Chương 7
MÁY HIỆN SÓNG
7.1. Khái niệm chung.
Máy hiện sóng là phương tiện đo lường vạn năng dùng để quan sát
dạng tín hiệu và đo các thông số của tín hiệu.
Trong khoa học và trong kỹ thuật xãy ra nhiều quá trình vật lý khác
nhau, chúng thường biến đổi theo thời gian. Việc nghiên cứu các quá trình vật
lý đó hết sức quan trọng. Máy hiện sóng là một công cụ đắc lực, giúp ta
nghiên cứu, quan sát được rất nhiều quá trình vật lý khác nhau biến đổi theo
thời gian.
Hiện nay, sản xuất công nghiệp phát triển với tốc độ cao, xuất hiện
nhiều quá trình công nghệ phức tạp thì máy hiện sóng cũng là phương tiện
không thể thiếu được để quan sát và theo dõi các quá trình công nghệ đó.
Trong lĩnh vực điện tử, tin học và viễn thông máy hiện sóng được sử
dụng rất rộng rãi. Nó được dùng như là một phương tiện đo vạn năng trong
nghiên cứu sản xuất và trong khai thác các thiết bị điện tử, tin học và viễn
thông. Máy hiện sóng được dùng chủ yếu để quan sát tín hiệu, đo các tham số
của tín hiệu như điện áp, tần số, pha, độ méo, độ sâu điều chế v.v...
Máy hiện sóng được phân loại tuỳ theo nguyên lý hoạt động là máy
hiện sóng điện cơ hay là máy hiện sóng điện tử. Máy hiện sóng điện cơ là
máy hiện sóng với bộ chuyển đổi cơ học, còn máy hiện sóng điện tử sử dụng
ống tia điện tử . Máy hiện sóng điện cơ vì độ nhạy nhỏ, độ tin cậy kém, dải
tần thấp nên ít được dùng. Hiện nay trong kỹ thuật đo lường vô tuyến điện
người ta chỉ dùng Máy hiện sóng điện tử.
Máy hiện sóng điện tử được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Tuỳ
theo số lượng tia điện tử người ta phân biệt Máy hiện sóng một tia, Máy hiện
sóng hai tia và Máy hiện sóng nhiều tia. Tuỳ theo độ lưu ảnh trên màn huỳnh
quang, người ta phân biệt Máy hiện sóng không lưu ảnh (với thời gian lưu ảnh
nhỏ hơn 0,1s) và Máy hiện sóng lưu ảnh (với thời gian lưu ảnh từ 0,1s trở
lên). Tuỳ theo chức năng, người ta phân biệt Máy hiện sóng thông dụng và
Máy hiện sóng chuyên dụng (chỉ sử dụng trong những lĩnh vực đặc biệt theo

). Khi katốt K bị nung nóng bởi sợi đốt S nó sẽ phát xạ điện tử và trên bề
mặt của nó sẽ xuất hiện một lớp mây điện tử. Dưới tác dụng của điện thế
dương so với katốt trên các anốt A
1
(khoảng 300V đến 500V) và anốt A
2
(khoảng 1, 5KV đến 2KV) các điện tử sẽ bị hút về phía màn ảnh M. Khi đi
qua điện trường giữa lưới L và anốt A
1
(L-A
1
) và điện trường giữa anốt A
1
anốt A
2
(A
1
-A
2
) các điện tử này được hội tụ lại thành một tia mảnh. Các điện
trường nói trên đóng vai trò như một thấu kính điện tử để hôi tụ tia điện tử.
Trong đó vai trò của điện trường giữa anốt A
1
và anốt A
2
là quan trọng hơn cả.
Vì vậy người ta dùng nó để thay đổi độ hội tụ, cụ thể là thay đổi điện thế trên
anốt A
1
nhờ chiết áp R

_
áp R
2
được đưa tới mặt máy với ký hiệu “ độ hội tụ”.Thay đổi điện thế trên
anốt A
1
sẽ thay đổi độ hội tụ của chùm tia điện tử nên anốt này được gọi là
anốt hội tụ. Thay đổi điện thế trên anôt A
2
sẽ thay đổi tốc độ của chùm tia
điện tử nên anốt A
2
được gọi là anốt tăng tốc. Tuy nhiên, việc thay đổi điện
thế trên anốt A
2
làm ảnh hưởng tới độ nhạy của ống tia điện tử nên trong thực
tế không thay đổi điện thế trên anốt A
2
.
Để điều chỉnh độ sáng thì hoặc phải thay đổi vận tốc của chùm tia điện
tử (nghĩa là thay đổi động năng làm phát sáng lớp huỳnh quang), hoặc phải
thay đổi mật độ điện tử trong chùm tia. Muốn thay đổi vận tốc điện tử phải
thay đổi điện thế trên các anốt mà chủ yếu là các anốt A
1
và A
2
, nhưng điều
đó ngoài ảnh hưởng tới độ nhạy của ống tia điện tử, còn ảnh hưởng rất lớn tới
độ hội tụ nữa. Do vậy, thông thường người ta điều chỉnh độ sáng của hình ảnh
bằng thay đổi mật độ chùm tia điện tử nhờ thay đổi điện thế trên lưới điều chế

trường trong cặp phiến Y. Cường độ điện trường càng lớn, cũng như thời gian
bay càng lâu thì độ lệch của quĩ đạo càng tăng.
127
b) Độ nhạy của ống tia điện tử và máy hiện sóng.
Cường độ điện trường tỉ lệ với điện áp điều khiển U
y
đặt lên cặp phiến làm
lệch Y và tỉ lệ nghịch với khoảng cách 2 phiến dy (xem hình 7.2). Thời gian
bay của điện tử qua khoảng giữa hai phiến làm lệch tỷ lệ nghịch với độ dài
của phiến l
y
và tỷ lệ nghịch với tốc độ của điện tử. Tốc độ của chùm tia điện
tử lại tỷ lệ với điện áp trên anốt A
2
.Ngoài ra chúng ta còn thấy độ lệch của tia
điện tử tỷ lệ với khoảng cách L
y
là khoảng cách từ điểm giữa của phiến lệch
tới màn. Do vậy độ lệch theo trục đứng Y của tia điện tử dưới tác dụng của
điện áp điều khiển U
y
trên phiến làm lệch đứng xác định theo công thức sau:

2
2
AY
YYY
Ud
LlU
Y


(7.2)
Công thức trên là độ nhạy của ống tia điện tử theo trục Y. Đối với trục X
ta cũng có độ nhạy tương tự:

2
0
2
AX
XX
X
X
Ud
Ll
U
X
S
==
(7.3)
Độ nhạy của ống tia điện tử chính là độ dịch chuyển của điểm sáng trên
màn với một đơn vị điện áp điều khiển đặt lên phiến làm lệch. Thông thường
độ nhạy của ống tia điện tử nhỏ hơn 0,1 mm/V. Để đảm bảo độ nhạy cần thiết
thì điện áp U
A2
không được chọn lớn. Nhưng như vậy động năng của điện tử
không đảm bảo phát sáng màn. Để khắc phục tình trạng này, ngươì ta đưa
128
Hình 7.2. Tia điện tử qua cặp phiến làm lệch Y
U
y

vào hệ số khuếch đại của các bộ khuếch đại.
Khái niệm độ nhạy của máy hiện sóng được định nghĩa là độ dịch chuyển
của điểm sáng trên màn dưới tác dụng của một đơn vị điện áp đưa đến đầu
vào của máy. Độ nhạy của máy hiện sóng được ký hiệu là S
y
và S
x
tương ứng
với hai trục toạ độ XOY:
S
y
= K
y.
S
oy
(7.4)
S
x
= K
x.
S
ox
Với K
y
và K
x
là hệ số khuyếch đại tuyến lệch đứng (Y) và tuyến lệch
ngang (X).
Như vậy nếu U
y

.
Điện trường của hai cặp phiến làm lệch (lệch đứng và lệch ngang) đồng
thời tác động lên tia điện tử, làm tia chuyển động và vẽ nên hình ảnh trên màn
huỳnh quang.
129
Trong trường hợp tổng quát các điện áp U
x
và U
y
có thể có dạng bất kỳ.
Khi đó hình ảnh nhận được trên màn huỳnh quang cũng có dạng bất kỳ.

Tuy nhiên, chúng ta xét một trường hợp đặc biệt, nhưng lại rất phù hợp
với thực tế và rất hay sử dụng đó là điện áp điều khiển đặt lên phiến X, điện
áp U
x
không phải là điện áp bất kỳ mà có dạng tuyến tính theo thời gian.
U
x
= a . t (7.6)
Điện áp điều khiển U
x
trong trường hợp này gọi là điện áp quét. Còn
điện áp muốn vẽ lại dạng của nó trên màn của máy hiện sóng (gọi là điện áp
cần quan sát U
y
) ta đưa vào phiến làm lệch y. Ta xét trường hợp điển hình là
điện áp cần quan tâm là điện áp hình sin dạng:

tUU

3
4
5
6
7
8
t
X
Y
2
1
3
Y
1
Y
2
Y
3

Y
5
Y
6
Y
7

1

2



(7.8)
Hệ phương trình trên dễ dàng đưa về dạng chính tắc:

XYY
m
Ω=
sin

(7.9)
với
mYm
USY
=
và
aS
X
.
ω
=Ω
Phương trình (7.9) chính là phương trình chuyển động của điểm sáng
trên màn của máy hiện sóng theo hệ trục YOX. Đường cong có dạng trùng
với dạng tín hiệu U
Y
cần quan sát.
Chúng ta cũng có thể giải thích một cách trực quan hơn việc tạo ảnh tín
hiệu trên màn của máy hiện sóng bằng phương pháp điều khiển chuyển động
của điểm sáng trên màn dưới tác động của điện áp điều khiển U
Y
và U

∞→
t
thì điện áp U
x

∞→
điểm sáng chuyển dịch theo
trục X và lệch ra ngoài màn. Nhưng trong thực tế chúng ta lại cần sau khi
điểm sáng chuyển dịch tới rìa màn cần trở lại vị trí ban đầu để tiếp tục chu kỳ
chuyển dịch mới. Quá trình chuyển dịch điểm sáng như vậy được gọi là
“quét” và điện áp U
x
gọi là điện áp quét. Điện áp quét có dạng như hình 7.4a
gọi là điện áp quét răng cưa và là điện áp quét lý tưởng, nghĩa là sau khi đạt
giá trị cực đại U
m
(tương ứng với X
m
ở rìa màn ảnh), có thể tức khắc đột biến
bằng 0 để lại bắt đầu tăng theo một chu trình mới. Trong thực tế, điện áp quét
có dạng như hình 7.4b, nghĩa là để trở về 0 điện áp U
x
cần có một thời gian
hữu hạn T
ng
nào đó gọi là thời gian quét ngược. Như vậy, chu kỳ quét sẽ bằng
tổng thời gian quét thuận và thời gian quét ngược.
T
q
= T

quét đường thẳng. Trong trường hợp chung điện áp quét có thể có dạng bất kỳ
U
x
= y(t). khi đó hình ảnh nhận được gọi chung là hình Lissajou và cũng có
132
Hình 7.5. Hình ảnh tín hiệu do thời gian quét ngược.
dạng bất kỳ. Trong thực tế ngoài điện áp răng cưa ra chúng ta còn gặp điện áp
quét có dạng hình sin nên còn gọi là quét sin.
Trong trường hợp quét thẳng, nếu U
x
có dạng răng cưa liên tục (xem
hình 7.4) người ta gọi là quét liên tục (còn gọi là quét tự động). Nếu các điện
áp răng cưa đó không liên tục mà gián đoạn (như hình 7.6) người ta gọi là
quét đợi, vì mỗi điện áp răng cưa chỉ xuất hiện khi có xung kích thích còn sau
đó là thời gian đợi T
đ
tới xung tiếp theo. Quét đợi sử dụng khi cần nghiên cứu
các tín hiệu xung tuần hoàn có độ “hổng” rất lớn






〉 〉=
2
τ
Y
T
H

d)
t
T = τ
t
t
t
c)
b)
a)
τ
T
y
e)
g)
h)
được chấm sáng của đỉnh xung mà thôi. Kết quả là không thể quan sát đầy đủ
dạng của xung.
Trường hợp thứ hai, khi chu kỳ quét T
q
= τ thì trên màn ảnh sẽ nhận
được ảnh xung đủ lớn nhưng rất mờ trên nền của một vệt sáng đậm phía dưới
(xem hình 7.6g). Lý do là vì trong suốt chu kỳ lặp lại của xung, tia điện tử chỉ
vẽ ảnh xung có một lần, còn sau đó dưới tác dụng của điện áp quét tia điện tử
sẽ vẽ đi vẽ lại nhiều lần đường Y = 0 (ứng với U
y
= 0) do đó tạo nên một
đường đậm lấn át của xung. Kết quả là ảnh của xung bị mờ đi, rất khó quan
sát.
Như vậy, với dẫy xung cần nghiên cứu có độ hổng lớn ta không thể
quan sát tốt bằng cách quét liên tục được, mà phải thực hiện quét đợi. Điện áp

huỳnh quang. Hiện tượng này gọi là hiện tượng mất đồng bộ trong MHS. Để
ảnh của tín hiệu cần quan sát đứng yên trên màn của MHS người ta phải thực
hiện nguyên lý đồng bộ.
a) Điều kiện đồng bộ trong máy hiện sóng.
Chúng ta xét bản chất của nguyên lý đồng bộ trong máy hiện sóng qua
việc quan sát một tín hiệu hình sin với chu kỳ điện áp quét khác nhau trên cơ
sở đó tìm điều kiện đồng bộ trong máy hiện sóng.
Sự khác nhau giữa chu kỳ điện áp quét và chu kỳ điện áp cần quan sát
sẽ tạo ra các trường hợp khác nhau của ảnh trên màn của MHS (xem hình 7.8)
- Trường hợp thứ nhất:

b
a
T
T
TTT
Y
q
YqY
≠
〉〉
1
1
4
3
(Trong đó T
y
là chu kỳ điện áp cần quan sát, T
q1
là chu kỳ của điện áp

≠
〈〈
2
2
4
5
(Trong đó T
y
là chu kỳ điện áp cần quan
sát, T
q2
là chu kỳ của điện áp quét trong trường hợp thứ 2, a và b là các số
nguyên dương).
Trong trường hợp thứ hai này, chu kỳ quét lớn hơn chu kỳ của tín hiệu
quan sát một chút nhưng tỷ số giữa chúng không thể biểu diễn bởi một phân
số (xem hình 7.8c). Ảnh của tín hiệu cần quan sát nhận được trong trường hợp
135
này như hình 7.8h. ở đây, hình ảnh được phân bố ngược lại so với trường hợp
thứ nhất. Điều này cho ta cảm giác như ảnh chuyển động theo chiều từ phải
qua trái của màn huỳnh quang. Hiện tượng này cũng đúng như trong trường
hợp tổng quát.
nT
y
< T
q2
< (n + 1/4) T
y
- Trường hợp thứ ba:

Yq

g)
h)
i)
a)
U
q1
t
T
q1
T
Y
U
Y
t
t
t
t
T
q4
T
q3
T
q2
U
q4
U
q3
U
q2
b)

đứng yên không chuyển động và không có đường giao nhau hoặc khép kín.
Nguyên lý đồng bộ cơ bản ở đây là thực hiện điều kiện đồng bộ:
T
q4
= nT
Y
Như vậy để có đồng bộ phải thoả mãn điều kiện trên, nghĩa là bằng một
cách nào đó giữa chu kỳ (tần số) của điện áp quét với chu kỳ (tần số) của tín
hiệu cần quan sát phải liên quan với nhau. Trên thực tế có thể đạt đồng bộ
bằng hai cách:
Cách thứ nhất căn cứ vào tình trạng ảnh (xem hình 7.8g, h hay i) ta thay
đổi chu kỳ quét cho tới khi nhận được ảnh như hình 7.8k. Cách làm này chỉ
áp dụng được với điêù kiện tần số U
x
và U
y
phải rất ổn định. Điều này hầu
như không thể thực hiện được trong thực tế, nên trạng thái đồng bộ chỉ tồn tại
trong thời gian ngắn mà thôi.
Cách thứ hai là điều khiển tần số quét bởi một tín hiệu tần số liên quan
trực tiếp với tần số của tín hiệu cần nghiên cứu một cách tự động, sao cho
điều kiện đồng bộ luôn luôn được duy trì. Tín hiệu đó gọi là tín hiệu đồng bộ.
b) Các chế độ đồng bộ và điều chỉnh pha của ảnh trên máy hiện sóng.
Nếu trong máy hiện sóng một phần tín hiệu cần nghiên cứu được tách
ra làm tín hiệu đồng bộ, thì cách đồng bộ đó được gọi là đồng bộ trong.
Nếu tín hiệu đồng bộ được lấy từ bên ngoài của máy hiện sóng thì gọi
là đồng bộ ngoài.
Nếu tín hiệu đồng bộ được lấy từ điện áp lưới điện 50Hz thì gọi là đồng
bộ từ mạng lưới điện.
Như vậy trên quan điểm nguồn tín hiệu đồng bộ, người ta phân biệt ba

Hình 7.9. Sơ đồ cấu trúc của máy hiện sóng
2
GC
KĐY
KĐZHC
NGUỒN
KĐX
QĐ
QLT
KĐĐB
PA
PĐ
K
L
1
3
1
2
3
2
3
1
2
3
1
CM4
CM3
CM2
CM1
PN