Bài giảng Cơ sở đo lường điện tử - Đỗ Mạnh Hà (Phần 1)

172 trang phuongnguyen 4440

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cơ sở đo lường điện tử - Đỗ Mạnh Hà (Phần 1)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

bai_giang_co_so_do_luong_dien_tu_do_manh_ha.pdf

Nội dung text: Bài giảng Cơ sở đo lường điện tử - Đỗ Mạnh Hà (Phần 1)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG  Đỗ Mạnh Hà BÀI GIẢNG CƠ SỞ ĐO LƢỜNG ĐIỆN TỬ Hà Nội 2011
MỤC LỤC MỤC LỤC i LỜI NĨI ĐẦU vi CHƢƠNG 1 - GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐO LƢỜNG ĐIỆN TỬ 9 1.0. GIỚI THIỆU CHUNG 9 1.1 CÁC KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƢỜNG ĐIỆN TỬ 10 1.2 ĐỐI TƢỢNG CỦA ĐO LƢỜNG ĐIỆN TỬ 12 1.3 PHÂN LOẠI PHÉP ĐO 13 1.4 CHỨC NĂNG VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ ĐO 16 1.5 ĐƠN VỊ ĐO LƢỜNG, CHUẨN, MẪU 20 1.5.1 Đơn vị đo lƣờng 20 1.5.2 Cấp chuẩn hĩa 21 1.6 ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ ĐO 22 1.6.1 Đặc tính tĩnh 22 1.6.2 Đặc tính động 24 1.7. ĐẶC TÍNH ĐIỆN CỦA THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ 26 1.7.1. Các tham số giới hạn 26 1.7.2. Ảnh hƣởng do quá tải 28 1.7.3. Can nhiễu ở phép đo 29 1.7.4. Vỏ bảo vệ 31 1.7.5. Nối đất 32 1.8. SO SÁNH THIẾT BỊ ĐO TƢƠNG TỰ VÀ THIẾT BỊ ĐO SỐ. 33 1.9. CHỌN KHOẢNG ĐO TỰ ĐỘNG VÀ ĐO TỰ ĐỘNG 35 1.10. ĐO TRONG MẠCH (ICT) 36 1.11. KỸ THUẬT SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ 36 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 39 CHƢƠNG 2 – ĐÁNH GIÁ SAI SỐ ĐO LƢỜNG 41 2.1. KHÁI NIÊM VỀ SAI SỐ 41 2.2. NGUYÊN NHÂN GÂY SAI SỐ 41 2.3. PHÂN LOẠI SAI SỐ 42 2.3.1. Phân loại sai số theo nguồn gốc gây ra sai số 42 2.3.2. Phân loại theo sự phụ thuộc của sai số vào đại lƣợng đo 44 2.3.3. Phân loại theo vị trí sinh ra sai số 44 i
2.4. BIỂU THỨC BIỂU DIỄN SAI SỐ 45 2.5. PHÂN TÍCH THƠNG KÊ ĐO LƢỜNG 47 2.5.1. Hàm phân bố chuẩn sai số 47 2.5.2. Hệ qủa của hàm phân bố chuẩn sai số 49 2.5.3. Chuẩn hĩa hàm phân bố sai số 50 2.5.4. Các đặc số phân bố ứng dụng trong đo lƣờng 52 2.5.5. Ứng dụng các đặc số phân bố để xác định kết quả đo từ nhiều lần đo 55 2.6. ĐÁNH GIÁ SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO GIÁN TIẾP 58 CÂU HỎI ƠN TẬP 61 BÀI TẬP 64 CHƢƠNG 3 – CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐO LƢỜNG ĐIỆN TỬ 65 3.0. GIỚI THIỆU CHƢƠNG 65 3.1. CẤU TRƯC CƠ BẢN CỦA MÁY ĐO 65 3.1.1. Máy đo tham số và đặc tính của tín hiệu: 66 3.1.2. Máy đo tham số và đặc tính của mạch điện: 69 3.1.3. Máy tạo tín hiệu đo lƣờng 70 3.1.4. Các linh kiện đo lƣờng 72 3.2. CẤU TRƯC CHUNG CỦA MÁY ĐO SỐ 72 3.2.1. Sự tiến triển trong cơng nghệ chế tạo thiết bị đo 72 3.2.1. Sơ đồ cấu trúc chung của máy đo số 73 3.2.3. Ƣu điểm của máy đo số 76 3.3. THIẾT BỊ ĐO GHÉP NỐI VỚI MÁY TÍNH 78 3.4. MỘT SỐ MẠCH ĐO LƢỜNG VÀ GIA CƠNG TÍN HIỆU ĐO CƠ BẢN 85 3.5. CƠ CẤU CHỈ THỊ ĐO LƢỜNG 86 3.5.1 Cơ cấu chỉ thị kim (Cơ cấu đo điện cơ bản - CCĐ) 87 3.5.2 Thiết bị chỉ thị dùng LED 99 3.5.3 Thiết bị chỉ thị dùng LCD - Liquid Crystal Display 105 3.5.4 Ống tia điện tử - CRT 116 CÂU HỎI ƠN TẬP 127 CHƢƠNG 4 - MÁY HIỆN SĨNG (Ơ-XI-LƠ) 128 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG 128 4.1.1 Khái niệm chung về quan sát dạng tín hiệu 128 4.1.2 Các ƣu điểm và khả năng ứng dụng của ơ-xi-lơ. 130 4.1.3 Phân loại ơ-xi-lơ 131 4.2 Ơ-XI-LƠ TƢƠNG TỰ 132 ii
4.2.1 Sơ đồ khối và nguyên lý làm việc của ơ-xi-lơ tƣơng tự 1 kênh. 132 4.2.2 Ơ-xi-lơ nhiều kênh. 146 4.3 ĐÂY ĐO DÙNG CHO Ơ-XI-LƠ 151 4.3.1 Đây đo thụ động trở kháng cao 152 4.3.2 Dây đo tích cực 153 4.4 Ơ-XI-LƠ SỐ 155 4.4.1 Khả năng của ơxilơ số 155 4.4.2 Cấu trúc ơ-xi-lơ số 156 4.5 ỨNG DỤNG ĐO LƢỜNG DÙNG Ơ-XI-LƠ 158 4.5.1 Đo tham số tín hiệu điện áp 161 4.5.2 Đo tần số bằng phƣơng pháp Lissajous 163 4.5.3 Đo gĩc lệch pha 165 4.5.4. Vẽ đặc tuyến Vơn-Ampe của điốt 167 4.5.5. Vẽ đặc tuyến ra của BJT 168 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 169 CHƢƠNG 5 – CÁC PHÉP ĐO ĐIỆN CƠ BẢN 171 5.1 GIỚI THIỆU CHUNG 171 5.2 ĐO DÕNG ĐIỆN 172 5.2.1 Ampe mét can thiệp 172 5.2.2. Ampe mét khơng can thiệp 177 5.3. ĐO ĐIỆN ÁP 180 5.3.1. Các trị số điện áp 180 5.3.2. Giới thiệu về dụng cụ đo điện áp 182 5.3.3. Đo điện áp sử dụng cơ cấu đo từ điện 184 5.3.4. Vơn mét điện tử 187 5.4. ĐO ĐIỆN TRỞ 193 5.5. THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ VẠN NĂNG (MULTIMETERS) 195 5.5.1. Đồng hồ vạn năng tƣơng tự - VOM 195 5.5.2. Đồng hồ vạn năng số - DMM. 198 CHƢƠNG 6 - ĐO TẦN SỐ, KHOẢNG THỜI GIAN VÀ GĨC LỆCH PHA Error! Bookmark not defined. 6.0. GIỚI THIỆU CHUNG Error! Bookmark not defined. 6.1. ĐO TẦN SỐ Error! Bookmark not defined. 6.1.1. Đo tần số bằng phƣơng pháp đếm xung Error! Bookmark not defined. iii
CHƢƠNG 7 – ĐO CƠNG SUẤT 226 7.1. KHÁI NIỆM VỀ ĐO CƠNG SUẤT 226 7.1.1 Các thành phần cơng suất 226 7.1.2. Đơn vị cơng suất 228 7.1.3 Các nguyên lý đo cơng suất 229 7.2. ĐO CƠNG SUẤT Ở TẦN SỐ THẤP VÀ TẦN SỐ CAO 231 7.2.1 - Phƣơng pháp cơ điện 232 7.2.2. Phƣơng pháp điện 233 7.2.3. Phƣơng pháp so sánh 238 7.3. ĐO CƠNG SUẤT Ở DẢI SIÊU CAO TẦN 239 7.3.1. Oát met sử dụng cảm biến điện trở nhiệt 241 CHƢƠNG 8 – PHÂN TÍCH PHỔ TÍN HIỆU 247 8.1. GIỚI THIỆU CHUNG PHÂN TÍCH TÍN HIỆU 247 8.1.1 Giới thiệu chung về máy phân tích tín hiệu 247 8.1.2. Đồ thị phổ của tín hiệu 248 8.2. MÁY PHÂN TÍCH PHỔ 250 8.2.1. Ứng dụng đo lƣờng của máy phân tích phổ 250 8.2.2. Các nguyên lý máy phân tích phổ 251 8.2.3. Máy phân tích phổ song song 252 8.2.4. Máy phân tích phổ nối tiếp 253 CHƢƠNG 9 - ĐO THAM SỐ CỦA MẠCH VÀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ Error! Bookmark not defined. 9.0. GIỚI THIỆU CHUNG Error! Bookmark not defined. 9.1. CÁC THAM SỐ VÀ ĐẶC TÍNH MẠCH ĐIỆN Error! Bookmark not defined. 9.1.1. Các tham số, đặc tính của mạch điện cĩ các phần tử tập chung. Error! Bookmark not defined. 9.1.2. Các tham số và đặc tính của mạch điện cĩ phần tử phân bốError! Bookmark not defined. 9.2 ĐO TRỞ KHÁNG CỦA MẠCH VÀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬError! Bookmark not defined. 9.2.1 Sai số của phép đo trở kháng Error! Bookmark not defined. 9.2.2. Mơ hình mạch tƣơng đƣơng của các linh kiện Error! Bookmark not defined. 9.2.3. Tổng quan các phƣơng pháp đo trở kháng Error! Bookmark not defined. 9.2.2. So sánh các phƣơng pháp đo Error! Bookmark not defined. iv
9.3. ỨNG DỤNG CỦA CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐO TRỞ KHÁNGError! Bookmark not defined. 9.3.1. Phƣơng pháp cầu 4 nhánh cân bằng Error! Bookmark not defined. 9.3.2. Phƣơng pháp cộng hƣởng Error! Bookmark not defined. 9.3.3. Phƣơng pháp cầu tự cân bằng Error! Bookmark not defined. 9.3.4. Phƣơng pháp phĩng nạp cho tụ Error! Bookmark not defined. 9.4. ĐO THAM SỐ VÀ ĐẶC TÍNH CỦA LINH KIỆN VÀ MẠCH PHI TUYẾN Error! Bookmark not defined. 9.4.1. Vẽ đặc tuyến Vơn-Ampe. Error! Bookmark not defined. 9.4.2. Vẽ đặc tuyến biên độ tần số của mạng 4 cực Error! Bookmark not defined. 9.5. ĐO THAM SỐ CỦA MẠCH ĐIỆN CĨ THAM SỐ PHÂN BỐ Error! Bookmark not defined. 9.5.1. Giới thiệu chung Error! Bookmark not defined. 9.6. ĐO LƢỜNG, KIỂM NGHIỆM CÁC MẠCH ĐIỆN TỬ SỐ VÀ VI XỬ LÝ Error! Bookmark not defined. 9.6.1. Khái niệm và đặc tính chung của mạch số Error! Bookmark not defined. 9.6.2. Các phƣơng pháp phân tích Error! Bookmark not defined. TÀI LIỆU THAM KHẢO 310 v
LỜI NĨI ĐẦU Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và cơng nghệ, Kỹ thuật đo lường nĩi chung, kỹ thuật đo lường điện tử nĩi riêng đang cĩ một vai trị quan trọng trong đời sống kinh tế kỹ thuật và cơng nghệ. Các máy đo lường điện tử ngày càng được sử dụng rất rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Để sử dụng chúng cĩ hiệu quả, việc nghiên cứu về lý thuyết và nguyên lý đo lường điện tử là rất quan trọng, nhất là đối với kỹ sư làm việc trong các lĩnh vực điện, điện tử, viễn thơng. Bài giảng này nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản về đo lường điện tử như: Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử, đánh giá sai số và xử lý kết quả đo, các phương pháp đo, nguyên lý xây dựng,cấu trú, cũng như ứng dụng đo lường của các thiết bị đo tham số và đặc tính của tín hiệu và mạch điện tử. Bài giảng gồm các nội dung chính như sau: Chương 1 - Cơ sở lý thuyết về đo lường điện tử Chương 2 - Sai số trong đo lường Chương 3 - Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử Chương 4 - Máy hiện sĩng (Ơ-xi-lơ) Chương 5 - Các phép đo điện cơ bản Chương 6 - Đo tần số, khoảng thời gian và gĩc lệch pha Chương 7 - Phân tích tín hiệu Chương 8 - Đo cơng suất Chương 9 - Đo các tham số và đặc tính của mạch điện tử Bài giảng được thực hiện trong một thời gian ngắn, nên khĩ tránh khỏi những thiếu sĩt. Tác giả rất mong nhận được những ý vi
kiến đĩng gĩp các đồng nghiệp để bài giảng được hồn thiện hơn. Mọi gĩp ý xin vui lịng gửi về Bộ mơn kỹ thuật điện tử - Khoa Kỹ thuật Điện tử 1- Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng hoặc email: hadm@ptit.edu.vn. Chúng tơi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đã đĩng gĩp các ý kiến quý báu; xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Học viện, Phịng Đào tạo và NCKH, Khoa Kỹ thuật Điện tử 1, 2 đã tạo điều kiện để chúng tơi hồn thành bài giảng này. Hà nội, tháng 9 năm 2010 Tác giả vii
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử CHƢƠNG 1 - GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐO LƢỜNG ĐIỆN TỬ Các khái niệm về đo lƣờng điện tử Đối tƣợng của đo lƣờng điện tử Phân loại phép đo Chức năng và phân loại thiết bị đo Đơn vị đo lƣờng, chuẩn, mẫu Đặc tính cơ bản của thiết bị đo Đặc tính điện của thiết bị đo điện tử So sánh thiết bị đo tƣơng tự và thiết bị đo số Chọn khoảng đo tự động và đo tự động Đo trong mạch Kỹ thuật sử dụng thiết bị đo điện tử 1.0. GIỚI THIỆU CHUNG Chƣơng này sẽ trình bày khái quát về kỹ thuật đo lƣờng nĩi chung, kỹ thuật đo lƣờng điện tử nĩi riêng. Những khái niệm trong đo lƣờng, phép đĩ, phƣơng pháp đo, thiết bị đo, đặc tính của thiết bị đo, và đặc biệt là sai số đo lƣờng, phân loại số số, tính tốn sai số sẽ đƣợc làm sáng tỏ trong chƣơng này. Đĩ là những cơ sở để cĩ thể học các chƣơng tiếp theo. - Sau khi học chƣơng này sinh viên cĩ thể hiểu đƣợc những vấn đề sau: - Thế nào là đo lƣờng, đo lƣờng điện tử. - Khái niệm về phép đo, phƣơng pháp đo. 9
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử - Phân biệt đƣợc các phƣơng pháp đo khác nhau. - Hiểu chức năng của thiết bị đo, và phân loại đƣợc các thiết bị đo. - Biết các đặc tính cơ bản của một thiết bị đo. - Phân biệt đƣợc Đơn vị đo, chuẩn, mẫu. 1.1 CÁC KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƢỜNG ĐIỆN TỬ Đo lƣờng học (Metrology) là lĩnh vực khoa học ứng dụng liên ngành nghiên cứu về các đối tƣợng đo, các phép đo, các phƣơng pháp thực hiện và các cơng cụ đảm bảo cho chúng, kỹ thuật đo, các phƣơng pháp để đạt đƣợc độ chính xác mong muốn. Các hƣớng nghiên cứu chính của đo lƣờng bao gồm: Các lý thuyết chung về phép đo. Các đơn vị vật lý và hệ thống của chúng. Các phƣơng pháp và cơng cụ đo. Kỹ thuật đo Phƣơng pháp xác định độ chính xác của phép đo. Cơ sở bảo đảm cho việc thống nhất giữa phép đo và rất nhiều cơng cụ thực hiện nĩ. Cơng cụ đo chuẩn và barem. Các phƣơng pháp để chuyển đơn vị đo từ cơng cụ chuẩn hoặc gốc ra cơng cụ làm việc. Ngành kĩ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thành quả của đo lƣờng học vào phục vụ sản xuất vào đời sống gọi là kĩ thuật đo lƣờng Phần này sẽ trình các khái niệm cơ bản về đo lƣờng điện tử. - Đo lƣờng (Measurement) là gì? Đo lƣờng là quá trình thực nghiệm vật lý nhằm đánh giá đƣợc tham số, cũng nhƣ đặc tính của 10
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử đối tƣợng chƣa biết. Thơng thƣờng đo lƣờng là quá trình so sánh đối tƣợng chƣa biết với một đối tƣợng làm chuẩn (đối tƣợng chuẩn này thƣờng là đơn vị đo), và cĩ kết quả bằng số so với đơn vị đo. + Ví dụ đo điện áp: Điện áp của một nguồn đo đƣợc là 5V nghĩa là điện áp của nguồn đĩ gấp 5 lần điện áp của một nguồn chuẩn 1V. - Đo lƣờng điện tử (Electronic Measurement) : là đo lƣờng mà trong đĩ đại lƣợng cần đo đƣợc chuyển đổi sang dạng tín hiệu điện mang thơng tin đo và tín hiệu điện đĩ đƣợc xử lý và đo lƣờng bằng các dụng cụ và mạch điện tử. + Nếu kết hợp đo lƣợng điện tử và các bộ biến đổi phi điện - điện (sensor - các bộ cảm biến) cho phép đo lƣờng đƣợc hầu hết các đại lƣợng vật lý trong thực tế. - Đại lƣợng đo (Measurand): là các đại lƣợng vật lý chƣa biết cần xác định tham số và đặc tính nhờ phép đo. - Tín hiệu đo (Measuring Signal: Tín hiệu điện mang thơng tin đo. - Phép đo (Measurement): Là quá trình xác định tham số và đặc tính của đại lƣợng vật lý chƣa biết bằng các phƣơng tiện kỹ thuật đặc biệt - hay cịn đƣợc gọi là thiết bị đo. - Thiết bị đo (Instrument): là phƣơng tiện kĩ thuật để thực hiện phép đo cĩ chức năng biến đổi tín hiệu mang thơng đo thành dạng phù hợp cho việc sử dụng và nhận kết quả đo, chúng cĩ những đặc tính đo lƣờng cơ bản đã đƣợc qui định. Trong thực tế Thiết bị đo thƣờng đƣợc hiểu là máy đo (ví dụ: Máy hiện sĩng, Vơn mét số, Máy đếm tần ). - Kỹ thuật đo (Intrumentation): là một nhánh khoa học về các phƣơng pháp kỹ thuật cơng nghệ ứng dụng trong đo lƣờng và điều khiển. 11
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử - Phƣơng pháp đo (Measuring method) : Là cách thức thực hiện quá trình đo lƣờng để xác định đƣợc tham số và đặc tính của các đại lƣợng đo. Phƣơng pháp đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Phƣơng pháp nhận thơng tin đo từ đại lƣợng đo, Phƣơng pháp xử lý thơng tin đo, Phƣơng pháp đánh giá, so sánh thơng tin đo, Phƣơng pháp hiển thị, lƣu trữ kết quả đo Mỗi loại máy đo cĩ thể coi là một thiết bị đo hồn chỉnh thực hiện theo một hay một vài phƣơng pháp đo cụ thể nào đĩ. Về cơ bản quá trình đo lƣờng cĩ thể đƣợc chia thành các bƣớc Thu nhận Biến đổi, xử lý, Lƣu trữ, Đại thơng tin đo đánh giá, so sánh, hiển thị kết lượng đo định lƣợng thơng tin quả đo đo khác nhau và đƣợc minh họa nhƣ hình vẽ sau: Hình 1.1 – Quá trình đo lường 1.2 ĐỐI TƢỢNG CỦA ĐO LƢỜNG ĐIỆN TỬ Đo lƣợng điện tử cĩ phạm vi ứng dụng rất rộng rãi, đối tƣợng đo rất rộng. Tuy nhiên trong lĩnh vực điện tử - viễn thơng, đối tƣợng của đo lƣờng tập chủ yếu vào đối tƣợng: Hệ thống tham số và đặc tính của tín hiệu và của mạch điện tử. - Hệ thống tham số và đặc tính của tín hiệu điện tử: + Tham số về cƣờng độ tín hiệu điện tử gồm: Cƣờng độ dịng điện, Cƣờng độ điện áp, Cơng suất tác dụng của tín hiệu + Tham số về thời gian gồm: Chu kỳ, tần số của tín hiệu, gĩc lệch pha giữa 2 tín hiệu cùng tần số, độ rộng phổ tín hiệu, độ rộng xung, độ rộng sƣờn trƣớc, sƣờn sau + Đặc tính tín hiệu gồm: Phổ của tín hiệu, độ méo dạng của tín hiệu, hệ số điều chế tín hiệu 12
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử + Tín hiệu số gồm các tham số: Mức logic, tần số, chu kỳ - Hệ thống tham số và đặc tính của mạch điện tử: + Các tham số về trở kháng: Trở kháng tƣơng đƣơng, dẫn nạp tƣơng đƣơng, điện trở, điện dung, điện kháng tƣơng đƣơng, trở kháng sĩng, hệ số phản xạ, hệ số tổn hao, hệ số phẩm chất của mạch + Đặc tính của mạch: Đặc tuyến Vơn-Ampe, Đặc tuyến biến độ - tần số, đặc tuyến Pha - tần số của mạch Chú ý: Tùy theo dải tần và hệ thống tham số và đặc tính của tín hiệu và của mạch điện tử cần đo cũng khác nhau. 1.3 PHÂN LOẠI PHÉP ĐO Phép đo là cơng việc thực hiện chính của đo lƣờng, đĩ là việc tìm ra giá trị vật lý bằng cách thí nghiệm với sự trợ giúp cả các cơng cụ kỹ thuật đặc biệt. Giá trị tìm đƣợc gọi là kết quả của phép đo. Hoạt động thực hiện trong quá trình đo để cho ta kết quả là một đại lƣợng vật lý gọi là quá trình ghi nhận kết quả. Tùy thuộc vào đối tƣợng nghiên cứu, vào tính chất của cơng cụ đo và ngƣời ta cần thực hiện phép đo ghi nhận một lần hay nhiều lần. Nếu nhƣ cĩ một loại ghi nhận thì kết quả phép đo nhận đƣợc là kết quả khi xử lý các kết quả từ các ghi nhận đĩ. Phép đo cĩ bản chất là quá trình so sánh đại lƣợng vật lý cần đo với một đại lƣợng vật lý đƣợc dùng làm đơn vị. Kết quả của phép đo đƣợc biểu diễn bằng một số là tỷ lệ của đại lƣợng cần đo với một đơn vị đĩ. Nhƣ vậy thể thực hiện phép đo, ta cần thiết lập đơn vị đo, so sánh giá trị của đại lƣợng cần đo với đơn vị và ghi nhận kết quả so sánh đƣợc. Thơng thƣờng ngƣời ta thƣờng biến đổi tín hiệu đến dạng thuận tiện nhất cho việc so sánh. 13
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử Nhƣ vậy, ta cĩ thể tĩm tắt lại thành bốn bƣớc chính của phép đo là: thiết lập đơn vị vật lý, biểu diễn tín hiệu đo, so sánh tín hiệu đo với đơn vị đƣợc lấy làm chuẩn và ghi nhận kết quả so sánh. Cĩ nhiều cách phân loại phƣơng pháp đo, tùy thuộc vào phƣơng pháp nhận kết quả đo, phƣơng pháp xử lý thơng tin đo, dải trình đo, điều kiện đo, sai số + Đo trực tiếp : Là phƣơng pháp đo mà kết quả đo nhận đƣợc trực tiếp trên thiết bị đo từ một lần đo duy nhất. Thơng thƣờng dùng các thiết bị đo tƣơng ứng cho chính đối tƣợng cần đo đo. - VD: đo điện áp bằng vơn-mét, đo tần số bằng tần số-mét, đo cơng suất bằng ốt-mét, Đặc điểm của phép đo trực tiếp là quá trình thực hiện đơn giản về biện pháp kỹ thuật, tiến hành đo đƣợc nhanh chĩng và loại trừ đƣợc các sai số do tính tốn. + Đo gián tiếp : Là phƣơng pháp đo mà kết quả đo nhận đƣợc từ biểu thức tính tốn các kết quả của phép đo trực tiếp các đại lƣợng vật lý khác nhau. - VD: Đo cơng suất một chiều: P=U.I - đo điện áp và dịng điện bằng Vơn-mét và Ampe-mét. - Đặc điểm: nhiều phép đo và thƣờng khơng nhận biết ngay đƣợc kết quả đo Trong kỹ thuật đo lƣờng, thơng thƣờng ngƣời ta muốn tránh phƣơng pháp đo gián tiếp, vì trƣớc hết nĩ yêu cầu tiến hành nhiều phép đo (ít nhất là hai phép đo) và thƣờng là khơng nhận biết ngay đƣợc kết quả đo. Song trong một số trƣờng hợp thì khơng thể tránh đƣợc phƣơng pháp này. + Đo thống kê: Là phƣơng pháp thực hiện đo nhiều lần một đại lƣợng đo với cùng thiết bị đo và trong cùng điện kiện đo, kết 14
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử quả đo đƣợc tính là giá trị trung bình thống kê của của các lần đo đo. Đặc điểm: Phƣơng pháp này cho phép loại trừ các sai số ngẫu nhiên và thƣờng dùng khi kiểm chuẩn thiết bị đo. Hiện nay, kỹ thuật đo lƣờng đã phát triển nhiều về phƣơng pháp đo tương quan. Nĩ là một phƣơng pháp riêng, khơng nằm trong phƣơng pháp đo trực tiếp hay phƣơng pháp đo gián tiếp. Phƣơng pháp tƣơng quan dùng trong những trƣờng hợp cần đo các quá trình phức tạp, mà ở đây khơng thể thiết lập một quan hệ hàm số nào giữa các đại lƣợng là các thơng số của một quá trình nghiên cứu. Ví dụ: tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra của một hệ thống nào đĩ. Khi đo một thơng số của tín hiệu nào bằng phƣơng pháp đo tƣơng quan, thì cần ít nhất là hai phép đo mà các thơng số từ kết quả đo của chúng khơng phụ thuộc lẫn nhau. Phép đo này đƣợc thực hiện bởi cách xác định khoảng thời gian và kết quả của một số thuật tốn cĩ khả năng định đƣợc trị số của đại lƣợng thích hợp. Độ chính xác của phép đo tƣơng quan đƣợc xác định bằng độ dài khoảng thời gian của quá trình xét. Khi đo trực tiếp thật ra là ngƣời đo đã phải giả thiết hệ số tƣơng quan giữa đại lƣợng đo và kết quả rất gần 1, mặc dù cĩ sai số do quy luật ngẫu nhiên của quá trình biến đổi gây nên. Ngồi các phép đo cơ bản nĩi trên, cịn một số các phƣơng pháp đo khác thƣờng đƣợc thực hiện trong quá trình tiến hành đo lƣờng nhƣ sau: Phép đo thay thế: Phép đo đƣợc tiến hành hai lần, một lần với đại lƣợng cần đo và một lần với đại lƣợng đo mẫu. Điều chỉnh để hai trƣờng hợp đo cĩ kết quả chỉ thị nhƣ nhau. 15
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử Phép đo hiệu số: Phép đo đƣợc tiến hành bằng cách đánh giá hiệu số trị số của đại lƣợng cần đo và đại lƣợng mẫu. Phép đo vi sai, phƣơng pháp chỉ thị khơng, phƣơng pháp bù, cũng là những trƣờng hợp riêng của phƣơng pháp hiệu số. Chúng thƣờng đƣợc dùng trong các mạch cầu đo hay trong các mạch bù. Phép đo thẳng: kết quả đo đƣợc định lƣợng trực tiếp trên thanh độ của thiết bị chỉ thị. Tất nhiên sự khắc độ của các thang độ này đã đƣợc lấy chuẩn trƣớc với đại lƣợng mẫu cùng loại với đại lƣợng đo. Phép đo rời rạc hĩa (chỉ thị số): đại lƣợng cần đƣợc đo đƣợc biến đổi thành tin tức là các xung rời rạc. Trị số của đại lƣợng cần đo đƣợc tính bằng số xung tƣơng ứng này. 1.4 CHỨC NĂNG VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ ĐO Hầu hết các thiết bị đo cĩ chức năng cung cấp cho chúng ta kết qủa đo đƣợc đại lƣợng đang khảo sát. Kết quả này đƣợc chỉ thị hoặc đƣợc ghi lại trong suốt quá trình đo, hoặc đƣợc dùng để tự động điều khiển đại lƣợng đang đƣợc đo. Ví dụ: trong hệ thống điều khiển nhiệt độ, máy đo nhiệt độ cĩ nhiệm vụ đo và ghi lại kết quả đo của hệ thống đang hoạt động và giúp cho hệ thống xử lý và điều khiển tự động theo thơng số nhiệt độ. Nĩi chung thiết bị đo lƣờng cĩ chức năng quan trọng là kiểm tra sự hoạt động của hệ thống tự điều khiển, nghĩa là đo lường quá trình trong cơng nghiệp (Industrial process measurements). Đây cũng là mơn học trong ngành tự động hĩa. - Phân loại thiết bị đo: Gồm 2 nhĩm chính Thiết bị đo đơn giản: mẫu, thiết bị so sánh, chuyển đổi đo lƣờng. 16
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử Thiết bị đo phức tạp: máy đo, thiết bị đo tổng hợp và hệ thống thơng tin đo lƣờng. + Thiết bị chuẩn: Chuẩn là mẫu cĩ cấp chính xác cao nhất. Chuẩn là phƣơng tiện đo đảm bảo việc sao và giữ đơn vị đo tiêu chuẩn. + Thiết bị mẫu: là thiết bị đo dùng để sao lại đại lƣợng vật lí cĩ giá trị cho trƣớc với độ chính xác cao. + Thiết bị so sánh: thiết bị đo dùng để so sánh 2 đại lƣợng cùng loại. + Thiết bị chuyển đổi đo lƣờng: Thiết bị đo dùng để biến đổi tín hiệu mang thơng tin đo lƣờng về dạng thuận tiện cho việc truyền tiếp, biến đổi tiếp, xử lí tiếp và giữ lại, nhƣng ngƣời quan sát chƣa thể nhận biết trực tiếp đƣợc kết quả đo (VD: bộ KĐ đo lƣờng; bộ biến dịng, biến áp đo lƣờng; sensor, quang điện trở, nhiệt điện trở, ADC ) + Máy đo (Instrument) : Thiết bị đo dùng để biến đổi tín hiệu mang thơng tin đo lƣờng về dạng mà ngƣời quan sát cĩ thể nhận biết trực tiếp đƣợc (VD: vơnmét, ampe mét, ) + Thiết bị đo tổng hợp: là các thiết bị đo phức tạp, đa năng dùng để kiểm tra, kiểm chuẩn đo lƣờng, đo lƣờng các tham số phức tạp. + Hệ thống thơng tin đo lƣờng: Hệ thống mạng kết nối của nhiều thiết bị đo, cho phép đo lƣờng và điều khiển từ xa, đo lƣờng phân tán Với nhiều cách thức đo đa dạng khác nhau cho nhiều đại lƣợng cĩ những đặc tính riêng biệt, một cách tổng quát chúng ta cĩ thể phân biệt 2 dạng thiết bị đo phụ thuộc vào đặc tính. 17
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử Ví dụ: để đo độ dẫn điện chúng ta dùng thiết bị đo dịng điện thuần túy điện là micro ampe kế hoặc mili ampe kế. Nhƣng nếu chúng ta dùng thiết bị đo cĩ sự kết hợp mạch điện tử để đo độ dẫn điện thì lúc bấy giờ phải biến đổi dịng điện đo thành điện áp đo. Sau đĩ mạch đo điện tử đo dịng điện dƣới dạng điện áp. Nhƣ vậy chúng ta cĩ đặc tính khác nhau giữa thiết bị đo điện và thiết bị đo điện tử. Hoặc cĩ những thiết bị đo chỉ thị kết quả bằng kim chỉ thị (thiết bị đo dạng analog), hiện nay thiết bị đo chỉ thị bằng hiện số (thiết bị đo dạng digital). Đây cũng là một đặc tính phân biệt của thiết bị đo. Ngồi ra thiết bị đo lƣờng cịn mang đặc tính của một thiết bị điện tử (nếu là thiết bị đo điện tử) nhƣ: tổng trở vào cao, độ nhạy cao, hệ số khuyếch đại ổn định và cĩ độ tin cậy đảm bảo cho kết quả đo. Cịn cĩ thêm chức năng, truyền và nhận tín hiệu đo lường từ xa (telemetry). Đây cũng là mơn học quan trọng trong lĩnh vực đo lường điều khiển từ xa. Bảng phân loại tổng quan thiết bị đo nhƣ Hình 1.2: 18
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử Thiết bị đo Dạng của tín hiệu Phương pháp Các đại lượng đầu Mức độ tự động biến đổi vào hĩa Thiết bị đo Thiết bị đo Thiết bị đo Thiết bị đo Thiết bị đo tự Thiết bị đo Thiết bị đo biến đổi Thiết bị đo khơng tự động biến đổi dịng điện động tương tự số cân bằng tần số thẳng Hình 1.2 - Bảng phân loại tổng quan thiết bị đo 19
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử 1.5 ĐƠN VỊ ĐO LƢỜNG, CHUẨN, MẪU 1.5.1 Đơn vị đo lƣờng + Đơn vị đo: Là một giá đơn vị tiêu chuẩn về một đại lƣợng đo nào đĩ đƣợc quốc tế quy định. Trên thế giới ngƣời ta chế tạo ra những đơn vị tiêu chuẩn gọi là các chuẩn. Ví dụ: Chuẩn Ơm quốc tế là điện trở của một cộ thủy ngân thiết diện 1mm2 , dài 106,300 cm, ở 00C và cĩ khối lƣợng là 14,4521 g. Hệ đơn vị đơn vị đo lƣờng phổ biến đƣợc dùng ở Việt Nạm là hệ SI. Hệ SI gồm các đơn vị đo cơ bản và đơn vị đo kéo theo: + Đơn vị đo cơ bản: Đƣợc thể hiện bằng các đơn vị chuẩn với độ chính xác cao nhất mà khoa học kỹ thuật hiện đại cĩ thể thực hiện đƣợc, gồm 7 đơn vị đo là : m (đơn vị đo khoảng cách) , kg (đơn vị đo khối lƣợng, S (đơn vị đo thời gian), A (đơn vị đo cƣờng độ dịng điện), K (đơn vị đo nhiệt độ), mol (đơn vị đo lƣợng chất), Cd (Candela - đơn vị đo cƣờng độ ánh sáng). + Đơn vị kéo theo: là đơn vị cĩ liện quan đến các đơn vị cơ bản bởi những luật thể hiện bằng các biểu thức, ví dụ: [Hz] = 1/ [S], [C]= [A.S], [V]= [A.S/m] Ngồi ra hệ SI cịn sử dụng các hệ số và ƣớc số của các đơn vị: T G K h da D c m n p f a 1012 109 106 103 10 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10- 10- 10- 12 15 18 + Chuẩn: là phƣơng tiện đo đảm bảo việc sao, giữ 1 đơn vị tiêu chuẩn. 20
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử + Mẫu: Phƣơng tiện đo dùng để sao lại các đại lƣợng vật lý với giá trị cho trƣớc và với độ chính xác cao. Với mỗi quốc gia, mẫu cĩ cấp chính xác cao nhất gọi là chuẩn của quốc gia đĩ. 1.5.2 Cấp chuẩn hĩa Khi sử dụng thiết bị đo lƣờng, chúng ta mong muốn thiết bị đƣợc kiểm chuẩn khi đƣợc xuất xƣởng nghĩa là đã đƣợc chuẩn hĩa với thiết bị đo lường chuẩn (standard Instrument). Việc chuẩn hĩa thiết bị đo lƣờng đƣợc xác định theo 4 cấp nhƣ sau: Cấp 1: Chuẩn quốc tế (International standard) các thiết bị đo lƣờng cấp chuẩn quốc tế đƣợc thực hiện định chuẩn tại Trung tâm đo lường quốc tế đặt tại Paris (Pháp), các thiết bị đo lƣờng chuẩn hĩa cấp 1 này theo định kỳ đƣợc đánh giá và kiểm tra lại theo trị số đo tuyệt đối của các đơn vị cơ bản vật lý đƣợc hội nghị quốc tế về đo lƣờng giới thiệu và chấp nhận đƣợc. Cấp 2: Chuẩn quốc gia. Các thiết bị đo lƣờng tại các Viện định chuẩn quốc gia ở các quốc gia khác nhau trên thế giới các thiết bị này cũng đã đƣợc chuẩn hĩa theo chuẩn quốc tế và các thiết bị đo lƣờng đƣợc chuẩn hĩa tại các viện định chuẩn quốc gia. Cấp 3: Chuẩn khu vực. Trong một quốc gia cĩ thể cĩ nhiều trung tâm định chuẩn cho từng khu vực (standard zone center). Các thiết bị đo lƣờng tại các trung tâm này đƣơng nhiên phải mang chuẩn quốc gia (National standard). Những thiết bị đƣợc đo lƣờng đƣợc định chuẩn tại các trung tâm định chuẩn này sẽ mang chuẩn khu vực (Zone standard). Cấp 4: Chuẩn phịng thí nghiệm. Trong từng khu vực chuẩn hĩa sẽ cĩ những phịng thí nghiệm đƣợc cơng nhận để chuẩn hĩa các thiết bị đƣợc dùng trong sản xuất cơng nghiệp. Nhƣ vậy các thiết bị đƣợc chuẩn hĩa tại các phịng thí nghiệm này sẽ cĩ chuẩn hĩa của phịng thí nghiệm. Do đĩ các thiết bị đo lƣờng khi đƣợc 21
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử sản xuất ra đƣợc chuẩn hĩa ở cấp nào thì sẽ mang chất lƣợng tiêu chuẩn đo lƣờng của cấp đĩ. Cịn các thiết bị đo lƣờng tại các trung tâm đo lƣờng, viện định chuẩn quốc gia, thì phải đƣợc chuẩn hĩa và mang tiêu chuẩn cấp cao hơn . Thí dụ phịng thí nghiệm phải trang bị các thiết bị đo lƣờng cĩ tiêu chuẩn của chuẩn vùng hoặc chuẩn quốc gia. Cịn các thiết bị đo lƣờng tại viện định chuẩn quốc gia thì phải cĩ chuẩn quốc tế. Ngồi ra theo định kỳ đƣợc đặt ra phải đƣợc kiểm tra và chuẩn hĩa lại các thiết bị đo lƣờng. 1.6 ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ ĐO Cĩ nhiều đặc tính cơ bản của thiết bị đo, cần phải xác định chúng để lựa chọn chính xác thiết bị đo. Cĩ 2 loại đặc tính: Đặc tĩnh tính và đặc tính động. 1.6.1 Đặc tính tĩnh Các đặc tính tĩnh đƣợc xác định thơng quá trình kiểm chuẩn (Calibration Test) thiết bị. Kiểm chuẩn là quá trình so sánh thiết bị đo với một thiết bị chuẩn (thiết bị mẫu) để nhằm mục đích kiểm tra khắc độ thiết bị đo (Xác định mối quan hệ giữa thang chỉ thị của thiết bị đo và giá trị của các thiết bị mẫu, chuẩn), cũng nhƣ xác định các đặc tính của thiết bị đo. Các đặc tĩnh tính cơ bản của thiết bị đo nhƣ sau: + Hàm biến đổi (Transfer Function): Là tƣơng quan hàm số giữa đại lƣợng đầu ra Y và các đại lƣợng đầu vào X của thiết bị đo, thƣờng cho dƣới dạng hàm số hoặc đồ thị: Y=f(X) + Độ nhạy (Sensitivity): Là tỷ số giữa độ biến thiên của đầu ra Y của phƣơng tiện đo với độ biến thiên của đại lƣợng đo đầu vào X tƣơng ứng. dY Ký hiệu: S dX 22
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử + Phạm vi đo (Range):Là phạm vi thang đo bao gồm những giá trị mà sai số của phép đo nằm trong giới hạn cho trƣớc. + Phạm vị chỉ thị (Display Range): là phạm vi thang đo đƣợc giới hạn bởi giá trị đầu và giá trị cuối của thang đo. + Cấp chính xác (Accuracy-Level): đƣợc xác định bởi giá trị lớn nhất của các sai số trong thiết bị đo. Thƣờng đƣợc tính tốn bằng giới hạn của sai số tƣơng đối quy X max đổi: q max .100 X đm + Độ chính xác (Accuracy): Mức độ gần giá trị thực của đại lƣợng đo và giá trị đo đƣợc. + Độ rõ (Precision) : Mức độ sai khác của kết quả đo của các phép đo liên tiếp một đại lƣợng đo khơng đổi với cùng máy đĩ. Bảng sau minh họa sự khác nhau giữa Độ chính xác và Độ rõ: Bảng 1.1 – Minh họa sự khác nhau giữa độ chính xác và độ rõ Kết quả bắn bia Độ chính Thấp Thấp Cao Cao xác Độ rõ Thấp Cao Thấp Cao + Độ phân giải (Resolution): là giá trị nhỏ nhất cĩ thể phân biệt đƣợc sự biến đổi của đại lƣợng đo trên thiết bị đĩ. Thƣờng gồm độ chia nhỏ nhất của thang đo hay giá trị nhỏ nhất cĩ thể phân biệt đƣợc trên thang đo (mà cĩ thể phân biệt đƣợc sự biến đổi trên thang đo). 23
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử + Độ ổn định (Stability) : Sự biến đổi khơng quá nhiều của giá trị đo trong điều kiện đo khác nhau. 1.6.2 Đặc tính động Một số rất ít thiết bị đo đáp ứng tức thời ngay với đại lƣợng đo thay đổi. Phần lớn nĩ đáp ứng chậm hoặc khơng theo kịp sự thay đổi của đại lƣợng đo. Sự chậm chạp này phụ thuộc đặc tính của thiết bị đo nhƣ tính quán tính, nhiệt dung hoặc điện dung đƣợc thể hiện qua thời gian trễ của thiết bị đo. Do đĩ sự hoạt động ở trạng thái động hoặc trạng thái giao thời của thiết bị đo cũng quan trọng nhƣ trạng thái tĩnh. Đối với đại lƣợng đo cĩ 3 dạng thay đổi nhƣ sau: - Thay đổi cĩ dạng hàm bƣớc theo thời gian. - Thay đổi cĩ dạng hàm tuyến tính theo thời gian. - Thay đổi cĩ dạng hàm điều hịa theo thời gian. Đặc tuyến động của thiết bị đo - Tốc độ đáp ứng. - Độ trung thực. - Tính trễ. - Sai số động Đáp ứng động ở bậc Zero (bậc khơng) Một cách tổng quát tín hiệu đo và tín hiệu ra của thiết bị đo đƣợc diễn tả theo phƣơng trình sau đây: d n x d n 1x dx d m x d m 1x dx a 0 a 0 a 0 a x b i b i b i b x n dtn n 1 dtn 1 1 dt 0 0 m dtm m 1 dtm 1 1 dt 0 0 Trong đĩ: xo: tín hiệu ra của thiết bị đo; x1: tín hiệu đo. ao an: thơng số của hệ thống đo giả sử khơng thay đổi. 24
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử bo bn: thơng số của hệ thống đo giả sử khơng thay đổi. Khi ao, bo khác khơng ( 0) thì các giá trị a, b khác bằng khơng (=0). Phƣơng trình vi phân cịn lại: b0 b0 a0 x0 b0 x1; x0 xi ;K : độ nhạy tĩnh a0 a0 Nhƣ vậy đây là trƣờng hợp đại lƣợng vào và đại lƣợng ra khơng phụ thuộc vào thời gian, là điều kiện lý tƣởng của trạng thái động. Thí dụ nhƣ sự thay đổi vị trí con chạy của biến trở tuyến tính theo đại lƣợng đo. Đáp ứng động ở bậc 1 Khi các giá trị a1, b1, a0, b0 khác khơng ( 0), cịn các giá trị dx cịn lại bằng khơng (=0): a 0 a x b x 1 dt 0 0 0 i Bất kỳ thiết bị đo nào thỏa mãn cho phƣơng trình này đƣợc gọi là thiết bị bậc nhất. Chia hai vế cho a0 phƣơng trình trên ta cĩ: a1 dx0 b0 dx0 b0 x0 xi Hoặc: x0 xi ; D 1 x0 Kxi a0 dt a0 dt a0 d a b Với D ; 1 : thời hằng; K 0 : độ nhạy tĩnh dt a0 a0 Thời hằng cĩ đơn vị là thời gian. Trong khi đĩ độ nhạy tĩnh K đơn vị của tín hiệu ra/tín hiệu vào. Hàm truyền hoạt động (Transfer function) của bất kỳ thiết bị x K đo bậc nhất: 0 xi D 1 Thí dụ cụ thể của thiết bị đo bậc nhất là nhiệt kế thủy ngân. Đáp ứng động của thiết bị bậc 2, được định nghĩa theo phương trình: 25
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử d 2 x dx a 0 a 0 a x b x 2 dt2 1 dt 0 0 0 i Phƣơng trình trên đƣợc rút gọn lại: D2 D 2 2 1 x0 Kxi n n n a0 a2 : tần số khơng đệm tự nhiên (đơn vị: radian/thời gian). a b : tỉ số đệm; 1 ; K= 0 a0a2 a0 Bất kỳ thiết bị đo nào thỏa cho phƣơng trình này gọi là thiết bị đo bậc 2. Thí dụ: Loại cân dùng lị xo đàn hồi (lực kế), thơng thƣờng loại thiết bị đo bậc 1 chỉ hoạt động đo với đại lƣợng cĩ năng lƣợng. Nhiệt kế cĩ năng lƣợng là nhiệt năng, trong khi đĩ loại thiết bị bậc 2 cĩ sự trao đổi giữa hai dạng năng lƣợng. Thí dụ: năng lƣợng tĩnh điện và từ điện trong mạch LC, cụ thể nhƣ sự chỉ thị cơ cấu từ điện kết hợp với mạch khuếch đại. 1.7. ĐẶC TÍNH ĐIỆN CỦA THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ Ngồi những đặc tính cơ bản, thiết bị đo điện tử cĩ những đặc tính điện riêng. Các đặc tính này ảnh hƣởng rất lớn đến mức độ chính xác của kết quả đo. 1.7.1. Các tham số giới hạn + Giới hạn về thang đo: Mỗi thiết bị đo cĩ khoảng đo lớn nhất về một thơng số cần đo. Khoảng đo sẽ đƣợc chia thành các thang đo nhỏ thích hợp. Ví dụ, một Voltmeter cĩ thể đo cao nhất là 300V chia thành 5 thang đo phụ: 3V, 10V, 30V, 100V và 300V. Chuyển mạch thang đo sẽ thiết lập tại các vị trí chính xác tuỳ thuộc vào giá trị đo yêu cầu. Giả sử phép đo điện áp là 9V thì chúng ta sẽ sử dụng thang đo 10V. Các thang đo cần phải cĩ cho tất cả các thơng số cần đo. Cần phải chọn thang đo đúng cho mỗi 26
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử thơng số đo thích hợp. Nếu đo điện áp trên thang đo dịng điện, thì đồng hồ đo sẽ hƣ hỏng. + Độ mở rộng thang đo: Là thuật ngữ đƣợc sử dụng chỉ sự chênh lệch giữa giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của một thang đo. Đối với giá trị đo của đồng hồ ở mức nhỏ nhất là 10mA và 100mA ở mức cao nhất, thì độ mở rộng của thang đo là 100mA - 10mA = 90mA. Một đồng hồ đo điện áp cĩ mức 0V ở giữa, với + 10V một bên và - 10V ở phía khác, sẽ cĩ độ mở rộng thang đo là 20V. + Giới hạn về cơng suất: Mỗi thiết bị đo đều cĩ khả năng xử lý cơng suất lớn nhất, nên cơng suất của tín hiệu vào khơng đƣợc vƣợt quá giới hạn cơng suất đo. Cơng suất vƣợt quá cĩ thể làm hỏng đồng hồ đo hay mạch khuyếch đại bên trong đồng hồ đo. + Giới hạn về tần số: Phần lớn cơ cấu động ở đồng hồ đo tƣơng tự cĩ vai trị nhƣ một điện cảm mắc nối tiếp và do vậy sẽ suy giảm ở dãi tần số cao. Trong các thiết bị đo sử dụng các mạch chỉnh lƣu và các mạch khuyếch đại, các điện dung của tiếp giáp đƣợc cho là một hạn chế đối với tín hiệu đo ở dãi tần số cao. Cơ cấu đo điện động cĩ thể chỉ đƣợc sử dụng để đo tín hiệu cĩ tần số lên đến 1000Hz (do điện cảm nối tiếp), các cơ cấu đo từ điện (cĩ bộ chỉnh lƣu) cĩ thể sử dụng để đo tín hiệu cĩ tần số lên đến 10000Hz, millivoltmeter xoay chiều cĩ thể đo các tín hiệu cĩ tần số lên đến một vài MHz. Các hạn chế tần số khác cĩ thể gây ra do các điện dung song song. Máy hiện sĩng cĩ thể sử dụng để đo các tín hiệu cĩ tần số ở dãi Megahertz, nhƣng giá thành sẽ tăng khi cần độ rộng băng tần cao hơn. Máy hiện sĩng khơng sử dụng cuộn dây và hệ thống chỉ thị kim, do vậy ảnh hƣởng bất lợi ở phần lớn các cơ cấu đo sẽ đƣợc hạn chế và loại bỏ. 27
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử + Giới hạn về trở kháng: Các thiết bị đo đƣợc dùng để đo các tín hiệu AC, cĩ trở kháng ra phụ thuộc vào mạch ra của transistor đƣợc sử dụng. Một máy phát tín hiệu tần số cao cĩ thể cĩ trở kháng là 75 hay 50 để phù hợp với trở kháng vào của hệ thống cần đo. Các thiết bị đo điện áp nhƣ voltmeter và máy hiện sĩng cĩ trở kháng vào cao. Một voltmeter tốt vừa phải cĩ thể cĩ trở kháng vào khoảng 20000 /V, trong khi một máy hiện sĩng và đồng hồ đo số hay đồng hồ đo điện tử cĩ thể cĩ trở kháng vài megohm. Thiết bị đo điện áp cĩ trở kháng cao hơn sẽ cho độ chính xác của phép đo cao hơn, hay cĩ ảnh hƣởng quá tải ít hơn. Trở kháng của các cơ cấu đo cuộn dây động tuỳ thuộc vào độ nhạy của đồng hồ, cịn trở kháng của máy hiện sĩng kiểu ống tia phụ thuộc vào trở kháng vào của bộ khuyếch đại dọc sử dụng trong máy hiện sĩng. 1.7.2. Ảnh hƣởng do quá tải Ảnh hƣởng do quá tải cĩ nghĩa là sự suy giảm về trị số của thơng số ở mạch cần đo khi mắc thiết bị đo vào mạch. Thiết bị đo sẽ tiêu thụ cơng suất từ mạch cần đo và sẽ làm tải của mạch cần đo. Điện trở của đồng hồ đo dịng sẽ làm giảm dịng điện trong mạch cần đo. Tƣơng tự, một voltmeter khi mắc song song với mạch cĩ điện trở cao, thực hiện vai trị nhƣ một điện trở song song [shunt], nên sẽ làm giảm điện trở của mạch. Điều này tạo ra mức điện áp thấp trên tải đọc đƣợc trên đồng hồ đo. Do đĩ, đồng hồ sẽ chỉ thị mức điện áp thấp hơn so với điện áp thực, nghĩa là cần phải lấy mức điện áp cao hơn để cĩ độ lệch đúng. Nhƣ vậy, ảnh hƣởng do quá tải sẽ hạn chế độ nhạy và do đĩ cũng đƣợc gọi là giới hạn độ nhạy. Những ảnh hƣởng này sẽ cịn đƣợc nhắc lại trong phần đo điện áp và dịng điện. 28
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử 1.7.3. Can nhiễu ở phép đo So với tạp nhiễu bên trong đƣợc tạo ra bởi các gợn sĩng của nguồn cung cấp, hay bằng sự di chuyển lớn một cách ngẫu nhiên về cả số lƣợng và vận tốc của các điện tử trong các cấu kiện chủ động và thụ động (gọi là nhiễu Johnson hay nhiễu trắng, nhiễu vạch), hoặc do các quá trình quá độ gây ra bởi sự giảm đột ngột thơng lƣợng qua một điện cảm, các thiết bị đo cĩ thể bị can nhiễu từ bên ngồi đƣợc giải thích nhƣ sau. 1. Can nhiễu tần số thấp. Khi các dây dẫn điện nguồn cung cấp chính ac chạy song song gần với các đầu dây tín hiệu đo, thì nhiễu mạnh ac (tần số 50Hz) sẽ can nhiễu vào đầu tín hiệu đo do hiệu ứng điện dung giữa các dây dẫn. 2. Can nhiễu tần số cao. Các tín hiệu tần số cao đƣợc tạo ra bất cứ khi nào cĩ sự phát ra tia lửa điện ở vùng xung quanh thiết bị đo. Tia lửa điện cĩ thể tạo ra khi chuyển mạch nguồn cung cấp, do các hệ thống đánh lửa, do các động cơ điện một chiều, do các máy hàn, do sự phĩng điện hào quang (tức sự ion hố khơng khí gần các mạch điện áp cao), và do hồ quang điện trong các đèn huỳnh quang. Tia chớp là các nguồn tần số cao trong tự nhiên. Phát thanh quảng bá từ các đài thu phát vơ tuyến và các đài phát thanh di động cơng suất cao, đƣợc lắp đặt gần các thiết bị đo cũng tạo ra các tín hiệu tần số cao. Các tín hiệu cao tần đĩ đều cĩ thể can nhiễu vào thiết bị đo, các tín hiệu cao tần cĩ thể đƣợc chỉnh lƣu bằng các cấu kiện bán dẫn cĩ trong các thiết bị đo, và nhƣ vậy sẽ tác động đến các kết quả đo do điện áp khơng mong muốn thể hiện dƣới các dạng khác nhau trong phép đo, làm cho kết quả đo sai hồn tồn. Một số phép đo dc tiến hành ở các điểm đo trong mạch cĩ cả điện áp dc và điện áp của các tín hiệu tần số cao. Các phép 29
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử đo điện áp dc sẽ khơng chính xác nếu khơng lọc bỏ điện áp cao tần trƣớc khi tín hiệu đo đƣợc chỉnh lƣu trong thiết bị đo. Các cách phịng ngừa và khắc phục ở các phép đo để loại bỏ can nhiễu cao tần. 1. Trƣớc tiên là bao bọc cĩ hiệu quả thiết bị đo để khơng bị can nhiễu ngồi trực tiếp vào thiết bị đo. 2. Thiết bị đo phải đƣợc nối đất. 3. Cần phải lọc các tín hiệu khơng mong muốn tại mạch vào, dây đo và dây nguồn cung cấp để các tín hiệu cao tần sẽ đƣợc lọc bỏ trƣớc khi chỉnh lƣu, phải cĩ mạch chọn băng tần tín hiệu đo để loại bỏ nhiễu và can nhiễu tần số cao. Mạch nối đất với bệ máy cần phải đảm bảo. Mối hàn bị nứt hay thiếu kết nối, sẽ tạo ra một điện trở giữa đầu vào và đất đối với các tín hiệu tần số cao, nên điện áp cao tần sẽ xâm nhập tại đầu vào nhƣ minh hoạ ở Hình 1.3. Tụ điện trong Hình 1.3 dùng để lọc bỏ các tín hiệu cao tần, cĩ vai trị nhƣ một ngắn mạch đối với tần số cao. Nếu tụ hở mạch, hay điểm G khơng kết nối với đất (do áp lực nào đĩ hay mối hàn bị nứt), thì tín hiệu tần số cao sẽ cĩ tại điểm A sẽ đƣợc đƣa đến đầu vào của mạch khuyếch đại bằng Transistor, nên sẽ đƣợc khuyếch đại và chỉnh lƣu (phần phi tuyến của đặc tuyến) và sẽ cĩ tại đầu ra dƣới dạng điện áp dc. Các đài phát thanh quảng bá địa phƣơng thỉnh thoảng nghe đƣợc trong ống nghe điện thoại do can nhiễu đĩ. 30
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử Hình 1.3 – Mạch bị mất nối đất dầu vào 4. Khi thực hiện phép đo dc tại điểm cĩ cả điện áp dc cũng nhƣ điện áp cao tần, điện áp cao tần cĩ thể gây ra mức dịng điện lớn chảy qua đầu que đo bởi vì đầu que đo gần nhƣ đƣợc ngắn mạch với bệ máy đối với tín hiệu cao tần thơng qua ảnh hƣởng điện dung, cĩ thể làm nĩng đầu que đo (thực tế này xảy ra khi đo các điện áp dc trong máy phát). Mắc nối tiếp cuộn cảm RF với đầu que đo để loại bỏ tình trạng trên. 5. Sử dụng mạch khuyếch đại thuật tốn ở chế độ vi sai sẽ làm giảm các tín hiệu nhiễu đồng kênh rất cơ bản, cĩ thể loại bỏ nhiễu đồng kênh lên đến mức 100dB. (Nếu mặc dù đã cĩ các dự phịng nhiễu cao tần trên, hƣ hõng hệ thống cĩ thể từ tầng này đến tầng khác, thì nguyên nhân cĩ thể là vỏ bảo vệ, nối đất, mạch lọc và cuộn cảm cao tần, cần phải kiểm tra kỹ các vần đề đĩ). 1.7.4. Vỏ bảo vệ Vỏ bảo vệ là lớp chặn bằng vật liệu dẫn điện đƣợc lắp ở phần cĩ tín hiệu nhiễu. Hiệu quả của lớp bảo vệ tuỳ thuộc vào: (i) kiểu lớp bảo vệ, (ii) các đặc tính của vật liệu làm lớp bảo vệ và (iii) độ hở của lớp bảo vệ. Trƣờng nhiễu cĩ thể là điện trƣờng hoặc từ trƣờng. Các lớp bảo vệ bằng từ tính sử dụng vật liệu sắt từ nhƣ sắt. Các lớp bảo vệ 31
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử tĩnh điện sử dụng vật liệu dẫn điện khơng nhiễm từ nhƣ nhơm. Các vật liệu dẫn điện cĩ đặc tính điện mơi kém nên sẽ hấp thụ các nhiễu do điện trƣờng tĩnh. Ngồi việc hấp thụ, nhiễu cũng sẽ giảm do sự phản xạ của điện trƣờng khỏi lớp bảo vệ. Độ hấp thụ nhiễu tỷ lệ với độ dày của vật liệu. Sự phản xạ sẽ xảy ra khi cĩ gián đoạn trở kháng đặc trƣng giữa lớp bảo vệ và mơi trƣờng xung quanh lớp bảo vệ. 1.7.5. Nối đất Cĩ đƣờng dẫn trở lại mức đất trên bảng mạch in, thƣờng là đƣờng mạch rộng và cĩ điện trở rất thấp. Dây tín hiệu cần phải đƣợc đặt gần với đƣờng nối đất để giảm ảnh hƣởng điện cảm. Đƣờng mức đất trên mạch bảng mạch sẽ đƣợc nối với đƣờng đất hiệu dụng. Mức đất, nhƣ mạch ở Hình 1.4, là khơng đúng, bởi vì điện áp đƣợc bọc lộ trên chiều dài Zp do phần từ II sẽ đƣợc nối trở lại phần tử I. Ảnh hƣởng sẽ xấu nếu phần tử I cĩ độ nhạy cao, hoặc nếu phần tử II là thiết bị cơng suất lớn. Hình 1.4 - Nối đất sai Các cách nối đất nhƣ mạch ở Hình 1.5a và Hình 1.5b, là thích hợp, nhất là đối với tín hiệu cĩ tần số trên 10MHz, nếu chú ý chọn để tránh việc hình thành các vịng đất. 32
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử Hình 1.5 - Nối đất đúng 1.8. SO SÁNH THIẾT BỊ ĐO TƢƠNG TỰ VÀ THIẾT BỊ ĐO SỐ. Các thiết bị đo tƣơng tự sử dụng độ lệch của kim chỉ thị do tƣơng tác giữa dịng điện và từ trƣờng, hoặc giữa hai từ trƣờng. Đa số các bộ phận cơ cấu động đều cĩ ma sát, nên cĩ nhiều hạn chế (nhƣ giới hạn tần số cao, độ nhạy, sai số do quá tải) và các sai số. Trong các đồng hồ đo số, khơng liên quan đến sự làm lệch, số chỉ thị đƣợc đọc ở bộ hiển thị (hiển thị bằng tinh thể lỏng hay bằng LED), nên các đồng hồ đo số khơng cĩ các sai số nhƣ của các đồng hồ đo tƣơng tự. Các ƣu điểm của thiết bị đo số so với các loại đồng hồ đo tƣơng tự nhƣ sau. a) Ƣu điểm của đồng hồ đo số so với đồng hồ đo tƣơng tự. 1. Độ chính xác cao (thơng dụng là 0,0005% hay 5ppm) 2. Độ rõ cao (khi số lƣợng đo đƣợc thể hiện bằng chữ số, nên sẽ khơng thay đổi giá trị của nĩ) (điển hình là 1ppm). 3. Độ phân giải tốt hơn (tình trạng khơng rõ ràng chỉ bị giới hạn nhiều nhất là một chữ số). 4. Khơng cĩ sai số do thị sai. 5. Khơng cĩ sai số do đọc. Khơng cĩ sai số trong việc chuyển đổi số liệu đo. 6. Trở kháng vào rất cao (điển hình là 10Mvà điện dung vào thấp là 40pF) và vì vậy sai số do quá tải khơng đáng kể. 7. Trở kháng vào hầu nhƣ khơng thay đổi trên tất cả các thang đo. 33
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử 8. Sự định chuẩn từ các nguồn mẫu bên trong đồng hồ là hồn tồn ổn định. 9. Khơng cĩ sai số do dạng sĩng tín hiệu. 10. Hiển thị cực tính tự động, cĩ khả năng tự động chỉnh 0 và tự động chuyển thang đo. Các thang đo thay đổi theo các nấc thập phân thay vì thang đo , nên cĩ số lƣợng thang đo ít hơn, khả năng mở rộng thang đo lớn hơn. 11. Cĩ khả năng xử lý số đo bằng máy tính. Các số liệu đo cĩ thể đƣợc lƣu trữ và truy suất bất kỳ lúc nào. 12. Cĩ khả năng xử lý các tín hiệu đo ở dãi tần số rộng hơn. 13. Thao tác đo đơn giản, chỉ cần ấn nút ấn để thiết lập lại tự động chính xác thiết bị đo cho các số liệu đo mới. 14. Cĩ khả năng kết hợp nhiều thiết bị đo vào một thiết bị bằng kỹ thuật số. Cĩ thể lập trình phép đo dễ dàng. 15. Thiết bị đo gọn và kết cấu chắc chắn hơn. b) Các nhƣợc điểm của đồng hồ đo số. 1. Cần phải cĩ nguồn cung cấp do sử dụng các vi mạch (IC). 2. Các đại lƣợng thay đổi chậm, nhƣ khi nạp tụ khơng thể quan sát đƣợc. Các đồng hồ tƣơng tự cĩ thể quan sát các biến thiên nhƣ khi đo thử tụ điện phân. 3. Khi đo thử diode khơng thể thực hiện nhƣ cách thơng thƣờng, nên cĩ bổ sung mạch chuyên dụng dành riêng cho mục đích đo thử diode ở một số đồng hồ đo số (tức chức năng đo mức sụt áp trên tiếp giáp pn). 4. Giá thành cao, nhƣng giá thành sẽ giảm xuống theo sự phát triển của cơng nghệ chế tạo các IC mới. Vẫn cịn nhiều tranh luận giữa các lợi thế của thiết bị đo tƣơng tự so với các hiển thị số. Tuy nhiên, các ƣu điểm của thiết bị đo số cĩ phần đƣợc chú trọng hơn 34
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử các loại thiết bị đo tƣơng tự, nên thiết bị đo số ngày càng trở nên thơng dụng hơn, nhất là khi giá thành của thiết bị đo số giảm xuống. Trong các hệ thống đo rất phức tạp, cơ cấu đo tƣơng tự chỉ thị kim cĩ thể thể hiện bằng hình vẽ trên máy tính ngồi hiển thị số. 1.9. CHỌN KHOẢNG ĐO TỰ ĐỘNG VÀ ĐO TỰ ĐỘNG Khoảng đo tự động sẽ định vị dấu chấm thập phân một cách tự động để nhận đƣợc độ phân giải tối ƣu. Nếu số chỉ thị dƣới 200, thiết bị đo số 3 ½ - chữ số sẽ tự động đƣợc chuyển mạch đến thang đo cĩ độ nhạy cao hơn, cịn nếu giá trị hiển thị cao hơn 1999, thì thang đo cĩ độ nhạy ít hơn tiếp theo sẽ đƣợc chọn. Bộ đếm và bộ giải mã sẽ thay đổi vị trí dấu chấm thập phân khi yêu cầu khoảng đo tự động. Một đồng hồ đo tự động hồn tồn chỉ cần tín hiệu cần đo cĩ tại hai đầu vào của đồng hồ đo và điều chỉnh để đo thơng số nào, cịn sau đĩ tồn bộ các tiến trình đo (chính 0, chỉ thị cực tính, thang đo, hiển thị) sẽ đƣợc tiến hành tự động. Đối với các thiết bị đo hiện đại, xu hƣớng là kết hợp nhiều thiết bị đo vào một thiết bị. Ví dụ, Hệ thống giám sát thơng tin cĩ các thiết bị đo nhƣ sau: 1. Máy tạo tín hiệu RF 6. Đồng hồ đo độ nhạy 2. Máy tạo tín hiệu AF 7. Đồng hồ đo hệ số méo 3. Đồng hồ đo cơng suất RF dạng 4. Voltmeter số 8. Bộ đếm tần số 5. Đồng hồ đo cơng suất AF 9. Máy phân tích phổ 10. Máy hiện sĩng nhớ số Bất kỳ thiết bị đo nào trong số các thiết bị đo trên cĩ thể hình thành hoạt động theo lập trình. Chế độ làm việc đã đƣợc chọn, thiết bị đo sẽ đƣợc chọn, loại phép đo yêu cầu đã đƣợc lập trình theo lệnh, nên tín hiệu ra sẽ đƣợc hiển thị hay đƣợc in ra, tồn bộ 35
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử đƣợc điều khiển bằng bàn phím. Phép đo theo chƣơng trình trên máy tính cũng đƣợc gọi là đo tự động. 1.10. ĐO TRONG MẠCH (ICT) Việc đo thử trong mạch cĩ thể đo thử IC mức độ nhỏ hay trung bình mà khơng cần tháo IC ra khỏi mạch. Điểm mấu chốt của ICT là giao diện BON. Các đầu kẹp là các đầu que đo ở bộ giao tiếp sẽ đƣợc bật để gắn đƣợc tải, nối chắc chắn đến điểm cần đo thử. Chƣơng trình đo thử tự động sẽ cung cấp dữ liệu vào để đo thử linh kiện. Ví dụ, để đo thử một IC, bộ đo thử trong mạch sẽ truy xuất bảng trạng thái cho IC từ RAM của thiết bị đo thử tự động (ATE), và sẽ so sánh với dữ liệu ra của IC cần đo thử với bảng trạng thái chính xác. 1.11. KỸ THUẬT SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ Phép đo cần phải đƣợc thực hiện một cách cẩn thận và sự thể hiện các số liệu đo phải phù hợp sau khi đã cĩ tính tốn đến các giới hạn về độ nhạy, độ chính xác và khả năng của thiết bị đo. Đơi khi số đo cĩ thể đúng nhƣng nếu thể hiện kết quả sai, ngƣời ta cĩ thể hiểu mạch đang tốt là cĩ sai hỏng và ngƣợc lại. Hơn nữa, việc sử dụng thiết bị đo sai cĩ thể tạo ra các nguy hiểm cho sự an tồn của ngƣời đo và thiết bị đo. Các kỹ thuật đo sau đây cần phải tuân theo khi đo thử hay thực hiện các phép đo trong việc chẩn đốn hƣ hỏng, sửa chữa và bảo dƣỡng các thiết bị điện tử. 1. Nối thiết bị đến nguồn điện lƣới, tốt hơn hết là thơng qua đầu nối ba chân, và thực hiện bật nguồn cho hệ thống theo trình tự sau: Các điểm quan trọng đƣợc chuyển mạch ON đầu tiên, tiếp theo là đĩng [ON] nguồn cung cấp, sau đĩ đĩng [ON] thiết bị đo, và cuối cùng đĩng nguồn cung cấp cho mạch cần đo thử. Khi tắt (chuyển mạch sang OFF), thì trình tự là ngƣợc lại, thì trình tự phải đƣợc thực hiện ngƣợc lại: trƣớc tiên tắt nguồn cung cấp cho mạch 36
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử cần đo, tiếp theo là tắt thiết bị đo, sau đĩ tắt nguồn cung cấp và cuối cùng là ngắt điện lƣới. Điều này sẽ bảo vệ thiết bị đo và thiết bị cần đo khỏi các xung quá độ. Khơng hàn hay tháo mối hàn linh kiện khi nguồn cung cấp đang bật. 2. Bất kỳ lúc nào cũng phải tắt thiết bị đo cịn nếu thiết bị đo đƣợc chuyển mạch sang đĩng [on] ngay sau đĩ thì cần phải cĩ khoảng thời gian đáng kể để cho phép các tụ trong thiết xả. 3. Các thiết bị đo thử cần phải đƣợc nối đất một cách hiệu quả để giảm thiểu các biến thiên của nhiễu. 4. Chọn thang đo phù hợp theo tham số cần đo, tuỳ theo giá trị đo yêu cầu. Nếu khơng biết giá trị đo yêu cầu, thì hãy chọn thang đo cao nhất và sau đo giảm dần thang đo cho phù hợp, để tránh cho thiết bị đo bị quá tải và bị hƣ hõng. Thang đo đƣợc chọn cuối cùng sẽ cho kết quả đo gần với độ lệch lớn nhất cĩ thể cĩ đối với phép đo điện áp và dịng điện, và gần mức trung bình đối với phép đo điện trở, để cĩ độ chính xác tối ƣu đối với hệ thống đo. 5. Khi giá trị đo bằng 0, thì đồng hồ đo cần phải chỉ thị bằng 0, nếu khơng thì cần phải đƣợc chỉnh 0 phù hợp. 6. Khơng sử dụng các đầu đo cĩ kích thƣớc lớn vì chúng cĩ thể gây ngắn mạch. Các đầu que đo cần phải nhọn nhất nếu cĩ thể đƣợc. 7. Điểm quan trọng là kết nối phép đo tại các điểm đo thử: các hãng chế tạo thiết bị thƣờng quy định các điểm đo thử tại các vị trí thuận tiện trên bảng mạch in. Điện trở, mức điện áp dc, mức điện áp tín hiệu và các dạng sĩng của tín hiệu sẽ đƣợc quy định cho mỗi điểm đo thử. (điểm đo thử thƣờng là chốt lắp đứng trên bảng mạch in). Các điểm đo thử cĩ các mạch đệm tốt nhất để tránh nguy hiểm quá tải cho mạch cần đo. Các điểm đo thử đƣợc thiết kế bởi các 37
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử nhà chuyên mơn cĩ kinh nghiệm, khi cần khảo sát thiết bị, khơng đƣợc bỏ qua các điểm đo thử trong quá trình sửa chữa. 8. Thơng thƣờng các đầu que đo mang dấu dƣơng và âm đối với các phép đo điện áp và dịng điện trong mạch. Nguồn pin bên trong đồng hồ đo sẽ cĩ cực tính ngƣợc lại, tức là đầu que đo âm của nguồn pin trong đồng hồ đo sẽ đƣợc nối đầu que đƣợc đánh dấu dƣơng (que đo màu đen) và ngƣợc lại, nhƣ thể hiện ở Hình 1.6. Thực tế này cần phải nhớ khi đo thử các diode, các tụ điện phân, các transistor và các vi mạch. Hình 1.6 - Cực tính của nguồn pin và cực tính ghi trên que đo đồng hồ 9. Nếu các điểm đo thử là khơng cho trƣớc, hoặc nếu các phép đo là đƣợc thực hiện tại các điểm khác nhau, thì cần phải chú ý các điểm nhƣ sau: a) Khi đo các điện áp dc, phép đo cần phải đƣợc thực hiện ngay tại các linh kiện thực tế, và đối với vi mạch đo trực tiếp trên các chân. b) Sử dụng đầu kẹp đo thử IC để thực hiện các phép đo trên các chân của IC. c) Khi cần đo tín hiệu trên mạch in trong bảng mạch, nên kẹp đầu đo trên chân của cấu kiện điện tử đƣợc nối với đƣờng mạch in. d) Khi thực hiện các phép đo trên bảng mạch, cần phải đảm bảo rằng các IC khơng bị điện tích tĩnh do thiết bị đo. e) Khi kiểm tra hở mạch, hãy tháo một đầu của cấu kiện điện tử rồi thực hiện phép đo. Nếu cấu kiện khơng đƣợc tháo một đầu, thì các cấu kiện khác mắc song song với cấu kiện nghi ngờ sẽ chỉ thị khơng đáng tin cậy. Cĩ thể kiểm tra cấu kiện nghi 38
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử ngờ bằng cầu đo. . . Khi tháo mối hàn ra khỏi bảng mạch in là khĩ khăn thì cĩ thể cắt đƣờng mạch in liên quan, do dễ dàng hàn lại vết cắt hơn so với việc tháo mối hàn cấu kiện để đo rồi hàn lại, nhƣng khi hàn lại vết cắt, cần đề phịng mối hàn bị nứt khơng xảy ra. f) Việc tháo và hàn IC là một quá trình khá phức tạp cần phải hết sức cẩn thận. Cần phải tháo mối hàn cho IC để đo thử chỉ khi xác minh chắc chắn các phép đo trên bảng mạch cho thấy IC đã thực sự hỏng. 10. Cần phải tuân theo các lƣu ý về an tồn để đảm bảo an tồn cho ngƣời đo và thiết bị đo. 11. Cần phải tuân theo các chỉ dẫn từ hƣớng dẫn sử dụng thiết bị đo thử, cũng nhƣ trình tự đo thử. 12. Cần phải nghiên cứu kỹ cách vận hành thiết bị đo để thực hiện phép đo và cần phải tuân theo tất cả các điểm lƣu ý đã đƣợc đề cập. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 1. Thế nào là phƣơng pháp đo trực tiếp (khái niệm, biểu thức, ví dụ)? 2. Thế nào là phƣơng pháp đo gián tiếp (khái niệm, biểu thức, ví dụ)? 3. Thế nào là phƣơng pháp đo tƣơng quan (khái niệm, đặc điểm, ví dụ)? 4. Nêu một số phƣơng pháp đo khác? 5. Định nghĩa thiết bị đo? 6. Nêu tên các thiết bị đo đơn giản? 7. Nêu tên các thiết bị đo phức tạp? 8. Nêu định nghĩa mẫu và chuẩn? Chúng thuộc thiết bị đo đơn giản hay phức tạp? 39
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử 9. Nêu định nghĩa thiết bị chuyển đổi đo lƣờng? Nĩ thuộc thiết bị đo đơn giản hay phức tạp? 10. Nêu định nghĩa thiết bị so sánh? Nĩ thuộc thiết bị đo đơn giản hay phức tạp? 11. Nêu định nghĩa dụng cụ đo? Nĩ thuộc thiết bị đo đơn giản hay phức tạp? 12. Nêu tên ít nhất 3 đặc tính cơ bản của thiết bị đo? 13. Nêu định nghĩa độ nhạy của thiết bị đo, biểu thức độ nhạy? 14. Nêu định nghĩa hàm biến đổi của thiết bị đo? 15. Nêu định nghĩa phạm vi đo của thiết bị đo? 16. Nêu định nghĩa phạm vi chỉ thị của thiết bị đo? 17. Nêu định nghĩa độ phân giải của thiết bị đo? 40
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường CHƢƠNG 2 – ĐÁNH GIÁ SAI SỐ ĐO LƢỜNG 2.1. KHÁI NIÊM VỀ SAI SỐ Đo lƣờng là sự so sánh đại lƣợng chƣa biết (đại lƣợng đo) với đại lƣợng đƣợc chuẩn hĩa (đại lƣợng mẫu hoặc đại lƣợng chuẩn). Quá trình so sánh nhƣ vậy bao giờ cũng cĩ sai lệch. Trong thực tế khĩ xác định trị số thực các đại lƣợng đo. Vì vậy trị số đƣợc đo cho bởi thiết bị đo đƣợc gọi là trị số tin cậy đƣợc (expected value). Bất kỳ đại lƣợng nào cũng bị ảnh hƣởng nhiều thơng số. Do đĩ kết quả đĩ ít khi phản ánh đúng trị số tin cậy đƣợc. Cho nên cĩ nhiều hệ số (factor) ảnh hƣởng trong đo lƣờng liên quan đến thiết bị đo. Ngồi ra cĩ những hệ số khác liên quan đến con ngƣời sử dụng thiết bị đo. Nhƣ vậy độ chính xác của thiết bị đo đƣợc diễn tả dƣới hình thức sai số Khái niệm sai số: là độ chênh lệch giữa kết quả đo và giá trị thực của đại lƣợng đo. Nĩ phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: thiết bị đo, phƣơng thức đo, ngƣời đo Sai số cũng cĩ ý nghĩa quan trọng khơng kém gì kết quả đo, cho phép đánh giá đƣợc độ tin cậy của kết quả đo. 2.2. NGUYÊN NHÂN GÂY SAI SỐ Các nguyên nhân gây sai số gồm: - Nguyên nhân khách quan: do dụng cụ đo khơng hồn hảo, hay là cĩ một phần khuyết điểm hoặc hƣ hỏng, đại lƣợng đo bị can nhiễu nên khơng hồn tồn đƣợc ổn định, điều kiện mơi trƣờng khơng tiêu chuẩn tác động lên thiết bị, lên đối tƣợng đo hay ngƣời đo 41
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường - Nguyên nhân chủ quan: là sai lầm của ngƣời đo, nhƣ đọc kết quả đo sai, do thiếu thành thạo trong thao tác, phƣơng pháp tiến hành đo khơng hợp lí, * Các nguồn sai số: Thiết bị đo khơng đo đƣợc trị số chính xác vì những lý do sau: - Khơng nắm vững những thơng số đo và điều kiện thiết kế. - Thiết kế nhiều khuyết điểm. - Thiết bị đo khơng ổn định sự hoạt động. - Bảo trì thiết bị đo kém. - Do ngƣời vận hành thiết bị đo khơng đúng. - Do những giới hạn của thiết kế. 2.3. PHÂN LOẠI SAI SỐ Cĩ nhiều cách phân loại sai số khác nhau: phân loại theo nguồn gốc,nguyên nhân 2.3.1. Phân loại sai số theo nguồn gốc gây ra sai số + Sai số thơ: Các sai số thơ cĩ thể quy cho giới hạn của các thiết bị đo hoặc là các sai số do ngƣời đo: Sai lầm (Gross error): một cách tổng quát sai số này do lỗi lầm của ngƣời sử dụng thiết bị đo nhƣ việc đọc sai kết quả, hoặc ghi sai, hoặc sử dụng sai khơng đúng theo qui trình hoạt động Sai số giới hạn của thiết bị đo. Ví dụ nhƣ ảnh hƣởng quá tải gây ra bởi một voltmeter cĩ độ nhạy kém. Voltmeter nhƣ vậy sẽ rẽ dịng đáng kể từ mạch cần đo và vì vậy sẽ tự làm giảm mức điện áp chính xác 42
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường + Sai số hệ thống (Systematic error): Sai số do những yếu tố thƣờng xuyên hay các yếu tố cĩ quy luật tác động, nĩ làm cho sai số của lần đo nào cũng giống nhau hoặc thay đổi theo quy luật, Nguyên nhân thƣờng do tính khơng hồn hảo của thiết bị, do điều kiện mơi trƣờng tác động Sai số do thiết bị đo: Các phần tử của thiết bị đo cĩ sai số do cơng nghệ chế tạo, sự lão hĩa do sử dụng Để làm giảm sai số này bằng cách bảo trì định kỳ cho thiết bị đo. Sai số do ảnh hưởng điều kiện mơi trường: cụ thể nhƣ nhiệt độ tăng cao, áp suất tăng, độ ẩm tăng, cƣờng độ điện trƣờng hoặc từ trƣờng ngồi tăng đều ảnh hƣởng đến sai số của thiết bị đo lƣờng. Giảm sai số này bằng cách giữ sao cho điều kiện mơi trƣờng ít thay đổi hoặc bổ chính (compensation) đối với nhiệt độ và độ ẩm. Và dùng biện pháp bảo vệ chống ảnh hƣởng tĩnh điện và từ trƣờng nhiễu. Sai số hệ thống đều cĩ ảnh hƣởng khác nhau. Ở trạng thái tĩnh và trạng thái động: Ở trạng thái tĩnh sai số hệ thống phụ thuộc vào giới hạn của thiết bị đo hoặc do qui luật vật lý chi phối sự hoạt động của nĩ. Ở trạng thái động sai số hệ thống do sự khơng đáp ứng theo tốc độ thay đổi nhanh theo đại lƣợng đo. Đối với sai số hệ thống: xử lí bằng cách cộng đại số giá trị của sai số hệ thống vào kết quả đo, hoặc hiệu chỉnh lại máy mĩc, thiết bị đo với máy mẫu + Sai số ngẫu nhiên (Random error): Là sai số do các yếu tố bất thƣờng khơng tuân theo quy luận tác động nào. Tuy đã thực hiện đo trong cùng điều khiện và tính cẩn thận nhƣ nhau nhƣng do nhiều yếu tố bất thƣờng mà sinh ra các kết quả đo khác nhau khi thực hiện phép đo nhiều lần cùng một đại lƣợng đo. Sự nảy sinh 43
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường sai số ngẫu nhiên do nhiều nguyên nhân khách quan tác động lên đối tƣợng đo, thiết bị đo, ngƣời đo Ví dụ: giả sử điện áp đƣợc đo bởi một vơn kế đƣợc đọc cách khoảng 1 phút. Mặc dù vơn kế hoạt động trong điều kiện mơi trƣờng khơng thay đổi và đƣợc chuẩn hĩa trƣớc khi đo và đại lƣợng điện áp đĩ xem nhƣ khơng thay đổi. Khi đĩ trị số đọc của vơn kế cĩ thay đổi chút ít. Sự thay đổi này khơng đƣợc hiệu chỉnh bởi bất kỳ phƣơng pháp định chuẩn nào khác, vì do sai số ngẫu nhiên gây ra. +Sai số giới hạn (Limiting Error) là sai số tƣơng đối khi kết quả đo ở vị trị lệch tồn thang: X max M .100 [%] , Xmax: giá trị tồn thang. X max Khi kết quả đo ở vị trí thang đo nhỏ hơn vị trí lệch tồn thang thì sai số tƣơng đối tăng lên. Nhƣ vậy một yếu tố quan trọng khi đo lƣờng là kết quả đo càng gần vị trí tồn thang càng tốt. Ví dụ: Dùng vơn mét thang đo 300V, cấp chính xác 2%, tính sai số tƣơng đối khi đo điện áp 120V? 2.3.2. Phân loại theo sự phụ thuộc của sai số vào đại lƣợng đo - Sai số điểm 0 (sai số cộng) là sai số khơng phụ thuộc vào giá trị đại lƣợng đo. - Sai số độ nhạy (sai số nhân) là sai số phụ thuộc vào giá trị đại lƣợng đo 2.3.3. Phân loại theo vị trí sinh ra sai số - Sai số phƣơng pháp là sai số do phƣơng pháp đo khơng hồn hảo 44
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường - Sai số phƣơng tiện đo là sai số do phƣơng tiện đo khơng hồn hảo. Gồm: sai số hệ thống, sai số ngẫu nhiên, sai số điểm 0, sai số độ nhậy, sai số cơ bản, sai số phụ, sai số động, sai số tĩnh. - Sai số cơ bản của phƣơng tiện đo là sai số của phƣơng tiện đo khi sử dụng trong điều kiện tiêu chuẩn - Sai số phụ của phƣơng tiện đo là sai số sinh ra khi sử dụng phƣơng tiện đo ở điều kiện khơng tiêu chuẩn - Sai số tĩnh là sai số của phƣơng tiện đo khi đại lƣợng đo khơng biến đổi theo thời gian - Sai số động là sai số của phƣơng tiện đo khi đại lƣợng đo biến đổi theo thời gian 2.4. BIỂU THỨC BIỂU DIỄN SAI SỐ - Sai số tuyệt đối: là hiệu giữa kết quả đo đƣợc với giá trị thực của đại lƣợng đo X X đo X t - Sai số tương đối chân thực: là giá trị tuyệt đối của tỉ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị thực của đại lƣợng đo X .100 [%] X t - Sai số tương đối danh định: X d .100 [%] X đ - Sai số tƣơng đối qui đổi: là giá trị tuyệt đối của tỷ số giữa sai số tuyệt đối và giá trị định mức của thang đo. X q .100 [%] X đm 45
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường Trong đĩ: Xdm= Xmax -Xmin : giá trị định mức của thang đo. Nếu giá trị thang đo: 0 Xmax thì Xđm=Xmax (giá trị tồn thang - full-scale) + Độ chính xác (Accurate) : Mức độ gần giá trị thực của đại lƣợng đo và giá trị đo đƣợc: X X A 1 t đo .100 [%] Xt X X + Độ chính tương đối: a 100 t đo .100 100 Xt Ví dụ: điện áp 2 đầu điện trở cĩ trị số tin cậy đƣợc là 50V. Dùng vơn kế đo đƣợc 49 V. Nhƣ vậy sai số tuyệt đối: U 1V 1V Sai số tƣơng đối: 100% 2% ct 50V Độ chính xác: A 1 0,02 0,98; a 98% 100% 2% + Độ rõ (Precision): Đánh giá mức độ giống nhau của mỗi kết quả đo với nhiều kết quả đo khác của một đại lƣợng đo duy nhất với cùng máy đo và điều kiện đo: Xi X n Pi 1 X n Xn : trị số trung bình của n lần đo, Xi - kết quả của lần đo thứ i. Ví dụ: X5= 97 – Kết quả đo của lần đo thứ 5 =101,1 - trị số trung bình của 10 lần đo 97 101,1 Tính chính xác của kết quả đo Xi là : 1 0,96 96% 101,1 46
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường 2.5. PHÂN TÍCH THƠNG KÊ ĐO LƢỜNG Ứng dụng các hàm phân bố ngẫu nhiên để đánh giá sai số ngẫu nhiên. Thơng thƣờng sai số ngẫu nhiên do một số lớn những tác động nhỏ ảnh hƣởng, và thƣờng đƣợc tính tốn trong đo lƣờng cĩ độ chính xác cao. Đối với sai số ngẫu nhiên thì khơng xử lí đƣợc, chỉ cĩ thể định lƣợng đƣợc giá trị sai số ngẫu nhiên bằng lí thuyết xác suất và thống kê. Với sai số của mỗi lần đo riêng biệt, sau khi đã loại bỏ sai số hệ thống thì nĩ hồn tồn cĩ tính chất của một sự kiện ngẫu nhiên. Kết quả của lần đo này khơng phụ thuộc gì với kết quả đo của các lần khác, và suất hiện hồn tồn ngẫu nhiên. Tuy nhiên muốn áp dụng xác suất thơng kê để nghiên cứu đánh giá, tính tốn các sai số ngẫu nhiên, thì cần thực hiện các điều kiện sau: - Tất cả các lần đo để phải tiến hành với các độ chính xác nhƣ nhau: Nghĩa là khơng những cùng đo ở một máy, trong cùng điều kiện, mà với cả sự thận trọng, chu đáo nhƣ nhau. Sai số hệ thống phải nhỏ hơn so với sai số ngẫu nhiên. - Phải đo nhiều lần, phép tính xác suất chỉ đúng khi cĩ một số nhiều các sự kiện. 2.5.1. Hàm phân bố chuẩn sai số Để đánh giá sai số ngẫu nhiên ta cần biến sự kiện suất hiện sai số này thành một sự kiện ngẫu nhiên tuân theo một số hàm phân bố xác suất nào đĩ. Giả sử đo đại lƣợng X khơng đổi nhiều lần độc lập với điều kiện đo giống nhau. Với số lần đo là n thu đƣợc n kết quả hồn tồn ngẫu nhiên a1, a2, a3, , an, và sai số tuyết đối tƣơng ứng x1, x2, x3, , xn (xi=ai-X (i=1 n) . 47
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường (x) p(x) h1 p(x)= lim (x) h2 n h3 x x -0,05 -0,01 0 0,01 0,05 0 Hình 2.1 - Biểu đồ tần suất xuất hiện sai số. Hình 2.2 - Hàm phân bố tiêu chuẩn sai số. Sắp xếp các sai số theo giá trị độ lớn thành từng nhĩm riêng biệt. Giả sử cĩ n1 sai số cĩ trị số từ 0†0,01; n2 sai số cĩ trị số từ 0,01†0,02; Tần suất xuất hiện mỗi nhĩm sai số này tƣơng ứng là 1=n1/n, 2=n2/n Nhƣ vậy ta vẽ đƣợc biểu đồ phân bố tần suất xuất hiên số theo độ lớn sai số là = (x) nhƣ Hình 2.1. Nếu tiến hành rất nhiều lần đo hay số lần đo n , thì giản đồ = (x) tiến tới đƣờng cong trung bình p(x) nhƣ hình vẽ. Hàm số p(x) là hàm phân bố tiêu chuẩn sai số vì nĩ biểu thị theo quy luật phân bố tiêu chuẩn và nĩ cĩ dạng hàm Gauss. Trong phần lớn các trƣờng hợp sai số đo lƣờng điện tử thì thực tế đều thích hợp với quy luật này. Biểu thức của p(x) nhƣ sau: h 2 2 p(x) e h x Trong đĩ h là tham số phẩm chất (thơng số đo chính xác), Hình 2.2 biểu diễn một số dạng đƣờng cong p(x) với các tham số h khác nhau, h càng lớn thì đƣờng cong các hẹp và nhọn, cĩ nghĩa là xác suất các sai số cĩ trị số bé lớn hơn. Thiết bị nào ứng với đƣờng cong cĩ h lớn thì cĩ độ chính xác cao hơn. 48
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường 2.5.2. Hệ qủa của hàm phân bố chuẩn sai số Từ hàm phân bố sai số rút ra các kết luận nhƣ sau: - Xác suất xuất hiện các sai số khơng phụ thuộc vào dấu: p(xi)= p(-xi). - Sai số cĩ trị số càng bé thì xác suất xuất hiện càng lớn: nếu |x1| p(x2). - Giá trị trung bình của tất cả các sai số ngẫu nhiên khi n bằng 0. + Biểu thức vi phân của hàm phân bố sai số: Số lƣợng các sai số cĩ giá trị nằm trong khoảng dx giữa x và x+dx là dn=p(x).n.dx. Vậy xác suất xuất hiện các sai số cĩ giá trị nằm trong khoảng x x+dx là: dn h 2 2 dp p(x)dx e h x dx - Biểu thức vi phân hàm phân bố sai n số. + Biểu thức tích phân của hàm phân bố sai số - Xác suất xuất hiện sai số trong khoảng x1 x2 đƣợc tính nhƣ sau: x2 x2 h 2 2 P(x1 x x2) dp e h x dx x1 x1 - Xác suất xuất hiện các sai số khơng vƣợt quá trị số xi>0 nào đĩ là: xi xi xi h h2x2 2h h2x2 P(| x | xi ) dp e dx e dx -xi -xi 0 xi 2h h2x2 P(| x | xi ) e dx 0 49
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường (Biểu thức này được sử dụng để đánh giá độ tin cậy của kết quả đo) - Xác suất xuất hiện sai số trong khoảng - bằng 1 đo đĩ ta cĩ: P( x ) 1 - Nhƣ vậy P(|x|>xi) = 1 - P(|x| 0 nào đĩ là: P(| x | x i ) e dx - biểu thức 0 dƣới dấu tích phân khơng cĩ nguyên hàm, và hàm tích phân phụ thuộc vào 2 tham số h và xi, để thuận tiện cho tính tốn ta loại bỏ bớt tham số h bằng cách thực hiện chuẩn hĩa hàm phân bố nhƣ sau: t Thay x vào biểu thức tính phân ta đƣợc: h 2 t t i t 2 i t 2 2h 2 1 2 2 P(| x | x i ) P(| t | t i ) e dt e dt 0 h 2 0 (trong đĩ ti xi h 2 - đƣợc gọi là hệ số phân bố) t i t 2 2 2 Đặt (ti ) e dt - Hàm mật độ Laplace. 0 Ý nghĩa: Nhƣ vậy nếu biết đƣợc sự phân bố sai số, ta cĩ thể tính đƣợc xác suất xuất hiện những lần đo cĩ sai số mà trị số của nĩ lớn hơn hay bé hơn một giá trị sai số nào đĩ cho trƣớc. Điều này cĩ ý nghĩa thực tế là ở kết quả đo ta cần lấy giới hạn của trị số sai số phải bằng bao nhiêu thì đảm bảo chính xác với độ tin cậy nào đĩ. Bảng 2.1 – Bảng giá trị của hàm Laplace 50
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường 51
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường 2.5.4. Các đặc số phân bố ứng dụng trong đo lƣờng a. Sai số trung bình bình phương Giả sử đo nhiều lần một đại lƣợng X, kết quả nhận đƣợc ở n lần đo tƣơng ứng là a1, a2, , an và các sai số tƣơng ứng là x1, x2, , xn. Xác suất xuất hiện sai số tại giá trị xi và lận cận của nĩ là: 2 2 h h xi dpi e dxi Xác suất xuất hiện của cả n lần đo đĩ coi nhƣ là xác suất của một sự kiện phức hợp, theo lý thuyết xác suất tính bằng tích số của các xác suất của các sự kiện độc lập riêng rẽ: n 2 2 2 2 h h (x1 x2 xn ) Pph dp1dp2 dpn e dx1dx2 dxn Tìm điều kiện cực trị của hàm Pph, (coi h là tham số biến số. n dPph 2 2 0 n 2h xi 0 dh i 1 n x 2 1 i Do đĩ i 1 - Gọi là sai số trung bình bình phƣơng. h 2 n Hàm phân bố tiêu chuẩn các sai số trở thành 2 xi 1 2 p(x) e 2 . 2 t Ta cĩ x t. , vậy sai số tuyệt đối cĩ thể viết là xi=ti và h 2 kết quả đo cĩ thể viết là X=ai ti . Nếu chọn xi= hay ti=1 thì độ tin cậy của kết quả đo là: 1 t 2 2 2 P( x ) (ti ) (1) e dt 0,683 - độ tin cậy chƣa cao. 0 Nếu chọn xi=3 hay ti=3 thì độ tin cậy của kết quả đo là: 52
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường 3 t 2 2 2 P( x 3 ) (ti ) (3) e dt 0,997 - độ tin cậy cao. 0 Cĩ nghĩa là trong số 1000 lần đo một đại lƣợng nào đĩ thì cĩ khoảng 3 lần đĩ cĩ sai số vƣợt quá 3 . Ngƣời ta gọi M=3 là sai số cực đại. n 2 xi Tĩm lại : - Giá trị trung bình bình phƣơng: i 1 . n - Sai số cực đại: M=3 . b. Trị số trung bình cộng Gọi X là giá trị thực của đại lƣợng đo, ta cĩ sai số tuyệt đối của mỗi kết quả đo là: xi=ai-X (i=2 n). Thực tế khơng xác định đƣợc xi, nên X cũng khơng xác định đƣợc mà chỉ xác định một kết quả đo gần đúng với giá trị thực tế nhất, gọi giá trị này là atb thì nĩ phải là giá trị cĩ xác suất xuất hiện lớn nhất, cần tìm giá trị này. Để atb cĩ xác suất lớn nhất thì tất cả các sai số x1, x2, , xn n 2 cũng phải cĩ xác suất lớn nhất, vậy xi phải cực tiểu. Vì atb gần i 1 với trị số thực X nên cĩ thể thay atb cho X trong biểu thức tính xi. n n 2 2 f xi ai atb i 1 i 1 n df a1 a2 an Để cực tiểu thì 2 (ai atb ) 0 atb - datb i 1 n Trị số trung bình cộng. Nhƣ vậy atb cĩ trị số bằng trung bình cộng của tất cả các lần đo, nĩ là trị số cĩ xác suất lớn nhất, tức là gần trị số thực nhất khi tiến hành đo nhiều lần một đại lƣợng cần đo X. 53
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường Nếu lấy atb làm kết quả đo, thì xác định độ chính xác và độ tin cậy của kết quả này nhƣ thế nào? Xác suất của các sai số cĩ trị số khơng vƣợt qua một giá trị cho trƣớc là: t i t 2 2 2 P( atb X ) (ti ) e dt , trong đĩ ti 0 atb Nhƣ vậy nếu cho trƣớc độ tin cậy, cĩ nghĩa là biết xác suất P(|atb-X|< ), từ đĩ tra bảng xác định đƣợc ti và suy ra sai số phải lựa chọn là =ti atb để kết quả đo đảm bảo độ tin cậy đã cho. Khoảng tin cậy là: (atb- , atb+ ). Sự kiện lấy atb là kết quả đo cĩ thể coi nhƣ là một sự kiện phức hợp Xtb đƣợc xác định từ các sự kiện xuất hiện kết quả đo ai là Xi: X X X X 1 2 n tb n Theo lý thuyết xác suất thơng kê ta cĩ thể tính sai số trung bình bình phƣơng (phƣơng sai) của sự kiện Xtb theo cơng thức sau: a tb n c. Sai số dư Trên thực tế tính tốn, vì khơng biết X nên ta khơng biết đƣợc các sai số xi, ta chỉ cĩ thể tính đƣợc sai số tuyệt đối giữa các lần đo so với atb, và gọi đĩ là sai số dƣ. Sai số dƣ của kết đo thứ i là: i=ai-atb (i=2 n) n n Ta cĩ : i ai natb 0. i 1 i 1 n xi Mặt khác X x a x i 1 i i tb i n 54
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường n 2 x n n i 2 2 i 1 Nhƣ vậy : i xi i 1 i 1 n n 2 Khai triển xi ta đƣợc: i 1 n 2 n 2 xi xi 2 xi x j i 1 i 1 i j Theo quy luật phân bố chuẩn, các sai số cĩ trị số tuyệt đối bằng nhau nhƣng trái dấu thì cĩ xác suất nhƣ nhau. Nhƣ vậy nếu tiến hành đo một số lần đủ lớn thì các sai số ấy sẽ từng đơi một triệt tiêu nhau: xi x j 0 do đĩ: i j n 2 n 2 xi xi thay kết quả này vào biểu thức trên ta cĩ: i 1 i 1 n 2 x n n i n 2 2 i 1 n 1 2 i xi xi i 1 i 1 n n i 1 Nhƣ vậy sai số trung bình bình phƣơng cĩ thể tính theo sai số dƣ nhƣ sau: n 2 i i 1 n 1 2.5.5. Ứng dụng các đặc số phân bố để xác định kết quả đo từ nhiều lần đo Giả sử đo n lần một đại lƣợng X với kết quả tƣơng ứng là a1, a2, , an đã đƣợc loại trừ sai số hệ thống, xác định kết quả đo với độ tin cậy là Ptc, nghĩa là xác định kết quả đo và sai sơ tuyệt đối tƣơng ứng sao cho xác suất xuất hiện các sai số nhỏ hơn sai số đã chọn khơng vƣợt quá Ptc. 55
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường Dựa vào các kết quả các đặc số ở trên, ta cĩ thể thực hiện xử lý kết quả đo từ nhiều lần đo theo các bƣớc nhƣ sau: Bƣớc 1: Lập bảng ghi n kết quả đo đã nhận đƣợc: 2 i ai i i 2 1 a1 1 1 2 2 a2 2 2 2 n an n n Bƣớc 2: Tính giá trị trung bình: a a a a 1 2 n tb n Bƣớc 3: Tính sai số dƣ và điền vào bảng trên: i=ai-atb (i=2 n) n Kiểm tra sai số tính tốn: Kiểm tra xem i 0 cĩ đúng i 1 khơng, nếu khơng đúng kiểm tra lại các tính tốn từ bƣớc 2. Bƣớc 4: Tính sai số trung bình bình phƣơng: n 2 i i 1 (n 30) n 1 n 2 i i 1 (n 30) n Bƣớc 5: Chọn hệ số phân bố ti: Từ độ tin cậy Ptc và số lần đo n tra bảng phân bố laplace xác định đƣợc hệ số phân bố ti. Tuy nhiên thơng thƣờng nếu số lần đo nhỏ (1<n<11) thì thƣờng dùng phân bố student để xử lý kết quả, và ti đƣợc tra từ bảng phân bố Student. Bảng phân bố Laplace và Student cĩ thể xem trong phần phụ lục. 56
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường Ví dụ: Khi Ptc=0,997 thì bảng phân bố của ti thay đổi theo số lần đo nhƣ sau: n 5 6 7 10 15 20 ti 5,2 4,6 4,2 3,6 3,2 3,1 3 (Ptc=0,997, n=7 ) tra bảng ta cĩ ti=4,2. Bảng 2.2 – Bảng giá trị ti ứng với xác suất tin cậy PTC và số lần đo n khác nhau Bƣớc 6: Tính sai số cực đại : M=ti. Bƣớc 7: Kiểm tra sai số thơ hay khơng: Nếu cĩ | i|>M thì kết quả đo ai cĩ sai số thơ. Nếu cĩ bất kỳ sai số thơ nào thì loại các kết quả đo cĩ sai số thơ và tính loại từ bƣớc 1 với bộ kết quả đo mới, số lần đo n mới. Nếu khơng cĩ bất kỳ sai số thơ nào thì thực hiện tiếp bƣớc 8. Bƣớc 8: Xác định sai số trung bình bình phƣơng của atb: a tb n Bƣớc 9: Biểu diễn kết quả đo: X a t tb i atb 57
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường Chú ý: Cuối cùng, ta cịn phải chú ý tới các viết hàng chữ số của kết quả cuối cùng và cách tính tới sai số đo trong catalog sử dụng của máy đĩ. Cách viết hàng chữ số của kết quả và sai số: - Khi lấy t chỉ cần lấy với hai số, vì bản thân nĩ là một đại i atb lƣợng gần đúng cĩ trị số bé. - Lấy kế quả atb phải chú ý lấy số chữ số sau dấu phảy sao cho bậc của các số cuối của nĩ khơng đƣợc thấp hơn bậc của 2 hai con số của Ví dụ X=234,56 1,06 thì phải viết lại là: X=234,7 1,1 Cách xử lý sai số của máy đo: Trị số sai số trong catalog của máy đo là sai số cực đại. Nĩ biểu thị khả năng sai số cĩ thể gặp phải khi tiến hành đo lƣờng ở điều kiện tiêu chuẩn đã quy định cho máy. Nhƣ vậy, nếu khơng thực hiện lấy chuẩn đƣợc máy, tức là so sánh với máy mẫu, để xác định ra sai số hệ thống của máy đĩ, thì trị số đã cho trong thuyết minh đƣợc coi là trị số sai số ngẫu nhiên cực đại. Cách xử lý đối với nĩ cũng coi nhƣ một số số ngẫu nhiên khác. Khi đĩ ta cĩ khơng thể cộng gộp lại theo quy luật cộng đại số, nhƣ sai số hệ thống, mà phải cộng theo quy luật cộng trung bình bình phƣơng. 2.6. ĐÁNH GIÁ SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO GIÁN TIẾP Trong nhiều trƣờng hợp, đại lƣợng cần đo khơng thể đƣợc biểu thị trực tiếp ngay, mà phải tính tốn gián tiếp bằng cơng thức thơng qua các đại lƣợng đo trực tiếp khác. Ví dụ cơng suất tác dụng của dịng một chiều trong mạch P=U.I, ta thực hiện bằng cách đo trực tiếp điện áp U và dịng điện I trong mạch. Trƣờng hợp sai số của phép đo P cần đƣợc tính nhƣ thế nào? 58
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường Xét trƣờng hợp tổng quát đại lƣợng cần đo là R đƣợc tính gián tiếp từ kết quả của n đại lƣợng đo trực tiếp X1, X2, Xn nhƣ sau: R = f(X1, X2, , Xn) Sai số tuyệt đối Giả sử khi đo các giá trị X1, X2, Xn đo đƣợc cĩ giá trị là gặp phải các sai số hệ thống tƣơng ứng là X1, X2, , Xn, thì cũng phải tính sai số hệ thống của Y, giả sử sai số đĩ là Y, dựa vào khai triển Taylor của hàm nhiều biến, bỏ qua các vơ cùng bé bậc cao, ta cĩ ta cĩ: R+ R= f(X1+ X1, X2+ X2, , Xn+ Xn) f f f R R f X1, X 2, , Xn X1 X 2 Xn X1 X 2 Xn f f f Vậy: R X1 X 2 Xn - Đây là cơng thức tổng X1 X 2 Xn quát để xác định sai số tuyệt đối của phép đo gián tiếp từ sai số tuyệt đố của n đại lƣợng đo trực tiếp. Thơng thƣờng chúng ta cĩ thể xác định giới hạn của sai số tuyệt đối nhƣ sau: f f f R X1 X 2 Xn R X1 X 2 Xn max Sai số tƣơng đối R .100 % R R Sai số trung bình bình phƣơng Giả sử X1, X2, . X2 đƣợc đo bằng nhiều lần đo khác nhau: - Khi đo X1, tiến hành đo m1 lần và cĩ các sai số ngẫu nhiên là: x1,1, x1,2, , x1,m1, và tƣơng ứng sai số trung bình bình phƣơng của X1 là 2. 59
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường - Khi đo X2, tiến hành đo m2 lần và cĩ các sai số ngẫu nhiên là: x2,1, x2,2, , x2,m2 , và tƣơng ứng sai số trung bình bình phƣơng của X2 là 2. - Khi đo Xn, tiến hành đo mn lần và cĩ các sai số ngẫu nhiên là: xn,1, xn,2, , xn,mn, và tƣơng ứng sai số trung bình bình phƣơng của Xn là n. m1 m2 2 2 x1,i x2,i i 1 i 1 Tƣơng ứng: 1 , 2 , , m1 m2 mn 2 xn,i i 1 n mn Theo lý thuyết xác suất thơng kê, sai số trung bình bình phƣơng của R là R đƣợc tính nhƣ sau: 2 n f 2 R i i 1 X i Nhƣ vậy, sai số của một đại lƣợng phải đo gián tiếp thì bằng trị số trung bình bình phƣơng của các sai số mỗi đại lƣợng cục bộ đo trực tiếp. Từ phép cộng trung bình bình phƣơng, ta cĩ nhận xét là: sai số của đại lƣợng tính tốn gián tiếp thì chủ yếu đƣợc xác định bằng các thành phần sai số cục bộ nào cĩ giá trị lớn, mà ít phụ thuộc vào các thành phần sai số cục bộ nào cĩ trị số bé. Điều này cho ta một chú ý cần thiết khi đo là: tăng độ chính xác của phép đo trực tiếp những đại lƣợng cục bộ nào cĩ vai trị quyết định hơn; cũng nhƣ cĩ thể bỏ qua những thành phần sai số cục bộ nào bé hơn ba lần so 60
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường với thành phần sai số cục bộ lớn nhất để cho phép tính đƣợc đơn giản hơn. Một số trƣờng hợp riêng: - Giả sử quan hệ hàm cĩ dạng R=a.X+b.Y+c.Z, khi đĩ sai số tuyệt đối của phép đo gián tiếp đƣợc tính nhƣ sau: R= a. X+b. Y+c. Z Thơng thƣờng cĩ thể lấy giới hạn của nĩ là sai số tuyệt đối cho phép đo R: | R|max = |a. X|+|b. Y|+|c. Z| - Giả sử quan hệ hàm cĩ dạng R=Xm.Yn.Zp, (giả sử m, n, p - 1) khi đĩ sai số tuyệt đối của phép đo gián tiếp sẽ là: R= m.Xm-2.Yn.Zp . X+n.Xm.Yn-2.Zp. Y+p.Xm.Yn.Zp-2. Z Biểu thức trên khá phức tạp khơng thuận tiện cho việc tính tốn. Trong thực tế ngƣời ta dùng sai số tƣơng đối: R X Y Z m. n. p. R X Y Z Nhƣ vậy cĩ thể tính sai số tƣơng đối của R thơng qua sai số tƣơng đối của các thành phần cục bộ nhƣ sau: R m. X n. Y p. Z % CÂU HỎI ƠN TẬP 18. Sai số là gì? Nguyên nhân gây sai số? 19. Nếu phân loại theo cách biểu diễn sai số thì cĩ những loại sai số nào (kể tên)? 20. Nêu khái niệm, biểu thức diễn đạt sai số tuyệt đối? 21. Nêu khái niệm, biểu thức diễn đạt sai số tƣơng đối chân thực? 61
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường 22. Nêu khái niệm, biểu thức diễn đạt sai số tƣơng đối danh định? 23. Nêu khái niệm, biểu thức diễn đạt sai số tƣơng đối qui đổi? 24. Nếu phân loại theo qui luật xuất hiện sai số thì cĩ những loại sai số nào (kể tên)? 25. Nêu khái niệm sai số hệ thống? nêu một số nguyên nhân gây sai số hệ thống? 26. Nêu khái niệm sai số ngẫu nhiên? nêu một số nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên? 27. Nêu khái niệm trị số đo sai? 28. Nêu vắn tắt cách xử lí sai số hệ thống? 29. p(x) là hàm số phân bố tiêu chuẩn các sai số (hàm chính tắc). h 22 p x e hx (hàm Gauss) h là thơng số đo chính xác. h1, h2, h3 là các thơng số đo chính xác của các thiết bị đo khác nhau. Chọn đáp án đúng: a. h1 h2> h3 30. Cũng giống câu hỏi 32, thiết bị đo tƣơng ứng giá trị h nào cĩ độ chính xác cao nhất? Hình 8.1 thiết bị đo tƣơng ứng h1 Hình 8.2 thiết bị đo tƣơng ứng h2 Hình 8.3 thiết bị đo tƣơng ứng h3 31. Nêu 2 qui tắc phân bố sai số? 62
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường 32. Đo n lần một đại lƣợng X thu đƣợc n kết quả đo cĩ các sai số tuyệt đối tƣơng ứng là x1,x2, ,xn. Biểu thức tính sai số trung bình bình phƣơng là: n n n 2 2 xi xi i a/ i1 b/ i1 c/ i1 n1 n n1 n i d/ i1 n1 16. Sai số trung bình bình phƣơng của a là: 2 a/ b/ c/ d/ a n a n1 a n1 a n 17. Kết quả đo với n >10 đƣợc xác định theo biểu thức sau: X a t a/ s b/X a ts a c/X a t a d/X a t 18. Kết quả đo với 2 n 10 đƣợc xác định theo biểu thức sau: a/ b/ c/ d/ 19. X là đại lƣợng cần đo bằng phép đo gián tiếp; Y,V,Z là các đại lƣơng đo đƣợc bằng phép đo trực tiếp thành phần, X=F(Y,V,Z); Y, V, Z là các sai số hệ thống tƣơng ứng khi đo Y,V,Z; X là sai số hệ thống khi xác định X. Giả sử các sai số cĩ giá trị nhỏ, viết biểu thức tính X theo Y, V, Z. 20. X là đại lƣợng cần đo bằng phép đo gián tiếp; Y,V,Z là các đại lƣơng đo đƣợc bằng phép đo trực tiếp thành phần, X=aY+bV+cZ; Y, V, Z là các sai số hệ thống tƣơng ứng khi đo Y,V,Z; X là sai số hệ thống khi xác định X. Giả sử các sai số cĩ giá trị nhỏ, viết biểu thức tính X theo Y, V, Z. 63
Chương 2 – Đánh giá sai số đo lường 21. X là đại lƣợng cần đo bằng phép đo gián tiếp; Y,V,Z là các đại lƣơng đo đƣợc bằng phép đo trực tiếp thành phần, X KY V Z ; Y, V, Z là các sai số tƣơng đối tƣơng ứng khi đo Y,V,Z; X là sai số tƣơng đối khi xác định X. Viết biểu thức tính X theo Y, V, Z . BÀI TẬP 1. Đo điện áp của một nguồn điện một chiều 6 lần, thu đƣợc các kết quả tƣơng ứng với các lần đo lần lƣợt là: 110,50 V; 112,20 V; 107,55 V; 97,10 V; 105,75 V; 113,35V. Hãy xác định kết quả đo và khoảng tin cậy biết xác suất tin cậy là 0,95. 2. Cĩ 2 vơn mét một chiều: + Vơn mét thứ nhất cĩ thang đo định mức 20V, 30V, 50V với cấp chính xác 0,5. + Vơn mét thứ hai cĩ thang đo định mức 50V, 75V, 100V với cấp chính xác 0,2. Hãy lựa chọn những Vơn mét và những thang đo thích hợp để đo điện áp của nguồn một chiều cĩ giá trị khoảng 25V sao cho: - Sai số đo nhỏ nhất - Sai số đo khơng lớn hơn 0,7%. 64
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử CHƢƠNG 3 – CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐO LƢỜNG ĐIỆN TỬ Cấu trúc cơ bản của máy đo Cấu trúc chung của máy đo số Thiết bị đo ghép nối với máy tính Một số mạch đo lƣờng và gia cơng tín hiệu đo cơ bản Cơ cấu chỉ thị đo lƣờng 3.0. GIỚI THIỆU CHƢƠNG Chƣơng này sẽ trình bày những vấn đề kỹ thuật cơ sở cho kỹ thuật đo lƣờng điện tử nhƣ: Cấu trúc chung của máy đo, các kỹ thuật, thiết bị chỉ thị, mạch điện tử dùng trong đo lƣờng Đây là những tiền đề cho việc nghiên cứu nguyên lý đo cũng nhƣ nguyên lý cấu tạo của máy đo. 3.1. CẤU TRƯC CƠ BẢN CỦA MÁY ĐO Máy đo và các thiết bị mẫu là các thiết bị đo để thực hiện các yêu cầu về đo lƣờng. Thơng thƣờng thì dựa vào phƣơng pháp phân tích tham số và đặc tính của đại lƣợng đo, phƣơng pháp và cơng nghệ cảm biến, phƣơng pháp và kỹ thuật điện tử, Kỹ thuật xử lý tín hiệu, phƣơng pháp và cơng nghệ chỉ thị mà hình thành nên các phƣơng pháp đo khác nhau. Bản thân máy đo đã là một mạch đo đƣợc cấu trúc theo một hoặc một vài phƣơng pháp đo để đo lƣờng một đại lƣợng nào đĩ. Sự phát triển của Máy đo phụ thuộc rất nhiều vào sự phát triển của các mảng lý thuyết và kỹ thuật, cơng nghệ trên. 65
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử Dựa vào các đối tƣợng chính mà đo lƣờng điện tử cần giải quyết, thì các máy đo cĩ thể phân loại tổng quá thành các nhĩm máy đo nhƣ sau: Máy đo tham số và đặc tính của tín hiệu. Máy đo tham số và đặc tính của mạch điện tử. Máy tạo tín hiệu. Các linh kiện đo lƣờng 3.1.1. Máy đo tham số và đặc tính của tín hiệu: Tín hiệu mang Mạch vào Thiết bị Thiết bị thơng tin biến đổi chỉ thị đo x(t) Nguồn cung cấp Hình 3.1 – Cấu trúc máy đo tham số và đặc tính của tín hiệu. Nhiệm vụ chính của máy đo này là xác định đƣợc tham số và đặc tính của tín hiệu điện. Các tham số và và đặc tính của tín hiệu điện này cĩ thể là đại lƣợng cần đo hoặc chúng lại gián tiếp mang thơng tin đo cho một đại lƣợng điện hay phi điện khác. Các máy đo thuộc lại này ví dụ nhƣ: Vơn mét; Ampe mét; Máy đếm tần; Pha mét; Ơ-xi-lơ; Máy phân tích méo dạng; Máy phân tích phổ; Máy phân tích luồng thơng tin (Phân tích giao thức) Loại máy đo này đều cĩ cấu trúc chung nhƣ Hình 3.1. - Tín hiệu điện x(t) mang thơng tin cần đo cần đo đƣa tới đầu vào. - Mạch vào: (Signal Condition) Cĩ nhiệm vụ nhận tín hiệu và truyền dẫn tín hiệu tới Thiết bị biến đổi. Ngồi ra cịn cĩ chức năng thực hiện tiền xử lý tín hiệu vào nhƣ tiền khuếch đại, suy 66
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử giảm, giới hạn băng tần, lọc nhiễu, phối hợp trở kháng, nhƣng khơng làm mất thơng tin đo. Mạch vào thƣờng là bộ KĐ phụ tải catốt (Zvào cao), thực hiện phối hợp trở kháng, cĩ các bộ suy giảm, bộ dây làm chậm Nhiều chức năng mạch vào cĩ đƣợc lựa chọn bởi ngƣời sử dụng thơng qua những chuyển mạch, cơng tác điều chỉnh đƣa đƣa ra ngồi mặt máy đo. Mạch vào quyết định mức độ ảnh hƣởng của máy đo với chế độ cơng tác của đối tƣợng đo. Ở phạm vi tần số thấp và cao thì đặc tính này đƣợc biểu thị bằng trở kháng vào của máy. Ở siêu cao tần thì đặc tính này đƣợc biểu thị bằng cơng suất mà máy đo hấp thụ đƣợc. - Thiết bị biến đổi: Đây là bộ phận trung tâm của máy đo, cĩ nhiệm vụ thực hiện so sánh, biến đổi và phân tích tín hiệu theo một thuật tốn nào đĩ để đánh giá đƣợc tham số và đặc tính cần đo mang trong tín hiệu, xác định mối qua hệ giữa thang chỉ thị của thiết bị chỉ thị và đại lƣợng đo và tạo ra tín hiệu phù hợp đƣa tới Thiết bị chỉ thị. Trong bản thân thiết bị này cĩ thể tạo ra tín hiệu cần thiết để so sánh tín hiệu cần đo với tín hiệu mẫu. Cĩ thể phân tích tín hiệu đo về biên độ, tần số, hay chọn lọc theo thời gian. Thƣờng là các mạch khuếch đại, tách sĩng, biến đổi dạng điện áp tín hiệu, chuyển đổi dạng năng lƣợng, tín tốn xử lý tín hiệu tƣợng tự và số - Thiết bị chỉ thị: để biểu thị kết quả đo dƣới dạng sao cho thích hợp với giác quan giao tiếp của sinh lí con ngƣời, hay đƣa ra những thơng tin phù hợp để đƣa vào bộ vào bộ phận điều chỉnh, tính tốn, Ví dụ các dạng thiết bị chỉ thị nhƣ: Các cơ cấu chỉ thị , Ống tia điện tử, cơ cấu chỉ thị số dùng LED 7 đoạn hay LCD 7 đoạn 67
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử Hình 3.2 - Ví dụ về mối qua hệ giữa các phím điều khiển và mạch vào của máy đo. - Nguồn cung cấp: cung cấp năng lƣợng cho máy, và cịn làm nguồn tạo tín hiệu chuẩn. Các loại máy đo thuộc nhĩm này thì thực hiện theo phƣơng pháp đo trực tiếp, kết quả đo cĩ thể đƣợc đọc thẳng hay thơng qua phép đo so sánh với đại lƣợng mẫu. 68
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 3.1.2. Máy đo tham số và đặc tính của mạch điện: Nguồn tín Thiết bị biến Mạch cần đo hiệu thử đổi, xử lý tín tham số, đặc hiệu tính Nguồn Thiết bị cung cấp chỉ thị (a) – Cấu trúc máy đo tham số và đặc tính của mạch cĩ nguồn tín hiệu thử Nguồn tín Mạch cần đo Mạch vào Thiết bị biến hiệu thử tham số, đặc đổi, xử lý tín tính hiệu Nguồn Thiết bị cung cấp chỉ thị (a) – Cấu trúc máy đo tham số và đặc tính của mạch cĩ nguồn tín hiệu thử độc lập Hình 3.3 – Cấu trúc máy đo tham số và đặc tính của mạch Mạch điện cần đo thơng số nhƣ: mạng 4 cực, mạng 2 cực, các phần tử của mạch điện, đƣờng truyền dẫn, hệ thống, thiết bị điện tử Các loại máy đo thuộc nhĩm này nhƣ: máy đo đặc tính tần số mạch hay thiết bị điện tử; máy đo đặc tính quá độ; máy đo hệ số phẩm chất; đo điện cảm; điện dung; điện trở; máy thử đèn điện tử, linh kiện bán dẫn, hay IC; máy phân tích đƣờng truyền; máy phân tích logic; máy phân tích mạng 4 cực Để đo đƣợc tham số và đặc tính, thì mạch điện cần phải hoạt động trong chế độ thực hoặc chế độ tín hiệu thử. Máy đo sẽ thực hiện xử lý, phân tích và so sánh tín hiệu ra của mạch với tín hiệu vào mạch để đánh giá đƣợc tham số và đặc tính nào đĩ của mạch. 69
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử Tín hiệu thử mạch thƣờng đƣợc tạo hay đƣợc điều khiển bởi chính máy đo. Nguồn tín hiệu thử này cĩ thể đƣợc xây dựng kèm theo máy đo hoặc là các thiết bị tạo tín hiệu độc lập, nhƣ vậy cấu trúc chung của các loại máy đo thuộc nhĩm này cĩ 2 dạng khác nhau nhƣ Hình 3.3. Về cơ bản cấu trúc của máy đo tham số và đặc tính của mạch khơng khác gì nhiều cấu trúc máy đo tham số và đặc tính của tín hiệu, ngồi việc cĩ sử dụng thêm nguồn tín hiệu thử. Máy đo tạo tín hiệu thử phù hợp với yêu cầu đo và đƣa tới mạch cần đo, sau đĩ nhận tín hiệu ra của mạch và thực hiện đo tham số của tín hiệu này hay so sánh với tham số của tín hiệu thử từ đĩ đánh giá đƣợc tham số và đặc tính nào đĩ của mạch điện cần đo. 3.1.3. Máy tạo tín hiệu đo lƣờng Nhĩm máy này cũng bao gồm nhiều loại, chúng tạo tín hiệu chuẩn (mơ phỏng đƣợc các dạng tín hiệu trong thực tế) sử dụng khi cần kiểm chuẩn trong đo lƣờng, để nghiên cứu và điều chỉnh thiết bị. Kết hợp với các máy đo khác để đo thám số và đặc tính của mạch điện tử, hệ thống điện tử. Các dạng tín hiệu chuẩn thƣờng đƣợc tạo ra nhƣ: Tín hiệu hình sin, các dạng tín hiệu xung, tín hiệu quét tần số, các dạng tín hiệu điều chế, các dạng tín hiệu số, và các dạng tín hiệu thử khác thƣờng dùng trong đo lƣờng viễn thơng 70
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử Bộ tạo sĩng Bộ biến đổi Mạch x(t) chủ ra Bộ điều chế Nguồn Thiết bị đo cung cấp Hình 3.4 – Cấu trúc máy tạo tín hiệu đo lường Sơ đồ khối chung của nhĩm máy này nhƣ Hình 3.4. - Bộ tạo sĩng chuẩn: Là bộ phận chủ yếu, nĩ xác định các đặc tính chủ yếu của tín hiệu nhƣ dạng và tần số dao động. Thơng thƣờng là tạo sĩng hình sinh hay các loại tín hiệu xung. - Bộ biến đổi : để nâng cao mức năng lƣợng của tín hiệu hay tăng thêm độ xác lập của dạng tín hiệu. Nĩ thƣờng là bộ khuếch đại điện áp, khuếch đại cơng suất, bộ điều chế, thiết bị tạo dạng xung. Các máy phát tín hiệu ở siêu cao tần thƣờng khơng cĩ bộ biến đổi đặt giữa bộ tạo sĩng chủ và đầu ra hay dùng bộ điều chế trực tiếp để khống chế dạo động chuẩn. - Mạch ra: để điều chỉnh mức tín hiệu ra, biến đổi trở kháng ra của máy. Thƣờng thì mạch cĩ bộ suy giảm (bộ phân áp), biến áp phối hợp trở kháng, hay các mạch khuếch đại CC - Thiết bị đo: kiểm tra thơng số của tín hiệu đầu ra. Thiết bị đo thƣờng đƣợc sử dụng để kiểm tra thơng số của tín hiệu đầu ra. Thƣờng là vơn mét điện tử, thiết bị đo cơng suất, đo hệ số điều chế, đo tần số - Nguồn: cung cấp nguồn cho các bộ phận, thƣờng làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều của mạng lƣới điện thành điện áp 1 chiều cĩ độ ổn định cao. 71
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 3.1.4. Các linh kiện đo lƣờng Nhĩm này bao gồm các linh kiện lẻ, phụ thêm với máy đo để tạo nên các mạch đo cần thiết. Chúng là các linh kiện tiêu chuẩn cao để làm mẫu (nhƣ điện trở, điện cảm, điện dung mẫu), hay các linh kiện để ghép giữa các bộ phận của mạch đo. Các linh kiện chủ yếu hay dùng ở đo lƣờng siêu cao tần nhƣ bộ suy giảm, bộ dịch pha, bộ phân mạch định hƣớng, các bộ cảm biến cơng suất 3.2. CẤU TRƯC CHUNG CỦA MÁY ĐO SỐ 3.2.1. Sự tiến triển trong cơng nghệ chế tạo thiết bị đo Ngày nay các cơng nghệ kỹ thuật điện tử tiến tiến nhất đều đƣợc đƣa vào việc chế tạo thiết bị đo. Sự phát triển của điện tử số và cơng nghệ chế tạo vi mạch cho phép chế tạo nhiều vi mạch tích hợp cao nhƣ VLSI. Điển hình là các bộ vi xử lý với khả năng tính tốn cao ra đời đã làm thay đổi quan niệm, cơng nghệ và cơ cấu, tính năng của thiết bị đo lƣờng điện tử. Các thiết bị đo sử dụng cơng nghệ số hiện nay khác với thiết bị đo tƣơng tự chỉ thị kim, ống tia điện tử chủ yếu là ở phƣơng pháp biến đổi và xử lý tín hiệu mang thơng tin đo của đại lƣợng cần đo. - Thiết bị đo tương tự: Là thiết bị đo biến đổi liên tục các đại lƣợng cần đo, để kết quả hiển thị ở đầu ra cũng biến đổi liên tục, tƣơng tự nhƣ các giá trị đầu vào. Việc xử lý tín hệu và đo lƣờng đƣợc thực hiện bằng các mạch điện tử tƣơng tự. - Thiết bị đo số: Thiết bị đo biến đổi giá trị của đại lƣợng cần đo thành hệ các giá trị rời rạc để thực hiện xử lý và hiển thị kết quả ở đầu ra. 72
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử Vấn đề tin học hĩa phƣơng pháp đo, số hố cấu trúc thiết bị đo đã làm thay đổi chất lƣợng của quá trình đo lƣờng, mà điều quan trọng hơn cả là nâng cao đƣợc về độ chính xác của thiết bị đo và tự động hĩa đƣợc quá trình đo. Các thiết bị đo lƣờng số đang cĩ xu hƣớng dần thay thế các thiết bị đo tƣơng tự. Tuy vậy, các thiết bị đo số vẫn cịn cĩ những hạn chế do chính phƣơng pháp đo số và cấu trúc cơ sở của mạch đo gây ra (ví dụ nhƣ sai số do khơng đồng bộ, sai số do độ trễ của các phần tử logic, và sai số lƣợng tử ). 3.2.1. Sơ đồ cấu trúc chung của máy đo số Máy đo số hiện nay thƣờng đƣợc thiết kế dựa trên các hệ vi xử lý, hay hệ vi điều khiển cĩ cấu trúc nhƣ một máy tính chuyên dụng. Sơ đồ cấu trúc tổng quát của một thiết bị đo số (cả máy đo và thiết bị tạo tín hiệu) nhƣ sau: Trong số đồ trên, tín hiệu mang thơng tin đo hoặc tín hiệu tạo ra đƣợc đƣa vào hoặc đƣa ra từ bộ chuyển đổi /Mạch vào(ra). Tín hiệu vào Bộ chuyển Xử lý tín Giao diện hoặc ra đổi hiệu tƣơng ngƣời sử /Mạch tự dụng vào(ra) Tín hiệu Thơng tin Tín hiệu tƣơng tự điều khiển ADC Khối xử lý số /DAC Vi xử lý ( P) Giao Số liệu số diện số RA RO I/O Nguồn M M nuơi Hình 3.5 – Sơ đồ cấu trúc thiết bị đo số - Bộ chuyển đổi (Transducer)/ Mạch vào(ra): Biến đổi các đại lƣợng phi điện thành đại lƣợng điện, hoặc biến đổi các dạng năng 73
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử lƣợng ở đầu vào thành tín hiệu điện . Nếu đầu vào hoặc đầu ra là tín hiệu điện thì đĩ là khối Mạch vào, cịn nếu là thiết bị tạo tín hiệu thì đĩ là Mạch ra. Ví dụ các bộ chuyển đổi dùng trong đo lƣờng nhƣ sau: Cặp nhiệt điện, Điện trở nhiệt, tinh thể áp điện (biến đổi áp suất thành điện áp), biến đổi cơng suất siêu cao tần thành tín hiệu điện, các loại bộ cảm biến sensor - Khối xử lý tín hiệu tương tự: Thực hiện các tiền xử lý với tín hiệu tƣơng tự khuếch đại, lọc nhiễu, phối hợp trở kháng, đổi tần, phân áp, suy giảm, khuyếch đại cơng suất, lấy mẫu và giữ mẫu Sử dụng những mạch riêng biệt để tách những đặc tính riêng trong dạng tín hiệu vào và cĩ thể cĩ chức năng quan trọng nữa là so sánh tín hệu tƣơng tự với một tín hiệu chuẩn tƣơng tự, tạo ra tín hiệu cĩ tỉ lệ biên độ, tần số, dạng phù hợp với đầu vào của tầng tiếp theo. - ADC/DAC: Trong trƣờng hợp là thiết bị đo thì thực hiện chức năng ADC - biến đổi tín hiệu tƣơng tự - tín hiệu số. Cịn trong trƣờng hợp máy tạo tín hiệu thì thực hiện chức năng DAC - biến đổi tín hiệu số thành tín hiệu tƣơng tự. - Khối xử lý tín hiệu: bản chất nhƣ một máy tính chuyên dụng (gồm cĩ các bộ vi xử lý, bộ nhớ và giao diện vào ra I/O) đƣợc thiết kế phù hợp với những yêu cầu điều khiển và tính tốn trong máy đo. Khối này cĩ thể cĩ một hay nhiều bộ vi xử lý, bộ vi điều khiển, bộ xử lý tín hiệu số DSP để thực hiện việc điều khiển chung cho máy đo và thực hiện tính tốn số liệu thơ từ ADC. Số liệu này sẽ đƣợc tính tốn thành các thơng tin đo lƣờng theo một thuật tốn nào đĩ. Các thao tác xử lý tín hiệu số chủ yếu ở khối này cĩ thể là: + Chọn lọc thơng tin: ví dụ nhƣ tính tốn biên độ, chu kỳ tín hiệu 74
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử + Chuyển đổi các thơng tin trên thành dạng cĩ ý nghĩa hơn ví dụ nhƣ thực hiện DFT biến đổi số liệu biểu diễn trong miền thời gian thành số liệu biểu diễn trong miền tần số. + Kết hợp với những thơng tín thích hợp. + Định dạng thơng tin cho truyền thơng qua giao diện thơng tin: giao diện ngƣời sử dụng, giao diện máy tính , ví dụ nhƣ số liệu 3 chiều cĩ thể miêu tả bằng màn hình 2 chiều Chức năng khác của khối này là ứng dụng những hệ số chuẩn hĩa cho số liệu, thực hiệu kết hợp bù sai số, hệ số chuẩn hĩa với thơng tin để làm tăng độ chính xác, độ tuyến tính, độ tin cậy của phép đo. Bên cạnh đĩ khối này cịn thực hiện điều khiển các khối khác. - Giao diện người sử dụng: Thực hiện chỉ thị các kết quả đo, hay nhận các thao tác điều khiển thiết bị từ ngƣời sử dụng nhƣ điều khiển từ bàn phím, núm xoay, chuột , yêu cầu của khối này là phải hiển thị kết quả dễ dàng cho ngƣời sử dụng, tránh hiểu sai thơng tin đƣa ra bởi máy đo. Màn hình chỉ thị thƣờng dùng cơ cấu chỉ thị số nhƣ màn hình LCD với nhiều số và nhiều dịng văn bản, màn hình ma trận, màn hình ống tia điện tử - Giao diện số: Ví dụ nhƣ RS232, Ethernet, USB hay một số chuẩn giao diện số đặc biệt dùng trong đo lƣờng nhƣ GPIB , cho phép truyền thơng tin giữa máy đo với máy tính hay với các máy đo khác trong hệ thống thơng tin đo lƣờng. Các chuẩn giao diện này quy định khuơn dạng thơng tin, ngơn ngữ điều khiển, cấu trúc dữ liệu để thực hiện trao đổi thơng tin và điều khiển giữa máy đo và máy tính. 75
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử 3.2.3. Ƣu điểm của máy đo số + Tăng chức năng đo cho thiết bị Những máy đo nhiều chức năng khơng cĩ vi xử lý trƣớc đây, phải chuyển chức năng đo bằng chuyển mạch, quy tình đã đƣợc chế tạo cố định, nên khơng thay đổi đƣợc, vì phần cứng và mạch logic là cố định. Khi cĩ sử dụng vi xử lý, thì cĩ thể đổi thiết bị đang năng chế tạo bằng các mạch logic cố định trƣớc đây thành thiết bị đo cĩ chƣơng trình hĩa, bằng cách cài đặt chƣơng trình điều hành trong các bộ nhớ ROM khác nhau. Các máy đo cĩ lƣu trữ chƣơng trình nhƣ vậy đã làm tăng khả năng mềm dẻo của máy thỏa mãn yêu cầu đo mà khơng phải thay đổi mạch điện. Đồng thời, logic chƣơng trình hĩa cũng đã làm giảm đáng kể giá thành của máy đo. + Nâng cao độ chính xác đo lường Độ chính xác của thiết bị đo phụ thuộc vào cấp chính xác của nĩ. Sai số của thiết bị cịn phụ thuộc vào đặc tính đo lƣờng của thiết bị đo đĩ. Cĩ nhiều cách để nâng cao độ chính xác, xong với bản thân máy đo thì ở khả năng nhƣ: Thực hiện tự loại bỏ sai số hệ thống, ví dụ khả năng tự động xác định điểm khơng khi bắt đầu đo. Thực hiện tự chuẩn, tử thử đƣợc chính xác. Khả năng này cịn cĩ sai số ngẫu nhiên, nên cần phải thực hiện đo nhiều lần và lấy trung bình thống kê các kết quả đo. Máy đo số dùng vi xử lý cĩ khả năng thực hiện các yêu cầu trên. 76
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử + Mở rộng khả năng đo Cấu trúc của máy đo số cho phép mở rộng và phát triển khả năng đo lƣờng của máy để thích hợp với các dạng yêu cầu khác nhau của kỹ thuật đo, ví dụ yêu cầu đo gián tiếp một đại lƣợng vật lý nào đĩ. Một đại lƣợngvật lý phải đo gián tiếp thì đƣợc thực hiện thơng qua tính tốn bằng những quan hệ tốn học giữa các đại lƣợng đo trực tiếp, ví dụ: Hệ số khuếch đại của một mạch đƣợc tính tốn từ các trị số đo của điện áp đầu vào và đầu ra. Tổng quat hơn, một đại lƣợng vật lý R cần đĩ cĩ mối quan hệ với các đại lƣợng X1, X2, , Xn (mà các đại lƣợng này cĩ thể đo trực tiếp đƣợc): R=f(X1, X2, , Xn). Với máy đo số cĩ thể thiết kế để cho phép đo các đại lƣợng khác nhau đĩ, mỗi phép đo cĩ thể đƣợc chƣơng trình hĩa và lƣu vào bộ nhớ chƣơng trình, việc lƣu trữ kết quả và thực hiện tính tốn cũng dễ dàng, đặc biệt là với tốc độ tính tốn của Vi xử lý hiện nay. + Điều khiển đơn giản Máy đo số cĩ thể thực hiện nhiều chức năng, tuy nhiên những chức năng đĩ đã đƣợc chƣơng trình hĩa và việc điều khiển đƣợc thực hiện tự động, nên mặt máy cũng đã đƣợc đơn giản đi nhiều. Một thiết bị đo càng thơng minh nếu nhƣ nĩ càng ít đi sự điều khiển từ ngƣời sử dụng. Sự đơn giản điều khiển của máy đo cĩ vi xử lý rõ nét hơn cả là sự tự động chọn cấu hình máy đo nhƣ chọn chức năng đo, chọn thang đo, chọn khoảng thời gian chuẩn, chọn các điều kiện thao tác. Một số thiết bị đo cịn cĩ thiết bị báo lỗi khi ngƣời đo cĩ nhầm lẫn và cĩ hƣớng dẫn cách thực hiện đúng trên màn hiển thị của máy. 77
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử + Thực hiện được các phép tính mong muốn cho kết quả đo Nhiều trƣờng hợp ngƣời đo mong muốn thực hiện một hàm số tốn học nào đĩ cho kết quả đo hơn là chỉ biết bàn thân kết quả riêng biệt. Máy đo cĩ vi xử lý cho khả năng chƣơng trình hĩa để thực hiện các biến đổi kết quả này. Nhƣ các yêu cầu hiệu chỉnh kết quả, xác định sai số, biến đổi đơn vị đo, tạo mối quan hệ tuyến tính, hay thực hiện phân tích thơng kê đo lƣờng. + Cĩ tối thiểu hĩa cấu hình thiết bị Nhờ khả năng chƣơng trình hĩa và khả năng tích hợp vi mạch với mật độ cao nên cấu hình phần cứng của máy đo giảm nhỏ. + Máy đo cĩ giá thành ngày càng giảm Giá hạ do cấu hình thiết bị nhỏ, giá thành chế tạo giảm nhỏ, nhƣng chức năng lại tăng + Cĩ thể nâng cao được độ tin cậy Cấu hình phần cứng giảm nhỏ, sử dụng ít linh kiện nên độ tin cậy tăng lên. + Giảm thời gian đo Vì cĩ thƣ viện mẫu, các chƣơng trình con, nên thao tác phần mềm đã làm đơn giản, thời gian tính tốn các thuật tốn phức tạp cũng giảm. Tính thơng minh của máy làm giảm bớt thời gian điều khiển máy của ngƣời đo. + Phối hợp tổ chức được trong hệ thống đo, mạng đo Máy đo cĩ thêm các card ghép nối, cho phép tổ chức thành một hệ thống đo hay một mạng đo của nhiều máy đo riêng biệt. 3.3. THIẾT BỊ ĐO GHÉP NỐI VỚI MÁY TÍNH Các hệ thống đo lƣờng ghép nối với máy tính đang đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng. Các hệ thống này đƣợc sử dụng rất nhiều lý do: Quá trình điều khiển đo nhanh hơn, quá trình 78
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử tự động hĩa cao hơn, chính xác hơn, giảm nhỏ sai lầm của ngƣời sử dụng. Nhiều phép đo, quá trình đo phức tạp cĩ thể đƣợc thực hiện nhờ sự trợ giúp của máy tính. Cĩ nhiều mức độ điều khiển khác nhau của máy tính đến máy đo, đến hệ thống đo. Nhiều máy đo cĩ vai trị nhƣ là hệ thống thu thập số liệu hay đo lƣờng đa năng, phần mềm cài đặt trên máy tính vừa cĩ nhiệm vụ điều khiển máy đo vừa thu thập số liệu, cũng nhƣ vừa cĩ nhiệm vụ tính tốn, phân tích, đo lƣờng, đánh giá số liệu thu nhận đƣợc từ máy đo và biểu diễn kết quả dƣới dạng mong muốn của ngƣời sử dụng. Máy tính cịn cĩ vai trị điều khiển từ máy đo, thu thập kết quả từ nhiều máy đo khác nhau trong hệ thống đo lƣờng và thực hiện phân tích kết quả đo lƣờng của hệ thống đo đĩ Hệ thống thu thập số liệu - DAS là một mơ hình hệ thống đo ghép nối với máy tính điển hình, quá trình đo lƣờng đƣợc thực hiện chủ yếu trên phần mềm. Các mơ hình ghép nối máy đo với máy tính điển hình nhƣ Hình 3.6: – Máy đo đƣợc ghép nối với máy tính – Nối mạng các máy đo thành hệ thống đo lƣờng – Hệ thống thu thập số liệu DAS DUT (a) – Máy đo đƣợc ghép nối với máy tính 79