PhÇn I
Sơ đồ khối của dao động ký điện tử
Dao động ký điện tử có hai loại: Dao động ký điện tử một chùm tia và Dao
động ký điện tử hai chùm tia. Chúng có cấu tạo và nguyên tắc hoạt động gần giống nhau nên ở đây chỉ xét cho Dao động ký điện tử một chùm tia.
1.1 Dao động ký điện tử một chùm tia.
1. Sơ đồ khối .
Một dao động ký điện tử một chùm tia cơ bản bao gồm các bộ phận chính
đợc mô tả rõ ở hình 1:
Hình 1: Sơ đồ khối của dao động ký điện tử một chùm tia.
2. Nhiệm vụ của các khối.
Tín hiệu cần nghiên cứu đợc đa vào qua bộ phận áp để chọn điện áp vào thích hợp. Sau đó đến bộ khuếch đại Y ( K. Đ. Y ) và đợc đa vào hai cặp điện cực làm lệch đứng Y1 và Y2. Trong trờng hợp nếu tín hiệu đủ lớn thì không cần qua bộ khuếch đại Y nữa.
Một phần tín hiệu cần nghiên cứu từ bộ khuếch đại Y đợc đa qua mạch
đồng bộ ( Đ. B ) để kích thích máy phát răng ca ( máy phát quét ) . Sau đó qua bộ khuếch đại X ( K.Đ.X ) đa vào cặp điện cực làm lệch ngang X1 và X2.
Trong trờng hợp muốn sử dụng tín hiệu đồng bộ ngoài thì công tắc B2 tín hiệu đợc đa thẳng vào mạch đồng bộ để kích thích cho máy phát quét làm việc.
Mặt khác ta có thể đa trực tiếp tín hiệu X qua bộ K.Đ.X đến cặp điện cực làm lệch ngang X1 và X2 qua công tắc B3.
Trớc khi các đại lợng nh : Điện áp, tần số, hay chu kỳ thì chúng ta phải… chuẩn lại thang đo theo thời gian cũng nh theo biên độ nhờ có các khối chuẩn biên độ, chuẩn thời gian.
PhÇn II
Cấu tạo của dao động ký điện tử một chùm tia.
Cấu tạo dao động ký điện tử một chùm tia gồm có ba bộ phận chính:
* ống phóng tia điện tử
* Bộ tạo điện áp quét.
* Bộ khuếch đại của dao động ký.
I. ống phóng tia điện tử:
ống phóng tia điện tử là một ống chân không, có vỏ làm bằng thuỷ tinh bên trong chứa các điện cực và các cặp điện cực làm lệch. đầu ống có dạng hình trụ chứa súng điện tử đầu cuối của ống loe to thành hình nón cụt. Đáy hình nón là màn huỳnh quang. Bên trong vách thành, cuối ống có quét một lớp than chì
dẫn điện suốt từ hai cặp điện cực làm lệch tới màn huỳnh quang ( E ).
ống tia điện tử đợc cấu tạo bởi ba bộ phận chính:
- Súng điện tử
- Hệ thống cặp cực làm lệch chùm tia điện tử - Màn huỳnh quang.
1. Súng điện tử:
Súng điện tử là bộ phận quan trọng nhất của ống tia điện tử. Nó bao gồm:
Sợi đốt F, Ca tốt K, Lới điều chế M, các Anốt A1,A2 nh hình vẽ:
Nhiệm vụ của súng điện tử là tạo ra một chùm tia điện tử nhỏ, gọn và bắn tới màn huỳnh quang để gây tác dụng phát sáng.
Khi sợi đốt F đợc nung nóng thì xuất hiện các điện tử phát ra từ katốt K.
Chùm tia điện tử này đi qua các lỗ nhỏ của các điện cực M, A1, A2 tạo thành một chùm tia có hình dạng nhỏ bắn tới màn huỳnh quang. Sở dĩ tạo ra đợc chùm tia
điện tử nhỏ là do các điện cực M, A1, A2có các điện thế khác nhau tạo thành một
điện trờng không đều làm cho chùm điện tử hội tụ trên màn huỳnh quang.
Hình 2: ống phóng tia điện tử.
Chúng ta xét quỹ đạo của chùm tia điện tử khi đi qua điện trờng của hai Anốt A1 và A2. Điện thế tại A2 lớn hơn ở A1 nên chiều của đờng sức điện trờng
đợc tạo bởi điện cực này là từ A2 tới A1 ( hình 3 ). Khi các điện tử bay tới vị trí C thì nó đồng thời chịu tác dụng của hai thành phần lực điện, một thành phần vuông góc vào hớng vào chùm tia, còn thành phần kia có phơng song song với chùm tia. Nh vậy, tại vị trí C khuynh hớng của chùm tia điện tử là chuyển động dọc theo trục ống đồng thời lo ép lại ( hội tụ lại ) theo phơng bán kính của chùm tia sang tới vị trí D thì thành phần lực điện theo phơng vuông góc đổi chiều làm cho chùm tia điện tử có khuynh hớng tản ra ( phân kỳ ) khỏi trục ống.
Do cấu tạo của các điện cực nên sự phân bố của các đờng sức ở điểm D ít bị cong hơn so với vị trí C. Do đó phân lợng vận tốc theo phơng bán kính ở vị trí D có trị số nhỏ hơn so với vị trí C. Hay nói cách khác khuynh hớng hội tụ của chùm tia điện tử là nhiều hơn khuynh hớng phân kỳ.
Tác dụng của các Anốt A1, A2 là làm chùm tia hội tụ. Nếu biến đổi điện áp cung cấp cho các điện cực này ( thông thờng thay
đổi điện áp trên A1) thì ta có thể điều Hình 3: Điện trờng giữa A1 và A2 chỉnh đợc hội tụ của chùm tia trên màn huỳnh quang. Vì vậy, Anốt A1 còn đợc gọi là Anốt tiêu tụ. Tác dụng của điện trợng giữa Anốt A1 và lới M cũng tơng tự
để hội tụ chùm tia điện tử.
Điện áp A2 đợc chọn sao cho chùm tia có vận tốc thích hợp để khi tới màn huỳnh quang nó gây phát sáng màn huỳnh quang. Khi điện áp trên A2tăng thì
vận tốc của các hạt điện tử cũng tăng, do đó tốc độ sáng trên màn hình càng sáng hơn. Vì vậy Anốt A2 còn đợc gọi là Anốt tăng tốc.
2. Hệ thống cặp điện cực làm lệch.
Chùm tia điện tử nhỏ , gọn đợc súng điện tử tạo ra trớc khi tới màn huỳnh quang thì có qua một hệ thống các cặp cực làm lệch đặt trớc và sau vuông góc víi nhau bao quanh trô èng h×nh 4.
Một cặp theo phơng ngang gọi là cặp điện cực làm lệch X còn một cặp theo hớng thẳng đứng gọi là cặp điện cực làm lệch Y.
Nếu trên một cặp điện cực làm lệch có đặt một hiệu điện thế U thì khoảng không gian giữa chúng xuất hiện một điện trờng. Khi chùm tia điện tử đi qua giữa hai điện cực, do tác dụng của điện trờng này mà các điện tử bị thay đổi quỹ
đạo.
Hình4: Hệ thống cặp điện cực làm lệch
Khoảng cách lệch của điểm sáng do chùm tia điện tử tạo lên trên màn so với vị trí ban đầu phụ thuộc vào hiệu điện thế giữa hai cặp điện cực làm lệch và thời gian bay của điện tử qua không gian giữa hai điện cực ( Hình 5 ).
Hình 5. Quỹ đạo của chùm tia điện tử sau khi đi qua điện trờng của cặp điện cực làm lệch.
Sự phụ thuộc này đợc biểu diễn qua biểu thức:
h = h1 + h2 (1 ) Trong đó:
d V m h eUL
. . 2 02
1
1 = . Khoảng cách lệch của chùm tia điện tử vừa ra khỏi không gian điện trờng.
d V m
L L U h e
. .
. . .
2 0
2 1
2 = khoảng cách lệch của chùm tia tính từ vị trí bắt đầu ra khỏi khoảng không gian điện trờng.
+
=
⇒ 2 21 1 2
0
2 . . .
. L L L
d V m
U
h e (2)
* h. Độ lệch của tia sáng trên màn hình.
* L1: Khoảng cách giữa cặp điện cực làm lệch tới màn hình.
* d: Khoảng cách giữa hai điện cực của một cặp làm lệch.
* V0: Vận tốc của điện tử trớc khi bay vào điện trờng của cặp điện cực làm lệch.
* U. Hiệu điện thế giữa các cặp điện cực.
* e, m: Lần lợt là diện tích và khối lợng của điện tử. Nếu gọi x,y lần lợt là khoảng cách lệch của chùm tia theo phơng x và y và Ux , Uy là hiệu điện thế trên cặp điện cực làm lệch X và Y thì khi đó:
=
=
y y
x x
U y U
x α α
( 3 ) Độ nhạy của ống phóng tia điện tử theo phơng ngang và chiều dọc.
Nó là độ lệch của chùm tia sáng trên màn hình khi đặt trên cặp điện cực làm lệch một hiệu điện thế là 1 vôn.
tõ ( 3 ) ta suy ra:
=
=
d V m
U e
d V m
Ux e
oy y y
ox x
. .
. . .
.
2 '
2 '
α α
( 4 )
Vì điện áp suốt A2 có nhiệm vụ là tăng tốc cho chùm tia từ ( 4 ) ta thấy khi
điện áp UA2 tăng thì độ sáng trên màn hình tăng nhng độ lệch lại giảm. Do đó để tăng độ nhạy của ống ta tạo cặp điện cực làm lệch có loe ở đầu cuối ( Hình 6 )
H×nh 6
Vì các hạt điện tử chuyển động với tốc độ rất lớn nên có thể xem nh các hạt điện tử ngay lập tức vào màn hình và coi dao động điện ký tự nh một công cụ không quán tính. Do vậy dao động ký điện tử cho phép ta khảo sát trong dải tần số rộng của tín hiệu ( 0 ữ100 MHZ ) mà dạng tín hiệu vẫn trung thực.
Nếu trên các cặp điện cực X1, X2, Y1, Y2 có các hiệu điện thế Ux, Uy đặt vào thì vị trí của vệt sáng trên màn hình là kết quả của sự tổng hợp hai chuyển
động thành phần của điện tử theo phơng x và y ( vuông góc nhau ) 3. Màn huỳnh quang.
Màn huỳnh quang đợc chế tạo bằng cách : Phủ một lớp mỏng chất huỳnh quang ( ví dụ nh chất phốt pho , ZnS, Zn0 + Si 02 + Mn .) lên trên bề mặt của… tÊm thuû tinh trong suèt.
Nó có tác dụng phát sáng khi chùm tia điện tử bắn tới, kết quả là thu đợc hình ảnh của tín hiệu đa vào dao động ký điện tử. Tuỳ vào cách chế tạo mà ta có màn huỳnh quang với nhiều màu sắc khác nhau và độ h duy khác nhau.
Thông thờng ngời ta còn phủ thêm một lớp nhôm mỏng, đều và dày khoảng 50 mm ( Hình 7 ) để tăng độ chuẩn xác của màn hình.
Hình 7: Cấu tạo của màn huỳnh quang
II. Bộ tạo điện áp quét:
1.Nguyên lý quét thẳng trong dao động ký điện tử:
Để thu đợc hình dạng của tín hiệu dao động trên màn hình dao động ký
điện tử, thì ngời ta đa điện áp của tín hiệu cần nghiên cứu lên cặp điện cực làm lệch X là điện áp quét răng ca.
Điện áp quét răng ca là điện áp có hình dạng biến thiên bậc nhất theo thời gian nh h×nh r¨ng ca.
Hình 8: Dạng lý tởng của điện áp răng ca.
Với điện áp này chùm tia điện tử đợc quét với vận tốc đều theo phơng ngang. Nh vậy dới tác dụng đồng thời của cả hai điện trờng giữa hai cặp điện cực làm lệch, mà chùm tia điện tử dịch chuyển theo cả hai phơng 0x và oy. Khi này chùm tia điện tử dịch chuyển trên màn hình sẽ vạch ra hình dạng của tín hiệu cần nghiên cứu biến thiên theo thời gian. Ta có giảm đồ vẽ từng điểm tơng ứng theo thêi gian nh sau:
Hình 9: Giảm đồ các điểm tơng ứng tín hiệu nghiên cứu và điện áp quét khi Tq = Tth.
Khi U0 = Um thì điểm sáng ( ứng với vị trí chùm tia điện tử trên màn huỳnh quang ) sẽ ở đầu giới hạn cuối của đờng quét màn so với điểm giới hạn
đầu là khi điện áp bằng không ( điểm 1 và điểm 5 trên hình 9) . Sau khi hết một chu kỳ thì chùm tia điện tử trở về vị trí cũ. Sau đó, với các chu kỳ tiếp theo , nó lại cũng đợc quét đi quét lại trên cùng một quỹ đạo đó trên màn huỳnh quang.
Nếu tần số quét đủ cao, màn huỳnh quang có cao độ d duy đủ lớn ở mức cần thiết thì khi chỉ mới có điện áp quét đặt vào cặp điện cực làm lệch ngang x thì ta có một đờng sáng theo phơng nằm ngang. Khi có cả điện áp nghiên cứu đặt vào cặp điện cực làm lệch Y, và nếu chu kỳ điện áp quét răng ca bằng nột số nguyên lần chu kỳ của điện áp nghiên cứu thì ở trên màn hình xuất hiện dao động đồ của một hay vài chu kỳ của điện áp nghiên cứu.
Nếu không thoả mãn các điều kiện ở trên màn hình ta có một hình luôn di
động làm khó quan sát. Hiện tợng này gọi là không đồng bộ tức là không đồng pha giữa điện áp quét và điện áp nghiên cứu.
2. Nguyên lý tạo ra điện áp răng ca.
Để có điện áp răng ca nh mong muốn thì chúng ta lấy điện áp trên một tụ
điện khi nó đang phóng điện . Do đó dạng điện áp răng ca thu đợc trên thực tế là bị cong. Vì điện áp này biến thiên theo thời gian theo quy luật hàm mũ.
∫
= idt UC c1
H×nh 10
Muốn cho dạng tín hiệu điện áp quét gần giống dạng lý tởng thì ngời ta chỉ lấy một phần nhỏ ở đầu của đờng cong điện áp Uc
Hình 10: Dạng điện áp trên các bản của tụ khi tụ tích điện và phóng điện
Điện áp ( xung ) răng ca trên thực tế có dạng hình 11.
Phần điện áp răng ca có tốc độ biến thiên chậm hơn là phần thời gian quét thuận ( Tth) phần này dùng để vẽ dao động đồ. Vì sự phóng điện của tụ điện là không thể tức thời mà phải có khoảng thời gian nào đó. Thời gian này là khoảng thời gian quét ngợc ( Tng ) , nó cần thiết
để chùm tia điện tử trên màn hình dịch
chuyển trở lại vị trí ban đầu rồi tiếp tục quét trên địa quỹ đạo cũ.
Để làm mất tia quay lại ( do chùm tia điện tử dịch chuyển lại ) trong khoảng thời gian quét ngợc thì ở thời điểm bắt
đầu phóng, chúng ta đặt trên lới điều chế một điện áp âm lớn cản trở không cho chùm tia điện tử đi đến màn huỳnh quang.
Ngoài ra dao động ký điện tử còn
có các bộ phận. Mạch tạo điện áp quét Hình 11 : Hình dạng răng ca thu đợc và bộ khuếch đại. Trong khuôn khổ của đề tài không đi sâu nghiên cứu.
PhÇn III.
Đo một số đại lợng bằng dao động ký điện tử.
Sau khi đã chuẩn các thang đo, chúng ta dễ dàng đo đợc điện áp cũng nh tần số, pha của tín hiệu đ… a vào dao động ký điện tử, các thao tác nh sau:
Giả sử ta có các tín hiệu hình vẽ - Hình 12.
Hình 12: Dạng xung sin trên màn dao động ký điện tử.
1. Cách xác định biên độ:
Biên độ của sóng đợc xác định nhờ đo biên độ theo vạch thẳng đứng và nhân với số đặt ở núm điều khiển volts / Div
U = ( số vạch thẳng đứng ) x ( volts / Div ).
Ví dụ: Đối với tín hiệu có đồ hình nh hình trên thì biên độ sóng đợc xác
định.
Với núm điều khiển Volts / Div đặt tại vị trí 100mV thì điện áp đỉnh của sóng là.
U = ( 6 vạch ) x 100mv = 600mv.
2. Cách xác định tần số ( chu kỳ của tín hiệu ).
Chu kỳ của tín hiệu đợc xác định nhờ đo thời gian đối với một chu kỳ ở các vạch ngang và nhân với số đặt ở núm điều khiển Time / Div.
T = ( số vạch ngang / chu kỳ ) x ( time / Div ) Từ đây dễ dàng tính ra tần số của sóng : f =
T 1
f = 1/ Số vạch ngang / chu kỳ ) . ( time / div )
ví dụ : Với tín hiệu trên ta có : số vạch ngang / chu kỳ là = 4 vạch.Núm
điều khiển Time/div dặt tại vị trí 0.5ms, do đó chu kỳ của sóng sẽ là : T = 4x0.5
= 2ms HZ
f =T1 =500
⇒
3. Độ lệch của các tín hiệu :
Trớc tiên ta vặn núm Time/div về vị trí cuối cùng x - y (nếu là dao động ký điện tử 2 tia) và đa hai tín hiệu cần đo vào hai kênh CH1 và CH2. Nếu là dao
động ký điện tử một chùm tia thì ta đa hai tín hiệu cần đo vào hai kênh X và Y.
Khi đó vệt sáng trên màn hình chính là dao động tổng hợp của hai tín hiệu trên.
Giả sử trên màn hình của DĐKĐT, ta thu đợc nh hình 13 là một Elíp khi
đó ta có nhận xét: Các tín hiệu này lệch pha nhau một góc ∆ϕ=
2 π
Hình 13: Màn hình D ĐKĐT
Đối với các tín hiệu cùng tần số, ta có thể xác định độ lệch pha của hai tín hiệu trên D.Đ.K.Đ.T hai chùm tia nh sau :
Cùng hai tín hiệu hình sim nh trên hình 14
Gọi ∆Τ là hiệu số thời gian lúc bắt đầu của mỗi chu kỳ. vì mỗi chu kỳ Τ ứng với 3600 và hiệu số thời gian ∆ ϕ ( hiệu số pha của hai tín hiệu ) ∆ϕ =3600.
T
∆T
Hình 14: Hai tín hiệu hình sin trên màn D.Đ.K.Đ.T hai tia Ví dụ: ở các ví dụ trên ta có : T = 4 vạch ngang
∆T = 1 vạch ngang
⇒∆ϕ =3600. 900
4 1 =
⇒ hai sóng này lệch pha nhau 900.
Ngoài các ứng dụng này còn có một số ứng dụng khác của dao động ký tử
điện nh hiện hình các đặc tuyến của các lih kiện điện tử, khảo sát tín hiệu biến tÇn.
Ch
ơng IV - Xây dựng bài thí nghiệm trên bảng mạch UEE 2.
Trên bảng mạch UEE2 ( mô đun ) ta có thể xây dựng đợc hầu hết các bài thí nghiệm về điện xoay chiều một pha từ đơn giản đến phức tạp. Tuy nhiên để phù hợp với chơng trình kỹ thuật điện đối với ngành s phạm và một số ngành kỹ thuật không chuyên điện chúng tôi đã nghiên cứu và dẫn ra một số nội dung cụ thÓ nh sau.
4.1 Mạch điện xoay chiều có điện trở và điện dung . I. Mục đích:
- Nghiên cứu ảnh hởng của điện áp tới mạch điện có điện trở mắc nối tiếp - Nghiên cứu góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện trong tụ.
- Điện kháng của tụ điện.
II. Thiết bị yêu cầu:
Ngoài bảng mạch UEE2, khối nguồn EP4, bộ điều khiển chèn lỗi FIP thì
cần thêm các dụng cụ: Đồng hồ vạn năng, dao động ký, máy phát điện.
III. Cơ sở lý thuyết:
1. Giả sử tín hiệu đa vào mạch có dạng u = U0sinωt trong trờng hợp mạch
điện chỉ có điện trợ R theo định luật ôm dòng điện và điện áp có mối liên hệ với nhau theo công thức
R
i= u từ công thức này dễ dàng cho ta thấy dòng điện và
điện áp đồng pha với nhau.
Trờng hợp mạch điện chỉ có tụ điện thì mối liên hệ giữa dòng điện và điện
áp là:
dt cdu dt
i = dQ = , )
sin( 2 )
sin (
0 ω = 0 ω +π
= I t
dt t U cd
i dòng điện và điện áp lệch
pha nhau mét gãc
2
π , dòng điện nhanh pha hơn điện áp góc
2 π
2. Dung kháng.
Đại lợng
Xc c ω
= 1 gọi là dung kháng của tụ điện, còn
c
c X
Y = 1 là đại lợng nghịch đạo của dung kháng nó gọi là điện dẫn. Biên độ của dòng điện đợc tính
XC
I = U có sự tơng tự với định luật ôm . Xc có đơn vị là Ω.
3. Điện dung của tụ điện: