Bài giảng Cơ sở kĩ thuật đo lường điện tử: Chương 3 - TS. Phạm Hải Đăng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:31

Thêm vào BST

Báo xấu

48
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Chương 3 - Quan sát và đo lường dạng tín hiệu. Nội dung chính trong chương này gồm có: Các khái niệm chung, cấu tạo Oscillo, công dụng của Oscillo, Oscillo nhiều kênh, Oscillo quan sát tín hiệu siêu cao tần, Oscillo điện tử số. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Cơ sở kĩ thuật đo lường điện tử: Chương 3 - TS. Phạm Hải Đăng

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 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 1 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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 u = f (t ) 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. 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 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 2 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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 http://en.wikipedia.org/wiki/Oscilloscope#History tính, CPU, RAM, I/OT để lưu trữ và hiển thị dạng sóng. 07/10/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 3 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
3.1. Khái niệm chung Sơ đồ nguyên lí của Oscillo tương tự (CRT) 07/10/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 4 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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. Y X Lớp K M A1 A2 phosphorus F − KV R1 Lớp than chì R2 dẫn điện 07/10/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 5 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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. Điện áp (hiệu điện thế giữa 2 anode A1 M A1 A2 K uuuur uuur và A2) được chọn có giá trị đủ lớn để chùm U1M U 21 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. Anode Anode tiêu tụ Tăng tốc − KV R1 R2 07/10/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 6 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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 l d uur X: cặp phiến làm lệch ngang UY y Y: cặp phiến làm lệch đứng uur Giữa cặp phiến Y có hiệu điện thế U Y và L điện trường trong không gian giữa cặp phiến. Độ lệch của tia điện tử y do cặp phiến phụ thuộc các yếu tố: uur Cường độ điện trường giữa 2 cặp phiến (đặc trưng bởi U Y ) Thời gian (hay quãng đường l ) 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 U Y lL Quan hệ biểu thị độ lệch y = 2dU A 2 Độ nhạy lệch tia y / U Y (mm / V ) Các oscillo thường có độ nhạy khoảng 0.2 1(mm / V ) 07/10/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 7 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 8 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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 U th đưa lên cặp phiến Y. Điện áp quét răng cưa U q đưa lên cặp phiến X. Y U th → Y Do tác động của điện trường tác động trên cặp phiến X và Y, chùm điện tử bị tác X động theo 2 phương x và y sẽ vẽ lên màn t hình oscillo dạng tín hiệu theo thời gian. Tth Ví dụ: để hiển thị tín hiệu hình sin, tín hiệu đưa lên cặp phiến Y cũng là tín hiệu sin. Uq → X Tín hiệu đưa lên cặp phiến X là xung răng cưa lí tưởng. Một Tq chu kì xung răng cưa tương ứng với thời gian kéo chùm tia điện tử quét hết chiều ngang của màn hình. t 07/10/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 9 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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 Tq = nTth 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. 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. Tq = 2Tth - Vẽ dạng tín hiệu khi Tq = 1.5Tth 07/10/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 10 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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. 1 t Điện áp chu kì nạp của tụ điện là hàm tích phân U c = ∫ idt C 0 Để tạo ra điện áp quét có dạng đường thẳng, lựa chọn phần tuyến tính ở đầu chu kì nạp. Uc Chu kì thuận – Chu kì nạp tụ (tương ứng với thời gian vẽ chùm tia trên Oscillo) Um Chu kì nghịch – Chu kì phóng tng (thời gian kéo chùm tia về vị trí ban đầu) tth t tng Chu kì tín hiệu quét Tq = tth + tng tth tng Tq 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  dU   dU   dU   dU    −     −    dt max  dt min  dt max  dt min γ= .100% = 2 .100%  dU   dU   dU      +   dt mean  dt max  dt min 07/10/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 11 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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 τ / T lớn ( τ là độ rộng xung, T 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 τ / T nhỏ. Mạch tạo dao động xung: mạch BOOTSTAP 07/10/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 12 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 13 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 14 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 15 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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. 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. 07/10/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 16 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 17 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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 (b) Súng điện tử bao gồm hệ thống lái tia chung kết hợp với chuyển mạch điện tử 07/10/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 18 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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. Y1 Y2 07/10/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 19 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt
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 Mô tả chuyển đổi luân phiên giữa 2 kênh 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 TA = nTB (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 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 20 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt