Bài giảng Cơ sở đo lường điện tử - Đỗ Mạnh Hà (Phần 2)

140 trang phuongnguyen 2620

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Cơ sở đo lường điện tử - Đỗ Mạnh Hà (Phần 2)", 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_phan_1.pdf

Nội dung text: Bài giảng Cơ sở đo lường điện tử - Đỗ Mạnh Hà (Phần 2)

Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản CHƢƠNG 5 – CÁC PHÉP ĐO ĐIỆN CƠ BẢN 5.1 GIỚI THIỆU CHUNG Đo điện áp, đo cƣờng độ dòng điện, đo điện trở là những phép đo cơ bản đƣợc sử dụng nhiều không chỉ trong kỹ thuật mà trong cả cuộc sống hàng ngày. Các tham số này có thể đƣợc đo trực tiếp, gián tiếp và so sánh. Phƣơng pháp đo trực tiếp: dùng các dụng cụ đo tƣơng ứng nhƣ Vôn mét (để đo điện áp) , Ampe mét (để đo dòng điện), Ôm mét (để đo điện trở), kết quả đọc trực tiếp trên dụng cụ đo. Dụng cụ đo đơn chức năng đƣợc chế tạo tƣơng ứng với mỗi đại lƣợng, tên của dụng cụ đo thƣờng đƣợc đạt theo tên của đơn vị đo của đại lƣơng đo. Hiện nay để tối ƣu việc đo cũng nhƣ tăng độ chính xác cũng nhƣ giới hạn đo mà ngƣời ta có ta chế tạo những dụng cụ đo đơn chức năng nhƣ vậy ví dụ; picoampe mét, Megaohm mét, Microohm mét Phƣơng pháp gián tiếp: Theo định luật ôm U=I.R, nhƣ vậy có thể thực hiện đo gián tiếp các 3 đại lƣợng điện áp, dòng điện, điện trở thông qua đo giá trị của một đại lƣợng kia trên một đại lƣợng mẫu và áp dụng công thức tính toán để xác định đại lƣợng cần đo còn lại. Ví dụ đo dòng trên một điện trở mẫu sẽ xác định đƣợc điện áp đặt trên điện trở Ucần đo=Iđo đƣợc.Rmẫu. Nhờ tính chất này mà hiện nay ngƣời ta thƣờng chế tạo các loại dụng cụ đo vạn năng cho phép đo đƣợc cả 3 đại lƣợng cơ bản nói trên (Multimeters). Phƣơng pháp so sánh: Đo điện áp, dòng điện, điện trở bằng cách so sánh với điện áp, dòng điện, điện trở mẫu tƣơng ứng thông qua các thiết bị so sánh. Ở trạng thái cân bằng, đại lƣợng cần đo thƣờng bằng với đại lƣợng mẫu. 171
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản Có nhiều phƣơng pháp đo điện áp, dòng điện, điện trở khác nhau, phần này sẽ trình bày tổng quan về các phƣơng pháp và kỹ thuật đo điện áp, dòng điện, điện trở. 5.2 ĐO DÕNG ĐIỆN Phép đo dòng điện có phạm vi đo rộng (từ vài pA đến và vài MA), dải tần rộng (từ đo dòng 1 chiều đến đo dòng xoay chiều tần số tới hàng GHz). Tùy phạm vi đo và dải tần đo lại sử dụng các phƣơng pháp đo khác nhau. Tuy nhiên trong thực tế phép đo dòng điện thƣờng chỉ đƣợc thực hiện ở dải tần tới hàng trăm MHz, còn ở dải tần số siêu cao ngƣời ta thƣờng đo công suất. Dụng cụ đo dòng điện đƣợc gọi là Ampe mét (Ampe kế), với đồng hồ vạn năng khi để chức năng đo dòng thì cũng đƣợc gọi là Ampe mét. Ký hiệu của Ampe mét trong sơ đồ là một vòng tròn có chữ A ở giữa và có thể thêm ký hiệu các cực dƣơng và âm hai bên cho dòng điện một chiều: + - A Có 2 dạng Ampe mét khác nhau: Ampe mét can thiệp và Ampe mét không can thiệp. 5.2.1 Ampe mét can thiệp Khi đo dòng điện chạy trong một dây điện Ampe mét phải đƣợc mắc nối tiếp với dây điện, nó sẽ tiêu thụ một hiệu điện thế nhỏ nối tiếp trong mạch điện. Để giảm ảnh hƣởng đến mạch điện cần đo, hiệu điện thế tiêu thụ trong mạch của ampe kế phải càng nhỏ càng tốt. Điều này nghĩa là trở kháng tƣơng đƣơng của ampe mét trong mạch điện phải rất nhỏ so với điện trở của mạch. Khi mắc ampe mét vào mạch điện một chiều, chú ý nối các cực điện theo đúng chiều dòng điện. Luôn chọn thang đo phù hợp 172
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản trƣớc khi đo: chọn thang lớn nhất trƣớc, rồi hạ dần cho đến khi thu đƣợc kết quả nằm trong thang đo. Mỗi Ampe mét đều có trong kháng trong, khi do dòng một chiều và xoay chiều tần số thấp, có thể coi trở kháng của ampe mét là thuần trở Ra (Hình 5.1-b). Nhƣng tần số cao trở kháng tƣơng đƣơng của ampe mét còn cần phải tính đến các các thành phần điện dung và điện cảm ký sinh, sơ đồ tƣơng đƣơng nhƣ Hình 5.1-a (trong đó: La- điện cảm của cuộn dây, Ca- điện dung giữa 2 đầu ampe mét, Cd- điện dung giữa 2 đầu ampe mét với đất). Ca Zn Zt La Ra En Cd Cd A Ra (a) (b) (c) Hình 5.1 - Trở kháng tương đương của ampe mét. Để giảm sai số do điện dung ký sinh ở tần số cao ngƣời ta mắc ampe mét vào vị trí nào có điện thế thấp nhất so với đất. Ví dụ nhƣ cách mắc ở Hình 5.1-c, trong đó Zn – trở kháng của nguồn, Zt – trở kháng phụ tải. Khi mắc ampe mét vào mạch đo bao giờ cũng làm cho dòng điện qua mạch thay đổi so với giá trị thực Ix En I x Z n Zt Sau khi mắc ampe mét vào mạch dòng điện mà ampe mét chỉ thị là: 173
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản En I đo Z n Zt Z A Sai số tƣơng đối do ảnh hƣởng của trở kháng trong ampe mét đƣợc xác định nhƣ sau: I I 1 x đo .100 .100 % I I Z Z x 1 t 0 Z n Z a Để giảm nhỏ sai số tƣơng đối cần chọn ampe mét có trở kháng trong nhỏ. Để mở rộng thang đo dòng điện cho ampe mét ở mạch một chiều và tần số thấp ngƣời ta mắc ampe mét song song với điện trở Shunt với tác dụng phân chia dòng điện. Ở tần số cao do ảnh hƣởng của hiệu ứng bề mặt, Shunt điện trở đƣợc thay bằng Shunt điện cảm, Shunt điện dung hay biến dòng đo lƣờng cao tần. Các phƣơng pháp cơ bản do dòng điện theo kiểu can thiệp nhƣ sau: - Đo dòng điện dùng cơ cấu đo từ điện - Do dòng bằng phƣơng pháp nhiệt điện - Đo dòng bằng phƣơng pháp quang điện, a. Đo dòng điện dùng cơ cấu đo từ điện a.1 Đo dòng điện một chiều DC dùng cơ cấu từ điện Cơ cấu đo từ điện làm việc với dòng một chiều, nhƣng dòng toàn thang Itt khá nhỏ, do đó phải mở rộng thang đo cho phù hợp bằng cách mắc CCĐ song song với điện trở Shunt Rs. 174
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản Rm,AM1 Itt + Rm, Itt Ix Im R1 R2 R3 I3 + I2 Ix Is Rs I1 (a) – Sơ đồ một thang đo (b) – Sơ đồ nhiều thang đo kiểu Shunt Ayrton Hình 5.2 – Sơ đồ thang đo dòng một chiều dùng CCĐ từ điện Sơ đồ thang đo dòng một chiều dùng CCĐ từ điện nhƣ Hình 5.2-a. Dòng điện đo: Ix = Im + Is Dòng điện đo đƣợc lớn nhất của thang đo là Imax. Khi Ix = Imax thì Im=Itt, dó đó điện trở Shunt đƣợc xác định nhƣ sau: R I R m , với n ma x - hệ số mở rộng thang đo. s n 1 Itt Với Ampe mét có nhiều thang đo thì dùng nhiều điện trở Shunt, thông thƣơng các điện trở Shunt đƣợc mắc nối tiếp theo kiểu Shunt Ayrton nhƣ Hình 5.2-b với 3 thang đo là I1, I2, I3, hệ số mở rộng của mỗi thang đo là nk (k=1,2,3). R R mk , với n I k Sk k I tt nk 1 + Thang đo I1: Rs1=R1, Rm1=Rm+R2+R3. + Thang đo I2: Rs2=R1+R2, Rm2=Rm+R3. + Thang đo I3: Rs3=R1+R2+R3, Rm3=Rm. a.2 Đo dòng điện xoay chiều AC dùng cơ cấu từ điện Cơ cấu đo từ điện chỉ làm việc với dòng một chiều , do đo khi đo dòng xoay chiều AC phải biến đổi dòng AC thành dòng DC khi 175
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản qua CCĐ theo các cách khác nhau nhƣ: Dùng phƣơng pháp chỉnh lƣu bằng Điốt, Dùng phƣơng pháp biến đổi nhiệt điện. - Dùng phương pháp chỉnh lưu bằng Điốt: Ví dụ thang đo dòng AC dùng mạch chỉnh lƣu ½ chu kỳ nhƣ Hình 5.3-a, và dùng mạch chỉnh lƣu cầu nhƣ Hình 5.3-b. Xây dựng thang đo trị số hiệu dụng của dòng điện xoay chiều hình sin cho các thang đo này. Giả sử dòng điện AC là iac=Imsin t. Nếu giới hạn của thang đo là Imax, thì khi dòng điện AC có giá trị hiệu dụng IRMS=Imax thì dòng điện trung bình qua CCĐ là imtb=Itt. Hình 5.3 – Thang đo dòng xoay chiều i ac D1 D2 i i Rm,AM4 Itt i Rm,AM2 Itt dc m D m + + i s Rs D4 i D3 ac i s Rs (a) (b) iac iac Im Im t t idc im Im I‟m t t im I‟ (c) m t - Tính tại vị trí toàn thang: (d) I I 2 m max - Tính tại vị trí toàn thang: ' Im ' imtb Itt => Im .Itt 176
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản ' 2I ' .I I m Rm U D m => ' tt => R imtb Itt I m S ' 2 I m I m I ' R => m m RS ' I m I m 5.2.2. Ampe mét không can thiệp Ampe mét can thiệp có nhƣợc điểm là cần phải đƣợc lắp đặt nhƣ một thành phần trong mạch điện. Chúng không dùng đƣợc cho các mạch điện đã đƣợc chế tạo khó thay đổi. Đối với các mạch điện này, ngƣời ta có thể đo đạc từ trƣờng sinh ra bởi dòng điện để suy ra cƣờng độ dòng điện. Phƣơng pháp đo nhƣ vậy không gây ảnh hƣởng đến mạch điện, an toàn, nhƣng đôi khi độ chính xác không cao bằng phƣơng pháp can thiệp. a. Đo dòng điện bằng hiệu ứng Hall Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý đƣợc thực hiện khi áp dụng một từ trƣờng vuông góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn điện nói chung (thanh Hall) đang có dòng điện chạy qua. Lúc đó ngƣời ta nhận đƣợc hiệu điện thế (hiệu thế Hall) sinh ra tại hai mặt đối diện của thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng điện chạy qua thanh Hall gọi là điện trở Hall, đặc trƣng cho vật liệu làm nên thanh Hall. Hiệu ứng này đƣợc khám phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879. Hiệu ứng Hall đƣợc giải thích dựa vào bản chất của dòng điện chạy trong vật dẫn điện. Dòng điện này chính là sự chuyển động của các điện tích (ví dụ nhƣ electron trong kim loại). Khi chạy qua từ trƣờng, các điện tích chịu lực Lorentz bị đẩy về một trong hai phía của thanh Hall, tùy theo điện tích chuyển động đó âm hay dƣơng. Sự tập trung các điện tích về một phía tạo nên sự tích điện trái dầu ở 2 mặt của thanh Hall, gây ra hiệu điện thế Hall. 177
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng điện và từ trƣờng là: VH = (I.B)/(d.e.n), trong đó VH là hiệu thế Hall, I là cƣờng độ dòng điện, B là cƣờng độ từ trƣờng, d là độ dày của thanh Hall, e là điện tích của hạt mang điện chuyển động trong thanh Hall, và n mật độ các hạt này trong thanh Hall. Phƣơng pháp đo này sử dụng hiệu ứng Hall tạo ra một hiệu điện thế tỷ lệ thuận (với hệ số tỷ lệ biết trƣớc) với cƣờng độ dòng điện cần đo. Hiệu điện thế Hall V gần nhƣ tỷ lệ thuận với cƣờng độ từ trƣờng sinh ra bởi dòng điện, do đó tỷ lệ thuận với cƣờng độ của dòng điện đó. Chỉ cần cuốn một hoặc vài vòng dây mang dòng điện cần đo quanh một lõi sắt từ của đầu đo là ta có đƣợc từ trƣờng đủ để kích thích hoạt động của đầu đo. Thậm chí đôi khi chỉ cần kẹp lõi sắt cạnh đƣờng dây là đủ. Sơ đồ mạch điện của một đầu đo cƣờng độ dòng điện sử dụng hiệu ứng Hall. Sử dụng lõi sắt từ, thanh Hall, bộ khuyếch đại điện, điện trở. Điện thế ra vM tỷ lệ với cƣờng độ dòng điện vào ip. Tuy nhiên hiện tƣợng từ trễ không tuyến tính trong sắt từ có thể làm giảm độ chính xác của phép đo. Trên thực tế ngƣời ta có thể sử dụng một mạch điện hồi tiếp để giữ cho từ thông trong lõi sắt luôn xấp xỉ không, giảm thiểu hiệu ứng từ trễ và tăng độ nhạy của đầu đo, nhƣ trong hình vẽ. Dòng điện hồi tiếp iS đƣợc chuyển hóa thành hiệu điện thế ra vS nhờ bộ khuyếch đại điện. Tỷ lệ giữa 178
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản số vòng cuốn trên lõi sắt từ m (thƣờng trong khoảng từ 1000 đến 10000) cho phép liên hệ giữa dòng cần đo và dòng hồi tiếp: iS = 1/m.iP. Các ưu điểm: Hiệu điện thế tiêu thụ trên đoạn dây cuốn vào đầu đo chỉ chừng vài mV. Hệ thống rất an toàn do đƣợc cách điện với mạch điện. Hệ thống có thể đo dòng điện xoay chiều có tần số từ 0 (tức là điện một chiều) đến 100kHz Hệ thống này cũng đƣợc ứng dụng trong đồng hồ vạn năng điện tử, hay thậm chí trong máy hiện sóng. b. Đầu dò biến đổi dòng – điện áp dùng biến thế Ido I Khi đo dòng điện xoay chiều, nhất là A đo dòng điện lớn, có thể dùng đầu dò biến W 1 A đổi dòng – điện áp dùng biến thế theo W2 nguyên lý nhƣ hình vẽ bên: I đo W2 n , W1- số vòng dây của cuộn sơ cấp. I A W1 W2- số vòng dây của cuộn thứ cấp. I đo n.I A , n đƣợc gọi là hệ số biến dòng. * Ampe mét không can thiệp sử dụng đầu dò dòng hiệu hứng hall hoặc đầu dò biến đổi dòng - điện áp dùng biến thế thƣờng đƣợc chế tạo dƣới dạng Ampe kìm (clamp Ampemeter). 179
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản Ix (a) (b) (c): Đầu dò dòng dùng biến áp (d) Đầu dò dòng dùng hiệu ứng Hall Hình 5.4 – Ampe mét kìm (clamp Ampemeter) 5.3. ĐO ĐIỆN ÁP Phép đo điện áp có phạm vi đo rộng (từ vài V đến và vài kV), dải tần rộng (từ đo dòng 1 chiều đến đo dòng xoay chiều tần số tới hàng GHz). Tùy phạm vi đo và dải tần đo lại sử dụng các phƣơng pháp đo khác nhau. Tuy nhiên trong thực tế phép đo điện áp thƣờng chỉ đƣợc thực hiện ở dải tần tới hàng trăm MHz, còn ở dải tần số siêu cao ngƣời ta thƣờng đo công suất. 5.3.1. Các trị số điện áp Trong thực tế tín hiệu điện áp biến thiên có nhiều dạng nhau, do đó các trị số điện áp của nó cũng khác nhau. Phép đo điện áp là phép đo để xác định các trị số điện áp này. Giả sử tín hiệu điện áp tuần hoàn theo chu kỳ T, ví dụ dạng điện áp nhƣ Hình 5.5. 180
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản u(t) T Um+ t 0 Um- Hình 5.5 – Đồ thị tín hiệu điện áp + Biên độ điện áp: - Biên độ điện áp dƣơng: Um+ - Biên độ điện áp âm: Um- Nếu điện áp có Um+=-Um-=Um, thì chỉ cần đo biện độ điện áp Um. + Thành phần điện áp một chiều UDC hay U0 T t0 U DC U 0 u(t)dt to + Trị số điện áp trung bình Utb hay U T t0 Utb U u(t) dt to + Trị số điện áp hiệu dụng Uhd hay URMS 1 T t0 U U u2 (t)dt RMS hd T to + Hệ số biên độ U m kb U RMS + Hệ số dạng U RMS kd Utb 181
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản Ví dụ điện áp điều hòa hình sin: u(t)=Umsin t(V). Các trị số điện áp là: Um+=-Um-=Um UDC=0 V U U m (V) RMS 2 2U m Utb (V ) U k 2 k m 1,11 b d 2 2 Trong khi đó điện áp dạng xung vuông chuẩn có kb=kd=1. 5.3.2. Giới thiệu về dụng cụ đo điện áp Dụng cụ đo dòng điện đƣợc gọi là Vôn mét (Vôn kế), với đồng hồ vạn năng khi để chức năng đo điện áp thì cũng đƣợc gọi là Vôn mét. Ký hiệu của Vôn Ampe mét trong sơ đồ là một vòng tròn có chữ V ở giữa và có thể thêm ký hiệu các cực dƣơng và âm hai bên cho dòng điện một chiều: + - V Khi đo điện áp phải đƣợc mắc song song Vôn met với đoạn mạch cần đo điện áp. Để giảm ảnh hƣởng đến mạch điện cần đo, dòng điện trong mạch của Vôn mét phải càng nhỏ càng tốt. Điều này nghĩa là trở kháng tƣơng đƣơng của Vôn mét ZV trong mạch điện phải lớn hơn rất nhiều trở kháng tƣơng đƣơng của đoạn mạch cần đo điện áp. Khi mắc Vôn mét vào mạch điện một chiều, chú ý nối các cực điện theo đúng chiều điện áp. Luôn chọn thang đo phù hợp trƣớc khi đo: chọn thang lớn nhất trƣớc, rồi hạ dần cho đến khi thu đƣợc kết quả nằm trong thang đo. 182
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản Mỗi Vôn mét đều có trở kháng trong hữu hạn, khi do điện áp một chiều và xoay chiều tần số thấp, có thể coi trở kháng của Vôn mét là thuần trở RV (Hình 5.6-b). Nhƣng tần số cao trở kháng tƣơng đƣơng của ampe mét còn cần phải tính đến các các thành phần điện dung và điện cảm ký sinh, sơ đồ tƣơng đƣơng nhƣ Hình 5.6- a (trong đó: LV- điện cảm của cuộn dây, CV- điện dung giữa 2 đầu Vôn mét, Cd- điện dung giữa 2 đầu Vôn mét với đất). CV Zn Zt LV RV ZV V Cd E Cd RV (a) (b) (c) Hình 5.6 - Trở kháng tương đương của Vôn mét Ví dụ nhƣ cách mắc Vôn mét đo điện áp trên tải Zt nhƣ Hình 5.6–c, trong đó Z0 – trở kháng của nguồn, Zt – trở kháng phụ tải. Khi mắc Vôn mét vào mạch đo bao giờ cũng làm cho điện áp trên tải thay đổi so với giá trị thực Ux E.Zt U x Zn Zt Sau khi mắc Vôn mét vào mạch điện áp mà Vôn mét chỉ thị là: E.Ztđ Zt ZV U đo trong đó Ztđ Zn Ztđ Zt ZV Sai số tƣơng đối do ảnh hƣởng của trở kháng trong ampe mét đƣợc xác định nhƣ sau: 183
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản U U 1 x đo .100 .100 % I U Z Z x 1 V V Z n Zt Để giảm nhỏ sai số tƣơng đối cần chọn Vôn mét có trở kháng trong càng lớn càng tốt. Các Vôn mét dùng trong đo lƣờng điện tử đƣợc phân loại căn cứ vào các tính năng sau đây: - Dạng chỉ thị: Vôn mét chỉ thị kim hay Vôn mét chỉ thị số. - Thông số của điện áp đo: Vôn mét đo điện áp đỉnh, điện áp trung binh hay điện áp hiệu dụng. - Dải trị số điện áp đo: Micro Vôn mét, Mili Vôn mét hay Kilô Vôn mét. - Mục đích sử dụng: Vôn mét mẫu (để làm chuẩn), Vôn mét xoay chiều, Vôn mét một chiều, Vôn mét xung hay Vôn mét có tính năng đặc biệt (Vôn mét nhạy pha, Vôn mét chọn lọc ). Các phƣơng pháp cơ bản đo điện áp: - Đo điện áp dùng cơ cấu đo. - Do dòng dùng Vôn mét điện tử tƣơng tự, Vôn mét điện tử số. 5.3.3. Đo điện áp sử dụng cơ cấu đo từ điện a. Đo điện áp một chiều DC Cơ cấu đo từ điện làm việc với điện áp một chiều, nhƣng điện áp toàn thang khá nhỏ Utt=Rm.Itt, nên do đó phải mở rộng thang đo điện áp cho phù hợp bằng cách mắc CCĐ nối tiếp với điện trở phụ Rp. 184
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản Rm, Itt R3 R2 R1 + Rm, Itt Rp U U 3 2 U + 1 U U x x (a) – Sơ đồ một thang đo (b) – Sơ đồ nhiều thang điện áp Hình 5.7 – Sơ đồ thang đo điện áp một chiều dùng CCĐ từ điện Sơ đồ thang đo điện áp một chiều dùng CCĐ từ điện nhƣ Hình 5.7-a. Điện áp đo: Ux = URp + Um Điện áp đo đƣợc lớn nhất của thang đo là Umax. Khi Ux = Umax thì Im=Itt, dó đó điện trở phụ đƣợc xác định nhƣ sau: U U R R (n 1) n ma x ma x p m , với Utt Itt Rm - hệ số mở rộng thang đo. Với Vôn mét có nhiều thang đo thì dùng nhiều điện trở phụ, thông thƣơng các điện trở phụ đƣợc mắc theo kiểu nối tiếp nhƣ Hình 5.7-b với 3 thang đo là U1, U2, U3, hệ số mở rộng của mỗi thang đo là nk (k=1,2,3). R U U R m n k k pk , với k Utt Itt Rm nk 1 + Thang đo U1: Rp1=R1. + Thang đo U2: Rp2=R1+R2. + Thang đo U3: Rp3=R1+R2+R3. Chú ý: Trong trƣờng hợp Itt nhỏ, có thể mắc thêm điện trở Shunt Rs song song với CCĐ để tăng dòng toàn thang tổng trƣớc khi mắc nối tiếp với các điện trở phụ. 185
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản b. Đo điện áp xoay chiều AC dùng cơ cấu từ điện Cơ cấu đo từ điện chỉ làm việc với điện áp một chiều, do đo khi đo điện áp xoay chiều AC phải biến đổi điện áp AC thành điện áp DC đặt vào CCĐ theo các cách khác nhau nhƣ: Dùng phƣơng pháp chỉnh lƣu bằng Điốt, Dùng phƣơng pháp biến đổi nhiệt điện. Dùng phương pháp chỉnh lưu bằng Điốt: Ví dụ thang đo dòng AC dùng mạch chỉnh lƣu ½ chu kỳ nhƣ Hình 5.8-a, và dùng mạch chỉnh lƣu cầu nhƣ Hình 5.8-b. Xây dựng thang đo trị số hiệu dụng của điện áp xoay chiều hình sin cho các thang đo này. Giả sử dòng điện AC là uac=Umsin t. Nếu giới hạn của thang đo là Umax, thì khi điện áp AC có giá trị hiệu dụng URMS=Umax thì dòng điện trung bình qua CCĐ là imtb=Itt. Hình 5.8 – Thang đo dòng xoay chiều Rp D1 Rp i D2 m D1 Rm, Itt + i AM5 u u m ac Rm, Itt ac + D2 D4 D3 (a) (b) uac uac Um Um t t i im I m m t Im t (c) (d) - Tính tại vị trí toàn thang: - Tính tại vị trí toàn thang: 186
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản U m U max 2 U m U max 2 2I .I I m m => tt I .I imtb I tt I m imtb Itt => m tt 2 U U U m 2U D m D => Rp => Rp I m I m 5.3.4. Vôn mét điện tử Khi đo điện áp xoay chiều cao tần, thì thiết bị đo đƣợc sử dụng nhiều hơn cả là Vôn mét điện tử. vì vôn-mét điện tử có một số ƣu điểm cơ bản nhƣ : trở kháng vào lớn, độ nhạy cao, tiêu thụ ít năng lƣợng của mạch điện đƣợc đo, và chịu đƣợc quá tải. Tuy nhiên vôn-mét điện tử cũng có những nhƣợc điểm là cần yêu cầu có nguồn cung cấp, nguồn cung cấp cần phải ổn định, và độ chính xác của thang độ chỉ thị phụ thuộc nhiều vào đặc tính thông số của phần tử tích cực nhƣ Điốt, BJT, KĐTT, nên khi thay thế phần tử này thì thiết bị đo có thể bị ảnh hƣởng. Vôn-mét điện tử có nhiều loại, tuỳ theo cấu tạo mà nó có thể dùng để đo điện áp một chiều, điện áp xoay chiều hay đo cả hai loại điện áp này. Cũng tuỳ theo cấu tạo mà kết quả đo đƣợc chỉ thị bằng kim hay chỉ thị bằng số. a. Vôn mét điện tử chỉ thị kim Sơ đồ khối rút gọn của Vôn mét điện tử chỉ thị kim nhƣ Hình 5.9. Cũng nhƣ các máy đo thông số tín hiệu khác, thiết bị vào ở đây thƣờng gồm các phần tử để biến đổi điện áp đo ở đầu vào, nhƣ bộ phân áp, suy giảm và mạch khuếch đại đệm vào để tăng trở kháng vào của vôn-mét. Chức năng đo điện áp sau khuếch đại một chiều DC sẽ đƣợc thực hiện ở mạch đo và chỉ thị bằng cơ cấu đo chỉ thị kim, CCĐ từ điện đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong trƣờng hợp này. 187
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản DC ux Mạch Khuếch Tách Khuếch vào đại AC sóng AC đại DC Ux- Mạch CCĐ đo Hình 5.9 – Sơ đồ khối rút gọn của Vôn mét điện tử chỉ thị kim Khối tách sóng có nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều thành điện áp 1 chiều trị số trung bình tỉ lệ với trị số điện áp nào đó của điện áp xoay chiều. Có các cách phân loại mạch Tách sóng nhƣ sau: - Theo trị số điện áp hay theo dòng điện ra của bộ tách sóng: Tách sóng đỉnh (biên độ), Tách sóng hiệu dụng hay Tách sóng trung bình. - Theo chế độ tách sóng: chế độ A, chế độ B hay chế độ C. - Theo mạch điện tách sóng: Tách sóng mạch Điốt, Tách sóng dùng Transistor, - Theo cấu tạo mạch vào tách sóng: Tách sóng mạch vào đóng hay tách sóng mạch vào mở. -Theo đặc tuyến tách sóng: Tách sóng đƣờng thẳng hay tách sóng bậc hai. Trong phần này, ta sẽ xét bộ tách sóng của vôn-mét theo cách phân loại đầu tiên, vì nó tƣơng đối tổng quát và phù hợp với cách phân loại các loại vôn-mét hơn. b. Vôn mét điện tử chỉ thị số Sơ đồ khối rút gọn của Vôn mét điện tử số nhƣ Hình 5.10. Về cơ bản Vôn mét điện tử số cũng có khác khối chức năng nhƣ Vôn mét điện tử chỉ thị kim, chúng chỉ khác nhau ở phần đo điện áp Ux- 188
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản sau khuếch đại một chiều. Trong Vôn mét điện tử số điện áp một chiều này đƣợc biến đổi sang tín hiệu số nhờ ADC và đƣợc tính toán và giải mã bằng mạch số hoặc sử dụng vi xử lý/ vi điều khiển ( P) rồi kết quả đo đƣợc hiển thị số sử dụng các cơ cấu chỉ thị số. DC Hiển thị u x Mạch Khuếch Tách Khuếch số vào đại AC sóng AC đại DC Ux- Tính toán ADC và giải mã ( P) Hình 5.10 – Sơ đồ khối rút gọn của Vôn mét điện tử số Bộ biến đổi ADC (biến đổi tƣơng tự - số) là một bộ phận quan trọng của Vôn mét điện tử số, nó thực hiện tất cả mọi thao tác để biến đổi một tín hiệu biến đổi liên tục theo thời gian thành một số hữu hạn trong một hệ thống đã cho. Thƣờng là khâu nối giữa bộ phận nguồn tin và xử lý tin trong hệ thống đo lƣờng số nói chung. Thông thƣờng, quá trình biến đổi của ADC là quá trình: -Tạo điện áp chuẩn: Điện áp chuẩn ví dụ nhƣ là tập hợp các giá trị khác nhau của một điện áp ổn định, hay điện áp biến đổi tuyến tính theo thời gian. -Thực hiện so sánh: Điện áp tƣơng tự cần biến đổi với điện áp chuẩn. -Tạo mã số: Thực hiện do bộ đếm xung hay trực tiếp do các khối thuật toán thực hiện. Các thông số của bộ biến đổi ADC: -Tốc độ biến đổi. -Độ chính xác biến đổi: Có sai số do nguyên lý biến đổi và sai số do dụng cụ biến đổi. 189
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản -Dải biến đổi: Biên độ tín hiệu vào từ cực tiểu đến cực đại. Ngoài ra còn có: độ nhạy, độ tin cậy, khả năng biến đổi nhiều kênh, điện trở vào, kích thƣớc Phân loại các bộ biến đổi ADC Có nhiều cách phân loại, ở đây chúng ta sẽ chủ yếu hai cách: - Theo đại lượng tương tự: Thời gian -số, điện áp - số , - Theo thuật toán biến đổi: Đếm nối tiếp, mã theo từng bít, đếm song song. Nói chung, khi phân tích mạch cụ thể thì thƣờng phân loại theo đại lƣợng biến đổi và kết cấu mạch. Khi tổng hợp mạch một cách tổng quát thì theo thuật toán hay phƣơng pháp biến đổi. Trong đo lƣờng thƣờng sử dụng loại ADC tuyến tính, độ phân giải cao, điển hình nhất là loại ADC thời gian xung hay còn gọi là ADC tích phân: ADC tích phân 1 sƣờn dốc và ADC tích phân 2 sƣờn dốc. Do độ phân giải cao, khả năng chống nhiễu tốt nên ADC tích phân 2 sƣờn dốc đƣợc sử dụng phổ biến nhất trong Vôn mét điện tử số. Vôn mét số một chiều thời gian xung Ví dụ sơ đồ khối của Vôn mét số một chiều thời gian xung (Nguyên lý của ADC tích phân 2 sƣờn dốc (Dual-slope ADC) Hình 5.11. + Nguyên lý làm việc: - Khi chƣa đo, khoá S hở (không ở vị trí nạp n hoặc phóng p). - Quá trình biến đổi đƣợc thực hiện theo 2 bƣớc tích phân sau: * Bƣớc 1: Tại thời điểm t1, bộ điều khiển đƣa ra xung điều khiển ĐK1 đƣa khoá S về vị trí n, điện áp Ux qua mạch vào qua R nạp cho C, nên UC tăng. 190
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản * Bƣớc 2: Đến thời điểm t2, bộ điều khiển đƣa ra xung điều khiển ĐK2 đƣa S về vị trí p và kết thúc quá trình nạp, C sẽ phóng điện qua nguồn điện áp mẫu (nguồn điện áp không đổi, 1 chiều E0), uC giảm đến thời điểm t3 thì uC= 0, bộ so sánh đƣa ra xung so sánh USS, xung ĐK2 và xung USS này sẽ đƣợc đƣa vào đầu vào thiết lập (S) và xoá (R) của Trigger, kết quả đầu ra của Trigger là xung vuông có độ rộng Tx tỉ lệ với Ux-, xung này sẽ điều khiển đóng mớ khoá để cho phép xung đếm chuẩn qua khoá kích thích cho bộ đếm xung. Giả sử trong thời gian Tx có Nx xung qua khoá, số xung đếm đƣợc trong khoảng thời gian này cũng tỉ lệ với điện áp một chiều vào Ux-. Nhƣ vậy số xung Nx đƣợc đƣa qua mạch giải mã và chỉ thị để biểu thị kết quả là điện áp một chiều cần đo. CM C Tạo xung điện tử + - đếm chuẩn U Uch Ux(-) Mạch n s R ss U T + Bộ vào p So Trigger Khoá - đếm sánh R S U® xung N x E0 xung Nguồn ĐK2 Giải ĐK1 xoá điện áp mã và Bộ điều khiển mẫu xung chỉ thị chốt ĐK2 Hình 5.11 – Sơ đồ khối Vôn mét số một chiều thời gian xung Xác định Ux=f(Nx)? - Quá trình C nạp: 1 t2 u u (t ) K .U .dt C c 1 RC v x t1 Kv: hệ số truyền đạt của mạch vào. Giả sử trong thời gian biến đổi, Ux=const: 1 K .U .T U u (t ) 0 .K .U (t t ) v x 1 với T1=t2-t1 n C 2 RC v x 2 1 RC 191
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản - Quá trình C phóng: 1 t3 u (t ) U (t ) E .dt C 3 c 2 RC 0 t2 1 U .E (t t ) n RC 0 3 2 Kv.U x.T1 1 u (t ) .E .T với Tx=t3-t2 c 3 RC RC 0 x K v .U x .T1 U c (t3 ) 0 Tx N x .Tch với Tch là chu kỳ của xung đếm E0 chuẩn. Tch .E0 U x .N x S0 .N x Kv .T1 Tch .E0 k với S0 const , (thƣờng chọn S0=10 với k=0, 1 ) Kv.T1 k U x 10 .N x + Giản đồ thời gian: Uđk ĐK1 ĐK2 t t1 t2 uC C nạp C phóng Un T1 t t1 t2 t3 Uss t UT Tx t Uch t Uđ t Nx xung 192
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản + Đánh giá sai số: Kết quả đo bị ảnh hƣởng bởi các sai nhƣ nhƣ sau: - Sai số Tch, Kv, E0, T1. - Sai số lƣợng tử (do xấp xỉ Tx =TchNx). - Sai số do độ trễ của các Trigger. - Sai số do nhiễu tác động từ đầu vào. Tuy nhiên, với phƣơng pháp tích phân 2 lần, có thể loại trừ hoàn toàn nhiễu chu kỳ nếu chọn T1=n.Tnh với Tnh là chu kỳ của nhiễu. 5.4. ĐO ĐIỆN TRỞ Đo điện trở cũng là một phép đo điện cơ bản thƣờng đƣợc thực hiện cùng với các phép đo điện áp và đo dòng điện. Các phƣơng pháp đo trở kháng nói chung, đo điện trở nói riêng sẽ đƣợc trình bày trong chƣơng 9, nên trong phần này chỉ tập trung trình bày một ứng dụng của phƣơng pháp Vôn-ampe để xây dựng thang đo điện trở sử dụng cơ cấu đo từ điện - một thang đo đƣợc sử dụng khá phổ biến trong các dụng cụ đo vạn năng (MultiMeter). U x Theo định luật Ôm: Rx , nếu Ux=const thì đo Ix sẽ xác định I x đƣợc Rx, nhƣ vậy có thể xây dựng đƣợc thang đo điện trở trên cơ sở sử dụng thang đo dòng điện sử dụng CCĐ từ điện, và thang đo đƣợc khắc độ theo đơn vị đo điện trở . Thang đo điện trở theo phƣơng pháp này có thể đƣợc xây dựng theo sơ đồ mắc nối tiếp hoặc song song, trong phần này chỉ trình bày sơ đồ mắc nối tiếp nhƣ Hình 5.12. 193
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản a Rx 0 Rdc Rn IA 0 Imax K Rx 0 En Rđc + b mA I Rx A R ,I A max Hình 5.12 – Sơ đồ một thang đo điện trở kiểu nối tiếp Sơ đồ thang đo có sử dụng thang đo dòng mA có nội trở RA, giới hạn thang đo Imax, nguồn pin En=const, có nội trở Rn, biến trở điều chỉnh Rđc. + Khi chƣa đo, để hở 2 đầu que đo a và b, tƣơng ứng với Rx= , dòng điện qua mA bằng không, góc quay của kim chỉ thị 0 A, vị trí này đƣợc khắc độ . + Khi bắt đầu đo, nối tắt 2 que đo a và b, ứng với Rx=0 , dòng qua mA đạt giá trị cực đại Imax và góc quay của kim chỉ thị đạt giá trị cực đại, vị trí này khắc độ 0 . Do đó nếu kim chỉ thị lệch khỏi vị trí 0 trên thang khắc độ thì ta phải điều chỉnh biến trở Rđc để kim chỉ đúng 0 , khi đó: En I A I max Rn RA Rđc En => (Rn RA Rđc ) Imax + Khi đo nối Rx vào 2 đầu que đo a và b, lúc này dòng qua mA là IA: En En En Rx Rn RA Rđc - Phƣơng trình khắc độ thang đo I A I A I max Nhƣ vậy có thể khắc độ thang đo theo đơn vị đo điện trở tƣơng ứng từ thang đo dòng điện với phƣơng trình khắc độ thang đo nhƣ trên. Tuy nhiên thang đo điện trở theo phƣơng pháp đo 194
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản dòng là thang đo phi tuyến. Để xây dựng thang đo điện trở tuyến tính thì phải sử dụng nguồn dòng Ix=const, đo điện áp Ux để xác định điện trở Rx: Ux=Rx.Ix. Trong thực tế thang đo điện trở trong các dụng cụ đo vạn năng sử dụng CCĐ từ điện đƣợc xây dựng theo nguyên lý đo dòng có thể đƣợc mắc theo cách trình bày ở trên hay theo các cách mắc khác nhƣ: Rđc nhƣ một điện trở Shunt đƣợc mắc song song với CCĐ hay mắc nối tiếp với CCĐ rồi mới mắc song song với điện trở Shunt. 5.5. THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ VẠN NĂNG (MULTIMETERS) Thiết bị đo điện tử vạn năng hay còn gọi là Đồng hồ vạn năng (Multimeters) là một lại dụng cụ đo điện cơ bản đa chức năng đƣợc dùng khá phổ biến, có các chức năng cơ bản là đo dòng điện, đo điện áp, và đo điện trở ngoài ra có một số đồng hồ còn có thể đo tần số dòng điện, điện dung tụ điện, kiểm tra điốt, kiểm tra Transistor lƣỡng cực Đồng hồ vạn năng đƣợc thiết kế trên cơ sở chức năng đo cơ bản là đo dòng điện hoặc đo điện áp, và từ đó xây dựng thêm các chức năng đo khác. Có 2 loại đồng hồ vạn năng đó là: Đồng hồ vạn năng tƣơng tự (hay còn đƣợc gọi tắt là VOM – Volt-Ohm-Milliammeter), và đồng hồ vạn năng số (DMM – Digital Multimeter). 5.5.1. Đồng hồ vạn năng tƣơng tự - VOM a. Chức năng Đồng hồ vạn năng tƣơng tự thƣờng có các chức năng đo nhƣ sau: Đo điện áp một chiều: DCV Đo giá trị hiệu dụng của điện áp xoay chiều: ACV. Đo cƣờng đồ dòng điện một chiều: DCA 195
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản Đo điện trở: Ngoài ra có một số đồng hồ còn có thêm chức năng khác nhƣ: Đo điện dung tụ điện Kiểm tra điốt, kiểm tra Transistor lƣỡng cực VOM thƣờng đƣợc cấu tạo từ 1 cơ cấu đo từ điện, và sử dụng các mạch đo khác nhau sẽ tạo thành chức năng đo và thang đo khác nhau, sử dụng chuyển mạch để chọn chức năng đo và thang đo, và thang chỉ thị của CCĐ đƣợc khắc độ phù hợp với mỗi chức năng và thang đo tƣơng ứng. VOM trong thực thế rất đa dạng, Hình – là ví dụ về hình ảnh của các các VOM có trong thực tế. Sơ đồ khối tổng quát của một VOM đơn giản nhƣ hình vẽ, 196
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản Hình 5.13 - Đồng hồ vạn năng tương tự - VOM 197
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản b. Sơ đồ cấu tạo 5.5.2. Đồng hồ vạn năng số - DMM. a. Chức năng Hình 5.14 – Đồng hồ vạn năng số cầm tay (Handheld DMM) Hình 5.15 – Đồng hồ vạn năng số để bàn (Bench DMM) Đồng hồ vạn năng số DMM có nhiều tính tính năng đo nổi bật hơn đồng hồ vạn năng tƣơng tự, cũng có các chức năng đo cơ bản nhƣ của VOM nhƣ: 198
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản Đo điện áp một chiều Đo giá trị hiệu dụng (trị số đỉnh hoặc trung bình) của điện áp xoay chiều. Đo cƣờng đồ dòng điện một chiều Đo trị số hiệu dụng (trị số đỉnh hoặc trung bình) cùng dòng điện xoay chiều Đo điện trở Ngoài ra có một số đồng hồ còn có thêm chức năng nổi bật khác nhƣ: Đo tần số dòng điện. Kiểm tra điốt, kiểm tra Transistor lƣỡng cực Kiểm tra nối mạch: máy kêu "bíp" khi điện trở giữa 2 đầu đo (gần) bằng 0. Hiển thị số thay cho kim chỉ trên thƣớc. Có thêm các bộ khuyếch đại điện để đo hiệu điện thế hay cƣờng độ dòng điện nhỏ, và điện trở lớn. Đo độ tự cảm của cuộn cảm và điện dung của tụ điện. Có ích khi kiểm tra và lắp đặt mạch điện. Hỗ trợ cho đo nhiệt độ bằng cặp nhiệt. Đo tần số trung bình, khuyếch đại âm thanh, để điều chỉnh mạch điện của radio. Nó cho phép nghe tín hiệu thay cho nhìn thấy tín hiệu (nhƣ trong máy hiện sóng). Dao động kế cho tần số thấp. Xuất hiện ở DMM có giao tiếp với máy tính. Bộ kiểm tra điện thoại. Bộ kiểm tra mạch điện ô-tô. Lƣu giữ số liệu đo đạc và tính toán kết quả. 199
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản Trong thực tế có 2 loại DMM đó là DMM cầm tay (Handheld DMM) và loại DMM để bàn (Bench DMM). Loại để DMM bàn thƣờng có tính năng, dải trình đo, độ chính xác, giá thành cao hơn loại DMM cầm tay. b. Sơ đồ cấu tạo Hình 5.16 – Sơ đồ khối rút gọn của DMM số. Hình 5.17 – Sơ đồ rút gọn của chức năng đo điện áp 200
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản Hình 5.18 – Sơ đồ rút gọn của chức năng đo dòng Hình 5.19 – Sơ đồ rút gọn của chức năng đo điện trở 201
Chương 5 – Các phép đo điện cơ bản Hình 5.20 – Sơ đồ cấu tạo của một DMM trong thực tế 202
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha CHƢƠNG 6 - ĐO TẦN SỐ, KHOẢNG THỜI GIAN VÀ GÓC LỆCH PHA 6.0. GIỚI THIỆU CHUNG Tần số, chu kỳ, các khoảng thời gian, góc pha là các tham số quan trọng của tín hiệu. Trong kỹ thuật điện tử, thƣờng hay dùng các tín hiệu có phổ tần số rât rộng. Dải phổ tần số này bắt đầu từ các tần số bằng một vài phần trăm Hz đến hàng trăm GHz. Toàn bộ tần phổ này có thể chia làm nhiều dải tần số có tính chất khác nhau: Dải tần thấp: 3GHz Các dải tần số khác nhau có các phƣơng pháp đo tần số khác nhau. Giới hạn dùng và kỹ thuật đo lƣờng các tần số cao tần tăng lên cùng với sự phát triển của kỹ thuật điện tử và ngày nay đã xác định đƣợc các tần số hàng trăm G Hz. Các tham số về tần số: Xét tín hiệu xoay chiều điều hòa biến thiên theo thời gian: u(t)=Umsin( t+ 0), - Pha của tín hiệu (t)= t+ 0 203
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha - Tần số góc - biểu thị tốc độ thay đổi pha của dao động: d = 2. . f dt - Tần số f – là số dao động toàn phần (số chu kỳ) của dao động trong 1 đơn vị thời gian. - Chu kỳ T – khoảng thời gian nhỏ nhất mà giá trị của tín hiệu lặp lại độ lớn của nó (u(t+T)=u(t)), T=1/f. - Bƣớc sóng - là khoảng không gian của môi trƣờng truyền dẫn dao động đƣợc truyền đi trong một chu kỳ: v v.T f Trong đó v là vận tốc truyền sóng của môi trƣờng. Sóng điện từ lan truyền trong chân không bằng vận tốc ánh sáng c=3.108m/s. Với môi trƣờng truyền sóng có hệ số điện môi tƣơng đối là thì: c v Nhƣ vậy f không phụ thuộc vào điều kiện lan truyền, còn phụ thuộc vào vận tốc truyền sóng trong môi trƣờng truyền dẫn. Đơn vị đo tần số f : Hz, kHz, MHz, GHz, THz, Đơn vị đo chu kỳ T: s, ms, s, ns, ps, Đơn vị đo bƣớc sóng :m, mm, m, nm, pm, Việc đo , f, T, có ý nghĩa nhƣ nhau, tuy nhiên ở tần thấp và cao tần thƣờng đo , T, f, ở dải siêu cao tần thƣờng đo . Trong kỹ thuật điện tử, truyền thông phép đo tần số đƣợc thực hiện trong các trƣờng hợp sau: - Cần khắc độ và chuẩn lại các máy tạo tín hiệu đo lƣờng, phát phát, máy thu, - Xác định tần số cộng hƣởng của mạch dao động. 204
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha - Xác định dải thông của bộ lọc, mạng 2 cực, - Kiểm tra độ lệch tần số của các thiết bị đang hoạt động, - Ngoài các tham số , f, T, , góc pha cũng là tham số cơ bản của tín hiệu, nó gắn liền với dao động điều hòa: (t)= t+ 0, trong đó 0 là pha ban đầu tại thời điểm t=0. Thực tế góc pha của tín hiệu biến thiên theo thời gian và pha ban đầu cũng thay đổi khi thay đổi gốc thời gian, do đó phép đo pha thƣờng đƣợc thực hiện là phép đo góc lệch pha của 2 tín hiệu cùng tần số. Giả sử: u1(t)=Um1sin( 1t+ 1) u2(t)=Um2sin( 2t+ 2) Góc lệch pha giữa u2 và u1 là = 2- 1=( 2- 1)t+ 2- 1 Nếu 2= 1 thì = 2- 1=const. Với tín hiệu tuần hoàn dạng bất kỳ, thì phép đo tần số là phép đo tần số của thành phần sóng hai bậc nhất (thành phần tần số cơ bản) của tín hiệu và phép đo góc lệch pha cũng là góc lệch pha của các thành phần hài bậc nhất, nhƣng phổ biến là phép đo chu kỳ và độ lệch thời gian. 6.1. ĐO TẦN SỐ Các phƣơng pháp đo tần số thông dụng trong kỹ thuật điện tử là: - Phƣơng pháp so sánh: Dùng ô-xi-lô, Phƣơng pháp đếm xung. - Phƣơng pháp dùng mạch điện có tham số phụ thuộc tần số: Mạch cầu cân bằng, Mạch cộng hƣởng. - Phƣơng pháp đo tần số bằng phƣơng pháp phóng nạp điện cho tụ. 205
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha 6.1.1. Đo tần số bằng phƣơng pháp đếm xung Đặt vấn đề : Một phƣơng pháp khác để đo tần số là phƣơng pháp đếm xung dựa trên cơ sở các bộ đếm xung. Giả sử nếu đƣa 1 sóng xung tới đầu vào của một bộ đếm xung trong một chu kỳ đúng bằng 1s thì bộ đếm sẽ chỉ thị tần số của dạng xung. Phƣơng pháp này hiện đƣợc sử dụng rất phổ biến để đo tần số. Tần số mét cấu tạo theo phƣơng pháp này còn đƣợc gọi là máy đếm tần (frequency counter). Sử dụng thiết bị này để đo tần số rất thuận tiện, nhanh chóng, độ chính xác cao, độ nhạy lớn, tốc độ đo lớn, tự động hoàn toàn quá trình đo, kết quả đo hiển thị dƣới dạng số a. Máy đếm tần theo phương pháp xác định nhiều chu kỳ Nguyên lý chung của Máy đếm tần theo phƣơng pháp xác định nhiều chu kỳ là thực hiện quá trình đếm xung có chu kỳ bằng chu kỳ của tín hiệu cần đo tần số trong một đơn vị thời gian. Sơ đồ khối rút gọn của máy đếm tần này nhƣ Hình 6.1. Ufx Ux U Mạch Tạo dạng đ Bộ đếm vào xung K xung Uđo Xung (Nx) xoá Giải mã Tạo xung Uch Chia Uct Tạo dạng chuẩn tần xung đo Xung chốt Chỉ thị số Hình 6.1 - Sơ đồ khối của máy đếm theo phương pháp xác định nhiều chu kỳ 206
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha Tx Ufx t T Ux x t -k Uct Tct=10 s t -k t=Tct=10 s Uđo t Tx Uđ t Nx Hình 6.2 – Giải đồ thời gian minh họa hoạt động của máy đếm tần Tín hiệu cần đo tần số Ufx đƣợc đƣa vào Mạch vào. - Mạch vào : Có trở kháng lớn để không ảnh hƣởng đến mạch ra của nguồn tín hiệu và có khuếch đại dải rộng để tăng dải tần công tác của máy đếm tần, và có mạch phân áp để tạo ra tín hiệu phù hợp đƣa vào mạch tạo xung (thông thƣờng là tín hiệu điều hoà có chu kỳ bằng chu kỳ tín hiệu cần đo Tx và có biên độ ổn định không phụ thuộc vào biên độ và tần số tín hiệu vào). hoặc biến đổi tín hiệu tuần hoàn dạng bất kỳ ở đầu vào thành hình sin hoặc xung chuẩn cùng chu kỳ với tín hiệu cần đo. - Mạch tạo dạng xung : Có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện áp điều hoà (hay tín hiệu xung chuẩn có chu kỳ) thành tín hiệu xung đếm đơn cực tính Ux (xung nhọn hoặc xung vuông) có chu kỳ bằng chu kỳ tín hiệu vào Tx và có biên độ, độ rộng xung, sƣờn xung phù hợp cho hoạt động của bộ đếm (ví dụ yêu cầu xung vào bộ đếm xung có mức TTL, CMOS ). Khối này thƣờng đƣợc xây dựng dựa vào mạch Triger Schmitt. 207
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha - Bộ tạo xung chuẩn: Tạo ra các xung vuông chuẩn, đơn cực tính có tần số chuẩn fch lớn với độ chính xác cao, nó thƣờng dùng bộ tạo xung dùng thạch anh, bộ tổ hợp tần số - Bộ chia tần: chia tần xung chuẩn fch để đƣợc các tần số thích hợp để đƣa vào khối tạo dạng đo, thông thƣờng các tần số chia k fct=fch/n=10 Hz (k=0,1,-1,2, -2 ), ví dụ tần số 10kHz, 1kHz, 100Hz, 10Hz, 1Hz, 0.1 Hz, tƣơng ứng với các tần số này là các chu kỳ chuẩn: 0,1ms; 1ms; 10ms, 100ms, 1s, 10s, - Khối tạo dạng đo: Tạo xung điều khiển quá trình đo cụ thể là tạo xung vuông gốc thời gian để điều khiển khóa K có độ rộng -k t=1/fct=10 s - đây là khoảng thời gian xung đếm Ux quá khóa K kích thích cho Bộ đếm. Khối này còn tạo ra xung xóa bộ đếm trƣớc khi bắt đầu quá trình đếm, và xung chốt để chốt giữ liệu vào mạch giải mã ngay sau khi kết thúc quá trình đếm để giữ lại kết quả cho đến khi có kết quả đo mới của lần đo tiếp theo. Nguyên lý hoạt động của máy đếm tần này còn đƣợc minh họa qua giản đồ thời gian dƣới Hình 6.2. Trong thời gian có xung đo Uđo, khóa K sẽ đƣợc mở, khi đó chuỗi xung đếm chu kỳ Tx qua khóa để kích thích cho bộ đếm, giả sử trong khoảng thời gian gốc thời gian t này số xung đếm đƣợc là Nx: t Tx N x N X n k f X N X . N X .10 Hz t fch Nhƣ vậy số xung đếm đƣợc NX tỉ lệ với tần tần số tín hiệu vào, số xung này đƣợc đƣa qua bộ giải mã và kết quả là tần số cần đo fx đƣợc hiện thị dƣới dạng số thập phân bằng cơ cấu chỉ thị số sử dụng LED7 đoạn hay LCD. 208
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha Phƣơng pháp trên có độ chính xác khá cao, tiệm cận đƣợc tới độ chính xác của tần số chuẩn fch và thƣờng dùng để chế tạo tần số mét cao tần. Các nguyên nhân gây sai số và cách khắc phục. Có các nguyên nhân gây sai số chủ yếu của máy đếm tần nhƣ sau: + Sai số của xung chuẩn f . fch Khắc phục: Sử dụng bộ tạo dao động có độ ổn định cao nhƣ dùng bộ tạo dao động thạch anh, thƣờng xuyên kiểm chuẩn, hiệu chỉnh thiết bị. + Sai số do độ trễ của các mạch Tạo dạng xung, Khối tạo xung đo, Khóa K, ngoài ra còn do nhiễu xung tác động nên tại thời điểm mà các khối mạch này chuyển trạng thái sẽ bị xê dịch thời điểm của điện áp tín hiệu khi vƣợt qua mức không, do đó độ dài của xung đƣợc tạo ra sẽ khác với yêu cầu nên gây ra sai số trong quá trình đếm xung. Khắc phục : Chống nhiễu, bọc kim tạo lồng Farađây để tránh tác động của điện từ trƣờng ngoài + Sai số do sự không đồng bộ giữa xung mở cổng và chuỗi xung đếm trong khoảng thời gian bằng độ rộng xung cửa có thể làm cho số lƣợng xung đếm đƣợc lớn hơn hay bé hơn 1 xung đếm so với giá trị thực, phụ thuộc vào thời điểm đóng mở cổng, sai số của t là TX. Sai số này còn đƣợc gọi là sai số 1 xung, sai số này còn gọi là sai số lƣợng tử, sai số này càng có ảnh hƣởng lớn khi tần số đo càng thấp, nghĩa là số lƣợng xung đếm Nx giảm do 1 đó sai số tƣơng đối tăng, Khi đo tần số cao NX tăng do đó sai N X 209
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha số tƣơng đối 1 giảm, đây là loại sai số này đặc biệt riêng cho N X thiết bị đo số. Sai số này là sai số do phƣơng pháp đo và phƣơng pháp số hoá gây ra có tính chất ngẫu nhiên, ta không thể loại bỏ hoàn toàn mà chỉ có khả năng nghiên cứu làm giảm tối thiểu nó. Khắc phục sai số lượng tử: - Tăng thời gian đo t để tăng NX nhƣng khi đo ở tần số thấp thì thời gian đo sẽ kéo dài, do đó ở tần số thấp chủ yếu dùng phƣơng pháp đo xác định một chu kỳ nhƣ trình bày ở phần sau. b. Máy đếm tần theo phương pháp xác định một chu kỳ Nguyên lý chung của máy đếm tần theo phƣơng pháp xác định một chu kỳ (phƣơng pháp xác định theo chu kỳ) là thực hiện đếm số xung chuẩn tần số xác định fch trong khoảng thời gian tỉ lệ với chu kỳ Tx của tín hiệu cần đo. Sơ đồ khối rút gọn của máy đếm tần này nhƣ Hình 6.3. Tạo xung Uch Uđ chuẩn Bộ đếm K xung Uđo Xung (Nx) Ufx xoá Giải mã Mạch Tạo dạng Ux Tạo dạng vào xung xung đo Xung chốt Chỉ thị số Hình 6.3 - Máy đếm tần theo phương pháp xác định một chu kỳ. 210
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha Tx Ufx t T Ux x t t=n.T (n=1) Uđo t Uch t Tch Uđ t Nx Hình 6.4 – Giản đồ thời gian minh họa hoạt động của máy đếm tần Phƣơng pháp xác định một chu kỳ ngƣợc với cách đo tần số theo phƣơng pháp xác định nhiều chu kỳ ở trên. Về nguyên tắc cấu tạo của các khối trong sơ đồ của máy đếm tần này cũng tƣơng tự nhƣ ở máy đếm tần theo phƣơng pháp xác định nhiều chu kỳ. Khác nhau ở đây là xung đếm là dãy xung chuẩn Tch. Thời gian đo t thƣờng lấy bằng n.Tx. Nguyên lý hoạt động của máy đếm tần theo phƣơng pháp đo này đƣợc minh hoạ rõ hơn qua giản đồ thời gian sau ở Hình 6.4. Tín hiệu Ufx đƣa qua Mạch vào tới Bộ tạo dạng xung để tạo ra xung nhọn có chu kỳ Tx. Xung này sẽ điều khiển Bộ tạo dạng xung đo để tạo ra xung đo điều khiển đóng mở khóa K có độ rộng t = n.Tx (ví dụ n = 1) Trong thời gian có xung đo t, xung đếm chuẩn Uch qua khoá kích thích cho bộ đếm xung. Giả sử đếm đƣợc Nx xung thì số xung Nx này sẽ đƣợc đƣa qua mạch giải mã và chỉ thị để đạt đƣợc kết 211
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha quả là chu kỳ cần đo hoặc tần số cần đo (nếu máy đếm tần có sử dụng Vi xử lý). Ta có: t n.Tx Tch N x , với Tch là chu kỳ xung đếm chuẩn T => T ch N x n x T Nếu chọn ch 10 k s với k = 0, 1, 2, => .T 10 k.N s n x x n Hoặc : f x f ch , việc giải mã kết quả là tần số cần đo là khá N x phức tạp do đó sử dụng các bộ vi xử lý hay vi điều khiển nếu muốn hiển thị kết quả là tần số cần đo. Đánh giá sai số: Có các nguyên nhân gây sai số chủ yếu của máy đếm tần này nhƣ sau: + Sai số của xung đếm. Sai số của nguồn tín hiệu tần số chuẩn f . fch + Sai số do độ trễ của các mạch tạo dạng xung, mạch tạo xung đo, khóa. + Sai số lượng tử 1 . Sai số do sự không đồng bộ của xung N X cửa và xung đếm. Trong khoảng thời gian bằng độ rộng xung cửa có thể làm cho số lƣợng xung đếm đƣợc lớn hơn hay bé hơn 1 xung đếm so với trị số trƣớc, nó tùy thuộc vào thời điểm đóng mở cửa xung. Sai số này bằng: t=±Tch Để giảm sai số lƣợng tử có thể tăng thời gian đo n.TX. Một phƣơng pháp khắc phục sai số lƣợng tử là tăng tần số fch nhƣng lại bị hạn chế bởi giới hạn tần số cao của mạch khóa, mạch 212
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha đễm. Để mở rộng phạm vi đo tần số ngƣời ta sử dụng các bộ chia tần của tín hiệu cần đo và tăng thời gian xung mở cổng. Để thực hiện đƣợc các phƣơng pháp hay sử dụng để giảm nhỏ sai số 1 hay nâng cao độ chính xác là sử dụng máy đêm tần cài đặt vi xử lý và sử dụng phương pháp đếm nội suy, sẽ đƣợc xét trong phần sau. c. Máy đếm tần cài đặt vi xử lý (Microprocessor). Trong nhiều thiết bị đo số có sử dụng Vi xử lý để nâng cao tốc độ, độ chính xác cũng nhƣ tăng sự linh hoạt, mềm dẻo của thiết bị đo Nguyên lý máy đếm tần có cài đặt Vi xử lý có thể đƣợc thực hiện nhƣ sau, minh hoạ bằng giản đồ thời gian nhƣ Hình 6.5. Tín hiệu cần đo tần số fX đƣợc biến đổi thành chuỗi xung nhọn có chu kỳ TX. 213
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha f t X T t Tx Tct= t1 n Xung đếm t Tx fct t t2=n.Tx t 2 t T2 t N Hình 6.5 – Giản đồ thời gian minh hoạt hoạt động của máy đếm tần cài đặt Vi xử lý Tín hiệu điều khiển cổng thứ nhất t1 đƣợc tạo ra từ phần tạo xung điều khiển khóa, trong khoảng thời gian này đếm đƣợc n ‟ xung TX và ghi giữ giá trị này trong bộ nhớ. Nhƣ vậy fx =n/ t1 fx cần đo, do có sai số 1. Cùng đồng thời tiến hành với quá trình trên, 1 xung điều khiển cổng thứ 2 đƣợc tạo ra nhƣng sƣờn trƣớc của xung này trùng với xung đếm thứ nhất trong thời gian t1 và sƣờn sau của nó trùng đúng với xung Tx đầu tiên xuất hiện ngay sau sƣờn sau của xung 214
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha điều khiển t1. Độ rộng của xung điều khiển thứ 2 này là t2=n.TX, xung này điều khiển mở khóa để xung đếm có chu kỳ chuẩn Tch qua cổng kích thích cho bộ đếm thứ 2, kết quả là trong thời gian t2 đếm đƣợc N xung Tch, giá trị này cũng đƣợc ghi giữ lại trong bộ nhớ. t2 n.Tx n. f ch n Nhƣ vậy: N do đó f x . fch Tch Tch f x N Thực tế cũng còn sai số 1 khi đo khoảng thời gian n.TX bằng chu kỳ xung chuẩn Tch, và sai số tuyệt đối 1 trong trƣờng hợp này Tch Tch f x là: 2= Tch, sai số tƣơng đối là: t2= .Tch . t2 n.TX n Theo nguyên tắc tính sai số trong trƣờng hợp đo gián tiếp, sai số đo fx là: 1 f t2 , sai số này chỉ phụ thuộc vào sai số của fch và f ch . t1 t1 và độc lập với tần số của tín hiệu cần đo fx, nó cũng là hằng số trên toàn bộ các thang đo tần số. Trên cơ sở nguyên lý đo nhƣ trên sơ đồ khối của máy đếm tần có cài đặt vi xử lý nhƣ Hình 6.6. Sơ đồ khối của máy đếm tần có cài đặt vi xử lý fX Mạch Tạo dạng Mạch Bộ vào xung khóa1 đếm 1 t1 n Microp- Thiết bị NOT rocessor hiển thị AND1 AND1 N 1 2 t t Mạch cổng kiểm tra t2 Tạo xung Mạch215 Bộ đếm 2 đếm khóa 2
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha Hình 6.6 - Sơ đồ máy đếm tần có cài đặt vi xử lý. Tín hiệu cần đo tần số fx đƣợc đƣa qua các mạch vào và tạo dạng xung để tại ra dãy xung nhọn đƣa vào mạch cổng 1. Xung điều khiển cổng t1 (=1s) đƣợc đƣa ra từ Vi xử lý để điều khiển mở cổng 1 cho xung đếm Tx kích thích cho bộ đếm 1, kết quả đếm đƣợc n xung và giá trị n này đƣợc ghi giữ lại trong bộ nhớ. Mạch cổng kiểm tra tạo ra xung điều khiển cổng t2, xung này xuất hiện khi có xung nhọn đầu tiên vào chân 1 và kết thúc xung khi có xung nhọn đầu tiên xuất hiện ở chân 2. Xung này điều khiển mở cổng 2 cho xung đếm chuẩn TC đƣợc tạo ra từ bộ tạo xung đếm qua cổng kích thích cho bộ đếm 2, kết quả đếm đƣợc N xung, giá trị này cũng đƣợc lƣu vào bộ nhớ. n Vi xử lý thực hiện phép tính f . f , kết quả đƣợc hiện thị X N ch số trên màn hình hiển thị sử dụng màn tinh thể lỏng LCD hay LED 7 đoạn Ngoài ra Vi xử lý còn cho phép tự động chọn thang đo, định vị trí dấu phảy, đơn vị đo hay mở rộng phạm vi đo, chức năng đo lƣờng của thiết bị (chu kỳ, tần số, khoảng thời gian ). 6.1.2. Đo tần số bằng phƣơng pháp dùng mạch cộng hƣởng Phƣơng pháp này chủ yếu dùng để đo tần số cao và siêu cao. Nguyên tắc chung: dựa vào nguyên lý chọn lọc tần số của mạch cộng hƣởng. Sơ đồ nguyên lý đo của phƣơng pháp này nhƣ Hình 6.7. Khối cơ bản của tần số mét theo phƣơng pháp này là Mạch cộng hưởng. Mạch này đƣợc kích thích bằng nguồn tín hiệu cần đo tần số cần đo thông qua Khối ghép tín hiệu. Việc điều chỉnh để thiết lập trạng thái cộng hƣởng nhờ dùng Khối điều chuẩn. Hiện tƣợng cộng hƣởng đƣợc phát hiện bằng Khối chỉ thị cộng hưởng. 216
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha Khối này thƣờng dùng Vôn mét tách sóng đỉnh. Thang đo tần số có thể đƣợc khắc độ trên thang chia độ của khối điều chuẩn. Tuỳ theo dải tần số mà cấu tạo của mạch cộng hƣởng khác nhau. Có 3 loại mạch cộng hƣởng: - Mạch cộng hƣởng có L, C tập trung. - Mạch cộng hƣởng có L, C phân bố. - Mạch cộng hƣởng có L phân bố, C tập trung. Mạch Chỉ thị Ufx Khối ghép tín hiệu cộng cộng hƣởng hƣởng Chỉ thị Điều kết quả chuẩn Hình 6.7 – Sơ đồ nguyên lý phương pháp đo tần số dùng mạch cộng hưởng a. Tần số mét cộng hưởng có tham số tập trung Sử dụng mạch cộng hƣởng L-C, trong đó C và L đều là các linh kiện có thông số tập trung. Bộ phận điều chỉnh cộng hƣởng chính là tụ biến đổi C có thang khắc độ theo đợn vị tần số. Tín hiệu cần đo tần số Ufx đƣợc ghép vào mạch cộng hƣởng thông qua cuộn ghép Lg. Mạch chỉ thị cộng hƣởng là mạch ghép hỗ cảm giữa cuộn dây L2 và L và sử dụng mạch tách sóng bằng Điốt kết hợp với Vôn mét một chiều dùng CCĐ từ điện để xác định biên độ điện áp trên cuộn L2 Khi đo ta đƣa Ufx vào và điều chỉnh tụ C để mạch cộng hƣởng. Khi đó cơ cấu đo sẽ chỉ thị cực đại. 1 f x 2 LC 217
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha Tần số mét loại này thƣờng dùng trong dải sóng: 10 kHz 500 MHz, sai số khoảng từ 0,25% đến 3%. Ufx Lg L C Tụ điều chỉnh D Chỉ thị cộng L2 hƣởng Hình 6.8 – Tần mét sử dụng mạch cộng hưởng có tham số tập trung b. Tần số mét cộng hưởng có tham số phân bố dùng ống dẫn sóng Mạch cộng hƣởng là một đoạn ống dẫn sóng, có thể là loại ống dẫn sóng chữ nhật hay ống dẫn sóng tròn, một đầu đƣợc ngắn mạch, đầu kia đƣợc ngắn mạch bởi Piston P có thể điều chỉnh dọc theo ống bởi hệ thống róng cƣa xoắn ốc đƣợc khắc độ đo tần số. Cơ cấu nhƣ vậy tạo ra hốc cộng hƣởng. Tín hiệu siêu cao tần cần đo bƣớc sóng đƣợc ghép vào hốc cộng hƣởng thông qua vòng ghép Vg. Còn vòng ghép Vđ ghép tín hiệu ra mạch chỉ thị cộng hƣởng sử dụng Vôn mét tách sóng sử dụng CCĐ từ điện. Ví trí các vòng ghép ở gần vị trí nối tắt cố định để sao cho các vị trí này gần với vị trí bụng sóng trong quá trình điều chỉnh. Điều chỉnh Piston để CCĐ chỉ thị cực đại, nhƣ vậy sẽ nhận đƣợc nhiều ví trí khác nhau của Piston mà khi đó tại Vg có cộng hƣởng, tại ví trí của Vg là bụng sóng. Khi dịch chuyển Piston với độ dịch chuyển bằng bội số nguyên lần /2 sẽ đạt các điểm cộng hƣởng liên tiếp. Có thể xác định bƣớc sóng bằng xác định độ dịch chuyển của Piston tại 2 điểm cộng hƣởng lân cận: 218
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha li+1-li= /2 Nhƣ vậy có thể khắc độ thang đo bƣớc sóng hoặc tần số trực tiếp trên hệ thống điều chỉnh của Piston. Tần số mét với hốc cộng hƣởng nay thích hợp với dải sóng nhỏ hơn 3cm. Do có hệ số phẩm chất cao (khoảng 30000) nên sai số của nó nhỏ khoảng (0,01 0,05)%. Bọc kim Vđ ltđ P Vg Ufx Hình 6.9 – Tần mét cộng hưởng dùng ống dẫn sóng 6.2. ĐO GÓC LỆCH PHA 6.2.1. Khái quát các phƣơng pháp đo góc lệch pha Các phƣơng pháp cơ bản đƣợc sử dụng để đo góc lệch pha giữa 2 tín hiệu cùng tần số: Phƣơng pháp đo dựa vào đồ thị dạng sóng của tín hiệu, Phƣơng pháp biến đổi góc lệch pha thành điện áp, Phƣơng biến đổi góc lệch pha thành khoảng thời gian. a. Phương pháp đo dựa vào đồ thị dạng sóng của tín hiệu Phƣơng pháp này thƣờng sử dụng ô-xi-lô để quan sát đồng thời 2 tín hiệu và dựa vào dạng sóng này để xác định góc lệch pha của chúng, hoặc sử dụng chế độ quét lissajous, dựa vào dạng dao động đồ lissajous để xác định góc lệch pha. Các cách đo này đã đƣợc trình bày trong chƣơng 4. 219
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha b. Phương pháp biến đổi góc lệch pha thành điện áp Giả sử cần đo góc lệch pha của 2 tín hiệu u1 và u2. Um2 Ut Um1 U -Um2 h u1(t)=Um1sin( t+ 1) u2(t)=Um2sin( t+ 2) Góc lệch pha giữa u2 và u1 là: = 2- 1 Xét điện áp tổng ut=u1+u2 và điện áp hiệu uh=u1-u2. Tổng hợp bằng giản đồ Vector ta có biểu thức tính biên độ của điện áp tổng và hiệu nhƣ sau: 2 2 2 Ut U m1 U m2 2U m1U m2 cos 2 2 2 U h U m1 U m2 2U m1U m2 cos U h Chọn U m1 U m2 U m ta có: tg 2 U t U 2.arctg h U t Nhƣ vậy nếu đo đƣợc biên độ của điện áp tổng và điện áp hiệu là Ut và Uh thì sẽ xác định đƣợc độ lớn góc lệch pha giữa 2 điện áp . c. Phương biến đổi góc lệch pha thành khoảng thời gian Nguyên lí chung: Biến đổi các điện áp u1 và u2 có dạng hình sin thành các xung nhọn đơn cực tính tƣơng ứng Ux1 và Ux2 với các thời điểm mà điện 220
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha áp biến đổi qua giá trị 0 với giá trị đạo hàm cùng dấu, nhờ mạch tạo dạng xung. Xác định khoảng thời gian giữa 2 xung gần nhau của 2 điện áp xung, khoảng thời gian này tỉ lệ với góc lệch pha của chúng: 2 (rad) hay 3600 T T u1 Mạch Tạo dạng U vào 1 xung 1 x1 S UT Triger R u2 Mạch Tạo dạng Ux2 vào 2 xung 2 Uth u1 u2 t Ux1 t Ux2 t UT T U m t Hình 6.10 – Sơ đồ và giản đồ thời gian minh họa phương pháp biến đổi góc lệch pha thành khoảng thời gian Để việc xác định tỉ số thuận lợi, đƣa xung U , U vào các T x1 x2 đầu vào thiết lập S và xóa R của Triger để tạo ra xung vuông UT có độ rộng xung , chu kỳ T=T1=T2, biên độ Um=const. Dựa vào xung UT có thể dùng phƣơng pháp tƣơng tự hoặc phƣơng pháp số để đo tỉ số đó. + Phương pháp tương tự: 221
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha Sử dụng Vôn mét trung bình để đo trị số điện áp trung bình của UT, khi đó: U U T T m U => 3600 T U m Nhƣ vậy có thể khắc độ thang đo góc lệch pha trên thang đo của Vôn mét trung bình. + Phƣơng pháp số: Đo bằng phƣơng pháp đếm xung, T nguyên lý đo này thƣờng đƣợc sử dụng cho Pha mét số. 6.2.2. Pha mét số Pha mét số thƣờng đƣợc thiết kế theo phƣơng pháp biến đổi góc lệch pha thành khoảng thời gian, và các khoảng thời gian này đƣợc đo băng phƣơng pháp đếm xung. Sơ đồ khối rút gọn của Pha mét số theo nguyên lý này nhƣ Hình 6.11. Chức năng chính của các khối trong sơ đồ nhƣ sau: + Mạch vào: thực hiện tiền xử lý tín hiệu vào, lọc nhiễu, phân áp, tiền khuếch đại, + Tạo dạng xung: biến đổi tín hiệu vào tạo ra các xung nhọn đơn cực tính Ux1, Ux2 tại các thời điểm mà điện áp biến đổi qua giá trị 0 với giá trị đạo hàm cùng dấu, chu kỳ xung T=T1=T2 - chu kỳ tín hiệu vào. + Trigger: tạo ra xung vuông có độ rộng và chu kỳ T chính là nhờ Ux1, Ux2 (Ux1 đƣợc đƣa vào đầu thiết lập S của Trigger, Ux2 đƣợc đƣa vào đầu xoá R của Trigger). + Tạo xung chuẩn: Tạo xung dùng thạch anh, tạo xung vuông có tần số lớn, độ chính xác cao, chu kỳ là Tch 222
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha + Tạo dạng xung đo: Tạo xung đo có độ rộng Tđo điều khiển đóng mở khóa K2, và tạo ra xung xóa bộ đếm, xung chốt mạch giải mã. Giản đồ thời gian minh họa hoạt động của nó nhƣ Hình 6.12. Xung UT từ Trigger sẽ điều khiển đóng mở Khoá 1. Mỗi khi có xung, xung đếm Uch từ bộ tạo xung chuẩn sẽ đƣợc đƣa qua Khoá 1 và đầu ra của khoá 1 là xung Un - là 1 chuỗi gồm nhiều nhóm xung chuẩn và đƣợc đƣa vào Khoá 2. Xung đo Uđ điều khiển đóng mở Khoá 2 trong thời gian có xung đo Tđo. u1 Mạch Tạo dạng Ux1 vào 1 xung 1 K S UT Triger U n K1 Uđ Bộ R K1 u2 Mạch Tạo dạng đếm Uđo vào 2 xung 2 Ux2 Uch Xóa (Nx) Tạo Chia Uct Giải Tạo xung dạng tần mã chuẩn xung Chốt đo Chỉ thị số Hình 6.11 – Pha mét số 223
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha Uth u 1 u2 t Ux1 t Ux2 t UT T U m t Uch t Un t n xung Uđo t Uđ t Nx xung Hình 6.12 – Giản đồ thời gian minh họa hoạt động của Pha mét số Giả sử có h nhóm xung đƣợc đƣa qua Khoá 2 vào kích thích cho bộ đếm xung, tổng số xung đếm đƣợc là Nx, số xung Nx này đƣợc đƣa qua mạch giải mã và mạch chỉ thị để hiển thị kết quả là góc lệch pha cần đo. Ta có góc lệch pha giữa 2 tín hiệu u1(t) và u2(t) là: 3600 T (n là số xung của 1 nhóm xung, Tch là chu kỳ xung chuẩn). N x => nTch và T=Tđo/h với n h Tch 360 .N x Tdo Đánh giá sai số: Sai số của máy đo do các nguyên nhân sau: 224
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha - Do sai số của fch. - Do sai số lƣợng tử : 1 và 1 h n - Sai số do độ không đồng nhất của kênh 1, kênh 2 là Khắc phục: + Đƣa tín hiệu u1(t) hoặc u2(t) vào cả 2 kênh, giả sử Phamét chỉ thị giá trị là 0 thì kết quả đo đƣợc hiệu chỉnh lại nhƣ sau: đo 0 + Quá trình hiệu chỉnh này có thể đƣợc thực hiện nhờ bộ đếm xung thuận nghịch. CÂU HỎI ÔN TẬP 1. Nêu khái niệm tần số và tần số góc? 2. Nêu tên các nhóm phƣơng pháp đo tần số? 3. Nêu một số ứng dụng của phép đo tần số? 4. Nêu tên 2 phƣơng pháp đo tần số bằng các mạch điện có các thông số phụ thuộc tần số? 5. Kể tên 3 thiết bị đo tần số bằng phƣơng pháp cộng hƣởng? 6. Kể tên 2 phƣơng pháp đo tần số bằng phƣơng pháp số? 7. Vẽ sơ đồ khối, nêu chức năng các khối, giản đồ thời gian và nguyên lí làm việc, sai số của Tần số mét số theo phƣơng pháp xác định nhiều chu kì. 8. Vẽ sơ đồ khối, nêu chức năng các khối, giản đồ thời gian và nguyên lí làm việc, sai số của Tần số mét số theo phƣơng pháp xác định một chu kì. 9. Trình bày nguyên lí đo di pha bằng phƣơng pháp đo khoảng thời gian? Vẽ sơ đồ khối, nêu chức năng các khối, giản đồ thời gian và nguyên lí làm việc, sai số của pha mét số. 225
Chương 7 – Đo công suất CHƢƠNG 7 – ĐO CÔNG SUẤT 7.1. KHÁI NIỆM VỀ ĐO CÔNG SUẤT Công suất và năng lƣợng là các đại lƣợng cơ bản của phần lớn các đối tƣợng quá trình và hiện tƣợng vật lý. Vì vậy việc xác định công suất và năng lƣợng là một phép đo rất phổ biến. Trong giới hạn của bài giảng này chỉ tập chung vào đo công suất tác dụng của tín hiệu điện tử trên tải hay truyền qua vật dẫn. 7.1.1 Các thành phần công suất Khái niệm: Công suất là năng lƣợng điện từ truyền giữa các hệ thống hay giữa các phần tử của hệ thống trong một đơn vị thời gian. Công suất tác dụng là năng lƣợng điện từ trƣờng tiêu thụ trên tải trong một đơn vị thời gian. Nếu tín hiệu trên tải là tuần hoàn với chu kỳ T, công suất tác dụng đƣợc xác định nhƣ sau: 1 t0 T 1 t0 T 1 t0 n.T P pdt u(t).i(t).dt u(t).i(t).dt T t0 T t0 n.T t0 Trong, công suất tức thời p=u(t).i(t), với u(t) và i(t) là trị số tức thời của điện áp và dòng điện trên tải. a. Tín hiệu một chiều + Công suất tác dụng một chiều trên tải thuần trở: P=U.I=I2.R=U2/R Trong đó U, I là điện áp và đòng điện một chiều trên tải R. b. Tín hiệu xoay chiều điều hòa một pha + Công suất tác dụng: P=URMS.IRMS.cos 226
Chương 7 – Đo công suất Trong đó URMS và IRMS là trị số hiệu dụng, còn là góc lệch pha giữa điện áp và dòng điện. Trị số cos đƣợc gọi là hệ số công suất, biểu thị đặc tính của tải: R cos tđ Z tđ 2 2 Ztđ Rtđ X tđ là trở kháng tƣơng đƣơng, Rtđ, Xtđ là điện trở và điện kháng của tải. + Công suất toàn phần: S= URMS.IRMS + Công suất phản kháng: Q= URMS.IRMS.sin c. Tín hiệu xung Khi mạch điện công tác ở chế độ xung, thì cần xác định trị số công suất xung. Trị số công suất xung là trị số công suất trung bình trong khoảng thời gian tồn tại của xung. 1 T Pp Pxg u.idt 0 Trị số công suất trung bình thì bằng trị trung bình trong khoảng chu kỳ lặp lại của xung: 1 T Pavg u.idt T 0 Quan hệ giữa Pp và Pavg là: P P avg p T 227
Chương 7 – Đo công suất Trong đó: đƣợc gọi là hệ số tải, hay hệ số lấp đầy (Duty T Cycle) d. Công suất siêu cao tần Trong dải siêu cao tần phép đo công suất đƣợc sử dụng chủ yếu để đánh giá năng lƣợng của tín hiệu. Trong đó công suất tác dụng chung bình đƣợc sử dụng phổ biến cho các tín hiệu RF và siêu cao tần, còn khái niệm công suất xung, công suất đƣờng bao đỉnh đƣợc sử dụng hiệu quả hơn cho các dạng tín hiệu xung của các hệ thống Rada hay hệ thống định vị. Trong kỹ thuật điện tử, thông tin, giới hạn lƣợng trình đo công suất khá rộng. Từ các thiết bị có công suất lớn nhƣ máy phát, đến các thiết bị có công suất nhỏ nhƣ máy thu, máy đo . Các thiết bị này có công suất từ 10-6W đến 107W, ở các chế độ công tác khác nhau, nhƣ chế độ công tác liên tục hay chế độ xung. 7.1.2. Đơn vị công suất Về đơn vị đo công suất, đơn vị tuyệt đối là Oát (W); kể cả các đơn vị ƣớc số và bội số của oát, từ micro oát ( W) tới mêga oát (MW). Ngoài ra trong đo lƣờng còn đƣợc dùng các đơn vị công suất tƣơng đối nhƣ đêxiben oát, đêxiben mili oát (dbW, dbm ) Đơn vị công suất tƣơng đối: P P[W ] dB 10log10 10log10 Pref 1W Trong đó, P là trị số công suất tính bằng W; Pref là trị số công suất ban đầu, và thƣờng bằng 1W. P P[mW ] dBm 10log10 10log10 Pref 1mW Trong đó, P là trị số công suất tính bằng mW; Pref là trị số công suất ban đầu, và thƣờng bằng 1mW. 228
Chương 7 – Đo công suất Với các đơn vị công suất tƣơng đối này, cho ta khái niệm về so sánh các mức công suất ở các vị trí khác nhau một cách thuận tiện, nhất là trong kỹ thuật thông tin. Ví dụ nói dải công suất từ +63dB đến -153dB ngắn gọn hơn là nói dải công suất từ 2x106W đến 0,5x10-15W. 7.1.3 Các nguyên lý đo công suất Việc đo công suất trong kỹ thuật điện tử, ngoài điều phải thực hiện với một dải lƣợng trình đo lớn, ta còn phải thực hiện với một dải tần số đo rất rộng. Do đó có nhiều phƣơng pháp đo khác nhau thích ứng với các trƣờng hợp cụ thể để đạt đƣợc sai số cho phép. Thƣờng thì các phƣơng pháp đo cơ bản tùy thuộc vào khả năng chế tạo thiết bị nên chỉ thích hợp cho sử dụng trong từng tần đoạn. Tuy nhiên, cũng có các phƣơng pháp có thể áp dụng với mọi tần đoạn tùy theo yêu cầu cụ thể của phép đo với một mức độ nào đó. Ở các mạch điện một chiều, mạch xoay chiều tần số công nghiệp (50Hz, 60Hz), âm tần, và cả tần số cao tần, thì phép đo công suất đƣợc thực hiện bằng phƣơng pháp đo trực tiếp hay đo gián tiếp. Đo trực tiếp công suất có thể thực hiện bằng oát-mét. Oát-mét có độ biến đổi các đại lƣợng điện là một thiết bị “nhân” điện áp, và dòng điện trên tải để sao cho nó đầu ra đƣợc trực tiếp chỉ thị đại lƣợng đo là: P=URMSIRMScos . Thiết bị nhân này ví dụ nhƣ dụng cụ điện động, loại oát-mét dùng bộ biến đổi “Hôn” và loại dùng các bộ nhân điện tử. Đo gián tiếp công suất thì đƣợc thực hiện bằng phép đo dòng điện, điện áp và trở kháng. Phép đo công suất bằng vôn-mét và ampe-mét thì đơn giản, song trong nhiều trƣờng hợp, không thể đƣợc thuận lợi nhƣ phƣơng pháp đo trực tiếp. 229
Chương 7 – Đo công suất Ở siêu cao tần, đo công suất là một trong những phép đo cơ bản, chủ yếu để xác định thông số đặc tính của tín hiệu. Phép đo đƣợc thực hiện bằng các phƣơng pháp biến đổi năng lƣợng điện từ thành các dạng năng lƣợng khác để đo. Các dạng năng lƣợng khác ví dụ nhƣ quang năng (phƣơng pháp dùng tế bào quang điện), nhiệt năng (phƣơng pháp dùng nhiệt lƣợng-mét, điện trở), hay cơ năng (phƣơng pháp dùng tác dụng cơ học của sóng điện tử). Các phần tiếp theo sau đây sẽ xét tới các phƣơng pháp cơ bản để đo công suất siêu cao tần. Hiện nay, có một phƣơng pháp đo công suất đƣợc dùng nhiều ở tất cả các tần đoạn trong dải tần số trong điện tử là phƣơng pháp dùng hiệu ứng “Hôn” trong chất bán dẫn. Ta cũng sẽ xét tới phƣơng pháp này. Độ chính xác của các phép đo công suất ở kỹ thuật điện tử, đƣợc coi là cao nếu nhƣ sai số không quá 5%, và là trung bình nếu sai số không quá 25%. Về mức độ, thì công suất của thiết bị đƣợc coi là lớn khi có trị số lớn hơn 10W; là trung bình khi có trị số từ 10W đến 0,1W; và đƣợc coi là bé khi trị số từ 0,1W đên 10-6W. Về cơ bản có hai nguyên lý chung đƣợc sử dụng chủ yếu để công suất đó là: + Nguyên lý đo công suất kiểu truyền dẫn (Transmission Type): Thiết bị đo công suất sẽ xác định công suất truyền từ nguồn đến tải thông qua thiết bị đo. Bản thân thiết bị đo công suất không hấp thụ hoặc hấp thụ một phần rất nhỏ công suất từ nguồn truyền tới tải. Thiết bị đo công suất ở tần thấp và cao tần thƣờng đƣợc xây dựng theo nguyên lý này. + Nguyên lý đo công suất kiểu hấp thụ (Absorption Type): Thiết bị đo công suất hấp thụ hoàn toàn hay một phần công suất 230
Chương 7 – Đo công suất cần đo, nó nhƣ một tải hấp thụ công suất của nguồn công suất cần đo. Thiết bị đo công suất trong dải siêu cao tần thƣờng đƣợc xây dựng theo nguyên lý này. 7.2. ĐO CÔNG SUẤT Ở TẦN SỐ THẤP VÀ TẦN SỐ CAO Vấn đề đo công suất ở âm tần và cao tần ít đƣợc quan tâm. Vì khi cần khảo sát mạch điện hay thiết bị ở âm tần và cao tần, ta có thể thực hiện các phép đo lƣờng đơn giản hơn qua các thông số đặc tính của trƣờng hợp khác nhƣ dòng điện hay điện áp. Song cũng có những trƣờng hợp đo trực tiếp công suất thì tiện lợi hơn. Ta sẽ xét tới những phƣơng pháp đo công suất ở âm tần và cao tần hay dùng, đồng thời nó cũng là cơ sở cấu tạo của Oát-mét ở tần đoạn này. Đo công suất ở tần thấp thƣờng sử dụng phƣơng pháp đo công suất kiểu truyền dẫn (Transmision-type), mà ở đó Oát mét đƣợc thiết kế để đƣợc kết nối giữa tải và nguồn. Nguyên lý cơ bản để xây dựng Oát mét tần thấp là sử dụng các phần tử thu nhận dòng (I sense) và điện áp (V Sense) trên tải và thực hiện các phép xử lý để xác định công suất tác dụng theo công thức tổng quát đã định nghĩa. Nguyên lý này đƣợc minh họa nhƣ 0. I sense U sense Xử lý và hiển thị Oát mét – Nguyên lý cơ bản của Oát-mét tần số thấp Các phƣơng pháp đo công suất tần thấp cơ bản nhƣ sau: 231
Chương 7 – Đo công suất - Phƣơng pháp cơ điện: phép nhân đƣợc dựa trên cơ cấu chỉ thị nhƣ điện động, sắt điện động, tĩnh điện và cảm ứng, trong đó góc quay α của phần động là hàm của công suất cần đo. - Phƣơng pháp điện: phép nhân đƣợc thực hiện bởi các mạch nhân tƣơng tự cũng nhƣ nhân số điện tử, tín hiệu ra của nó là hàm của công suất cần đo. - Phƣơng pháp nhiệt điện: sử dụng phƣơng pháp biến đổi thẳng công suất điện thành nhiệt. Phƣơng pháp này thƣờng đƣợc ứng dụng khi cần đo công suất và năng lƣợng trong mạch tần số cao cũng nhƣ của nguồn laze. - Phƣơng pháp so sánh: là phƣơng pháp chính xác vì thế nó thƣờng đƣợc sử dụng để đo công suất trong mạch xoay chiều tần số cao. 7.2.1 - Phƣơng pháp cơ điện Phƣơng pháp này sử dụng cơ cấu đo điện động hoặc sắt điện động để xây dựng Oát met đo công suất tiêu thụ trên tải một chiều hoặc xoay chiều một pha tần số công nghiệp cũng nhƣ tần số siêu âm đến 15kHz. Với Oát met điện động có thể đạt tới cấp chính xác là 0,01†0,1 với tần số dƣới 200Hz và trong mạch một chiều, ở tần số từ 200Hz † 400Hz thì sai số đo là 0,1% và hơn nữa. Với Oát met sắt điện động với tần số dƣới 200Hz sai số đo là 0,1 † 0,5 % còn với tần số từ 200Hz † 400Hz thì sai số đo là 0,2 % và hơn nữa. Sơ đồ mạch đo công suất trên tải RL sử dụng cơ cấu đo điện động nhƣ 0. Trong đó ở mạch nối tiếp cuộn tĩnh a đƣợc nối tiếp với phụ tải RL. ở mạch song song cuộn động b đƣợc nối tiếp với điện trở phụ Rp. Cuộn tĩnh và cuộn động đƣợc nối với nhau ở hai đầu có đánh dấu *. 232
Chương 7 – Đo công suất Phƣơng trình đặc tính tổng quát của cơ cấu điện động: Kq 1 i1i2dt D T 0 Trong đó: u(t) i1 ia iL ( và i2 ib Rp T K q 1 u(t) K q => iL (t). dt .PL S P .PL D T 0 R p D.R p Nhƣ vậy có thể khắc độ thang đo theo công suất tác dụng trên tải. – Đo công suất bằng Oát met điện động 7.2.2. Phƣơng pháp điện Đo công suất theo phƣơng pháp điện thì phép nhân đƣợc thực hiện bởi mạch nhân điện tử tƣơng tự và số. Tín hiệu ra của chúng là hàm của công suất cần đo. Các phƣơng pháp đo công suất bằng phƣơng pháp điện phổ biến gồm: - Phƣơng pháp sử dụng mạch nhân tƣơng tự - Phƣơng pháp dùng chuyển đổi Hall -Phƣơng pháp điều chế tín hiệu a. Phương pháp sử dụng mạch nhân tương tự 233
Chương 7 – Đo công suất Nhƣ đã trình bày ở trên, nếu muốn đo công suất tác dụng trên tải trong trƣờng hợp dòng điện là điều hòa P=URMSIRMScos . Việc đo công suất trên tải có thể thực hiện trực tiếp phép nhân điện áp và dòng điện trên tải bằng một thiết bị nhân. Một thiết bị mạch nhân có nhiều ƣu điểm và đƣợc phổ biến dùng là thiết bị nhân đƣợc xây dựng từ mạch tính toán số học đơn giản. Oát met theo phƣơng pháp này có sơ đồ khối nhƣ 0. (x +x )2 1 2 4x x x1 Bộ x1+x2 Bộ bình Bộ 1 2 Đồng hồ tổng phương tổng từ điện x2 2 -(x1-x2) x 1 2 Bộ đảo Bộ x1-x2 Bộ bình (x1-x2) Bộ đảo cực tổng phương cực x2 -x2 – Sơ đồ khối Oát mét sử dụng mạch nhân tương tự Nguyên lý của mạch nhân đƣợc xây dựng dựa vào thuật toán sau: 1 x x x x 2 x x 2 1 2 4 1 2 1 2 Nếu ở đầu vào mạch điện mà có: x1 Um sin t; và x2 Im sin t , tức là các thành phần điện áp và dòng điện trên tải, thì ở đầu ra sẽ có điện áp: 4x1x2 4UmIm sin tsin t Biến đổi lƣợng giác tích số trên, ta có: 4x1x2 2UmIm cos 2UmIm cos 2 t 1 1 => x x U I cos U I cos 2 t 1 2 2 m m 2 m m 1 x x U I cos U I cos 2 t 1 2 RMS RMS 2 m m 234
Chương 7 – Đo công suất Ở đây, điện áp đƣợc đo bằng đồng hồ từ điện, song song với đồng hồ có đƣợc mắc tụ điện, nên trị số chỉ thị của kim đồng hồ là chỉ tƣơng ứng với thành phần một chiều chính là công suất tác dụng cần đo trên tải. Để có đƣợc phần tử có đặc tuyến bậc hai thì có thể dùng nhiều cách nhƣ các phần tử tách sóng hiệu dụng. Ví dụ nhƣ phần đầu của đặc tuyến dòng điện-điện áp của đi-ốt hoặc của tranzito. Nhƣợc điểm của các oát-mét dùng phƣơng pháp nhân bằng đặc tuyến bậc hai là yêu cầu đèn phải có đặc tuyến đồng nhất. Vì vậy nó thƣờng có sai số khi đèn có biến đổi đặc tuyến, nhƣ khi đèn bị già đi, khi đèn bị thay thế hay khi có sự thay đổi điện áp cung cấp. Để nâng cao độ chính xác thì điện áp cung cấp cho mạch phải ổn định; nên thƣờng hay thực hiện hồi tiếp dòng điện. Sai số của các loại oát-mét này thƣờng vào khoảng 5 10%. b. Phương pháp đo công suất bằng hiệu ứng “Hall” Đo công suất bằng phƣơng pháp hiệu ứng “Hall” là dùng oát- mét cấu tạo bằng bộ biến đổi Hall. Bộ biến đổi Hall là bộ biến đổi dùng hiệu ứng Hall, đó là thiết bị có thể thực hiện đƣợc phép nhân hai đại lƣợng. Kết quả biến đổi đƣợc cho dƣới dạng điện áp, và là một trị số tỷ lệ với tích số của hai đại lƣợng đƣa vào bộ biến đổi. – Sơ đồ nguyên lý Oát met dùng biến đổi Hall 235
Chương 7 – Đo công suất Hiệu ứng Hall thực hiện bằng vật liệu bán dẫn thì cho dòng linh động lớn. Vì vậy các bộ biến đổi Hall thƣờng đƣợc cấu tạo bằng các chất bán dẫn (Ge, Si, Se ). Nguyên lý Oát met dùng biến đổi Hall nhƣ 0. Cấu tạo của bộ biến đổi Hall gồm một bản mỏng bằng chất bán dẫn đơn tinh thể, có hai cặp điện cực: cặp dòng điện T-T đƣợc mắc vào nguồn điện một chiều hoặc xoay chiều. Cặp điện áp X–X. Khi đặt vuông góc với bề mặt chuyển đổi một từ trƣờng thì xuất hiện ở hai đầu X-X một thế điện động gọi là thế điện động Hall đƣợc tính nhƣ sau: ex k x B.ix Trong đó: + kx: là hệ số mà giá trị của nó phụ thuộc vào vật liệu, kích thƣớc và hình dáng của chuyển đổi, ngoài ra còn phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trƣờng xung quanh và giá trị của từ trƣờng. + B: là độ từ cảm của từ trƣờng. Thực hiện một Oát met bằng chuyển đổi Hall bằng cách đặt chuyển đổi vào khe hở của một nam châm điện. Dòng điện đi qua cuộn hút L của nó chính là dòng điện đi qua phụ tải ZL.Còn ở hai cực T-T có dòng điện tỉ lệ với điện áp đặt lên phụ tải ZL. Điện trở phụ R để hạn chế dòng. Hƣớng của từ trƣờng đƣợc minh họa bởi L đƣờng chấm chấm nhƣ trong hình vẽ. Nam châm điện đƣợc cấu tạo sao cho quan hệ giữa dòng điện iL và B là tuyến tính: B ki .iL ku u L Thế điện động Hall lúc đó sẽ đƣợc tính: ex k x ku .u L .ix k.P Nhƣ vậy e đƣợc đo bằng milivônmet và tỉ lệ với công suất x cần đo. 236
Chương 7 – Đo công suất Đặc điểm của Oát met sử dụng chuyển đổi Hall: cho phép đo công suất xoay chiều với tần số đến hàng trăm MHz. Ƣu điểm: không có quán tính, có cấu tạo đơn giản, bền, tin cậy. Nhƣợc điểm: có sai số do nhiệt độ lớn. c. Đo công suất bằng phương pháp điều chế tín hiệu (a) – Sơ đồ khối (b) – Giản đồ thời gian – Oát met theo phương pháp điều chế độ rộng xung với điều chế biên dộ xung Phƣơng pháp điều chế tín hiệu dựa trên việc nhân các tín hiệu u (tỉ lệ với điện áp trên tải cần đo) và u (tỉ lệ với dòng điện trên tải u i cần đo) trên cơ sở điều chế hai lần tín hiệu xung. Các tín hiệu tƣơng tự u và u đƣợc biến đổi thành tần số, chu kì, biên độ, độ u i rộng của tín hiệu xung sau đó lấy tích phân. Thông dụng nhất là kết hợp giữa các loại điều chế sau đây: + Điều chế độ rộng xung với điều chế biên độ xung: (ĐRX- BĐX). + Điều chế độ rộng xung với tần số xung : (ĐRX-TSX). + Điều chế tần số xung và biên độ xung: TSX-BĐX. 237
Chương 7 – Đo công suất Xét Oát met trên phƣơng pháp ĐRX–BĐX: có sơ đồ cấu trúc nhƣ 0-a và nguyên lý nhƣ 0-b. Tín hiệu vào ui đƣợc điều chế thành độ rộng t của xung (ĐRX) đƣợc phát ra từ máy phát tần số chuẩn f0=1/T0. Ở đầu ra của điều chế ĐRX có các xung với độ rộng ti = k.ui, tín hiệu này sẽ đƣợc đặt vào bộ điều chế biên độ xung BĐX và đƣợc điều chế biên độ bằng tín hiệu uu(t). Khi T0 → 0 thì diện tích của mỗi xung ở đầu ra của bộ điều chế biên độ tỉ lệ với công suất tức thời: S(t) = uuti = k.uuui Nhƣ vậy điện áp ra của bộ tích phân (TP) sẽ có giá trị tỉ lệ với công suất trung bình P. Sai số của các Oát met sử dụng các cặp điều chế là ở chỗ độ dài của chu kỳ điều chế bị hạn chế. Điều này làm cho dải tần bị hạn chế. Ví dụ: với T0 = 5μs và tần số của các tín hiệu vào là 10kHz thì sai số của Oát met điều chế ĐRX–BĐX cỡ khoảng 0,1%. Ở Nhật Bản phƣơng pháp điều chế đã đƣợc sử dụng để chế tạo chuẩn đơn vị công suất điện trong khoảng tần số từ 40Hz đến 1000Hz có độ chính xác cao, với sai số hệ thống từ 0,01†0,2%. 7.2.3. Phƣơng pháp so sánh Đo công suất của một nguồn điện ở cao tần, có thể bằng cách so sánh nó với nguồn công suất dòng điện một chiều hay nguồn dòng điện có tần số thấp. Ta đã biết phƣơng pháp đo công suất dòng điện một chiều hay dòng điện tần số công nghiệp (50Hz-60Hz); các phƣơng pháp đo này thƣờng dễ thực hiện và có độ chính xác cao. Ví dụ nhƣ đo công suất bằng oát-mét điện động thì sai số có thể đạt tới (0,1%- 0,2%). 238
Chương 7 – Đo công suất Phép đo so sánh nguồn công suất có thể đƣợc thực hiện bằng nhiều cách. Một trong các cách này đƣợc dùng thông dụng là so sánh cƣờng độ sáng của hai đèn. Trong hai đèn này, một đèn đƣợc nối với nguồn công suất cần đo, đèn thứ hai đƣợc nối với một nguồn công suất một chiều hay tần số thấp. Khi độ sáng của hai đèn bằng nhau, điều này có thể xác định đƣợc nhờ một thiết bị đo ánh sáng (quang độ-mét), hay bằng tế bào quang điện. Khi đã xác định đƣợc nguồn có công suất dòng điện một chiều, có thể biết đƣợc công suất của nguồn công suất cao tần cần đo. 7.3. ĐO CÔNG SUẤT Ở DẢI SIÊU CAO TẦN Trong đo công suất, ở siêu cao tần, thƣờng có hai nhiệm vụ phải giải quyết: 1. Đo công suất trên tải có phối hợp trở kháng, hay đo công suất cực đại đƣợc hấp thụ, của năng lƣợng từ một nguồn có công suất cần đo. Trong phép đo này, tải đƣợc xác định, có trị số bằng trở kháng đặc tính của đƣờng dây và tải là thuần điện trở. Sơ đồ khối của phép đo này nhƣ 0. Khi đo, Oát-mét đƣợc mắc với nguồn công suất cao tần cần đo thông qua dây truyền tải. Nhƣ vậy công suất hấp thụ trên điện trở tải của oát-mét phụ thuộc vào sự phối hợp của nguồn công suất cần đo không những chỉ phụ thuộc vào cấp chính xác của oát-mét mà còn phụ thuộc cả vào mức độ phối hợp của đƣờng dây với nguồn và với tải. 239
Chương 7 – Đo công suất Nguồn công P Tải hấp suất cần đo thụ Oát mét Biến đổi năng Xử lý và lƣợng chỉ thị Sensor Meter – Đo công suất hấp thụ Nguồn Bộ phận Tải công suất ghép thực cần đo P Tải hấp thụ Oát mét Biến đổi năng Xử lý và lƣợng chỉ thị Sensor Meter – Đo công suất truyền thông 2. Đo công suất đƣợc hấp thụ trên tải bất kỳ hay đo công suất truyền thông. Trong phép đo này, công suất đo đƣợc là một phần của nguồn công suất cần đo. Ví dụ cần đo công suất bức xạ trên anten từ nguồn công suất phát ra của một máy phát; hay công suất đƣa tới tầng công suất cuối của tầng trƣớc cuối của một máy phát Sơ đồ khối của phép đo này nhƣ 0. Đo công suất trong dải siêu cao tần thƣờng đƣợc thực hiện theo nguyên lý hấp thụ. Oát met theo nguyên lý này về cơ bản gồm 2 thành phần đó là: + Cảm biến công suất (Power Sensor): Hấp thụ toàn bộ hay một phần tỉ lệ công suất cần đo và biến đổi năng lƣợng đó thành 240
Chương 7 – Đo công suất tín hiệu một chiều hoặc tần thấp tỉ lệ với công suất đã hấp thụ. Có thể coi thiết bị này gồm 2 thành phần chính đó là tải hấp thụ và thiết bị biển đổi năng lƣợng. + Thiết bị xử lý và chỉ thị (Power Meter): Bao gồm mạch khuếch đại, mạch xử lý cho phép đánh giá công suất đo đƣợc và hiển thị kết quả. Thiết bị này có thể sử dụng chung cho nhiều loại cảm biến công suất ở các dải tần và dải trình đo khác nhau. Thiết bị này có thể chỉ đơn giản là các máy đo tƣơng tự điều chỉnh bằng tay, nhƣng hiện nay nó là máy đo số nhiều kênh sử dụng vi xử lý. – Hình ảnh của Oát met ở dải siêu cao tần Tùy theo phƣơng pháp đo mà ngƣời ta có các biện pháp biến đổi năng lƣợng thích hợp và trực tiếp hay gián tiếp chỉ thị. Đó cũng chính là cơ sở cấu tạo của các loại oát-mét. Hiện nay trong dải siêu cao tần có 3 loại cảm biến công suất trung bình đƣợc sử dụng phổ biến đó là: Điện trở nhiệt (Thermistor), Cặp nhiệt điện (Thermocouple), và Bộ tách sóng bằng điốt (Diode Detector). Mỗi loại cảm biến sử dụng các khác nhau để biến đổi công suất sóng RF và siêu cao tần thành tín hiệu một chiều hay tần thấp. 7.3.1. Oát met sử dụng cảm biến điện trở nhiệt a/ Cấu tạo của điện trở nhiệt: 241
Chương 7 – Đo công suất Cấu tạo của Bôlômét: là 1 sợi dây điện trở rất mảnh làm bằng bạch kim hay vônfram, đƣợc đặt trong bình thuỷ tinh. Trong bình có chứa khí trơ hay có độ chân không cao để giảm sự truyền nhiệt ra môi trƣờng và tăng tốc độ đốt nóng dây điện trở. Chiều dài của sợi dây điện trở phải thoả mãn đk: min 1, để sự phân 8 bố dẫn điện trên sợi dây đƣợc đồng đều, ở đây min là độ dài cực tiểu của bƣớc sóng điện từ của nguồn công suất cần đo. + Quan hệ giữa điện trở của Bôlômét và công suất cần đo b Rb=R0 + a.P R0 :điện trở của Bôlômét khi P = 0; a,b : hệ số tỉ lệ, phụ thuộc kích thƣớc, vật liệu của bôlômét + Dải điện trở của bôlômét: hàng chục đến vài trăm ôm với độ nhạy (3 12) /mW - Quan hệ giữa điện trở của Bôlômét và công suất cần đo Cấu tạo của Tesmitor: là điện trở cân bằng bán dẫn có hệ số nhiệt âm . 242
Chương 7 – Đo công suất Hai dây bạch kim hoặc iridian có đƣờng kính (20-> 30) c nối với nhau tại hạt cầu làm bằng bán dẫn, tất cả đƣợc đặt trong bình thuỷ tinh. Điện trở của Tesmitor khoảng (100-> 3000) . + Quan hệ giữa điện trở của Bôlômét và công suất cần đo (hình 7.9) * So sánh giữa bôlômét và tesmitor: + Bôlômét có ƣu điểm là dễ chế tạo, đặc tính ít phụ thuộc nhiệt độ môi trƣờng; nhƣợc điểm: dễ bị quá tải, kích thƣớc lớn nên hạn chế sử dụng ở đoạn sóng cm, Zvào nhỏ nên khó thực hiện phối hợp trở kháng với đƣờng truyền. + Tesmitor có ƣu điểm là độ nhạy cao, ít bị quá tải, trị số R lớn, trị số L,C bản thân nhỏ, kích thƣớc nhỏ, độ bền cao; nhƣợc điểm: khó chế tạo, đặc tính phụ thuộc t0 môi trƣờng. b/ Sơ đồ Oátmét dùng điện trở nhiệt xây dựng trên mạch cầu đơn không cân bằng và hoạt động của nó: R1 Rt A 243 R3 R2 Rđc Nguồn
Chương 7 – Đo công suất Sơ đồ Oátmét đƣợc nuôi bằng nguồn điện áp 1 chiều với chiết áp Rđc dùng để điều chỉnh dòng qua các nhánh cầu, với MicroAmpemet chỉ dòng mất cân bằng trong nhánh chỉ thị. Ở 1 nhánh cầu ta mắc điện trở nhiệt, Trƣớc khi do cần thay đổi điện trở Tesmitor bằng nhiệt năng của dòng điện qua chuyển đổi (Đ/chỉnh chiết áp Rđc) để cầu cân bằng. Lúc này MicroAmpemet chỉ "0". Khi có nguồn công suất cao tần tác động lên Rt làm cho nó giảm R, dẫn tới mất cân bằng cầu. Lúc này xuất hiện dòng điện qua MicroAmpemet với thang đo khắc độ trực tiếp qua công suất. Sai số của Oátmét loại này khoảng 10% phụ thuộc chủ yếu vào sự thay đổi nhiệt độ môi trƣờng, sự không phối hợp trở kháng của Oátmét với đƣờng truyền và sai số của thiết bị chỉ thị. c/ Sơ đồ và hoạt động của oát mét xây dựng trên mạch cầu đơn cân bằng. Px R1 Rt A R3 R2 m Rđc A Nguồn I0 điện áp 1 chiều 244
Chương 7 – Đo công suất Trong sơ đồ, A chỉ thị cân bằng cầu, mA cho biết trị số của công suất. Rt mắc vào 1 nhánh cầu ta lựa chọn R1=R2= R3=Rt Px=0=R. Khi chƣa có nguồn c/suất t/đ lên Rt, tƣơng tự nhƣ TH trên ta điều chỉnh dđ trong mạch để thay đổi Rt và thiết lập cân bằng cầu. Ở thời điểm cầu cân bằng, A chỉ "0", còn mA chỉ dòng điện I0 khi có nguồn C/S t/đ lên Rt làm cho Rt , cầu mất cân bằng. Để cầu cân bằng ta phải tăng đ.trở = cách giảm dòng điện trong mạch. ở thời điểm cân bằng mA chỉ I0. Qua hai bƣớc đ/chỉnh cân bằng cầu, điện trở của Tesmitor không đổi nên công suất tiêu thụ trên Tesmitor trong 2 bƣớc nhƣ nhau do đó: I 2 R (I ' )2 R P 0 t 0 t P t 4 4 x Từ đây ta xđ đƣợc công suất cao tần Px thông qua 2 trị số dòng điện: R 2 P t (I 2 I ' ) x 4 0 0 Ƣu điểm cơ bản của mạch cầu cân bằng đã xét đảm bảo đƣợc sự phối hợp trở kháng vì điện trở Tesmitor Rt không thay đổi dƣới tác động của công suất Px ở các thời điểm cân bằng cầu. Tuy nhiên thang đo của mA không khắc độ trực tiếp theo công suất vì dòng I0 luôn thay đổi theo nhiệt độ môi trƣờng khi Px=0. d. Oát mét số dùng điện trở nhiệt 245
Chương 7 – Đo công suất 246
Chương 8 – Phân tích tín hiệu CHƢƠNG 8 – PHÂN TÍCH PHỔ TÍN HIỆU 8.1. GIỚI THIỆU CHUNG PHÂN TÍCH TÍN HIỆU 8.1.1 Giới thiệu chung về máy phân tích tín hiệu Các máy phân tích tín hiệu (Signal Analyzers) là những máy đo cho phép xác định đặc tính tần số, thời gian, biên độ (điện áp hoặc công suất), hay đặc tính logic của tín hiệu. Nhƣ vậy Ô-xi-lô, máy phân tích logic cũng là máy phân tích tín hiệu. Tuy nhiên trong chƣơng này chỉ tập trung vào trình bày máy phân tích tín hiệu trong miền tần số bao gồm máy phân tích phổ (Spectrum Analyzer), máy phân tích dạng sóng (Wave Analyzer), và máy phân tích méo dạng (Distortion Analyzer). - Máy phân tích phổ là thiết bị đo biểu diễn đồ thị phổ của tín hiệu (đồ thị biên độ theo tần số) của tín hiệu trên màn hình. - Máy phân tích dạng sóng bản chất là Vôn mét chọn lọc tần số với dải thông hẹp đƣợc điều chỉnh đƣợc cho phép chọn lọc theo một thành phần tần số của tín hiệu trong khi loại bỏ các thành phần tần số còn lại. - Máy phân tích méo dạng, ngƣợc với máy phân tích dạng sóng, cho phép xác định năng lƣợng trong khoảng tần số ngoài dải tần xác định của tín hiệu. 247
Chương 8 – Phân tích tín hiệu Trong chƣơng này chủ yếu trình bày về phƣơng pháp xây dựng máy phân tích phổ cũng nhƣ ứng dụng đo lƣờng của nó. 8.1.2. Đồ thị phổ của tín hiệu Từ hơn một trăm năm trƣớc Baron Jean Baptiste Fourier đã chỉ ra rằng bất kỳ dạng tín hiệu này tồn tại trong thế giới thực có thể đƣợc tạo ra bằng cách cộng những dạng sóng hình sin. Hay về biểu diễn toán học biếu đổi Fourier là minh chứng của vấn đề này. Ví dụ dƣới dây minh họa dạng sóng đƣợc tổ hợp từ 2 sóng sin . – Cộng hai tín hiệu hình sin Nhƣ vậy chúng ta có thể biểu diễn bất kỳ dạng tín hiệu trong thế giới thực nào bằng một tổ hợp duy nhất của các dạng tín hiệu hình sin. Đồ thị biểu diễn biên độ của các tín hiệu hình sin đó theo tần số chính là phổ biên độ của tín hiệu hay gọi tắt là phổ của tín hiệu. Hình 1.7 biểu diễn mối quan hệ giữa biểu diễn tín hiệu trong miền thời gian và miền tần số. Trong đó hình (a) là đồ thị 3 chiều của biên độ, thời gian, tần số biểu diễn riêng biệt các tín hiệu hình sin theo thời gian ở các tần số khác nhau, hình (b) là dạng tín hiệu đƣợc tổ hợp từ các dạng tín hiệu hình sin đó, hình (c) biểu diễn biên độ của các tín hiệu hình sin tổ hợp nên tín hiệu theo tần số - hay đây chính là đồ thị phổ của tín hiệu, mỗi đƣờng biểu diễn tín hiệu hình sin trên đó đƣợc gọi là một thành phần tần số của tín hiệu tổng. 248
Chương 8 – Phân tích tín hiệu Hình 1.7 – Mối quan hệ giữa biều diễn tín hiệu ở miền thời gian và miền tần số – Phổ của một số dạng tín hiệu 0 là ví dụ đồ thị thời gian và đồ thị phổ của một số loại tín hiệu phổ biến. Trong nhiều trƣờng hợp biên độ của tín hiệu quá nhỏ, khó biểu diễn và quan sát trên đồ thị biểu diễn tuyến tính, trong trƣờng hợp này đồ thị phổ có thể đƣợc chuyển sang biểu diễn theo thang 249
Chương 8 – Phân tích tín hiệu logarit (thang dB) nhƣ minh họa trong 0, công thức chuyển đổi nhƣ sau: dB=10 lg(P[W]) = 20 lg (U[V]) – Biểu diễn đồ thị phổ theo thang tuyến tính và thang logarit (thang dB) 8.2. MÁY PHÂN TÍCH PHỔ 8.2.1. Ứng dụng đo lƣờng của máy phân tích phổ - Máy phân tích phổ cho phép quan sát toàn cảnh phổ biên độ của tín hiệu, quan sát đồ thị phổ theo quan hệ bình phƣơng của biên độ đối với tần số (phổ công suất) rất hiệu quả trong việc nghiên cứu các tín hiệu tạp âm. - Máy phân tích phổ còn cho phép đo lƣờng các đặc tính và tham số của tính hiệu nhƣ: + Đánh giá biên độ, tần số của các thành phần tần số của tín hiệu + Đánh giá độ rộng phổ tín hiệu, sự phân bố năng lƣợng của tín hiệu theo tần số. + Đánh giá đƣợc các thành phần nhiễu, hệ số S/N, độ méo dạng của tín hiệu, + Đánh giá đƣợc các đặc tính tần số của tín hiệu điều chế: hệ số điều chế, chất lƣợng điều chế, EVM, Độ không cân bằng IQ, 250
Chương 8 – Phân tích tín hiệu + Sử dụng nhƣ thiết bị chỉ thị, ví dụ nhƣ chỉ thị độ chọn lọc tần số, chỉ thị độ suy giảm, chỉ thị độ di tần của tín hiệu điều chế. 8.2.2. Các nguyên lý máy phân tích phổ Có một số nguyên lý khác nhau để xây dựng Máy phân tích phổ. Nguyên lý 1: Dựa vào phép biến đổi Fourier, tín hiệu liên tục đƣợc số hóa và sử dụng kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) để thực hiện biến đổi Fourier nhanh FFT và hiển thị tín hiệu trong miền tần số. – Sơ đồ nguyên lý máy phân tích phổ dùng biến đổi Fourier Ƣu điểm của nguyên lý là khả năng của nó để mô tả hiện tƣợng đơn lẻ, Có thể đánh giá đƣợc cả pha và biên độ của các thành phần tần số. Tuy nhiên, phân tích phổ dùng biến đổi Fourier có một số hạn chế về dải tần số, độ nhạy, và dải trình, và thƣờng đƣợc chỉ sử dụng trong các ứng dụng phân tích phổ tín hiệu ở băng gốc giới hạn tới 40 MHz. Nguyên lý 2: Kiểu phân tích tín hiệu vector (Vector Signal Analyzer - VSA), dựa vào nguyên lý 1 nhƣng mở rộng cho phép phân tích tín hiệu tần số vô tuyến RF. Sử dụng kỹ thuật đổi tần để đƣa dải tần tín hiệu xuống dải tần thấp và thực hiện số hóa rồi và sử dụng FFT. Máy phân tích phổ kiểu VSA này có dải tần tời 6GHz. Ƣu điểm của máy phân tích phổ theo nguyên lý VSA là nhanh, độ phân giải cao, và đặc biệt hữu ích cho phân tích đặc tính 251
Chương 8 – Phân tích tín hiệu của các dạng tín hiệu phức tạp nhƣ tín hiệu điều chế sử dụng trong các ứng dụng truyền thông, quảng bá, video, siêu âm, Nguyên lý 3: Phân tích phổ dựa vào tính chất chọn lọc tần số của các mạch cộng hƣởng. Nhƣ ta đã biết, các mạch cộng hƣởng có dải thông tần hẹp (có hệ số phẩm chế khá cao), thì biên độ của dao động cƣỡng bức sẽ cực đại nếu nhƣ tần số tác động trùng với tần số cộng hƣởng của mạch và biên độ đó có trị số rất nhỏ khi có lệch cộng hƣởng. Nhƣ vậy, mạch cộng hƣởng ở đây có tác dụng nhƣ một bộ lọc, bộ lọc này có khả năng tách riêng đƣợc các thành phần tần số khác nhau của tín hiệu trùng với tần số cộng hƣởng của mạch và vẽ lại biên độ của các thành phần tần số đó trên màn hình tạo thành đồ thị phổ của tín hiệu. Nguyên lý này cho phép xây dựng các máy phân tích phổ có dải tần làm việc rất cao, hiên nay lên tới hàng chục GHz. Trong bài giảng này chỉ trình bày máy phân tích phổ đƣợc xây dựng theo nguyên lý này. Máy phân tích phổ theo nguyên lý này có thể đƣợc xây dựng theo kiểu song song hoặc nối tiếp. 8.2.3. Máy phân tích phổ song song a. Nguyên lý chung Theo nguyên lý phân tích phổ song song sử dụng các bộ lọc cộng hƣởng nhƣ 0. Giả sử có một hệ thống bộ lọc dải hẹp đƣợc sắp xếp liên tiếp kề sát nhau theo thang tần số trong dải tần từ fmin fmax. Mỗi đƣờng cong cộng hƣởng của bộ lọc đƣợc biểu thị đơn giản bằng một hình CN, dải thông tần của bộ lọc là f (0-a). Trong dải tần của máy phân tích phổ có n bộ lọc. f f n max min f 252
Chương 8 – Phân tích tín hiệu Nếu tín hiệu đƣợc phân tích có phổ nằm trong dải tần số công tác của bộ lọc trên (0-b) thì khi có tín hiệu vào, mỗi bộ lọc sẽ đƣợc tác động đối với riêng từng thành phần phổ mà tần số của thành phần phổ này tƣơng ứng với tần số của bản thân bộ lọc. – Nguyên lý máy phân tích phổ song song Điện áp ở đầu ra của mỗi bộ lọc sẽ tỷ lệ với biên độ của thành phần phổ tƣơng ứng. Các điện áp này đƣợc đo bởi các Vôn mét (0- c). Từ trị số chỉ thị của các vôn mét và tần số cộng hƣởng của mỗi bộ lọc có thể vẽ lại đồ thị phổ của tín hiệu điện áp nghiên cứu. Máy phân tích phổ theo nguyên lý này có tốc độ cao, độ phân giải thấp, giá thành tăng cao do cần một số lƣợng rất lớn bộ lọc nếu dải tần tín hiệu phân tích lớn, nên nó không thích hợp cho máy phân tích phổ ở tần số cao và siêu cao tần. 8.2.4. Máy phân tích phổ nối tiếp a. Nguyên lý chung (a) (b) 253
Chương 8 – Phân tích tín hiệu – Sơ đồ nguyên lý máy phân tích phổ nối tiếp Nguyên lý phân tích phổ nối tiếp (hay còn gọi là phân tích phổ kiểu quét) chỉ sử dụng một bộ lọc cộng hƣởng duy nhất và thay đổi tần số cộng hƣởng của nó liên tục trong dải tần làm việc cần quan tâm để lần lƣợt tách đƣợc từng thành phần tần số của tín hiệu vào và hiển thị trên màn hình (ví dụ sử dụng CRT). 0 mô tả sơ đồ nguyên lý của máy phân tích phổ nối tiếp, biểu diễn biên độ tín hiệu ra của bộ lọc theo tần số cộng hƣởng của nó sẽ nhận đƣợc phổ của tín hiệu vào. Nguyên lý này đƣợc sử dụng phổ biến cho máy phân tích phổ tần số RF và siêu cao tần. Máy phân tích phổ theo nguyên lý này có độ phân giải cao, giá thành thấp nhƣng thời gian đo lớn (đặc biệt là ở máy có độ phân giải cao) do thời gian đáp ứng của bộ lọc lớn, tốc độ quét không đƣợc quá nhanh. Nhƣ vậy nguyên lý này chỉ thích hợp cho phân tích tín hiệu có phổ không thay đổi theo thời gian một chu kỳ quét, nhƣng không thích hợp phân tích tín hiệu có thời gian tồn tại ngắn hoặc có phổ thay đổi theo thời gian. b. Máy phân tích phổ nối tiếp dùng màn hiển thị CRT Trong thực tế thƣờng sử dụng bộ lọc cộng hƣởng có tần số cộng hƣởng cố định và sử dụng nguyên lý đổi tần để dịch chuyển phổ của tín hiệu vào lần lƣợt đi qua dải thông của bộ lọc, do đó từng thành phần tần số cũng sẽ đƣợc tách ra và đƣợc hiển thị trên màn hình. Trong trƣờng hợp này tín hiệu vào thƣờng đƣợc trộn tần với tín hiệu quét tần số. Sơ đồ rút gọn của máy phân tích phổ nối tiếp theo nguyên lý nay và sử dụng màn hiển thị CRT nhƣ 0. Có thể coi cấu tạo của máy phân tích phổ này gồm 2 phần: Mạch chọn lọc tần số và Điều khiển hiển thị sử dụng ống tia điện tử CRT (giống nhƣ một ô-xi-lô). 254
Chương 8 – Phân tích tín hiệu Mạch chọn lọc tần số: có nhiệm vụ lần lƣợt tách từng biên độ thành phần tần số của tín hiệu vào Uth và đƣa tới kênh lệch đứng Y của khối điều khiển hiển thị, phần này bao gồm các khối sau: - Khối mạch vào và phân áp: Nhận tín hiệu cần phân tích phổ vào, thực hiện các phép tiền xử lý nhƣ phối hợp trở kháng, phân áp, tiền khuếch đại, - Khối tạo điện áp quét: tạo ra điện áp quét răng cƣa tuyến tính liên tục có chu kỳ Tq vừa đƣợc đƣa tới Khuếch đại X đối xứng của khối điều khiển hiển thị CRT vừa đƣa tới khối tạo tín hiệu điều tần FM. - Khối tạo tín hiệu điều tần FM: thực hiện điều tần tín hiệu cao tần tự bộ tạo sóng chuẩn f0 theo điện áp quét răng cƣa tuyến tính Uq tạo ra tín hiệu điều tần uFM có dạng quét tần số: fq=f0+Kf.Uq=(fmin fmax), biên đổi không đổi. - Bộ lọc cộng hƣởng IF: Bộ lọc có chọn lọc tần số cao, cộng hƣởng tại tần số trung tần fIF, có dải thông hẹp ( f nhỏ), đáp ứng biên độ tần số này có dạng nhƣ 0-a. - Khối trộn tần: trộn tần tín hiệu vào có tần số fth và tín hiệu quét tần số uFM. tạo ra tần số phách, sao cho tần số phách bậc nhất fp=fq-fth lần lƣợt đi qua dải thông của bộ lọc cộng hƣởng. - Mạch tách sóng đỉnh: Mạch tách sóng đỉnh tín hiệu ra của bộ lọc cộng hƣởng, dạng đƣờng bao biên độ Uy đƣợc đƣa tới khối khuếch đại Y đối xứng để tạo ra điện áp điều khiển cặp lái đứng Y1Y2 của CRT. Hình ảnh dao động đồ có dạng nhƣ điện áp này. 255
Chương 8 – Phân tích tín hiệu Trộn tần Mạch Bộ lọc Mạch Uth (fth) (fp) (fIF) Uy Y1 vào và cộng tách sóng phân áp hƣởng IF đỉnh Y2 (fq) uFM 1 Tạo tín Uq Uq (f0) Tạo điện X1 hiệu điều áp quét tần FM X2 Mạch chọn lọc tần số – Sơ đồ khối rút gọn của máy phân tích phổ nối tiếp dùng CRT Uq t 0 fq Tq f fmax fq3 fIF U3 f3 fq2 fIF U2 f2 fq1 U fIF Đồ thị phổ của tín 1 f1 Uth fmin t hiệu trên màn hình 0 0 t1 t2 t3 Tq Đáp ứng tần số của bộ lọc U1 Uy U2 cộng hƣởng IF |KIF| U3 f Uq f t f1 f2 f3 fIF t1 t2 t3 (b) (c) (a) – Giản đồ thời gian minh họa hoạt động của máy phân tích phổ nối tiếp Giả sử phổ của tín hiệu vào Uth gồm có các thành phần tần số f1, f2, fn với biên độ tƣơng ứng là U1, U2, Un, ví dụ n=3, giản đồ thời gian minh họa hoạt động của máy phần tích phổ nối tiếp nhƣ 0. n u th (t) U i sin( i t i ) i 1 256
Chương 8 – Phân tích tín hiệu Nhƣ vậy tại đầu ra của khối trộn tần cũng gồm có n tần số phách bậc nhất: fpi=fq-fi có biên độ tỉ lệ với thành phần tần số fi. Trong 1 chu kỳ quét hiển thị Tq, giả sử tại các thời điểm ti có: fpi=fqi-fi=fIF, thì thành phần phách này sẽ chọn lọc bởi bộ lọc cộng hƣởng và đƣợc đƣa tới Mạch tách sóng đỉnh để tách đƣợc đƣờng bao biên độ của thành phần phách này và đƣợc vẽ trên màn hình CRT, dạng của đƣờng bao biên độ phụ thuộc vào đáp ứng biên độ - tần số của Bộ lọc cộng hƣởng và giá trị lớn nhất của đƣờng bao biên độ biên độ đó cũng tỉ lệ với biên độ của thành phần tần số fi của tín hiệu vào, nhƣ vậy có thể nói rằng thành phần tấn số fi đƣợc riêng và vẽ lên màn hình tại thời điểm ti. Nếu fq đƣợc điều chỉnh thích hợp thì trong thời gian Tq lần lƣợt từng thành phần tần số của tín hiệu sẽ đƣợc vẽ trên màn hình CRT, ví dụ nhƣ 0-c. + Đặc tính của máy phần tích phổ nối tiếp: - Để dạng đồ thị phổ trên màn hình trung thực thì đặc tuyến của mạch tạo tín hiệu điều tần uFM phải tuyến tính. - Dải thông của Bộ lọc cộng hƣởng f đƣợc lựa chọn tùy theo mục đích vẽ phổ: o Nếu khoảnh cách giữa các thành phần tần số của tín hiệu vào đủ lớn thì phải chọn f đủ nhỏ để trên đồ thị phổ phân biệt đƣợc 2 thành phần tần số lân cận. o Khi phân tích phổ của tín hiệu có băng tần rộng, các thành phần tần số gần nhau, thì nên chọn f đủ lớn để nhận đƣợc đƣờng bao biên độ của phổ này. 257
Chương 8 – Phân tích tín hiệu Uth Uth f f fmin fmax fmin fmax Up Up f f fpi fq-fmax fq fmin-fq fq fq-fmin |KIF| Phổ ảnh f f fIF – Hiện tƣợng phổ ảnh - Tốc độ biến đổi của Uq phải phù hợp với tốc độ đáp ứng của các khối tạo tín hiệu điều tần, khối trộn tần, bộ lọc cộng hƣởng, mạch tách sóng đỉnh - Các mạch vào, mạch khuếch đại, phân áp không đƣợc gây méo dạng tín hiệu vào, tránh làm phát sinh các tần số không mong muốn. - Tần số fq phải đƣợc lựa chọn thích hợp để tránh phổ ảnh làm sai lệch đồ thì phổ vẽ đƣợc trên màn hình, nhƣ minh họa trong 0: fqmax- fmin fIF và fqmin- fmax fIF - Các tham số của fq (fqmin, fqmax), fIF cần phải điều chỉnh phù hợp để máy có thể phân tích đƣợc toàn bộ dải phổ của tín hiệu (fmin fmax): fmin-fqmin <fIF b. Máy phân tích phổ nối tiếp dùng màn hiển thị đồ họa Về cơ bản sơ đồ khối máy phân tích phổ nối tiếp dùng màn hiển thị đồ họa tƣợng tự nhƣ sơ đồ khối của máy phân tích phổ nối 258
Chương 8 – Phân tích tín hiệu tiếp dùng màn hiển thị CRT, chỉ khác nhau ở phần xử lý và hiển thị hình ảnh phổ trên màn hình, tín hiệu phản ánh hình ảnh đồ thị phổ sau bộ tách sóng đỉnh đƣợc số hóa, đƣợc xử lý số, tính toán tạo ra hình ảnh biểu diễn phổ của tín hiệu và biễu diễn trên các màn hình đồ họa ví dụ nhƣ màn hình LCD. Ví dụ sơ đồ khối của một loại máy phân tích phổ nối tiếp sử dụng màn hiển thị đồ họa trong thực tế nhƣ 0. – Sơ đồ khối rút gọn máy phân tích phổ dùng màn hiển thị đồ họa 259
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện điện tử CHƢƠNG 9 - ĐO THAM SỐ CỦA MẠCH ĐIỆN TỬ Giới thiệu chung Đo và kiểm tra các phần tử và mạch điện có tham số tập trung Đo các phần tử của mạch điện có tham số phân bố Máy đo và kiểm tra linh kiện bán dẫn Máy phân tích mạng mạch điện (Network Analyzer) Máy đo theo phƣơng pháp phản xạ mét TDR Máy phân tích logic 9.0. GIỚI THIỆU CHUNG Tuỳ thuộc vào tính chất của các phần tử đƣợc sử dụng trong mạch điện có thể chia thành mạch tuyến tính và mạch phi tuyến. Bản chất của chúng khác nhau nên các thông số và đặc tính của chúng cũng khác nhau. Mạch tuyến tính tạo thành từ phần tử có giá trị không phụ thuộc vào dòng điện qua nó (có thể áp dụng nguyên lý xếp chồng). Đặc tuyến Vôn-ampe của phần tử, của mạch là đƣờng thẳng. Nguyên lý máy đo, phƣơng pháp đo dựa vào các tính chất trên. Các phần tử của mạch tuyến tính thƣờng là điện trở, tụ điện, điện cảm không có lõi sắt, đèn điện tử, đèn bán dẫn, các phần tử khuyếch đại khác làm việc ở đoạn đƣờng thẳng của đặc tuyến Vôn-ampe. 260
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện điện tử Tuỳ theo dải tần công tác của mạch mà cấu tạo các phần tử cũng khác nhau do đó mạch tuyến tính phân thành 2 loại: Mạch có các phần tử tập chung và mạch điện có phần tử phân bố. Mạch phi tuyến trong đó giá trị của các linh kiện của mạch phụ thuộc vào cƣờng độ dòng điện chảy qua nó, nên không dùng thông số của bản thân nó. Ví dụ điôt, transistor làm việc ở phần đặc tuyến không tuyến tính. 9.1. CÁC THAM SỐ VÀ ĐẶC TÍNH MẠCH ĐIỆN 9.1.1. Các tham số, đặc tính của mạch điện có các phần tử tập chung. Mạch có các phần tử tập chung dùng ở dải tần nhỏ hơn vài chục MHz. Giá trị của các phần tử tuyến tính không phụ thuộc vào dòng chảy qua nó, ngƣời ta lấy các giá trị này làm thông số đặc trƣng cho các phần tử của mạch. Các phần tử thụ động : điện trở R thuần tuý tiêu hao năng lƣợng, các phần tử điện cảm L và điện dung C có thể tích luỹ năng lƣợng. Tổ hợp của chúng tạo thành mạng 2 cực và mạng 4 cực tuyến tính. Bản thân mỗi phần tử R, L, C riêng biệt xem nhƣ là mạng 2 cực nên các thông số của mạng 2 cực là giá trị điện trở R, điện cảm L và điện dung C. Mạng 4 cực thƣờng bao gồm các phần tử R, L, C mắc nối tiếp, song song hay hỗn hợp 2 cách mắc đó. Tham số trở kháng Đặc trƣng của mạch, linh kiện là tham số trở kháng trở kháng tƣơng đƣơng toàn phần Z( ) – mô hình tƣơng đƣơng nối tiếp, và dẫn nạp tƣơng đƣơng toàn phần Y( ) – mô hình tƣơng đƣơng song song nhƣ minh họa trong 0. 261
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện điện tử G R X R R B Z=R+j.X Y=G+j.B (a) – Sơ đồ tƣơng đƣơng nối tiếp (b) – Sơ đồ tƣơng đƣơng song song 1 1 Y G Z R 1 B X – Sơ đồ tương đương của mạch, linh kiện điện tử + Trở kháng tƣơng đƣơng: Z=R+j.X Trong đó R, X là điện trở và điện kháng tƣơng đƣơng của mạch. + Dẫn nạp tƣơng đƣơng : Y=G+j.B Trong đó G, B là điện dẫn và điện nạp của mạch. Y=1/Z +j +j ng ng ng D U T á á D U T á |Z| |Y| m kh kh m m ả ả Z R jX Z C C 2 2 Dungkh Y G jB Y Z R X Điện dẫn Điện trở Y G2 B2 R Z cos Real Axis Real Axis Imaginary Axis Imaginary Axis Imaginary Axis X Z sin G Y cos Z: Trở kháng ng ng ng Y: Dẫn nạp (S, Siemen) á á á X B Y sin R: Điện trở argtg G: Điện dẫn R kh m X L 2 fL L ả C B: Điện nạp B Dungkh Dungkh -j argtg -j X 1/(2 fC) 1/( C) C G – Mặt phẳng đo lường trở kháng và dẫn nạp Đối với mạch cộng hƣởng (mạch dao động), các linh kiện tụ điện, cuộn cảm, loại mạch hay linh liện này có thêm các thông số khác là hệ số phẩm chất Q, hệ số tổn hao D, trở kháng đặc tính, tần số cộng hƣởng fch. 1 P 1 X X B B Q pk L C L C D Pth tg R R G G 262
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện điện tử Các thông số kể trên của mạch có phần tử tập chung đƣợc đo bằng các máy đo: Máy đo điện trở (Ôm mét), máy đo điện cảm điện dung, máy đo trở kháng toàn phần, máy đo hệ số phẩm chất Thực tế thƣờng sử dụng các thiết bị đo vạn năng đo đƣợc nhiều các tham số trên. Hai loại thiết bị vạn năng phổ biến thƣờng đƣợc sử dụng là máy đo RLC và máy phân tích trở kháng, chúng có thể đo các tham số sau: |Z|, θ, |Y|, R, X, G, B, Q hay D. Đặc tính của mạch điện tử + Đặc tính thời gian: đặc trƣng cho đáp ứng của mạch đối với những tác động đột biến ngƣời ta còn dùng đặc tính thời gian (đặc tính quá độ), đặc tính thời gian có thể quan sát trực tiếp trên màn hình ôxilô của máy đo đặc biệt hay máy đo đặc tính thời gian, từ đặc tính thời gian có thể xác định các thông số nhƣ: Hằng số thời gian, hệ số phẩm chất, và tần số cộng hƣởng + Đặc tính tần số: đặc trƣng cho phản ứng của mạch đối với những tác động điều hoà, đặc tính tần số bao gồm : - Đặc tính biên độ tần số A( )=|Ura|/|Uvào| (cho tần số biến đổi; - Đặc tính pha tần số- quan hệ giữa pha của tín hiệu ra so với tín hiệu vào khi tần số biến đổi ( )= ra/ vào. Để vẽ các đặc tính tần số này sử dụng bộ tạo dao động điều hoà mà tần số có thể biến đổi đƣợc trong dải rộng và dùng Vôn mét, pha mét đo biên độ điện áp vào và ra góc lệch pha của chúng, ghi lại kết quả và vẽ từng điểm sẽ đƣợc đặc tính tần số. Thiết bị đặc biệt có thể quan sát trực tiếp đặc tính biên độ tần số trên màn hình gọi là máy tự động vẽ đặc tuyến biên độ - tần số hay máy Vobulator. Đối với mạch phi tuyến giá trị của các linh kiện của mạch phụ thuộc vào cƣờng độ dòng điện chảy qua nó, nên không dùng 263