Giới thiệu nguyên lý máy đo hiện sóng "Oscilloscope"

Máy hiện sóng Oscilloscope

Những chuyên gia chuyên nghiên cứu về kỹ thuật Công nghệ và đông đảo những người làm nghề sản xuất, lắp  ráp, sửa chữa các thiết bị Điên tử viễn thông, CNTT, và công nghệ cao nói chung chuyên nghiệp, luôn đồng hành bên mình một vũ khí lợi hại để giải quyết công việc của mình một cách nhanh chóng chính xác và đạt hiệu quả cao. Vũ khí đó là: Oscilloscope

Ta cùng tìm hiểu nó nhé

1. Giới thiệu chung

Máy đo hiện sóng 2 tia "OSCILLOSCOPE  EZD - 5030"

Máy Hiện sóng “oscilloscope” là một thiết bị hiển thị đồ thị - nó vẽ ra đồ thị của một tín hiệu điện. Trong hầu hết các ứng dụng, đồ thị chỉ ra tín hiệu thay đối thế nào theo thời gian: Trục dọc (Y) biểu diễn điện áp và trục ngang (X) biểu diễn thời gian. Cường độ hay độ sáng của sự hiển thị đôi khi được gọi là trục Z. Đây là đồ thị đơn giản có thể chỉ ra cho ta nhiều điều về một tín hiệu.

Sau đây là một số công năng:

• Nhận dạng tín hiệu (Xung vuông, răng cưa, hình sin, tin hiệu hình, tín hiệu tiếng…)
• Xác định rõ các giá trị thời gian và mức điện áp và đường đi của một tín hiệu
• Tính toán được tần số của một tín hiệu dao động
• Nhận thấy “các phần động” của một mạch điện được biểu diễn bởi tín hiệu
• Chỉ ra nếu một thành phần lỗi làm méo dạng tín hiệu
• Tìm ra tín hiệu như thế nào là dòng một chiều hay dòng xoay chiều
• Chỉ ra tín hiệu như thế nào là nhiễu và nếu có thì nhiễu thay đổi thế nào theo thời gian

Máy oscilloscope trông rất giống với một cái tivi nhỏ, nó có một mạng lưới được vẽ trên màn hình và có nhiều núm điều khiển hơn tivi. Mặt trước của một oscilloscope thường có các phần điều khiển được chia thành các phần Dọc, Ngang và Trigger. Có các điều khiển hiển thị và các đầu nối đầu vào.

2. Chức năng của Oscilloscope

Sự hữu ích của một máy oscilloscope không bị giới hạn chỉ trong thế giới của các thiết bị điện tử. Với một bộ chuyển đổi thích hợp, một máy oscilloscope có thể đo đạc được tất cả các kiểu hiện tượng. Một bộ chuyển đổi là một thiết bị mà tạo ra tín hiệu điện đáp ứng lại các kích thích vật lí, ví dụ như âm thanh, áp lực cơ khí, áp suất, ánh sáng hoặc nhiệt độ. Ví dụ như, một microphone là một bộ chuyển đổi

Một kỹ sư ô tô có thê dùng máy oscilloscope để đo đạc sự rung của động cơ. Một nghiên cứu sinh y khoa có thể dùng máy oscilloscope để đo đạc các sóng não. Các khả năng là vô tận

3. Oscilloscope số và tương tự

Thiết bị điện tử có thể được chia làm 2 loại: tương tự và số. Thiết bị tương tự làm việc với các điện áp biến đổi liên tục, trong khi thiết bị số làm việc với các số nhị phân rời rạc mà có thể biểu diễn các mẫu điện áp. Lấy ví dụ, máy quay đĩa thông thường là thiết bị tương tự, còn máy chơi đĩa compact là một thiết bị số.

Các máy oscilloscope cũng có các loại tương tự và loại số. Máy oscilloscope tương tự là việc trực tiếp với điện áp đặt vào được đo để di chuyển dòng electron ngang qua màn hình máy oscilloscope

Trái lại, máy oscilloscope số lấy mẫu dạng sóng và dùng một bộ chuyển đổi tương tự/số (A ó D) để chuyển đổi điện áp được đo thành thông tin số. Sau đó, nó dùng thông tin số này để tái cấu trúc lại dạng sóng trên màn hình

Đối với nhiều ứng dụng, hoặc là máy oscilloscope số hoặc là máy oscilloscope tương tự sẽ được dùng. Tuy nhiên, mỗi loại máy có một số đặc tính riêng làm cho nó thích hợp hơn hoặc kém thích hợp hơn trong
các tác vụ riêng

Người ta thướng thích các máy oscilloscope tương tự hơn vì nó quan trọng để hiển thị nhanh chóng các tín hiệu đang thay đổi trong thời gian thực (hay như là chúng đang diễn ra)

Các máy oscilloscope số cho phép bạn ghi lại và xem các sự kiện mà chúng có thể chỉ diễn ra duy nhất 1 lần. Chúng có thể xử lý dữ liệu dạng sóng số và gửi các dữ liệu đó tới máy tính để xử lý. Như vậy, chúng có thể lưu trữ dữ liệu dạng sóng số để xem và in ra sau đó.

4. Nguyên lý hoạt động của máy Oscilloscope

Nguyên lý chung:

Sơ đồ khối tổng quát

Một oscilloscope cũng gồm một đèn điện tử (cathode ray tube), mặc dù kích thước và hình dạng khác nhau nhưng nguyên lí hoạt động thì giống nhau .Bên trong ống là chân không. Chùm điện tử được phát ra từ cathode được làm nóng ở phía sau ống chân không được gia tốc và làm cho hội tụ bởi một hay nhiều anodes đập vào phía trước ống làm một điểm trên màn hình phủ photpho của ống phát sáng .
Chùm điện tử được bẻ cong ,được làm lệch nhờ điện áp đặt vào các bản cực cố đình trong ống chân không. Các bản cực lái theo chiều ngang hay các bản cực X tạo ra chuyển động của chùm điện tử theo phương ngang .
Như bạn nhìn thấy ở sơ đồ , chúng được liên kết với một khối hệ thống gọi là “chu kì cơ sơ”.Cái này tạo ra một sóng dạng răng cưa nhìn thấy được trên màn hình oscillocope. Trong khi tăng pha của xung răng cưa , điểm sáng được điều khiển ở cùng tốc độ từ trái tới phải ra phía trước của màn hình . Trong suôt quá trình
giảm pha ,chùm điện tử quay lại nhanh chóng từ trái qua phải và điểm trên màn hình được để trắng để không hiển thị lên màn hình . Theo cách nay , “chu kì cơ sơ “ tạo ra trục X của đồ thị tín hiệu trên màn hình của oscilloscope .

Độ dốc của sự sai pha thay đổi theo tần số của xung răng cưa và được điều
chỉnh sử dụng núm điều khiển TIME/DIV để thay đổi thang đo của trục X.
Việc màn hình chía thành các ô vuông cho phép thang đo trục ngang có thể được biểu diễn theo giay, mili giây hay micro giây trên môt phép chia (đơn vị chía).

Tín hiệu được hiển thị được kết nối với đầu vào. Chuyển mach DC/AC thường được giữ ỏ vị trí DC để có sự kêt nối trực tiếp với bộ khuêch đại Y.

Ở vị trí AC chuyển mạch mở một tụ điện được đặt ỏ đường dẫn tín hiệu ngăn cản tín hiệu một chiều qua nó nhưng lại cho phép tín hiệu xoay chiều đi qua/

Bộ khuêch đại Y được nối vào các bản cực Y để mà tạo ra trục Y trên đồ thị của tín hiệu hiển thị trên màn hình của oscilloscope . Bộ khuêch đại Y có thể được điều chỉnh thông qua num điều chỉnh VOLTS/DIV để kết quả hiển thị hoặc quá bé hoặc quá lớn làm cho phù hợp với màn hình và có thể được nhìn thấy rõ ràng. Thang đo thường sử dụng là V/DIV hay là mV/DIV.

Mạch kích được sử đụng để làm trễ tín hiệu “chu kì cơ sở” để đồng bộ phần của tín hiệu ra hiển thị trên màn hình mỗi lần vết chuyển động qua. Hiệu ứng này cho ta hình ảnh ổn định trên màn hình làm cho nó dễ dàng được đo và giải thích tín hiệu .

Thay đổi thang đo của X và Y cho phép nhiều tín hiệu được hiển thị , đôi khi nó cũng hữu ích để thay đổi vị trí các trục .Sự thay đổi này sử dụng núm điều chỉnh X-POS và Y-POS

Để hiểu hơn về các điều khiển của máy oscilloscope, bạn cần phải biết thêm một chút về việc làm thế nào các máy oscilloscope hiển thị một tín hiệu. Các máy oscilloscope tương tự làm việc có phần khác hơn các máy oscilloscope số. Tuy nhiên, một vài phần hệ thống bên trong của chúng là tương đồng. Khái niệm về các máy oscilloscope số có phần đơn giản hơn và được mô tả trước, sau đó đến các máy oscilloscope số

4.1 Oscilloscope tương tự

Khi bạn nối đầu dò của máy oscilloscope vào mạch điện, tín hiệu điện áp đi qua đầu dò tới hệ thống dọc của máy oscilloscope

Tùy thuộc vào bạn thiết đặt chia thang đo dọc (điều khiển volts/div) như thế nào thì bộ suy hao làm giảm điện áp tín hiệu hoặc là bộ khuếch đại làm tăng điện áp tín hiệu

Điện áp đặt vào các bản lái tia làm cho một điểm sáng di chuyển. (môt dòng electron đập vào lớp phosphor bên trong  CRT tạo ra điểm sáng). Điện áp dương làm cho điểm sáng đi lên trong khi điện áp âm làm cho điểm sáng đi xuống.

Tín hiệu cũng đồng thời đi tới hệ thống trigger để khởi động hay kích một “quét ngang”. Quét ngang là một thuật ngữ chỉ việc hệ thống ngang làm cho điểm sáng di chuyển ngang trên màn hình. Việc kích hệ thống ngang gây ra thời gian cơ bản để di chuyển điếm sang ngang trên màn hình từ trái sang phải trong một khoảng thời gian xác định. Nhiều lần quét thành các dãy nhanh làm cho chuyển động của điểm sáng được hợp thành một đường liền nét. Ở các tốc độ cao hơn, điểm sáng có thể quét ngang màn hình lên tới 500,000 lần mỗi giây

Cùng với nhau, việc quét ngang và việc lái dọc vạch ra một đồ thị tín hiệu trên mành hình. Bộ kích khởi
là cần thiết để ổn định hóa tín hiệu tuần hoàn. Nó đảm bảo rằng lần quét bắt đầu ở cùng một điểm với tín hiệu tuần hoàn, dẫn tới một hình ảnh rõ ràng được chỉ ra trên hình sau:

Kết luận lại, để dùng một máy oscilloscope tương tự, bạn cần điều chỉnh ba thiết lập cơ bản để thích ứng với tín hiệu đưa vào:

• Việc làm suy giảm hoặc khuếch đại tín hiệu. Dùng điều khiển volts/div để điều chỉnh biên độ của tín hiệu trước khi nó được đặt vào các bản lái
  tia chiều dọc.
• Thời gian cơ bản.
  Dùng điều khiển sec/div để thiết đặt độ lớn của thời gian trên mỗi khoảng chia được biển diễn ngang qua màn hình
• Kích khởi máy oscilloscope. Sử dụng mức kích để ổn định hóa tín hiệu tuần hoàn cũng như việc kích các sự kiện đơn

Cũng vậy, việc điều chỉnh các điều khiển tiêu cự và cường độ cho phép bạn tao ra hình ảnh sắc nét và dễ nhìn (không bị chói)

4.2 Oscilloscope số

Một vài hệ thống mà được cấu thành từ các máy oscilloscope số thì cũng tương tự như bằng các máy oscilloscope tương tự; tuy nhiên, các máy oscilloscope số bao gồm thêm hệ thống xử lý số liệu (Xem hình 8). Với hệ thống thêm vào, máy oscilloscope số thu thập số liệu cho toàn bộ dạng sóng và sau đó hiển thị chúng

Khi bạn nối đầu dò của máy oscilloscope số vào mạch điện; hệ thống dọc sẽ điều chỉnh biên độ của
tín hiệu như trong máy oscilloscope tương tự

Tiếp tới, bộ chuyển đổi tương tự/số trong hệ thống thu thập lấy mẫu tín hiệu ở các thời điểm rời rạc và chuyển đổi điện áp tín hiệu ở các điểm này thành giá trị số, gọi là các điểm lấy mẫu. Xung lấy mẫu của hệ thống ngang quy định bộ ADC lấy mẫu bao nhiên lần. Tốc độ mà ở đó xung “ticks” được gọi là tốc độ lấy mẫu và đươc đo bằng số mẫu trên giây.

Các điểm mẫu từ ADC được lưu trữ trong bộ nhớ như là các điểm dạng sóng. Có nhiều hơn một điểm mẫu có thể cấu thành nên một điểm dạng sóng.

Cùng với nhau, các điểm dạng sóng cấu thành nên một bản ghi dạng sóng. Số điểm sóng được dùng để tạo nên một bản ghi dạng sóng được gọi là độ dài bản ghi. Hệ thống kích khởi quy định điểm bắt đầu và điểm kết thúc bản ghi. Màn hình nhận các điểm bản ghi này sau khi chúng được lưu trữ trong bộ nhớ

Tùy thuộc vào khả năng của máy oscilloscope của bạn, việc xử lý thêm các điểm mẫu có thể được tiến hành để làm nâng cao chất lượng hiển thị. Bộ tiền kích khởi có thể hữu ích cho phép bạn xem các sự kiện trước điểm kích.

Về cơ bản, với một máy máy oscilloscope số cũng như với máy máy oscilloscope tương tự, bạn cần điều chỉnh các thiết lập dọc, ngang và kích khởi để có thể đo đạc được.