Nguyên lý sơ đồ cấu trúc & các chế độ làm việc của máy hiện sóng

Mở đầu
Trong sự phát triển của khoa học và công nghệ, đo lờng có tầm uan trọng đặc
biệt. Máy hiện sóng là phơng tiện đo lờng 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 phơng tiện
không thể thiếu đợc để quan sát và theo dõi các quá trình công nghệ đó.
Dới sự hớng 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 nh sau.
CHƯƠNG I
1
nghiên cứu nguyên ly máy hiện sóng điện tử
1.1.Khái niệm chung.
Máy hiện sóng là phơng tiện đo lờng 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 thờng
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 đợc 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 đợc sử dụng rất rộng
rãi. Nó đợc dùng nh một phơng 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 đợc dùng
chủ yếu để quan sát tín hiệu, đo các tham số của tín hiệu nh điện áp, tần số, pha, độ
méo, độ sâu điều chế vv.
Máy hiện sóng đợc 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 đợc
sử dụng. Hiện nay ngời ta chủ yếu là sử dụng máy hiện sóng điện tử.
Máy hiện sóng điện tử đợc phân loại theo nhiều cách khac nhau. Tuỳ theo số lợng
tia điện tử ngời ta phân biệt máy hiện sóng một tia, máy hiện sóng 2 tia và máy hiện
sóng nhiều tia. Tuỳ theo độ lu ảnh trên màn huỳnh quang ngời ta phân biệt máy hiện

sóng không lu ảnh ( với thời gian lu ảnh nhỏ hơn 0,1 giây) và máy hiện sóng lu ảnh
( vơid thời gian lu ảnh từ 0,1 giây trở lên). Tuỳ theo chức năng ngời 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 trờng điều khiển tia
điện tử phân biệt máy hiện sóng điều khiển bằng điện trờng hay máy hiện sóng điều
khiển bằng từ trờng.
Việc điều khiển bằng từ trờng có nhợc điểm là công xuất tiêu thụ lớn, gây nhiễu
và chịu ảnh hởng của nhiễu, kết cấu cồng kềnh nên ngày nay hầu hết không đợc sử
dụng.
2
Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật số trong những năm gần đây ngời 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 ngợc 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 tr-
ờng 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 đợc mô
tả nh hình vẽ dới 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, lới 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,
Dới tác dụng của điện thế dơng 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 trờng giữa lới L và anốt A1 và điện trờng giữa anốt A1 và anốt A2 các điện tử
này đợc hội tụ lại thành một tia mảnh. Các điện trờng nói trên đóng vai trò nh một
3
thấu kính điện tử để hội tụ tia điện tử. Trong đó vai trò của điện trờng giữa anốt A1
và A2 là quan trọng hơn cả. Vì vậy ngời 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 đợc ảnh
hởng của điện thế A2 tới trờng điều khiển của hệ thống làm lệch. Núm chiết áp R2 đ-
ợc đa 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 đợc 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 đợc gọi là anốt
tốc độ. Tuy nhiên việc thay đổi điện thế trên anốt A2 làm ảnh hởng 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, nhng điều đó ngoài ảnh hởng tới độ
nhạy của ống tia điện tử, còn ảnh hởng rất lớn tới độ hội tụ nữa. Do vậy thông thờng
ngời ta điều chỉnh độ sáng của hình ảnh bằng thay đổi mật độ chùm tia điện tử nhờ
thay đổi điện thế trên lới điều chế L. Vì lới điều chế L ở ngay sát katốt K, nên chỉ cần
đến sự thay đổi rất nhỏ điện thế âm (thờng 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 lới điều chế L đợc thay
đổi nhờ chiết áp R1, chiết áp này đợc đa ra mặt máy với ký hiệu là Độ sáng .
Nh vậy nhờ súng điện tử đã tạo ra đợc 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 đợc mật độ điện tử trong chùm tia nên có thể điều chỉnh
đợc 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 lợt trớc sau và
vuông góc với nhau bao quanh trục ống . Một cặp theo phơng thẳng góc gọi là cặp
phiến làm lệch Y, một cặp theo phơng nằm ngang gọi là căp phiến làm lệch X (nh
hinh 1.1). Hai cặp phiến lệch đứng và lệch ngang nhau tạo ra hai trờng tĩnh điện điều
khiển tia điện tử theo trục đứng và trục ngang.
4
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 trờng. Khi điện tử đi qua giữa 2
phiến, di bị tác dụng của điện trờng 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 cờng độ điện trờng và thời gian bay của điện tử qua khoảng không
gian giữa 2 phiến . Vì tác dụng của hai cặp phiến làm lệch là nh nhau nên ta xét một
cặp phiến Y làm ví dụ . Điện áp điều khiển đặt lên cặp phiến lệch đứng là U
y
. Điện
áp U
y
gây ra một điện trờng trong cặp phiến Y .Cờng độ điện trờng càng lớn , cũng
nh 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.
Cờng độ điện trờng tỉ lệ với điện áp điều khiển U
y
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 L
y
là khoảng
cách từ điểm giữa của phiến lệch đến màn . Do vậy độ lệch theo trục đứng Y của tia

điện từ dới tác dụng của điện áp điều khiển U
y
trên phiến làm lệch đứng xác định
theo công thức sau:
Y=
2
2
Ay
yyy
Ud
LIU
(2.1)
ở đây Y là độ lệch của điểm sáng trên màn theo trục Y đợc tính ra mm.L
y
là
chiều dài của phiến tính ra mm, d
y
là khoảng cách giữa 2 phiến làm lệch tính ra mm,
U
A2
là điện áp trên anốt 2, L
y
là khoảng cách từ điểm giữa của phiến lệch đến màn.
Từ (2.1) xác định đợc độ nhạy của ống tia điện tử nh sau:
5
S
oy
=
2
2

Ay
yy
y
Ud
LI
U
Y
=
(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 tơng tự:
S
ox
=
2
2
AX
XX
X
Ud
LI
U
X
=
(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 thờng độ nhạy
của ống tia điện tử nhỏ hơn 0,1 mm/v. Để đảm bảo độ nhạy cần thiết thì điện áp U
A2
không đợc chọn lớn . Nhng nh vậy động năng của điển tử không đảm bảo làm phát

sáng màn. Để khắc phục tình trạng này, ngời ta đa thêm một anốt A
3
nữa vào phía
sau của hai cặp phiến lệch và gần sát với màn M.Điện áp của anốt này khá cao (thờng
từ 10+20 kv). Anốt này thực chất là một lớp than chì dẫn điện đợc quét lên bề mặt
trong xung quanh thành ống tia điện tử gần màn huỳnh quang . Nhờ điện trờng của
Anốt A3 điện tử đợc gia tốc thêm sau khi qua trờng làm lệch mà không ảnh hởng 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 đợc phủ lên lớp đáy của đèn . Mầu sắc và độ lu 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 trớc khi đa 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 thờng 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.
6
Khái niệm độ nhạy của máy hiện sóng đợc định nghĩa là độ dịch chuyển của
điểm sáng trên màn dới tác dụng của một đơn vị điện áp đa đến đầu của máy . Độ
nhạy của máy hiện sóng đợc ký hiệu là S
y
và S
x
tơng ứng với hai trục toạ độ XOY:
S
y

= K
y
S
oy,

S
X
= K
X
S
OX,
(2.4)
Với K
y
và K
X
là hệ số khuếch đại tuyến đứng (Y) và tuyến lệch ngang (X).Nh
vậy nếu U
y
và U
x
là các điện áp đa tới đầu vào của máy hiện sóng thì dịch chuyển
theo hai trục đứng và ngang sẽ là :
Y=S
y
U
y,

X=S
X

U
X,
(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 U
x
. 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 U
y
.
1.2.2. nguyên lý quét trong máy hiện sóng
A.Nguyên lý tạo ảnh trên màn máy hiện sóng
Muốn tạo đợc ảnh trên màn của máy hiện sóng chúng ta phải thực hiện một
nguyên lý không thể thiếu đợc 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 đa vào đèn ống tia điện
tử 2 điện áp điều khiển U
y
và U
x
.
Điện trờng 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 trờng hợp tổng quát các điện áp U
x
và U
y
có thể có dạng bất kỳ . Khi đó
hình ảnh nhận đợc trên màn huỳnh quang cũng có dạng bất kỳ .
Tuy nhiên chúng ta xét một trờng hợp đặc biệt , nhng lại rấtphù hợp với thực tế
và rất hay sử dụng đó là điện áp điều khiển đặt lên phiến X, điện áp U

x
không phải là
điện áp bất kỳ mà có dạng tuyến tính theo thời gian.
U
x
= a . t (2.6)
Điện áp điều khiển U
x
trong trờng 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
y
U
)
7
ta đa vào phiến làm lệch y. Ta xét trờng hợp điển hình là điện áp cần quan sát là điện
áp hình sin dạng:
y
U
= U
m
sin t, (2.7)
Từ (2.5);(2.6);(2.7) ta có :
Y =
y
S
U
m
sin t,
X =
y

S
.a.t, (2.8)
Hệ phơng trình (4.8) dễ dàng đa về dạng chính tắc:
Y = Y
m
sin X, (2.9)
Với Y
m
= S
y
U
m
và =
aS
X
.

Phơng trình (2.9)chính là phơng trình chuyển động của điểm sáng trên màncủa
máy hiện sóng theo hệ trục YOX. Đờng cong (2.9) có dạng trùng với dạng tín hiệu
U
y
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 phơng pháp điều khiển chuyển động của điểm sáng
trên màn dới tác động của điện áp điều khiển
y
U
và
x
U

(xem hình 4.3)
Dựa vào công thức (2.5) có thể vẽ đợc 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 t thì điện áp U
x
điểm sáng chuyển dịch theo X và
lệch ra ngoài màn. Nhng 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 nh vậy gọi là quét và điện áp U
x
gọi là điện
áp quét.
8
Hình 1.3
Điện áp quét có dạng nh hình1.4a gọi là điện áp quét răng ca và là điện áp quét
lý tởng , nghĩa là sau khi đạt giá trị cực đại U
m
(tơng ứng với X
m
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 U
x
cần có một thời gian

hữu hạn
nq
T
nào đó gọi là thời gian quét ngợc. Nh vậy chu kỳ quét sẽ bằng tổng thời
gian thuận và thời gian quét ngợc:
Hình 1.4
9
T
q
= T
th
+
nq
T
Do tồn tại thời gian quét ngợc nên điểm sáng chuyển ngợc từ phải qua trái màn
vẽ nên một đờng mở không cần thiết nh hình 1.5 .
Để loại trừ hiện tợng này , cần phải làm sao cho tỷ số T
th
/
nq
T
càng lớn càng tốt
. Tuy nhiên dù thế nào đi nữa cũng vẫn ảnh hởng tới chất lợng của ảnh , do đó ngời ta
áp dụng một phơng pháp để khử hoàn toàn ảnh hởng của
nq
T
là tạo ra một xung âm
trong thời gian
nq
T

để đa vào lới điều chế L của ống tia điện tử (xem hình 1.4c).

Hình 1.5
Cũng cần lu ý một điều là , nếu điện áp quét do một nguyên nhân nào đó
không hoàn toàn tuyến tính hình ảnh nhận đợc của tín hiệu hình sin cần quan sát trên
màn của máy hiện sóng sẽ bị méo dạng.
Nh vậy chúng ta thấy rằng muốn quan sát đợc dạng tín hiệu ta phải đa tín hiệu
đó vào phiến làm lệch Y còn phiến làm lệch X đa vào một điện áp hình răng ca, điện
áp đó gọi là điện áp quét (U
q
=U
x
).
B.các chế độ quét trong máy hiện sóng
Trong trờng hợp vừa xét, vì điện áp có dạng đờng thẳng nên gọi là quét đờng
thẳng . Trong trờng hợp chung điện áp có thể có dạng bất kỳ U
x
= y (t) khi đó hình
ảnh nhận đợc gọi chung là hình litxazu và cũng xó dạng bất kỳ. Trong thực tế ngoài
điện áp răng ca ra chúng ta còn gặp điện áp có dạng hình sin nên còn gọi là quét sin.
Trong trờng hợp quét thẳng nếu U
x
có dạng răng ca liên tục (xem hình 4.4) ng-
ơid ta gọi là quét liên tục (còn gọi là quét tự động). Nếu các điện áp răng ca đó không
liên tục mà gián đoạn (nh hình 4.6) ngời ta gọi là quét đợi, vì mỗi điện áp
10
Hình 1.6
răng ca chỉ xuất hiện khi có xung kích thích còn sau đó là thời gian đợi T
đ
tới xung

tiếp theo. Quét đợi sử dụng khi cần nghiên cứu các tín hiệu xung tuần hoàn có độ
hổng rất lớn [ H =
2>>

y
T
] (xem hình1.6a) hoặc dẫy xung không tuần hoàn nh
hình1.7a.
Khi tín hiệu cần nghiên cu là dẫy xung tuần hoàn có độ hổng lớn , nếu thực hiện quét
liên tục có thể xẩy ra 2 trờng hợp :
Trờng hợp thứ nhất , khi chu kỳ quét bằng chu kỳ lặp lại của tín hiệu
yq
TT =
thì
trên màn ảnh sẽ nhận đợc xung rất hẹp và hầu nh không thể phân biệt đợc sờn xung
(xem hình 1.6a) .Trong nhiều trờng hợp chỉ nhận đợc chấm sáng của đỉnh xung mà
thôi . Kết quả là không thể quan sát đầy đủ dạng của xung.
Trờng hợp thứ hai , khi
q
T



thì trên màn ảnh nhận đợc ảnh xung đủ lớn nh-
ng rất mờ trên nền của một vệt sáng đậm phía dới (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 dới
tác dụng của điện áp quét tia điện tử sẽ vẽ đi lại nhiều lần đờng Y = 0 (ứng với U
y
=
11

0) do đó tạo nên một đờng đậm lấn át xung . Kết quả là ảnh của xung bị mờ đi, rất
khó quan sát.
Nh vậy với dẫy xung cần nghiên cu có độ rộng lớn ta không thể quan sát tốt
bằng cách quét liên tục đợc, 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 đợc giống nh trờng hợp trớc những đờng sáng đậm bên dới
không còn nữa. ảnh ân đợc 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
đợc dạng xung một cách bình thờng đợc (xem hình 1.7c và 1.7e)
Hình 1.7
12