Lý thuyết đo lường điện Dao động ký điện tử

CHƯƠNG DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 Ôâng tia điện tử Các khối chức dao động ký Sự tạo ảnh dao động ký Các loại dao động ký Thanh đo dao động ký ng dụng dao động ký 8.1.CHỈ THỊ ĐIỆN TỬ: Nguyên lý chung • Kết qủa đo lệch chùm tia điện tử khỏi q đạo thẳng tác dụng từ trường hay điện trường đại lượng cần đo ng phóng tia điện tử : • Kết qủa đo lệch chùm tia điện tử khỏi q đạo thẳng tác dụng từ trường hay điện trường đại lượng cần đo a Cấu tạo : 1.ng thủy tinh 2.Ka tốt 3.Cực điều khiển 4.A.nốt thứ 5.A nốt thứ hai 6.Bản cực lệch ngang 7.Bản cực lệch dọc 8.Màn hùynh quang ng phóng tia điện tử CRT Cấu tạo : • • • • Là ống kim loại, bề mặt phủ lớp kim loại kiềm thổ nung nóng gían tiếp nhờ sợi tim đèn.Đầu uốn lõm gương cầu Cực điều khiển : Là ống kim loại làm Niken bọc lấy katốt, có lỗ nhỏ ứng với đầu lõm katốt để chùm tia điện tử qua Cực điều khiển đặt điện áp âm so với katốt A nốt A1 : Làm kim loại có dạng hình trụ Một đầu hở hướng chùm điện tử vào,một đầu kín chừa lỗ nhỏ tâm cho chùm tia điện tử tập trung qua.A1 đặt điện áp dương so với katốt,có nhiệm vụ làm tăng tốc độ chùm tia điện tử A nốt A2 : Làm kim loại, đặt điện áp dương so với katốt Thay đổi điến áp A2 làm thay đổi độ hội tụ chùm tia điện tử,làm chùm tia điện tử nhỏ lại hay lớn Bản cực lệch dọc lệch ngang : Điện trường hay từ trường cực làm thay đổi q đạo chùm tia điện tử 1.Ka tốt : Là ống kim loại, bề mặt phủ lớp kim loại kiềm thổ nung nóng gían tiếp nhờ sợi tim đèn.Đầu uốn lõm gương cầu 2.Cực điều khiển : Là ống kim loại làm Niken bọc lấy ka tốt, có lo nhỏ ứng với đầu lõm katốt để chùm tia điện tư Đi qua Cực điều khiển đặt điện áp âm so với katốt 3.A nốt A1 : Làm kim loại có dạng hình trụ Một đầu hở hướng chùm điện tử vào,một đầu kín chừa lỗ nhỏ tâm cho chùm tia điện tử tập trung qua A1 đặt điện áp dương so với katốt,có nhiệm vụ làm tăng tốc độ chùm tia điện tử 4.A nốt A2 : Làm kim loại, đặt điện áp dương so với katốt Thay đổi điến áp A2 làm thay đổi độ hội tụ chùm tia điện tử,làm chùm tia điện tử nhỏ lại hay lớn 5.Bản cực lệch dọc lệch ngang : Điện trường hay từ trường cực làm thay đổi q đạo chùm tia điện tử 8.2 CÁC KHỐI CHỨC NĂNG TRONG DAO ĐỘNG KÝ TỔNG QUÁT : Tín hiệu Exit kích Khếch đại dọc INT EXIT LINE (6.3 VAC-5Hz) Nguồn cung cấp Mạch kích Schmitt CRT Mạch vi phân Khối tín hiệu cưa Khếch đại ngang Hình 7.1 Các khối chức dao động ký Nguồn cung cấp tạo điện áp chiều cung cấp cho cac anod (vào khoảng vài KV) ưới ca tốt, cực gia tốc tất điện áp chiều cho mạch dao động ký Khối khuếch đại tín hiệu điều khiển chùm tia điện tử quét theo chiều dọc 3.Khối tạo tín hiệu cưa làm chuẩn thời gian cho trục X ảnh dao động kí Khối khuếch đại tín hiệu điều khiển chùm tia điện tử quét theo chiều ngang Khối tạo tín hiệu xung kích cho đồng hoá, điều khiển chùm tia điện tử quét dọc ngang hình ảnh hiển thị ảnh đứng yên ( nghóa phải có phối hợp đồng cho điều khiển quét dọc quét ngang chùm tia điện tử ) 2.Khối khuếch đại quét dọc: Thanh đo Mạch giảm Tiền khếch đại Khuyếch đại công suất C R T Khối khuếch đại dọc Mạch khối khuếch đại dọc Tín hiệu đo (prope) đưa qua mạch phân tầm (mạch giảmattenuator network) để tín hiệu đưa vào mạch tiền khuếch đại (preamplifier) mạch khuếch đại điện áp phần vôn kế điện tử Mạch phân tầm đo Mạch tiền khuếch đại R3 R3 Q1 VB2 R3 R1 VC2 Q4 R11 R1 Q3 Q2 R IE2 IE IE3 R2 Rs VB3 R8 VOLTS /DIV V 20 10 200 VC3 R3 R3 VR6 R0 VR3 R3 +Vcc 500 Tín hiệu vào R9 20 R10 CAL C11 10 mV Nuùt thay đổi tầm đo -Vcc Mạch phân tầm đo mạch khuyếch đại điện áp C11 AC S1 Mạch phân tầm ño DC VOLTS /DIV 500 200 S1 CAL 20 10 20 10 mV R3 R3 R3 2 Tín hiệu vào S2 R3 R3 Mạch phân tầm đo Mạch K.đại Vi sai Ngõ vào mạch phân tầm đo có khóa S1 cho cách ghép: • Ghép trực tiếp DC, tín hiệu DC AC đưa vào • Ghép gián tiếp AC cho tín hiệu DC vào • Vị trí O khóa S1nối mass tín hiệu vào Nút thay đổi tầm đo Tùy theo vị trí nút thay đổi tầm đo (theo đơn vị Volt/Div), mạch giảm có khóa S2 vị trí tương ứng Sau 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 tín hiệu C2, C3 ( VC2 – VC3 ) đưa vào mạch khuếch đại công suất (main frame amplifier) Điện áp hai đầu mạch khuếch đại công suất đưa vào hai cực lệch dọc ( kết hợp với điện áp DC có sẳn cực lệch dọc) 3- Khối khuếch đại quét ngang: Nối AC Tín hiệu vào S1 Nối DC Mạch giảm S2 EXT Khuyếch đại ngang CRT INT Quét cưa Sơ đồ mạch khồi khếch đại quét ngang Khối khuếch đại quét ngang giống khối khuếch đại quét dọc Ngoài tín hiệu vào có cách phụ thuộc vào vị trí khóa S Nếu khóa S2 vị trí EXT tín hiệu quét ngang đưa vào Nếu S vị trí INT tín hiệu quét dạng cưa từ mạch tạo tín hiệu quét cưa (sweep generator) đưa vào 2) Nguyên lí làm việc: Tín hiệu đo sau chuyển thành điện áp đưa vào lối Y, qua phân áp Mạch sử dụng tụ điện trở xác nhằm đảm bảo cho trở kháng nhập vào giống vị trí phân áp (núm xoay có đơn vị V/Div) Tiếp theo mạch khuếch đại lệch đứng (do độ nhạy ống tia điện tử không cao nên để có lệch tia điện tử ảnh cần thực khuếch đại tín hiệu trước đưa tới cặp phiến làm lệch) Các mạch phải truyền tải tín hiệu xác (không gây méo biên độ pha) dải tần số rộng Cuối tín hiệu đo dẫn đến cực lệch đứng (cặp phiến Y),tạo quét dọc Nếu lúc điện áp tỷ lệ với thời gian đặt vào cặp phiến lệch ngang (X),thì ảnh dao động kí xuất hình dạng trung thực tín hiệu cần quan sát Tín hiệu tỷ lệ với thời gian có dạng hình cưa, gọi tín hiệu quét,do phần mạch quét tạo Tín hiệu cần quan sát ổn định chu kì điện áp cưa bội số nguyên lần chu kì điện áp cần đo tín hiệu khởi hành đồng thời suốt thời gian sóng quét 2 Sự đồng hoá hai tín hiệu quét dọc quét ngang: Ở cạnh lên tín hiệu quét cưa thể cho tín hiệu sin xuất ảnh OSC điểm số Sau thời gian cạnh xuống tín hiệu quét ngang tín hiệu điện tử quét ngang trở lại Nhưng lúc chùm tia điện tử quay trở tín hiệu quan sát tiếp tục hữu theo thời gian Do dẫn đế điểm bắt đầu chu kỳ quét thứ hai tín hiệu khảo sát không vị trí lần quét thứ ( Lần số (1),nhưng lần quét thứ lại điển khác Như ta có tượng tín hiệu OSC chạy ảnh (nhanh hay chậm) Đó tượng không đồng tín hiệu quét ngang dọc * Trong thời gian chùm tia điện tử quay trở cạnh xuống tín hiệu quét cưa vào mạch xoá đường hồi (blanking), tạo điện lưới VGK âm để tín hiệu quét ngang chùm tia điện tử xuất hình thời gian * Để cho tín hiệu quan sát tín hiệu cưa có vị trí lần quét tín hiệu cưa không tự xuất mà phải xuất có xung kích mà xung kích có tần số phục thuộc vào tín hiệu quan sát Trong thực tế phải có mạch tạo gốc thời gian để thực đồng cưỡng sóng Có thể đồng tín hiệu đo trích từ mạch khuếch đại lệch đứng (chế độ đồng trong), tín hiệu lấy từ (chế độ đồng ngoài, công tắc B2 bật qua vị trí (2)) Cũng đưa 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: đo tần số, góc lệch pha …) Để điện áp đo dao động kí xác định xác biên độ tần số dao động kí có mạch phát xung chuẩn, nguồn tạo xung vuông chuẩn Trước đo biên độ, công tắc B1 bật vào vị trí (2); trước đo tần số (chu kì) sử dụng chuẩn thời gian II MẠCH KHẾCH ĐẠI LÀM LỆCH TIA ĐIỆN TỬ 1.Đặc tính Nhiệm vụ mạch làm lớn tín hiệu vào, tạo điện áp vi sai đưa tới cặp phiến làm lệch chùm tia điện tử ảnh để vẽ xác hình dạng tín hiệu cần quan sát, cần có : 2.Cấu tạo hoạt động: Cấu tạo mạch khuếch đại làm lệch hình (gồm mạch điện trở vào lớn cầu khuếch đại vi sai) Để có điện trở vào lớn Q1 Q4 mắc theo mạch tải Emitơ Q2 Q3 tạo thành cầu khuếch đại vi sai Khi áp vào Y “0” B1 mức đất Nếu B4 điều chỉnh (bằng R11 để có mức đất B2 B3 có mức áp âm IC2 = IC3 , VC2 = VC3 Khi có áp dương đặt vào Y VB2 dương làm cho IC2 tăng, IC3 giảm, kết VC2 giảm VC3 tăng Sự biến thiên điện áp hai ngõ mạch KĐVS độ lớn ngược chiều, nối vào hai phiến làm lệch (của cặp phiến) khiến cho chùm điện tử qua bị đẩy khỏi âm hút dương Do phiến ngược chiều mà “0” volt tốc độ chùm điện tử không bị ảnh hưởng Biến trở R11 hình thành phần điều khiển dịch chuyển mức DC: tiếp điểm VB4 mức đất, tia điện tử trung tâm hình (nếu tín hiệu vào Y “0” ); VB4 dương , VB3 dương lên, VC3 giảm làm cho tia điện tử đẩy lên phía hình; VB4 âm tia dịch chuyển xuống Sự dịch chuyển chiều (DC) không làm ảnh hưởng tới dạng sóng quan sát đưa tới ngõ vào Y, làm cho trục X sóng dời lên hay xuống 8.3 SỰ TRÌNH BÀY TÍN HIỆU TRÊN MÀN ẢNH CỦA DAO ĐỘNG KÝ Sự phối hợp tín hiệu y=f(t) x = k.t ms Để xuất hình ảnh tín hiệu cần quan sát OSC DĐK Tín hiệu cần quan sát đưa vào ngõ quét dọc X (Vertical input), tín hiệu cưa mạch tạo tín hiệu quét đưa vào ngõ quét ngang (Y) (Horizontal input) Tín hiệu vào Tín hiệu cưa gọi tín hiệu chuẩn thời gian (time base) Như tín hiệu cạnh lên tín hiệu quét ngang đường thẳng tỷ lệ theo thời gian X = k.t Hệ số k thay đổi thay đổi tần số tín hiệu quét cưa Chọn nên tín hiệu vào tín hiệu sin có biểu thức : y = A.sinω.t Thì tín hiệu biểu điễn OSC Y = A.sinω.(x/k) Tín hiệu cưa nh tín hiệu OSC III MẠCH TẠO GỐC THỜI GIAN: 1.Mạch tạo sóng quét Mức khởi động V1 Mức khởi động Vcc – 1V V2 - Vcc – 1V Mạch tạo sóng cưa Mạch tạo sóng quét (h7-6b): nguồn áp V1 không đổi tạo dòng I2 ổn định để nạp cho tụ, Vr V1 ∆ t RC Theo phương trình, V1 không thay đổi,RC không thay đổi 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 điện áp cưa phụ thuộc vào nguồn điện áp chuẩn V1 vào số thời gian RC, thay đổi độ dốc thay đổi tỷ lệ thời gian mạch quét Mạch tạo sóng vuông ( mạch Schmitt trigơ) Mạch Schmitt trigơ : ngõ (V1) mạch tạo sóng cưa dẫn lại ngõ vào không đảo +V R KĐTT, qua R6 ngõ vào đảo tiếp đất qua R Vì KĐTT có hệ số khuếch đại lớn nên ngõ T R mạch Schmitt dễ dàng đạt trạng thái dương âm T V Mạch tạo sóng cưa có VB1 ổn định mạch phân áp R1–R2 , sụt áp R3 R R R không đổi, dòng I1 ổn định : VR3 = VB1 - VBE và: + CC 1 2 - R7 C2 VS − VBE VR I A = IC ≈ I E = = =K R3 R3 Khi có tín hiệu đồng âm ngõ vào KĐTT kéo lối vào xuống thấp lối vào dương ngõ mạch Schmitt trigơ mức bão hòa âm, I B2 nhỏ T2 ngắt Lúc dòng I1 nạp vào tụ, tạo đầu sóng tỷ lệ với thời gian (sóng cưa ) I ( I1 C1 không đổi ) Vr = ∆t = k∆t C2 Điện áp tụ tăng tuyến tính đạt mức khởi động mạch Schmitt ngõ chuyển sang bão hòa dương, dòng IB2 lớn làm cho T2 dẫn, tụ phóng điện nhanh qua T2 xuống đất Khi áp tụ giảm xuống mức khởi động mạch Schmitt ngõ chuyển sang bão hòa âm làm T2 ngắt, tụ C1 nạp lại Thời gian tụ phóng điện ngắn nên chu trình nạp –xả ( chu kì điện áp cưa) thực tế tính theo thời gian tụ nạp : t2 – t1 = ∆t = T0 Với mức khởi động ấn định cho mạch Schmitt chu kì T điện áp cưa phụ thuộc độ dốc ( hệ số k), tức phụ thuộc vào I1 C1 Nếu điều chỉnh I1 R3, C1 vị trí công tắc S1 ( h.76a) thực tế dao động kí thay đổi thời gian quét (chu kì sóng quét) núm TIME/DIV r V V ∆t RC VT D t2 V1 R _ + I2 Vr c T t1 Tạo cưa mạch tích phân t2 Vr T1 TR t Dạng soùng T2 Tr = T1 + Tw = nT ; n = 1, Đầu thường có hai loại : loại có tỷ số 1:1 loại 10:1 ( giảm áp 10 lần qua) Mạch thay tương đương hai loại hình vẽ • Ở loại 1: Cc điện dung kí sinh dây dẫn ; Ci điện dung Ri điện trở ngõ vào Y Do tổng trở vào Zvào = (Cc + Ci)//Ri • Ở loại 2: đầu đo có tụ điều chỉnh Cs thêm tụ C1, điện trở R1 nên điện áp vào tính : C1 t1 Dạng sóng đồng C [ ( CC + C S + C1 ) // Ri ] V i = V1 ( C1 // R1 ) + [ ( CC + C S + C1 ) // Ri ] ' R1 Vi Cc Cs Vi' Ci Ri 2.Mạch tạo gốc thời gian ( mạch tạo đồng tín hiệu ) Để sóng quan sát ổn định (đứng im, không trôi ) ảnh dao động kí sóng phải khởi hành đồng thời và: Tr = T1+Tw = nT Khuyếch đại xung kích Tr chu kì sóng quét T chu kì sóng quan sát T1 thời gian quét Tw thời gian nghỉ n = 1,2,3,… Tín hiệu kích khởi để có đồng trích lấy từ máy từ Trong hình lấy từ tín hiệu đưa vào mạch KĐ lệch đứng Mạch khuếch đại kích khởi có ngõ vi sai mạch khuếch đại lệch đứng, mạch có hệ số khuếch đại lớn làm cho sóng có dạng gần vuông +VCC VC2 S2 Schmitt VC1 -VEE Vi phân Khối đồng hóa Mạch Hodd-off S1 B EXT A Xén Khuyếch đai ïdọc +VCC Cuộn lệch Khuyếch đại ngang +VCC Xung cưa S3 Xung dương hồi INT EXT Lưới catốt -VEE Điều khiển dọc -VEE Vào - X Điều khiển ngang Không phải đường hồi Tiếp mạch Schmitt trigơ thiết kế cho có điểm khởi động gần mức đất tín hiệu mạch Schmitt tín hiệu xung vuông dốc đứng, có gốc thời gian trùng với sóng quan sát (h.7-7) Xung vuông sau qua mạch vi phân, mạch xén để tạo thành xung nhọn âm có sườn xung trùng với thời điểm bắt đầu chu kì sóng quan sát Khi dẫn tới lối vào đồng mạch schmitt (của tạo sóng quét) ảnh dao động kí luôn vẽ chu kì sóng quan sát Để sóng quan sát vẽ hay nhiều chu kì xung kích khởi cần đưa qua mạch giữ (Hold-off) trước dẫn tới ngõ vào đồng mạch Schmitt (của tạo sóng quét) Mạch xóa bớt xung nhọn âm, đảm bảo chu kì quét có xung nhọn âm làm đồng gốc thời gian Mạch giữ điều khiển với mức lớn sóng cưa nên từ ngõ mạch sóng quét có đường hồi tiếp mạch giữ (h7-7) Trong mạch khuếch đại kích khởi, R10 điều chỉnh DC tín hiệu nên điều khiển thời điểm mà sóng bắt đầu ảnh Sóng quan sát nửa chu kì âm công tắc S2 chuyển sang vị trí V02: xung kích khởi tạo vào thời điểm tín hiệu quan sát qua mức “0” từ dương qua âm, làm sóng quét bắt đầu thời điểm để vẽ sóng lên hình, sóng chu kì âm tín hiệu quan sát Còn có khối mạch xóa , lấy tín hiệu từ ngõ mạch tạo sóng quét ( cụ thể lấy từ ngõ V2 xung vuông mạch Schmitt) Xung đưa qua mạch đảo trước dẫn tới lưới ống tia điện tử ( cực M) Xung âm xuất sóng cưa giảm từ mức dương cực đại tới mức âm cực đại nên xung âm làm cho toàn chùm tia điện tử phát từ Katod ống CRT bị đẩy trở lại Katod, hình lúc đường quét hồi tia sóng bị xóa Tín hiệu kích khởi đồng lấy từ ( công tắc S1 đặt kênh A kênh B), lấy từ (công tắc S1 nối với nguồn EXT) Khuyếch đại xung kích +VCC V02 R10 S2 Schmitt V01 -VEE Vi phân Khối dồng hoá S1 EXT A B Khuyếch đai dọc Cuộn lệch Khuyếch đại ngang +VCC +VCC Xén Mạch Hold-off Xung cưa S3 Xoá đường hồi INT EXT Vi -VEE Điều khiển dọc -VEE Vào - X Điều khiển ngang Lưới catốt Không phải đường hoài ... lyự chung ã Keỏt qủa đo lệch chùm tia điện tử khỏi q đạo thẳng tác dụng từ trường hay điện trường đại lượng cần đo ng phóng tia điện tử : • Kết qủa đo lệch chùm tia điện tử khỏi q đạo thẳng tác... công tắc B3 (chế độ đo X_Y: đo tần số, góc lệch pha …) Để điện áp đo dao động kí xác định xác biên độ tần số dao động kí có mạch phát xung chuẩn, nguồn tạo xung vuông chuẩn Trước đo biên độ, công... Hình 7.1 Các khối chức dao động ký Nguồn cung cấp tạo điện áp chiều cung cấp cho cac anod (vào khoảng vài KV) ưới ca tốt, cực gia tốc tất điện áp chiều cho mạch dao động ký Khối khuếch đại tín