Khảo sát mạch điện RLC có dòng xoay chiều

1

VLKT -
Viện Vật lý Kỹ thuật- ĐHBK Hà nội

Thí nghiệm vật lý BKE-070
khảo sát mạch điện RLC có dòng xoay chiều
dùng dao động ký điện tử hai kênh và máy phát tần số

DụNG Cụ
1. Dao động ký điện tử hai kênh VC 2020.
2. Máy phát tần số GF - 597 .
3. Bảng lắp ráp mạch điện.
4. Hộp điện trở thập phân 0ữ9999 .
5. Tụ điện C
x

6. Điện trở thuần R
x

7. Cuộn cảm L
x

8. Đồng hồ đo tần số hiện số
9. Hai dây dẫn tín hiệu (còn gọi là cáp
đồng trục) dùng cho dao động ký điện
tử: một đầu có phích cắm đồng trục,
một đầu có que đo.
10. Một dây dẫn tín hiệu dùng cho máy
phát GF-597 : một đầu có phích cắm

năm chân, một đầu có phích cắm đơn
11. Bộ dây dẫn có hai đầu phích cắm đơn.

I. Giới thiệu các dụng cụ đo
I. Dao động ký điện tử hai kênh
Dao động kí điện tử là thiết bị dùng nghiên cứu quy luật biến đổi theo thời gian của hiệu
điện thế U(t) hay dòng điện I(t) chạy trong mạch điện - gọi chung là các tín hiệu điện. Dao
động ký điện tử không những có thể đo đợc độ lớn, mà còn quan sát đợc dạng các tín hiệu
điện nhờ sự hiện thị của chúng trên màn hình, quan sát và đo đợc độ lệch pha, đo tần số dòng
xoay chiều hoặc tổng hợp dao động theo hai phơng x,y vuông góc với nhau của các tín hiệu
đó.






z
a
qqqqqqq









Hình 1. Mặt trớc của dao động kí điện tử hai

kênh VC 2020.


1 2
3
5
7
9
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
4
6
8 10
27

2

A. Chức năng của các núm điều chỉnh trên
mặt dao động kí điện tử VC2020 (Hình 1) :
1. Núm xoay INTEN dùng chỉnh cờng độ
của vệt sáng trên màn hình.
2. Núm xoay FOCUS dùng điều chỉnh độ tụ
của chùm 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 đứng
(theo trục Y) đối với kênh CH1.
8. Nút nhấn 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 180
0
) 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 trí : AUTO, NORM, TV-V, TV-H.
Trong bài này ta chỉ 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.

3

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 50às đến 0,2às 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 X
1
-X
2
và và Y
1
-Y
2
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 phiến lệch ngang X
1
-X
2
.
tín hiêu đa vào kênh CH2 để điều khiển

các phiến lệch đứng Y
1
-Y
2
.
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 dùng dịch chuyển
vị trí chùm 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 và CH2.

B. Sử dụng dao động ký điện tử hai kênh
1. Chọn thang đo : Khi muốn nghiên cứu
điện áp U, ta cần phải biết khoảng giá trị của
điện áp đó để chọn thang đo thích hợp trên
dao động kí điện tử. Ban đầu, nên :
Đặt các chuyển mạch VOLTS/DIV (5;15)
ở vị trí tận cùng trái (5V/DIV) để phòng

ngừa quá tải ở lối vào.
Đặt chuyển mạch TIME/DIV (22) ở vị trí
1ms. Khi tiến hành đo, sẽ chuyển về vị trí
thích hợp với tần số tín hiệu cần nghiên cứu.
Núm xoay InteN (1) đặt ở vị trí tận cùng
phải (sáng nhất) để khi bật máy lên, ta
có thể thấy ngay vệt sáng trên màn hình.
Muốn cho đờng tia quét thanh nét hơn,
ngời ta giảm bớt cờng độ sáng.
Các núm xoay còn lại : 7, 14, 20, 23, 25
đặt ở vị trí giữa.
2. Cắm các phích đồng trục của dây đo vào
các ổ CH1 hoặc CH2. ở phần que đo của
dây này, ngời ta thờng thiết kế một bộ
chia áp điều chỉnh bằng một núm gạt, có hai
vị trí x1 và x10. Tại vị trí x10, biên độ điện
áp tín hiệu cần đo đợc giảm đi 10 lần
trớc khi đặt vào lối vào của dao động kí.
Thờng ta chỉ nghiên cứu các điện áp có
biên độ không lớn, núm gạt bộ chia áp
đợc đặt ở vị trí x1.
3. Cắm phích lấy điện vào ổ điện ~ 220V.
ấn nút POWER (3) : đèn LED sáng. Sau 5
ữ10s sẽ xuất hiện một vệt sáng trên màn
hình. Dao động kí điện tử đ sẵn sàng làm
việc.
4. Kiểm tra các kênh CH1 và CH2 :
a ) Xoay các chuyển mạch VOLTS/DIV
(5;15) về vị trí 1V/DIV.
b) Đặt chuyển mạch TIME/DIV (22) ở vị

trí 0,2ms/DIV.
c) Đặt chuyển mạch MODE (9) ở vị trí
DUAL; chuyển mạch MODE TRIGER
(19) ở vị trí AUTO; chuyển mạch
SOURCE(18) ở vị trí CH1.
d) Điều chỉnh các núm xoay POSITION (7;
14) sao cho hai đờng quét cách nhau 4 cm
(4 ô).
e) Nối móc đầu đo của lối vào CH1 vào
chốt (27) để đa tín hiệu 2Vpp-1KHz

4


1
7
8
9
3
6
Hình 2 : Máy phát tần số GF-597
4
2
5
vào kênh CH1. Quan sát các xung hình
chữ nhật xuất hiện trên màn hình. Xoay
nhẹ núm LEVEL (20) để điều chỉnh các
xung này đứng vững trên màn hình.
f) Xoay núm SWP VAR (23) và núm chiết áp
điều chỉnh liên tục bộ chia lối vào gắn

đồng trục với chuyển mạch (5) về vị trí tận
cùng trái (CALIP), ta đợc :
Chu kì xung vuông chiếm 5 ô trên màn :
5 x 0.2 ms/DIV = 1ms
Biên độ xung vuông chiếm 2 ô trên màn :
2 x 1V/ DIV = 2 Vpp
(Các số liệu này phù hợp với số ghi bên
cạnh chốt 27)
g) Thực hiện bớc e) đối với kênh CH2,
chú ý vặn chuyển mạch SOURCE(18) ở vị
trí CH2 khi làm việc với kênh CH2.
h) Nếu máy không đạt số liệu nh mục f)
thì phải nhờ chuyên gia giúp đỡ, không
tự động sửa chữa dao động kí.
i) Sau khi sử dụng, phải tắt máy, tháo dây
đo xếp gọn, dùng khăn vải phủ máy để
che bụi. Khi làm việc, nhất thiết phải bỏ
khăn phủ máy để máy toả nhiệt dễ dàng.

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 0ữ20 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 nấc : x10 , x100 , x1k (tức x10
3
).
Thang x10 : 20 Hz đến 200 Hz.

Thang x100 : 200 Hz đến 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 U
1

(biên độ cực đại 10 Vpp)
8. Lối ra của điện áp xoay chiều hình sin U
2

(biên độ cực đại 1Vpp)
9. Lối ra của điện áp xoay chiều xung vuông U
3

(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 ( U
1
) của máy phát tần số GF-597.

5

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.
4. Núm điểu chỉnh biên độ điện áp tín hiệu
ra ban đầu nên để ở vị trí 5 ( ra khoảng 3V-
5V
pp
).

II. tổng hợp hai dao động điện vuông góc, cùng tần số -
Đo trở kháng và khảo sát mạch cộng hởng RLC bằng dao động ký điện tử

I. Tổng hợp hai dao động điện
vuông góc có cùng tần số.
A- Cơ sở lí thuyết, phơng pháp thực
nghiệm :
Xét mạch điện ADB nh trên Hình 3 :












Do trở kháng Z
x
mắc nối tiếp với điện trở
R
o
nên dòng điện chạy qua chúng là chung.
Hiệu điện thế U
AD
và dòng điện chạy qua
trở kháng Z
x
, tuỳ theo đặc tính của Z
x

sẽ
bị lệch pha một góc nào đó. Mặt khác, R
o

là điện trở thuần nên hiệu điện thế U
BD
và
dòng điện chạy qua R
o
luôn cùng pha. Nh
vậy bằng cách so sánh pha giữa hai hiệu
điện thế U
AD
và U
BD
, sẽ cho ta kết quả
phản ánh đúng nh quan hệ pha giữa thế và
dòng trên Zx. Dựa trên các kết quả nhận
đợc ta có thể xác định đợc giá trị điện
trở Rx, điện dung của tụ điện Cx , hệ số tự
cảm của cuộn dây Lx, khảo sát mạch cộng
hởng LC và nghiệm lại công thức tần số
riêng của mạch cộng hởng LC nối tiếp
hoặc song song.

Hiệu điện thế U
BD
giữa hai đầu điện trở
R
o

đợc đa vào hai bản cực song song thẳng
đứng X
1
X
2
( qua kênh CH1) , tạo ra điện
trờng biến thiên dao động theo phơng
ngang.
Hiệu điện thế U
AD
giữa hai đầu trở
kháng Z
x
đợc đa vào hai bản cực song
song nằm ngang Y
1
Y
2
( qua kênh CH2), tạo
ra điện trờng biến thiên dao động theo
phơng thẳng đứng .
Khi chùm electron phát ra từ catôt của
ống tia điện tử đi qua không gian giữa hai
cặp phiến lệch X và Y đặt vuông góc nhau ,
các lực điện trờng sẽ làm chúng tham gia
hai dao động theo hai phơng vuông góc,
cùng tần số f và có góc lệch pha . Kết quả
là : quỹ đạo của chùm tia êlectron trên
màn hình sẽ có dạng một đờng êlip
nghiêng xác định bởi phơng trình :

2 2
2
0 0 0 0
x y 2xy
cos = sin
x y x y

+



(1)
tuỳ theo góc lệch pha và biên độ của hai
dao động , trên màn hình ta sẽ thu đợc vệt
sáng có dạng một đoạn thẳng (=0, ), một
enllip vuông (= /2), một đờng tròn ( =
/2, U
AD
= U
DB
), một enlíp xiên ( bất kì ).

Kết quả này đợc suy ra từ phơng trình
(1).

A
~
D
B

Z
x

R
o

CH2

Oscilloscope
2 channells
U
1

GF-597
Hình 3. Sơ đồ khảo sát mạch điện xoay
chiều dùng dao động ký điện tử hai kênh
và máy phát tần số.
CH1
COM