KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TS. LƯU THẾ VINH - 4 pps

Xung vào bộ đếm trong khoảng thời gian mở cửa τ.. Bộ đếm thực hiện đếm lên trong khoảng thời gian τ.. Thế –VR đưa vào mạch tích phân trong khoảng thời gian t2.. Khi thế lối ra mạch tích

i i

x i

R t I f hay V

R t I

T = = = α

0 0

Tx

t1 t0

t1 V2

V3

Hình 2-40

–Nhận xét: Sơ đồ vừa khảo sát chỉ đo được điện áp một dấu (+) hoặc (–) Để đo được

điện áp hai dấu ta phải mắc thêm mạch lấy trị tuyệt đối để cho ra điện áp dương, đồng thời đưa qua mạch so sánh để chỉ thị dấu (+) hoặc (–) Sơ đồ cấu trúc của máy

đo điện áp hai dấu như hình 2-41

+ -

Hình 2-41.

Các linh kiện sử dụng cho sơ đồ có thể dùng:

– Mạch đếm: dùng IC 7490 – đếm thập phân không đồng bộ;

– Mạch chốt: dùng IC 7475 – 4 chốt loại D;

– Mạch giải mã: dùng IC 7446, 7447 – giải mã từ BCD – 7 đoạn;

IC 7441, 7442 – giải mã từ BCD – tích phân lái đèn NIXIE

4.2.4 Phân tích khả năng chống nhiễu của sơ đồ

Mạch biến đổi V/F có khả năng chống nhiễu tốt đối với nhiễu có chu kỳ Khả năng chống nhiễu của sơ đồ được xác định từ biểu thức định nghĩa:

N

S Q

Nhiễu

hiệuTín

0 0

T f T

V V

tdt f V

dt V T

V

V N

S Q

4.2.5 Đo điện áp 2 dấu nhờ bộ đếm lên xuống

Sơ đồ nguyên lý mạch đo chỉ ra trên hình 2-42

+

G mã, chỉ thị

Vo - chuẩn

K

Hình 2-42 Đo điện áp 2 dấu nhờ bộ đếm lên xuống

Mạch trên cho phép đo điện áp có dấu (+) hoặc dấu (-) Giả sử ban đầu bộ điều khiển đóng khóa K ở vị trí 1 Thế vào mạch biến đổi V/F là V0, tần số lối ra tương ứng là f0 Xung vào bộ đếm trong khoảng thời gian mở cửa τ Bộ đếm thực hiện đếm lên trong khoảng thời gian τ Kết quả đếm đưa qua mạch ghi trong thời gian τ là

N = f0 τ Hết thời gian τ, bộ điều khiển đảo mạch khóa K sang vị trí 2 Lúc này thế vào mạch biến đổi V/F sẽ là:

V i + V 0 > V0 nếu Vi > 0

V i + V 0 < V0 nếu Vi < 0

Nếu V i > 0, tần số lối ra của mạch biến đổi V/F là: f = f 0 + ∆f

Nếu V i < 0, tần số lối ra của mạch biến đổi V/F là: f = f 0 – ∆f,

Trong đó ∆f = α⏐V i⏐ Bộ đếm thực hiện đếm xuống Nếu Vi < 0, số chứa trong bộ đếm sẽ qua 0 và mạch phát giác 0 sẽ phát hiện để cho chỉ thị dấu (–) Hết thời gian đếm xuống kết quả trong bộ nhớ sẽ là ∆f

4.3 Phương pháp biến đổi điện áp sang khoảng thời gian (V-T)

4.3.1 Phương pháp tạo hàm dốc

a.Nguyên tắc Điện áp cần đo được biến đổi thành khoảng thời gian tương đương

Đo khoảng thời gian này bằng cách đếm số xung đồng hồ đã biết chính xác tần số

b.Sơ đồ cấu trúc

Sơ đồ cấu trúc của một vôn kế số sử dụng phương pháp biến đổi điện áp sang khoảng thời gian chỉ ra trên hình 2-43

+ -

+ -

Mạch vào

FF

G mã Chỉ thị Clock

Giả sử điện áp vào Vi > 0 và điện áp răng cưa đi từ (-) sang (+) (hình 2-44, a) Khi điện áp răng cưa đi qua 0, mạch SS2 phát hiện đảo trạng thái lối ra lên “1”, (hình 2-44, b) kích Flip-Flop FF đảo trạng thái lối ra từ “0” lên “1” (hình 2-44, d) mở cửa

AND để xung đếm từ bộ tạo xung clock đi vào bộ đếm Thế răng cưa tiếp tục đi lên Khi thế răng cưa bằng Vi mạch SS1 lật trạng thái lối ra lên “1” (hình 2-44, c) và tác động vào FF đảo trạng thái lối ra từ “1” về “0” (hình 2-44, d) kết thúc xung điều khiển đóng cửa chọn xung đi vào bộ đếm Như vậy sau 2 lần đổi trạng thái của FF có một xung dương độ rộng τ mở cửa AND

Xung đếm

Trong đó c = tg β là tốc độ biến thiên của điện áp răng cưa

Gọi m là số xung đếm được, Tc là chu kỳ của xung đồng hồ thì:

4.3 2 Phương pháp tích phân 2 sườn dốc (dual slope intergrator)

Để đo điện áp 2 dấu thường sử dụng mạch tạo hàm 2 sườn độ dốc trên cơ sở mạch tích phân Miller (hình 2-45)

Mạch tích phân Miller được thực hiện trên cơ sở khuếch đại thuật toán A1, điện trở R1 và tụ C1 Điện áp lối của mạch tích phân biến đổi theo hệ thức:

∫

−

=

0 1 1

1 V dt

С R

Hình dạng của sóng ra và sóng vào như trên hình 2-45

Hình 2-45 Mạch tích phân Miller

R1

C1

R2

+ -

R4

R3 Dz

R2

C1 R5

A1

-V +V

-V

A3

+V

A2 Vi

IR

Ii

-V

-V +V

Tích phân Miller Zero crossing detector Lối vào ĐK

Mạch lặp áp

dò 0 điều khiển FET Q2 của mạch tích phân Khi đầu ra của bộ dò 0 ở mức cao, Q2 đóng ngắn mạch tụ C1 Khi đầu ra bộ dò 0 ở mức thấp Q2 ngắt, tụ C1 được nạp

FET Q1 được điều khiển từ xung nhịp bên ngoài lấy từ bộ tạo gốc thời gian Khi xung điều khiển âm, Q1 ngắt, cách ly thế lối vào với mạch đo Trong thời gian này nguồn dòng ổn IR đổ qua R5 :

5 4

Khi có xung điều khiển dương, Q1 dẫn thông bão hòa nối mạch đo với thế lối vào Vi Dòng đổ qua R5 lúc này là:

đo bằng cách khởi động mạch dếm Giản đồ xung minh họa nguyên tắc làm việc của mạch như hình 2-47

Ở trạng thái ban đầu bộ điều khiển xóa kết quả ở bộ đếm và trạng thái các Flip flop, khóa K2 bật sang vị trí nối với Vx, khóa K3 hở

Các mạch so sánh SS1 và SS2 để phân biệt dấu của điện áp đo Vx và đưa tới bộ chỉ thỉ thị dấu

+ -

+ -

R1

C R

R

R

+ -

+ -

Ghi

Giải mã, Chỉ thị

Hình 2-48 Vôn kế số với mạch tích phân hai sườn dốc

Ta có, thế lối ra mạch tích phân:

x

RC

t V dt

V RC

Nếu Vx > 0, V1 < 0, thế lối ra mạch tích phân đi xuống (hình 2-49, a), bộ đếm sẽ đếm xuống trong khoảng thời gian t1, khi hết thời gian t1 bộ điều khiển tạo xung kích FF1 đổi trạng thái chuyển khóa K2 xuống dưới nối với K1 lúc đó đang ở vị trí nối với -VR

Thế –VR đưa vào mạch tích phân trong khoảng thời gian t2 Thế ra mạch tích phân lúc này là:

V’1 >0, thế ra mạch tích phân tăng về phía dương trong khoảng thời gian t2 Bộ đếm thực hiện đếm lên Khi thế lối ra mạch tích phân qua zero, FF2 lật trạng thái, đóng cửa AND cấm xung đếm vào bộ đếm, kết thúc một chu trình đo Cuối thời gian

t2 khóa K3 đóng, tụ C xả để chuẩn bị cho lần đo kế tiếp

Ta có, thời gian t1 để bộ đếm đếm xuống là: t1 = kN1, trong đó N1 là số đếm trong bộ đếm Khi hết thời gian t1, thế lối ra mạch tích phân là:

t V

x x

R

V

kN V t

V

V t

RC

t V RC

t

1 2

y

x

−

=

4.3.3 Phương pháp tạo hàm bậc thang

Sơ đồ cấu trúc thể hiện nguyên lý của phương pháp trên hình 2-50, a và giản đồ thời gian chỉ ra trên hình 2-50, b Hoạt động của mạch như sau:

+ -

Ghi

Giải mã, Chỉ thị ĐẾM

Clock

Đ khiển DAC

Hình 2-50 Phương pháp tạo hàm bậc thang

Ở trạng thái ban đầu thế lối ra của mạch DAC là 0V Khi có điện áp lối vào

Vi > 0, mạch so sánh SS đảo trạng thái đưa ngõ ra lên “1” mở cửa AND cho xung nhịp

đi vào bộ đếm Mỗi xung nhịp vào làm thế lối ra DAC tăng lên một bậc Khi thế lối

ra DAC bằng thế Vi mạch so sánh SS đảo trạng thái đưa lối ra về “0”, đóng cửa AND, kết thúc thời gian đếm Xung đếm trong thời gian mở cửa τ được ghi và đưa sang giải mã, chỉ thị

Đến chu kỳ sau, bộ điều khiển phát xung xóa kết quả ở bộ đếm, nội dung chuyển qua DAC để reset lối ra về 0V Mạch chuẩn bị để đo tiếp

§ 5 BỘ ĐẾM ĐIỆN TỬ.

5.1 Hệ đếm nhị phân

Trong các dụng cụ đo chỉ thị số, đại lượng đo tương tự ở lối vào sau khi được biến đổi thành dạng mã số nhờ khối biến đổi ADC sẽ được đưa tới bộ đếm điện tử Chức năng của bộ đếm là thực hiện việc đếm mã số đưa tới sau đó truyền dữ liệu qua khối giải mã và đưa ra chỉ thị

Trong các thiết bị số thường sử dụng hệ đêùm nhị phân (binary) vì cơ số 2 tiện dụng cho việc biểu diễn các trạng thái logic của mạch

Một số trong một hệ đếm bất kỳ có thể biểu diễn dưới dạng:

i n

m i

i Z a z

−

=)

Trong đó: Z – là cơ số đếm;

a i – hệ số : 0 ÷ Z–1

Hay viết ở dạng khai triển sau:

N = an, an-1, , a0 ; a-1 , a-2 , , a-m

Trong hệ đếm thập phân (decimal) ta có Z = 10, tương ứng với các cơ số:

a = 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9

Như vậy một số trong hệ đếm thập phân, chẳng hạn 1997,53 nếu biểu diễn theo công thức (2-56) sẽ là:

1997,53 = 1 103 + 9 102 + 9.101 + 7.100 + 5.10-5 + 3 10-2 Trong hệ đếm nhị phân (binary), Z = 2, tương ứng với cơ số a = 0, 1 Biểu diễn số trong hệ nhị phân chỉ với 2 cơ số 0 hoặc 1

Ví dụ: số đếm nhị phân 1001.10 khi biểu diễn theo (2-56) sẽ cho kết quả:

1001.10 = 1 23 + 0 22 + 0 21 + 1 20 + 1 2–1 + 0 2–2

= 8 + 0 + 0 + 1 + 0,5 + 0,25 = 9,75

Ngoài ra còn có các hệ đếm bát phân (Octal - cơ số 8), hệ thập lục phân (Hecxa decimal - cơ số 16)

So với các hệ đếm khác, hệ nhị phân có ưu điểm là cơ số của hệ đếm đặc biệt tiện lợi để biểu diễn các trạng thái logic trong điều khiển Hai giá trị 0 và 1 ứng với 2 trạng thái ổn định của một triger, ứng với 2 trạng thái đối kháng dứt khoát trong kỹ thuật điều khiển đó là: đóng - mở; có – không; đúng – sai; trong – ngoài; trên – dưới; phải – trái; cao – thấp; xuôi – ngược; nóng – lạnh; vv

Sự thay đổi trạng thái từ 0 lên 1 hay từ 1 về 0 thực hiện rất nhanh làm cho việc tính toán trong hệ nhị phân nhanh hơn trong các hệ đếm khác Mặt khác các phần tử để xây dựng các chữ số không phức tạp (chỉ dùng 2 trạng thái) Điều đó làm cho thiết bị có độ tin cậy cao

Số các phần tử để cấu trúc các con số ở hệ nhị phân ít hơn so với hệ thập phân Ví dụ, trong hệ thập phân để biểu diễn 2 ô thể hiện số 99 cần đến 2x10=20 phần tử Trong hệ nhị phân để biểu diễn 7 ô thể hiện số 1111111(2) = 127 chỉ cần 7x2=14 dụng cụ

5.2 Mã hóa các số thập phân

Để tiện dụng cho việc tính toán và lưu trữ trong các thiết bị số người ta biểu diễn số qua các từ mã Mỗi từ mã tương ứng với số ký số nhất định, mỗi ký số biểu diễn một trọng số Việc chuyển số từ mã này sang mã khác thực hiện nhờ các mạch mã hóa và giải mã

Đối với các số thập phân có rất nhiều cách để mã hóa khác nhau: mã BCD - 8421); mã 2421 (Aiken), Gray, mã dư 3, v.v

Mã BCD-8421 là mã có trọng số tự nhiên Trong mã này, mỗi số thập phân bất kỳ được biểu diễn bằng một số nhị phân 4 bít, bít có nghĩa lớn nhất có trọng số

23=8, bít có nghĩa bé nhất có trọng số 20=1 Phần 8421 trong tên mã chỉ trọng số tương ứng của mỗi vị trí trong mã 4 bít

Ví dụ: 8 (10) = 1000(2) = 1.23 + 0.22 + 0.21 + 1.20

Các trọng số: 8 4 2 1 Với 4 bít ta có 24=16 tổ hợp, nhưng trong mã BCD chỉ dùng hết 10 tổ hợp Đó là các tổ hợp từ 0000 đến 1001 Còn lại 6 tổ hợp không dùng là: 1010, 1011, 1100,

1110 và 1111 Nếu 1 trong 6 tổ hợp này xuất hiện trong quá trình tính toán thì phép tính sẽ phạm sai lầm

Trên hình 2-51 minh họa việc chuyển đổi giữa mã số thập phân và mã số BCD-8421

0011 0010 1000 0100 7 1 , 0 8

Hình 2-51 Chuyển đổi giữa số thập phân và BCD-8421

a) Từ thập phân ra BCD; b) Từ BCD ra thập phân;

c) Thập phân có lẻ ra BCD; d) BCD có lẻ ra thập phân

Ngoài mã BCD-8421 còn nhiều loại mã 4 bít khác như 5421, 4221, 2421, , v.v Trên bảng 2-1 là sự tương ứng giữa các mã 8421, 5421, 2421 và mã thập phân

Bảng 2-1 Mã BCD - 8421 Mã 5421 (mã Aiken) Mã 2421

5.3 Bộ đếm

Bộ đếm trong các dụng cụ đo chỉ thị số là khối điện tử chức năng thực hiện việc đếm số xung đồng hồ trong thời gian mở cửa đếm, sau đó đưa qua mạch giải mã và chỉ thị Các tham số cơ bản của bộ đếm là:

– Dung lượng đếm cực đại;

– Cách đếm tiến hay đếm lùi;

– Đếm đồng bộ hay không đồng bộ

Tùy thuộc vào dạng mã mà thiết kế các mạch đếm tương ứng Trên hình 2-52 là ví dụ minh họa sơ đồ mạch đếm thập phân không đồng bộ 4 bít thực hiện trên 4 triger JK

J C Q

Q

K CLR

J C Q

Q

K CLR

J C Q

Q

K CLR

J C Q

Đây là bộ đếm được sử dụng rộng rãi nhất Tổ hợp 4 triger cho ta 16 trạng thái, nhưng ta chỉ lấy 10 trạng thái Bộ đếm hoạt động bình thường cho đến xung thứ

9 là dung lượng tối đa Đến xung thứ 10 thì do tổ hợp 1010 của bộ đếm, lối ra của triger 2 và 4 sẽ đặt tổ hợp 1-1 lên cổng NAND làm lối ra của nó xuất hiện xung reset bộ đếm về 0000 và bộ đếm lại tiếp tục chu kỳ mới

Trong thực tế, các bộ đếm được chế tạo dưới dạng mạch tích hợp Chẳng hạn

vi mạch 7490, 74LS90 là vi mạch đếm thập phân 14 chân rất thông dụng để tạo ra các bộ đếm chia 5, chia 6, chia 7, chia 8, chia 9, chia 10 chỉ đơn giản bằng cách nối tổ hợp các chân lối ra IC 74192 – vi mạch đếm thập phân lên xuống, v.v

5.4 Bộ giải mã

Bộ giải mã có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu từ bộ đếm tới dưới dạng tổ hợp các điện áp đầu vào thành một điện áp đầu ra tương ứng Một bộ giải mã thường có n đầu vào và m đầu ra dùng để truyền tín hiệu lệnh đến một mạch nào đó để điều khiển

A B C D

BCD - THẬP PHÂN

0 1 2 3 9

Ví dụ mạch giải mã BCD sang thập phân gồm có 4 lối vào ABCD và 10 lối ra

tương ứng với các tổ hợp để điều khiển

hiện các số từ 0 đến 9 (Hình 2-53)

Hình 2-53

Sơ đồ nguyên lý của nó chỉ ra trên hình 2-54 Trong mạch gắn các LED để

D1

D9 D2

.

Hình 2-54 Mạch giải mã BCD sang thập phân

Hoạt động của mạch như sau: Mã đếm BCD từ bộ đếm thập phân được đưa tới các đầu vào ABCD của bộ giải mã Giả sử mã đếm là 0000 , các lối vào A=B=C=D=0, qua cửa NOT ta có A=B =C = D =1 Ngõ ra N0 xuống “0” nên LED D0 phát sáng Các LED khác tắt

Khi tín hiệu vào là 0001, A=B =C =1;D =0 Ngõ ra N1 xuống thấp, D1 sáng, các LED khác tắt v.v

Cho đến khi tín hiệu vào là 1001, A=0;B =C =1;D =0 Ngõ ra N9 xuống thấp, D9 sáng, các LED khác tắt

Các mạch giải mã được tích hợp trong các IC chuyên dụng Chẳng hạn một số mạch giải mã thập phân như sau:

– 7441, IC giải mã BCD sang thập phân, ngõ ra chịu thế cao (60V);

– 7442, 74LS42: IC giải mã BCD sang thập phân;

– 7443: IC giải mã dư 3 sang thập phân;

– 7444: IC giải mã Gray dư 3 sang thập phân;

– 7445: IC giải mã BCD sang thập phân dòng lớn ( 80mA)

Các IC giải mã BCD sang 7 đoạn (BCD to Seven segment decoder) để điều khiển trực tiếp các đèn LED 7 đoạn như 7447, 74LS47(loại mắc Anode chung) 7448, 74LS48 (loại mắc cathode chung)

§ 6 ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG

6.1 Đo công suất điện một chiều

Trong mạch điện một chiều, công suất tiêu thụ trên phụ tải được xác định bằng công thức:

A

V +

a) r A << R L b) r V >> R L

Hình 2-55

6.2 Đo công suất điện một pha Woát mét điện động

Watt kế điện động được thiết kế trên cơ sở của cơ cấu điện động gồm 2 cuộn dây: cuộn dòng điện (cố định) và cuộn thế (cuộn di động) Sơ đồ nguyên lý, ký hiệu cũng như cách mắc chỉ ra trên hình 2-56 Dấu (* ) chỉ cực tính nối điểm chung của cuộn thế và cuộn dòng

Hình 2-56 Watt kế điện động

Rp – điện trở phụ mắc nối tiếp với cuộn thế để mở rộng cỡ đo Ta có góc quay phần động tỉ lệ với dòng chạy qua 2 cuộn dây:

α = k 1 I 1 I 2 = k 1 k 2 U L I L cosϕ = k P (2-58) Watt kế điện động có ưu điểm là có độ chính xác cao (cấp chính xác 0,5; 0,2; 0,1%), rất tiện dụng để đo công suất điện một chiều và xoay chiều ở tần số 50-60Hz Nhược điểm là từ trường yếu, mô men quay nhỏ dễ bị ảnh hưởng bởi từ trường nhiễu và không chịu được sự quá tải

Để tăng mô men quay và giảm từ trường nhiễu có thể dùng cơ cấu sắt điện động, khi đó ta có cơ cấu watt kế sắt điện động Tuy nhiên cơ cấu sắt điện động tạo nên những sai số phụ do đặc tính phi tuyến của đường cong từ hóa, hiệu ứng từ trễ

6.3 Đo công suất điện 3 pha

6.3.1 Mạch 3 pha 4 dây

Với hệ thống 3 pha 4 dây thì công suất tiêu thụ trên phụ tải được xác định:

P = P A + P B + P C = U A I A cosϕA + U B I B cosϕB + U C I C cosϕC (2-59)Để đo công suất của mạch 3 pha ta dùng 3 watt kế 1 pha mắc theo sơ đồ chỉ ra trên hình (2-57)

A B C

Hình 2-57 Đo công suất tải 3 pha 4 dây

Trong thực tế người ta chế tạo watt kế 3 pha, gồm 3 cuộn dây tĩnh tương ứng có 3 cuộn dây động gắn trên cùng một trục quay Mô men làm quay phần động là mô men tổng của cả 3 phần tử, tức tỷ lệ với công suất 3 pha

6.3.2 Mạch 3 pha 3 dây.

Trong mạch 3 pha 3 dây ta có :

i A + i B + i C = 0

i C = –(i A + i B) Công suất tức thời của mạch 3 pha:

p = uAiA + uBiB + uCiC = uAiA + uBiB – uC(iA + iB) = iA(uA – uC) + iB (uB – uC)

Hình 2-58 Đo công suất tải 3 pha 3 dây