Kỹ thuật đo : Đo điện part 10 pot

10.3 TRÌNH BÀY TÍN HIỆU TRÊN MÀN ẢNH CỦA DAO ĐỘNG KÝ 10.3.1 Sự phối hợp của tín hiệu y = ft và x = Kt Để trình bày tín hiệu cần quan sát trên màn ảnh tín hiệu quan sát được đưa vào ngõ

10.3 TRÌNH BÀY TÍN HIỆU TRÊN MÀN ẢNH CỦA DAO ĐỘNG

KÝ

10.3.1 Sự phối hợp của tín hiệu y = f(t) và x = Kt

Để trình bày tín hiệu cần quan sát trên

màn ảnh tín hiệu quan sát được đưa vào

ngõ quét dọc (vertical input) còn tín hiệu

sóng răng cưa ở mạch tạo tín hiệu quét đưa

vào ngõ quét ngang (horizontal input)

Tín hiệu dạng răng cưa này còn được

gọi là tín hiệu chuẩn thời gian (time base)

Như vậy cạnh lên của tín hiệu quét ngang

là đường thẳng tỉ lệ theo thời gian t: X = Kt

Hệ số K có thể thay đổi được khi thay

đổi tần số của tín hiệu quét dạng răng cưa

Cho nên khi tín hiệu vào, giả sử là tín hiệu

sin, có biểu thức:

y=Asi n tω

Khi đó tín hiệu được biểu diễn trên

màn ảnh:

Y = A si nω( / )x K

Như vậy sự phối hợp giữa hai tín hiệu

quét dọc và quét ngang của hình 10.9a,b sẽ

cho hình 10.9c biểu diễn hình ảnh của tín

hiệu trên màn ảnh

10.3.2 Sự đồng bộ hóa giữa hai tín hiệu quét dọc và quét ngang

Ở cạnh lên OA của tín hiệu quét dạng răng cưa thể hiện ở hình 10.9b sẽ cho tín hiệu sin xuất hiện trên màn ảnh đến điểm số 9 Sau đó trong thời gian cạnh xuống AB của tín hiệu quét răng cưa, chùm tia điện tử được quét ngang trở lại Nhưng trong lúc chùm tia điện tử quay trở về thì tín hiệu quan sát vẫn tiếp tục hiện hữu theo thời gian Do đó dẫn đến điểm bắt đầu ở chu kỳ quét thứ hai của tín hiệu khảo sát không cùng tại vị trí của lần quét thứ nhất (ví dụ

ở lần quét thứ nhất (H.10.9c) bắt đầu tại số (1) nhưng lần quét thứ hai tại điểm khác) Như vậy chúng ta có hiện tượng tín hiệu quan sát trên màn ảnh chạy (nhanh hoặc chậm) trên màn ảnh Đó là hiện tượng không đồng bộ của tín

Hình 10.9: Sự biểu thị hình sin trên màn ảnh a) Đầu vào dao động dọc b) Đầu vào dao động

hiệu quét ngang và dọc

Trong thời gian chùm tia điện tử quay trở về thì cạnh xuống của tín

hiệu quét răng cưa đi vào mạch xóa đường hồi (blanking), sẽ tạo ra điện thế

lưới V GK rất âm để cho không có tín hiệu quét ngang của chùm tia điện tử xuất

hiện trên màn hình trong thời gian này

Hình 10.10: Sơ đồ khối của mạch quét tín hiệu răng cưa

có sự điều khiển

Để cho tín hiệu quan sát và tín hiệu răng cưa có cùng vị trí khởi đầu ở

mỗi lần quét, thì tín hiệu răng cưa không được tự do xuất hiện mà phải xuất

hiện khi có xung kích mà xung kích có tần số phụ thuộc vào tín hiệu quan sát

như trình bày của sơ đồ khối hình 10.10

Tín hiệu quan sát được qua mạch khuếch đại trigger (trigger amplifier)

tùy theo cách lấy ở ngõ ra sẽ có tín hiệu Vo1 và Vo2 trái pha Sau đó được đưa

vào mạch kích Schmitt, mạch vi phân (differentiator), mạch xén (clipper) Đây là khối đồng bộ hóa cho tín hiệu quét răng cưa để cho tín hiệu răng cưa xuất

phát cùng tại vị trí khởi đầu của tín hiệu quan sát ở phần quét dọc (H.10.11)

Hình 10.11: Tín hiệu quét răng cưa được đồng bộ

với tín hiệu sin quan sát Hình 10.11a: Để thể hiện một chu kỳ tín hiệu sin trên màn ảnh của dao

động ký, thì tín hiệu xung kích (gai âm) phải xuất hiện trước khi cạnh lên của tín hiệu quét răng cưa đạt đến mức kích trên của mạch kích schmitt ngay tại vị trí cuối của chu kỳ của tín hiệu sin khảo sát Điều này làm cho cạnh của tín hiệu quét đột ngột giảm về “0” Để bắt đầu quét cho chu kỳ tín hiệu sin kế tiếp cho điểm bắt đầu giống như trước Như vậy sự hoạt động của tín hiệu quét

răng cưa được điều khiển bằng xung kích (gai âm), đồng thời khi đó tại cạnh

xuống của tín hiệu răng cưa cũng làm cho mạch xóa đường hồi (blanking) tạo

ra điện áp V GK rất âm để không có chùm tia điện tử xuất hiện trên màn ảnh (H.10.12)

Hình 10.12: a) Tín hiệu không có mạch xóa đường hồi

b) Tín hiệu có mạch xóa

Còn ở hình 10.11b là sự thể hiện hai chu kỳ của tín hiệu sin, thời điểm

bắt đầu chu kỳ thứ hai của tín hiệu sin nhờ có mạch hold-off (không cho tín

hiệu xung kích xuất hiện) tại vị trí này của xung răng cưa, cho nên tín hiệu

răng cưa tiếp tục quét ngang để cho chu kỳ thứ hai của tín hiệu sin được xuất

hiện trên màn ảnh Cho đến khi tín hiệu răng cưa đạt gần đến mức trên của

mạch kích thì xung kích (gai âm) xuất hiện để tín hiệu răng cưa có cạnh xuống

và làm cho tín hiệu quét trở lui Điểm bắt đầu của tín hiệu quan sát trên màn

ảnh phụ thuộc vào điện áp ra của mạch khuếch đại điện áp kích (triggering

amplifier) điện áp ra này được điều chỉnh bởi biến trở R10 như ở hình 10.13

Khi điện áp ra có trị số gần bằng mức kích trên của mạch kích schmitt thì điểm

bắt đầu xuất hiện của tín hiệu sin ở mức “0”

Hình 10.13: Sự thay đổi điện thế DC cho mức kích

để điều xung xung kích

Hình 10.13b: Khi điện áp ra ở cách xa mức kích trên của mạch kích

schmitt thì điểm bắt đầu của tín hiệu quan sát xuất hiện ở mức cao hơn, phụ thuộc vào khoảng cách của hai mức này

10.4 DAO ĐỘNG KÝ HAI KÊNH

10.4.1 Tổng quát

Để có thể cùng lúc quan sát được hai tín hiệu khảo sát trên màn ảnh, người ta thực hiện dao động ký hai kênh (hoặc nhiều kênh) Trước hết, cải tiến ống phóng tia điện tử (CRT)

Hình 10.14: Ống phóng điện tử có hai tia sáng

xuất hiện trên màn ảnh

Có hai loại:

- Loại hai catốt phát ra hai chùm tia điện tử (dual beam) (H.10.14a)

- Loại một catốt phát ra một chùm tia điện tử nhờ khóa chuyển đổi điện tử

thực hiện tuần tự chùm tia điện tử được quét dọc ở mỗi kênh (do tần số chuyển mạch lớn hơn tần số lưu ảnh của mắt cho nên chúng ta thấy được hai hình ảnh của hai kênh trên cùng một màn ảnh)

Như vậy mạch khuếch đại quét dọc sẽ có hai mạch cho mỗi kênh Tín hiệu quét ngang tuần tự phối hợp với tín hiệu mỗi kênh A và B theo hình 10.16

Hình 10.15: Sơ đồ khối dao động ký

Hình 10.16: Sự trình bày tín hiệu ở hai kênh trên màn ảnh

Ở chu kỳ thứ nhất tín hiệu quét ngang phối hợp với tín hiệu sin cho kênh

A

Ở chu kỳ thứ hai của tín hiệu quét ngang phối hợp với tín hiệu dạng răng cưa của kênh B (H.10.16c)

Kết quả hai tín hiệu ở hai kênh cùng xuất hiện trên màn ảnh

10.5 THANH ĐO (PROBE) CỦA DAO ĐỘNG KÝ

Thanh đo của dao động ký có hai mức thay đổi điện áp

- Mức điện áp 1: 1

- Mức điện áp 10: 1

Điện dung

C c - điện dung ký sinh của dây dẫn

C i - điện dung ngõ vào quét dọc

R i - điện trở vào của ngõ quét dọc

trong trường hợp này tổng trở vào của ngõ quét dọc:

Z C C //R

Trường hợp thanh đo có bộ giảm 10:1 (H.10.18) Trong thanh đo có điện

trở R 1 , tụ C 1 , Cs (thay đổi) Cc khi có điện áp vào V 1 của ngõ vào quét dọc V i:

i i

R R

Như vậy để cho tín hiệu ngõ vào quét dọc giảm đi 10 lần và không phụ

thuộc vào tần số tín hiệu thì phải thỏa thêm điều kiện sau: C R = C R1 1 2 i, khi

đó R = 9R1 i

Hình 10.17: Thanh đo không có giảm áp

Hình 10.18: Thanh đo có giảm áp 10:1

Ví dụ 10.3: R1 =9MΩ; C =10pF; R = 2M 1 i Ω; C (khô c ng bi ế t); C =10pF; i

C s là tụ điện thay đổi (có trị số lớn nhất 100pF), suy ra muốn cho mạch đo là

bộ giảm 10:1 và không phụ thuộc tần số tín hiệu thì:

2

910

1 =C + C + 10pF = 90pF s c

Suy ra: C s + C c = 80 pF

Khi đó nếu C c trong khoảng từ 1pF đến 80pF thì chúng ta thay đổi được

C s để thỏa điều kiện trên Trong trường hợp C c > 80pF thì phải thay đổi C 1 cho

phù hợp

Giả sử C c = 100pF, thì C1 phải thay trị số lớn hơn (ví dụ C 1 = 15pF)

Khi đó: C s + 100pF = (135pF – 10pF); điều chỉnh: C s = 25pF

Khi đưa tín hiệu xung vuông vào, sẽ có ảnh hưởng đến dạng của tín hiệu

tụ C 1 và C 2 như đã nói ở trên Nếu tín hiệu xung vuông xuất hiện trên màn

ảnh có dạng hình 10.19a

Hình 10.19: Các dạng tín hiệu xung vuông đáp ứng

với tín hiệu xung vuông đưa vào ngõ quét dọc

Đáp ứng của mạch RC ngõ vào của dao động ký không thích hợp với tần

số cao (bổ chính tần số yếu) Khi đó chúng ta điều chỉnh Cs để tín hiệu xung

vuông có dạng như hình 10.19c (bổ chính tần số đúng)

Nếu tín hiệu xuất hiện có dạng như hình 10.19b mạch RC đáp ứng quá mức đối với cạnh lên và xuống của xung Chúng ta phải điều chỉnh tụ Cs để có đáp ứng như dạng hình 10.19c

10.6 BỘ TẠO TRỄ

Đối với tín hiệu khảo sát có tần số cao, để cho vận tốc bay của chùm tia điện tử catốt đến bản lệch dọc hoặc lệch ngang, phù hợp với tốc độ truyền của tín hiệu từ ngõ vào đến bản cực lệch dọc hoặc lệch ngang, người ta thường cho tín hiệu đi qua bộ tạo trễ (vì tốc độ truyền tín hiệu lớn hơn vận tốc bay của điện tử)

Bộ tạo trễ thường có hai dạng loại dây song hành hoặc dây đồng trục, có hai dạng mạch như sau:

Hình 10.20: Mạch tạo trễ

Khi tín hiệu đi qua một mạch LC, nó sẽ có thời gian trễ là:

{ }

=

t s( ) L C L (H ), C(F)

Khi đó tín hiệu đi qua n bộ sẽ có thời gian trễ: T = nt

Và điện trở tải R = L C để có sự điều hợp tổng trở, giúp cho công

suất tín hiệu ra không bị suy giảm

Ví dụ 10.4: =T 0 25, μsec; n=11bộ ; R= 600 Ω Xác định t, trị số L và C

Giải: Thời gian trễ của 1 bộ t = , × −6/ sec

Loại dây đồng trục

Khi tín hiệu truyền qua dây có thời gian trễ t s m

V m s

( )( / )

V: tốc độ truyền tín hiệu, với V = 1/ L C , L, C là điện cảm và điện dung

của cáp đồng trục

Hình 10.21: Cấu tạo của dây đồng trục

Ví dụ 10.5: Cáp đồng trục có =L 10μH ; C = 40pF Xác định t

Giải: Thời gian trễ t của tín hiệu truyền qua dây

0 5 10

2 10

1- Lõi polyetilene

2- Dây kim loại xoắn ốc

3- Lớp cách điện

4- Dây dẫn ngoài

5- Vỏ bọc bảo vệ

10.7 ỨNG DỤNG CỦA DAO ĐỘNG KÝ

10.7.1 Đo biên độ và chu kỳ

Đo biên độ: Phụ thuộc vào nút phân tầm đo (theo đơn vị Volt/Div)

Ví dụ 10.6 : Như ở hình 10.22 biên độ đỉnh của các tín hiệu:

Chu kỳ của tín hiệu B:

V A = (4,5DIV)× 100mV/DIV; V B = (2DIV)× 100mV/DIV

2T A = (8,8DIV)× 0,5ms/DIV; 6T A = (8,8DIV)× 0,5ms/DIV

Hình 10.22: Cách tính biên độ và chu kỳ của tín hiệu quan sát

6T B = 8,8div× 0,5msec/div = 4,4msec

B

T =4 4, msec /6= 0 73, msec

10.7.2 Đo sự lệch pha giữa hai tín hiệu (H.10.23)

Hình 10.23: Cách tính sự lệch pha giữa hai tín hiệu A và B

Tín hiệu A và B có sự lệch pha được tính theo trục thời gian:

t T/ , di v di v/ , /

Δ =1 4 8 =0 7 4mà T = π2 radian =360° suy ra góc lệch pha α

tương ứng với Δt :

t T

Δ

α = 360° = 360°×0 7, =63°

4 Dùng hình Lissajous để đo sự chênh lệch pha giữa hai tín hiệu (H.10.24) Tín

hiệu A đưa vào ngõ quét dọc, tín hiệu B đưa vào ngõ quét ngang

A, B cùng pha: hình Lissajous là đường thẳng (H.10.24c)

A, B trái pha (H.10.24d)

A, B lệch pha 90°(H.10.24e)

A, B lệch pha bất kỳ hình elip (H.10.24f, g) sinα = 2 2B A

Hình 10.24: Dùng hình Lissajous để đo sự lệch pha

giữa hai tín hiệu

Ví dụ: 2A = 6div, 2B = 4div, sinα =2 3 ⇒ α = 41 8°

(trường hợp hình elip về phía phải)

α =131 8° (trường hợp elip về phía trái)

Hình 10.25: Cách tính t r , t f

10.7.3 Đo thời gian lên t r của xung: theo định nghĩa từ 10% biên

độ đến 90 % biên độ

r

t =0 5, di v 5 s di v× μ / =2 5, μsecVà thời gian xuống t f =0 6, di v × μ5 sec = 3 secμ

Còn tốc độ đáp ứng của xung ở cạnh lên

r

V di v 2V di v

2,9vô n sec t

10.7.4 Vẽ đặc tuyến V-I của linh kiện điện tử

Vẽ đặc tuyến I d = f(V d ) (H.10.26a)

Mạch được phân cực bởi tín hiệu răng cưa hoặc tín hiệu sin, điện áp hai

đầu điện trở R 1 vào ngõ dọc Y, có điện áp hai đầu diod đưa vào ngõ quét

ngang X (điểm 0 nối mass của dao động ký)

Đặc tuyến I d = f(V d ) được xuất hiện trên màn ảnh dao động ký (H.10.26b)

Hình 10.26: Mạch vẽ đặc tuyến I d = f(V d ) và I c = f(V CE )

của diod và transistor a) Mạch vẽ đặc tuyến V - I của diod

b) Đặc tuyến V - I của diod trên màn hình dao động ký

c) Mạch vẽ đặc tuyến V CF - I C của transistor BJI theo thông số I B

d) Đặc tuyến V CF - I C trên màn hình dao động ký

Vẽ đặc tuyến I C = f(V CE )

Cực nền được phân cực bởi điện áp một chiều V R thay đổi, μ A- kế theo dõi

dòng phân cực I B Điện áp của tín hiệu răng cưa được cung cấp cho cực C-E

của transistor (có thể cung cấp bởi tín hiệu sin nhưng phải mắc nối tiếp với diod chỉnh lưu bán kỳ dương cung cấp cho mạch)

d)

10.8 VÔN KẾ TỰ GHI KẾT QUẢ (Voltmeter Recorder)

Nguyên lý hoạt động:

Dùng phương pháp đo điện áp bằng biến trở tự cân bằng (self balancing

potentiometer) (xem hình 10.27)

Hình 10.27: Mạch nguyên lý của máy vẽ X - Y

V =V −KE ≠ 0 sẽ được khuếch đại bởi A, điều khiển động cơ servo M

quay theo chiều kim đồng hồ nếu Vε >0 hoặc quay ngược lại nếu Vε < 0, qua

hệ thống truyền động cơ học sẽ làm dịch chuyển con chạy của biến trở đo

lường R v để điều chỉnh điện áp KE cho đến khi Vε = 0 thì động cơ dừng lại

Đồng thời cũng làm dịch chuyển bút ghi kết quả đo V i trên băng giấy

Sơ đồ khối của vôn kế tự ghi kết quả đo:

Sơ đồ khối được diễn tả bởi hình 10.28

Vôn kế tự ghi có đặc điểm như sau:

- Đáp ứng với những tín hiệu V i thay đổi có tần số thấp (do đáp ứng tần

số của hệ thống cơ học)

- Sự tuyến tính phụ thuộc vào độ tuyến tính của biến trở đo lường

- Đo được những điện áp khoảng millivôn (millivôn-kế tự ghi), không phụ

thuộc vào nội trở của nguồn điện áp đo

Hình 10.28: Vôn-kế tự ghi kết quả trên giấy theo thời gian

10.9 MÁY GHI TRÊN HỆ TRỤC X - Y (X - Y recorder)

Hình 10.29: Sơ đồ khối của máy ghi X – Y

Máy ghi X - Y gồm có hai khối hoạt động trên nguyên lý biến trở tự cân bằng

Bút ghi V di chuyển trợt trên thanh H khi điện áp vào X thay đổi

Thanh H di chuyển theo tín hiệu vào Y trợt trên thanh S

Hàm truyền của tín hiệu y theo x được bút ghi vẽ trên giấy khổâ A4 đặt trên bản vẽ D

PHỤ LỤC

1 ĐỀ THI KỸ THUẬT ĐO - LỚP DD 96 – HỌC KỲ 2/99

Câu 1: a) Giải thích tại sao phải dùng hệ số dạng k f và hệ số đỉnh k p trong

vôn-kế điện tử đo điện áp A.C.?

b) Cho biết quan hệ tín hiệu ra của mạch tích phân hai độ dốc trong biến

đổi A/D của vôn-kế chỉ thị số theo điện áp đo VIN, điện áp chuẩn E r, thời gian

nạp t 1 và thời gian xã t 2 ?

Câu 2: a) Cho biết sự chính xác của phần tử đo dùng cầu đo phụ thuộc vào

yếu tố gì của các phần tử trong cầu đo?

b) Với mạch cầu đo ở hình 1, hãy tính L x , R x và Q của cuộn dây cần đo

theo các phần tử còn lại của cầu khi cầu cân bằng

Câu 3: Vẽ mạch đo công suất tác dụng, công suất phản kháng và cosϕ cho

tải ba pha dùng watt-kế ba pha, var-kế ba pha loại 2,5 phần tử và Cosϕ-kế ba

pha kết hợp với biến dòng

Phần tự chọn (SV làm phần A hoặc B)

Phần A

Câu 4a: Cho một vôn-kế điện động có thang đo DC và AC trùng nhau tại tần

số f o

a) Hãy vẽ mạch tương đương cho vôn-kế trên

b) Tính sai số tương đối V AC−V DC V AC100% theo các thành phần

tương đương R và ω L khi đo điện áp AC tại tần số f1

c) Áp dụng khi f o = 50Hz; f 1 = 1kHz; L = 100mH; R = kΩ1

Hình 1

Câu 5a: Cho mạch đo như hình 2

a) Xác định R, Zi (tổng trở vào)

b) Trị số tầm đo V 2 , V 3 , khi tầm đo V 1 =0,1V, R1=900kΩ, R2 =90kΩ,

R = kΩ; IFS = μ50 A; R G=1kΩ

Phần B

Câu 4b: Người ta đo một điện trở có trị số danh định là 20k Ω bằng vôn và

ampe theo hai cách rẽ dài và rẽ ngắn Với ampe có:

nội trở RA = Ω1 ; vôn-kế có thang đo 0 – 50V và độ nhạy 20kΩ/V

a) Hãy tính giá trị điện trở đo được từ hai cách trên theo số chỉ của vôn và ampe

b) Tính giá trị sai số tương đối phần trăm của hai số liệu đo trên Từ đó hãy cho biết nên dùng cách đo nào thì phù hợp?

Câu 5b: Cho mạch đo dòng như hình 3 Biết rằng khung quay từ điện có I FS = μ

I (RM S) , (A). Tín hiệu đo có k p =k f = 2

a) Hãy vẽ dạng của dòng điện cần đo

b) Tính các trị số của điện trở R1 và R2 theo trị hiệu dụng của các dòng điện cho trên hình 3

c) Nếu dòng điện đo có dạng sin thì các thang đo mới sẽ là bao nhiêu nếu các điện trở như câu b

Hình 2