KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TS. LƯU THẾ VINH - 5 ppt

DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ Trong kỹ thuật đo lường điện và vô tuyến điện, một trong những yêu cầu cơ bản để xác định tín hiệu là quan sát dạng và đo các tham số của tín hiệu.. Do vậy, nếu thực

4 3 2

C

Z

A B O

Hình 2-67 Công tơ 3 pha với cơ cấu 3 đĩa cảm ứng

6.5 Biến dòng và biến áp đo lường

6.5.1 Khái niệm chung

Trong mạch điện xoay chiều, để mở rộng giới bạn đo của các dụng cụ người

ta sử dụng các biến áp đo lường Nhiệm vụ của các biến áp và biến dòng là chuyển các giá trị điện áp và dòng điện lớn về các giá trị nhỏ hơn để phù hợp với mạch đo

Các biến dòng và biến áp đo lường còn có tác dụng cách ly mạch điện cao áp với dụng cụ đo để bảo đảm an toàn cho người sử dụng

Về nguyên lý cấu tạo, các biến dòng và biến áp đo lường giống như các biến áp động lực

6.5.2 Biến dòng TI

Biến dòng TI được áp dụng để mở rộng giới hạn đo dòng cho các dụng cụ đo

Sơ đồ nguyên lý của biến dòng TI và cách mắc trong mạch đo như hình vẽ 2-68

Cuộn sơ cấp W1 của TI mắc nối tiếp với tải Z Cuộn thứ cấp W2 được khép kín bằng ampemét hoặc cuộn dòng của wattmét điện động, hoặc cuộn dòng của công tơ điện

Vì điện trở của cuộn thứ cấp rất nhỏ nên có thể coi điều kiện làm việc bình

thường của máy biến dòng là chế độ ngắn

mạch cuộn thứ cấp

Cuộn sơ cấp của biến dòng cần phải được cách điện tốt với cuộn thứ và với vỏ

máy Để đảm bảo an toàn cho người sử dụng

người ta nối đất vỏ máy và một đầu cuộn thứ cấp

I k

2

1

với I 1n và I 2n là trị số định mức của dòng sơ cấp và dòng thứ cấp của TI

Hệ số biến dòng định mức k I khác với hệ số biến áp k 21 = W 2 /W 1 một lượng

không đáng kể, và trong thực tế với độ chính xác cho phép thường lấy k = k 21

Khi đo, dụng cụ đo được mắc vào cuộn thứ cấp của TI Giá trị của dòng cần đo sẽ bằng

số chỉ của dụng cụ nhân với hệ số biến dòng định

mức ghi trên dụng cụ

Máy biến dòng cấu tạo theo nhiều dạng khác nhau, như loại cố định, loại xách tay Để

tiện lợi khi sử dụng người ta thiết kế tổ hợp biến

dòng với dụng cụ đo trong cùng một dụng cụ đo

hợp bộ như ampemét kìm Trên hình 2-69 là hình

dáng của ampemét kìm Ц-91

–Chú ý Chế độ làm việc định mức của máy biến

dòng TI là chế độ ngắn mạch cuộn thứ cấp Do

đó nếu tháo gỡ ampemét ra khỏi biến dòng TI

cần nối tắt 2 đầu dây cuộn thứ, tránh ảnh hưởng

của dòng từ hóa I0 làm tổn hao từ đốt nóng TI

Hình 2-69 Ampemét kìm Ц-91

6.5.3 Biến áp đo lường TU

Biến áp đo lường được dùng để mở rộng thang đo cho các dụng cụ khi làm việc với lưới điện cao thế

Cấu tạo và cách mắc biến áp vào mạch đo như trên hình 2-70 Cuộn sơ cấp

W1 mắc vào lưới điện cần đo, còn cuộn thứ cấp W2 được mắc với đồng hồ đo vôn kế

Giá trị điện áp định mức đối với cuộn sơ cấp của TU theo ГОСТ từ 380 V ÷ 500kV Với

các điện áp định mức nhỏ hơn 3kV áp dụng chất

cách điện khô, còn khi điện áp cao hơn 3kV phải

sử dụng chất cách điện là dầu Khi điện áp định

mức cuộn sơ là 35kV dùng máy biến áp một cấp,

với các điện áp 110kV và cao hơn phải sử dụng

các máy biến áp từ 2 cấp trở lên

Giá trị điện áp thứ cấp U2 định mức với các biến áp TU là 100V hoặc 3

vô cùng lớn Điều kiện làm việc bình thường của

TU rất khác với TI Đối với TI dòng sơ cấp I1 có

thể biến thiên trong phạm vi khá rộng, tùy theo

phụ tải Còn với TU thông thường làm việc với điện áp bên sơ cấp biến đổi không nhiều

Hình 2-70 Biến điện áp TU

Thông số cơ bản của TU là hệ số biến áp định mức:

n

n U

U

U k

2

1

=Trong thực tế các máy biến áp đo lường TU được sản suất với các cấp chính xác 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1 và 3

CHƯƠNG III: QUAN SÁT VÀ GHI DẠNG TÍN HIỆU

1 DAO ĐỘNG KÝ ĐIỆN TỬ

Trong kỹ thuật đo lường điện và vô tuyến điện, một trong những yêu cầu cơ bản để xác định tín hiệu là quan sát dạng và đo các tham số của tín hiệu Các tín hiệu điện và vô tuyến điện là những hàm biến thiên theo thời gian Do vậy, nếu thực hiện được một thiết bị để vẽ trực tiếp đồ thị biến thiên của tín hiệu theo thời gian thì có thể quan sát được hình dạng và đo lường được các thông số đặc tính của nó

Thiết bị cho phép quan sát và đo đạc các tham số của tín hiệu là máy hiện sóng hay dao động ký điện tử (oscilloscope) Dao động ký điện tử là thiết bị đo thực hiện vẽ dao động đồ và hiện hình dạng sóng tín hiệu nhờ ống tia điện tử CRT (Cathode Ray Tube) Dao động ký điện tử có thể đo hàng loạt các thông số của tín hiệu: trị đỉnh, trị tức thời của điện áp, dòng điện; đo thời hạn xung, tần số, đo di pha,

đo hệ số điều chế biên độ, vẽ đặc tuyến các linh kiện

Nhờ trở kháng lối vào rất lớn nên phép đo có ưu điểm không làm ảnh hưởng tới chế độ công tác của mạch

Nhờ độ nhạy cao dao động ký điện tử cho phép khảo sát các quá trình rất yếu cả tuần hoàn lẫn quá trình xung với khả năng phân biệt cao

Các dao động ký điện tử được phân loại theo các dấu hiệu khác nhau:

– Phân loại theo dãi tần: tần cao, tần thấp;

– Phân loại theo số tia điện tử: 1 tia hay nhiều tia;

Nhờ các đặc tính quý báu như trên nên dao động ký điện tử là thiết bị đo cơ bản và quan trọng không thể thiếu trong các phòng thí nghiệm điện tử

Sơ đồ khối chức năng của dao động ký điện tử 1 chùm tia chỉ ra trên hình 3-1

Khuếch đại kênh Y

đồng bộ

Đồng bộ ngoài Khuếch đại Tạo chuẩn

thời gian

Đồng bộ trong Đồng bộ lưới 50Hz

Quét đợi Quét liên tục Khuếch đạikênh XĐầu vào Y

Hình 3-1 Dao động ký điện tư.û

§ 2 TẦNG KHUẾCH ĐẠI KÊNH Y

Sơ đồ nguyên lý của tầng khuếch đại kênh Y như hình 3-2

Hình 3-2 Tầng khuếch đại kênh Y

Điện áp cần khảo sát qua mạch lối vào (DC hoặc AC), sau đó qua bộ suy giảm và đưa vào tầng khuếch đại vi sai trên các transistor Q2,,Q3 Các transistor Q1

và Q4 là các mạch gánh emiter để tạo trở kháng vào lớn

Khi thế lối vào Vi = 0, ta có VB1 = 0 Điều chỉnh biến trở R10 sao cho VB4 = 0 Lúc đó 2 nửa vi sai cân bằng, IC2 = IC3 Sụt áp trên R3 và R6 cho ta các điện áp trên collector của Q1 và Q2 tương ứng bằng nhau Do đó VC2 – VC3 = 0V

Khi có tín hiệu vào theo chiều dương, làm thế đáy VB2 tăng, IC2 tăng dẫn đến

IC3 giảm Dòng IC2 tăng khiến VC2 giảm dưới mức đất, trái lại, dòng IC3 giảm khiến

VC3 tăng trên mức đất Nếu ∆VC2 = –1V thì ∆VC3 = +1V, nghĩa là có 2 điện áp ngược chiều nhau đặt trên collector của Q2 và Q3 Hiệu điện thế này sẽ đặt lên 2 phiến lệch đứng YY của ống tia điện tử

Chiết áp R10 làm nhiệm vụ điều chỉnh mức DC Khi tiếp điểm động của R10 ở giữa, VB4 = 0 (ở mức thế đất) Khi tiếp điểm động của R10 dịch chuyển lên phía trên,

VB4 > 0 , VB3 tăng theo chiều dương làm IC3 tăng, nên IC2 giảm, VC3 giảm và VC2 tăng

Thế này đặt vào phiến lái tia làm chùm electron lệch lên trên tâm màn hình, kết quả toàn bộ hình vẽ nâng lên trên mức DC bình thường Ngược lại, khi tiếp điểm động

§ 3 HIỆN HÌNH DẠNG SÓNG

Nguyên tắc vẽ dao động đồ của dao động ký điện tử có thể minh họa trên hình 3-3

3.1 Khi chưa có tín hiệu đặt vào các phiến lái tia XX và YY thì chùm tia điện tử sẽ đập vào giữa tâm màn hình Trên màn có 1 vết sáng tròn (hình 3-3,a);

chùm tia điện tử sẽ di chuyển theo phương ngang và vẽ nên một vệt sáng nằm ngang trên màn hình Đây là chế độ quét đợi thường trực của máy hiện sóng (hình 3-3,b)

3.3 Khi chỉ có điện áp xoay chiều hình sin Uy đặt vào phiến lệch đứng YY, chùm tia điện tử sẽ di chuyển theo phương thẳng đứng với tần số của điện áp hình sin Trên màn hình sẽ có 1 vệt sáng thẳng đứng (hình 3-3,c)

3.4 Nếu trên phiến XX tác động điện áp quét Ux, trên phiến lệch đứng YY đặt điện áp xoay chiều hình sin Uy Khi có sự đồng bộ giữa Ux và Uy thì trên màn hình ta sẽ quan sát được dạng sóng của điện áp hình sin (hình 3-3,d) Tùy thuộc vào tỷ số tần số giữa điện áp quét Ux và điện áp hình sin Uy mà trên màn hình ta sẽ quan sát được số chu kỳ của điện áp Uy

–Ví dụ Một sóng tam giác 500 Hz với biên độ đỉnh 50V được đưa vào phiến lệch

đứng YY của ống tia điện tử CRT Trên các tấm lệch ngang XX đặt vào điện áp

= 0,1 cm/V; độ nhạy lái tia ngang Sx = 0,08 cm/V Giả sử hai tín hiệu được đồng bộ hóa Hãy xác định và vẽ dạng sóng trên màn hình

Ta có: Chu kỳ của sóng quét răng cưa (hình 3-4,a) là:

Hình 3-4 Nguyên tắc hiện hình dạng sóng

Chùm tia điện tử sẽ dịch chuyển theo sự điều khiển của điện áp đặt vào các phiến lệch đứng và lệch ngang Gọi tọa độ của điểm sáng trên màn hình theo các trục tọa độ Oxy tương ứng Ta hãy xét các thời điểm sau:

– Tại thời điểm t = 0 , điện áp đặt vào các phiến lệch đứng và lệch ngang tương ứng là:

Vy = 0V; Vx = -50V

Như vậy, độ lệch đứng của tia điện tử y = 0, còn độ lệch ngang là:

x = Vx Sx = -50 V 0,08 cm/V = -4 cm

Vị trí của điểm sáng trên màn hình (điểm 1) có tọa độ (-4, 0)

với tọa độ (-2, 0)

– cho đến thời điểm t = 4 ms (điểm 9), khi đó điểm sáng trên màn hình sẽ có tọa độ tương ứng với (x=4cm, y=0) Trên bảng 3-1 chỉ ra các tham số tương ứng với những tính toán nói trên

Đồ thị dạng sóng hiện hình trên dao động ký điện tử chỉ ra trên hình 3-4, c cho

kỳ của điện áp sóng tam giác Vy

§ 4 BỘ TẠO GỐC THỜI GIAN

4.1 Bộ tạo dao động quét răng cưa

Sơ đồ nguyên lý của mạch tạo dao động răng cưa chỉ ra trên hình 3-5 Mạch gồm 2 khối chức năng chính là: bộ tạo sóng quét răng cưa và trigger Schmitt không

trigger Schmitt Do độ lợi của mạch khuếch đại thuật toán rất lớn ( ∼20.000) nên mỗi thay đổi nhỏ giữa 2 lối vào của trigger cũng làm cho lối ra của nó ở mức bão hòa

–Nguyên tắc hoạt động Mạch tạo sóng quét răng cưa hoạt động trên cơ sở nạp và

phóng của tụ điện Transistor Q1 và các điện trở thiên áp cho nó tạo nên nguồn dòng

ổn I1 để nạp cho tụ C1 Transistor Q2 đóng vai trò khóa xả cho tụ C1 và được điều khiển bởi xung lối ra của trigger schmitt

Ở trạng thái ban đầu thế lối ra của trigger ở mức bão hòa âm, Q2 khóa, C1

được nạp bằng dòng I1 Thế trên tụ tăng tuyến tính theo quy luật:

1

1 1

C

t I

V

Trigger chuyển trạng thái lối ra lên bão hòa dương Thế bão hòa này làm cho

Khi thế trên tụ C1 giảm xuống mức ngưỡng dưới kích trigger chuyển trạng thái lối ra sang bão hòa âm, cấm Q2 và tụ C1 lại được nạp lại Cứ như thế lối ra trên collector Q1

ta có dạng sóng răng cưa với mặt trước tăng tuyến tính, mặt sau gần như dốc đứng

Để thay đổi chu kỳ sóng quét răng cưa, ta có thể thay đổi nguồn dòng I1 bằng cách điều chỉnh biến trở R3, hoặc thay đổi thời hằng của mạch nạp nhờ chuyển mạch

Mức ngưỡng dưới Mức ngưỡng trên

Hình 3-5 Nguyên lý của mạch tạo sóng quét

Q2 là transistor Si Hãy tính biên độ đỉnh – đỉnh VPP và chu kỳ dạng sóng răng cưa T

Ta có: Điện áp ngưỡng của trigger schmitt:

V K

K R

R V

7,2

9,3)115()

V PP = 2 Vng = 2 x 2V = 4V

Điện áp trên đáy của Q1 là:

).(

4,9V

2 1

1

R R

R V

V V

2,4

7,09,43

F I

C V T

C

11

25,041

1

∆

4.2 Bộ tạo gốc thời gian tự động

Để hiện hình chính xác dạng sóng, cần thực hiện đồng bộ hóa giữa sóng quét răng cưa và tín hiệu cần khảo sát Khi mất đồng bộ hình sẽ bị trôi rất khó quan sát Sự đồng bộ hóa được thực hiện nhờ đầu vào đồng bộ của mạch trigger Schmitt ở hình 3-5 Sơ đồ khối của bộ tạo gốc thời gian tự động minh họa trên hình 3-6

đại khởi động của bộ tạo gốc thời gian Bộ khuếch đại khởi động có đầu ra vi sai vớí

đất) Tín hiệu lối ra của trigger schmitt là sóng vuông đồng bộ hóa chính xác với tín hiệu đưa vào các phiến lệch đứng YY Sóng vuông qua mạch vi phân sau đó qua mạch cắt phần xung dương, lấy phần xung mũi âm để đưa vào lối vào đồng bộ của mạch tạo sóng quét răng cưa

là dạng xung được đảo và vi phân, tạo thành xung dương trong thời gian quét thuận và xung âm trong thời gian quét ngược đưa về lưới điều chế M của CRT Các xung âm (xung xóa) sẽ kéo lưới xuống mức âm đủ để xóa hoàn toàn chùm electron trong thời gian quét ngược

Trên hình 3-7 minh họa sự đồng bộ hóa sóng quét răng cưa và sóng tín hiệu cần nghiên cứu, khi hiện hình một chu kỳ (hình 3-7,a) và hiện 2 chu kỳ (hình 3-7,b).

Xung quét Ngưỡng khởi động trên

Ngưỡng khởi động dưới

Xung nhọn

bị xóa

Dạng sóng hiện trên màn hình Dạng sóng vào

Xung mũi đồng bộ

Hình 3-7 Đồng bộ hóa sóng quét răng cưa và tín hiệu nghiên cứu

Hình 3-6 Bộ tạo gốc thời gian tự động

§ 5 DAO DỘNG KÝ NHIỀU KÊNH

Thông thường các dao động ký điện tử được thiết kế nhiều kênh để có thể hiện hình đồng thời từ 2 dạng sóng trở lên Các dao động ký nhiều kênh cho phép dễ dàng quan sát, so sánh và đo đạc các tham số của các tín hiệu một cách đồng thời; chẳng hạn có thể quan sát đồng thời tín hiệu lối vào và tín hiệu lối ra của một bộ khuếch đại, một bộ biến đổi điện tử, hay một mạng tứ cực nói chung; từ đó dễ dàng xác định được các tham số đặc tính của mạch

Đối với dao động ký 2 kênh, có thể thực hiện theo 2 phương pháp:

5.1 Ống tia điện tử CRT được thiết kế với 2 súng phóng điện tử, 2 kênh điều khiển lệch đứng riêng biệt và một kênh lệch ngang chung (hình 3-8) Trường hợp này dao động ký còn gọi là máy hiện sóng 2 chùm tia

5.2 Ống tia điện tử với 1 súng điện tử, nhưng được tách thành 2 kênh nhờ một bộ chuyển mạch điện tử Tần số chuyển mạch được điều khiển nhờ bộ tạo gốc thời gian (hình 3-9)

Hình 3-8 Dao động ký với CRT có 2 kênh riêng biệt

Hình 3-9 Dao động ký với 2 kênh dùng chuyển mạch điện tử

Với dao động ký đa kênh kiểu dùng chuyển mạch điện tử, hoạt động của bộ tạo quét có thể thực hiện theo một trong hai chế độ hoặc là quét kiểu luân phiên hoặc là quét theo kiểu ngắt quảng (chop mode switching)

Trên hình 3-10 minh họa nguyên tắc hoạt động của kiểu quét luân phiên,

vào kênh B Cả 2 sóng được đồng bộ hóa và được dịch mức DC Điện áp đưa vào kênh A là VA được dịch lên trên mức đất, còn điện áp VB dịch xuống dưới mức đất

khoảng thời gian từ t1 ÷ t2 (hình3-10,c) Tần số lặp lại của chuyển mạch đủ lớn cho phép các dạng sóng có vẻ hiện một cách đồng thời trên màn hình (hình 3-10,d)

VA

VB

Điện áp quét

Điện áp vào khuếch đại khuếch Y

Dạng sóng hiện trên màn

1 t2 t3 t4t5 t6 t7

Dạng sóng hiện với tín hiệu cao tần

Trong chế độ quét kiểu ngắt quảng thì hoạt động của mạch được minh họa

khuếch đại đứng, trong thời gian t2 cho tín hiệu kênh B, sau đó tiếp tục tín hiệu kênh

A vào trong thời gian t3 và tín hiệu kênh B vào trong thời gian t4 , v.v… Cứ như thế dạng sóng vào được lượng tử hóa theo tần số của điện áp chuyển mạch, và hình dạng sóng đối với các tín hiệu cao tần có dạng như chỉ ra trên hình 3-11 Đối với các tín hiệu tần thấp vết gián đoạn là không nhìn thấy

Như vậy, chế độ quét luân phiên thích hợp đối với các tín hiệu cao tần, còn kiểu ngắt quảng tốt đối với các tín hiệu tần thấp

§ 6 ĐẦU DÒ CỦA DAO ĐỘNG KÝ

6.1 Đầu dò 1:1

Khác với các máy đo thông thường, các đầu đo của dao động ký điện tử làm

bằng cáp đồng trục nối với đầu dò (probe) Mỗi probe có 2 đầu nối: đầu vào và đầu

tiếp đất Đầu tiếp đất nối với màn chắn của cáp, còn đầu vào nối với lõi của cáp

đồng trục dùng để đẫn tín hiệu cần đo (hình 3-12)

Hình 3-12 Đầu dòø(probe) 1:1 của dao động ký điện tử

Kiểu đầu dò này được gọi là đầu dò 1:1 Mạch điện tương đương của đầu dò khi nối với nguồn tín hiệu như trên hình 3-13 Cáp đồng trục có một điện dung tương

sóng thường là 1MΩ mắc song song với một điện dung cỡ 30pF Trở kháng toàn phần

do cáp đồng trục và đầu vào của máy hiện sóng phải đảm bảo luôn luôn lớn hơn nhiều so với trở kháng của nguồn tín hiệu Nếu điều kiện trên không thỏa mãn tín hiệu sẽ bị suy giảm và pha sẽ bị dịch chuyển khi nối với máy hiện sóng

Hình 3-13 Mạch tương đương của đầu dò khi nối với nguồn tín hiệu

Ở những tần số mà dung kháng của các tụ (Ccc + Ci) lớn hơn nhiều so với các điện trở thuần Rs và Ri thì ảnh hưởng của điện dung không đáng kể Điện áp lối vào máy hiện sóng là: