Thể loại: Bài viết nổi bật » Điện tử thực hành
Số lượt xem: 124786
Bình luận về bài viết: 1
Thực hiện phép đo dao động
Tất nhiên, một máy hiện sóng kỹ thuật số hoàn hảo hơn nhiều so với máy điện tử thông thường, nó cho phép bạn nhớ các dạng sóng, có thể kết nối với máy tính cá nhân, xử lý toán học các kết quả, đánh dấu màn hình và hơn thế nữa. Nhưng với tất cả các lợi thế, các thiết bị thế hệ mới này có một nhược điểm đáng kể - đây là một mức giá cao.
Chính cô là người làm cho máy hiện sóng kỹ thuật số không thể truy cập được cho mục đích nghiệp dư, mặc dù có dao động dao bỏ túi có giá trị chỉ vài nghìn rúp, được bán trên Aliexpress, nhưng nó không đặc biệt thuận tiện khi sử dụng chúng. Chà, chỉ là một món đồ chơi thú vị. Do đó, trong khi chúng ta sẽ nói về các phép đo bằng máy hiện sóng điện tử.
Về chủ đề chọn máy hiện sóng để sử dụng trong phòng thí nghiệm gia đình trên Internet, bạn có thể tìm thấy đủ số lượng diễn đàn. Không phủ nhận những ưu điểm của máy hiện sóng kỹ thuật số, trên nhiều diễn đàn, chúng tôi khuyên bạn nên chọn sử dụng máy hiện sóng đơn giản, kích thước nhỏ và đáng tin cậy C1-73 và C1-101 và tương tự, mà chúng tôi đã gặp trước đây bài viết này.
Với mức giá khá phải chăng, các thiết bị này sẽ cho phép bạn thực hiện hầu hết các tác vụ radio nghiệp dư. Trong khi đó, chúng ta hãy làm quen với các nguyên tắc đo lường chung bằng máy hiện sóng.
Hình 1. Máy hiện sóng S1-73
Thật là một máy đo dao động
Tín hiệu đo được đưa đến đầu vào của kênh lệch hướng dọc Y, có điện trở đầu vào lớn, thường là 1MΩ và điện dung đầu vào nhỏ, không quá 40pF, cho phép đưa ra độ méo tối thiểu vào tín hiệu đo được. Các tham số này thường được chỉ định bên cạnh đầu vào của kênh lệch hướng dọc.
Hình 2. Máy hiện sóng C1-101
Trở kháng đầu vào cao là điển hình của vôn kế, vì vậy có thể nói rằng dao động đo điện áp là an toàn. Việc sử dụng các bộ chia đầu vào bên ngoài cho phép bạn giảm điện dung đầu vào và tăng trở kháng đầu vào. Nó cũng làm giảm ảnh hưởng của máy hiện sóng đến tín hiệu đang được điều tra.
Cần nhớ rằng có các máy hiện sóng tần số cao đặc biệt, trở kháng đầu vào chỉ là 50 Ohms. Trong thực tế radio nghiệp dư, các thiết bị như vậy không tìm thấy ứng dụng. Do đó, chúng tôi sẽ tập trung vào dao động phổ thông thường.
Băng thông kênh Y
Máy hiện sóng đo điện áp trong một phạm vi rất rộng: từ điện áp DC đến điện áp có tần số đủ cao. Sự thay đổi điện áp có thể khá đa dạng, từ hàng chục milivol đến hàng chục volt và khi sử dụng các bộ chia ngoài lên đến vài trăm volt.
Cần lưu ý rằng băng thông của kênh có độ lệch dọc Y db không ít hơn 5 lần so với tần số tín hiệu cần đo. Đó là, bộ khuếch đại của độ lệch dọc phải vượt qua ít nhất sóng hài thứ năm của tín hiệu đang nghiên cứu. Điều này đặc biệt cần thiết khi nghiên cứu các xung hình chữ nhật có chứa nhiều sóng hài, như trong Hình 3. Chỉ trong trường hợp này, một hình ảnh với độ méo tối thiểu mới thu được trên màn hình.
Hình 3. Tổng hợp tín hiệu hình chữ nhật từ các thành phần hài
Ngoài tần số cơ bản, Hình 3 cho thấy sóng hài thứ ba và thứ bảy. Khi số hài tăng lên, tần số của nó tăng: tần số của sóng hài thứ ba cao gấp ba lần so với cơ bản, sóng hài thứ năm là năm lần, thứ bảy là bảy, v.v. Theo đó, biên độ của sóng hài càng giảm càng giảm: số hài càng cao thì biên độ của nó càng thấp. Chỉ khi bộ khuếch đại của kênh dọc mà không bị suy giảm nhiều có thể bỏ lỡ sóng hài cao hơn, hình ảnh của xung sẽ là hình chữ nhật.
Hình 4 cho thấy dạng sóng của một uốn khúc với băng thông Y kênh không đủ.
Hình 4
Máy uốn khúc có tần số 500 KHz trông giống như thế này trên màn hình của máy hiện sóng OMSh-3M với băng thông 0 ... 25 KHz. Như thể các xung hình chữ nhật được truyền qua một mạch RC tích hợp. Một máy hiện sóng như vậy được sản xuất bởi ngành công nghiệp Liên Xô cho công việc phòng thí nghiệm trong các bài học vật lý trong trường học. Ngay cả điện áp cung cấp của thiết bị này vì lý do an toàn không phải là 220, mà chỉ là 42V. Một điều hoàn toàn rõ ràng là một máy hiện sóng có băng thông như vậy sẽ giúp có thể quan sát tín hiệu có tần số không quá 5 kHz mà hầu như không bị biến dạng.
Đối với máy hiện sóng vạn năng thông thường, băng thông thường là 5 MHz. Ngay cả với dải tần như vậy, bạn có thể thấy tín hiệu lên đến 10 MHz và cao hơn, nhưng hình ảnh nhận được trên màn hình cho phép bạn chỉ phán đoán sự hiện diện hay vắng mặt của tín hiệu này. Sẽ rất khó để nói bất cứ điều gì về hình dạng của nó, nhưng trong một số trường hợp, hình dạng không quá quan trọng: ví dụ, có một máy phát sóng hình sin, và chỉ cần đảm bảo rằng có sóng hình sin này hay không. Một tình huống như vậy được hiển thị trong Hình 4.
Các hệ thống máy tính và đường truyền thông hiện đại hoạt động ở tần số rất cao, theo thứ tự hàng trăm megahertz. Để xem các tín hiệu tần số cao như vậy, băng thông của máy hiện sóng phải có ít nhất 500 MHz. Một ban nhạc rộng như vậy thực sự mở rộng giá của dao động.
Một ví dụ là máy hiện sóng kỹ thuật số U1610A, được hiển thị không trong Hình 5. Băng thông của nó là 100 MHz và giá gần 200.000 rúp. Đồng ý, không phải ai cũng có đủ khả năng để mua một thiết bị đắt tiền như vậy.
Hình 5
Để người đọc không coi bức tranh này là một quảng cáo, vì tất cả các tọa độ của người bán không được tô vẽ: bất kỳ ảnh chụp màn hình tương tự nào cũng có thể xuất hiện ở vị trí của bức tranh này.
Các loại tín hiệu nghiên cứu và các tham số của chúng
Loại dao động phổ biến nhất trong tự nhiên và công nghệ là hình sin. Đây là hàm đau khổ tương tự Y = sinX, được tổ chức tại trường trong các bài học về lượng giác. Khá nhiều quá trình điện và cơ học có hình dạng hình sin, mặc dù khá thường xuyên các dạng tín hiệu khác được sử dụng trong công nghệ điện tử. Một số trong số chúng được hiển thị trong Hình 6.
Hình 6. Các dạng rung động điện
Tín hiệu định kỳ. Đặc điểm tín hiệu
Một máy hiện sóng điện tử phổ quát cho phép bạn nghiên cứu chính xác các tín hiệu định kỳ. Nếu, trên đầu vào Y, bạn gửi tín hiệu âm thanh thực, ví dụ: bản ghi âm nhạc, thì các âm thanh nhấp nháy ngẫu nhiên sẽ hiển thị trên màn hình. Đương nhiên, không thể điều tra một tín hiệu như vậy một cách chi tiết. Trong trường hợp này, việc sử dụng máy hiện sóng lưu trữ kỹ thuật số sẽ giúp ích, cho phép bạn lưu dạng sóng.
Các dao động trong Hình 6 là định kỳ, được lặp lại sau một khoảng thời gian nhất định T. Điều này có thể được xem xét chi tiết hơn trong Hình 7.
Hình 7. Biến động định kỳ
Các dao động được mô tả trong một hệ tọa độ hai chiều: ứng suất được đo dọc theo trục tọa độ và thời gian được đo dọc theo trục abscissa. Điện áp được đo bằng vôn, thời gian tính bằng giây. Đối với các rung động điện, thời gian thường được đo bằng mili giây hoặc micro giây.
Ngoài các thành phần X và Y, dạng sóng cũng chứa thành phần Z - cường độ, hoặc đơn giản là độ sáng (hình 8). Đó là cô ấy bật chùm tia trong thời gian của chùm tia phía trước và dập tắt cho thời gian của cú đánh trở lại. Một số máy hiện sóng có đầu vào để kiểm soát độ sáng, được gọi là đầu vào Z. Nếu bạn áp một điện áp xung từ một máy phát mẫu cho đầu vào này, bạn có thể thấy nhãn tần số trên màn hình. Điều này cho phép bạn đo chính xác hơn thời lượng của tín hiệu dọc theo trục X.
Hình 8. Ba thành phần của tín hiệu được điều tra
Máy hiện sóng hiện đại, theo quy luật, quét hiệu chỉnh thời gian cho phép định thời chính xác. Do đó, sử dụng một trình tạo bên ngoài để tạo thẻ thực tế là không cần thiết.
Trên đỉnh của Hình 7 là một sóng hình sin. Thật dễ dàng để thấy rằng nó bắt đầu ở đầu hệ tọa độ. Trong thời gian T (khoảng thời gian), một dao động hoàn chỉnh được thực hiện. Sau đó, mọi thứ lặp lại, giai đoạn tiếp theo. Những tín hiệu như vậy được gọi là định kỳ.
Tín hiệu hình chữ nhật được hiển thị bên dưới sóng hình sin: xung quanh và xung hình chữ nhật. Chúng cũng định kỳ với chu kỳ T. Thời lượng xung được ký hiệu là (tau). Trong trường hợp của một lần uốn khúc, thời lượng xung τ bằng với thời gian tạm dừng giữa các xung, chỉ bằng một nửa chu kỳ T. Do đó, phần uốn khúc là trường hợp đặc biệt của tín hiệu hình chữ nhật.
Nhiệm vụ và tỷ lệ thuế
Để mô tả các xung hình chữ nhật, một tham số gọi là chu kỳ nhiệm vụ được sử dụng. Đây là tỷ lệ của chu kỳ lặp lại T với thời lượng xung τ. Đối với phần uốn khúc, chu kỳ nhiệm vụ bằng hai, - giá trị là không thứ nguyên: S = T /.
Trong thuật ngữ tiếng Anh, chỉ ngược lại là đúng. Ở đó, các xung được đặc trưng bởi chu kỳ nhiệm vụ, tỷ lệ giữa thời gian xung với chu kỳ của chu kỳ Duty: D = / T Hệ số điền được biểu thị bằng %%. Như vậy, đối với phần uốn khúc, D = 50%. Nó chỉ ra rằng D = 1 / S, chu kỳ nhiệm vụ và chu kỳ nhiệm vụ là nghịch đảo lẫn nhau, mặc dù chúng đặc trưng cho cùng một tham số xung. Dạng sóng của uốn khúc được thể hiện trong Hình 9.
Hình 9. Dạng sóng của uốn khúc D = 50%
Ở đây, đầu vào của máy hiện sóng được kết nối với đầu ra của bộ tạo chức năng, được hiển thị ngay ở góc dưới của hình. Và ở đây, một người đọc chu đáo có thể đặt câu hỏi: Biên độ của tín hiệu đầu ra từ máy phát 1V, độ nhạy của đầu vào dao động là 1V / div. Và màn hình hiển thị các xung hình chữ nhật có cường độ 2V. Tại sao?
Thực tế là bộ tạo chức năng tạo ra các xung hình chữ nhật lưỡng cực tương ứng với mức 0V, gần giống như một hình sin, với biên độ dương và âm. Do đó, các xung có nhịp ± 1V được quan sát trên màn hình dao động. Trong hình dưới đây, chúng tôi thay đổi chu kỳ thuế, ví dụ, thành 10%.
Hình 10. Động lượng hình chữ nhật D = 10%
Dễ dàng thấy rằng thời gian lặp lại xung là 10 ô, trong khi thời lượng xung chỉ là một ô. Do đó, D = 1/10 = 0,1 hoặc 10%, như có thể thấy từ cài đặt của trình tạo. Nếu bạn sử dụng công thức để tính chu kỳ nhiệm vụ, bạn nhận được S = T / τ = 10/1 = 1 - giá trị là không thứ nguyên. Ở đây chúng ta có thể kết luận rằng chu kỳ nhiệm vụ đặc trưng cho xung lực rõ ràng hơn nhiều so với chu kỳ nhiệm vụ.
Trên thực tế, bản thân tín hiệu vẫn giống như trong Hình 9: một xung hình chữ nhật có biên độ 1 V và tần số 100 Hz. Chỉ có yếu tố điền hoặc chu kỳ nhiệm vụ đang thay đổi, nó giống như một người quen thuộc hơn và thuận tiện hơn. Nhưng để thuận tiện cho việc quan sát trong Hình 10, thời lượng quét giảm một nửa so với Hình 9 và là 1ms / div. Do đó, thời gian tín hiệu mất 10 ô trên màn hình, điều này giúp dễ dàng xác minh rằng chu kỳ nhiệm vụ là 10%. Khi sử dụng máy hiện sóng thực, thời gian quét được chọn xấp xỉ như nhau.
Đo điện áp xung hình chữ nhật
Như đã đề cập ở đầu bài viết, máy hiện sóng đo điện áp, tức là sự khác biệt tiềm năng giữa hai điểm. Thông thường, các phép đo được thực hiện liên quan đến một dây chung, mặt đất (zero volt), mặc dù điều này là không cần thiết. Về nguyên tắc, có thể đo từ giá trị tín hiệu tối thiểu đến tối đa (giá trị cực đại, cực đại đến cực đại). Trong mọi trường hợp, các bước đo khá đơn giản.
Các xung hình chữ nhật thường là đơn cực, đặc trưng cho công nghệ kỹ thuật số. Cách đo điện áp của xung hình chữ nhật được chỉ ra trong Hình 11.
Hình 11. Đo biên độ của xung hình chữ nhật
Nếu độ nhạy của kênh độ lệch dọc là 1V / div, thì hóa ra hình vẽ cho thấy một xung có điện áp 5,5V. Với độ nhạy 0,1V / div. Điện áp sẽ chỉ 0,5V, mặc dù trên màn hình cả hai xung trông giống hệt nhau.
Những gì khác có thể được nhìn thấy trong một xung hình chữ nhật
Các xung hình chữ nhật được hiển thị trong Hình 9, 10 đơn giản là lý tưởng vì chúng được Điện tử WorkBench tổng hợp. Và tần số xung chỉ là 100 Hz, do đó, các vấn đề với "độ vuông" của hình ảnh không thể phát sinh. Trong một thiết bị thực, với tốc độ lặp lại cao, các xung có phần bị méo, trước hết, các đợt tăng và nổ khác nhau xuất hiện do độ tự cảm cài đặt, như trong Hình 12.
Hình 12. Xung hình chữ nhật thực
Nếu bạn không chú ý đến những "chuyện vặt" như vậy, thì xung hình chữ nhật trông giống như trong Hình 13.
Hình 13. Các tham số của xung hình chữ nhật
Hình vẽ cho thấy các cạnh đầu và cuối của xung không xuất hiện ngay lập tức, nhưng có một số thời gian tăng và giảm và có phần nghiêng so với đường thẳng đứng. Độ dốc này là do các đặc tính tần số của vi mạch và bóng bán dẫn: bóng bán dẫn tần số cao càng cao, "mặt trước" của xung càng ít. Do đó, thời lượng xung được xác định bởi mức 50% của toàn dải.
Vì lý do tương tự, biên độ của xung được xác định bởi mức 10 ... 90%. Thời lượng xung, cũng như điện áp, được xác định bằng cách nhân số lần chia của tỷ lệ ngang với giá trị phân chia, như trong Hình 14.
Hình 14.
Hình vẽ cho thấy một khoảng thời gian của một xung hình chữ nhật, hơi khác so với phần uốn khúc: thời lượng của một xung dương là 3,5 phần của tỷ lệ ngang và thời gian tạm dừng là 3,8 phần. Thời gian lặp lại xung là 7,3 đơn vị. Một hình ảnh như vậy có thể thuộc về một số xung khác nhau với tần số khác nhau. Mọi thứ sẽ phụ thuộc vào thời gian quét.
Giả sử thời lượng quét là 1ms / div. Sau đó, khoảng thời gian lặp lại xung là 7,3 * 1 = 7,3ms, tương ứng với tần số F = 1 / T = 1 / 7.3 = 0.1428KHz hoặc 143 Hz. Nếu thời lượng quét là 1 lần / div, thì tần số sẽ cao hơn gấp ngàn lần, cụ thể là 143KHZ.
Sử dụng dữ liệu trong Hình 14, không khó để tính chu kỳ nhiệm vụ xung: S = T / = 7.3 / 3.5 = 2.0857, nó hóa ra gần giống như một khúc quanh. Chu kỳ nhiệm vụ chu kỳ nhiệm vụ D = τ / T = 3.5 / 7.3 = 0.479 hoặc 47.9%. Cần lưu ý rằng các tham số này hoàn toàn không phụ thuộc vào tần số: chu kỳ nhiệm vụ và chu kỳ nhiệm vụ được tính toán đơn giản bằng cách chia trên dạng sóng.
Với các xung hình chữ nhật, mọi thứ dường như rõ ràng và đơn giản. Nhưng chúng tôi hoàn toàn quên mất sóng hình sin. Trong thực tế, điều tương tự là ở đó: bạn có thể đo điện áp và tham số thời gian. Một chu kỳ sóng hình sin được hiển thị trong Hình 15.
Hình 15. Thông số sóng hình sin
Rõ ràng, đối với hình sin thể hiện trong hình, độ nhạy của kênh lệch hướng dọc là 0,5 V / div. Các tham số còn lại có thể được xác định dễ dàng bằng cách nhân số lần chia cho 0,5V / div.
Sóng hình sin cũng có thể là một sóng khác, sẽ phải được đo bằng độ nhạy, ví dụ, 5V / div. Sau đó, thay vì 1V, bạn nhận được 10V. Tuy nhiên, trên màn hình, hình ảnh của cả hai hình sin trông giống hệt nhau.
Thời gian của hình sin được hiển thị là không rõ. Nếu chúng tôi giả sử rằng thời lượng quét là 5ms / div, khoảng thời gian sẽ là 20ms, tương ứng với tần số 50Hz. Các số tính theo độ trên trục thời gian biểu thị pha của hình sin, mặc dù điều này không đặc biệt quan trọng đối với một hình sin. Thường xuyên hơn là cần thiết để xác định sự dịch pha (trực tiếp tính bằng mili giây hoặc micro giây) ít nhất là giữa hai tín hiệu. Điều này được thực hiện tốt nhất với một máy hiện sóng hai chùm tia. Làm thế nào điều này được thực hiện sẽ được hiển thị dưới đây.
Làm thế nào để đo dòng điện bằng máy hiện sóng
Trong một số trường hợp, cần phải đo cường độ và hình dạng của dòng điện. Ví dụ, dòng điện xoay chiều chạy qua một tụ điện đi trước điện áp bằng ¼ chu kỳ. Sau đó, một điện trở có điện trở nhỏ (một phần mười của Ohm) được bao gồm trong mạch mở. Điện trở như vậy không ảnh hưởng đến hoạt động của mạch. Việc giảm điện áp trên điện trở này sẽ cho thấy hình dạng và cường độ của dòng điện chạy qua tụ điện.
Một ampe kế đo tương tự được sắp xếp theo cách tương tự, sẽ được bao gồm trong việc phá vỡ mạch điện. Trong trường hợp này, điện trở đo được đặt bên trong ampe kế.
Mạch đo dòng điện qua tụ điện được hiển thị trong Hình 16.
Hình 16. Đo hiện tại thông qua một tụ điện
Một điện áp hình sin 50 Hz với biên độ 220 V từ máy phát XFG1 (chùm màu đỏ trên màn hình dao động) được cung cấp cho mạch nối tiếp từ tụ C1 và điện trở đo R1. Việc giảm điện áp trên điện trở này sẽ cho thấy hình dạng, pha và cường độ của dòng điện qua tụ điện (chùm màu xanh). Nó sẽ trông như thế nào trên màn hình dao động được hiển thị trong Hình 17.
Hình 17. Dòng điện qua tụ điện đi trước điện áp bằng ¼ chu kỳ
Ở tần số sóng hình sin là 50 Hz và thời gian quét là 5 ms / Div, một chu kỳ sóng hình sin có 4 phân chia dọc theo trục X, rất thuận tiện cho việc quan sát. Dễ dàng thấy rằng tia màu xanh đi trước màu đỏ bằng cách chia chính xác 1 dọc theo trục X, tương ứng với ¼ chu kỳ. Nói cách khác, dòng điện qua tụ điện đi trước điện áp pha, hoàn toàn phù hợp với lý thuyết.
Để tính toán dòng điện qua tụ điện, việc sử dụng định luật Ohm là đủ: I = U / R. Khi điện trở của điện trở đo là 0,1 Ohm, điện áp rơi trên nó là 7 mV. Đây là giá trị biên độ. Khi đó dòng điện cực đại qua tụ điện sẽ là 7 / 0,1 = 70mA.
Đo hình dạng của dòng điện qua tụ điện không phải là một nhiệm vụ rất khẩn cấp, mọi thứ đều rõ ràng ở đây và không có phép đo. Thay vì một tụ điện, có thể có bất kỳ tải: cuộn cảm, cuộn dây động cơ, giai đoạn khuếch đại bóng bán dẫn và nhiều hơn nữa. Điều quan trọng là phương pháp này có thể được sử dụng để nghiên cứu dòng điện, trong một số trường hợp khác biệt đáng kể về hình thức so với điện áp.
Boris Aladyshkin
Xem thêm tại electro-vi.tomathouse.com
: