Đề tài Nghiên cứu nguyên ly máy hiện sóng điện tử

Mở đầu Trong sự phát triển của khoa học và công nghệ, đo lường có tầm uan trọng đặc biệt. Máy hiện sóng là phương tiện đo lường vạn năng dùng để quan sát dạng tín hiệu và đo các tham số của tín hiệu. Hiện nay sản xuất công nghiệp phát triển với tốc độ cao, xuất hiện nhiều quá trình công nghệ phức tạp thì máy hiện sóng cũng là phương tiện không thể thiếu được để quan sát và theo dõi các quá trình công nghệ đó. Dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Bùi Văn Sáng em xin trình bày nguyên lý sơ đồ cấu trúc và các chế độ làm việc của may hiên sóng như sau. CHƯƠNG I nghiên cứu nguyên ly máy hiện sóng điện tử 1.1.Khái niệm chung. Máy hiện sóng là phương tiện đo lường vạn năng dùng để quan sát dạng tín hiệu và đo các tham số của tín hiệu. Trong khoa học và kỹ thuật xẩy ra nhiều quá trình vật lý khác nhau, chúng thường biến đổi theo thời gian. Việc nghiên cứu các quá trình vật lý đó hết sức quan trọng. Máy hiện sóng là một công cụ đắc lực, giúp ta nghiên cứu, quan sát được rất nhiều quá trình vật lý khác nhau biến đổi theo thời gian. Trong lĩnh vực điện tử, tin học và viễn thông máy hiện sóng được sử dụng rất rộng rãi. Nó được dùng như một phương tiện đo vạn năng trong nghiên cứu, trong sản xuất và trong khai thác, các thiết bị điện tử, tin học và viễn thông. Máy hiện sóng được dùng chủ yếu để quan sát tín hiệu, đo các tham số của tín hiệu như điện áp, tần số, pha, độ méo, độ sâu điều chế vv. Máy hiện sóng được phân loại tuỳ theo nguyên lý hoạt động là máy hiện sóng điện cơ hay máy hiện sóng điện tử. Máy hiện sóng điện cơ là máy hiện sóng với bộ chuyển đổi cơ học, còn máy hiện sóng điện tử sử dụng ống tia điện tử. Máy hiện sóng loại điện cơ vì có độ nhạy rất nhỏ, độ tin cậy kém, dải tần thấp do đó ngày nay ít được sử dụng. Hiện nay người ta chủ yếu là sử dụng máy hiện sóng điện tử. Máy hiện sóng điện tử được phân loại theo nhiều cách khac nhau. Tuỳ theo số lượng tia điện tử người ta phân biệt máy hiện sóng một tia, máy hiện sóng 2 tia và máy hiện sóng nhiều tia. Tuỳ theo độ lưu ảnh trên màn huỳnh quang người ta phân biệt máy hiện sóng không lưu ảnh ( với thời gian lưu ảnh nhỏ hơn 0,1 giây) và máy hiện sóng lưu ảnh ( vơid thời gian lưu ảnh từ 0,1 giây trở lên). Tuỳ theo chức năng người ta phân biệt máy hiện sóng thông dụng và máy hiện sóng chuyên dụng ( chỉ sử dụng trong những lĩnh vực đặc biệt theo một mục dích đã đề ra khi chế tạo). Tuỳ theo trường điều khiển tia điện tử phân biệt máy hiện sóng điều khiển bằng điện trường hay máy hiện sóng điều khiển bằng từ trường. Việc điều khiển bằng từ trường có nhược điểm là công xuất tiêu thụ lớn, gây nhiễu và chịu ảnh hưởng của nhiễu, kết cấu cồng kềnh nên ngày nay hầu hết không được sử dụng. Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật số trong những năm gần đây người ta đã chế tạo các máy hiện sóng trong đó sử dụng nguyên lý biến đổi tín hiệu từ liên tục sang dạng số, cất giữ vào bộ nhớ, sau đó biến đổi ngược từ dạng số về dạng tín hiệu liên tục. ở phần này ta chỉ nghiên cứu loại may hiện sóng một tia điều khiển bằng điện trường vì đây là loại máy hiện sóng thông dụng nhất. 1.2.Nguyên lý xây dựng máy hiện sóng 1.2.1. Đèn ống tia điện tử A. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Bộ phận chủ yếu của máy hiện sóng là ống tia điện tử. Nó thực hiện chức năng vẽ dạng tí hiệu trong máy hiện sóng. ẩng tia điện tử là một ống thuỷ tinh chứa chân không,bên trong chứa các điện cực sắp xếp theo một quy luật nhất định. Nó được mô tả như hình vẽ dưới đây. hình 1.1 Về cấu tạo có thể coi ống tia điện tử gồm 3 phần cơ bản: súng điện tử, bộ phận làm lệch, màn huỳnh quang. Phần thứ nhất gọi là súng điện tử có tác dụng tạo ra chùm tia điện tử nhỏ, bắn tới màn huỳnh quang và làm phát sáng ở màn huỳnh quang. Súng điệ tử gồm: sợi đốt S, katốt K, lưới điều chế L, các anốt A1 và anốt A2. Khi katốt K bị nung nóng bởi sợi đốt S nó sẽ phản xạ điện tử và trên bề mặt của nó sẽ xuất hiện một lớp mây điện tử, Dưới tác dụng của điện thế dương so với katốt trên các anốt A1 (khoảng 300v đến 500v) và anốt A2 ( khoảng 1,5 Kv đến 2 Kv) các điện tử sẽ bị hút về màn ảnh M. Khi đi qua điện trường giữa lưới L và anốt A1 và điện trường giữa anốt A1 và anốt A2 các điện tử này được hội tụ lại thành một tia mảnh. Các điện trường nói trên đóng vai trò như một thấu kính điện tử để hội tụ tia điện tử. Trong đó vai trò của điện trường giữa anốt A1 và A2 là quan trọng hơn cả. Vì vậy người ta dùng nó để thay đổi độ hội tụ, cụ thể là thay đổi điện thế trên anốt A1 nhờ chiết áp R2 còn anốt A2 nối đất hoặc đồng thời thay đổi điện thế trên cả anốt A1 và A2. Cách thứ nhất đơn giản hơn và tránh được ảnh hưởng của điện thế A2 tới trường điều khiển của hệ thống làm lệch. Núm chiết áp R2 được đưa ra mặt máy với ký hiệu “ Độ hội tụ ”. Thay đổi điện thế trên anốt A1 sẽ thay đổi độ hội tụ của chùm tia điện tử nên anốt này được gọi là anốt hội tụ. Thay đổi điện thế trên anốt A2 sẽ thay đổi tốc độ của trùm tia điện tử nên anốt A2 được gọi là anốt tốc độ. Tuy nhiên việc thay đổi điện thế trên anốt A2 làm ảnh hưởng tới độ nhạy của ống tia điện tử nên trong thực tế không thay đổi điện thế trên anốt A2. Để điều chỉnh độ sáng thì hoặc là phải thay đổi vận tốc của chùm tia điện tử ( nghĩa là thay đổi động năng làm phát sáng lớp huỳnh quang), hoặc là phải thay đổi mật độ điện tử trong chùm tia. Muốn thay đổi vận tốc điện tử phải thay đổi điện thế trên các anốt mà chủ yếu là anốt A1 và anốt A2, nhưng điều đó ngoài ảnh hưởng tới độ nhạy của ống tia điện tử, còn ảnh hưởng rất lớn tới độ hội tụ nữa. Do vậy thông thường người ta điều chỉnh độ sáng của hình ảnh bằng thay đổi mật độ chùm tia điện tử nhờ thay đổi điện thế trên lưới điều chế L. Vì lưới điều chế L ở ngay sát katốt K, nên chỉ cần đến sự thay đổi rất nhỏ điện thế âm (thường từ 0 đến 100v) trên nó, cũng làm thay đổi rất lớn mật độ của chùm tia điện tử bay tới màn. Điện thế trên lưới điều chế L được thay đổi nhờ chiết áp R1, chiết áp này được đưa ra mặt máy với ký hiệu là “ Độ sáng ”. Như vậy nhờ “súng điện tử ” đã tạo ra được một chùm tia điện tử có thể điều chỉnh để chùm tia điện tử đó hội tụ tại một điểm trên màn huỳnh quang của đèn ống tia điện tử và do điều chỉnh được mật độ điện tử trong chùm tia nên có thể điều chỉnh được độ sáng tối của hình ảnh trên màn của đèn ống tia điện tử. Phần thứ hai là hệ thống làm lệch tia điện tử theo chiều thẳng đứng và nằm ngang. Hệ thống làm lệch này gồm hai cặp phiến làm lệch đặt lần lượt trước sau và vuông góc với nhau bao quanh trục ống . Một cặp theo phương thẳng góc gọi là cặp phiến làm lệch Y, một cặp theo phương nằm ngang gọi là căp phiến làm lệch X (như hinh 1.1). Hai cặp phiến lệch đứng và lệch ngang nhau tạo ra hai trường tĩnh điện điều khiển tia điện tử theo trục đứng và trục ngang. Nếu trên một cặp phiền làm lệch có đặt một điện áp (gọi là điện áp điều khiển) thì khoảng không gian giữa chúng tạo thành một điện trường. Khi điện tử đi qua giữa 2 phiến, di bị tác dụng của điện trường này mà nó bị thay đổi quĩ đạo chuyển động . Khoảng cách lệch của điểm sáng do chùm tia tạo nên trên màn so với vị trí ban đầu phụ thuộc vào cường độ điện trường và thời gian bay của điện tử qua khoảng không gian giữa 2 phiến . Vì tác dụng của hai cặp phiến làm lệch là như nhau nên ta xét một cặp phiến Y làm ví dụ . Điện áp điều khiển đặt lên cặp phiến lệch đứng là Uy . Điện áp Uy gây ra một điện trường trong cặp phiến Y .Cường độ điện trường càng lớn , cũng như thời gian bay càng lâu thì độ lệch của quĩ đạo càng tăng. HINH 1.2 B. Độ nhạy của ống tia điện tử và máy hiện sóng. Cường độ điện trường tỉ lệ với điện áp điều khiển Uy đặt lên cặp phiến làm lệch Y và tỷ lệ nghịch với khoảng cách 2 phiến dy (xem hình 4.2).Thời gian bay của điện tử qua khoảng giữa hai phiến làm lệch tỷ lệ nghịch với độ dài của phiến Ly là khoảng cách từ điểm giữa của phiến lệch đến màn . Do vậy độ lệch theo trục đứng Y của tia điện từ dưới tác dụng của điện áp điều khiển Uy trên phiến làm lệch đứng xác định theo công thức sau: Y= (2.1) ở đây Y là độ lệch của điểm sáng trên màn theo trục Y được tính ra mm.Ly là chiều dài của phiến tính ra mm, dy là khoảng cách giữa 2 phiến làm lệch tính ra mm, UA2 là điện áp trên anốt 2, Ly là khoảng cách từ điểm giữa của phiến lệch đến màn. Từ (2.1) xác định được độ nhạy của ống tia điện tử như sau: Soy = (2.2) Công thức (2.2) là độ nhạy của ống tia điện tử theo trục Y. Đối với trục X ta cũngcó độ nhạy tương tự: Sox = (2.3) Độ nhạy của đèn ống tia điện tử chính là độ dịch chuyển của điểm sáng trên màn với một đơn vị điện áp điều khiểu đặt lên phiến làm lệch . Thông thường độ nhạy của ống tia điện tử nhỏ hơn 0,1 mm/v. Để đảm bảo độ nhạy cần thiết thì điện áp UA2 không được chọn lớn . Nhưng như vậy động năng của điển tử không đảm bảo làm phát sáng màn. Để khắc phục tình trạng này, người ta đưa thêm một anốt A3 nữa vào phía sau của hai cặp phiến lệch và gần sát với màn M.Điện áp của anốt này khá cao (thường từ 10+20 kv). Anốt này thực chất là một lớp than chì dẫn điện được quét lên bề mặt trong xung quanh thành ống tia điện tử gần màn huỳnh quang . Nhờ điện trường của Anốt A3 điện tử được gia tốc thêm sau khi qua trường làm lệch mà không ảnh hưởng tới độ nhạy của đèn ống tia điện tử. Ngoài tác dụng gia tốc cho chùm tia điện tử nó còn có tác dụng thu nhận các điện tử phát xạ thứ cấp từ màn huỳnh quang do va đập của tia điện tử với động năng lớn. Phần thứ ba là màn ảnh M của đèn (xem hình 4.1) màn ảnh là một lớp huỳnh quang được phủ lên lớp đáy của đèn . Mầu sắc và độ lưu ảnh phụ thuộc vào chất huỳnh quang khác nhau phủ lên màn. Khi có điện tử đập vào màn huỳnh quang tại điểm nào điểm đó sẽ phát sáng. Trong máy hiện sóng , các điện áp từ đầu vào trước khi đưa tới các cặp phiến làm lệch có giá trị nhỏ và đi qua các tuyến lệch đứng và lệch ngang. Để tăng độ nhạy của máy hiện sóng ở các tuyến lệch đứng và lệch ngang.Để tăng độ nhạy của máy hiện sóng ở các tuyến đứng và lệch ngang thường có các bộ khuếch đại để khuếch đại tín hiệu .Vì vậy độ nhạy chung của máy hiện sóng ngoài sự phụ thuộc vào độ nhạy của ống tia điện tử, còn phụ thuộc vào hệ số khuếch đại của các bộ khuếch đại. Khái niệm độ nhạy của máy hiện sóng được định nghĩa là độ dịch chuyển của điểm sáng trên màn dưới tác dụng của một đơn vị điện áp đưa đến đầu của máy . Độ nhạy của máy hiện sóng được ký hiệu là Sy và Sx tương ứng với hai trục toạ độ XOY: Sy = KySoy, SX = KXSOX, (2.4) Với Ky và KX là hệ số khuếch đại tuyến đứng (Y) và tuyến lệch ngang (X).Như vậy nếu Uy và Ux là các điện áp đưa tới đầu vào của máy hiện sóng thì dịch chuyển theo hai trục đứng và ngang sẽ là : Y=SyUy, X=SXUX, (2.5) Trong đó X là dịch chuyển của điểm sáng theo trục X trên màn của máy hiện sóng khi điện áp đặt vào X là Ux . Còn Y là chuyển dịch của điểm sáng theo trục Y trên màn của máy hiện sóng khi điện áp đặt vào đầu vào Y là Uy . 1.2.2. nguyên lý quét trong máy hiện sóng A.Nguyên lý tạo ảnh trên màn máy hiện sóng Muốn tạo được ảnh trên màn của máy hiện sóng chúng ta phải thực hiện một nguyên lý không thể thiếu được là điều khiển đồng thời tia điện tử theo hai trục – trục đứng và trục nằm ngang . Điều này có nghĩa là đồng thời phải đưa vào đèn ống tia điện tử 2 điện áp điều khiển Uy và Ux . Điện trường của hai cặp phiến lam lệch (lệch đứng và lệch ngang) đồng thời tác động lên tia điện tử , làm tia chuyển động và vẽ nên hình ảnh trên màn huỳnh quang . Trong trường hợp tổng quát các điện áp Ux và Uy có thể có dạng bất kỳ . Khi đó hình ảnh nhận được trên màn huỳnh quang cũng có dạng bất kỳ . Tuy nhiên chúng ta xét một trường hợp đặc biệt , nhưng lại rấtphù hợp với thực tế và rất hay sử dụng đó là điện áp điều khiển đặt lên phiến X, điện áp Ux không phải là điện áp bất kỳ mà có dạng tuyến tính theo thời gian. Ux = a . t (2.6) Điện áp điều khiển Ux trong trường hợp này gọi là điện áp quét . Còn điện áp muốn vẽ lạ dạng của nó trên màn của máy hiện sóng (gọi là điện áp cần quan sát ) ta đưa vào phiến làm lệch y. Ta xét trường hợp điển hình là điện áp cần quan sát là điện áp hình sin dạng: = Umsin wt, (2.7) Từ (2.5);(2.6);(2.7) ta có : Y = Umsin wt, X =.a.t, (2.8) Hệ phương trình (4.8) dễ dàng đưa về dạng chính tắc: Y = Ymsin WX, (2.9) Với Ym= Sy Um và W = Phương trình (2.9)chính là phương trình chuyển động của điểm sáng trên màncủa máy hiện sóng theo hệ trục YOX. Đường cong (2.9) có dạng trùng với dạng tín hiệu Uy cần quan sát. Chúng ta cũng có thể giải thích một cách trực quan hơn việc tạo ảnh tín hiệu trên màn của máy hiện sóng bằng phương pháp điều khiển chuyển động của điểm sáng trên màn dưới tác động của điện áp điều khiển và (xem hình 4.3) Dựa vào công thức (2.5) có thể vẽ được chuyển dịch của điểm sáng theo trục đứng Yvà theo trục ngang X phụ thuộc vào thời gian t, và từ quan hệ X(t) và Y(t) dễ dàng nhận thấy quá trình vẽ lại ảnh của tín hiệu cần quan sát trên màn của máy hiện sóng (xem hình 1.3). Ta nhận thấy khi tđ Ơ thì điện áp Ux đ Ơ điểm sáng chuyển dịch theo X và lệch ra ngoài màn. Nhưng trong thực tế chúng ta lại cần sau khi điểm sáng chuyển dịch tới rìa ngoài màn cần trở lại vị trí ban đầu để tiếp tục chu kỳ chuyển dịch mới.Qúa trình chuyển dịch điểm sáng như vậy gọi là “quét” và điện áp Ux gọi là điện áp quét. Hình 1.3 Điện áp quét có dạng như hình1.4a gọi là điện áp quét răng cưa và là điện áp quét lý tưởng , nghĩa là sau khi đạt giá trị cực đại Um (tương ứng với Xm ở rìa màn ảnh có thể tức khắc đột biến bằng 0 để lại bắt đầu tăng theo một chu trình mới . Trong thực tế điện áp quét có dạng hình 4.4b. Nghĩa là để trở về 0 điện áp Ux cần có một thời gian hữu hạn nào đó gọi là thời gian quét ngược. Như vậy chu kỳ quét sẽ bằng tổng thời gian thuận và thời gian quét ngược: Hình 1.4 Tq = Tth+ Do tồn tại thời gian quét ngược nên điểm sáng chuyển ngược từ phải qua trái màn vẽ nên một đường mở không cần thiết như hình 1.5 . Để loại trừ hiện tượng này , cần phải làm sao cho tỷ số Tth/ càng lớn càng tốt . Tuy nhiên dù thế nào đi nữa cũng vẫn ảnh hưởng tới chất lượng của ảnh , do đó người ta áp dụng một phương pháp để khử hoàn toàn ảnh hưởng của là tạo ra một xung âm trong thời gian để đưa vào lưới điều chế L của ống tia điện tử (xem hình 1.4c). Hình 1.5 Cũng cần lưu ý một điều là , nếu điện áp quét do một nguyên nhân nào đó không hoàn toàn tuyến tính hình ảnh nhận được của tín hiệu hình sin cần quan sát trên màn của máy hiện sóng sẽ bị méo dạng. Như vậy chúng ta thấy rằng muốn quan sát được dạng tín hiệu ta phải đưa tín hiệu đó vào phiến làm lệch Y còn phiến làm lệch X đưa vào một điện áp hình răng cưa, điện áp đó gọi là điện áp quét (Uq=Ux). B.các chế độ quét trong máy hiện sóng Trong trường hợp vừa xét, vì điện áp có dạng đường thẳng nên gọi là quét đường thẳng . Trong trường hợp chung điện áp có thể có dạng bất kỳ Ux = y (t) khi đó hình ảnh nhận được gọi chung là hình litxazu và cũng xó dạng bất kỳ. Trong thực tế ngoài điện áp răng cưa ra chúng ta còn gặp điện áp có dạng hình sin nên còn gọi là quét sin. Trong trường hợp quét thẳng nếu Ux có dạng răng cưa liên tục (xem hình 4.4) ngươid ta gọi là quét liên tục (còn gọi là quét tự động). Nếu các điện áp răng cưa đó không liên tục mà gián đoạn (như hình 4.6) người ta gọi là quét đợi, vì mỗi điện áp Hình 1.6 răng cưa chỉ xuất hiện khi có xung kích thích còn sau đó là thời gian đợi Tđ tới xung tiếp theo. Quét đợi sử dụng khi cần nghiên cứu các tín hiệu xung tuần hoàn có độ “hổng” rất lớn [ H = ] (xem hình1.6a) hoặc dẫy xung không tuần hoàn như hình1.7a. Khi tín hiệu cần nghiên cưu là dẫy xung tuần hoàn có độ hổng lớn , nếu thực hiện quét liên tục có thể xẩy ra 2 trường hợp : Trường hợp thứ nhất , khi chu kỳ quét bằng chu kỳ lặp lại của tín hiệu thì trên màn ảnh sẽ nhận được xung rất hẹp và hầu như không thể phân biệt được sườn xung (xem hình 1.6a) .Trong nhiều trường hợp chỉ nhận được chấm sáng của đỉnh xung mà thôi . Kết quả là không thể quan sát đầy đủ dạng của xung. Trường hợp thứ hai , khi ằ thì trên màn ảnh nhận được ảnh xung đủ lớn nhưng rất mờ trên nền của một vệt sáng đậm phía dưới (xem hình 4.6g).Lý do là vì trong suốt chu kỳ lặp lại của xung , tia điện tử chỉ vẽ ảnh xung xó một lần, còn sau đó dưới tác dụng của điện áp quét tia điện tử sẽ vẽ đi lại nhiều lần đường Y = 0 (ứng với Uy = 0) do đó tạo nên một đường đậm lấn át xung . Kết quả là ảnh của xung bị mờ đi, rất khó quan sát. Như vậy với dẫy xung cần nghiên cưu có độ rộng lớn ta không thể quan sát tốt bằng cách quét liên tục được, mà phải thực hiện quét đợi. Điện áp quét đợi (hình 1.6đ) có thời gian quét bằng hoặc lớn hơn một chút độ rộng của xung và khi nào có xung cần quan sát lúc đó mới có điện áp quét , thời gian còn lại là thời gian đợi . Chính vì thế mà ảnh xung nhận được giống như trường hợp trước những đường sáng đậm bên dưới không còn nữa. ảnh ân được không rõ ràng và có thể quan sat đầy đủ dạng của xung ( xem hình 1.6h). Nếu dẫy xung cần nghiên cứu là dẫy xung không tuần hoàn với độ rông xung không thay đổi (xem hình 1.7e). ở đây buộc phải thực hiện quét đợi thì mới quan sát được dạng xung một cách bình thường được (xem hình 1.7c và 1.7e) Hình 1.7  1.2.3. nguyên lý đồng bộ trong máy hiện sóng Khi quan sát tín hiệu bằng máy hiên sóng chúng ta thấy hien tượng ảnh của tín hiệu không đứng yên, có cảm giác ảnh chạy trên màn huỳnh quang. Hiện tượng này gọi là hiện tượng mất đồng bộ trong máy hiện sóng. Để ảnh của tín hiệu cần quan sát đứng yên trên máy người ta phải thực hiện nguyên đồng bộ. A.Điều kiện đồng bộ trong máy hiện sóng Chúng ta sét bản chất của nguyên lý máy đồng bộ trong máy hiện sóng qua việc quan sát một tín hiệu hình sin với chu kỳ điện áp quét khác nhau trên cơ sở đó tìm điều kiện đồng bộ trên máy hiện sóng. Sự khác nhau giữa chu kỳ điện áp quét và chu kỳ điện áp cần quan sát tạo ra các trường hợp khac nhau của ảnh trên màn của máy hiện sòng (xem hình 1.8) Trường hợp thứ nhất : {\ (Trong đó Ty là chu kỳ điện áp cần quan sát, Tq1 la chu kỳ của điện áp quét trong trường hợp thứ 2, a và b là các số nguyên dương). Vì và là các tín hiệu tuần hoàn nên kết lụân trên cũng đúng với trường hợp tổng quát sau : Trường hợp thứ hai : { Hiện tượng này cũng đúng trong trường hợp tổng quát . nTy < Tq2 < ( n + 1/4 ) Ty Hình 1.8 Trường hợp thứ ba : ở đây tỷ số giữa chu kỳ điện áp quét và điện áp cần quan sát có thể biểu diễn dưới dạng một phân số (xem hình 4.8d).ảnh nhận được (xem hình 4.8j) sẽ không chuyển động nữa nhưng không phản ánh đúng dạng tín hiệu cần quan sát. ảnh chỉ bao gồm các đoạn khác nhau của tín hiệu cần quan sát mà thôi. Trường hợp thứ tư: Tq4 = Ty Trong trường hợp này chu kỳ điện áp quét bằng chu kỳ tín hiệu cần quan sát (xem hình 1.8e) . ảnh nhân được không chuyển động và có dạng đúng như ảnh của tín hiệu cần quan sát (xem hình 1.8k). Trường hợp này người ta nói đã thực hiên đồng bộ trong máy hiện sóng. Nó cũng đúng cho trường hợp tổng quát : , với n là số nguyên dương . Điều kiện được gọi là điều kiện đồng bộ điện áp quét với điện áp cần quan sát . Qúa trình thiết lập và duy tri điều kiện này gọi là quá trình đồng bộ trong máy hiện sóng . Trên cơ sở phân tích các trường hợp đặc trưng có thể xảy ra ở trên , dựa vào ảnh nhận được trên màn ảnh của máy hiện sóng ta có thể kết luận và trạng thái đồng bộ của máy. Trạng thái đồng bộ là trạng thái ổn định của ảnh, ảnh đứng yên không chuyển động và không có đường giao nhau hoặc khép kín. Nguyên lý đồng bộ cơ bản ở đây là thực hiện đồng bộ : (2.10) Như vậy, để có đồng bộ phải thoả mãn điều kiện (2.10) nghĩa là bằng một cách nào đó giữa chu kỳ (tần số) của điện áp quét với chu kỳ (tần số) của tín hiệu cần quan sát phải liên quan với nhau. Trên thực tế có thể đạt đồng bộ bằng hai cách . Cách thứ nhất căn cứ vào tình trạng ảnh (xem hình 1.8g,h hay i) ta thay đổi chu kỳ quét cho tới khi nhận được ảnh như hình 1.8k. Cách làm này chỉ áp dụng được với điều kiện tần số Ux và Uy phải rất ổn định. Điều này hầu như không thực hiện được trong thực tế , nên trạng thái đồng bộ chỉ tồn tại trong thời gian ngắn nhất mà thôi. Cách thứ hai là điều kiện tần số quét bởi một tín hiệu tần số liên quan trực tiếp với tần số của tín hiệu cần nghiên cứu một cách tự động, sao cho điều kiện đồng bộ luôn luôn được duy trì. Tín hiệu đó gọi là tín hiệu đồng bộ. B.Các chế độ đồng bộ và điều chỉnh pha của ảnh trên máy hiện sóng . Nếu trong máy hiện sóng một phần tín hiệu cần nghiên cứu được tách ra làm tín hiệu đồng bộ, thì cách đồng bộ đó được gọi là đồng bộ trong. Nếu tín hiệu đồng bộ được lấy từ bên ngoài của máy hiện sóng thì gọi là đồng bộ ngoài. Nếu tín hiệu đồng bộ được lấy từ điện áp lưới điện 50Hz thì gọi là đồng bộ từ mạng lưới điện. Như vậy trên quan điểm nguồn tín hiệu đồng bộ, người ta phân biệt ba chế độ đồng bộ :Đồng bộ trong, đồng bộ ngoài, và đồng bộ từ lưới. Thực tế cho ta thấy cách đồng bộ tự động tự động chỉ áp dụng được khi tần số của tín hiệu đồng bộ thay đổi không lớn lắm. Vì vậy để đạt được đồng bộ người ta phải kết hợp cả đồng bộ bằng tay và đồng bộ tự động. Việc đồng bộ bằng tay được thực hiện nhờ bộ phận vi chỉnh tần số quét cho tới khi đạt được trạng thái đồng bộ, sau đó là quá trình đồng bộ tự động xẩy ra. Trên đây ta chỉ mới xét tới khái niệm đồng bộ đối với chế độ quét liên tục. ậ chế độ quét đợi, yêu cầu này không đặt ra vì đương nhiên bao giờ ta cũng có do điện áp quét phải khởi động bằng điện áp cần nghiên cứu. Như đã biết, yêu cầu đồng bộ đã dẫn đến việc điều khiển điện áp quét về tần số, còn về pha thì trong nhiều trường hợp người ta bỏ qua vì không ảnh hưởng tới chất lượng ảnh. Tuy nhiên trong một số lĩnh vực nghiên cứu người ta lại quan tâm đến pha ban đầu của tín hiệu, do đó ngoài việc tạo được một ảnh ổn định còn phải điều khiển sao cho ảnh luôn luôn xuất phát từ một điểm nào đó theo ý muốn (ứng với pha ban đầu của tín hiệu). Yêu cầu này sẽ được thoả mãn nhờ việc khởi động điện áp quét bằng chính tín hiệu đồng bộ theo sơ đồ hình 1.9a. Hình 1.9 Hình 1.9 Theo sơ đồ này, tín hiệu đồng bộ được đưa tới bộ so sánh (SS)để so sánh với điện áp mức một chiều Uo . Mức điện áp Uo có thể điều chỉnh được về hai phía theo giá trị âm và giá trị dương (xem hình 1.9a). Khi Uđb bằng giá trị Uo thì ở đầu ra bộ so sánh xuất hiện xung khởi động, xung này kích cho bộ tạo điền áp quét làm việc và tạo ra điên áp quét răng cưa. Do đó điện áp quét bao giờ cũng xuất phát từ một thời điểm nhất định so với điện áp đồng bộ (tức là so với tín hiệu cần quan sát (xem hình 1.9b). Kết quả là ảnh sẽ được vẽ từ các pha ban đầu mà ta mong muốn quan sát. Cũng cần lưu ý rằng, việc điều khiển mức khởi động có thể sẽ ảnh hưởng tới sự đồng bộ khi điện áp mức Uo lớn hơn biên độ điện áp đồng bộ Uđb vì lúc này ở đầu ra của bộ so sánh sẽ không có xung khởi động nữa. Khi làm việc với máy hiện sóng có bộ phận này thì ban đầu nên dặt núm điều chỉnh “mức khởi động”ở vị trí Uo=0. 1.3. SƠ Đồ CấU TRúC Và CáC CHế Độ LàM VIệC CủA MáY HIệN SóNG 1.3.1.Sơ đồ cấu trúc của máy hiện sóng. Trên cơ sở nguyên lý làm việc của đèn ống tia điện tử, nguyên lý quét và nguyên lý đồng bộ đã xét ở trên chúng ta nghiên cứu so đồ cấu trúc của máy hiện sóng Hình 1.10 1.3.2. Các chế độ làm việc của máy hiện sóng Để nghiên cứu toàn bộ hoạt động của máy hiện sóng trước hết ta phải xét tới chế độ làm việc cơ bản của máy. Mỗi chế độ sẽ có nguyên lý hoạt động và thực tiễn chức năng nhất định. Để có thể nhân được một hình ảnh nào đó trên màn ảnh, thì phải xác định được chế độ quét, chế độ đồng bộ. Như vậy về nguyên tắc, có thể thiết lập được 7 chế độ làm việc của máy hiện sóng. Chế độ quét liên tục đồng bộ trong Chuyển mạch chế độ đồng bộ chuyển mạch 1 đặt ở vị trí 1 (đồng bộ trong) chuyển mạch chế độ quét chuyển mạch 2 đặt ở vị trí1(quét liên tục). Tín hiệu cần nghiên cứu được đưa tới đầu vào Y. Tia điện tử sẽ được điều khiển bởi tín hiệu cần nghiên cứu đặt lên cặo phiến lệch đứng và điện áp quét răng cưa liên tục đặt lên cặp phiến lệch ngang. Do vậy trên màn của máy hiện sóng sẽ nhận được ảnh của tín hiệu cần nghiên cứu. Độ cao cảu ảnh có thể thay đổi được từng bậc nhờ bộ phân áp và có thể vi chỉnh nhờ thay đổi hệ số khuếch đại lệch đứng. Số chu kỳ tín hiệu trên màn ( hay độ rộng của ảnh) có thể thay đổi nhờ thay đổi tần số của bộ phận tạo quét liên tục. Việc đồng bộ được thực hiện bằng tay nhờ núm vi chỉnh tần số quét và thực hiện tự động nhờ điều chỉnh biên độ của hiệu đồng bộ. Từ hình ảnh nhận được có thể tiến hành đo các thông số của tín hiệu cần nghiên cứu. Đây là chế độ được sử dụng rộng rãi nhất nhằm quan sát dạng tín hiệu điều hoà hoặc tín hiệu xung tuần hoàn có độ hổng không lớn. Chế độ quét liên tục đồng bộ ngoài Chuyển mạch đồng bộ chuyển mạch 1 đặt ở vị trí 2 (đồng bộ ngoài) còn chuyển mạch chế độ quét chuyển mạch 2 vẫn đặt ở vị 1 (quét liên tục). Tín hiệu cần nghiên cứu được đưa tới đầu vào Y, còn tín hiệu đồng bộ đưa từ ngoài vào tới đầu vào X. Xét về mặt nguyên ly làm việc của máy thì chế độ này cũng giống như chế độ ở phần trên, tức là trên cặp phiến lệch đứng là tín hiệu cần nghiên cứu, còn ở trên cặp phiến lệch ngang là điện áp quét răng cưa liên tục. Chế độ này cũng dùng để quan sát tín hiệu điều hoà Chế độ quét liên tục đồng bộ mạng lưới. Chuyển mạch đồng bộ chuyển mạch 1 đặt ở vị trí 3 (50Hz) còn chuyển mạchchế độ quét chuyển mạch 2 đặt ở vị trí 1 (quét đợi). Tín hiệu cần nghiên cứu đưa tới đầu vào Y. Về cơ bản chế độ này vẫn giống 2 chế độ trên, tức là điện áp cần nghiên cứu vẫn được đưa tới cặp phiến lệch đứng, còn điện áp quét răng cưa liên tục đưa tớicặp phiến lệch đứng, còn điện áp quét răng cưa liên tục đưa tới cặp phiến lệch ngang. ảnh nhận được trên màn của máy hiện sóng là ảnh của tín hiệu cần nghiên cứu đưa vào đầu vào Y. Chế độ quét đồng bộ trong. Chuyển mạch đồng bộ CM1 đặt ở vị trí (đồng bộ trong) còn chuyển mạch chế độ quét CM2 đặt ở vị trí 2(quét đợi), khác với ở mục a trong chế độ này bộ tạo quét liên tục được thay thế bằng bộ tạo quét đợi. Ngoài ra toàn bộ nguyên lý hoạt động không có gì thay đổi, chế độ này dùng để nghiên cứu dạng tín hiệu không tuần hoàn hoặc xung có độ hổng lớn. Trên cơ sở đó tiến hành đo các thông số thời gian và biên độ của tín hiệu cần nghiên cứu. Độ rộng của ảnh xung có thể thay đổi bằng cách thay đổi thời gian quét Tq của bộ tạo quét đợi. Độ sáng của ảnh lúc này phụ thuộc rất lớn vào tần số lặp lại của xung cần nghiên cứu, xung càng thừa ảnh càng mờ. 5.Chế độ quét đợi đồng bộ ngoài. Chuyển mạch chế độ đồng bộ CM1 đặt ở vị trí 2 (đồng bộ ngoài) chuyển mạch chế độ quét CM2 vẫn ở vị trí 2 (quét đợi). Tín hiệu cần nghiên cứu đưa vào đầu vào Ycủa máy hiện sóng, còn tín hiệu sóng,còn tín hiệu đồng bộ trong trường hợp này đưa từ ngoài vào máy hiện sóng (đưa vào đầu vào X). 6.Chế độ quét đợi đồng bộ mạng lưới. Chuyển mạch chế độ đồng bộ CM1 đặt ở vị trí 3 (50Hz), còn chuyển mạch chế độ quét CM2 vẫn ở vị trí 2(quét đợi), thực tế chế độ này rất khó thực hiên đồng bộ nên hầu như không sử dụng. 7.Chế độ khuếch đại. Chuyển mạch chế độ đồng bộ CM1 đặt ở vị trí 2 (đồng bộ ngoài), chuyển mạch chế độ quét CM2 đặt ở vị trí 3 (khuếch đại). ở chế độ này bộ tạo quét được ngắt bởi khỏi tuyến lệch ngang, điên áp quét răng cưa không đưa tới cặp phiến làm lệch ngang . Hai tín hiệu cần nghiên cứu được đưa tới hai đầu vào Y và X, qua các bộ khuếch đại tương ứng đưa tới hai cặp phiến lệch đứng và lệch ngang. Trên màn ảnh nhận được hình Litxaza. Chế độ này dùng để vẽ đặc tuyến hoặc tiến hành một số phép đo như đo góc lệch pha, đo tần số, đo điều chế v.v…Đây là chế độ được sử dụng rất phổ biến trong thực tế. Chương II khai thác phần mềm matlab Giới thiệu MATLAB và thư viện chương trình 1.1. MATLAB công cụ vạn năng Có các phương tiện đo (PTĐ) và nguồn mẫu thông dụng được mô phỏng; Mô phỏng được các mạch điện cơ sở; Mô phỏng được các khối chức năng và sơ đồ của phương tiện kỹ thuật; Khảo sát dễ dàng mạch điện và phương tiện kỹ thuật đã mô phỏng; Thuận tiện thiết kế mô phỏng và sử dụng chương trình, có tính đa năng. 1.2. Các bước soạn chương trình *Chú ý cách cài MATLAB 5.2: Chạy File “Setup” của đĩa CD chương trình. Điền các chữ số 1 vào ô Pasword trong cửa sổ “Installing MATLAB”. Đọc kỹ nội dung câu hỏi ở các cửa sổ xuất hiện trong quá trình cài đặt để đánh dấu đúng những câu trả lời. Kết thúc, sao File “patch521.exe” vào thư mục của Matlab vừa cài đặt; sao toàn bộ các File trong thư mục “Matlab-KC01.07” vào “Bin” của Matlab. Gọi chương trình Bật nguồn khởi động máy vi tính, tiếp theo thực hiện các thao tác: Stat đ Programs đ Matlab đ MALAB Command Window (Hình 2.1). Hình 2.1 2. Thứ tự soạn thảo Gọi khối chức năng theo thứ tự: MALAB Command Window đ New Simulink Model (Nút theo hướng con trỏ hình 2.1) đ Library:Simulink (Thư viện-Hình1) và untiled (Màn soạn thảo-Hình2.1)đ Sources, Sinks, Blocksest & Toolboxes... (Thư viện khối chức năng) đ Các khối chức năng hiện ra (Hình 2..2). Hình 2..2 Hình 2.3 Lưu ý: Thư viện các khối chức năng của phiên bản Matlab 5.2 biểu diễn dưới dạng các cửa sổ nên thuận lợi cho những ai mới bắt đầu mô phỏng, còn đối với thư viện trong Matlab 6.0, 6.5 ... biểu diễn theo sơ đồ nhánh (Xem hình 2.3) thích hợp cho những người đã thành thạo mô phỏng. Giao diện các khối chức năng và phần tử của các phiên bản khác nhau trong Matlab không có sự khác biệt lớn. Tạo sơ đồ mạch điện theo nguyên lý định trước: Đưa con trỏ tới khối, bấm giữ chuột và rê ra màn soạn thảo. Quá trình đó được lặp lại cho các khối còn lại. Sau đó liên kết các khối và chạy thử. Ví dụ cần tạo mạch đo điện áp nguồn xoay chiều bằng máy hiện sóng ta thực hiện các thao tác theo các bước sau đây: Kích con trỏ lên khối Sources đ Các khối chức năng hiện ra đ Rê khối Sine Wave ra màn Untiled. Kích con trỏ lên khối Sinks đ Các khối chức năng hiện ra Rê khối Scope ra màn Untiled. Nối 2 khối này (Xem hình 2.4). Tô màu khối: Untiledđ Format đ Background Color (Foredround Color) đ Chọn màu. Định dạng phông chữ: Untiledđ Format đ Font... đ Đặt phông chữ và kiểu chữ. Hình 2.4 Quay, xoá và đổi tên khối: Untiledđ Format đ Flip Block, Rotate Block, Hide Name... Khi đổi tên khối cần xoá tên cũ, đánh tên mới trực tiếp trên khối ở màn soạn thảo. Thay đổi thời gian lấy mẫu: Untiled đ Simulation đ Parameters...đ Thiết lập thời gian trên cửa sổ: Start Time, Stop Time. Chạy thử chương trình: Untiled đ Simulation đ Stat. Chương trình được chạy. Để ảnh trên màn hiện sóng hiện ra cần kích con trỏ lên khối Scope. Liên kết các khối thuộc 2 thư viện Simulink và Power System Blocksets (Blocksets & Toolboxes): Các phần tử thuộc 2 thư viện này liên kết với nhau thông qua các khối: Controlled Voltage Source, Controlled Current Source, Voltage Measuarement, Current Measuarement. Ví dụ mạch đo điện áp đưa ra trên hình 5, hai khối Sine Wave và Scope thuộc thư viện Simulink, còn 2 phần tử mạch điện Series RLC Branch1,2 thuộc thư viện Power System Blocksets. Hình 2.5 Thiết lập tham số khối cơ sở và cho hiện sơ đồ khối mô đun: Untiled đ Kích con trỏ lên khối cơ sở đ Bảng tham số hiện ra đ Thiết lập tham số đ Close. Untiled đ Kích con trỏ lên khối mô-đun đ Sơ đồ khối mô-đun hoá hiện ra (Lúc này ta có thể sửa khối). Sau khi kết thúc ta thực hiện lệnh đóng khối: File đ Close (Hoặc bấm r) Mô-đun hoá khối: Untiled đ Đánh dấu các khối cần mô-đun hoá đ Edit đ Create Subsystem đ Khối mô-đun hoá hiện ra. Thiết lập tham số khối cơ sở và cho hiện sơ đồ khối mô đun: Untiled đ Kích con trỏ lên khối cơ sở đ Bảng tham số hiện ra đ Thiết lập tham số đ Close. Untiled đ Kích con trỏ lên khối mô-đun đ Sơ đồ khối mô-đun hoá hiện ra (Lúc này ta có thể sửa khối). Sau khi kết thúc ta thực hiện lệnh đóng khối: File đ Close (Hoặc bấm r) Đặt tên và lưu chương trình theo các thao tác thông thường thông qua thực đơn File đ Save As... 1.3. Các bước chạy chương trình đã soạn thảo 1. Gọi chương trình MALAB Command Window đ Open File đ Open/Bin (Cửa sổ) đ & (Tên chương trình) đ MATLAB Editor/ Debugger (Cửa sổ) đ Tools đ Run đ Sơ đồ mô phỏng trên màn soạn thảo. Trên hình 2.5 đưa ra các cửa sổ Open, MATLAB Editor/ Debugger. Trên hình 6 đưa ra sơ đồ mô phỏng, ví dụ mạch đo tần số dùng quét sin trong máy hiện sóng với File ''Bai2_Dotanso.mdl''. 2. Chạy chương trình Sơ đồ mô phỏng (Cửa sổ) đ Simulation đ Stat. Chương trình được khởi động, sau khoảng thời gian nhất định, kết quả cuối cùng được hiển thị, ví dụ như màn hiện sóng hình 2.7. Chú ý: Nếu cần thay đổi tham số một khối nào đó chỉ cần kích con trỏ lên khối đó, bảng tham số hiện ra. Sau khi thiết lập tham số, ta thực hiện lệnh đóng Close. Trong các chương trình mô phỏng sử dụng chuyển mạch, để nối kênh chỉ cần kích con trỏ lên tiếp điểm tương ứng. Hình2 . 6 Hình 2.7 3. Đóng chương trình Sơ đồ mô phỏng (Cửa sổ) đ File đ Close. Lúc này chương trình được đóng, trên màn hình hiện cửa sổ MALAB Command Window. 4. Gọi chương trình tiếp theo Thông thường để gọi chương trình tiếp theo được nhanh chóng ta chưa cần đóng chương trình trước đó, mà dùng cửa sổ của nó để gọi chương trình sau theo thực đơn File đ Open đ Open/Bin đ Chương trình tiếp theo đ Cửa sổ chương trình tiếp theo). Ta tiến hành chạy chương trình theo các bước nêu trên để nhận được kết quả mô phỏng. Sau khi kết thúc nghiên cứu sơ đồ mô phỏng, ta đóng một trong hai chương trình và dùng chương trình còn lại để gọi chương trình thứ 3. Như vậy ta có thể gọi lần lượt các chương trình mô phỏng có sẵn trong cửa sổ thư mục Open/Bin của MATLAB. 5. Đóng phần mềm MATLAB MALAB Command Window (Cửa sổ) đ File đ Exit Matlab. Trước khi tắt máy vi tính, tất cả các chương trình ứng dụng đều phải đóng lại. Một số chú ý khi sử dụng chương trình: Đối với Matlab 5.2 nếu tất cả các mô-đun chương trình sao vào thư mục ''Bin'' của MALAB ở dạng ''File'' thì gọi và chạy chúng trực tiếp bằng ''matlab.exe'' như hướng dẫn ở mục 1.2. Nếu các chương trình con dạng ''File'' đặt trong thư mục, thì chúng được gọi và chạy bằng ''matlab.exe'' thông qua File bất kỳ nào đó nằm trong “Bin”. Đối với Matlab 6.0, 6.5 ... tất cả các mô-đun chương trình đều được gọi trực tiếp không phụ thuộc chúng nằm ở thư mục nào. Chương III Mô phỏng máy hiện sóng bằng phần mềm matlab Máy hiện sóng có thể là những kênh và hoạt động ở các chế độ khác nhau trong đó có 2 chế độ cơ bản . Nhận dạng tín hiệu (quét thẳng) và Khuyết đại (chế độ XY) Ta tiến hành mô phỏng 2 chế độ nêu trên Hình 3.1 Trên hình 3.1 đưa ra sơ đồ và kết quả mô phỏng máy hiện sóng 2 kênh làm việc ở chế độ nhận dạng tín hiệu Trên màu hiện sáng ta thấy 2 dạng tín hiệu điều hoà và xung dây tín hiệu đầu vào Hình 3.2 Trên hình 3.2 , 3.3 đưa ra sơ đồ mô phỏng máy hiện sóng làm việc ở chế độ khuyếch đại (chế độ XY).Chế độ này có thể sử dụng để đo tần số. Với sơ đồ 3.2 khi tần số đưa tới đầu vào Y lớn hơn 2 lần tần số đưa đến đầu vào X thì hình Lisara có dạng như hình vẽ với Ny=2 ; Nx=4 . Trong trường hợp ngược lại xem hình 3.3 . Hình 3.3 Khi tần số đưa đến đầu vào X Ta nhận được hình Lisara quay một góc 90o với Ny=4 , Nx=2. Như vậy nguyên lý về đo tần số đo tần số dùng quetson đã được mô phỏng. Trị số tần sốcủa đá hiệu vào vừa để cập đưa ra có thể xem trên bằng tham số hình 3.4. Hình 3.4 Một trong những nhiễm vụ quan trọng của đồ án là mô phỏng máy hiệu sóng hoạt ddongj theo 2 chế độ nút thẳng và quét sin . Hình 3.5 Trên hinh 3.5 , đưa ra sơ đồ khối của máy hiện sóng đã được mô phỏng . Nó được xây dựng cơ sở các khối . Để khảo sát ta đưa vào 2 tín hiệu đầu vào và kết hộp với máy hiện sóng nối ngoài . Hình 3.6 Trên hình 3.6 đưa ra dạng ảnh của tín hiệu đầu vào (dạng điều hoà hình sơn đúng như tín hiệu đầu vào Y). Hình 3.7 Trên hình 3.7 đưa ra dạng tín hiệu vào và điện áp quét bằng máy hiện sóng nối ngoài (Scope). Ta thấy rằng chu kỳ quýet bằng chukỳ tín hiệu nên máy hiện sóng làm việc đồng bộ và ảnh là hình 3.6 là ổn định . Hình 3.8 Trên hình 3.8 đưa ra sơ đồ mô phỏng máy hiện sóng làm việc ở chế độ KĐ (quét sin).ở đây nhờ chuyển mạch swich 1 ta đã ngắt khối tạo quét 2 kênh 2 đầu vào Y và X được nối với đầu vào và khi tần số của nguồng điện áp vào . Hình 3.9 Hình 3.10 Tần số đầu vào X lớn gấp 2 lần tần số đầu vào Y , xem hình 3.10 và hình 3.11 . Thì ta sẻ nhận được hình Lisaru giống như hình vẽ 3.9. Hình 3.11 Nói tóm lại thông qua mô phỏng ta có thể khảo sát được nguyên lý xây dựng máy hiện sóng theo 2 chế độ nhận dạng tín hiệu và quét sin.