Bài giảng Cơ sở kĩ thuật đo lường điện tử - Chương 3: Quan sát vàđođo lường dạng tíntín hiệu

Chương 3: Quan sát và đo lường dạng tín hiệu Nội dung chính: 1. Các khái niệm chung. 2. Cấu tạo Oscillo 3. Công dụng của Oscillo 4. Oscillo nhiều kênh 5. Oscillo quan sát tín hiệu siêu cao tần 6. Oscillo điện tử số 07/10/2008 Slice 1Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 3.1. Khái niệm chung
Quan sát dạng tín hiệu là một yêu cầu cơ bản trong kĩ thuật đo lường điện tử.  Tín hiệu thường được được biểu diễn theo hàm thời gian  Để quan sát dạng tín hiệu, yêu cầu cần có thiết bị vẽ được trực tiếp dạng biến thiên của tín hiệu.  Từ đó có thể xác định định tính nhanh chóng, phân biệt các dạng tín hiệu. Cũng có thể định lượng khá chính xác đại lượng cần đo. ( )u f t=
Thiết bị trực tiếp dùng để nghiên cứu dạng tín hiệu là dao động kí (hay còn gọi là máy hiện sóng, oxilo) (oscilloscope)
Từ chức năng chính là hiển thị trực tiếp dạng tín hiệu, Oscillo còn được dùng để đo biên độ, tần số, độ di phaT của tín hiệu.
Các đại lượng biến đổi khác (sinh vật học, y sinh) cũng có thể biến đổi sang dạng tín hiệu điện và hiện thị dạng tín hiệu bằng Oscillo. 07/10/2008 Slice 2Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 3.1. Khái niệm chung Lịch sử phát triển của Oscillo 1. Hand-draw Oscilograms: Đo tốc độ của động cơ 2. Automatic paper-drawn oscillograph: tự động vẽ dạng sóng trên cuộn giấy. 3. CRT (Cathode Ray Tube): sử dụng ống tia điện tử để hiển thị dạng sóng trên màn huỳnh quang. 4. Digital oscilloscopes: Oxilo điện tử 5. PC-Based oscilloscopes: sử dụng màn hình máy tính, CPU, RAM, I/OT để lưu trữ và hiển thị dạng sóng. 07/10/2008 Slice 3Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 3.1. Khái niệm chung Sơ đồ nguyên lí của Oscillo tương tự (CRT) 07/10/2008 Slice 4Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 3.2. Cấu tạo Oscillo 3.2.1. Cấu tạo của CRT
CRT là ống thuỷ tinh chân không  Súng điện tử, gồm có các điện cực: sợi đốt F, cathode K, lưới điều chế M, anode A1, A2T  Cặp phiến làm lệch X, Y.  Đấu cuối của ống có dạng nón cụt, đáy hình nón là màn huỳnh quang (phosphorus).  Vách thành cuối ống có một lớp than chì dẫn điện từ cặp phiến làm lệch tới màn huỳnh quang. 07/10/2008 Slice 5Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội F VK− 1R 2R K M 1A 2A Y X Lớp than chì dẫn điện Lớp phosphorus 3.2.1. Cấu tạo của CRT Cấu tạo của súng điện tử - Nguyên lí tiêu tụ chùm tia điện tử:
Sợi đốt F có nhiệm vụ nung nóng cathode K phát xạ chùm điện tử. Điện trường tạo ra do chênh lệch điện áp giữa lưới M, anode A1, A2 có tác dụng hội tụ và tăng tốc chùm điện tử tới màn huỳnh quang.
Điện trường giữa 2 anode A1, A2 (được mô tả trên hình vẽ) có tác dụng hội tụ chùm điện tử vào trục chính của súng điện tử => A1: Anode tiêu tụ.
Các lỗ nhỏ tại lưới M, anode A1, A2 cũng có tác dụng chắn các điện tử phân tán lệch trục chính. 07/10/2008 Slice 6Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội VK− 1R 21 U uuur K M 1A 2A 1MU uuuur 2R Anode tiêu tụ Anode Tăng tốc
Điện áp (hiệu điện thế giữa 2 anode A1 và A2) được chọn có giá trị đủ lớn để chùm tia điện tử có vận tốc đủ để bắn tới màn huỳnh quang và phát sáng với cường độ đủ lớn => A2: Anode tăng tốc. 3.2.1. Cấu tạo của CRT Hệ thống cặp phiến làm lệch – Nguyên lí lái chùm tia điện tử:
Hệ thống lái tia bao gồm 2 cặp phiến X, Y  X: cặp phiến làm lệch ngang  Y: cặp phiến làm lệch đứng
Giữa cặp phiến Y có hiệu điện thế và điện trường trong không gian giữa cặp phiến.
Độ lệch của tia điện tử do cặp phiến phụ thuộc các yếu tố: YU uur d y l L YU uur y  Cường độ điện trường giữa 2 cặp phiến (đặc trưng bởi )  Thời gian (hay quãng đường ) chịu tác động của điện trường lái tia.  Ngoài ra, vận tốc ban đầu của chùm tia và khoảng cách tới màn huỳnh quang cũng có ảnh hưởng tới độ lệch
Quan hệ biểu thị độ lệch
Độ nhạy lệch tia
Các oscillo thường có độ nhạy khoảng 07/10/2008 Slice 7Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội l YU uur 22 Y A U lL y dU = 0.2 1( / )mm V / ( / )Yy U mm V 3.2.1. Cấu tạo của CRT Màn huỳnh quang:
Lớp phosphorus (chất huỳnh quang) được quét mỏng 1 hoặc vài lớp phía bên trong ống tia điện tử.
Khi có chùm điện tử bắn vào, lớp huỳnh quang sẽ phát sáng và ánh sáng được duy trì trong 1 khoảng thời gian – độ dư huy của màn hình.
Tuỳ thuộc vào tín hiệu cần quan sát để lựa chon thiết bị có độ dư huy khác nhau:  Tín hiệu có tần số thấp cần màn hình có độ dư huy cao, và ngược lại.
Độ duy huy của màn hình và tính chất lưu ảnh trên võng mạc của mắt người có ảnh hưởng đến việc quan sát tín hiệu trên màn hình oscillo.
Màu sắc ánh sáng của màn huỳnh quang có thể thay đổi. 07/10/2008 Slice 8Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 3.2.2. Bộ tạo điện áp quét Nguyên lí quét đường thẳng:
Để hiện thị dạng tín hiệu biến thiên theo thời gian trên màn Oscillo, ta cần đưa đưa điện áp điều khiển lên 2 cặp phiến làm lệch:  Điện áp của tín hiệu đưa lên cặp phiến Y.  Điện áp quét răng cưa đưa lên cặp phiến X. thU qU
Do tác động của điện trường tác động trên cặp phiến X và Y, chùm điện tử bị tác động theo 2 phương x và y sẽ vẽ lên màn X Y thU Y→ 07/10/2008 Slice 9Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội hình oscillo dạng tín hiệu theo thời gian. Ví dụ: để hiển thị tín hiệu hình sin, tín hiệu đưa lên cặp phiến Y cũng là tín hiệu sin. Tín hiệu đưa lên cặp phiến X là xung răng cưa lí tưởng. Một chu kì xung răng cưa tương ứng với thời gian kéo chùm tia điện tử quét hết chiều ngang của màn hình. qU X→ t t qT thT 3.2.2. Bộ tạo điện áp quét Vấn đề đồng bộ:
Để “ổn định” dạng tín hiệu cần quan sát trên màn oscillo, chu kì của điện áp quét phải thoả mãn quan hệ
Nếu quan hệ trên không được thoả mãn, do độ dư huy của màn huỳnh quang, sẽ xuất hiện những đường chồng lên nhau trên màn hình – Hiện tượng sóng chạy. q thT nT= Câu hỏi: - Vẽ dạng tín hiệu quan sát trên màn hình nên chu kì điện áp quét răng cưa bằng 2 lần chu kì tín hiệu sin cần quan sát. - Vẽ dạng tín hiệu khi 07/10/2008 Slice 10Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 2q thT T= 1.5q thT T= 3.2.2. Bộ tạo điện áp quét
Sử dụng điện áp phóng, nạp của tụ điện để tạo ra điện áp xung răng cưa.
Điện áp chu kì nạp của tụ điện là hàm tích phân
Để tạo ra điện áp quét có dạng đường thẳng, lựa chọn phần tuyến tính ở đầu chu kì nạp.  Chu kì thuận – Chu kì nạp tụ (tương ứng với thời gian vẽ chùm tia trên Oscillo)  Chu kì nghịch – Chu kì phóng 0 1 t cU idt C = ∫ c U mU ngt (thời gian kéo chùm tia về vị trí ban đầu)  Chu kì tín hiệu quét
Điện áp quét không đường thẳng sẽ gây méo trên màn hình (do tốc độ quét không đồng đều). Định lượng sự sai khác giữa điện áp quét lí tưởng và điện áp quét thực tế => hệ số không đường thẳng 07/10/2008 Slice 11Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội ngtth t qT t ngth t tq ngthT t t= + max min max min max min .100% 2 .100% mean dU dU dU dU dt dt dt dt dU dU dU dt dt dt γ        − −               = =      +            3.2.2. Bộ tạo điện áp quét Bộ tạo dao động điện áp quét có 2 chế độ làm việc:
Chế độ quét liên tục: Xung răng cưa điện áp quét liên tục theo thời gian. Chế độ quét liên tục phù hợp với việc quan sát tín hiệu tuần hoàn hoặc các tín hiệu xung có hệ số lớn ( là độ rộng xung, là chu kì xung).
Chế độ quét đợi: Xung răng cưa điện áp quét được tạo ra khi có tín hiệu kích động. Chế độ quét đợi phù hợp với việc quan sát tín hiệu xung có hệ số nhỏ. /Tτ τ T /Tτ
Mạch tạo dao động xung: mạch BOOTSTAP 07/10/2008 Slice 12Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 3.2.3. Bộ khuếch đại của Oscillo
Bộ khuếch đại điện áp của cặp phiến Y có tác dụng khuếch đại mức điện áp của tín hiệu được hiển thị.  Dải thông của bộ khuếch đại phụ thuộc vào dải thông của tín hiệu.
Bộ khuếch đại điện áp của cặp phiến X: dùng để khuếch đại điện áp quét răng cưa. Ngoài ra, bộ khuếch đại X cũng để khuếch đại tín hiệu ngoài khi không dùng bộ tạo quét răng cưa 07/10/2008 Slice 13Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 3.3. Công dụng của Oscillo
Oscillo dùng để hiện thị dạng tín hiệu. Ngoài ra, nó còn được dùng để:  Đo lường thông số đặc tính của tín hiệu: đo biên độ, tần số, độ di phaT  Đo lường các thông số đặc tính của mạch: đặc tuyến tần số, đặc tuyến Volt-Amp 07/10/2008 Slice 14Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 3.3.1. Đo biên độ của điện áp tín hiệu
Đo biên độ điện áp trên Oscillo được thực hiện bằng cách so sánh dao động đồ của điện áp cần đo với điện áp chuẩn đã biết trước trị số.
Trong thực tế, để ước lượng các thông số tín hiệu qua dạng tín hiệu, ta có thể sử dụng các khoảng chia độ (divisions – div) trên màn hình oscillo  Chọn thang đo điện áp (Y) và chọn thang đo thời gian (X) bằng 2 núm điều khiển  Ví dụ: trên hình vẽ, 1div sẽ tương ứng với 1V điện áp (1 V/div) theo trục Y. 1div sẽ tương ứng với 0.2s (0.2s/div) với trục X. 07/10/2008 Slice 15Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 3.3.2. Đặc tuyến biên độ - tần số
Đặc tuyến biên độ - tần số của mạng là một trong các thông số cơ bản của một mạng bốn cực.
Đặc tuyến biên độ - tần số cho biết phản ứng của mạch với từng thành phần tần số khác nhau => dải tần làm việc của mạch điện. Sơ đồ nguyên lí:
Bộ tạo điện áp quét: tạo ra điện áp xung răng cưa đưa vào cặp phiến X.
Bộ phát sóng điều tần có tác dụng tạo tín hiệu điều hoà hình sin với tần số được điều khiển bằng mức điện áp quét.
Điện áp điều hoà hình sin được đưa vào mạng bốn cực cần nghiên cứu, đầu ra được đưa vào mạch tách sóng tạo điện áp điều khiển cặp phiến Y. 07/10/2008 Slice 16Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Do đó, độ lệch tia theo trục X tương ứng với tần số tạo ra bởi bộ điều chế FM. Trên màn Oscillo hiện thị tín hiệu theo dạng biên độ - tần số. 3.4. Cấu tạo của Oscillo nhiều kênh
Khi cần quan sát nhiều tín hiệu đồng thời, quá trình đo lường và so sánh sẽ dễ dàng khi thực hiện trên cùng 1 oscillo.
Oscillo nhiều kênh cho phép quan sát đồng thời nhiều tín hiệu.
Để thực hiện oscillo nhiều kênh: 1. Loại ống CRT được ngăn đôi và gồm nhiều hệ thống súng điện tử riêng biệt. Oscillo nhiều tia. Tuy nhiên, do cấu tạo phức tạp và ảnh hưởng qua lại của điện trường giữa các cặp lái, các oscillo loại này thường giới hạn 2 hệ thống lái tia => Oscillo hai tia. 2. Loại ống CRT có tia điện tử được phát ra từ cùng 1 kathod. Hệ thống súng điện tử loại này được kết hợp với 1 chuyển mạch điện tử để điều khiển việc lái tia lên màn hiển thị. 07/10/2008 Slice 17Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 3.4.1. Cấu tạo của Oscillo 2 kênh Sơ đồ khối của Oscillo 2 kênh: (a) Súng điện tử gồm 2 hệ thống lái tia độc lập 07/10/2008 Slice 18Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội (b) Súng điện tử bao gồm hệ thống lái tia chung kết hợp với chuyển mạch điện tử 3.4.1. Cấu tạo ống tia điện tử của Oscillo hai tia
Cấu tạo ống tia điện tử của Oscillo 2 tia tương tự với Oscillo 1 kênh. Điểm khác biệt là 2 súng điện tử riêng biệt (ngăn đôi ống tia).
Mỗi chùm điện tử được bắn lên màn hình với 2 hệ thống lái tia theo trục Y1, Y2 độc lập sẽ vẽ lên màn hiển thị 2 vệt sóng.
Hai tín hiệu cần quan sát có cùng dải tần. 07/10/2008 Slice 19Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 1Y 2Y 3.4.2. Oscillo có kết hợp chuyển mạch điện tử A. Phương pháp chuyển đổi luân phiên:
Tín hiệu vào Y được thay đổi luân phiên giữa A và B.
Thời gian chuyển mạch là khi tia điện tử quét hết màn oscillo.
Để quan sát dạng 2 tín hiệu trên màn oscillo, một số yêu cầu cần thoả mãn: 1. Hai tín hiệu phải đồng bộ pha, và chu kì A BT nT= Mô tả chuyển đổi luân phiên giữa 2 kênh (hoặc ngược lại). 2. Độ dư huy của màn oscillo phải đủ lớn để mắt có cảm giác 2 tia sóng hiện đồng thời. 07/10/2008 Slice 20Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 3.4.2. Oscillo có kết hợp chuyển mạch điện tử B. Phương pháp chuyển mạch điện tử:
Tương tự như phương pháp chuyển đổi luân phiên, tuy nhiên tần số chuyển mạch cao hơn nhiều.
Phương pháp chuyển mạch điện tử được thực hiện bằng 2 cách:  Phân đường theo thời gian  Phân đường theo mức Mô tả chuyển đổi luân phiên giữa 2 kênh Ưu nhược điểm:
Phù hợp với tín hiệu tần số thấp.
Đối với tín hiệu có tần số cao, phương pháp chuyển mạch điện tử sẽ bị giới hạn. Do đó, phương pháp chuyển đổi luân phiên phù hợp hơn. 07/10/2008 Slice 21Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 3.4.2. Oscillo có kết hợp chuyển mạch điện tử Sơ đồ khối của chuyển mạch điện tử phân đường theo thời gian ∑ 1E 1( )U t ∑ E 2 ( )U t ∑ 07/10/2008 Slice 22Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 2 ∑ nE ( )nU t d dt 3.4.2. Oscillo có kết hợp chuyển mạch điện tử U 2E 1E 3E 3CMU 2CMU 07/10/2008 Slice 23Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 1CMU CMdU dt U∑ 3.4.2. Oscillo có kết hợp chuyển mạch điện tử Sơ đồ khối của chuyển mạch điện tử phân đường theo mức ∑ 1E 1( )U t ∑ E 2 ( )U t ∑ 07/10/2008 Slice 24Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 2 ∑ nE ( )nU t 3.4.2. Oscillo có kết hợp chuyển mạch điện tử U 2E 1E 3E U 07/10/2008 Slice 25Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 3Z 2Z U 1Z U U∑ XU 3.5.Cấu tạo Oscillo quan sát tín hiệu siêu cao tần Giới hạn khi quan sát tín hiệu siêu cao tần bằng oscillo:
Đối với những tín hiệu siêu cao tần (GHz), thời gian bay của điện tử qua cặp phiến làm lệch (1-10ns) tương đương với chu kì của tín hiệu cần quan sát, tia điện tử không bị làm lệch khi qua cặp phiến làm lệch Y.  Không thể giảm nhỏ kích thước của cặp phiến làm lệch quá giới hạn cho phép.
Dao động đồ còn bị méo do sự lệch pha giữa 2 điện áp đưa vào cặp phiến X và Y (do cấu tạo 2 cặp phiến không cùng nằm trên 1 tiết diện mà được đặt lần lượt theo thứ tự trước sau).
Dao động đồ còn bị méo do điện dung kí sinh của cặp phiến làm lệch ở tần số cao.
Ngoài ra dải thông của khuếch đại Y phải rất rộng, tần số quét phải rất lớn. 07/10/2008 Slice 26Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 3.5.Cấu tạo Oscillo quan sát tín hiệu siêu cao tần Phương pháp hoạt nghiệm:
Sử dụng các oscillo tần số thấp để quan sát tín hiệu siêu cao tần.
Nguyên lí: phân tích biên độ - thời gian của của tín hiệu cần quan sát bằng các xung hẹp có đánh dấu. Với các xung đánh dấu này, dạng tín hiệu được vẽ ra không phải là đường cong liên tục, mà là các điểm hay các đoạn rời rạc, tương ứng với thời điểm có tác động của xung đánh dấu. 07/10/2008 Slice 27Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội τ T T∆ t t t Dạng xung được mở rộng /n T t= ∆ 3.6.Cấu tạo Oscillo có nhớ loại tương tự
Trên thực tế ngoài việc quan sát đồng thời nhiều tín hiệu người ta còn muốn nhớ lại các thông tin đã xem. Để thực hiện nhớ:
Dùng kỹ thuật tương tự: Oscillo có nhớ loại tương tự
Dùng kỹ thuật số Oscillo có nhớ loại số. 07/10/2008 Slice 28Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 3.6.1.Cấu tạo Oscillo có nhớ loại tương tự
Oscillo có nhớ loại tương tự có khả năng lưu dao động trên màn hình.
Về cấu tạo, bao gồm thêm súng điện tử phun tràn, lớp phosphorus nhớ (các phần tử nhớ có độ cách điện cao), lớp màng kim loại.
Hiệu ứng nhớ được duy trì bằng việc đưa các điện tử từ súng phun tràn xuyên qua các phần tử nhớ đang phát sáng (có điện áp dương hơn) về màng kim loại (điện áp dương).
Hiệu ứng nhớ được xóa khi đưa điện thế âm vào màng kim loại. 07/10/2008 Slice 29Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội 3.6.2. Oscillo có nhớ loại số
Về cấu tạo hoàn toàn tương tự như Oscillo 1 kênh nhưng có thêm khối ADC, DAC, bộ nhớ ghép xen vào giữa khối lệch đứng để thực hiện nhớ thông tin 07/10/2008 Slice 30Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội H×nh 3-40 3.7. Oscillo điện tử số
Để mở rộng dải tần đồng thời tự động hoá cho quá trình đo trên thực tế khối điều khiển thường được cấu tạo là µP 07/10/2008 Slice 31Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội