Điện điện tử - Chương 9: Dao động ký

Chương 9: Dao động ký 9.1.Ống phóng điện tử. 9.2.Các khối chức năng trong dao động ký. 9.3.Trình bày tín hiệu trên màn ảnh dao động ký. 9.4.Dao động ký hai kênh. 9.5.Thanh đo của dao động ký. 9.6.Bộ tạo trể. 9.7.Ứng dụng của dao động ký. 9.8.Đặc tính tổng quát của dao động ký số. 9.9.Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động dao động ký số. 9.10.Các phương pháp lấy mẫu. 9.11.Dao động ký số nhiều kênh. 9.12.Chức năng của sự kích. 9.13.Chức năng tính toán. 9.14.So sánh dao động ký analog và số. 9.1.Ống phóng điện tử 9.1.1.Các bộ phận của CRT: Có cấu tạo như hình trên. Độ lệch tia d = VLl/2DVA1; V: Điện áp giữa 2 bản cực; L: Chiều dài của bản cực; l: Khoảng cách từ bản cực đến mà ảnh huỳnh quang; D: Khoảng cách giữa hai bản cực; VA1:Điện áp bản cực gia tốc. Độ nhạy độ lệch S(V/cm) = V/d = 2DVA1/lL 9.1.2.Sự phân cực cho đèn CRT 9.2.Các khối chức năng trong dao động ký 9.2.1.Tổng quát: Các khối chức năng trong dao động ký gồm có như hình trên. 9.2.2.Khối khuếch đại quét dọc Hình 9.6.Sơ đồ khối khối khuếch đại quét dọc. H.9.7.Mạch phân tầm đo và mạch tiền khuếch đại dọc Q2 9.2.3.Khối khuếch đại quét ngang • Khối khuếch đại quét ngang giống như khối khuếch đại quét dọc. Nếu S2 ở vị trí EXT,tín hiệu quét ngang được đưa từ ngoài vào. Nếu S2 ở vị trí INT thì tín hiệu răng cưa từ mạch tạo tín hiệu quét răng cưa được đưa vào. Tiền 9.3.Trình bày tín hiệu trên màn ảnh • 9.3.1.Sự phối hợp tín hiệu y = f(t) và x = Kt. • Tín hiệu quan sát đưa vào ngõ quét dọc, tín hiệu răng cưa đưa vào ngõ quét ngang. Tín hiệu răng cưa được gọi là tín hiệu thời chuẩn, cạnh lên của tín hiệu quét ngang là đường thẳng x = Kt. • Giả sử tín hiệu vào có dạng sin: y = Asinωt, khi đó tín hiệu được biểu diễn trên màn ảnh: y = Asinω(x/K). Như vậy sự phối hợp 2 tín hiệu quét dọc và quét ngang sẽ cho tín hiệu sin biểu diễn trên màn ảnh. 9.3.2.Sự đồng bộ giữa quét dọc và quét ngang Sơ đồ khối mạch quét tín hiệu răng cưa có điều khiển Khiển Mạch tạo tín hiệu răng cưa và dạng sóng 9.4.Dao động ký 2 kênh 9.4.1.Đèn CRT: Có 2 loại : loại 1 tia quét (giống dao động ký 1 kênh) và loại 2 tia quét, loại 2 tia quét gồm có 2 loại: loại 2 ống phóng điện tử riêng biệt và loại 1 ống phóng điện tử. 9.4.2.Sơ đồ khối dao động ký 2 kênh 9.4.3.Chế độ quét dao động ký • Có 2 chế độ quét: quét luân phiên (alternate mode) như hình và quét xen kẻ (chop mode). Chọn chế độ quét luân phiên khi tín hiệu quan sát tần số cao. Ở chế độ quét xen kẻ, trong 1 chu kỳ của tín hiệu răng cưa sẽ được chia thành những khoảng thời gian nhỏ t1, t2, t3, t4 v.v.. Tín hiệu kênh A sẽ quét trong những khoảng thời gian mang số lẽ t1, t3, t5còn tín hiệu kênh B sẽ quét trong những khoảng thời gian mang số chẳn. Ta chọn chế độ quét xen kẻ khi tín hiệu quan sát có tần số thấp sẽ thấy hình ảnh tín hiệu lên tục. 9.5.Thanh đo của dao động ký • Có 2 loại thanh đo: thanh đo không giảm áp và thanh đo có giảm áp 10:1. • Thanh đo không có giảm áp (như hình trên): Đóng vai trò đơn thuần là dây dẫn để đưa tín hiệu cần quan sát vào ngõ nhập dọc của dao động ký, biên độ tín hiệu không bị giảm khi đến ngõ nhập dọc. Vs Thanh đo giảm áp 10:1(k=10) • Mạch tương đương như hình trên, có thể sử dụng tụ Cs hoặc không, khi không sử dụng Cs thì tụ C1 thay đổi được. Tín hiệu đến ngõ vào quét dọc giảm đi 10 lần và không phụ thuộc vào tần số tín hiệu, điều này đòi hỏi phải có điều kiện: R1= Ri (k-1) và C1 = C2 /(k-1) Suy ra: C1R1 = C2Ri ; (C2 = Cc+Cs+Ci) 9.6.Bộ tạo trể • Thời gian trể của 1 bộ : • Thời gian trể của n bộ : T = nt. • Điện trở tải:  )(),(;)( FCHLLCst  CLR / 9.7.Ứng dụng của dao động ký • 9.7.1.Đo biên độ và chu kỳ: • Đo biên độ: Phụ thuộc vào nút phân tầm đo (volt/div). Tín hiệu A: VA = (4,5 div) x 100mV = 450mV (p-p). Tín hiệu B : VB = (2 div) x 100 mV = 200mV (p-p). • Đo chu kỳ: Phụ thuộc nút chu kỳ tín hiệu răng cưa (msec/div). Tín hiệu A: 2TA= 8,8divx0,5msec/div = 4,4msec nên TA = 2,2msec Tín hiệu B: 6TB= 8,8divx0,5msec/div = 4,4msec nên TB=0,73msec 9.7.2.Đo sự lệch pha giữa 2 tín hiệu • Tín hiệu A và B có sự lệch pha theo trục thời gian: ∆t/T = 1,4div/8div = 0,7/4 mà T = 2π radian = 3600 suy ra góc lệch pha α tương ứng với ∆t : α = (∆t /T)3600 = 3600x(0,7/4) = 630 9.7.3.Dùng hình Lissajous để đo góc lệch pha 2 tín hiệu, đo tần số tín hiệu • Đo góc lệch pha 2 tín hiệu sin: Tín hiệu A đưa vào quét dọc, tín hiệu B đưa vào quét ngang. • A, B cùng pha Lissajous là đường thẳng (h.6.24c). • A, B trái pha là đường thẳng (h.6.24d). • A, B lệch pha 900 là đường tròn (h.6.24e). • A, B lệch pha bất kỳ là hình ê-líp (h.6.24f,g), sinα = 2B/2A = y0/ymax • Đo tần số tín hiệu: Tín hiệu tần số fx đưa vào quét dọc, tín hiệu mẫu fm đưa vào quét ngang. Dựa trên đường cong Lissajous ta tính được fx: • fx/fm = số đỉnh dương/số đỉnh bên cạnh phải H.9.24:Hình Lissajous để đo góc lệch pha và tần số tín hiệu 9.8.Đặc tính tổng quát của dao động ký số • 1.Thu nhận tín hiệu trước khi có xung kích: Dao động ký số khác với dao động ký analog ở chỗ nó có khả năng ghi lại tín hiệu cần quan sát trước khi có tín hiệu xung kích. Nó tiếp tục lưu giữ tín hiệu cho đến khi có tín hiệu xung kích xuất hiện đồng thời tiếp tục ghi lại tín hiệu khi có xung kích và chỉ dừng lại khi đã đạt được số mẫu định trước. • 2.Quan sát tín hiệu quá độ: Dao động ký số có khả năng thu nhận tín hiệu quá độ chỉ xuất hiện một lần. 3.Dung lượng bộ nhớ lớn: Dao động ký số lưu giữ ở bộ nhớ những dữ liệu của tín hiệu quan sát được theo cách thức tuần tự. Như vậy với dung lượng bộ nhớ lớn , dữ liệu sẽ được ghi lại trong thời gian dài. 4.Bộ phận tính toán: Dữ liệu được lưu giữ dưới dạng số trong bộ nhớ cần phải được hồi phục lại dưới dạng analog để trình bày kết quả trên màn hình. Công việc này đòi hỏi phải có bộ phận tính toán để thực hiện nhiều phép tính mà trong dao động ký analog không có. 5.Xuất số liệu tín hiệu quan sát: Các số liệu dưới dạng số của tín hiệu quan sát có thể được xuất ra ngoài qua phần giao tiếp kết nối với máy tính hoặc các bộ vi xử lý bên ngoài trong hệ thống đo lường tự động hóa. 9.9.Các khối chính và nguyên lý hoạt động • Tín hiệu quan sát (1) được đưa vào khối phân tầm đo và khuếch đại (2). Sau đó được đưa vào khối lấy mẫu (3), tín hiệu lấy mẫu được đưa vào khối biến đổi A/D (4). Tốc độ lấy mẫu được xác định bởi số mẫu trong 1 giây. Sự lấy mẫu được định thời gian nhờ xung clock có chu kỳ rất ổn định. Tín hiệu số từ khối (4) được đưa vào lưu giữ tại các địa chỉ đã được định trước trong bộ nhớ (5). Số địa chỉ được xác định bởi xung đếm ở ngõ ra của bộ đếm vòng (ring counter) thuộc khối (9). • Xung clock và xung đếm được điều khiển bởi xung kích thích từ khối kích thích (7) khi có tín hiệu vào kích (6). • Để hiển thị tín hiệu và các trị số cần thiết của tín hiệu (như trị hiệu dụng, trị đỉnh, tần số, thời gian lên, thời gian xuống) trên màn hình (12) của dao động ký, tín hiệu số phải được biến đổi sang dạng analog nhờ bộ biến đổi D/A (11). • Khối tính toán (10) sẽ thực hiện các hàm biến đổi (như biến đổi Fourier nhanh), các phương pháp tính cho tín hiệu số, sau đó xuất tín hiệu này sang khối D/A. 9.10.Các phương pháp lấy mẫu • Có 2 phương pháp lấy mẫu: Lấy mẫu theo thời gian thực và lấy mẫu theo thời gian tương đương. Mỗi phương pháp có tần số băng thông khác nhau. • 1.Lấy mẫu theo thời gian thực: Dùng cho tín hiệu chỉ xuất hiện 1 lần như nhiễu , tín hiệu quá độ • Cách lấy mẫu như hình trên. Tín hiệu được lấy mẫu ở tần số không thay đổi, kết quả lấy mẫu được chuyển thành tín hiệu số lưu vào bộ nhớ, sau đó được tái tạo lại dạng tín hiệu thành từng điểm trên màn ảnh (dot display). 2.Lấy mẫu theo thời gian tương đương • Phương pháp này có 2 cách lấy mẫu: Lấy mẫu tuần tự như hình trên và lấy mẫu bất kỳ. • -Trong cách lấy mẫu tuần tự, từng mẫu được lấy theo thứ tự1 cách tuần tự , chúng được lưu giữ vào bộ nhớ trên cơ sở điểm kích. Sau đó được tái tạo lại dạng tín hiệu trên màn ảnh dao động ký nhờ bộ vi xử lý. Cách thức này cho tín hiệu trên màn ảnh có dạng tương đương, cho phép thực hiện những tín hiệu quan sát có tần số cao hơn tần số lấy mẫu. Lấy mẫu ngẫu nhiên • Hình trên cho thấy sự khác biệt giữa lấy mẫu tuần tự và lấy mẫu ngẫu nhiên. Các tín hiệu lấy mẫu bất kỳ sẽ được sắp xếp lại trên cơ sở tín hiệu kích tương ứng được xem là điểm chuẩn. Cách thức này cho tốc độ hiển thị tín hiệu trên màn ảnh cao hơn. 3.Tần số lấy mẫu • Canh đồ thị:Chất lượng dạng sóng tín hiệu quan sát được trình bày trên màn ảnh phụ thuộc vào số mẫu (dot) trong một chu kỳ của tín hiệu. Ví dụ: tín hiệu sin được quan sát có f = 500khz; tần số lấy mẫu fs = 50Mhz thì số mẫu trong một chu kỳ tín hiệu là: fs /f = 50Mhz/500khz = 100. Khi tỉ số này giảm xuống thấp thì chất lượng dạng sóng quan sát trên màn ảnh xấu đi, nghĩa là có sự sai lệch dạng sóng được tái tạo và dạng sóng tín hiệu ban đầu. Điều này có thể dẩn đến sự sai lệch tần số giữa 2 dạng sóng mà ta gọi là hiện tượng canh đồ thị như hình trên. • -Tần số Nyquist: Cho nên trong ph.ph.lấy mẫu theo thời gian thực không được phép lấy mẫu để xãy ra canh đồ thị. Theo lý thuyết lấy mẫu, để tín hiệu gốc được tái tạo chính xác từ những điểm lấy mẫu thì tần số lấy mẫu fs phải thỏa: fs > 2fmax ; fmax :tần số cao nhất của tín hiệu analog; fs /2 gọi là tần số Nyquist. • Trong dao động ký số ngoài sóng quan sát trên màn hình dạng điểm, người ta còn tạo dạng sóng bằng cách nối các điểm lại với nhau bằng đoạn thẳng, hoặc tạo dạng sóng bằng cách nối các điểm bằng đường cong dạng sin. • Băng thông lưu trử hiệu dụng (USB). Đó chính là giới hạn trên của tần số tín hiệu analog f để cho dạng sóng quan sát trên màn ảnh có chất lượng tốt. Nó phụ thuộc vào dạng sóng quan sát (dạng điểm, dạng nối thẳng , dạng nối sin), phụ thuộc vào tần số lấy mẫu như hình trên và được tính như sau. • Dạng điểm: USB = fs /25 ; Dạng nối thẳng: USB = fs /10; Dạng nối sin: USB = fs /2,5 . • Lưu ý cách tính USB ở trên áp dụng cho cách lấy mẫu trong thời gian thực. • Ví dụ dùng dao động ký hiệu YOKOGAWA có tốc độ lấy mẫu 200 Msample/s để quan sát các tín hiệu sin có tần số: 8Mhz, 20Mhz, 80Mhz,100Mhz.Ta có kết quả như hình trên. Nhận xét: • Dạng nối sin có băng thông rộng nhất, thích hợp cho tín hiệu dạng sin nhưng ở tần số 100Mhz biên độ bị giảm. • Dạng nối đường thẳng thích hợp cho tín hiệu dạng xung. Thời gian lên hiệu dụng của tín hiệu xung (Utr ) • Khi quan sát tín hiệu xung, độ chính xác của sự trình bày cạnh lên của tín hiệu xung rất quan trọng. Giới hạn trên của thời gian lên được quan sát trên màn ảnh được gọi là thời gian lên hiệu dụng. Ví dụ: với dạng sóng của tín hiệu xung trên màn ảnh có chất lượng với số mẫu trong khoảng tr là 10; tần số lấy mẫu là 50Mhz thì thời gian lên tr (min) = 10/50Mhz = 200ns. Với tín hiệu xung trình bày trên màn ảnh như hình trên thì : • Utr = tr (max) = 0,8x2(khoảng cách mẫu) = 1,6/50Mhz = 32ns. x2 9.11.Dao động ký số nhiều kênh • Hình: Sơ đồ khối dao động ký số 4 kênh 1.Tốc độ lấy mẫu trong dao động ký nhiều kênh H. Cách thức lấy mẫu theo sự phân chia thời gian cho từng kênh Tốc độ lấy mẫu đồng thời cho 4 kênh là 25 Msample/s. Nếu dùng 2 kênh thì tốc độ lấy mẫu là 50 Msample/s và dùng 1 kênh duy nhất thì được 100 Msample/s. 2.Dung lượng bộ nhớ • Khi dao động ký có 2 kênh, mỗi kênh có dung lượng bộ nhớ 64k word, nếu sử dụng chỉ 1 kênh thì dung lượng bộ nhớ cho phần xử lý tín hiệu là 128k word. Thường các dao động ký số phải thu nhập được số liệu của những tín hiệu chỉ xuất hiện 1 lần trong suốt thời gian dài nên phải có sự quan hệ giữa các đại lượng: băng thông, thời gian thu nhận tín hiệu và dung lượng bộ nhớ như hình trên. Ưu điểm bộ nhớ lớn là dẩn đến khả năng ghi nhận toàn bộ tín hiệu cần đo và khảo sát. 9.12.Chức năng của sự kích 1.Mức kích: Xung kích sẽ được định trước dùng cạnh lên hoặc cạnh xuống của xung. Xung kích sẽ xuất hiện khi tín hiệu quan sát đi qua mức kích đã được định trước. 2.Nhiều cổng kích: Với nhiều cổng kích, người dùng sẽ xác định nhóm cổng kích nào có tác dụng tại mức kích được định trước phù hợp với tín hiệu quan sát trước khi kích. • -Với cách thức kích thông thường, tại mức kích định trước xung kích hoạt động cho cả tín hiệu khảo sát và tín hiệu không mong muốn, tạo sự sai lệch tín hiệu quan sát trên màn ảnh. • -Sự kích bằng nhiều cổng đưa đến sự ngăn cách tín hiệu muốn quan sát với các tín hiệu không cần quan sát. 3.Sự kích song hành • Ví dụ với hình trên , với sự kích song hành, chúng ta có thể cho mức kích có điều kiện ở mức cao hoặc thấp từ kênh 1 đến kênh 4 (trường hợp dao động ký 4 kênh). Cách thức kích này cho chúng ta kiểm soát bất kỳ việc khởi đầu nào của xung kích tại mức của tín hiệu mẫu quan sát. 4.Sự kích nối tiếp: Người ta còn dùng biện pháp kích thích nối tiếp tín hiệu dạng số. Sự kích nối tiếp đối với tín hiệu mẫu hoạt động trên cơ sở lấy mẫu dữ liệu của tín hiệu ở một kênh dưới sự kiểm soát của xung chuẩn trên kênh khác và so sánh những trị số bít dữ liệu tín hiệu đã được lấy mẫu với tám bít tín hiệu mẫu được cài đặt trước. Sự kích xuất phát ở ngay xung chuẩn được truyền đi sau khi chuổi bít được lấy mẫu điều hợp với tín hiệu mẫu được cài đặt. 5.Sự kích của nhiễu tạp âm: Đối với mạch số tín hiệu nhiễu dễ gây ra sự hoạt động sai cho mạch. Cho nên trong dao động ký số cần có mạch kích loại bỏ xung tín hiệu tạp âm nhiễu có bề rộng xung nhỏ đến 5ns. 9.13.Chức năng tính toán: Trong dao động ký số ngoài nhiệm vụ thông thường của dao động ký, nó còn thêm chức năng tính toán các phép toán thông thường bằng xử lý tín hiệu số (DSP). 9.14.So sánh dao động ký analog và số: 1.Dao động ký analog: a.Ưu điểm: Giá thành thấp. Nguyên lý hoạt động không phức tạp. Điều khiển sự truy xuất tín hiệu trực tiếp.Tín hiệu trình bày trên màn ảnh đáp ứng với tần số tín hiệu khảo sát. b.Khuyết điểm: Tín hiệu chỉ xuất hiện khi có xung kích (thời gian dương). Các kênh không thu nhận tín hiệu đồng thời (dao động ký nhiều kênh). Không lưu giữ tín hiệu quá độ chỉ xuất hiện 1 lần, phải có đèn CRT đặc biệt mới lưu giữ được tín hiệu. 2.Dao động ký số: a.Ưu điểm: Tín hiệu được thu nhận vào trước khi có tín hiệu xung kích. Thu nhận tín hiệu đồng thời cùng 1 thời điểm cho các kênh (dao động ký nhiều kênh). Nhờ có bộ nhớ nên có thể thu nhận tín hiệu chỉ xuất hiện 1 lần. Tiện lợi cho việc định chuẩn tín hiệu nhờ khối tính toán. Có ngõ vào ra (I/O) để giao tiếp với máy tính. Khảo sát được tín hiệu tần số cao nhờ phương pháp lấy mẫu tương đương. b.Khuyết điểm: Giá thành cao. Chất lượng dạng sóng hiển thị trên màn ảnh phụ thuộc vào tốc độ lấy mẫu.