Nguyên lý xây dựng máy hiện sóng

Mở đầu
Trong sự phát triển của khoa học và công nghệ, đo lường có tầm uan trọng
đặc biệt. Máy hiện sóng là phương tiện đo lường 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 phương tiện không thể thiếu được để quan sát và theo dõi các quá trình
công nghệ đó.
Dưới sự hướng 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 như sau.
1
CHƯƠNG I
nghiên cứu nguyên ly máy hiện sóng điện tử
1.1.Khái niệm chung.
Máy hiện sóng là phương tiện đo lường 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
thường 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
được 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 được sử dụng rất
rộng rãi. Nó được dùng như một phương 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 được dùng chủ yếu để quan sát tín hiệu, đo các tham số của tín hiệu như điện
áp, tần số, pha, độ méo, độ sâu điều chế vv.
Máy hiện sóng được 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 được sử dụng. Hiện nay người ta chủ yếu là sử dụng máy hiện sóng điện tử.
Máy hiện sóng điện tử được phân loại theo nhiều cách khac nhau. Tuỳ theo số
lượng tia điện tử người ta phân biệt máy hiện sóng một tia, máy hiện sóng 2 tia và

máy hiện sóng nhiều tia. Tuỳ theo độ lưu ảnh trên màn huỳnh quang người ta phân
biệt máy hiện sóng không lưu ảnh ( với thời gian lưu ảnh nhỏ hơn 0,1 giây) và máy
hiện sóng lưu ảnh ( vơid thời gian lưu ảnh từ 0,1 giây trở lên). Tuỳ theo chức năng
người 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 trường điều khiển tia điện tử phân biệt máy hiện sóng điều khiển bằng điện
trường hay máy hiện sóng điều khiển bằng từ trường.
2
Việc điều khiển bằng từ trường có nhược điểm là công xuất tiêu thụ lớn, gây
nhiễu và chịu ảnh hưởng của nhiễu, kết cấu cồng kềnh nên ngày nay hầu hết không
được sử dụng.
Với sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật số trong những năm gần đây người 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 ngược 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
trường 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
được mô tả như hình vẽ dưới 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, lưới 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
3
mây điện tử, Dưới tác dụng của điện thế dương 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 trường giữa lưới L và anốt A1 và điện trường
giữa anốt A1 và anốt A2 các điện tử này được hội tụ lại thành một tia mảnh. Các
điện trường nói trên đóng vai trò như một thấu kính điện tử để hội tụ tia điện tử.
Trong đó vai trò của điện trường giữa anốt A1 và A2 là quan trọng hơn cả. Vì vậy
người 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 được ảnh hưởng của điện thế A2 tới
trường điều khiển của hệ thống làm lệch. Núm chiết áp R2 được đưa 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 được 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 được gọi là anốt tốc độ. Tuy
nhiên việc thay đổi điện thế trên anốt A2 làm ảnh hưởng 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, nhưng điều đó ngoài ảnh
hưởng tới độ nhạy của ống tia điện tử, còn ảnh hưởng rất lớn tới độ hội tụ nữa. Do
vậy thông thường người ta điều chỉnh độ sáng của hình ảnh bằng thay đổi mật độ
chùm tia điện tử nhờ thay đổi điện thế trên lưới điều chế L. Vì lưới điều chế L ở
ngay sát katốt K, nên chỉ cần đến sự thay đổi rất nhỏ điện thế âm (thường 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 lưới điều chế L được thay đổi nhờ chiết áp R1, chiết áp này được đưa
ra mặt máy với ký hiệu là “ Độ sáng ”.
Như vậy nhờ “súng điện tử ” đã tạo ra được 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
4
ống tia điện tử và do điều chỉnh được mật độ điện tử trong chùm tia nên có thể điều
chỉnh được 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 lượt trước sau và
vuông góc với nhau bao quanh trục ống . Một cặp theo phương thẳng góc gọi là
cặp phiến làm lệch Y, một cặp theo phương nằm ngang gọi là căp phiến làm lệch X
(như hinh 1.1). Hai cặp phiến lệch đứng và lệch ngang nhau tạo ra hai trường tĩnh
điện điều khiển tia điện tử theo trục đứng và trục ngang.
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 trường. Khi điện tử đi
qua giữa 2 phiến, di bị tác dụng của điện trường 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 cường độ điện trường và thời gian bay của điện tử
qua khoảng không gian giữa 2 phiến . Vì tác dụng của hai cặp phiến làm lệch là
như 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 trường trong cặp phiến Y
.Cường độ điện trường càng lớn , cũng như 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.
Cường độ điện trường 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
5
là khoảng cách từ điểm giữa của phiến lệch đến màn . Do vậy độ lệch theo trục
đứng Y của tia điện từ dưới 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 được 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 được độ nhạy của ống tia điện tử như sau:
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 tương 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 thường 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 được chọn lớn . Nhưng như vậy động năng của điển tử không đảm
bảo làm phát sáng màn. Để khắc phục tình trạng này, người ta đưa 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 (thường từ 10+20 kv). Anốt này thực chất là một lớp than chì dẫn điện
được quét lên bề mặt trong xung quanh thành ống tia điện tử gần màn huỳnh quang
. Nhờ điện trường của Anốt A3 điện tử được gia tốc thêm sau khi qua trường làm
lệch mà không ảnh hưởng 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.
6
Phần thứ ba là màn ảnh M của đèn (xem hình 4.1) màn ảnh là một lớp huỳnh
quang được phủ lên lớp đáy của đèn . Mầu sắc và độ lưu 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 trước khi đưa 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 thường 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.
Khái niệm độ nhạy của máy hiện sóng được định nghĩa là độ dịch chuyển
của điểm sáng trên màn dưới tác dụng của một đơn vị điện áp đưa đến đầu của máy
. Độ nhạy của máy hiện sóng được ký hiệu là S
y

và S
x
tương 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).Như vậy nếu U
y
và U
x
là các điện áp đưa 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 được ảnh trên màn của máy hiện sóng chúng ta phải thực hiện một
nguyên lý không thể thiếu được là điều khiển đồng thời tia điện tử theo hai trục –
7
trục đứng và trục nằm ngang . Điều này có nghĩa là đồng thời phải đưa vào đèn ống
tia điện tử 2 điện áp điều khiển U
y
và U
x
.
Điện trường 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 trường hợp tổng quát các điện áp U
x
và U
y
có thể có dạng bất kỳ . Khi
đó hình ảnh nhận được trên màn huỳnh quang cũng có dạng bất kỳ .
Tuy nhiên chúng ta xét một trường hợp đặc biệt , nhưng 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 trường 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
) ta đưa vào phiến làm lệch y. Ta xét trường hợp điển hình là điện áp cần quan
sát là điện áp hình sin dạng:
y
U
= U
m
sin ωt, (2.7)
Từ (2.5);(2.6);(2.7) ta có :
Y =
y
S

U
m
sin ωt,
X =
y
S
.a.t, (2.8)
Hệ phương trình (4.8) dễ dàng đưa về dạng chính tắc:
Y = Y
m
sin ΩX, (2.9)
Với Y
m
= S
y
U
m
và Ω =
aS
X
.
ω
Phương trình (2.9)chính là phương trình chuyển động của điểm sáng trên
màncủa máy hiện sóng theo hệ trục YOX. Đường cong (2.9) có dạng trùng với
dạng tín hiệu U
y
cần quan sát.
8
Chúng ta cũng có thể giải thích một cách trực quan hơn việc tạo ảnh tín hiệu
trên màn của máy hiện sóng bằng phương pháp điều khiển chuyển động của điểm

sáng trên màn dưới 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 được 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. Nhưng 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 như vậy gọi là “quét” và điện áp U
x
gọi là
điện áp quét.
9
Hình 1.3
Điện áp quét có dạng như hình1.4a gọi là điện áp quét răng cưa và là điện áp
quét lý tưởng , nghĩa là sau khi đạt giá trị cực đại U
m
(tương 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 ngược. Như vậy chu kỳ
quét sẽ bằng tổng thời gian thuận và thời gian quét ngược:
Hình 1.4
T
q
= T
th
+
nq
T
Do tồn tại thời gian quét ngược nên điểm sáng chuyển ngược từ phải qua trái
màn vẽ nên một đường mở không cần thiết như hình 1.5 .
Để loại trừ hiện tượng 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 hưởng tới chất lượng của ảnh , do
đó người ta áp dụng một phương pháp để khử hoàn toàn ảnh hưởng của
nq

T
là tạo
ra một xung âm trong thời gian
nq
T
để đưa vào lưới điều chế L của ống tia điện tử
(xem hình 1.4c).
10

Hình 1.5
Cũng cần lưu ý một điều là , nếu điện áp quét do một nguyên nhân nào đó
không hoàn toàn tuyến tính hình ảnh nhận được của tín hiệu hình sin cần quan sát
trên màn của máy hiện sóng sẽ bị méo dạng.
Như vậy chúng ta thấy rằng muốn quan sát được dạng tín hiệu ta phải đưa tín
hiệu đó vào phiến làm lệch Y còn phiến làm lệch X đưa vào một điện áp hình răng
cưa, điện áp đó gọi là điện áp quét (U
q
=U
x
).
B.các chế độ quét trong máy hiện sóng
Trong trường hợp vừa xét, vì điện áp có dạng đường thẳng nên gọi là quét
đường thẳng . Trong trường hợp chung điện áp có thể có dạng bất kỳ U
x
= y (t) khi
đó hình ảnh nhận được gọi chung là hình litxazu và cũng xó dạng bất kỳ. Trong
thực tế ngoài điện áp răng cưa ra chúng ta còn gặp điện áp có dạng hình sin nên
còn gọi là quét sin.
Trong trường hợp quét thẳng nếu U
x

có dạng răng cưa liên tục (xem hình
4.4) ngươid ta gọi là quét liên tục (còn gọi là quét tự động). Nếu các điện áp răng
cưa đó không liên tục mà gián đoạn (như hình 4.6) người ta gọi là quét đợi, vì mỗi
điện áp
Hình 1.6
11
răng cưa 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>>
τ
y
T
] (xem hình1.6a) hoặc dẫy xung không tuần hoàn
như hình1.7a.
Khi tín hiệu cần nghiên cưu là dẫy xung tuần hoàn có độ hổng lớn , nếu thực hiện
quét liên tục có thể xẩy ra 2 trường hợp :
Trường hợp thứ nhất , khi chu kỳ quét bằng chu kỳ lặp lại của tín hiệu
yq
TT =
thì trên màn ảnh sẽ nhận được xung rất hẹp và hầu như không thể phân biệt
được sườn xung (xem hình 1.6a) .Trong nhiều trường hợp chỉ nhận được chấm
sáng của đỉnh xung mà thôi . Kết quả là không thể quan sát đầy đủ dạng của xung.
Trường hợp thứ hai , khi
q
T

≈

τ
thì trên màn ảnh nhận được ảnh xung đủ lớn
nhưng rất mờ trên nền của một vệt sáng đậm phía dưới (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 dưới tác dụng của điện áp quét tia điện tử sẽ vẽ đi lại nhiều lần đường Y = 0
(ứng với U
y
= 0) do đó tạo nên một đường đậm lấn át xung . Kết quả là ảnh của
xung bị mờ đi, rất khó quan sát.
Như vậy với dẫy xung cần nghiên cưu có độ rộng lớn ta không thể quan sát
tốt bằng cách quét liên tục được, 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 được giống như trường hợp trước những đường
sáng đậm bên dưới không còn nữa. ảnh ân được 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 được dạng xung một cách bình thường được (xem hình 1.7c và 1.7e)
12
Hình 1.7
13