Bài 2: Sử dụng dao động ký số trong đo lường môn Kĩ thuật đo | Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Bài 2: SỬ DỤNG DAO ĐỘNG KÝ SỐ VÀ PHÁT TÍN HIỆU TRONG ĐO LƯỜNG
I. Mục đích thí nghiệm:
1. Nắm được cấu tạo, nguyên lý và chức năng của dao động ký.
2. Biết sử dụng các chức năng trên dao động ký số để thực hiện các phép đo cụ thể.
3. Đánh giá các kết quả đo bằng dao động ký số và nhận xét, kết luận về vai trò chức năng của dao
động ký số trong đo lường.
II. Cấu trúc và nguyên lý chung của dao động ký số
1. Cấu trúc: (Hình 1) + Bộ khếch đại + Bộ nhớ dữ liệu
+ Bộ chuyển đổi số - tương tự ADC + Vi xử lý + Bộ chọn kênh DeMUX + Bộ nhớ hiển thị + Hiển thị LCD
Hình 1. Cấu trúc dao động ký Tektronix TBS 1000C
2. Nguyên lý làm việc Điện áp (tín hiệu) cần nghiên cứu được đưa vào kênh đo, tín hiệu được lấy
mẫu sẽ đi qua khối phân áp/ khuếch đại (Amp) rồi đưa vào bộ biến đổi tương tự - số (ADC).
Dao động ký số có 2 kênh đo, cho nên tín hiệu sau khi đã được biến đổi thành tín hiệu số sẽ đi
qua 1 bộ chọn kênh (DeMUX) để vào khối xử lí.
Khối xử lí của dao động ký số TBS1072C bao gồm 3 thành phần. Thứ nhất là bộ nhớ dữ liệu
(Acquisition memory) giữ nhiệm vụ là nơi lưu trữ tín hiệu số của từng kênh đo theo thời gian. Các
khối dữ liệu khác nhau nằm trong bộ nhớ này sẽ được bộ vi xử lý (µP) tính toán, xử lí Fourier, … và
đưa ra khối bộ nhớ hiển thị (Display memory). Do dao động ký số TBS1072C gồm 2 kênh đo và có
thể xử lí đưa ra hiển thị cả tín hiệu trong miền tần số nên nó cần phải có bộ nhớ hiển thị này. Dữ liệu
từ khối bộ nhớ hiển thị sau đó mới được xuất ra màn hiển thị (Display) để ta quan sát.
3. Đặc điểm và chức năng của dao động ký số
+ Giải tần làm việc 70 MHz
+ Tốc độ lấy mẫu max 1 GS/s + Lưu trữ 20000 điểm + Độ nhạy cao
+ 32 điểm đo tự động và phân tích FFT
+ Tự động đặt cấu hình Autoset và tự động đặt khoảng đo Auto-ranging + Tự động bắt đỉnh
+ Tự động Trigger theo độ rộng xung + Màn hiển thị 7 inch TFT.
+ Thẻ nhớ USB phía trước và cổng USB thiết bị phía sau +
2 kênh đo và quan sát dạng tín hiệu + Đo biên độ điện áp + Đo tần số + Đo khoảng thời gian
+ Đo góc lệch pha (di pha)
+ Đo tỷ số giữa hai tần số
+ Kết nối máy tính, hoặc các thiết bị khác thông qua chuẩn GPIB
+ In trực tiếp kết quả ra máy in
Và có thể đo các đại lượng vật lý bất kỳ khi biến thành đại lượng điện phù hợp với tín hiệu vào của dao động ký điện tử.
III. Tiến hành thí nghiệm trên dao động ký số
A. Các thiết bị sử dụng trong bài thí nghiệm
1. Dao động ký số (1 cái)
Với các chỉ tiêu kỹ thuật: + 2 kênh
+ Có thể đo như dụng cụ vạn năng chỉ thị số
+ Đo áp một chiều, xoay chiều + Đo điện trở
2. Các đầu que đo của dao động ký số (2 đầu đo)
3. Máy phát tín hiệu ngẫu nhiên (Arbitrary/Function Generator)
B. Chuẩn bị trước khi làm thí nghiệm
Hình 2. Các bộ phận chính của Oscilloscope Tektronix TBS1000C
1. Tìm hiểu chức năng của các nút trên mặt dao động ký số. + POWER: bật, tắt máy
+ Probe Comp: nguồn phát chuẩn để kiểm tra đầu đo và hoạt động của máy + kênh 1
+ 1 kênh 2 (Dao động ký số 2 kênh) 2 +
Khối điều khiển dọc: điều khiển tín hiệu hiển thị thay đổi theo chiều dọc của màn hình
o SCALE: điều chỉnh giá trị điện áp trên một ô màn hình o POSITION: điều khiển vị trí 2
kênh đo dịch chuyển theo chiều dọc. o MATH: chuyển sang chế độ tính toán Fourrier
+ Khối điều khiển ngang: điều khiển tín hiệu hiển thị thay đổi theo chiều ngang của màn hình
o SCALE: điều chỉnh chu kì tín hiệu trên một ô màn hình o POSITION: điều chỉnh tín
hiệu dịch chuyển theo chiều ngang)
+ Khối điều khiển Trigger: điều khiển hoạt động của Trigger o Level:
chọn mức biên độ tín hiệu để chức năng Trigger hoạt động o Menu:
hiển thị menu hoạt động của Trigger o Force trig: ngay lập tức thực hiện Trigger
o Trig view: hiển thị dạng sóng Trigger khi ta giữ nút Level
Hình 3: Các khối chức năng chính của Oscilloscope Tektronix TBS1000C
+ Các phím menu và điều khiển: các bút chức năng cao cấp:
o Save/ Recall: lưu dữ liệu o Measure: thực hiện các
phép đo o Acquire: chọn quá trình lấy mẫu o AutoSet: tự
động đặt cấu hình o Default setup: để cấu hình mẫu o
Utility: tùy chọn chức năng của máy o Cursors: đặt con
trỏ o Save: lưu dữ liệu/ in thẳng ra máy in o Single: thu thập dữ liệu 1 lần
o Run/ Stop: thu thập dữ liệu liên tục hoặc nghỉ
Hình 4. Các nút menu và điều khiển của Oscilloscope Tektronix TBS1072C.
2. Tìm hiểu chức năng của các nút trên máy phát hàm.
Hình 5: Các nút chức năng chính của Arbitrary/Function Generator AFG1022
+ Nút chọn thông tin (Tần số/Chu kỳ, Biên độ, Độ lệch pha,…) + Bàn phím số
+ Núm căn chỉnh số liệu
+ Các cổng đầu vào 1, 2 và các nút bật/tắt. + Nút chọn kênh:
- Ch1/2: Chuyển kênh hiển thị trên màn hình
- Both: Hiển thị thông số của 2 kênh trên màn hình
- Mod: Khởi chạy các chế độ như continuous, module, sweep, burst (chỉ áp dụng cho kênh 1) + Cổng USB + Nút ON/OFF.
3. Những điều cần chú ý
a. Kiểm tra dao động ký số trước khi tiến hành thí nghiệm
b. Nối dây AC giữa ổ cắm AC và Oscilloscope
c. Đặt POWER ở ON. Sau khoảng 2 phút, Oscilloscope sẽ khởi động xong.
d. Nối 2 que đo vào đầu vào 2 kênh đo 1 và 2.
e. Điều chỉnh SCALE sao cho tín hiệu hiển thị đầy đủ trên màn hình.
f. Chỉnh lại nút POSITION dọc và ngang để 2 kênh đo dễ quan sát trên màn hình. Như vậy
bây giờ dao động ký đã có thể sử dụng được.
C. Nội dung các thí nghiệm
1. Bài thí nghiệm 1: Kiểm tra hoạt động của Oscilloscope, hoạt động của đầu đo và hiệu chuẩn thiết bị.
a. Tự động hiệu chuẩn và kiểm tra đầu đo của Oscilloscope
+ Bật nút POWER để Oscilloscope hoạt động, đợi 2 phút để Oscilloscope khởi động xong +
Lắp các dây đo vào kênh 1 và 2.
b. Cài đặt các thông số hiển thị
+ Màn hình sẽ hiển thị 2 tín hiệu của kênh 1 và 2. Nếu không thấy có tín hiệu hiển thị ta bấm vào nút 1 hoặc nút 2.
+ Chỉnh nút POSITION nếu tín hiệu hiển thị bị tràn ra ngoài màn hình.
+ Có thể sử dụng nút AutoSet để đặt chế độ tự động.
+ Sử dụng nút Acquire để đặt chế độ hiển thị làm mịn/ khử nhiễu (Average – trung bình cộng của 4/ 16/ 64/ 128 điểm)
c. Đo tự động
+ Sử dụng nút chức năng Measure để tiến hành đo tự động +
Yêu cầu đo và hiển thị tự động (như Hình 5):
o Giá trị điện áp đỉnh-đỉnh kênh 1 o Chu kì kênh 1 o Tần số kênh 1 o
Thời gian chuyển trạng thái OFF-ON của kênh 2 o Thời gian chuyển
trạng thái ON-OFF của kênh 2
+ Lưu lại dạng tín hiệu và các giá trị đo tự động đang hiển thị trên màn hình trong 3 chu kỳ thành file ảnh.
Hình 6. Quá trình đo tự động của Oscilloscope TDS1000C.
2. Bài thí nghiệm 2: Đo chu kỳ và tần số cuả tín hiệu.
+ Mắc sơ đồ như hình vẽ (Hình 7) Dao Function Generator đ ộng k ý số Kênh 1 Kênh 2 Tấm nối đất
Hình 7 . Sơ đồ đo chu kì và tần số tín hiệu.
a. Với tín hiệu Sin
+ Ấn nút hình sin ( ) và chỉnh tần số trên máy phát tín hiệu là 1KHz.
+ Chỉnh AutoSet và nút POSITION ngang để đưa tín hiệu về vị trí thích hợp sao cho lấy 1 chu kỳ
+ Có thể chỉnh các phím TRIGGER để tín hiệu đứng yên, không trôi.
+ Tiến hành đo 3 lần, mỗi lần số liệu được ghi vào Bảng 1 gồm các thông số đo sau: o
1 chu kỳ gồm bao nhiêu ô vuông
o Tính chu kỳ T (mỗi ô vuông tương đương bao nhiêu giây) o Tính tần
số F = 1/T. Đồng thời đọc số tần số F0 trên LCD của máy phát tín hiệu
(Function Generator). Ghi kết quả. Bảng 1: Số ô Giá trị ô T F F0 F*100% TT (n) (s) (s) (Hz) (Hz) F F 1 2 3
b. Tín hiệu răng cưa
+ Ấn nút hình răng cứa ( ) và chỉnh tần số trên máy phát tín hiệu là 1KHz.
+ Quá trình thực hiện như đối với mục a). Kết quả ghi vào Bảng 2. Bảng 2: Máy phát Oscilloscope Tí nh toán F0 T F F (F0- F*100% TT (Hz) Số ô (n) Giá trị ô (s) (s) (Hz) F) F 1 2 3
3. Bài thí nghiệm 3: Đo góc lệch pha.
Đo góc lệch pha của hai tín hiệu sin. Sử dụng kênh 1 và kênh 2 của dao động ký số.
+ Mắc sơ đồ như Hình 8. Dao Function Generator đ ộng k ý số Kênh 1 Kênh 2
Hình 8. Sơ đồ đo góc lệch pha giữa 2 tín hiệu.
+ Lấy 2 kênh tín hiệu sin từ Máy phát tín hiệu Function Generator đưa đến 2 kênh của dao động kí số.
+ Dùng POSITION ngang và dọc đặt hai sóng sin đối xứng qua trục giữa của màn hình hiển thị.
+ Chỉnh các nút SCALE của kênh 1 và kênh 2 để biên độ đỉnh-đỉnh khoảng 4 ô để dễ quan sát.
+ Chỉnh nút TRIGGER để hình đứng yên và sao cho biểu diễn một chu kỳ của tín hiệu.
+ Quan sát sự lệch pha của hai sóng.
Góc lệch pha tính toán được tính theo công thức: = l2*3600/l1
l1: Số ô một chu kỳ chiếm l2: Số ô mà góc lệch
pha chiếm (được tính từ điểm đầu của chu kỳ thứ nhất đến điểm đầu của chu kỳ thứ hai trên trục ngang của màn hình).
+ Thay đổi giá trị góc pha ban đầu của kênh số 2 trên máy phát xung.
+ Ấn chọn Inter CH -> Align Phase trên máy phát xung để đồng bộ thời điểm phát của 2 kênh.
+ Kết quả ghi vào trong Bảng 3. Bảng 3: Máy phát Oscilloscope Tính toán TT đặt (độ) I1 I2 tt (độ) Nhận xét 1 1 2 2 3 3