Nghiên cứu xây dựng hệ thống tự động kiểm tra đầu đo giám sát dòng và đầu ghép dòng tín hiệu sử dụng trong các phép thử nghiệm miễn nhiễm nhiễu dẫn và phát xạ nhiễu dẫn thuộc tiêu

Bài báo đã đề xuất được hệ thống có khả năng kiểm tra một cách tự động các đầu đo giám sát dòng và đầu ghép dòng tín hiệu với dải tần hoạt động từ 20 Hz đến 500 MHz. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu đã đưa ra được các công thức kinh nghiệm về mối quan hệ giữa tham số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi và tần số của đầu đo giám sát dòng tín hiệu và đầu ghép dòng tín hiệu nhiễu. Mời các bạn cùng tham khảo!

Trang 1

Nghiên cứu xây dựng hệ thống tự động kiểm

tra đầu đo giám sát dòng và đầu ghép dòng tín hiệu sử dụng trong các phép thử nghiệm miễn nhiễm nhiễu dẫn và phát xạ nhiễu dẫn thuộc

tiêu chuẩn MIL-STD 461 F/G

Nguyễn Tất Nam∗, Nguyễn Tuấn Đạt∗

Email: {namnguyentat}@gmail.com

Tóm tắt—Để đảm bảo tính pháp lý của các trang bị đo

lường trong quá trình sử dụng, giảm thiểu chi phí kiểm

định/hiệu chuẩn, tối thiểu hóa thời gian thực hiện và tình

hình thực tế tại các đơn vị đo lường trong Quân đội, tác

giả đưa ra giải pháp kiểm tra/kiểm định đầu đo giám sát

dòng tín hiệu EMI và đầu ghép dòng tín hiệu nhiễu sử

dụng trong các phép thử nghiệm miễn nhiễm nhiễu dẫn

và phát xạ nhiễu dẫn thuộc tiêu chuẩn MIL-STD 461 F/G.

Kết quả nghiên cứu của bài báo đã đề xuất được hệ thống

có khả năng kiểm tra một cách tự động các đầu đo giám

sát dòng và đầu ghép dòng tín hiệu với dải tần hoạt động

từ 20 Hz đến 500 MHz Ngoài ra, kết quả nghiên cứu đã

đưa ra được các công thức kinh nghiệm về mối quan hệ

giữa tham số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi và tần số

của đầu đo giám sát dòng tín hiệu và đầu ghép dòng tín

hiệu nhiễu Ngoài ra, bài báo còn đưa ra công thức kinh

nghiệm về mối quan hệ giữa tham số CF và tần số.

Từ khóa—Tương thích điện từ trường, tự động, vô

tuyến, Matlab.

I GIỚI THIỆU Tiêu chuẩn MIL-STD 461F/G đưa ra thủ tục và các

yêu cầu thử nghiệm đối với phát xạ nhiễu điện từ trường

(EMI: Electromagnetic Interference Emission) và đặc

tính miễn nhiễm của thiết bị điện tử và cơ điện tử được

sử dụng trong lĩnh vực quân sự [1], [2] Cụ thể, các tiêu

chuẩn này có 4 nhóm phép thử nghiệm tương thích điện

từ trong lĩnh vực quân sự: 03 Phép thử phát xạ nhiễu

dẫn (CE: Conducted Emission); 09 Phép thử miễn nhiễm

nhiễu dẫn (CS: Conducted Susceptibility) đối với

MIL-STD 461 F [2] và 10 phép thử miễn nhiễm nhiễu dẫn

đối với MIL-STD 461G [1]; 03 Phép thử phát xạ bức xạ

(RE: Radiated Emission); 03 phép thử miễn nhiễm bức

xạ (RS: Radiated Susceptibility) Trong khi đó, các đầu

Bảng I

C ÁC LOẠI ĐẦU GHÉP DÒNG TÍN HIỆU VÀ ĐẦU ĐO GIÁM SÁT DÒNG ĐƯỢC SỬ DỤNG TẠI P HÒNG THỬ NGHIỆM EMC/T RUNG TÂM G IÁM

ĐỊNH C HẤT LƯỢNG

I Đầu ghép dòng tín hiệu

1 Đầu ghép dòng tín hiệu 9144-1N Dải tần: (0.01÷100) MHz

2 Đầu ghép dòng tín hiệu F-120-9 Dải tần: (0.01÷220) MHz

3 Đầu ghép dòng tín hiệu 9142-1N Dải tần: (2÷500) MHz

II Đầu đo giám sát dòng

1 Đầu đo giám sát dòng F-52 Dải tần: (0.01÷500) MHz

2 Đầu đo giám sát dòng 9123-1N Dải tần: (0.01÷500) MHz

3 Đầu đo giám sát dòng 9215-1N Dải tần: 20 Hz đến 500 MHz

đo giám sát dòng và ghép tín hiệu được sử dụng phổ biến trong 01 phép thử nghiệm phát xạ nhiễu dẫn đường dây nguồn CE101; 04 phép thử miễn nhiễm nhiễu dẫn: miễn nhiễm nhiễu dẫn đối với dòng cấu trúc CS109; miễn nhiễm nhiễu dẫn trong trường hợp ghép nhiễu cao tần vào bó cáp CS114; miễn nhiễm nhiễu dẫn trong trường hợp ghép nhiễu xung kích thích vào bó cáp CS115; miễn nhiễm nhiễu dẫn trong trường hợp ghép nhiễu dạng hình sin tắt dần vào cáp nguồn và cáp tín hiệu CS116 [1], [2] Các đầu đo giám sát dòng và đầu ghép dòng tín hiệu đóng vai trò rất quan trọng trong việc ghép nhiễu vào thiết bị thử nghiệm (EUT: Equipment Under Test)

và giám sát mức/cường độ dòng so với qui định của Tiêu chuẩn MIL-STD 461 F/G Chúng ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả thử nghiệm thiết bị có đạt hoặc không đạt theo yêu cầu của phép thử nghiệm Hiện nay, Phòng đo EMC thuộc Trung tâm Giám định Chất lượng sử dụng

03 loại đầu đo giám sát dòng và 03 loại đầu ghép dòng tín hiệu khác nhau như thống kê trong Bảng 1 Tuy nhiên

Trang 2

theo khảo sát của tác giả, các cơ sở đo lường trong Quân

đội chưa kiểm định hoặc hiệu chuẩn được các thiết bị

đo này Để kiểm định hoặc hiệu chuẩn phải đưa thiết bị

sang nước ngoài, thực hiện việc này sẽ mất nhiều thời

gian và ảnh hưởng đến nhiệm vụ của Phòng thử nghiệm

EMC, chưa kể đến việc tốn kém về mặt kinh phí

Để đảm bảo tính pháp lý của các trang bị đo lường trong

quá trình sử dụng, giảm thiểu chi phí kiểm định/hiệu

chuẩn, tối thiểu hóa thời gian thực hiện và tình hình

thực tế tại các đơn vị đo lường trong Quân đội, tác giả

đề xuất thực hiện: “Nghiên cứu xây dựng hệ thống tự

động kiểm tra đầu đo giám sát dòng và đầu ghép dòng

tín hiệu sử dụng trong các phép thử nghiệm miễn nhiễm

nhiễu dẫn và phát xạ nhiễu dẫn thuộc tiêu chuẩn

MIL-STD 461 F/G”

Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: Giải

pháp thực hiện bao gồm giới thiệu căn bản về đầu đo

giám sát dòng và đầu ghép dòng tín hiệu và giải pháp

thực hiện hệ thống tự động kiểm tra đầu đo giám sát

dòng và đầu ghép dòng tín hiệu ở trong phần II; Phần

III thực hiện thử nghiệm kiểm tra thực tế đầu đo giám

sát dòng và đầu ghép dòng tín hiệu; Cuối cùng, Kết luận

và hướng nghiên cứu tiếp theo ở trong phần IV

II GIẢI PHÁP THỰC HIỆN

Để hoàn thành nghiên cứu, tác giả phải thực hiện một

số công việc như sau: tìm hiểu nguyên lý hoạt động

và ứng dụng của các đầu đo giám sát dòng, đầu ghép

dòng tín hiệu và ứng dụng của chúng trong các phép thử

nghiệm miễn nhiễm nhiễu dẫn và phát xạ nhiễu dẫn; các

thủ tục kiểm tra của các Hãng sản xuất các thiết bị đo

này Trên cơ sở đó, căn cứ vào các trang thiết bị đo

được trang bị của Trung tâm Giám định Chất lượng để

đề xuất xây dựng thủ tục thực hiện kiểm tra phù hợp với

các đầu đo giám sát dòng, đầu ghép dòng tín hiệu có

dải tần làm việc từ 20 Hz trở lên đến 500 MHz Đồng

thời tự động hóa quá trình kiểm tra các thiết bị này để

rút ngắn thời gian đo và giảm thiểu sai sót do người

thực hiện gây ra

A Giới thiều về đầu đo giám sát dòng

Một đầu đo giám sát dòng nhiễu phát xạ điện từ

trường là một biến áp hình xuyến dùng để đo dòng nhiễu

phát xạ điện từ trường mà không cần kết nối/tiếp xúc

trực tiếp với đối tượng dẫn điện cần đo Đối tượng dẫn

điện được đưa qua khe hở của đầu đo, phần khe hở của

đầu đo đóng vai trò như cuộn sơ cấp của biến áp Cuộn

thứ cấp của biến áp được thiết kế phù hợp với hệ thống

có trở kháng 50 Ω như máy đo nhiễu EMI hoặc máy

phân tích phổ [3] Sơ đồ khối căn bản của một đầu đo

giám sát dòng như trong Hình 1

Đầu ra trở kháng 50 Ohm đến cáp kết nối đến máy đo

Cuộn thứ cấp

Cuộn sơ cấp

Vỏ bảo vệ tĩnh điện

Dòng nhiễu

Hình 1 Khối biến áp cao tần căn bản của đầu đo giám sát dòng nhiễu EMI.

Bảng II

Đ Ộ NHẠY CỦA MÁY THU THEO ĐẠI LƯỢNG µA Ở TRỞ KHÁNG

CHUYỂN ĐỔI 2 Ω

TT Độ nhạy máy thu (µV ) Độ nhạy máy thu (µA) Ghi chú

1) Nguyên lý hoạt động của đầu đo giám sát dòng:

Để đo mức/cường độ của dòng nhiễu chạy trong vật dẫn hoặc cáp dẫn thì đầu đo giám sát dòng được kẹp qua chúng Cuộn sơ cấp trong Hình 1 thực tế là vật dẫn điện

để các dòng nhiễu có thể đo lường được Thực chất, cuộn

sơ cấp là một vòng khép kín vì các dòng nhiễu chạy qua vật dẫn hoặc cáp dẫn và quay trở lại nguồn thông qua một mặt phẳng đất chung Đầu ra của cuộn sơ cấp được đấu với tải bên trong đầu giám sát dòng nhiễu nhằm cung cấp một trở kháng chuyển đổi cố định theo dải tần số

2) Độ nhạy của đầu đo giám sát dòng: Là một hàm kết hợp của hai tham số: trở kháng chuyển đổi (Zt) của đầu đo giám sát dòng và độ nhạy của máy thu ở mức µV [4] Bảng II dưới đây đưa ra độ nhạy dựa trên một trở

nhau của máy thu theo đơn vị µV Tuy nhiên, tham số này không ảnh hưởng nhiều đến kết quả đo dòng nhiễu của đầu đo giám dòng nên không cần thực hiện trong quá trình kiểm tra

3) Trở kháng chuyển đổi và cách xác định mức/cường

độ của dòng nhiễu: Trở kháng chuyển đổi được xác định

Trang 3

là tỉ số của điện áp đo được trên tải 50 Ω và dòng chạy

trên cuộn sơ cấp [3] Đây là tham số quan trọng của đầu

đo giám sát dòng của tín hiệu nhiễu cao tần bởi nó ảnh

hưởng trực tiếp đến kết quả đo Do vậy, quá trình kiểm

tra sẽ tập trung vào việc xác định chính xác giá trị trở

kháng chuyển đổi của đầu đo giám sát dòng

Hai cách xác định mức/cường độ của dòng nhiễu

đo được [3]:

Cách 1: Do máy đo EMI chỉ đo được mức của tín

hiệu nhiễu cao tần theo đơn vị điện áp nên dòng đo

được thực tế của tín hiệu nhiễu được chuyển đổi theo

định luật Ohm

Zt

mức dòng chưa xác định (đơn vị µA) của nhiễu chạy

trên cuộn sơ cấp

Cách 2: Sử dụng hệ số hiệu chuẩn/hiệu chính trở

kháng chuyển đổi (CF: Correction Factor) của đầu đo

giám sát dòng do nhà sản xuất công bố và xác định

mức/dòng theo công thức (2):

Hệ số hiệu chuẩn/hiệu chính trở kháng chuyển đổi

(CF): Theo [3], CF được định nghĩa có giá trị bằng với

nhau

B Giới thiệu về đầu ghép dòng tín hiệu

Thiết bị này thường được sử dụng trong các phòng thì

nghiệm để nghiên cứu cho các ứng dụng khoa học hoặc

ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp Chúng được thiết

kế để tạo ra, điều khiển và đo lường mức năng lượng

điện từ trường Nguyên lý làm việc của thiết bị này là

cảm ứng dòng của tín hiệu vô tuyến vào cáp nguồn hoặc

cáp tín hiệu của thiết bị cần gây nhiễu để xác định khả

năng miễn nhiễm đối với tín hiệu ở tần số vô tuyến

Ngoài ra, các đầu ghép dòng tín hiệu còn được sử dụng

như một cảm biến (Sensor) để đo dòng EMI Vật dẫn

điện hoặc cáp được đưa qua khe hở của đầu ghép dòng

tín hiệu và được bao quanh một vòng của cuộn thứ cấp

(khi đầu ghép dòng sử dụng cho mục đích ghép tín hiệu

nhiễu vào cáp hoặc vật dẫn điện) hoặc được bao quanh

một vòng của cuộn sơ cấp (trong trường hợp sử dụng

đầu ghép dòng tín hiệu cho mục đích đo dòng nhiễu)

Do vừa có thể sử dụng để ghép dòng tín hiệu nhiễu

vào cáp hoặc vật dẫn điện và sử dụng để đo dòng EMI

nên đầu ghép dòng tín hiệu có hai tham số quan trong

Bộ ghép định hướng

Đầu ghép dòng tín hiệu

Đầu

đo giám sát dòng EUT

Máy phân tích tín hiệu/Máy phân tích phổ

Suy hao

KĐ CS

Hình 2 Một cấu hình thử nghiệm khả năng miễn nhiễm nhiễu đối với tín hiệu nhiễu từ đường cáp tín hiệu của EUT.

cần phải thực hiện kiểm tra hoặc hiệu chuẩn sau một thời gian sử dụng: Hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi và Suy hao đặt vào (IL: Insertion Loss) Sở dĩ, tham

số suy hao đặt vào cần được kiểm tra đối với đầu ghép dòng tín hiệu là vì chúng được sử dụng trong trường hợp muốn tính mức dòng ghép tín hiệu nhiễu vào cáp hoặc vật dẫn điện Ví dụ, trong trường hợp chúng ta có sơ đồ thử khả năng miễn nhiễm đối với tín hiệu nhiễu cao tần được ghép vào cáp tín hiệu của EUT như trong Hình

2 Để tính dòng của tín hiệu nhiễu ghép được đưa vào

từ đầu ghép dòng tín hiệu, chúng ta cần phải có thông tin về tham số suy hao đặt vào của đầu ghép dòng tín hiệu Khi đó, mức dòng của tín hiệu nhiễu được ghép vào được xác định theo công thức (3):

IInjected[dBµA] = Imonitor[dBµA] + IL[dB] + CL[dB],

(3)

EUT và xác định bằng công thức (2), IL là suy hao đặt vào của đầu ghép dòng tín hiệu, CL là suy hao của đoạn cáp nối từ đầu đo giám sát dòng đến đầu ghép dòng tín hiệu

C Giải pháp xây dựng, thực hiện hệ thống tự động kiểm tra đầu đo giám sát tín hiệu và đầu ghép dòng tín hiệu

Từ những nội dung đã trình bày ở phần II-A và II-B

đã cho chúng ta thấy đối với hai thiết bị trên có 02 tham

số cần kiểm tra: Hệ số hiệu chuẩn của trở kháng chuyển đổi (CF) hoặc trở kháng chuyển đổi (Zt) và suy hao đặt

Trang 4

vào Do vậy trong phần này, tác giả sẽ tập trung vào

việc phân tích cơ sở lý thuyết và đưa ra giải pháp kiểm

tra hai tham số trên với những trang thiết bị đo lường

hiện có ở Phòng thử nghiệm EMC/Trung tâm Giám định

Chất lượng

Hiện tại, Phòng thử nghiệm EMC đã có các trang

thiết bị đo lường: Máy phân tích mạng vec-tơ N9927A

dải tần từ 30 kHz đến 18 GHz; Máy thu đo N9030A dải

tần từ 3 Hz đến 26,5 GHz; Máy phát tín hiệu 33210A

tần số thấp từ 1 mHz đến 10 MHz; Tải hấp thụ 50 Ω

dải tần từ DC đến 18 GHz; Bộ gá hiệu chuẩn đầu ghép

tín hiệu 9125-1N dải tần từ 20 Hz đến 500 MHz

1) Hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi của đầu

đo giám sát dòng và đầu ghép dòng tín hiệu: Do đầu

đo giám sát dòng có dải tần từ 20 Hz đến 500 MHz nên

phải sử dụng hai sơ đồ để kiểm tra hệ số hiệu chuẩn trở

kháng chuyển đổi Sơ đồ thứ nhất sử dụng máy phát tín

hiệu tần số thấp 33210A và máy thu N9030A để kiểm

tra cho dải tần làm việc từ 20 Hz đến 5 MHz; Sơ đồ

thứ hai sử dụng máy phân tích mạng vec-tơ N9927A để

thực hiện kiểm tra cho dải tần từ 5 MHz đến 500 MHz

1.1 Thực hiện kiểm tra hệ số hiệu chuẩn chuyển đổi

trở kháng trong dải tần từ 20 Hz đến 5 MHz: Hình 3

mô tả chi tiết sơ đồ thực hiện tự động việc điều khiển

mát phát tín hiệu và máy thu tín hiệu để tính ra hệ số

hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi

đo giám sát dòng hoặc đầu ghép dòng tín hiệu là mối

hoặc đầu ghép dòng tín hiệu và dòng điện I chạy trên

dây dẫn đặt trong đầu đo giám sát dòng/đầu ghép dòng

tín hiệu

Theo định luật Ohm:

50 nên (4) có thể viết lại:

Vin

lợi trong quá trình tính toán của công thức (2) hoặc (3)

nên lấy 20×log cơ số 10 của hai vế (5) Khi đó, ta có:

20 × log(Zt) = 20 × log(Vmo

Vin

Khai triển vế phải của (6), ta có:

20 × log(Zt) = 20 × log(Vmo) − 20 × log(Vin)

+20 × log(50)

= 20 × log(Vmo) − 20 × log(Vin) + 33.98

(7)

Giá hiệu chuẩn Solar 9125-1N

Tải 50 Ohm Đầu đo giám sát dòng/ Đầu ghép dòng tín hiệu

I Vin

Vmo

Máy phát 33210A

Máy thu N9030A

Máy tính Phần mềm điều khiển hệ thống USB

Hình 3 Sơ đồ kiểm tra hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi dải tần từ 20 Hz đến 5 MHz.

N9030A ở tần số kiểm tra Cứ như vậy, chúng ta có thể

MHz

Mặt khác, từ [3] ta có hệ số hiệu hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi được xác định:

hoặc:

Chú ý: Trước khi thực hiện tính giá trị CF trong dải

tần 20 Hz đến 5 MHz theo sơ đồ Hình 3, để đảm bảo

CF có sai số nhỏ Chúng ta phải tiến hành loại bỏ sai

số mức phát của máy phát tín hiệu 33210A và suy hao của cáp nối từ máy phát tín hiệu tần số thấp đến đầu vào của giá hiệu chuẩn Solar 9125-1N và cáp nối từ máy thu tín hiệu N9030A đến đầu ra của đầu đo giám sát dòng/đầu ghép dòng tín hiệu bằng cách thực hiện

sơ đồ tiền kiểm tra hay hiệu chuẩn hệ thống trước khi

đo như trong Hình 4 Khi đó Vintrong (7) sẽ được thay thế bằng ˜Vin (là giá trị máy thu tín hiệu N9030A đo được khi máy phát 33210A phát ở mức Vin như trong Hình 4)

Thuật toán thực hiện:

- Đối với với quá trình tiền kiểm tra hoặc hiệu chuẩn

hệ thống trước khi đo như trong Hình 4, thuật toán thực hiện ở trong Bảng III

- Đối với quá trình kiểm tra trong Hình 3, thuật toán thực hiện cũng như trong Bảng III, chỉ khác giá trị mức

bước 13 tính:

Zt= Vmo− ˜A0+ 33.98

Trang 5

Bảng III

T HUẬT TOÁN TỰ ĐỘNG THỰC HIỆN TIỀN KIỂM TRA Ở MỨC PHÁT

A 0 CỦA DẢI TẦN TỪ 20 H Z ĐẾN 5 MH Z

Khai báo

các tham số

1 Tần số bắt đầu f start và tần số kết thúc f stop ;

2 Số điểm lấy mẫu trong dải tần từ f start đến f stop ;

3 Mức kiểm tra, A 0 ;

4 Độ phân giải băng thông, RBW ;

5 Độ phân giải video, V BW ;

6 Khoảng thời gian quan sát tín hiệu trên máy đo,Span;

7 Thời gian quét của một Trace, T ;

8 Số lần đo, T 1, T 2;

Tính toán

các tham số

9

Bước tần số thay đổi theo hàm tuyến tính,

cần tính:

F req center =(f stop +f start )./2;

F req span =(f stop -f start );

Kết nối

thiết bị

10

Kết nối với máy phát tín hiệu tần số thấp 33210A

qua cổng USB và thiết lập dạng tín hiệu phát là

SINE, mức phát A 0 có đơn vị là dBm;

11

Kết nối máy thu tín hiệu N9030A và thiết lập

các tham số của máy đo: Span; RBW; VBW;

Thời gian quét T , mức tham chiếu: (A 0 +10);

Đặt bộ tách sóng: POS PEAK; Kích hoạt Marker;

Đặt chế độ: MAX HOLD.

Thực hiện

quá trình đo

12

for n=0:L-1

% Thiết lập tần số phát trên máy phát:

f(n+1,1)=F req center +F req span ×(n/(L-1)-0.5);

B=[’FREQ ’,num2str(f(n+1,:)), ’ kHz’];

fprintf(obj2,B);

% obj2 là biến chỉ máy phát 33210A

fprintf(obj2, ’Output ON’);

% Chọn cổng vào tín hiệu của N9030A

(obj3 là biến chỉ máy N9030A)

if f(n+1,1) <= 10e3

fprintf(obj3,’:INPut:COUPling DC’);

else

fprintf(obj3,’:INPut:COUPling AC’);

end

% Thiết lập tần số trung tâm trên N9030A

num2str(f(n+1,:)),’ kHz’];

fprintf(obj3,f center−char );

% Chọn chế độ Peak Search Mode

fprintf(obj3,’:CALC:MARK:CPS ON’);

Bắt đầu quá trình đo:

for j=1: T1 for i=1:T2 fprintf(obj3,

’:CALCulate:MARKer:MAX’);

Lev_N9030A(1,i)=str2num(

query(obj3,’:CALC:MARK:Y?’));

pause(0.15);

end LEVE_N9030A(1,j)=max(Lev_N9030A(1,:));

end Level_N9030A(n+1,:)=max(LEVE_N9030A);

Kết thúc quá trình đo

end

fprintf(obj2,’Output OFF’); % Cắt phát

Vin Máy phát

33210A

Máy thu N9030A

GPIB

in V

Hình 4 Sơ đồ tiền kiểm tra để loại bỏ sai số mức phát của máy phát

và suy hao cáp nối.

Tải 50 Ohm

Đầu đo giám sát dòng/ Đầu ghép dòng tín hiệu

I Vin

Vmo

Máy phát 33210A

Máy thu N9038A

GPIB

Vin Máy phát

33210A

Máy thu N9038A

GPIB

in

V

Máy phân tích mạng N9927A

Tải 50 Ohm

Đầu đo giám sát dòng/ Đầu ghép dòng tín hiệu

I Vin

Vmo

Port 1 (50 Ohm)

Port 2 (50 Ohm)

Máy tính Phần mềm điều khiển hệ thống RJ-45

Port 1 (50 Ohm)

Port 2 (50 Ohm)

Hình 5 Thực hiện hiệu chuẩn tham số S21 của máy phân tích mạng vec-tơ N9927A trong dải tần từ 5 MHz đến 500 MHz

hiệu có cùng số cột/hàng

1.2 Thực hiện kiểm tra hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi trong dải tần từ 5 MHz đến 500 MHz:Trong dải tần này, việc kiểm tra được thực hiện bằng cách sử dụng máy phân tích mạng vec-tơ N9927A Từ công thức (7), chúng ta có thể thấy giá trị của Zt chính là giá trị của tham số S21 của máy phân tích mạng vec-tơ trong dải tần từ 5 MHz đến 500 MHz cộng với giá trị 33.98

Để đảm bảo kết quả được chính xác, việc tiền kiểm tra đối với đoạn cáp từ cổng 1 đến đầu vào giá hiệu chuẩn

và đoạn cáp từ cổng 2 đến đầu ra của đầu đo giám sát dòng/đầu ghép dòng tín hiệu như trong Hình 5 là cần thiết Quá trình kiểm tra hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi trong dải tần từ 5 MHz đến 500 MHz được

mô tả như trong sơ đồ khối Hình 6

Thuật toán thực hiện: Bảng IV minh họa thuật toán thông qua ngôn ngữ lập trình Matlab thực hiện tự động quá trình kiểm tra tham số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi trong dải tần từ 5 MHz đến 500 MHz bằng máy

Trang 6

Tải 50 Ohm Đầu đo giám sát dòng/

I Vin

Vmo

Máy phát

33210A

Máy thu

N9038A

Máy tính

Phần mềm điều

khiển hệ thống

USB

GPIB

Vin

Máy phát

33210A

Máy thu

N9038A

Máy tính

USB

GPIB

in

V

Máy phân tích

mạng N9927A

Tải 50 Ohm Đầu đo giám sát dòng/

I Vin

Vmo

Port 1

(50 Ohm)

Port 2

(50 Ohm)

Máy tính

RJ-45

Port 1 (50 Ohm)

Port 2 (50 Ohm)

Hình 6 Sơ đồ kiểm tra hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi dải

tần từ 5 MHz đến 500 MHz

Tải 50 Ohm Đầu ghép dòng tín hiệu I

Vinj

Vin Máy thu

Máy phát

33210A

Máy tính

GPIB

USB

Hình 7 Sơ đồ thực hiện kiểm tra tham số suy hao đặt vào trong dải

tần (0.01 ÷ 5) MHz.

phân tích mạng vec-tơ N9927A

Chú ý: trong các bước 7, 8, 10 được thực hiện lần

lượt bằng các hàm con: TCP_IP(·); S21_Calibration(·);

save_Monitor(·).

2) Hệ số suy hao đặt vào của đầu ghép dòng tín hiệu:

Từ Bảng I cho thấy các đầu ghép dòng tín hiệu có dải

tần làm việc từ (0.01 ÷ 500) MHz nên việc kiểm tra đối

với tham số suy hao đặt vào cũng được thực hiện trong

hai dải tần số: (0.01 ÷ 5) MHz và (5 ÷ 500) MHz Sơ

đồ thực hiện kiểm tra tham số suy hao đặt vào đối với

dải tần từ 0.01 MHz đến 5 MHz như trong Hình 7

Đối với thuật toán kiểm tra tự động tham số suy hao

đặt vào giống như thuật toán thực hiện trong Bảng III

và trong bước 13: IL = Vmo− ˜A0

Đối với dải tần thứ 2, sơ đồ thực hiện kiểm tra tham

số suy hao đặt vào như trong Hình 8

Tương tự như vậy, thuật toán tự động kiểm tra tham

số suy hao đặt vào đối với dải tần từ 5 MHz đến 500

MHz cũng được liệt kê gần như trong Bảng IV, chỉ khác

trong phần bắt đầu quá trình đọc dữ liệu của bước 9 bỏ

số suy hao đặt vào IL bằng giá trị của biến data trong

bảng IV

Bảng IV

T HUẬT TOÁN TỰ ĐỘNG THỰC HIỆN KIỂM TRA HỆ SỐ HIỆU CHUẨN TRỞ KHÁNG CHUYỂN ĐỔI TRONG DẢI TẦN (5 ÷ 500) MH Z

Khai báo các tham số

1 Tần số bắt đầu f start và tần số kết thúc f stop ;

2 Số điểm mẫu trong dải tần từ f start đến f stop , point;

3 Mức kiểm tra, power;

4 Băng thông trung tần, IF _BW;

Tính toán các tham số

5

Bước tần số thay đổi theo hàm tuyến tính, cần tính:

F req center =(f stop +f start )/2;

F req span =(f stop -f start );

6 Fre=F req center +F req span × ([0:point-1]./(point-1)-0.5);

Kết nối thiết bị

7

Kết nối với máy phân tích mạng vec-tơ N9927A thông qua địa chỉ IP: 192.168.113.206, Port: 5025;

NA=TCP_IP(’192.168.113.206’,5025);

Thực hiện hiệu chuẩn

8 S21_Calibration(NA,f_start,f_stop,IF_BW,point,power)

Tính CF

và Zt

9

fprintf(NA,’FORM ASCii,0’);

fprintf(NA,’DISPlay:WINDow:TRAC1:Y:AUTO’);

ref_lev= str2num(query(NA,

’DISPlay:WINDow:TRAC:Y:RLEVel?’));

% Vẽ đồ thị biễu diễn CF và tần số:

ph2 = plot(Fre,ref_lev*ones(1,point));

grid on xlim([min(Fre) max(Fre)]) title(’Correct Factor’) xlabel(’Frequency [MHz]’) ylabel(’CF [dBΩ]’)

% Bắt đầu quá trình đọc dữ liệu for i=1:50

data(i,:)=str2num(query(NA,’CALCulate:DATA:FDATa?’)); Zt(i,:)=data(i,:)+33.98;

CF(i,:)=-Zt(i,:);

set(ph2,’Ydata’,CF(i,:));

% Cập nhật dữ liệu cho đồ thị drawnow

end

CF mean =mean(CF );

Z t =mean(Z t );

C=[Fre; CF mean ; Z t ];

Lưu dữ liệu

10 save_Monitor(C);

III THỬ NGHIỆM KIỂM TRA THỰC TẾ ĐẦU ĐO GIÁM SÁT DÒNG VÀ ĐẦU GHÉP TÍN HIỆU Trong phần này, tác giả tiến hành đánh giá kết quả đạt được bằng giải pháp thực hiện của bài báo đối với các đầu đo giám sát dòng Solar 9215-1N và đầu ghép dòng tín hiệu Solar 9142-1N của Phòng đo EMC như

đã liệt kê ở trong Bảng I Từ kết quả khảo sát về mối quan hệ giữa hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi và tần số, tác giả sử dụng thuật toán bình phương tối thiểu

Trang 7

Tải 50 Ohm Đầu ghép dòng tín hiệu I

Vinj

Vin

Máy thu

N9038A

Máy phát

33210A

Máy tính

GPIB

USB

Máy phân tích

mạng N9927A

Tải 50 Ohm Đầu ghép dòng tín hiệu

I Vinj

Vin

Port 2

(50 Ohm)

Port 1

(50 Ohm)

RJ-45

Hình 8 Sơ đồ thực hiện kiểm tra tham số suy hao đặt vào trong dải

tần (5 ÷ 500) MHz.

Hình 9 Sơ đồ thực tế để hiệu chuẩn hệ thống trước khi kiểm tra tham

số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi trong dải tần 20 Hz ÷ 5 MHz.

(LS: Least Square) [5] hoặc dùng công cụ Curve Fitting

có sẵn trong Matlab để đưa ra công thức kinh nghiệm

về mối quan hệ giữa CF và tần số

A Đối với đầu đo giám sát dòng

Do đầu đo giám sát dòng Solar 9215-1N có dải tần

hoạt động từ 20 Hz đến 500 MHz nên kiểm tra hệ số

hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi thiết bị này được thực

thi tương ứng trong sơ đồ khối Hình 3 và Hình 6

1) Dải tần số từ 20 Hz đến 5 MHz: Sơ đồ thực tế

của quá trình hiệu chuẩn hệ thống trước khi kiểm tra

và việc kiểm tra hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi

lần lượt minh họa như ở trong Hình 9 và Hình 10 Kết

quả kiểm tra của hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi

bằng đề xuất của bài báo được minh họa trong Hình 11

Sử dụng thuật toán bình phương tối thiểu để tìm ra mối

quan hệ giữa tham số CF và tần số của đầu đo giám sát

dòng 9215-1N trong dải tần (20 Hz ÷ 500 MHz) là một

hàm mũ với sai số ước lượng trung bình là 0.19 dBΩ

Hình 10 Sơ đồ thực tế của quá trình kiểm tra tham số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi trong dải tần từ 20 Hz đến 5 MHz.

Frequency [MHz]

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140

Solar 9215-1N, S/N:9215140701

Hình 11 Kết quả kiểm tra hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi của đầu đo giám sát dòng Solar 9215-1N trong dải tần 20 Hz ÷ 5 MHz.

Kết quả cụ thể ở trong công thức (10) và Hình 12

2) Dải tần số từ 5 MHz đến 500 MHz: Thực hiện kiểm tra hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi của đầu đo giám sát dòng Solar 9215-1N (có số hiệu: 9215140701) đối với dải tần từ 5 MHz đến 500 MHz như trong sơ đồ Hình 6 Sơ đồ kiểm tra thực tế được minh họa ở trong Hình 13 Kết quả cụ thể của hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi của đầu đo giám sát dòng Solar 9215-1N được thể hiện trong Hình 14 Tương tự như phần trên, kết quả cụ thể về mối quan hệ giữa CF

và tần số được thể hiện trong công thức (11) với sai số

Trang 8

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

Frequency [MHz]

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Measured Approx

Hình 12 Mối quan hệ gần đúng của hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển

đổi của đầu đo giám sát dòng Solar 9215-1N trong dải tần 20 Hz ÷

5 MHz.

Hình 13 Sơ đồ ghép nối thực tế để kiểm tra hệ số hiệu chuẩn trở

kháng chuyển đổi của đầu đo giám sát dòng Solar 9215-1N trong dải

tần (5÷500) MHz.

ước lượng trung bình là 0.33 dBΩ và Hình 15

CF(f) = a1 ∗ sin(b1 ∗ f + c1) + a2 ∗ sin(b2 ∗ f + c2)

+a3 ∗ sin(b3 ∗ f + c3) + a4 ∗ sin(b4 ∗ f + c4)

+a5 ∗ sin(b5 ∗ f + c5) + a6 ∗ sin(b6 ∗ f + c6)

+a7 ∗ sin(b7 ∗ f + c7) + a8 ∗ sin(b8 ∗ f + c8),

(11) trong đó: a1 = 28.41 ; b1 = 0.008087; c1 = -3.702;

a2 = 22.040; b2 = 0.01236; c2 = -1.9410;

a3 = 7.3260; b3 = 0.01800; c3 = -0.4762;

a4 = 0.8678; b4 = 0.17980; c4 = 1.8440;

a5 = 0.4644; b5 = 0.09905; c5 = 0.2751;

a6 = 0.3234; b6 = 0.19960; c6 = 0.4062;

a7 = 0.1766; b7 = 0.06081; c7 = -5.2730;

a8 = 0.3939; b8 = 0.04154; c8 = -0.9893

Frequency [MHz]

-60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140

Hình 14 So sánh hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi của đầu đo giám sát dòng Solar 9215-1N trong dải tần (5÷500) MHz đo được với kết quả của Hãng Solar công bố từ năm 2014.

Frequency [MHz]

-16 -14 -12 -10 -8 -6 -4

Solar Type 9215-1N S/N: 9215140701

Measured Approx

Hình 15 Mối quan hệ gần đúng giữa CF và tần số của đầu đo giám sát dòng Solar 9215-1N trong dải tần (5÷500) MHz.

B Đối với đầu ghép dòng tín hiệu

Kiểm tra tham số hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi và hệ số suy hao đặt vào đối với đầu ghép dòng tín hiệu Solar 9142-1N (có số hiệu: 9142140702) như trong

sơ đồ khối của Hình 6 và Hình 7 Sơ đồ kiểm tra thực

tế lần lượt được minh họa ở trong Hình 16

Chú ý: Sơ đồ ghép nối thực tế kiểm tra suy hao đặt

vào với đầu ghép dòng tín hiệu Solar 9142-1N tương tự như trong Hình 16, chỉ khác là phải đổi lại vai trò cổng

1 và cổng 2 của máy phân tích mạng.

Kết quả thử nghiệm cụ thể của hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi và hệ số suy hao đặt vào đo được minh họa lần lượt ở trong Hình 17 và Hình 18 (có so sánh với kết quả công bố của Hãng Solar năm 2014)

So sánh kết quả đạt được ở Hình 17 và Hình 18 với kết quả của Hãng Solar công bố năm 2014 cho thấy sau hơn 4 năm được hiệu chuẩn, dạng đồ thị của hệ số hiệu

Trang 9

Hình 16 Sơ đồ ghép nối thực tế để kiểm tra hệ số hiệu chuẩn trở

kháng chuyển đổi của đầu ghép dòng tín hiệu Solar 9142-1N trong

dải tần (2 ÷ 500) MHz.

Frequency [MHz]

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

Solar Type 9142-1N S/N: 9142140702

Hình 17 Hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi trong dải tần từ (2

÷ 500) MHz của đầu ghép dòng tín hiệu Solar 9142-1N.

chuẩn trở kháng chuyển đổi và hệ số suy hao đặt vào

không có thay đổi nhiều

Sử dụng thuật toán bình phương tối thiểu để tìm mối

quan hệ kinh nghiệm giữa CF và tần số Kết quả cụ

thể được thể hiện ở trong công thức (12) với sai số ước

lượng trung bình là 0,41 dBΩ và Hình 19

C(f) = a1 ∗ sin(b1 ∗ f + c1) + a2 ∗ sin(b2 ∗ f + c2)

+a3 ∗ sin(b3 ∗ f + c3) + a4 ∗ sin(b4 ∗ f + c4)

+a5 ∗ sin(b5 ∗ f + c5) + a6 ∗ sin(b6 ∗ f + c6)

+a7 ∗ sin(b7 ∗ f + c7) + a8 ∗ sin(b8 ∗ f + c8),

(12) trong đó: a1 = 47.43; b1 = 0.00790; c1 = -3.573;

a2 = 29.54; b2 = 0.01672; c2 = -2.755;

a3 = 19.82; b3 = 0.02641; c3 = -2.189;

Frequency [MHz]

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

Hình 18 Hệ số suy hao đặt vào trong dải tần từ (2 ÷ 500) MHz của đầu ghép dòng tín hiệu Solar 9142-1N.

Frequency [MHz]

-30 -28 -26 -24 -22 -20

Solar Type 9142-1N S/N: 9142140702

Measured Approx

Hình 19 Mối quan hệ gần đúng giữa CF và tần số của đầu đo ghép dòng tín hiệu Solar 9142-1N trong dải tần (2÷500) MHz.

a4 = 12.42; b4 = 0.03442; c4 = -1.170;

a5 = 06.39; b5 = 0.04452; c5 = -0.694;

a6 = 00.58; b6 = 0.17740; c6 = 03.018;

a7 = 02.78; b7 = 0.05035; c7 = 0.9141;

a8 = 00.23; b8 = 0.06854; c8 = -0.765

IV KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP

THEO Bài báo đã thành công trong việc đưa ra và thực hiện giải pháp kiểm tra hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển

Trang 10

đổi của đầu đo giám sát dòng và hệ số hiệu chuẩn trở

kháng chuyển đổi, hệ số suy hao đặt vào của đầu ghép

dòng tín hiệu Ngoài ra, tác giả cũng đã đề xuất thuật

toán tự động kiểm tra các tham số quan trọng trên, giúp

rút ngắn thời gian thực hiện và hạn chế sai sót do người

sử dụng

Kết quả thực hiện của bài báo giúp cho cán bộ nhân

viên trong Phòng thử nghiệm EMC chủ động trong việc

đánh giá chính xác giá trị của hệ số hiệu chuẩn trở

kháng chuyển đổi và suy hao đặt vào của các đầu đo

giám sát dòng và đầu ghép dòng tín hiệu được sử dụng

trong các phép thử nghiệm miễn nhiễm nhiễu dẫn như

CS109, CS114, CS115, CS116 và phép thử nghiệm phát

xạ nhiễu dẫn CE101 thuộc MIL-STD 461 F/G mà không

cần phải gửi đi hiệu chuẩn ở nước ngoài, giúp tiết kiệm

chi phí

Mặt khác, kết quả nghiên cứu cũng đưa ra được các

công thức kinh nghiệm về mối quan hệ giữa hệ số hiệu

chuẩn trở kháng chuyển đổi và tần số giúp cho người

sử dụng tính toán một cách nhanh chóng giá trị của hệ

số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi tại tần số bất kì mà

không cần nhìn vào đồ thị Ngoài ra, nhờ có các công

thức kinh nghiệm cũng giúp đơn giản hóa các chương

trình tự động đo, đọc giá trị dòng tín hiệu nhiễu đo được

từ các bài thử nghiệm CE101, CS109, CS114, CS115

và CS116 mà không cần phải tải toàn bộ file dữ liệu đo của đầu đo giám sát dòng hoặc đầu ghép dòng tín hiệu Hướng nghiên cứu tiếp theo: Trên cơ sở kết quả đạt được của bài báo sẽ tiến hành khảo sát đánh giá hệ số suy hao đặt vào và hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi của đầu ghép dòng tín hiệu và hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi của đầu đo giám sát dòng tín hiệu dùng cho các phép thử nghiệm thuộc tiêu chuẩn về EMC

áp dụng cho thiết bị dân dụng

TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] MIL-STD-461G (12/2015), “Requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipment”;

[2] MIL-STD-461F (12/2007), “Requirements for the control of electromagnetic interference characteristics of subsystems and equipment”;

[3] Solar Electronics Company, EMI Current Measurement using

Solar Type 9215-1N Current Probe, User Manual;

[4] ETS-Lindgren, Model 94456 Current Probe, User Manual, 2002; [5] Hastie T., Tibshirani R., and Friedman J H (2009), The elements

of statistical learning : data mining, inference, and prediction,

Springer, New York.

Định dạng
Số trang	10
Dung lượng	10,31 MB