁT :

LINE (6.3 VAC-5Hz)

INT EXIT

Tín hiệu Khếch đại dọc

Nguồn cung cấp

CRT

Khếch đại ngang

Mạch kích Schmitt vi phân Mạch Khối tín hiệu răng cưa

Exit kích

1 2

5

Mạch khối khuếch đại dọc

2.Khối khuếch đại quét dọc:

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.

Mạch phân tầm đo và mạch khuyếch đại điện áp

Nút thay đổi tầm đo

Mạch phân tầm đo

Mạch tiền khuếch đại

V

Ngõ vào của mạch phân tầm đo có khóa S 1 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.

 Vị trí O khóa S 1nối mass không có tín hiệu vào

Tín hiệu vào

C 11

Mạch phân tầm đo

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

Sơ đồ mạch khồi khếch đại quét ngang

3- 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.

S 1

Tín hiệu

vào

Nối AC

Quét răng cưa

Mạch giảm

CRT

EXT

INT

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)

2) Nguyên lí 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

2 Sự đồng bộ hoá giữa hai tín hiệu quét dọc và quét ngang:

Ở c nh lên của tín hiệu quét răng cưa thể hiện sẽ cho tín hiệu sin xuất hiện trên màn ảnh OSC là điểm số 9 Sau đó trong thời gian cạnh xuống của tín hiệu quét ngang tín hiệu điện tử được quét ngang trở lại Nhưng trong lúc chùm tia điện tử quay trở về thì tín hiệu quan sát vẫn tiếp tục hiện hữu theo thời gian Do đó dẫn đế điểm bắt đầu ở chu kỳ quét thứ hai của tín hiệu

khảo sát sẽ không cùng tại vị trí của lần quét thứ nhất ( Lần 1 bắt đầu từ số (1),nhưng lần quét thứ 2 lại ở điển khác.

Như vậy ta có hiện tượng tín hiệu trên OSC chạy trên màn ảnh (nhanh hay chậm) Đó là hiện tượng không đồng bộ giữa tín hiệu quét ngang và dọc.

* Trong thời gian chùm tia điện tử quay trở về thì cạnh xuống của tín hiệu quét răng cưa vào mạch xoá đường hồi (blanking), sẽ tạo ra điện thế lưới VGK rất âm để không có tín hiệu quét ngang của chùm tia điện tử xuất

hiện trên màn hình trong thời gian này.

* Để cho tín hiệu quan sát và tín hiệu răng cưa có cùng vị trí của mỗi lần quét thì tín hiệu răng cưa không được tự do xuất hiện mà phải xuất hiện khi có xung kích mà xung kích có tần số phục thuộc vào và tín hiệu quan sát

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.

II MẠCH KHẾCH ĐẠI LÀM LỆCH TIA ĐIỆN TỬ

1.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 :

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 R 11 trên hình 2 là thành phần điều khiển dịch chuyển mức DC: khi tiếp điểm ở giữa thì V B4 ở mức đất, tia điện tử ở trung tâm màn hình (nếu tín hiệu vào Y cũng là “0” ); khi V B4 dương , V B3 dương lên, V C3 giảm làm cho tia điện tử được đẩy lên phía trên màn hình; khi V B4 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 V B2 cũng dương làm cho I C2 tăng, còn I C3 giảm, kết quả là V C2 giảm còn V C3 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 B 1 ở mức đất Nếu B 4 được điều chỉnh (bằng R 11 để có được mức đất thì B 2 và B 3 đều có mức áp âm và I C2 = I C3 , V C2 = V C3

Để có điện trở vào lớn thì Q 1 và Q 4 được mắc theo mạch tải Emitơ Q 2 Q 3 tạo thành cầu khuếch đại vi sai.

8.3 SỰ TRÌNH BÀY TÍN HIỆU TRÊN MÀN ẢNH CỦA DAO ĐỘNG KÝ

1 Sự phối hợp của tín hiệu y=f(t) và x = k.t

Để xuất hiện hình ảnh tín hiệu cần quan sát

trên OSC của DĐK Tín hiệu cần quan sát

được đưa vào ngõ quét dọc X (Vertical

input), còn tín hiệu răng cưa Ơû mạch tạo tín

hiệu quét được đưa vào ngõ quét ngang (Y)

(Horizontal input).

Tín hiệu răng cưa này còn được gọi là tín

hiệu chuẩn thời gian (time base) Như vậy

tín hiệu cạnh lên của tín hiệu quét ngang là

một đường thẳng tỷ lệ theo thời gian X = k.t

1

2

3 4 5

6

7 8

9

Hệ số k có thể thay đổi được khi thay đổi tần

số của tín hiệu quét răng cưa.

Thì tín hiệu được biểu điễn trên OSC là

Y = A.sin.(x/k)

Chọn nên khi tín hiệu vào là tín hiệu sin có

biểu thức : y = A.sin.t

Tín hiệu vào

Tín hiệu răng cưa

Aûnh của tín hiệu trên OSC

III MẠCH TẠO GỐC THỜI GIAN:

1.Mạch tạo sóng quét.

Mức khởi động dưới

Mức khởi động trên

V cc – 1V

- V cc – 1V

Mạch tạo sóng răng cưa

Mạch tạo sóng quét có thể như (h7-6b): ở đây nguồn áp V 1 không đổi tạo ra dòng I 2 ổn định để nạp cho tụ, và

t RC

V

Theo phương trình, khi V 1 không thay đổi,RC không thay đổi thì điện áp Vr tỷ lệ với thời gian tụ nạp điện.Tại thời điểm T 2 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 V 1 và vào hằng số thời gian RC, vì thế thay đổi độ dốc là thay đổi tỷ lệ thời gian của mạch quét.

Mạch tạo sóng vuông ( mạch Schmitt

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 R 1 –R 2 , do vậy sụt áp trên R 3 cũng không đổi, dòng I 1 ổn định vì : V R3 = V B1 - V BE 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, I B2 rất nhỏ và T 2 ngắt Lúc này dòng I 1 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 I 1 và C 1 không đổi )

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 I B2 lớn làm cho T 2 dẫn, tụ phóng điện nhanh qua T 2 xuống đất.

Khi áp trên tụ giảm xuống dưới mức khởi động dưới của mạch Schmitt thì ngõ

ra chuyển sang bão hòa âm làm T 2 ngắt, tụ C 1 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 :

t 2 – t 1 = t = T 0 Với các mức khởi động trên và dưới đã ấn định cho mạch Schmitt thì chu kì T 0 của điện áp răng cưa là phụ thuộc độ dốc ( hệ số k), cũng tức là phụ thuộc vào I 1 và C 1 Nếu điều chỉnh I 1 bằng R 3 , và C 1 bằng các vị trí công tắc S 1 ( 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

Tạo răng cưa bằng mạch tích phân

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: C c là điện dung kí sinh của dây dẫn ; C i là điện dung và R i là điện trở ngõ vào Y Do đó tổng trở vào Z vào = (C c + C i )//R i

 Ở loại 2: trong đầu đo có tụ điều chỉnh được là C s và thêm tụ C 1 , điện trở R 1 nên điện áp vào được tính :

S C

i

R C

C C

R C

Ri C

C

C V

1

1 1

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

EXT A

S 1 B

-V EE

-V EE -V EE

+V CC +V CC

+V CC

INT EXT

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).