Cấu tạo Dao động ký (ôxilô) quan sát tín hiệu siêu cao tần

3.5.1 Đặc điểm

Nếu dùng các loại dao động ký cao tần thông th†ờng nh† đã trình bày ở trên để quan sát các tín hiệu siêu cao tần hay tín hiệu xung có độ rộng rất hẹp (ví dụ khoảng nanô giây), thì không quan sát đ†ợc, do có nhiều hạn chế về cấu tạo của bản thân dao động ký cũng nh† về ph†ơng pháp quan sát.

Nh† đã biết, khi đặt điện áp xoay chiều vào cặp phiến làm lệch của ống tia điện tử, thì điểm sáng trên màn của ống tia sẽ dịch chuyển tỷ lệ với điện áp đặt vào. Tất nhiên, sự tỷ lệ này chỉ đúng khi mà thời gian bay của điện tử qua hệ thống cặp phiến lệch đ†ợc coi là bé hơn nhiều so với chu kỳ của dao động của điện áp đặt vào cặp phiến lệch. Song khi thời gian bay của điện tử là một trị số có thể so sánh đ†ợc với chu kỳ của dao động, thì ống tia điện tử chẳng còn là một phần tử không có quán tính nữa. Với các loại ống thông th†ờng, thì thời gian bay của điện tử qua hệ thông cặp phiến lệch vào khoảng 1-10 nanô giây, tức là một trị số có thể so sánh đ†ợc với chu kỳ của dao động siêu cao tần, hay với loại xung cỡ nanô giây (ví dụ dao động có b†ớc sóng 30cm thì có chu kỳ bằng 1 nanô giây). Khi đó, chu kỳ của dao động xấp xỉ bằng thời gian bay của điện tử qua hệ thống cặp phiến làm lệch, nên tia điện tử không bị dịch chuyển trên màn dao động ký khi có tín hiệu đặt vào cặp phiến làm lệch.

Để giải thích điều này, ta xét tín hiệu đ†ợc minh hoạ nh† hình 3-35, trong đó thời gian bay của điện tử qua hệ thống cặp phiến làm lệch bằng chu kỳ của điện áp nghiên cứu. Lúc này độ nhạy “động” của ống tia điện tử là bằng không. Độ nhạy của ống tia điện tử là một thông số tuỳ thuộc vào các yếu tố: độ nhạy tĩnh của ống, tần số của điện áp nghiên cứu và thời gian bay của điện tử qua cặp phiến làm lệch. Trong hình 3-35, hai góc lệch tia điện tử D₁ và D₂ ở các nửa chu kỳ d†ơng và chu kỳ âm, có trị số bằng nhau, do đó tia điện tử không bị lệch khỏi vị trí ban đầu.

Điều này còn có thể suy rộng hơn cho tr†ờng hợp khi mà chiều dài của cặp phiến lệch l bằng một số chẵn n của nửa b†ớc sóng tín hiệu cần quan sát, khi đó thì tia điện tử cũng không bị

Hình 3-35

khống chế để dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu. Ng†ợc lại, độ nhạy của ống tia sẽ có trị số cực đại khi chiều dài l bằng một số lẻ m của nửa b†ớc sóng tín hiệu cần quan sát, vì khi đó hai góc lệch tia điện tử D₁ và D₂ có trị số không bù trừ hết cho nhau đ†ợc.

Những điều giải thích trên chỉ đúng với tr†ờng hợp đ†ợc minh hoạ nh† hình vẽ, tức với các giả thiết là: điện áp nghiên cứu đ†ợc cung cấp từ một đầu của cặp phiến, và tia điện tử có tiết diện rất mảnh, có thể coi nh† là một điện tử, và chúng cách đều hai phiến lệch.

Muốn tần số của tín hiệu cần quan sát không ảnh h†ởng tới độ nhạy của ống trong một dải tần số rộng, thì cần phải làm cho thời gian bay của điện tử qua hệ thống cặp phiến làm lệch nhỏ. Muốn vậy, cần phải giảm kích th†ớc của cặp phiến làm lệch và tăng điện áp tăng tốc U_A2. Tất nhiên U_A2 tăng thì độ nhạy của ống lại bị giảm. Kích th†ớc của hệ thống cặp phiến làm lệch đối với tần số cao thì cũng còn gây ảnh h†ởng tới dao động cần quan sát do điện dung bản thân của nó. Ví dụ nh† với xung cỡ nanô giây, thì nó gây nên hiện t†ợng méo s†ờn của xung.

ở tại tần số siêu cao tần, dao động đồ còn bị méo dạng do sự lệch pha giữa hai điện áp đ†a vào cặp phiến lệch X và Y tác dụng khôngđồng thời lên tia điện tử. Sở dĩ vậy, vì do cấu tạo hai cặp phiến lệch không thể bố trí cùng trên một tiết diện, mà phải đặt lần l†ợt tr†ớc sau theo ph†ơng của ống.

Hơn nữa, khả năng sử dụng ống tia điện tử ở siêu cao tần còn bị hạn chế bởi tác dụng của cộng h†ởng của bản thân hệ thống cặp phiến làm lệch. Mạch cộng h†ởng ở đây hình thành bao gồm điện dung bản thân của cặp phiến và điện cảm bản thân của vật dẫn. Để nâng cao trị số tần số cộng h†ởng bản thân của hệ thống cặp phiến, sao cho nó có trị số lớn hơn nhiều ngay đối với các thành phần hài bậc cao của điện áp tín hiệu cần nghiên cứu, thì cần giảm điện cảm bản thân của vật dẫn. Vì vậy, về cấu tạo, đ†ờng dây vào cặp phiến thì th†ờng đ†ợc đ†a trực tiếp ngay từ thân ống thuỷ tinh mà không đ†a vào qua chân đế của ống.

Ngoài ra, dao động ký dùng ở siêu cao tần còn bị hạn chế do bản thân bộ khuếch đại Y, vì bộ này cần có dải thông tần khá rộng, phải từ vài trăm tới vài nghìn MHz. Nó cũng còn bị hạn chế do yêu cầu bộ tạo điện áp quét phải có tần số khá cao. Ngay cả dao động đồ của dao động ký dùng ở siêu cao tần cũng không đ†ợc thật rõ vì tốc độ dịch chuyển tia điện tử trên màn quá nhanh.

Đó là một số đặc điểm đã hạn chế tính năng sử dụng của dao động ký ở siêu cao tần. Muốn quan sát đ†ợc tín hiệu siêu cao tần hay tín hiệu xung có độ rộng khá hẹp, thì dao động ký cần có cấu tạo đặc biệt, khác với các loại dao động ký cao tần đã trình bày ở các phần trên. Ngoài ra, nó cũng còn cần phải có cả ph†ơng pháp quan sát, đo l†ờng thích hợp khác nữa.

3.5.2 Phơng pháp quan sát lấy mẫu

Để nghiên cứu xung cỡ nanô giây, có biên độ không lớn lắm cũng không thể trực tiếp dùng dao động ký có tốc độ ghi nhanh đ†ợc, lý do chủ yếu là vì loại này có độ nhạy kém. Muốn quan sát đ†ợc tốt, thì nên dùng ph†ơng pháp quan sát hoạt nghiệm.

Sử dụng dao động ký để quan sát theo ph†ơng pháp hoạt nghiệm thì có thể quan sát đ†ợc tín hiệu có tần số đến vài nghìn MHz, khi dải thông tần của bộ khuếch đại Y thực tế chỉ có vài MHz, hay thậm chí chỉ vài kHz.

Nguyên lý của ph†ơng pháp quan sát hoạt nghiệm bằng dao động ký cũng có thể ví nh† ph†ơng pháp hoạt nghiệm dùng trong cơ học để đo tốc độ quay và xác định độ rung bằng cách quan sát. Nguyên lý đo tốc độ quay trong cơ học bằng ph†ơng pháp hoạt nghiệm là dùng một đĩa có chia độ đều thành các miền đen trắng cách biệt nhau, số l†ợng các miền chia là đ†ợc xác định. Đĩa này đ†ợc chiếu sáng một cách đứt quãng, thời gian đ†ợc chiếu sáng ngắn và quá trình đ†ợc lặp đi lặp lại với một chu kỳ nhất định. Khi gắn đĩa vào đối t†ợng quay cần đo, thì với một quan hệ nào đó của tần số quay và tần số chiếu sáng, ta có thể thấy đĩa nh† không quay, hay quay với tốc độ chậm. Khi tần số chiếu sáng bằng hay bằng một †ớc số chẵn với tần số quay thì thấy đĩa đứng yên. Khi tần số chiếu sáng có chênh lệch ít nhiều với tần số quay của đĩa thì thấy đĩa quay với tốc độ chậm. Còn nếu khi quan hệ của chúng khác với các quan hệ trên thì thấy đĩa quay mà các miền đen và trắng nhoà với nhau không phân biệt rõ rệt đ†ợc.

Nh† vậy, ph†ơng pháp đo hoạt nghiệm đã biến công việc đo một đối t†ợng quay có tốc độ cao thành việc đo một đối t†ợng có tốc độ thấp mà ta có thể đo trực tiếp đ†ợc dễ dàng.

Cũng t†ơng tự nh† vậy, quan sát một tín hiệu biến đổi nhanh bằng dao động ký theo ph†ơng pháp hoạt nghiệm thì cũng đ†ợc thực hiện t†ơng đ†ơng nh† qúa trình đã nói trên. Nghĩa là làm cho quá trình nh† biến đổi chậm lại bằng cách làm chậm thang độ thời gian mà không gây ảnh h†ởng gì tới dạng của tín hiệu cần nghiên cứu.

Do đó, với ph†ơng pháp quan sát này, thì dao động ký có thể giảm đ†ợc tốc độ quét của bộ tạo điện áp quét và giảm đ†ợc độ rộng của dải thông tần bộ khuếch đại phiến làm lệch Y.

Nguyên lý của ph†ơng pháp này là dùng cách phân tích biên độ- thời gian của tín hiệu cần quan sát bằng các xung đánh dấu có độ rộng rất hẹp. Với các xung đánh dấu này thì dạng của tín hiệu nghiên cứu đ†ợc vẽ không phải là một đ†ờng cong liên tục, mà d†ới dạng các điểm hay đoạn thẳng nhỏ rời rạc nhau, t†ơng ứng với các thời điểm có tác động của xung đánh dấu.

Cách biến đổi thang độ thời gian của dao động đồ đ†ợc minh hoạ nh† hình 3-36.

Khi đ†a tín hiệu cần nghiên cứu (hình 3-36a) và xung đánh dấu (hình 3-36b) vào bộ

biến đổi, thì xuất hiện hiện t†ợng điều chế biên độ xung. Tại đầu ra của bộ biến đổi có xung đánh dấu mà biên độ của nó tỷ lệ với trị số tức thời của tín hiệu nghiên cứu. Nếu chu kỳ của hai điện áp ở đầu vào bộ biến đổi bằng nhau thì các xung ở đầu ra bộ biến đổi có biên độ không đổi. Nếu chu kỳ của hai điện áp này khác nhau một trị số không đổi bằng 't, thì các xung ở đầu ra bộ biến đổi sẽ có biên độ thay đổi. Hình bao của các xung này có dạng t†ơng ứng với tín hiệu nghiên cứu và các tín hiệu này có thang độ thời gian đã đ†ợc khuếch đại rộng ra (hình 3-36c).

Nếu chu kỳ T của tín hiệu nghiên cứu bằng bội số n của 't, thì có nghĩa là hình bao của các xung ở đầu ra bộ biến đổi đ†ợc mở rộng ra n lần. Do đó, tốc độ quét của dao động ký dùng để quan sát tín hiệu bao này có thể giảm đi n lần.

Để cho dao động đồ có đủ độ sáng cần thiết, thì các xung ở đầu ra bộ biến đổi còn đ†ợc khuếch đại độ rộng bằng bộ mở rộng xung. Điều này còn có tác dụng là làm cho dải thông của bộ khuếch đại Y hẹp bớt lại đ†ợc (hình 3-36d).

Hình 3-36

Để định l†ợng sự giảm tốc độ quét của dao động ký bằng ph†ơng pháp hoạt nghiệm, ta có thể xét một ví dụ cụ thể sau đây.

Nếu xung cần nghiên cứu có độ rộng W =10ns và có tần số lặp lại là f=100kHz (tức là T=10Ps), thì khi lấy 't=1ns, hệ số biến đổi của thang độ thời gian là:

000 . 10 10

10 . 10 t

n T ₉

6

'

Nếu dùng loại dao động ký có tốc độ quét cao hơn để quan sát xung này, để cho dao động đồ mở rộng đ†ợc khắp diện tích hiệu dụng của màn ống tia, ví dụ diện tích này bằng (10x15)mm² chẳng hạn, thì tốc độ quét này phải bằng:

ns / mm 5 , 10 1 Q 15

Nh†ng nếu dùng ph†ơng pháp quan sát hoạt nghiệm, thì tốc độ quét chỉ cần bằng:

s / mm 15 , 0 ns / 000mm . 10

5 ,

1 P

Q

Nh† vậy, ta có thể dùng loại dao động ký cao tần để quan sát đ†ợc xung cần nghiên cứu trên. Hình 3-37 trình bày sơ đồ nguyên lý quan sát tín hiệu xung đó.

Hình 3-37

Với mạch này, nó có thể dùng để quan sát tín hiệu với chu kỳ có phổ tần số khoảng chừng 50-70MHz. Nguyên lý công tác của mạch này nh† sau:

Đèn T là bộ biến đổi, các xung đánh dấu ở đây là xung d†ơng, có độ rộng khoảng 0,01Ps, tần số lặp là 100kHz và có biên độ không đổi. Tín hiệu quan sát đ†ợc đ†a vào cực B của đèn T, biên độ của xung ra trên tải R tỷ lệ với điện áp tín hiệu nghiên cứu ở đầu vào. Hình 3-38 là giản đồ điện áp diễn giải nguyên lý công tác của mạch đo này. Bộ lọc ở đây là bộ lọc tần số thấp, để chọn lấy tín hiệu là hình bao của các xung. Bộ khuếch đại làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu này tr†ớc khi đ†a vào hệ thống cặp phiến làm lệch.

Bộ quét đ†ợc đồng bộ với tín hiệu hình bao, tín hiệu hình bao này có dạng tín hiệu của

điện áp cần nghiên cứu, có tần số bằng hiệu của hai tần số điện áp xung đánh dấu và điện áp tín hiệu cần nghiên cứu.

Hình 3-38