KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ TS. LƯU THẾ VINH - 3 ppt

Với cách mắc như vậy thì điện trở vào của vôn kế luôn luôn là 1 MΩ, và điện áp vào của FET luôn luôn là 1V khi tín hiệu vào cực đại đối với thang đo bất kỳ... Vôn kế sử dụng mạch biến đổ

Hình 2-16 Sơ đồ vôn kế mạch gánh emiter với mạch bổ chính sụt áp trên tiếp giáp E-B

Bây giờ giả sử điện áp lối vào là Vi = 5V Lúc này điện áp emiter sẽ là:

Hình 2-17 Mạch vôn kế thực tế

–

VE = 5V – 0,7V = 4,3 V;

và: V2 = VE – (-Vcc) = 4,3 V – (Điện áp đặt vào máy đo sẽ là:

Vg = VE – Vp = 4,Như vậy toàn bộ giá trị của điện áp vào đặt vào đồn

i số do sụt áp trên tiếp giáp E-B của transistor

– Nhận xét Kết quả tính toán ở trên chỉ đúng khi ch

p không bị ảnh hưởng bởi dòng của máy đo Điều này chỉ đúng nếu dòng qua bộ chia áp (I3) lớn hơn nhiều lần dòng lệch cực đại của điện kế (Ig), Nghĩa là: I3 >> Ig Tuy nhiên nếu điều kiện này thực hiện sẽ gây tổn hao nguồn DC Để khắc phục nhược điểm này, người ta dùng một mạch gánh emiter trên Q2 như sơ đồ hình 2-17

I

Q1

R2 R1

ïch bổ chính trên transistor và cầ

, giả sử ta có vôn kế với các mạch bổ chính như hình

R 9kΩ, R6 = 3,9kΩ, R3 = 2,7kΩ, R4 = 1kΩ, R5 = 2,2 kΩ và Rs+ Rg= 1kΩ Dòng lệch toàn thang của điện kế làø Ig = 1mA; Điện áp nguồn nuôi ±VCC = ±12V Các transistor loại Si có β = 100

Ta hãy xác định các

mA k

k k

V V

R R R

V V

07,42

,217,2

)12(12)

5 4 3

Ω+

Ω+Ω

−

−

=++

Mạch chia áp gồm các điện tr ho phép chia một cách chính xác điện áp cần đo trước khi

Như vậy thỏa mãn điều kiện IB = 29 µA << I3

3.2.3.Mạch suy giảm dần đầu vào

rên hình 2-18

Rb

Rc Ra

R1

Q3 Q1

R2

SW

25V

5V i

Bộ suy giảm đầu vào

V

10V

10K 40K 50K 150K

VE

ở R1, Ra, Rb và Rc ctác động vào transistor lối vào Mạch suy giảm đảm bảo khi tác dụng điện áp vào bất kỳ lối vào nào thì mức tối đa của điện áp lối vào transistor VB luôn luôn là 1V Ví dụ ở thang đo 25V:

K K

K K

K V

R R R R

R V

c b a

4050

15010

1

=Ω+

Ω+

Ω+

Như vậy, tùy thuộc vào khoảng đo đã chọn mà vị trí toàn thang đo của dụng

ng hồ, người ta dùng thêm một transistor Q3 mắc

cụ được tính là 25 V, 10 V hay 5 V

Để tăng điện trở vào của đồDaclington với Q1 Như vậy dòng đáy Q1 sẽ là dòng emiter của Q3 Giả sử chọn hệ số khuếch đại dòng của Q1 và Q3 là như nhau: β1 = β3 = 100

Từ hình vẽ ta có:

IB3 = IB1 /β3 = IE1/ β1 β3; Với dòng emiter IE1 = 2,9 mA như trong ví dụ ở phần trên thì ta có:

1 µ

Khi mắc thêm transistor Q3, điện trở vào của đồng hồ sẽ là:

1

Như vậy nhờ mắc thêm Q3, trở kháng vào của đồng tăng thêm 100 lần

3.3 Kế đầu vào JFET

Các transistor trường JFET có điện trở vào rất lớn, nếu mắc một FET đầu vào của vôn kế gánh emiter thì sẽ tăng điện trở vào của vôn mét lên rất nhiều Sơ đồ mạch vôn kế đầu vào FET cho trên hình 2-19

Rs+Rg

R6

I I

R1

800K

10V 100K

Vì dòng cực cổng cua JFET nhỏ hơn 50µA, nên điện trở tối đa 1MΩ thường được dùng để định thiên cực cổng cho FET Trên hình 2-19, các điện trở của bộ suy giảm lối vào có điện trở tổng cộng là 1MΩ Với cách mắc như vậy thì điện trở vào của vôn kế luôn luôn là 1 MΩ, và điện áp vào của FET luôn luôn là 1V khi tín hiệu vào cực đại đối với thang đo bất kỳ

Thực vậy, ví dụ ở thang đo 10 V, ta có:

R R R R

R R V

V

d c b a

d C

4060100800

406010

+++

+

×

=+++

Điện áp cổng nguồn của FET là VGS = –5V Hãy xác định các tham số tĩnh của sơ đồ:

VP, IS, IE1, IE2 và I3 khi VG = 0 Xác định số chỉ của đồng hồ khi Vi = 7,5V và máy đo để ở thang đo 10V

K K

V V

R R R

V V

7,22

2,1

)12(12

)(

5 4 3

Ω+

Ω+Ω

−

−

=++

−

−

=

Như vậy ta có điều kiện thỏa mãn IB << I3

3.3.2 Ở khoảng đo 10V, khi điện áp vào là 7,5V thì:

V K

K K

K

K K

V R

R R R

R R V

V

d c b a

c i

G

d

75,040

60100

800

4060

5,

Ω+

Ω+

Ω+

Ω

Ω+

Ω

⋅

=+++

V = VE1 – VE2 = 5,05 V – 4,3 V = 0,75 V = VG;

mA K

V R

R

V I

m S

1

75,0

=Ω

=+

Như vậy ở thang đo 10V, toàn thang độ là 10V, nên 75% của toàn thang đo sẽ đọc là 7,5 V

3.4.Vôn kế transistor khuếch đại

Để đo các điện áp nhỏ cần khuếch đại lên đến giá trị cần thiết trước khi đưa vào cơ cấu đo Nói cách khác phải mở rộng thang đo của vôn kế và tăng độ nhạy của đồng hồ Sử dụng các linh kiện điện tử, bán dẫn hoặc dùng khuếch đại thuật toán để thiết kế các mạch khuếch đại

3.4.1 Mạch vôn kế dùng khuếch đại vi sai

Mạch vôn kế khuếch đại vi sai dùng để đo những điện áp rất nhỏ Sơ đồ

nguyên lý của vôn kế chỉ ra trên hình 2-20 Ở đây các điện trở R 1 và R 6 phân cực đáy

cho Q 1 và Q 2 ở thế đất khi điện áp vào bằng 0 Lúc này sụt áp trên điện trở R 4 là:

R3

I -V

Hình 2-20 Mạch vôn kế khuếch đại vi sai

Khi V i = 0, I C1 = I C2 và V C1 = V C2 , điện áp đặt vào máy đo bằng 0

Trên sơ đồ biến trở R3 được dùng để điều chỉnh mức “zero” của đồng hồ Nhờ

R3 có thể điều chỉnh để hai nửa vi sai hoàn toàn cân bằng về mặt tải và do đó dòng

chạy qua hai transistor, tức là điều chỉnh được V C1 và V C2

Giả sử tác dụng vào đáy Q 1 một điện áp dương nhỏ làm dòng I C1 tăng lên Dòng I C1 tăng lên bao nhiêu thì dòng I C2 giảm xuống bấy nhiêu do 2 nửa mắc vi sai,

và điều đó khiến V C1 giảm và V C2 tăng lên Kết quả là chênh lệch điện áp đặt vào máy đo sẽ tăng lên gấp đôi

Ta có : V = V C1 – V C2 = A V V i

Trong đó AV là hệ số khuếch đại điện áp của mạch:

ie

L fe V h

R h

A = ;

h fe = β – Hệ số khuếch đại đòng điện;

h ie = R BE – Điện trở base-emiter của tranzistor khi nhìn từ đáy của transistor Thông thường giá trị h ie = 1-2 KΩ đối với dòng xoay chiều

–Ví dụ 1: Mạch vôn kế khuếch đại vi sai như hình 2-20 R2 = R5 = 4,7KΩ, R3 = 500Ω,

R4 = 3,3KΩ, ±VCC = ±15V Hãy xác định các mức dòng và áp trong mạch ở chế dộ tĩnh (khi Vi =0)

Ta có: khi Vi =0, VB1 = VB2 = 0;

mA K

V V

R

V V

)15(7,00)(0

4 2

2

33,4

toàn thang khi điện áp vào V i = 10 mV

264

3 2

1 2

L fe V

h

R R

h h

R h A

Điện áp đặt vào cơ cấu đo sẽ là:

V = A V V i = 264 10 mA = 2,64 V

I g = V/ (R g + R S )

R S = V /I g – R g = 2,64 V / 100 µA – 1,2 KΩ = 25,2 KΩ

3.4.2 .Mạch vôn kế dùng khuếch đại hồi tiếp

Sơ đồ nguyên lý mạch của vôn kế khuếch đại hồi tiếp chỉ ra trên hình 2-21 Trong đó Q1 và Q2 được mắc như bộ khuếch đại vi sai với nguồn dòng hằng được thiết kế I = 2mA;

8,2K

12K 9,9K

Hình 2-20 Vôn kế transistor khuếch đại hồi tiếp

Transistor Q3 được cấp nguồn VEE = +4,5V, điện áp tiếp giáp B-E của Q3 là 0,7Vù Nếu mạch thiết kế để sao cho IC3 = 1mA, thì sụt áp trên R5 sẽ là:

VR5 = IC3R5 = 1mA.12KΩ = 12 V;

Và VC3 = –VCC + VR5 = –12V + 12V = 0V

VB2 ≡ VC3 = 0V

Như vậy thế cực đáy của Q1 và Q2 đều bằng 0V khi điện áp vào Vi = 0

Với cách mắc Q3 như vậy làm cho điện áp base Q2 luôn luôn cân bằng với điện áp base của Q1 Thật vậy, ta giả sử rằng VB2 < VB1, dẫn tới dòng IC2 < IC1 và làm cho VR2 tăng lên, khiến VC1 giảm, dòng đáy IB3 tăng, IC3 tăng và VR5 tăng làm cho

VC3 tăng kéo VB2 tăng trở lại Ngược lại, nếu VB2 > VB1 thì quá trình hồi tiếp sẽ làm cho IC3 giảm, VC3 giảm và kéo VB2 giảm xuống bằng VB1

Như vậy trong mọi trường hợp thế đáy Q1 và Q3 luôn tự động cân bằng lẫn nhau Nếu thế đáy của Q1 tăng lên cao hơn hoặc xuống thấp hơn mức 0 thì đáy của

Q2 cũng biến đổi lặp lại đúng như vậy Nếu mắc máy đo vào đầu ra như trên hình vẽ 2-20, mạch sẽ hoạt động giống như một vôn kế mạch gánh emiter tuyệt vời Để mạch có thể hoạt động tốt các transistor Q1 và Q2 phải hoàn toàn giống nhau

Bây giờ giả sử mắc thêm một điện trở R3 = 100 Ω (đường chấm chấm), mạch vẫn duy trì trạng thái cân bằng thế đáy của Q2 và Q1

Khi tác dụng vào đáy Q1 điện áp Vi = 10mV, đầu ra cũng tăng tới mức điện áp VB2 = 10mV Vì R3 và R4 là bộ chia áp nên điện áp trên điện trở (R3 + R4) là:

3

4 3

10

R

R R mV

100

1009

,910

R

R R

A V = +

–Ví dụ: Mạch vôn kế khuếch đại hồi tiếp như hình 2-21 sử dụng điện kế từ

điện có dòng lệch toàn thang Ig = 1mA Điện trở của mạch máy đo là RS + Rg = 1KΩ Hãy xác định điện áp đầu vào khi kim máy đo chỉ 25% độ lệch toàn thang, tính dòng

IC3 lúc đó

Ta có khi điện kế chỉ 25% độ lệch toàn thang có nghĩa là dòng qua máy đo lúc này bằng:

I g = 25% 1mA = 0,25 mA;

Điện áp ra: V o = I g (R S +R m ) = 0,25 mA 1KΩ = 250 mV;

Điện áp vào:

mV K

mV R

R

R V V

9,9100

100

250

4 3

3

Ω+

Ω

Ω

=+

=

Dòng trên collector Q3 sẽ là:

mA mA

K

V

mV K

mA

I R

V

V R R

V I

I I

g R R C

3,125

,012

)12(

2509

,9100250

)(

5 4

3 5

4 3

≈+

Ω

−

−+

Ω+

=++

=

3.5.Vôn kế sử dụng mạch khuếch đại thuật toán (OP- AMP)

3.5.1 Vôn kế dùng mạch khuếch đại lặp lại

Sơ đồ của vôn kế trên khuếch đại thuật toán mắc theo kiểu lặp lại điện áp như trên hình 2-22 Tầng lặp lại điện áp dùng OP-AMP có ưu điểm là mạch đơn giản, trở kháng lối vào rất lớn, trở kháng ra nhỏ dễ phối hợp với mạch đo

Hình 2-22 Vôn kế dùng mạch khuếch đại thuật toán

3.5.2 .Vôn kế khuếch đại trên OP-AMP

Đối với các tín hiệu điện áp nhỏ cần phải khuếch đại lên mức cần thiết trước khi đưa vào mạch đo Sơ đồ mạch vôn kế khuếch đại cơ bản như hình 2-23

Hình 2-23 Vôn kế khuếch đại trên OP-AMP

Mạch mắc theo kiểu khuếch đại không đảo Hệ số khuếch đại của mạch phụ thuôc vào tỷ số của mạch phân áp trên R3 và R4:

3

4

R3 + R4 = Vo / I4 (2-18)

Vì VR3 = Vi nên:

R3 = Vi / I4 (2-19)

–Ví dụ: Sơ đồ của một vôn kế khuếch đại trên OP-AMP như hình 2-23 Hệ số

khuếch đại điện áp của OP-AMP là AV = 200.000 và dòng định thiên vào IB = 0,2 µA Điện áp cần đo có giá trị cực đại 20 mV; Cơ cấu đo có dòng lệch toàn thang là Ig = 100µA, RS + Rg = 10KΩ Hãy xác định các giá trị thích hợp của R3 và R4 và tính điện trở vào của vôn kế

Từ hình vẽ ta có: Điều kiện đặt ra là I4 >> IB, Ta chọn:

I4 = 1000 IB = 1000 0,2 µA = 0,2 mA Tại độ lệch toàn thang đo: Ig = 100 µA và:

3.5.3 Vôn kế sử dụng mạch biến đổi điện áp thành dòng điện

Sơ đồ nguyên lý mạch chỉ ra trên hình 2-24

Hình 2-24 Vôn kế sử dụng mạch biến đổi điện áp thành dòng điện

Với mạch khuếch đại không đảo, điện áp trên R3 (VR3) luôn biến đổi lặp lại giá trị của điện áp vào Như vậy dòng chạy qua điện kế sẽ là:

3

–Ví dụ: Cho mạch vôn kế sử dụng mạch biến đổi điện áp thành dòng điện như hình

2-24 Cơ cấu đo có dòng lệch toàn thang là Ig = 1mA, Rg = 100 Ω Hãy tính giá trị của điện trở R3 sao cho với điện áp vào là Vi =1V thì kim điện kế chỉ độ lệch toàn thang Xác định điện áp tối đa ở đầu ra của OP-AMP

Ta có :

R3 = Vi / Ig = 1V / 1mA = 1KΩ

Vo = I(R3 + Rg ) = 1mA (1 kΩ + 100 Ω) = 1,1 V

3.6 Đo điện áp xoay chiều

Do cơ cấu từ điện chỉ đo được các điện áp một chiều Để dụng cụ có thể đo được điện áp dòng xoay chiều, người ta sử dụng các mạch chỉnh lưu nửa chu kỳ hoặc cả chu kỳ trên các linh kiện bán dẫn Đối với các điện áp xoay chiều thấp cần được khuếch đại lên trước khi chỉnh lưu và đưa vào mạch đo Tùy thuộc vào trị số điện áp cần đo mà thiết kế mạch tách sóng tương ứng:

– Tách sóng đỉnh (hoặc biên độ);

– Tách sóng trung bình;

– Tách sóng hiệu dụng

3.6.1 Các mạch tách sóng đỉnh

Trong mạch tách sóng đỉnh, biên độ của điện áp ra tỉ lệ với trị số biên độ điện áp vào: Vo = ⎜Vimax ⎜ Có 3 kiểu tách sóng đỉnh:

a)Tách sóng đỉnh ngõ vào diode

Sơ đồ nguyên lý của mạch tách sóng đỉnh ngõ vào diode trên hình 2-25, a

Vo

t

Khi Vi > VC (thế trên tụ), diode D dẫn, tụ C được nạp tới Vimax

Khi Vi < VC, diode D bị khóa, tụ C xả điện qua điện trở Ri Điện áp lối

ra biến đổi theo quy luật:

C R t i

Nếu Ri lớn thì Vo ≅ Vimax

–Nhận xét Mạch khảo sát mắc phải sai số do thế phân cực thuận cho diode: VD , đồng thời phụ thuộc vào điện trở thuận Rth và điện trở nghịch Rng của diode

– Khi Vi > VD, diode mới dẫn Khi diode dẫn thì điện trở thuận Rth của diode thay đổi theo dòng đổ qua diode, dẫn tới làm thay đổi thời hằng của mạch nạp τn = RthC

– Do tồn tại điện trở nghịch của diode Rng mắcsong song với Ri, nên khi diode ngưng dẫn, tục C xả qua điện trở Ri // Rng, dẫn đến làm thay đổi thời hằng của

R R

R R ng i

ng i

+

=

b) Tách sóng đỉnh ngõ vào tụ (Phương pháp mạch ghim điện áp)

+ Mạch ghim đỉnh dương (hình 2-26, a)

– Ở bán kỳ dương của điện áp tín hiệu, D thông , tụ C được nạp tới trị đỉnh VP

– Ở bán kỳ âm, diode D khóa, thế atốt của D bằng thế vào hình sin cộng với VP, kết quả mức DC của điện áp ra bị dịch xuống dưới trục hoành một mức bằng VP Nếu mắc lối ra với cơ cấu đo, ta sẽ đo được trị trung bình của điện áp Vo, tức giá trị đỉnh

VP

C

C

Ri Vi

D

Vo +

Sơ đồ ghim đỉnh âm chỉ ra trên hình 2-26, b Hoạt động của mạch tương tự như

ở sơ đồ ghim đỉnh dương Ở bán kỳ âm tín hiệu D thông , C nạp tới trị đỉnh VP với cực tính như hình vẽ Ở bán kỳ dương của tín hiệu, D khóa, điện áp ra trên tải Ri bằng thế vào hình sin cộng với VP,

c) Mạch tách sóng biên độ dùng OP-AMP

Các mạch tách sóng đỉnh (hoặc biên độ) ở trên đều mắc phải sai số do thế phân cực thuận cho diode VD, do vậy khi điện áp tín hiệu bé gây méo phi tuyến đáng kể Hiện nay trong các thiết bị đo người ta dùng phổ biến các mạch tách sóng biên độ trên khuếch đại thuật toán (hình 2-27)

+ -

Ct R1

Hình 2-27 Tách sóng biên độ trên OP-AMP

Mạch mắc theo sơ đồ khuếch đại đảo Ở những nửa chu kỳ dương của điện áp tín hiệu Vi, điện áp V2 lối ra OP-AMP sẽ âm, diode D1 mở, D2 khoá Lối ra của khuếch đại thuật toán nối với lối vào qua điện trở thuận rất nhỏ của D1 nên tạo ra hồi

tiếp âm sâu Kết quả điện áp trên lối ra OP-AMP bằng điện áp trên lối vào của nó và gần bằng 0 Điện áp lối ra của mạch tách sóng cũng bằng 0 Ở những nửa chu kỳ âm của điện áp điện áp Vi, thế lối ra V2 của OP-AMP sẽ dương làm D1 khóa và D2mở Lúc này điện áp trên lối ra của mạch tách sóng sẽ xác định theo hệ thức:

1

2

2

R

R V V

3.6.2 Vôn kế tách sóng trung bình

Để đo trị trung bình của điện áp tín hiệu, người ta sử dụng mạch tách sóng trung bình Điện áp lối ra tính theo công thức:

dt t v T V

T

tb = ∫0

)(

Vì các giá trị: trị đỉnh Vp, trị hiệu dụng V, trị trung bình Vtb đều có mối liên hệ với nhau, nên có thể khắc độ đồng hồ theo một trong 3 đại lượng:

Rs +Vcc

Tụ ghép Mạch suy giảm Mạch KĐ lặp Chỉnh lưu

Mạch máy đo

Đối với mạch chỉnh lưu nửa sóng như hình 2-28 thì sụt áp thuận trên diode VDsẽ gây ra sai số cho mạch đo Khi thiết kế thường có tính đến đối với độ lệch toàn thang Tuy nhiên, ở các điểm khác trên thang đo sẽ xuất hiện sai số do VD gây ra, mặt khác giá trị của VD không phải luôn luôn bằng 0,7V đối với diode Si như thường giả định, mà nó thay đổi theo nhiệt độ

Để loại bỏ sai số do điện áp ngưỡng VD gây ra nguời ta mắc diode chỉnh lưu trong vòng hồi tiếp của mạch lặp áp như hình 2-29 Kết quả đầu ra bộ chỉnh lưu nửa sóng lặp lại chính xác nửa chu kỳ dương của điện áp vào Các tụ điện C2, C3 và C4mắc song song với các điện trở của bộ suy giảm nhằm mục đích bù trừ điện dung vào của bộ khuếch đại đối với điện áp xoay chiều

C1

Rs

+ - C2

C3

C4

-Vcc R2

R3

+Vcc

Rg R1

Chỉnh lưu chính xác

Vi

Vo

Hình 2-29 Vôn kế sử dụng mạch chỉnh lưu chính xác

Đối với các điện áp xoay chiều nhỏ cần được khuếch đại chính xác trước khi chỉnh lưu và đưa vào mạch đo Mạch khuếch đại chỉnh lưu nửa sóng chính xác như hình 2-30 Hệ số khuếch đại của mạch phụ thuộc tương quan giữa các điện trở của cầu phân áp R2, R3:

3

3 2

R

R R

Rs

+ - C1

-Vcc +Vcc

Hình 2-30 Vôn kế xoay chiều đo các tín hiệu nhỏ

Việc tính toán các điện trở phụ nối tiếp với cơ cấu đo cũng hoàn toàn tương tự như các tính toán đối với các vôn kế từ điện Tuy nhiên trong trường hợp này, điện áp tối đa đặt vào điện kế và điện trở nối tiếp với nó là AVVi

Trên hình 2-31 là mạch biến đổi điện áp thành dòng điện với bộ chỉnh lưu nủa sóng Hoạt động của mạch tương tự như mạch hình 2-24 đối với những nửa chu kỳ dương của điện áp tín hiệu Trong các nửa chu kỳ âm, diode bị thiên áp ngược nên khóa và không có dòng qua máy đo

Dòng cực đại qua máy đo là:

Để giảm tổn hao nguồn và tăng độ nhạy của mạch đo thường sử dụng mạch chỉnh lưu toàn sóng như hình 2-32 Lúc này, dòng cực đại của máy đo vẫn tính theo công thức (2-29), tuy nhiên dòng trung bình qua máy đo sẽ tăng gấp đôi, tức là:

I tb = 0,637 I m (2-31)

+ - C1

Rs R1