Báo cáo thí nghiệm nhóm 3 bài 1 dao động ký

Trường ĐHSP Hà Nội 2
Khoa Vật lý
Lớp ...K26 LL và PPDH Vật lý.... Nhóm ....03...
Họ tên: Hỏa Thị Thanh Bình
Nguyễn Thị Ngọc
Ngày thực hành: 09/09/2023

Xác nhận của giáo viên hướng dẫn

BÁO CÁO THỰC NGHIỆM
( BÀI 01: THỰC HÀNH SỬ DỤNG DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ VÀ MÁY PHÁT ÂM TẦN )
I. MỤC ĐÍCH
1. Nắm được cấu tạo, nguyên lý và chức năng của dao động ký điện tử, máy phát âm tần (máy
phát tần số GF-597)
2. Biết sử dụng các chức năng trên dao động ký số để thực hiện các phép đo cụ thể. (i) Biên độ;
(ii) Khoảng thời gian; (iii) Tần số; (iv) Độ lệch pha giữa hai dao động; (v) Tổng hợp hai dao động
cùng phương, cùng tần số; (vi) Tổng hợp hai dao động cùng tần số có phương dao động vng góc
với nhau.
3. Đánh giá các kết quả đo bằng dao động ký số và nhận xét, kết luận về vai trò chức năng của dao
động ký số trong đo lường.
II. NỘI DUNG
I. Tìm hiểu phương pháp sử dụng Dao động kí điện tử.
1. Dao động kí điện tử là gì?
- Máy hiện sóng điện tử hay còn gọi là dao động ký điện tử (electronic oscilloscope) là thiết bị
điện tử dùng để quan sát các dao động điện hoặc các dao động được hiển thị dưới dạng sóng. Nó chủ
yếu được sử dụng để vẽ dạng của tín hiệu điện thay đổi theo thời gian.

Dao động ký giống như một máy thu hình nhỏ nhưng có màn hình
được kẻ ơ và có nhiều phần điểu khiển hơn TV. Hình 1.2 là panel của
một dao động ký thơng dụng vói phần hiển thị sóng, phần điều khiển
theo trục x, trục y, đồng bộ và chế độ màn hình và kết nồi đầu đo.

Màn hình của dao động ký được chia ô, 10 ô theo chiều ngang và 8 ô
theo chiều đứng. Ở chế độ hiển thị thơng thường, dao động ký hiện dạng
sóng biến đổi theo thời gian : Trục đứng y là trục điện áp, trục ngang x là
trục thời gian. Độ chói hay độ sáng của màn hình đơi khi cịn gọi là trục
z.
1


Các thiết bị điện tử thường được chia thành hai nhóm cơ bản la thiết bị tương tự và thiết bị số,
dao động ký cũng vậy. Dao động ký tương tự (analog oscilloscope) sẽ chuyển trực tiếp tín hiệu điện
cần đo thành dịng electron bắn lên màn hình. Điện áp làm lệch chùm electron một cách tỉ lệ và tạo
ra tức thời dạng sóng tương ứng trên màn hình. Trong khi đó, dao động ký số (digital oscilloscope)
sẽ lấy mẫu dạng sóng, đưa qua bộ chuyển đổi tương tự số (adc). Sau đó nó sử dụng các thơng tin
dưới dạng số để tái tạo lại dạng sóng trên màn hình.

Tùy vào ứng dụng mà người ta sử dụng dao động ký loại nào cho phù hợp. Thông thường, nếu
cần hiển thị tín hiệu dưới dạng thời gian thực (khi chúng xảy ra) thì sử dụng dao động ký tương tự.
Khi cần lưu giữ thơng tin cũng như hình ảnh để có thể xử lý sau hay in ra dạng sóng thì người ta
dùng dao động ký số có khả năng kết nối với máy tính và các bộ vi xử lý. Phần tiếp theo của tài liệu
chúng ta sẽ nói đến dao động ký tương tự, loại dùng phổ biến trong kỹ thuật đo lường.
2. Đặc điểm, công dụng
+ Giải tần làm việc 70 MHz
+ Tốc độ lấy mẫu max 1 GS/s
+ Lưu trữ 20000 điểm
+ Độ nhạy cao
+ 32 điểm đo tự động và phân tích FFT
+ Tự động đặt cấu hình Autoset và tự động đặt khoảng đo Auto-ranging
+ Tự động bắt đỉnh
+ Tự động Trigger theo độ rộng xung
+ Màn hiển thị 7 inch TFT.

+ Thẻ nhớ USB phía trước và cổng USB thiết bị phía sau
+ 2 kênh đo và quan sát dạng tín hiệu
- Bằng cách sử dụng dao động kí ta xác định được:
Tần số dao động của tín hiệu;
Giá trị điện áp và thời gian tương ứng của tín hiệu;
Góc lệch pha giữa hai tín hiệu;
Dạng sóng tại mỗi điểm khác nhau trên mạch điện tử;
Thành phần của tín hiệu gồm thành phần một chiều và xoay chiều như thế nào;
Trong tín hiệu có bao nhiêu thành phần nhiễu và nhiễu đó có thay đổi theo thời gian hay
không.
- Đo các thông số cường độ của tín hiệu:
Đo điện áp, đo dịng điện, đo cơng suất
Đo tần số, chu kì, khoảng thời gian của tín hiệu
Đo độ di pha của tín hiệu
Vẽ tự động và đo được đặc tính phổ của tín hiệu
Vẽ đặc tuyến Vôn-ampe của linh kiện
2


Vẽ tự động, đo đặc tuyến biên độ-tần số
+ Kết nối máy tính, hoặc các thiết bị khác thơng qua chuẩn GPIB
+ In trực tiếp kết quả ra máy in
Và có thể đo các đại lượng vật lý bất kỳ khi biến thành đại lượng điện phù hợp với tín hiệu vào
của dao động ký điện tử.
3. Cấu trúc chung
Bộ khếch đại
Bộ chuyển đổi số - tương tự ADC
Bộ chọn kênh DeMUX
Bộ nhớ dữ liệu
Vi xử lý

Bộ nhớ hiển thị
Hiển thị LCD
4. Nguyên lý làm việc
Điện áp (tín hiệu) cần nghiên cứu được đưa vào kênh đo, tín hiệu được lấy mẫu sẽ đi qua khối
phân áp/ khuếch đại (Amp) rồi đưa vào bộ biến đổi tương tự - số (ADC). Dao động ký số có 2 kênh
đo, cho nên tín hiệu sau khi đã được biến đổi thành tín hiệu số sẽ đi qua 1 bộ chọn kênh (DeMUX)
để vào khối xử lí.
Khối xử lí của dao động ký số TBS1072C bao gồm 3 thành phần. Thứ nhất là bộ nhớ dữ liệu
(Acquisition memory) giữ nhiệm vụ là nơi lưu trữ tín hiệu số của từng kênh đo theo thời gian. Các
khối dữ liệu khác nhau nằm trong bộ nhớ này sẽ được bộ vi xử lý (µP) tính tốn, xử lí Fourier, …
và đưa ra khối bộ nhớ hiển thị (Display memory). Do dao động ký số TBS1072C gồm 2 kênh đo và
có thể xử lí đưa ra hiển thị cả tín hiệu trong miền tần số nên nó cần phải có bộ nhớ hiển thị này. Dữ
liệu từ khối bộ nhớ hiển thị sau đó mới được xuất ra màn hiển thị (Display) để ta quan sát.
5. Các chức năng

1.

Nóm xoay INTEN dïng chØnh cêng ®é cđa vệt sáng trên màn hình.
3


2.
Nóm xoay FOCUS dïng ®iỊu chØnh ®é tơ cđa chïm tia êlectron (tức độ nét của vệt sáng trên
màn hình).
3.
Nút nhấn POWER là công-tắc bật tắt nguồn.
4.
ổ cắm đồng trục ( lối vào) của kênh tín hiệu thứ nhất (CH1) hoặc của tín hiệu đặt trên kênh X.
5.
Núm chuyển mạch VOLTS/DIV dùng để chọn thang đo điện áp đa vào kênh CH1 và núm chiết áp

gắn đồng trục với nó dùng để điều chỉnh liên tục điện áp trên bộ chia lối vào kênh CH1.
6.
Núm gạt có ba vị trí :

vị trí AC dùng đo điện áp xoay chiều,

vị trí DC dùng đo điện áp một chiều,

vị trí GND dùng để ngắn mạch lối vào kênh CH1.
7.
Núm xoay POSITION dùng điều chỉnh vị trí của vệt sáng theo phơng thẳng ®øng (theo trơc Y)
®èi víi kªnh CH1.
8.
Nót nhÊn ALT, CHOP dùng chọn chế độ quét lần lợt giữa 2 kênh CH1 và CH2. Vị trí ALT là quét
luân phiên từng đờng, vị trí CHOP là quét luân phiên từng điểm. Tuỳ theo tần số hay dạng tín hiệu mà ta
chọn chế độ thích hợp.
9.
Chuyển mạch kiểu làm việc"MODE", có bốn vị trí :

vị trí CH1 chỉ làm việc với kênh 1,

vị trí CH 2 chỉ làm việc với kênh 2,

vị trí DUAL làm việc với cả hai kênh,

vị trí ADD dùng cộng tín hiệu của hai kênh (không dùng đến trong bài này).
10. Cọc nối đất ( mass ) vỏ máy để chống nhiễu .
11. Nút nhấn CH2 INV dùng đảo cực tính
( đảo pha 1800) tín hiệu vào kênh 2.
12. Núm gạt chuyển mạch có ba vị trí dùng cho kênh CH2 , có vai trò giống núm chuyển mạch 6.

13. ổ cắm đồng trục ( lối vào ) của kênh tín hiệu thứ hai (CH 2) hoặc của tín hiệu đặt trên kênh Y.
14. Núm xoay POSITION dùng điều chỉnh vị trí của vệt sáng theo phơng thẳng đứng (theo trục Y)
đối với kênh CH2.
15. Chuyển mạch VOLTS/DIV dùng chọn thang đo điện áp đa vào kênh CH2 và núm của chiết áp
gắn đồng trục với nó dùng để điều chỉnh liên tục điện áp trên bộ chia lối vào kênh CH2.
16. Nút nhấn SLOPE dùng đảo pha của tín hiệu quét, thờng đặt ở vị trí nổi (+).
17. ổ cắm lối vào tín hiệu đồng bộ quét (không dùng đến trong bài này).
18. Núm gạt chuyển mạch SOURCE có bốn vị trí :

vị trí CH1 dùng để đồng bộ điện áp quét cho kênh CH1,

vị trí CH2 dùng để đồng bộ điện áp quét cho kênh CH2,

các vị trí LINE và EXT không dùng đến.
Chú ý : khi đa tín hiệu vào kênh nào thì chuyển mạch MODE (9) và SOURCE (18) phải đặt ở vị trí kênh
tơng ứng để đờng quét trên màn hình đợc đồng bộ.
19. Núm gạt chuyển mạch MODE TRIGGER có bốn vị trÝ : AUTO, NORM, TV-V, TV-H. Trong bµi
nµy ta chØ đặt ở vị trí AUTO hoặc NORM, không dùng đến các vị trí khác.
20. Núm xoay LEVEL dùng điều chỉnh mức tín hiệu đồng bộ để tín hiệu đứng yên trên màn hình.
Chú ý rằng núm xoay LEVEL chỉ có tác dụng đồng bộ tín hiệu các kênh khi các chuyển mạch MODE
TRIGGER (19), SOURCE (18) và MODE (9) đặt đúng vị trí tơng ứng.
21. Nút nhấn TRIG.ALT luôn đặt ở vị trí nổi, không dùng đến vị trí chìm.
22. Núm xoay chuyển mạch chọn tốc độ quét (TIME/DIV) dùng để chọn tốc độ quét thích hợp với tần
số tín hiệu cần nghiên cứu. Nó có ba dải quét : từ 5s đến 1s; từ 50ms đến 0,1ms; và từ 50s đến 0,2s khi
nút nhấn x10MAG ở vị trí nổi. Khi nút nhấn x10MAG ở vị trí chìm, tốc độ quét tăng lên 10 lần so với
các giá trị kể trên.
Núm này còn có một vị trí kí hiệu XY(vị trí tận cùng trái ) đợc sử dụng khi các cặp phiến lệch X1X2 và và Y1-Y2 đợc điều khiển bởi hai tín hiệu đặt trực tiếp vào hai lối vào CH1 và CH2 của dao
động ký điện tử :

tín hiệu đa vào kênh CH1 để điều khiển trên các phiÕn lÖch ngang X1-X2.

4




tín hiêu đa vào kênh CH2 để điều khiển các phiến lệch đứng Y1-Y2 .
Ta sẽ dùng kiểu hoạt động này để nghiên cứu mạch RLC theo phơng pháp tổng hợp hai dao động
vuông góc.
23. Núm xoay SWP.VAR dùng điều chỉnh liên tục tốc độ quét. Khi xoay núm này từ vị trí tận
cùng trái sang vị trí tận cùng phải thì tốc độ quét tăng khoảng 3 lần.
24. Nút nhấn x10MAG dùng tăng tốc độ quét 10 lần khi ấn chìm xuống (thờng đợc đặt ở vị trí
nổi).
25. Núm xoay POSITION dïng dÞch chun vÞ trÝ chïm tia theo phơng ngang.
26. Màn hình của dao động kí điện tử.
27. Chốt để lấy ra điện áp chuẩn 1kHz, biên độ 2Vpp dạng chữ nhật dùng kiểm tra và hiệu chỉnh các
bộ chia lối vào VOLTS/DIV của các kênh lối vào CH1 vµ CH2.
6.
6.1

Kiểm tra hoạt động của Oscilloscope, hoạt động của đầu đo và hiệu chuẩn thiết bị.
. Tự động hiệu chuẩn và kiểm tra đầu đo của Oscilloscope
Bật nút POWER để Oscilloscope hoạt động, đợi 2 phút để Oscilloscope khởi động xong
Lắp các dây đo vào kênh 1 và 2.

6.2

. Cài đặt các thơng số hiển thị
Màn hình sẽ hiển thị 2 tín hiệu của kênh 1 và 2. Nếu khơng thấy có tín hiệu hiển thị ta bấm vào
nút 1 hoặc nút 2.
Chỉnh nút POSITION nếu tín hiệu hiển thị bị tràn ra ngồi màn hình.

Có thể sử dụng nút AutoSet để đặt chế độ tự động.
Sử dụng nút Acquire để đặt chế độ hiển thị làm mịn/ khử nhiễu (Average – trung bình cộng của
4/ 16/ 64/ 128 điểm)
6.3 . Đo tự động
Sử dụng nút chức năng Measure để tiến hành đo tự động
Yêu cầu đo và hiển thị tự động
Giá trị điện áp đỉnh-đỉnh kênh 1
Chu kì kênh 1
Tần số kênh 1
Thời gian chuyển trạng thái OFF-ON của kênh 2
Thời gian chuyển trạng thái ON-OFF của kênh 2
Lưu lại dạng tín hiệu và các giá trị đo tự động đang hiển thị trên màn hình trong 3 chu kỳ
thành file ảnh.
7. Ưu, nhược điểm
7.1. Ưu điểm
Duy trì tốt ảnh của tín hiệu trên màn hình với khoảng khơng gian khơng hạn chế.
Tốc độ đọc có thể thay đổi trong giới hạn rộng.
Có thể xem lại các đoạn hình ảnh lưu giữ với tố độ thấp hơn nhiều
Hình ảnh tốt hơn, tương phản hơn so với loại oxilo tương tự
5


Vận hành đơn giản
Số liệu cần quan sát dưới dạng số có thể được xử lý trong oxilo hoặc truyền trực tiếp vào máy
tính khi ghép oxilo với máy tính.
7.2. Nhược điểm
Dải tần bị hạn chế do tóc độ biến đổi của bộ ADC thấp. Hiện nay, các oxilo có nhớ có dải tần
rộng được phát triển nhờ cài đặt vi xử lý, các bộ biến đổi ADC có tốc độ biến đổi nhanh hơn. Dải
tần ngày nay có thể lờn n 100 Mhz hay hn na.
II. máy phát tần số GF-597

Máy phát tần số là thiết bị dùng để tạo ra các tín hiệu điện xoay chiều có tần số thay đổi đợc
trong khoảng 020 000 Hz. Máy phát tần số thờng đợc dùng kết hợp với dao động ký điện tử để
khảo sát mối quan hệ giữa hiệu điện thế và dòng điện trong các mạch điện R, L, C.

A. Chức năng của các núm điều chỉnh bố trí trên mặt máy phát tín hiệu GF-597 (Hình 2) :
1. Công tắc S (cấp điện ~220V vào máy).
2. Đèn báo hiệu LED
3. Núm điều chỉnh chọn tần số của máy phát.
4. Núm chuyển mạch chọn thang tần số, có ba nÊc : x10 , x100 , x1k (tøc x103).
 Thang x10 : 20 Hz ®Õn 200 Hz.
 Thang x100 : 200 Hz ®Õn 2000 Hz.
 Thang x1k : 2000 Hz đến 20.000 Hz.
5. Núm chỉnh biên độ điện áp ra xoay chiều.
6. Cầu chì bảo vệ F.
7. Lối ra của điện áp xoay chiều hình sin U1
(biên độ cực đại 10 Vpp)
8. Lối ra của điện áp xoay chiều hình sin U2 (biên độ cực đại 1Vpp)
9. Lối ra của điện áp xoay chiều xung vuông U3 (biên độ cực đại 5 Vpp) .
B. Sử dụng máy phát tín hiệu GF-597
Cắm đầu phích năm chân của dây tín hiệu vào ổ 7 ( U1) của máy phát tần số GF-597.
1. Hai đầu phich đơn còn lại của dây tín hiệu đợc cắm vào hai đầu A, B của mạch điện RLC trên
bảng lắp ráp mạch điện .
2. Chọn tần số dòng xoay chiều : Ví dụ cần chọn tần số 1000 HZ, ta vặn chuyển mạch 4 đến vị trí
x100 và xoay nhẹ núm 3 của đĩa tần số đến vị trí 10, để có tần số 1000 HZ.
3. Núm điểu chỉnh biên độ điện áp tín hiệu ra ban đầu nên để ở vị trí 5 ( ra kho¶ng 3V-5Vpp ).
6


III. Thực hành sử dụng dao động kí điện tử
1. Đo điện áp (Biên độ)

Việc tính giá trị điện áp của tín hiệu được thực hiện bằng
cách đếm số ơ trên màn hình và nhân với giá trị volts/div

Ví dụ: Volts/DIV chỉ 1 V thì tín hiệu cho ở hình trên có :
Vp = 2,7 ơ x 1v = 2,8 v
Vpp = 5,4 ô x 1v = 5,4 v
Vrms = 0,707vp = 1,98 v
Ngồi ra, với tín hiệu xung người ta cịn sử dụng máy hiện sóng để xác định thời gian tăng sườn
xung (rise time), giảm sườn xung (fall time) và độ rộng xung ( pulse width) với cách tính như hình
bên

7


2. Đo tần số và khoảng thời gian
Khoảng thời gian giữa hai điểm của tín hiệu cũng được tính bằng cách đếm số ô theo
chiều ngang giữa hai điểm và nhân với giá trị của time/div.
Việc xác định tần số của tín hiệu được xác định bằng cách tính chu kỳ theo cách như
trên. Sau đó nghịch đảo chu kỳ ta tính được tần số.
Ví dụ : Ở hình bên time/div là 1ms, chu kỳ của tín hiệu là 16ơ, như vậy chu kỳ là
16ms, suy ra f = 1/16ms = 62,5hz.

3. Đo tần số và độ lệch pha bằng phương pháp so sánh :
Ngồi cách đo tần số thơng qua việc đo
chu kỳ như ở trên, có thể đo tần số bằng dao
động ký như sau : So sánh tần số của tín hiệu
cần đo fx với tần số chuẩn f0. Tín hiệu cần đo
đưa vào cực y, tín hiệu tần số chuẩn đưa vào
cực x. Chế độ làm việc này của dao động ký
gọi là chế độ x-Y mode và các sóng đều có

dạng hình sin. Khi đó trên màn hình sẽ hiện
ra một đường cong phức tạp gọi là đường
cong lissajou.
Điều chỉnh tần số chuẩn tới khi tần
số cần đo là bội hoặc ước nguyên của tần số
chuẩn thì trên màn hình sẽ có một đường
lissajou đứng yên. Hình dáng của đường lissajou rất khác nhau tùy thuộc vào tỉ số tần số
giữa hai tín hiệu và độ lệch pha giữa chúng.
f0 m

fx n
Ta có :
Với n là số múi theo chiều ngang và m là số múi theo chiều dọc (hoặc có thể lấy số
điểm cắt lớn nhất theo mỗi trục hoặc số điểm tiếp tuyến với hình lissajou của mỗi trục).
Phương pháp hình lissajou cho phép đo tần số trong khoảng tứ 10hz tới tần số
giới hạn của máy.

8


Nếu muốn đo độ lệch pha ta cho hai tần số của hai tín hiệu bằng nhau, khi đó
đường lissajou có dạng elip. Điều chỉnh y-Pos và x-Pos sao cho tâm của elip trùng với tâm
màn hình (gốc tọa độ). Khi đó, góc lệch pha được tính bằng :
 A
 arctg  
 B  Với a, b là đường kính trục dài và đường kính trục ngắn của elip.
Nhược điểm của phương pháp này là không xác định được dấu của góc pha và sai số
của phép đo khá lớn (5-10%).
4. Tổng hợp hai dao động cùng tần số có phương dao động vng góc với nhau.
Trước khi sử dụng máy, chỉ cần chỉnh hệ số khuếch đại hai kênh CH1, CH2

giống nhau. Để làm điều đó, ta làm như sau: Để núm số 5 (MODE) ở chế độ DUAL,
cả hai kênh tín hiệu đều hiển thị trên màn hình. Nối hai kênh vào với cùng một tín
hiệu và điều chỉnh núm 20, 27 sao cho hai tín hiệu trùng khít lên nhau nghĩa là chúng
có cùng hệ số khuếch đại. Sau khi chỉnh xong, không được điều chỉnh hai núm 20 và
27 trong q trình làm thí nghiệm.
Ví dụ “ Khảo sát tổng hợp hai dao động vuông góc, đo dung kháng Zc và điện
dung Cx bằng dao động ký điện tử”
Bước 1: Mắc tụ điện Cx giữa hai điểm A, C theo Hình 4. Chọn dao động điện có tần
số f = 1000 Hz lấy từ máy phát tín hiệu xoay chiều. Vì dịng điện chạy qua tụ sớm pha
π/2 so với điện áp giữa hai đầu của nó nên tín hiệu ở hai lối vào (u R0 và uCx) của dao
động ký điện tử là hai dao động cùng tần số, lệch pha π/2 và có phương vng góc.
Trên màn hình là quỹ đạo của chuyển động tổng hợp, nó có dạng là một elip vng.

Hình 4: Sơ đồ thí nghiệm “ Khảo sát mạch rlc dùng dao động ký điện tử hai
kênh và máy phát tín hiệu xoay chiều”
Bước 2: Điều chỉnh điện trở R0 của hộp điện trở mẫu thập phân tới khi elip vng trở
thành đường trịn. Khi đó, biên độ U0C = U0R0 và ta có:

Suy ra điện dung của tụ điện:

9


Giữ nguyên tần số của dòng điện, thực hiện động tác này 3 lần, ghi giá trị của tần số f
và các giá trị tìm được của điện trở R0 vào Bảng 14.2. Cũng có thể thực hiện phép đo ZC
và Cx bằng cách chọn giá trị xác định của điện trở R0 và điều chỉnh tần số f của dao
động điện lấy từ máy phát tần số).
Bảng 4. Đo dung kháng ZC và điện dung Cx.
Lần đo

f (Hz)

ZCi = R0i (Ω )

1
2
3

10