Bài giảng Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử - Chương 3 - Phạm Hải Đăng

trin ca Oscillo
 1. Handdraw Oscilograms: Đo tc đ ca đng cơ
 2. Automatic paperdrawn oscillograph: t đng v dng
 sóng trên cun giy.
 3. CRT (Cathode Ray Tube): s dng ng tia đin t đ
 hin th dng sóng trên màn huỳnh quang.
 4. Digital oscilloscopes: Oxilo đin t
 5. PCBased oscilloscopes: s dng màn hình máy
 tính, CPU, RAM, I/O đ lưu tr và hin th dng 
 sóng.
07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 3
 3.1. Khái nim chung
 Sơ đ nguyên lí ca Oscillo tương t (CRT)
07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 4
 3.2.to Cu iOclsloOscillo uC to
 3.2.1. Cu to ca CRT
 
 CRT là ng thu tinh chân không
  Súng đin t, gm có các đin cc: si đt F, cathode K, lưi điu ch M, 
 anode A1, A2
  Cp phin làm lch X, Y.
  Đu cui ca ng có dng nón ct, đáy hình nón là màn huỳnh quang
 (phosphorus).
  Vách thành cui ng có mt lp than chì dn đin t cp phin làm lch
 ti màn huỳnh quang.
 Y X
 K M A1 A2 Lp
 phosphorus
 F
 −KV
 R1 R2 Lp than chì
 dn đin
07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 5
 3.2.1.otca Cu Cuotca CRT
 Cu to ca súng đin t  Nguyên lí tiêu t chùm tia đin t:
 
 Si đt F có nhim v nung nóng cathode K phát x chùm đin t. Đin trưng to ra
 do chênh lch đin áp gia lưi M, anode A1, A2 có tác dng hi t và tăng tc chùm
 đin t ti màn huỳnh quang.
 
 Đin trưng gia 2 anode A1, A2 (đưc mô t trên hình v) có tác dng hi t chùm
 đin t vào trc chính ca súng đin t => A1: Anode tiêu t.
 
 Các l nh ti lưi M, anode A1, A2 cũng có tác dng chn các đin t phân tán lch
 trc chính.
 
 Đin áp (hiu đin th gia 2 anode A1 M A1 A2
 uuuur uuur
 K
 và A2) đưc chn có giá tr đ ln đ chùm U1M U 21
 tia đin t có vn tc đ đ bn ti màn
 huỳnh quang và phát sáng vi cưng đ đ
 ln => A2: Anode tăng tc.
 Anode Anode 
 tiêu t Tăng tc
 −K
 V R1 R2
07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 6
 3.2.1.otca Cu Cuotca CRT
 H thng cp phin làm lch – Nguyên lí lái chùm tia đin t:
 
 H thng lái tia bao gm 2 cp phin X, Y l
 d
 uur y
  X: cp phin làm lch ngang UY
  Y: cp phin làm lch đng uur
 
 GiacpphinY cóhiuđinthUY và
 L
 đin trưng trong không gian gia cp phin.
 y
 
 Đ lch ca tia đin t do cp phin ph thucuur các yu t :
  Cưng đ đin trưng gia 2 cp phin (đc trưng biUY )
  Thi gian (hay quãng đưngl ) chu tác đng ca đin trưng lái tia.
  Ngoài ra, vn tc ban đu ca chùm tia và khong cách ti màn huỳnh quang cũng
 có nh hưng ti đ lch
 U lL
 
 Quan h biu th đ lch y = Y
 2dU A2
 
 Đ nhy lch tia y/ UY ( mm /) V
 
 Các oscillo thưng có đ nhy khong 0.2 1(mm / V )
07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 7
 3.2.1.otca Cu Cuotca CRT
 Màn huỳnh quang:
 
 Lp phosphorus (cht huỳnh quang) đưc quét mng 1 hoc vài lp
 phía bên trong ng tia đin t.
 
 Khi có chùm đin t bn vào, lp huỳnh quang s phát sáng và ánh
 sáng đưc duy trì trong 1 khong thi gian – đ dư huy ca màn hình.
 
 Tuỳ thuc vào tín hiu cn quan sát đ la chon thit b có đ dư huy
 khác nhau :
  Tín hiu có tn s thp cn màn hình có đ dư huy cao, và ngưc li.
 
 Đ duy huy ca màn hình và tính cht lưu nh trên võng mc ca mt
 ngưi có nh hưng đn vic quan sát tín hiu trên màn hình oscillo.
 
 Màu sc ánh sáng ca màn huỳnh quang có th thay đi.
07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 8
to niđ3.2.2. B topá B..3.22 téuq niđquét pá
 Nguyên lí quét đưng thng:
 
 Đ hin th dng tín hiu bin thiên theo thi gian trên màn Oscillo, ta cn đưa đưa đin
 áp điu khin lên 2 cp phin làm lch:
  ĐinápcatínhiuUth đưalêncpphinY.
  Đinápquét răngcưaUq đưalêncpphinX. Y
 U→ Y
 
 Do tác đng ca đin trưng tác đng th
 trên cp phin X và Y, chùm đin t b tác
 X
 đng theo 2 phương x và y s v lên màn t
 hình oscillo dng tín hiu theo thi gian.
 Tth
 Ví d: đ hin th tín hiu hình sin, tín hiu đưa lên cp phin
 Y cũng là tín hiu sin. Uq → X
 Tín hiu đưa lên cp phin X là xung răng cưa lí tưng. Mt Tq
 chu kì xung răng cưa tương ng vi thi gian kéo chùm tia
 đin t quét ht chiu ngang ca màn hình.
 t
 07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 9
to niđ3.2.2. B topá B..3.22 téuq niđquét pá
 Vn đ đng b:
 
 Đ “n đnh” dng tín hiu cn quan sát trên màn oscillo, chu kì ca đin áp
 quét phi tho mãn quan h Tq= nT th
 
 Nu quan h trên không đưc tho mãn, do đ dư huy ca màn huỳnh quang, 
 s xut hin nhng đưng chng lên nhau trên màn hình – Hin tưng sóng
 chy.
 Câu hi:
  V dng tín hiu quan sát trên màn hình nên chu kì đin áp quét răng cưa
 bng 2 ln chu kì tín hiu sin cn quan sát. Tq= 2 T th
  V dng tín hiu khi Tq=1.5 T th
 07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 10
to niđ3.2.2. B topá B..3.22 téuq niđquét pá
 
 S dng đin áp phóng, np ca t đin đ to ra đin áp xung răng cưa.
 1 t
 
 Đin áp chu kì np ca t đin là hàm tích phân U= idt
 c C ∫0
 
 Đ to ra đin áp quét có dng đưng thng, la chn phn tuyn tính  đu
 chu kì np. 
 Uc
  Chu kì thun – Chu kì np t
 (tương ng vi thi gian v chùm tia trên Oscillo)
 Um
  Chu kì nghch – Chu kì phóng tng
 (thi gian kéo chùm tia v v trí ban đu) t
 t
 th tng
  T
  Chu kì tín hiu quét Tq= tth + t ng tth t ng q
 
 Đin áp quét không đưng thng s gây méo trên màn hình (do tc đ quét
 không đng đu). Đnh lưng s sai khác gia đin áp quét lí tưng và đin
 áp quét thc t => h s không đưng thng
 dU dU  dU dU
 −  −
 dt dt  dt dt
 γ =max min.100% = 2 max min .100%
 dU  dU dU
  +
 dtmean  dtmax dt min
 07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 11
to niđ3.2.2. B topá B..3.22 téuq niđquét pá
 B to dao đng đin áp quét có 2 ch đ làm vic:
 
 Ch đ quét liên tc: Xung răng cưa đin áp quét liên tc theo thi gian. Ch
 đ quét liên tc phù hp vi vic quan sát tín hiu tun hoàn hoc các tín hiu
 xung có h sτ / T ln ( τ là đ rng xung, T là chu kì xung).
 
 Ch đ quét đi: Xung răng cưa đin áp quét đưc to ra khi có tín hiu kích
 đng. Ch đ quét đi phù hp vi vic quan sát tín hiu xung có h s τ / T
 nh.
 
 Mch to dao đng xung: mch BOOTSTAP
 07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 12
B3.2.3. chukh khuch B..3.23 đi ca Oscillo
 
 B khuch đi đin áp ca cp phin Y có tác dng khuch đi mc đin áp
 ca tín hiu đưc hin th.
  Di thông ca b khuch đi ph thuc vào di thông ca tín hiu.
 
 B khuch đi đin áp ca cp phin X: dùng đ khuch đi đin áp quét răng
 cưa. Ngoài ra, b khuch đi X cũng đ khuch đi tín hiu ngoài khi không
 dùng b to quét răng cưa
 07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 13
 3.3. Công dng ca Oscillo
 
 Oscillo dùng đ hin th dng tín hiu. Ngoài ra, nó còn đưc dùng đ:
  Đo lưng thông s đc tính ca tín hiu: đo biên đ, tn s, đ di
 pha
  Đo lưng các thông s đc tính ca mch: đc tuyn tn s, đc
 tuyn VoltAmp
07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 14
oĐ3.3.1. nêib oĐ..3.31đ ac nêibcatín đ uih đin pá tínhiu niđ pá
 
 Đo biên đ đin áp trên Oscillo đưc thc hin bng cách so sánh dao đng
 đ ca đin áp cn đo vi đin áp chun đã bit trưc tr s.
 
 Trong thc t, đ ưc lưng các thông s tín hiu qua dng tín hiu, ta có th
 s dng các khong chia đ (divisions – div) trên màn hình oscillo
  Chn thang đo đin áp (Y) và chn thang đo thi gian (X) bng 2 núm
 điu khin
  Ví d: trên hình v, 1div s tương ng vi 1V đin áp (1 V/div) theo trc
 Y. 1div s tương ng vi 0.2s (0.2s/div) vi trc X.
 07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 15
 3.3.2. Đcs tuyn tn biên s đ tn nêib đ
 
 Đc tuyn biên đ  tn s ca mng là mt trong các thông s cơ bn ca mt mng
 bn cc.
 
 Đc tuyn biên đ  tn s cho bit phn ng ca mch vi tng thành phn tn s
 khác nhau => di tn làm vic ca mch đin.
 Sơ đ nguyên lí:
 
 B to đin áp quét: to ra đin áp xung răng cưa đưa vào cp phin X.
 
 B phát sóng điu tn có tác dng to tín hiu điu hoà hình sin vi tn s đưc điu
 khin bng mc đin áp quét.
 
 Đin áp điu hoà hình sin đưc đưa vào mng bn cc cn nghiên cu, đu ra đưc
 đưa vào mch tách sóng to đin áp điu khin cp phin Y.
 Do đó, đ lch tia theo trc X tương ng
 vi tn s to ra bi b điu ch FM.
 Trên màn Oscillo hin th tín hiu theo
 dng biên đ  tn s.
07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 16
 3.4.to Cu ac uCca to Oscillo nhiu kênh
 
 Khi cn quan sát nhiu tín hiu đng thi, quá trình đo lưng và so sánh s d dàng khi
 thc hin trên cùng 1 oscillo.
 
 Oscillo nhiu kênh cho phép quan sát đng thi nhiu tín hiu.
 
 Đ thc hin oscillo nhiu kênh:
 1. Loi ng CRT đưc ngăn đôi và gm nhiu h thng súng đin t riêng bit. 
 Oscillo nhiu tia. Tuy nhiên, do cu to phc tp và nh hưng qua li ca đin
 trưng gia các cp lái, các oscillo loi này thưng gii hn 2 h thng lái tia => 
 Oscillo hai tia . 
 2. Loi ng CRT có tia đin t đưc phát ra t cùng 1 kathod. H thng súng đin t
 loi này đưc kt hp vi 1 chuyn mch đin t đ điu khin vic lái tia lên màn
 hin th.
07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 17
 3.4.1.to Cu ac uCca to Oscillo 2 kênh
 Sơ đ khi ca Oscillo 2 kênh:
 (a) Súng đin t gm 2 h thng lái tia đc lp
 (b) Súng đin t bao gm h thng lái tia chung
 kt hp vi chuyn mch đin t
07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 18
 3.4.1.togn Cu tai uC niđ to gnđin tai tt ca Oscillotai hai iah tai
 
 Cu to ng tia đin t ca Oscillo 2 tia tương t vi Oscillo 1 kênh. 
 Đim khác bit là 2 súng đin t riêng bit (ngăn đôi ng tia).
 
 Mi chùm đin t đưc bn lên màn hình vi 2 h thng lái tia theo
 trc Y1, Y2 đc lp s v lên màn hin th 2 vt sóng.
 
 Hai tín hiu cn quan sát có cùng di tn.
 Y1
 Y 2
07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 19
 3.4.2.có Oscillo tk olOlscikt cóhp chuyn mch đin tt
 A. Phương pháp chuyn đi luân phiên:
 
 Tín hiu vào Y đưc thay đi luân phiên gia Mô t chuyn đi luân phiên gia 2 kênh
 A và B.
 
 Thi gian chuyn mch là khi tia đin t quét
 ht màn oscillo.
 
 Đ quan sát dng 2 tín hiu trên màn oscillo, 
 mt s yêu cu cn tho mãn:
 1. Hai tín hiu phi đng b pha, và chu kì TA= nT B
 (hoc ngưc li).
 2. Đ dư huy ca màn oscillo phi đ ln đ mt
 có cm giác 2 tia sóng hin đng thi.
07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 20
 3.4.2.có Oscillo tk olOlscikt cóhp chuyn mch đin tt
 B. Phương pháp chuyn mch đin t: Mô t chuyn đi luân phiên gia 2 kênh
 
 Tương t như phương pháp chuyn đi
 luân phiên, tuy nhiên tn s chuyn mch
 cao hơn nhiu.
 
 Phương pháp chuyn mch đin t đưc
 thc hin bng 2 cách:
  Phân đưng theo thi gian
  Phân đưng theo mc
 Ưu nhưc đim:
 
 Phù hp vi tín hiu tn s thp.
 
 Đi vi tín hiu có tn s cao, phương
 pháp chuyn mch đin t s b gii hn. 
 Do đó, phương pháp chuyn đi luân phiên
 phù hp hơn.
07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 21
 3.4.2.có Oscillo tk olOlscikt cóhp chuyn mch đin tt
 Sơ đ khi ca chuyn mch đin t phân đưng theo thi gian
 U1( t )
 ∑
 E1
 U2 ( t )
 ∑ ∑
 E2
 U( t )
 n ∑
 E
 n d
 dt
07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 22
 3.4.2.có Oscillo tk olOlscikt cóhp chuyn mch đin tt
 U
 E3
 E2
 E1
 UCM 3
 UCM 2
 UCM 1
 U
 ∑
 dU CM
 dt
07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 23
 3.4.2.có Oscillo tk olOlscikt cóhp chuyn mch đin tt
 Sơ đ khi ca chuyn mch đin t phân đưng theo mc
 U1( t )
 ∑
 E1
 U2 ( t )
 ∑ ∑
 E2
 U( t )
 n ∑
 En
07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 24
 3.4.2.có Oscillo tk olOlscikt cóhp chuyn mch đin tt
 U
 E3
 E2
 E1
 U Z 3
 U Z 2
 U Z1
 U
 ∑
 U X
07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 25
to3.5.Cu olOlsci toOscillo u..35C quantín sát uihhiu tsá tín siêutn cao oca tn
 Gii hn khi quan sát tín hiu siêu cao tn bng oscillo:
 
 Đi vi nhng tín hiu siêu cao tn (GHz), thi gian bay ca đin t qua cp phin làm
 lch (110ns) tương đương vi chu kì ca tín hiu cn quan sát, tia đin t không b làm
 lch khi qua cp phin làm lch Y.
  Không th gim nh kích thưc ca cp phin làm lch quá gii hn cho phép.
 
 Dao đng đ còn b méo do s lch pha gia 2 đin áp đưa vào cp phin X và Y (do 
 cu to 2 cp phin không cùng nm trên 1 tit din mà đưc đt ln lưt theo th t
 trưc sau).
 
 Dao đng đ còn b méo do đin dung kí sinh ca cp phin làm lch  tn s cao.
 
 Ngoài ra di thông ca khuch đi Y phi rt rng, tn s quét phi rt ln.
 07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 26
to3.5.Cu olOlsci toOscillo u..35C quantín sát uihhiu tsá tín siêutn cao oca tn
 Phương pháp hot nghim:
 
 S dng các oscillo tn s thp đ quan sát tín hiu siêu cao tn.
 
 Nguyên lí: phân tích biên đ  thi gian ca ca tín hiu cn quan sát bng các xung
 hp có đánh du. Vi các xung đánh du này, dng tín hiu đưc v ra không phi là
 đưng cong liên tc, mà là các đim hay các đon ri rc, tương ng vi thi đim có
 tác đng ca xung đánh du.
 τ t
 T
 T
 t
 Dng xung đưc m rng n= T/  t
 t
 07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 27
to3.6.Cu olOlsci tocó hnu..36C olOlscinh có loi tương tt
 
 Trên thc t ngoài vic quan sát đng thi nhiu tín hiu ngưi ta còn 
 mun nh li các thông tin đã xem. Đ thc hin nh:
 
 Dùng k thut tương t: Oscillo có nh loi tương t
 
 Dùng k thut s Oscillo có nh loi s.
 07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 28
to3.6.1.Cu olOlsci tocó .u.3.61C hn olOlscinh có loi tương tt
 
 Oscillo có nh loi tương t có kh năng lưu dao đng trên màn hình.
 
 V cu to, bao gm thêm súng đin t phun tràn, lp phosphorus nh (các phn t
 nh có đ cách đin cao), lp màng kim loi.
 
 Hiu ng nh đưc duy trì bng vic đưa các đin t t súng phun tràn xuyên qua các 
 phn t nh đang phát sáng (có đin áp dương hơn) v màng kim loi (đin áp dương).
 
 Hiu ng nh đưc xóa khi đưa đin th âm vào màng kim loi.
 07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 29
 3.6.2.có Oscillo hn olOlscinhs có loi iol s
 
 V cu to hoàn toàn tương t như Oscillo 1 kênh nhưng có thêm 
 khi ADC, DAC, b nh ghép xen vào gia khi lch đng đ thc 
 hin nh thông tin
 H×nh 340
07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 30
 3.7. Oscillos đin t s niđ t
 
 Đ m rng di tn đng thi t đng hoá cho quá trình đo trên thc 
 t khi điu khin thưng đưc cu to là P
07/10/2008 Trưng ĐH Bách Khoa Hà Ni Slice 31