Chương IV: Dao động ký điện tử, máy đo tần số dao động
Chương IV: Xác định các đại lượng cơ bản của mạch dao động LC, vật lý phổ thông
Chương IV: Dao động ký điện tử, máy đo tần số dao động
Dao động ký (electronic oscilloscope) là một dụng cụ hiển thị dạng sóng rất thông dụng. Nó chủ yếu được sử dụng để vẽ dạng của tín hiệu điện thay đổi thao thời gian.
1/ Các giá trị máy dao động ký điện tử có thể đo được
- Giá trị điện áp và thời gian tương ứng của tín hiệu
- Tần số dao động của tín hiệu.
- Góc lệch pha giữa hai tín hiệu.
- Dạng sóng tại mỗi điểm khác nhau trên mạch điện từ.
- Thành phần của tín hiệu gồm thành phần một chiều và xoay chiều như thế nào.
- Trong tín hiệu có bao nhiêu thành phần nhiễu và nhiễu đó có thay đổi theo thời gian hay không.
Hình 1.2 Màn hình hiển thị của máy dao động ký
Dao động ký giống như một máy thu hình nhỏ nhưng có màn hình được kẻ ô và có nhiều phần điểu khiển hơn tv. Hình 1.2 là panel của một dao động ký thông dụng vói phần hiển thị sóng, phần điều khiển theo trục x, trục y, đồng bộ và chế độ màn hình và kết nồi đầu đo.
Màn hình của dao động ký được chia ô, 10 ô theo chiều ngang và 8 ô theo chiều đứng. Ở chế độ hiển thị thông thường, dao động ký hiện dạng sóng biến đổi theo thời gian : Trục đứng y là trục điện áp, trục ngang x là trục thời gian. Độ chói hay độ sáng của màn hình đôi khi còn gọi là trục z.
Dao động ký có thể được dùng ở rất nhiều lĩnh vực khác nhau chứ không đơn thuần chỉ trong lĩnh vực điện tử. Với một bộ chuyển đổi hợp lý ta có thể đo được thông số của hầu hết tất cả các hiện tượng vật lý. Bộ chuyển đổi ở đây có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điện tương ứng với đại lượng cần đo ví dụ như các bộ cảm biến âm thanh, ánh sáng, độ rung, áp suất, nhiệt độ…
Các thiết bị điện tử thường được chia thành hai nhóm cơ bản là thiết bị tương tự và thiết bị số, dao động ký cũng vậy. Dao động ký tương tự (analog oscilloscope) sẽ chuyển trực tiếp tín hiệu điện cần đo thành dòng electron bắn lên màn hình. Điện áp làm lệch chùm electron một cách tỉ lệ và tạo ra tức thời dạng sóng tương ứng trên màn hình. Trong khi đó, dao động ký số (digital oscilloscope) sẽ lấy mẫu dạng sóng, đưa qua bộ chuyển đổi tương tự số (adc). Sau đó nó sử dụng các thông tin dưới dạng số để tái tạo lại dạng sóng trên màn hình.
Hình minh họa Dao động ký tương tự (analog oscilloscope) và dao động ký số (digital oscilloscope)
Tùy vào ứng dụng mà người ta sử dụng dao động ký loại nào cho phù hợp. Thông thường, nếu cần hiển thị tín hiệu dưới dạng thời gian thực (khi chúng xảy ra) thì sử dụng dao động ký tương tự. Khi cần lưu giữ thông tin cũng như hình ảnh để có thể xử lý sau hay in ra dạng sóng thì người ta dùng dao động ký số có khả năng kết nối với máy tính và các bộ vi xử lý. Phần tiếp theo của tài liệu chúng ta sẽ nói đến dao động ký tương tự, loại dùng phổ biến trong kỹ thuật đo lường.
2/ Các khối chức năng của dao động ký điện tử thông dụng
Tín hiệu vào được đưa qua bộ chuyển mạch ac/dc (khóa k đóng khi cần xác định thành phần dc của tín hiệu còn khi chỉ quan tâm đến thành phần ac thì mở k). Tín hiệu này sẽ qua bộ phân áp (hay còn gọi là bộ suy giảm đầu vào) được điều khiển bởi mạch núm xoay volts/div, nghĩa là xoay núm này cho phép ta điều chỉnh tỉ lệ của sóng theo chiều đứng. Chuyển mạch y-Pos để xác định vị trí theo chiều đứng của sóng, nghĩa là có thể di chuyển sóng theo chiều lên hoặc xuống tùy ý bằng cách xoay núm vặn này. Sau khi qua phân áp, tín hiệu vào sẽ qua bộ khuếch đại y khuếch đại làm lệch để đưa tới điều khiển cặp làm lệch đứng. Tín hiệu của bộ khuếch đại y cũng được đưa đến trigo (khối đồng bộ), trường hợp này gọi là đồng bộ trong, để kích thích mạch tạo sóng răng cưa (cón gọi là mạch phát quét) và đưa tới điều khiển cặp làm lệch ngang (để tăng hiệu quả điều khiển, một số mạch còn sử dụng thêm các bộ khuếch đại x sau khối tạo điện áp răng cưa). Đôi khi người ta cũng cho mạch làm việc ở chế độ đồng bộ ngoài bằng cách cắt đường tín hiệu từ khuếch đại y, thay vào đó là cho tín hiệu ngoài kích thích khối tạo sóng răng cưa.
Đi vào khối tạo sóng răng cưa còn có hai tín hiệu điều khiển từ núm vặn time/div và x-Pos. Time/div (có nhiều máy kí hiệu là sec/div) cho phép thay đổi tốc độ quét theo chiều ngang, khi đó dạng sóng sẽ dừng trên màn hình với n chu kỳ nếu tần số của sóng đó lớn gấp n lần tần số quét). X-Pos là núm điều chỉnh việc di chuyển sóng theo chiều ngang cho tiện quan sát.
Ống phóng tia điện tử CRT (Cathode Ray Tube) :
CRT là một ống chân không với các hệ thống điện cực và màn hùynh quang, chùm electron do katot phát ra sẽ được hướng tới màn hình theo sự điều khiển từ bên ngoài và làm phát sáng lớp photpho tại điểm chúng đập vào.
3/ Ứng dụng của máy dao động ký điện tử trong vật lý đo lường
a/ Quan sát tín hiệu
Để quan sát được tín hiệu chỉ cần thiết lập máy ở chế độ đồng bộ trong và điều chỉnh tần số quét và trigo để dạng sóng đứng yên trên màn hình. Khi này có thể xác định được sự biến thiên của tín hiệu theo thời gian như thế nào. Các máy hiện sóng hiện đại có thể cho phép cùng một lúc 2, 4 hoặc 8 tín hiệu dạng bất kỳ cùng một lúc và tần số quan sát có thể lên tới 400 mhz.
b/Đo điện áp
Việc tính giá trị điện áp của tín hiệu được thực hiện bằng cách đếm số ô trên màn hình và nhân với giá trị volts/div[/quote]
Ví dụ: Volts/DIV chỉ 1 V thì tín hiệu cho ở hình trên có :
Vp = 2,7 ô x 1v = 2,8 v
Vpp = 5,4 ô x 1v = 5,4 v
Vrms = 0,707vp = 1,98 v
Ngoài ra, với tín hiệu xung người ta còn sử dụng máy hiện sóng để xác định thời gian tăng sườn xung (rise time), giảm sườn xung (fall time) và độ rộng xung ( pulse width) với cáng tính như hình trên.
c/ Đo tần số và khoảng thời gian
Khoảng thời gian giữa hai điểm của tín hiệu cũng được tính bằng cách đếm số ô theo chiều ngang giữa hai điểm và nhân với giá trị của time/div. Việc xác định tần số của tín hiệu được xác định bằng cách tính chu kỳ theo cách như trên. Sau đó nghịch đảo chu kỳ ta tính được tần số.
Ví dụ : Ở hình trên time/div là 1ms, chu kỳ của tín hiệu là 16 ô, như vậy chu kỳ là 16ms, suy ra f = 1/16ms = 62,5hz.