Máy ghi dao động

Máy ghi dao động (tiếng Anh: oscilloscope) là thiết bị điện tử dùng để quan sát hình dạng của tín hiệu điện bằng cách hiển thị nó theo thời gian hoặc so với một tín hiệu khác. Trong một số loại máy ghi dao động, một điểm sáng di chuyển trên màn hình ống tia điện tử theo biểu đồ của điện áp vào. Các máy ghi dao động hiện đại thường sử dụng màn hình LCD thay vì ống tia điện tử để hiển thị tín hiệu.

Cấu tạo

• Ống tia điện tử: Bộ phận chính của máy, sử dụng ống tia đơn được điều khiển bằng điện trường để hiển thị sóng trên màn hình, đóng vai trò điều khiển chính.
• Màn hình
• Súng điện từ
• Hệ thống điều khiển tia

Loại hình máy ghi dao động

Các loại máy ghi dao động bao gồm:

• Máy ghi dao động tần số thấp (< 20 MHz), tần số cao (100 MHz - 500 MHz), và siêu cao tần (trên 1 GHz)
• Máy ghi dao động xung
• Máy ghi dao động 2 tia và nhiều kênh
• Máy ghi dao động có bộ nhớ (loại tương tự và số)
• Máy ghi dao động số; không có bộ vi xử lý cài sẵn

Trong số đó, máy ghi dao động điện tử là phổ biến nhất.

Máy ghi dao động điện tử số

Cấu trúc

• Công tắc S ở vị trí 1: máy ghi dao động đa năng thông thường
• Công tắc S ở vị trí 2: máy ghi dao động với bộ nhớ số

- Điện áp cần đo được đưa vào đầu vào Y và qua bộ chuyển đổi từ analog sang số (ADC). Bộ điều khiển sau đó gửi lệnh đến đầu vào điều khiển của bộ ADC để bắt đầu quá trình chuyển đổi. Kết quả là điện áp tín hiệu được chuyển thành dạng số. Khi quá trình chuyển đổi hoàn tất, bộ ADC gửi tín hiệu kết thúc đến bộ điều khiển.

- Mỗi giá trị nhị phân được lưu vào bộ nhớ và được ghi vào các ô nhớ riêng biệt.

- Khi cần, một lệnh từ bộ điều khiển sắp xếp các giá trị nhị phân theo thứ tự đã xác định và gửi chúng trở lại bộ ADC.

- DAC chuyển đổi các giá trị nhị phân thành điện áp tương tự để truyền qua bộ khuếch đại Y đến cặp phiên làm lệch Y của ống tia điện tử.

- Vì bộ nhớ được quét liên tục nhiều lần mỗi giây, màn hình luôn được sáng và hiện thị dạng sóng dưới dạng các điểm sáng liên tục.

Ưu điểm

• Hiển thị hình ảnh tín hiệu rõ ràng trên màn hình với không gian hiển thị không bị giới hạn.
• Tốc độ đọc tín hiệu có thể điều chỉnh linh hoạt trong một phạm vi rộng.
• Có khả năng xem lại các đoạn hình ảnh với tốc độ thấp hơn rất nhiều so với thời gian thực.
• Chất lượng hình ảnh tốt hơn, với độ tương phản cao hơn so với các máy ghi dao động tương tự.
• Đơn giản trong việc vận hành.
• Thông số cần quan sát dưới dạng số có thể được xử lý trực tiếp trong máy ghi dao động hoặc truyền sang máy tính khi kết nối với máy tính.

Nhược điểm

Dải tần số bị giới hạn do tốc độ chuyển đổi của bộ ADC còn thấp. Tuy nhiên, các máy ghi dao động hiện đại có bộ nhớ với dải tần rộng hơn nhờ vào sự phát triển của vi xử lý và bộ ADC với tốc độ nhanh hơn. Hiện nay, dải tần số có thể đạt tới 100 MHz hoặc hơn.

Chỉ tiêu kỹ thuật của dao động ký

• Phạm vi tần số hoạt động: được xác định bởi phạm vi tần số quét. Để quan sát một tín hiệu với thời gian đi lên (rise time) T, sử dụng công thức PVCT * T = 0,35. Ví dụ, nếu T = 1*10^-9 giây (1 nanosec), tần số công tác của dao động ký cần đạt ít nhất 350 MHz. Theo khuyến nghị của hãng Agilent, băng thông của dao động ký nên gấp 5 lần tần số tín hiệu quan sát. Ví dụ, để theo dõi sóng sin 50 MHz, cần dao động ký có băng thông ít nhất 250 MHz.
• Tốc độ lấy mẫu (sample rate) trong một giây (sample/sec) - áp dụng cho dao động ký số. Tốc độ lấy mẫu thường gấp khoảng 10 lần tần số cao nhất cần đo. Ví dụ, để quan sát tín hiệu 1 MHz, tốc độ lấy mẫu phải là 10 triệu mẫu/giây.
• Độ dài bộ nhớ, tính bằng số điểm tín hiệu lưu trữ trong bộ nhớ; chỉ áp dụng cho dao động ký có bộ nhớ.
• Độ nhạy (hệ số lái tia theo chiều dọc): mV/cm

Là mức điện áp cần thiết để làm tia điện tử di chuyển 1 cm theo chiều dọc của màn hình khi được đưa vào đầu vào kênh dọc. Độ nhạy có thể được tính bằng mm/V.

• Đường kính màn hình: Dao động ký càng lớn và chất lượng cao, đường kính màn hình thường càng lớn (khoảng 70-150 mm).
• Cũng cần xem xét hệ số lái tia theo chiều ngang, trở kháng vào, và các yếu tố khác.

Giao diện của một dao động ký tương tự

• 1. Nút nguồn (POWER).
• 4. Điều chỉnh độ sáng của hình ảnh.
• 5. Điều chỉnh độ rõ nét của hình ảnh.
• 6. Nguồn tín hiệu 1 kHz (dùng để hiệu chỉnh probe).
• 7. Điều chỉnh vị trí tín hiệu trên màn hình.
• 8. Đảo ngược dạng sóng.
• 9. Điều chỉnh độ nhạy chiều dọc: thay đổi số mV hoặc V cho mỗi div (đơn vị của mỗi hàng).
• 10. Điều chỉnh phạm vi quan sát.
• 11. Chọn nối tín hiệu DC hoặc AC (DC cho tín hiệu một chiều hoặc tần số thấp, AC cho tín hiệu tần số cao).
• 13. Cổng nhận tín hiệu kênh 1 (Channel 1).
• 14. Cổng nhận tín hiệu kênh 2 (Channel 2).
• 15. Hiển thị tín hiệu của kênh 1, kênh 2 hoặc cả hai kênh.
• 16. Phóng đại hình ảnh.
• 17. Điều chỉnh dịch chuyển sóng theo chiều ngang.
• 19. Điều chỉnh thời gian: bao nhiêu millisec, usec, hay nanosec cho mỗi ngấn.
• 25. Điều chỉnh mức độ trigger.

Công dụng của dao động ký

Dao động ký có các chức năng chính sau:

• Quan sát toàn bộ hình dạng tín hiệu.
• Đo các tham số của tín hiệu:
  • Đo điện áp, dòng điện, công suất.
  • Đo tần số, chu kỳ, khoảng thời gian tín hiệu.
  • Đo độ lệch pha của tín hiệu.
  • Vẽ và đo đặc tính phổ của tín hiệu tự động.
  • Vẽ đặc tuyến Vôn-ampe của linh kiện.
  • Vẽ và đo đặc tuyến biên độ-tần số tự động.

Hướng dẫn sử dụng dao động ký

Tùy thuộc vào tần số, cường độ và dạng sóng của tín hiệu, phương pháp sử dụng sẽ khác nhau. Thông thường, bạn có thể áp dụng quy trình chung sau để hiển thị sóng và điều chỉnh các nút để có hình ảnh rõ nét hơn:

• Kết nối tín hiệu vào kênh 1, sau đó chọn DISPLAY CHANNEL ở số 1.
• Đặt VOLTS/DIV về mức trung bình.
• Đóng chức năng VARIABLE volts/div.
• Chuyển INPUT COUPLING của kênh 1 sang DC.
• Ngắt mọi chế độ phóng đại (MAGNIFICATION).
• Chọn TRIGGER MODE ở AUTO.
• Đóng TRIGGER HOLDOFF.
• Điều chỉnh TIME/DIVISION về các giá trị trung bình.
• Cuối cùng, xoay TRIGGER LEVEL cho đến khi sóng xuất hiện trên màn hình.