KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TS. LƯU THẾ VINH - 6 docx

Các Với vị trí của S1 và S2 như hình vẽ 3-25 ta có độ lợi của mạch khuếch đại là: Các mạch biến đổi tín hiệu vào kênh X và kênh Y để điều khiển các mô tơ chỉnh mức 0, bộ khuếch đại cộng

8.3 Máyï ghi biểu đồ trên băng dùng điện cực rắn

Phương pháp ghi biểu đồ trên băng dùng điện cực rắn được minh họa trên hình 3-22 Đầu ghi là một tập hợp gồm nhiều điện cực (cỡ vài trăm) được ghép nối

iện lên bề mặt băng giấy

tần số rất tốt

vì đầu ghi là đứng yên, máy có thể ghi các

n hiệu tới 1kHz

tục

tiếp nhau trên một thanh ngang cố định Các điện cực được điều khiển bằng mạch điện tử và thực hiện việc ghi tín hiệu bằng cách phóng đ

chuyên dụng dịch chuyển bên dưới

Dụng cụ có đáp tuyến

tí

Nguyên tắc điều khiển các điện cực ghi được minh họa trên hình 3-23 Tín hiệu

lối vào được lượng tử hóa thành từng mức

gián đoạn nhờ một hệ thống các bộ so sánh

liên tiếp mắc song song với nhau Đầu ra

của mỗi bộ so sánh điều khiển trực tiếp

một điện cực ghi Các mức thế so sánh

được thực hiện bằng một cầu điện trở chia

áp giữa các bộ nguồn ±E

Dạng sóng tín hiệu ghi trên băng sẽ cực ghi lớn thì dạng sóng ghi gần như là liên

có dạng một đường đứt nét Khi số điện

+ - SS4

+ - SS3

+ - SS2

+ -

SS1

U1 U2 U3 U4

+E

V4

Tầng so áp

-E V1 V2 V3

Mạch kích điện cực ghi

Các điện cực ghi

CONTROL Tín hiệu vào

Hình 3-22

Hình 3-23 Quá trình lượng tử hóa tín hiệu vào và điều khiển các điện cực ghi

Phương pháp ghi dùng điện cực rắn có nhược điểm là mạch điều khiển phức tạp vì phải dùng một số lượng lớn các mạch so sánh và các điện cực ghi Tuy nhiên việc sử dụng các mạch tích hợp cho phép đơn giản hóa vấn đề đặt ra

8.4 Máyï ghi theo tọa độ xy

Nguyên tắc hoạt động của máy ghi theo tọa độ xy là sử dụng bút vẽ dịch chuyển đồng thời theo cả 2 chiều x và y để vẽ biểu đồ trên một tờ giấy đặt cố định

Cơ cấu ghi tương tự như đối với máy ghi biểu đồ theo nguyên tắc biến trở tự cân bằng (hình 3-24) Ở đây bút vẽ được gắn trên một giá mang và sự dịch chuyển của bút theo chiều dọc trên giá (trục y) được điều khiển bằng mô tơ M1 Toàn bộ giá mang bút có

và 4 puli trợ động

ếch đại lối vào và mạch chọn khoảng đo chỉ ra trên hình 3-25 Các

Với vị trí của S1 và S2 như hình vẽ 3-25 ta có độ lợi của mạch khuếch đại là:

Các mạch biến đổi tín hiệu vào kênh X và kênh Y để điều khiển các mô tơ

chỉnh mức 0, bộ khuếch đại cộng và một mạch lặp áp để hồi tiếp điện áp lấy từ con trượt của biến trở gắn với đầu bút ghi

90

1090900)

/1,0(AlợiĐộ

4 3

4 3 2

+

++

=+

++

=

K K

K K K R

R

R R R cm V

õ được khuếch đại lên thành 10 x 0,1V/cm = 1V; tín hiệu 1V này sẽ đưa tới bộ huếch đại cộng và sẽ tạo ra độ lệch 1cm của bút ghi

se

k

Khi chuyển mạch ở vị trí 1V/cm, đầu ra của A1 được nối trực tiếp với đầu

ạch sẽ tạo độ lệch 1cm cho tín hiệu vào là 1V

Bậy giờ giả sử khóa S2 ở vị trí 0,01V/cm, độ lợi của mạch sẽ là:

1090900)

/01,0(AlợiĐộ

4

4 3 2

K

K K K R

R R R cm V

Như vậy, mạch sẽ tạo độ lệch 1cm đối với mỗi tín hiệu vào 0,01V

” sang vị trí

ở R5 cùng với R6 cho phép điều chỉnh độ lợi của mạch khuếch đại từ giá trị tối thiểu đến giá trị tối đa:

Hình 3-25 Bộ khuếch đại đầu vào cho máy ghi theo tọa độ xy

“ ÍCH”, các điện trở R2, R3 và R4 ngắt khỏi đầu vào đảo của A1

tr

115

550

xíchdulợiĐộ

R R

§ 9 KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG BẰNG DAO ĐỘNG KÝ

Dao động ký điện tử không chỉ là thiết bị để quan sát dạng của tín hiệu nghiên cứu, mà còn dùng để đo lường các thông số đặc tính của tín hiệu Ví dụ, có thể đo biên độ, đo tần số, đo di pha, đo khoảng thời gian, đo hệ số điều chế…

Các phương pháp đo dùng dao động ký rất thông dụng, vì phép đo đơn giản, thực hiện nhanh chóng và dễ dàng, kết quả đo khá chính xác Một đặc điểm rất quan trọng của phép đo là trực quan, vừa quan sát được dạng tín hiệu nghiên cứu vừa đo đạc được các thông số đặc tính của tín hiệu

S1

+ - A1 Vi

Khoảng đo S2 1V/cm

Đến KĐ cộng

R2 900K R1

Du xích 0.01V/cm

R3 90K 0,1V/cm

R4

50KR510K

5KR6

9.1 Đo biên độ, tần số và pha của điện áp tín hiệu

Biên độ đỉnh – đỉnh của một dạng sóng đã hiện hình có thể đo được dễ dàng nhờ kích tấc dao động đồ trên màn hình Trên hình 3-26 minh họa 2 sóng sin với biên độ và chu kỳ khác nhau trên cùng một màn hình Vị trí các núm điều khiển thang độ và kích tấc dao động đồ VOLT/DIV cũng như núm chọn thời gian TIME/DIV như chỉ

Chu kỳ của sóng sin được xác định bằng cách đo số vạch ngang ứng với một chu kỳ nhân với giá trị của một ô được đặt trên núm điều khiển TIME/DIV Theo số liệu trên hình 3-26 ta có chu kỳ và tần số của

ms trình

chu

ms vạch

2

5,08

,8

Hz ms

T

f A =1 A =1 2,2 ≈455

trình chu

ms vạch

6

5,08

,8

kHz ms

T

f B =1 B =1 0,73 =1,36

hương pháp minh họa

∆ϕ = 1,4 vạch x 45o/vạch = 63o

Hình 3-27 Đo hiệu số pha giữa 2 sóng sin

9.2 Đo các tham số xung.

Hiệu số pha của hai sóng hình sin ∆ϕ được đo bằng ptrên hình 3-27 Mỗi sóng có một chu kỳ ứng với 8 vạch ngang, và thời gian giữa các thời điểm bắt đầu mỗi chu trình là 1,4 vạch Ta có 1 chu trình = 360o, như vậy, giá trị của mỗi vạch chia là:

1 vạch chia = 360o/8 = 45o

Hiệu số pha của 2 điện áp sẽ là:

Trong kỹ thuật xung, việc xác định các tham số của tín hiệu xung như : biên

sát dạn

m số cần thiết

q = 3,5 vạch x 1µs = 3,5µs;

T = 8vạch x 1 µs = 8 µs;

ời hạn (độ rộng) xung τ, sườn trước τ , sườn sau τ cũng nh

g xung đặc biệt tiện lợi khi sử dụng dao động ký điện tử Giả sử ta cần biết dạng tín hiệu lối vào và lối ra của một mạch điện tử nào đó, ta có thể cho hiện hình đồng thời 2 dạng sóng lối vào và lối ra trên màn dao động ký Nhờ kích tấc dao động đồ và các toạ đ ä to rên màn hình ta dễ dàng xác định được các tha

8 l ø hai dạng s g xung lối vào và lối ra của món ộ

Ta thấy xung lối ra bị trễ một thời gian td so với xung lối vào; ngoài ra sườn xung bị tích phân nên tạo ra mặt tăng t1 (thời hạn sườn trước) và mặt giảm t2 (thời hạn sườn sau) Giả sử núm điều khiển TIME/DIV ở vị trí 1µs, núm VOLT/DIV ở vị trí 1V thì các tham số của xung sẽ là

Đối với xung a

- Độ rỗng xung

Hình 3-28 Đo các tham số xung Kết quả trên còn cho biết một tham số rất quan trọng gọi là tốc độ đáp ứng

volt/µs Theo hình 3-28, ta có độ biến hiên điện áp ở mặt tăng của xung

, thường dùng để đặc trưng cho các bộ khbiết phản ứng của mạch khi tác dụng xun

7,0

sườn trước t Thời gian trễ t d 1 Thời hạn sườn sau t 2

Hình 3-29 Sự méo dạng của sóng xung khi ghép AC

Tích số của điện dung ghép và điện trở vào là một đại lương gọi là hằng số thời gian vào của máy hiện sóng

τi = RiCc

Với giá trị Ri = 1MΩ, Cc = 0,1µF, ta có τI = 1MΩ 0,1µF = 0,1s Theo số liệu trên hình 3-29 thì độ rộng xung là 50ms, nó bằng một nửa thời hằng vào của máy hiện sóng Khi độ rộng xung và khoảng cách giữa các xung nhỏ

gây méo dạng Để tránh sự méo xung ở tần thấp thì độ rộng xung thường phải nhỏ hơn 1/20 lần thời hằng vào của máy hiện sóng

Trên hình 3-30 cho thấy sự méo dạng do cao tần gây ra Trường hợp này

Nếu RS làø điện trở của nguồn tín hiệu thì hằng số thời gian của mạch sẽ là τi=RSCi

Trênhình vẽ với xung rất ngắn 0,2µs; RS = 1K; Ci = 30pF thì thời hằng của mạch vào là: τi = RSCi = 0,03 µs; tụ Ci sẽ nạp và gây ra sự méo dạng xung Nếu xung có độ rộng lớn hơn nhiều so với CiRS thì sự méo dạng là không đáng kể

Tóm lại điều kiện để mạch vào không làm méo dạng xung là:

c i i

R ≤ Độ rộngxungτ≤ 1

20

9.3 Phương pháp hình Lissajou.

Hình 3-30 Ảnh hưởng của điện dung vào làm méo dạng xung ở cao tần

Nếu ngắt bộ dao động tạo quét của máy hiện sóng và đưa các sóng hình sin đồng thời vào 2 kênh XX và YY thì trên màn dao động ký sẽ xuất hiện dao động đồ Lissajou Hình dạng của dao động đồ là đơn giản khi 2 điện áp cùng tần số, và hình sẽ có dạng rất phức tạp nếu 2 điện áp khác tần số

Có thể sử dụng hiệu ứng trên để đo tần số của các dao động hình sin Trên hình 3-31 là sơ đồ minh họa nguyên tắc đo tần số bằng phương pháp hình Lissajou

Điện áp hình sin tần số fy đưa vào kênh lệch đứng YY, còn điện áp hình sin có

tạo quét trong Khi thực hiện đồng bộ trên màn hình sẽ thu được dao động đồ Lissajou Hãy cắt dao động đồ theo 2 trục dọc và ngang như hình vẽ sao cho số vết cắt là lớn nhất Đếm số vế cắt theo trục dọc (m) và trục ngang (n) Tỷ số các vết cắt ấy chính bằng tỷ số hai tần số:

ân hình vẽ ta có fy/f

iều chế độ sáng của hình Nếu tần số chuẩn bằng tần

Sóng sin

tần số f Y

Sóng sin

tần số f X

Hình 3-31 Sơ đồ đo tần số bằng phương pháp hình Lissajou

Tùy theo độ lệch pha giữa 2 điện áp mà hình dạng dao động

Góc lệch pha ϕ

Hình 3-32 Một số dạng dao động đồ Lissajou

Phương pháp dao động đồ Lissajou để đo tần số chỉ thích hợp khi tỷ số giữa 2 tần số nhỏ hơn 3 đến 4 lần, khi lớn hơn hình hiện ra

ộ Trong các trường hợp này người ta thường sử dụng phương pháp quét tròn với sự điều chế độ chói của hình quét Sơ đồ nguyên tắc của phương pháp này chỉ

h 3-33 Điện áp chuẩn dùng để so sánh có tần số nhỏ hơn f 1 được đưa qua một

đồng thời vào 2 lối vào XX và YY của dao động ký Trên màn hình sẽ có dao động đồ hình tròn (hay elip) Thời gian để tia điện tử quét thành một vòng tròn chính bằng

chu kỳ của điện áp mẫu Điện áp cần đo có tần số lớn hơn f2 đuợc đưa tới cực điều chế M của dao động ký, nó sẽ đ

số điện áp cần đo thì dao động đồ sẽ là một vòng tròn nửa sáng, nửa tối

đứt nét

Hình 3-33 Đo tần số bằng phương pháp quét vòng

h để tỷ số giữa 2

1 đưavào cực điều chế M

n hiệu Dùng dao động ký

một mạng 4 cực nói chung

Nếu tần số

xen kẽ những vạch sáng và vạch tối Đếm số vạch sáng hoặc vạch tối ta biết được tỷ số giữa 2 tần số : n = f2 /f1

Nguồn tín hiệu

f1

Nguồn tín hiệu

f2>f1

Khi thực hiện phép đo trên, điều kiện quan trọng là phải hiệu chỉntần số là một bội số nguyên lần của nhau thì hình mới ổn định, nếu điều kiện trên không thỏa mãn dao động đồ sẽ không thể quan sát được

Nếu điện áp cần đo thấp hơn tần số chuẩn thì phải mắc ngược với trường hợp trên, nghĩa là đưa điện áp cần đo f2 vào các kênh XY, còn điện áp chuẩn f

Ngoài các ứng dụng trên có thể sử dụng dao động ký điện tử trong các phép

đo các thông số của dao động điều chế và phân tích phổ tí

tuyến vôn – ampe của các

CHƯƠNG IV: MÁY TẠO SÓNG ĐO LƯỜNG

§ 1 KHÁI NIỆM CHUNG

Máy tạo sóng đo lường là bộ nguồn tạo ra các tín hiệu chuẩn về biên độ, tần số và dạng sóng dùng trong thử nghiệm và đo lường Các máy tạo sóng trong phòng thí nghiệm có các dạng sau:

– Máy phát tần số quét, máy phát các tín hiệu thử nghiệm

Các máy tạo tín hiệu RF thường có dải tần số từ 0 ÷ 100kHz, với mức điện áp có thể điều chỉnh từ 0 ÷ 10V Các máy tạo hàm cũng thường là máy phát RF với 3 dạng sóng đặc trưng là sóng vuông, sóng tam giác và sóng hình sin

§ 2 MÁY TẠO SÓNG SIN TẦN THẤP LF

Máy tạo dao động hình sin thực hiện việc biến đổi năng lượng nguồn dòng điện một chiều thành dòng xoay chiều có tần số theo yêu cầu Cấu tạo của máy thực hiện trên cơ sở bộ khuếch đại có hồi tiếp dương đảm bảo chế độ tự kích ổn định ở tần số yêu cầu

Có nhiều kiểu tạo dao động sóng sin: dao động 3 điểm điện cảm (sơ đồ Colpits), dao động 3 điểm điện dung (sơ đồ Hartley), dao động cầu Wien Dao động cầu Wien là mạch được sử dụng nhiều nhất vì cho dạng sóng lối ra có dạng sin tốt nhất với biên độ và tần số ổn định Cầu Wien là một cầu AC, trong đó sự cân bằng của cầu đạt được ở một tần số nguồn riêng phụ thuộc vào các thành phần của cầu Sơ đồ nguyên lý của một mạch dao động cầu Wien chỉ ra trên hình 4-1

Hình 4-1 Mạch dao động cầu Wien

ønh mạch khuếch đại khoMạch khuếch đại thuật toán và các điện trở Râng đảo R1, R2, C1 và C2 tạo thành mạch hồi tiếp Cầu đạt cân bằng khi thỏa 3 , R4 tạo thamãn điều kiện:

R

2 2

2

1

C R C R

R1

S1

Hình 4-2 Mạch ổn định biên độ (a) và mạch để điều chỉnh tần số (b)

Khi biên độ điện áp ra nhỏ, sụt áp trên R6 không đủ để thiên áp thuận cho các diode Lúc này độ lợi mạch khuếch đại là:

4

6 5 4

R

R R R

R

R R

Giá trị của hệ số khuếch đại AV < 3 để loại bỏ những biên độ ra lớn, nhờ vậy ổn định được biên độ điện áp ra

Để điều chỉnh tần số có thể thay đổi giá trị của R và C Trên hình 4-2 dùng

và các tụ C1, C2

3

ông tắc S1 cho phép thay đổi giữa hai khoảng biên độ

m và điều chỉnh biên độ

Giả sử IB = 100 µA Khi đó

các chuyển mạch S1 và S2 đồng trục để thay đổi đồng thời R1, R2

Để điều chỉnh biên độ sóng ra, sử dụng mạch điều chỉnh như hình 4-3 Trong đó các điện trở R1, R2 và R3 hình thành nên bộ chia áp làm giảm tín hiệu ra Bộ khuếch đại thuật toán mắc theo kiểu lặp áp để tạo trở kháng ra thấp R là chiết áp điều chỉnh biên độ ra C

Ví dụ: Một sóng sin 5V từ lối ra của bộ dao động cầu Wien cung cấp cho bộ

suy giảm Hãy tính các giá trị của R1, R2 và R3 để cho ra các khoảng điện áp ra từ 0

÷ 0,1V; 0 ÷ 1V Dòng phân cực lối vào của OPAMP là

và (R1 + R2) = 4,9 V / 100µA = 49kΩ

– Với R2 ngắt khỏi mạch (S1 đóng):

VR3 = 1V, Và: I3 = VR3/R3 = 1V / 1kΩ = 1mA;

Tín hiệu lối ra mạch tích phân có dạng xung tam giác, còn lối ra mạch Schmitt trigger là dạng xung vuông Liên kết phản hồi giữa lối ra và lối vào giữa 2 mạch tích phân và mạch Schmitt trigger tạo nên một hệ tự dao động Tín hiệu dạng sin nhận được nhờ mạch tạo hàm sin từ xung tam giác

Mạch suy giảm Tạo

hàm sin

o động chủ

Tầng dao động chủ thực hiện trên cơ sở liên kết mạch tích phân và trigger Schmitt như hình vẽ 4-5

Hình 4-5 Tầng dao động chủ của máy phát hàm

Mạch trigger Schmitt có 2 ngưỡng là:

,

1

R

R V

mgưỡng vào của trigger Schmitt là:

4 3

2

R V

Thế bão hòa dương +V3sat hồi tiếp về lối vào mạch tích phân A1 Lúc này thế lối vào mạch tích phân sẽ là:

0

1 1

1

t V dt

V

C R

hi thế lối ra mạch tích phân đạt mức ngưỡng

4

3 3

1

R

R V

'

1 = − ⋅ <

R

R V

Lúc này thế ra mạch tích phân dốc lên theo quy luật:

1 2

' '

1 2

' 2

CR

1

t V dt

V C R

4

3 3

2

R

R V

bão hòa dương, và trạng thái mạch lại trở về như ban đầu Cứ như thế mạch tự duy trì

Tần số của sóng lối ra được xác định bởi thời gian tụ C1 nạp từ Vn1 tới Vn2 và ngược lại Ta có phương trình để tụ C1 nạp tuyến tính là:

I

V C t V

t I

V V

C

I

f = 1 = = 1

1

hức tính tần số dao động cực đại của

3

4 1 2

C R

Ví du : Cho mạch dao động chủ như hình 4-5, trong đó C1 = 0,1 µF; R1 = 1K;

R2 = 10K; Điện áp ngưỡng của trigger Schmitt là Vn = ± 3V Hãy tính tần số của sóng

3.2 Bộ tạo hàm sin.

ra khi tiếp điểm động của R1 ở đỉnh của chiết áp và khi nó ở 10% của R1 kể từ đáy Cho điện áp nguồn nuôi là VC

t = (0,1 µA x 6V) / 0,14mA ≈ 4,3 ms;

f = 1/ 2t = 1/ 2

Để nhận được sóng sin từ sóng tam giác người ta dùng bộ tạo hàm sin Có 2 diode (hình 4-6) và phương pháp xấp xỉ từng đoạn không tuyến tính

Biến đổi sóng tam giác sang sóng sin

1, D2 và các điện trở R3, R4 thì R1 và Rbộ chia áp bình thường Lúc này tín hiệu ra là một biến thể đã suy giảm của sóng tam giác lối vào:

phương pháp chính là phương pháp xấp xỉ từng đoạn tuyến tính nhờ ma trận điện

2

R R

R V

2 2 1

3 2

//

//

R R R

R R V

än áp ra ị su giảm (kém dốc hơn b y

c +V , diode D bị khóa, mạch lại

hia áp đơn gi

Tương tự, trong nửa chu kỳ âm của điện áp vào V , kức V , diode D 2dẫn, làm R4 // R2 và thế lối ra sẽ là:

4 2

1 R // R

//R R V

V o ≈ i

e nhiều hơn với các mức ngưỡng khác nhau ta có thể tạo được sóng ra có dạng gần đúng dạng sin Trên hình 4-7 là mạch tạo hàm sin với ma

ì dạng sóng nửa chu kỳ âm có dạnKhi dùng số mắt diod

trận 6 diode - 6 điện trở, với 3 mức ngưỡng dương và 3 mức ngưỡng âm Ta thấy độ dốc của sóng ra thay đổi 3 lần trong ¼ chu kỳ Sóng ra có dạng gần sin

Hình 4-7 Bộ tạo hàm sin trên 6 diode

àm sin là sử dụng phương pháp xấp xỉ hóa hình sin bằng những

de có dạng đa thức bậc hai y = ax2 + bx + c (xấp xỉ từng đoạn bằng hàm bậc 2), hoặc dùng đặc tuyến vôn – ampe của điện trở bán dẫn (v ristor

thức:

Cách thứ 2 để tạo hđoạn không tuyến tính Cơ sở của phương pháp này là chia hình sin ra làm nhiều đoạn và mỗi đoạn thay bằng các hàm phi tuyến Ví dụ, đường đặc trưng vôn – ampe của dio

n (độ méo hình sin nhỏ hơn), nhưng thực hiện phức tạp hơn

§ 4 M

i 0 i iđặc tuyến vôn – ampe dạng y = asinx trong khoảng 0÷π⁄2

So với phương pháp xấp xỉ từng đoạn tuyến tính, phương pháp xấp xỉ từng đoạn không tuyến tính có độ chính xác cao hơ

ÁY PHÁT XUNG

Các máy phát xung thường bao gồm mạch tạo xung vuông góc, bộ dao động

đa hài đơn ổn (monostable) và tầng lối ra với bộ suy giảm và dịch mức DC

4.1 Đa hài phiếm định

Mạch tạo xung vuông vóc trên đa hài phiếm định (astable) có sơ đồ nguyên lý như trên hình 4-8