Dao động kí điện tử và ứng dụng của nó trong đo lường

mục lục Lời mở đầu Đất nớc ta đang vơn lên trong những năm đầu thế kỷ XXI, thế kỷ mà cả thế giới đang có nhiều chuyển biến. Đặc biệt là cuộc cách mạng khoa học công - 1 - Lời mở đầu Chơng I: DĐKĐT một chùm tia A. Cấu tạo của DĐKĐT một chùm tia I. ống phóng tia điện tử II. Bộ tạo điện áp quét B. Sơ đồ khối DĐKĐT một chùm tia và các chế độ làm việc I. Sơ đồ khối DĐKĐT một chùm tia II. Các chế độ làm việc của DĐKĐT một chùm tia C. Bộ khuếch đại của D ĐKĐT Chơng II: DĐKĐT hai chùm tia I. Cấu tạo và phơng pháp sử dụng DĐKĐT hai chùm tia II. Nguyên lý làm việc chuyển mạch điện tử III. Các loại DĐKĐT Chơng III: Những ứng dụng của DĐKĐT trong đo lờng I. Các nguyên tắc cơ bản của phép đo dùng DĐKĐT II. Đo lờng bằng DĐKĐT III. Cách xác định biên độ, chu kỳ ( tần số ), độ lệch pha của tín hiệu Chơng IV: Thực hành phơng pháp đo bằng DĐKĐT 1. Quan sát và vẽ lại dạng tín hiệu, xác định chu kỳ ( tần số ) của xung 2. Đo độ lệch pha của hai tín hiệu bằng DĐKĐT Kết luận chung Tài liệu tham khảo nghệ hiện đại phát triển, sự bùng nổ thông tin, trí thức nhân loại tăng vọt cả về chất lợng lẫn số lợng. Thế kỷ của nền kinh tế trí thức. Trớc tình hình đó, sự nghiệp giáo dục nói chung, các ngành nghiên cứu khoa học nói riêng của nớc ta cũng cần có những bớc thay đổi căn bản nhằm thích ứng, hoà nhịp với tốc độ phát triển của thế giới. Cùng với sự phát triển đó, điện tử là một trong những ngành khoa học đợc ứng dụng mạnh mẽ trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta. Để đẩy mạnh các lĩnh vực trong một tổng thể chung là điện tử thì ngành kỷ thuật đo lờng điện tử là một vấn đề cực kỳ quan trọng, cần đợc quan tâm và phát triển hơn nữa . Trong suốt quá trình học tập và tìm hiểu tôi thấy kỷ thuật đo lờng các đại lợng điện và không điện đặc biệt là kỷ thuật đo lờng bằng dao động ký điện tử chiếm một vị trí rất quan trọng trong các nhiệm vụ điều khiển tự động, tự động hoá các quá trình sản xuất, trong nghiên cứu khoa học, trong công tác giảng dạy, học tập và nghiên cứu trong các Trờng Đại học, Cao đẳng, Trung học chuyên nghiệp cũng nh các trờng THPT . Thông thờng không phải chỉ đo các đại lợng vật lý, các thông số, đặc tính mà còn tự động ghi lại các giá trị của nó thay đổi theo thời gian. Dao động ký điện tử ( DĐKĐT ) hay còn gọi là " Máy hiện sóng" hay theo phiên âm còn gọi là " ô - xi - lô " . Nó là một thiết bị đo lờng hiện đại, giúp chúng ta quan sát và nghiên cứu một cách trực quan các loại tín hiệu rất đơn giản, dễ thực hiện và kết quả thu đợc khá chính xác. Việc khai thác DĐKĐT có thể giúp chúng ta xác định đợc hàng loạt các đại lợng nh: L, R, C, U, I, T, sự tổng hợp của dao động cùng phơng hoặc hai phơng vuông góc với nhau, cùng tần số hoặc khác tần số . Vì vậy tôi muốn đi sâu tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, ứng dụng của DĐKĐT nhằm nâng cao trình độ hiểu biết của bản thân đồng thời góp phần vào việc mở rộng ứng dụng của DĐKĐT vào công tác nghiên cứu, đo lờng các đại lợng vật lý của các ngành có liên quan. Với tầm quan trọng đó, cùng với sự hớng dẫn của thầy Dơng Kháng đã giúp tôi lựa chọn đề tài: " Dao động ký điện tử và ứng dụng của nó trong đo lờng". - 2 - Trong quá trình thực hiện đề tài tôi đã hết sức cố gắng tìm hiểu và tiến hành thí nghiệm nhng với khả năng của bản thân, thời gian cũng nh nguồn tài liệu hạn hẹp nên không thể tránh khỏi thiếu sót, rất mong ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo, các bạn sinh viên và tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy giáo, cô giáo và các bạn sinh viên khoa Vật lý, Trờng Đại học Vinh, đăc biệt là thầy giáo Dơng Kháng đã tận tình hớng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này. Chơng I Dao động ký điện tử Một chùm tia - 3 - Dao động ký điện tử ( DĐKĐT ) hay "máy hiện sóng" có khi còn gọi theo phiên âm là "Ô-xi-lô" là một thiết bị đo lờng đa chức năng hiển thị kết quả đo dới dạng đồ thị trên màn sáng ( màn hình ) có thể quan sát đợc. DĐKĐT dùng phổ biến thông dụng nhất hiện nay có 2 loại: Dao động ký điện tử một chùm tia và dao động ký điện tử hai chùm tia. A. cấu tạo của dao động ký điện tử một chùm tia Cấu tạo của dao động ký điện tử một chùm tia gồm: * ống phóng tia điện tử. * Bộ tạo điện áp quét. * Bộ khuếch đại của dao động ký. I. ống phóng tia điện tử ống phóng tia điện tử hay đèn hiện sóng là một ống chân không, có vỏ làm bằng thuỷ tinh bên trong chứa các điện cực làm lệch. Đầu ống có dạng hình trụ chứa sóng điện tử ( chính là các điện cực ). Đầu cuối của ống loe to thành một hình nón cụt, đáy hình nón là màn huỳnh quang, bên trong có quét một lớp mỏng huỳnh quang. Bên trong vách thành, cuối ống có quét một lớp than chì dẫn điện suốt từ hai cặp điện cực làm lệch tới màn huỳnh quang (E). ống tia điện tử đợc cấu tạo: * Súng điện tử. * Hệ thống cặp cực làm lệch tia điện tử. * Màn huỳnh quang. - 4 - K PN X2 X1 Y1 Y2 PĐ A2 A1 M F Ux Uy C C R8 R5 R9 R7 R6 R1 R4 R3 R2 + _ R12 R13 R10 R14 R11 C C Màn huỳnh quang Than chì Hình 1: ống phóng tia điện tử 1. Súng điện tử Súng điện tử là bộ phận quan trọng nhất của tia điện tử. Nó gồm có: Sợi đốt F, katốt K, lới điều chế M, các anốt A 1 , A 2 nh hình 1. Nhiệm vụ của súng điện tử là tạo ra một chùm tia điện tử nhỏ, gọn và bắn tới màn huỳnh quang để gây ra tác dụng phát sáng. Vì lý do đó mà nó có tên là súng điện tử. Khi sợi đốt F có dòng điện chạy qua làm cho katốt K nóng lên, katốt K sẽ bức xạ ra các điện tử tự do ( katốt đợc cấu tạo từ những oxit kim loại giàu điện tử tự do ). Tạo ra trên bề mặt katốt K một đám mây điện tử. Dới tác dụng của trờng tĩnh điện U AK các điện tử sẽ bay từ K A tạo thành một chùm tia điện tử có hình dạng nhỏ bắn tới màn huỳnh quang. Sở dĩ tạo ra đợc chùm tia điện tử nhỏ là do các điện cực M, A 1 , A 2 có các điện thế khác nhau tạo thành một điện trờng không đều tác dụng lên chùm tia điện tử và làm hội tụ chùm tia đó lên màn huỳnh quang. Sau đây, chúng ta sẽ xét quỹ đạo của chùm tia điện tử khi đi qua điện - 5 - trờng của hai anốt A 1 và A 2 . Điện thế tại A 2 lớn hơn A 1 nên chiều của đờng sức của điện trờng đợc tạo bởi các điện cực này là từ A 2 tới A 1 . Khi các điện tử bay tới vị trí C thì nó đồng thời chịu tác dụng của hai thành phần lực điện, một thành phần vuông góc với chùm tia và hớng vào giữa chùm tia. Còn thành phần kia có phơng song song với chùm tia. Nh vậy, tại vị trí C khuynh hớng của chùm tia điện tử là chuyển động dọc theo trục ống đồng thời co ép lại ( hội tụ lại ) theo phơng bán kính của chùm tia điện tử. Sang tới vị trí D thì thành phần lực điện theo phơng vuông góc đổi chiều, làm cho chùm tia điện tử có khuynh hớng tản ra ( phân kỳ ) khỏi trục ống. C D A 2 A 1 Đuờng sức của điện trừơng Chùm tia e Hình 2: Điện trờng giữa Anốt A 1 và A 2 Do cấu tạo của các điện cực nên sự phân bố của các đờng sức ở điểm D ít bị cong hơn so với điểm C. Vì vậy phân lợng vận tốc theo phơng bán kính ở vị trí D có trị số nhỏ hơn so với vị trí C. Hay nói cách khác, khuynh hớng hội tụ của chùm tia điện tử là nhiều hơn khuynh hớng phân kỳ. Tác dụng của anốt A 1 , A 2 nh một thấu kính để hội tụ chùm tia điện tử. Nếu biến đổi điện áp cung cấp cho các điện cực này, tức thay đổi hiệu điện thế giữa chúng ( thông th- ờng bằng cách thay đổi điện áp trên A 1 ) thì ta có thể điều chỉnh đợc độ hội tụ của chùm tia điện tử trên màn huỳnh quang. Do đó anốt A 1 còn gọi là anốt tiêu tụ. - 6 - Tác dụng của điện trờng giữa anốt A 1 và lới M cũng hình thành một thấu kính tơng tự. Nó cũng hội tụ sơ bộ chùm tia điện tử. Điện áp tại A 2 đợc chọn sao cho chùm tia điện tử có vận tốc thích hợp, để khi bắn tới màn huỳnh quang chùm tia điện tử này có thể gây phát sáng với một độ sáng thích hợp. Khi điện áp trên điện cực A 2 tăng thì vận tốc của các hạt điện tử cũng tăng, do đó độ sáng trên màn hình càng sáng hơn. Vì vậy anốt A 2 còn đợc gọi là anốt tăng tốc. Điện cực bên trái có vành hẹp hơn các điện cực ở bên phải và các anốt đều có 1, 2 hoặc 3 vách ngăn. Các vách ngăn có tác dụng ngăn chùm tia điện tử không đi quá xa trục ống, từ đó dễ dàng hội tụ chùm tia điện tử hơn và tạo nên một điện trờng đặc biệt theo ý muốn. Do đó tạo ra khả năng hội tụ lớn hơn khả năng phân kỳ. Để điều chỉnh độ hội tụ đó ta điều chỉnh U A1 bằng cách điều chỉnh điện trở R 3 , không điều chỉnh U A2 vì anốt A 2 nằm gần các phiến làm lệch khi chùm tia điện tử đi qua khoảng không gian của phiến làm lệch thì dới tác dụng của trờng làm lệch ( đợc tạo ra bởi U x và U y ) làm cho tia điện tử lệch khỏi trục của ống theo quy luật của U x và U y . Do có lu ảnh nên quỹ đạo thu đợc là một đờng nét liền. Để điều chỉnh độ sáng của hình ảnh trên màn huỳnh quang có thể tiến hành một trong hai phơng pháp: + Thay đổi mật độ chùm tia điện tử. + Thay đổi vận tốc của chùm tia điện tử. Để thay đổi vận tốc thì ta có thể đặt thêm một anốt A 3 ngay trên màn hình ( phơng pháp này khó điều chỉnh đợc độ sáng tối nên ít khi dùng ). Để thay đổi mật độ của chùm tia điện tử thì ta thấy rằng cực lới M có điện thế âm so với katốt K đến Anốt. Vì vậy chúng ta chỉ cần thay đổi một l- ợng nhỏ điện áp trên cực lới M ( gọi là điều chỉnh độ sáng tối ). Trên hình 1 ta có thể điều chỉnh điện trở R 2 . Nh vậy do cấu tạo, hình dạng của các điện cực và điện áp đặt lên các điện cực mà chúng ta có đợc súng điện tử, có khả - 7 - năng phát ra chùm tia điện tử và tiêu tụ đợc chùm tia này trên màn huỳnh quang. 2. Hệ thống cặp điện cực làm lệch Trong ống phóng tia điện tử còn bố trí các cặp bản cực để làm lệch các tia điện tử về phía ngang ( theo trục X ) và phía thẳng đứng ( theo trục Y ). Các cặp bản cực đó đợc gọi là tấm lệch đứng và tấm lệch ngang. Mạch gồm các điện trở R 5 R 9 cấp nguồn cho phiến lệch đứng, nếu điều chỉnh điện trở R 7 thì có thể thay đổi đợc theo chiều đứng của tia điện tử trên màn huỳnh quang. Mạch gồm các điện trở từ R 10 R 14 cấp nguồn cho phiến lệch ngang, nếu điều chỉnh R 12 thì thay đổi đợc vị trí chiều ngang của tia điện tử trên màn huỳnh quang. Sở dĩ ta điều chỉnh vị trí các vạch theo chiều đứng và chiều ngang vì mục đích để quan sát rõ hơn. Hiệu điện thế của tín hiệu cần nghiên cứu đợc đa vào hai phiến lái dọc Y làm cho hiệu điện thế giữa hai phiến Y thay đổi theo tín hiệu đa vào và tia electron ( điện tử ) bị đa lên, đa xuống. Hiệu điện thế quét theo thời gian ( dạng răng ca ) ở trong máy đợc đa vào hai phiến ngang X làm cho hiệu điện thế giữa hai phiến X thay đổi và tia điện tử bị đa từ trái màn hình sang phải màn hình. Tới bên phải thì tia trớc tắt, tia sau lại xuất hiện bắt đầu từ bên trái và lại đợc quét sang bên phải. ( Sự hoạt động của cặp phiến làm lệch nh hình 3 ). Nh vậy khi chịu tác dụng đồng thời điện áp của tín hiệu cần nghiên cứu ( đặt vào hai phiến Y ) và điện áp quét ( đặt vào hai phiến X ) tia điện tử sẽ vẽ trên màn hình một đờng cong ( đồ thị ) có dạng sóng mà trục tung là biên độ của điện áp cần nghiên cứu, còn trục hoành là trục thời gian. Khi điều chỉnh tần số của điện áp quét bằng ( hoặc nhỏ hơn n lần ) tần số của tín hiệu thì trên màn hình cho ta một hoặc n chu kỳ của tín hiệu. - 8 - ~ ~ t 0 U U 0 t Hình 3: Sự hoạt động của cặp phiến làm lệch 3. Màn huỳnh quang ở đây màn sáng huỳnh quang đợc làm bằng thuỷ tinh, mặt bên trong đợc phủ một vài lớp mỏng huỳnh quang ( nh chất phốt pho, ZnS, ZnO + SiO 2 + Mn ) thì tại những vị trí bắn phá chất huỳnh quang sẽ phát sáng. Sau tác dụng bắn phá của các điện tử thì tại nơi bị bắn phá đó ánh sáng vẫn còn đợc giữ lại một thời gian ngắn. - 9 - Thời gian này gọi là độ d huy của màn hình. Với sự cấu tạo của các chất huỳnh quang khác nhau thì màn hình có độ d huy khác nhau và tuỳ theo công dụng quan sát tín hiệu biến đổi nhanh hay chậm mà DĐKĐT dùng các ống phóng tia điện tử có độ d huy lớn hay bé. Về màu sắc thì tuỳ theo chất huỳnh quang mà DĐKĐT có các vệt sáng ( các dạng dao động ) trên màn hình có màu sắc khác nhau. Để dễ quan sát thì ánh sáng thờng dùng là màu xanh lá cây, vì màu xanh lá cây thờng thích nghi với sinh lý của mắt. Với các DĐKĐT cần dùng để chụp lại ảnh thì màu của vệt sáng hay dùng là màu tím vì màu này bắt nhạy với phim ảnh. Với các DĐKĐT dùng để quan sát các quá trình biến đổi chậm thì dùng các ống tia có độ d huy cao. Bằng phơng pháp bốc hơi trong chân không, ngời ta phủ thêm một lớp nhôm rất mỏng, đều và dày khoảng 50 nm. Lớp nhôm mỏng này có tác dụng: Cho phép các hạt điện tử dễ dàng vợt qua lớp nhôm để đập vào lớp chất huỳnh quang. Các ion có kích thớc, khối lợng lớn, vận tốc chậm bị ngăn lại không gây lên lớp ion trên màn hình. Làm tăng cờng độ sáng biểu kiến và độ tơng phản do có sự phản xạ ánh sáng từ lớp nhôm phía trớc ( Không cho ánh sáng loạt về phía sau lớp nhôm ). - 10 - . loại: Dao động ký điện tử một chùm tia và dao động ký điện tử hai chùm tia. A. cấu tạo của dao động ký điện tử một chùm tia Cấu tạo của dao động ký điện tử. động, ứng dụng của DĐKĐT nhằm nâng cao trình độ hiểu biết của bản thân đồng thời góp phần vào việc mở rộng ứng dụng của DĐKĐT vào công tác nghiên cứu, đo