Giáo trinh : KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ part 8 pps

Nguồn tín hiệu f1 Nguồn tín hiệu f2>f1 Khi thực hiện phép đo trên, điều kiện quan trọng là phải hiệu chỉn tần số là một bội số nguyên lần của nhau thì hình mới ổn định, nếu điều kiện tr

f

n

Chẳng hạn, số liệu như tre

Y

ân hình vẽ ta có fy/f

ta có th

đồ Lissajou sẽ khác nhau Trên hình 3-32 là dạng sóng ứng với một số trường hợp đặc biệt

rất phức tạp và khó điều chỉnh sự đồng b

ra trên hìn

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

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý

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 chỉn

tần 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

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý

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

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý

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 tha mãn điều kiện:

R

2 2

R

2 2 1 1

2

1

C R C R

f

π

Thường chọn R1 = R2 =R; C1 =C 2 = C , khi đó ta có:

Ở tần số cân bằng của cầu, điện áp phát triển trên R2C2 (áp vào bộ khuếch đại) cùng pha với điện áp ra Độ lợi của mạch khuếch đại là:

( 3 + 4) 4 =3

A V

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý

(4-5) Biên độ ra của tín hiệu có xu hướng tiến tới ± VCC và ± VE , điều này gây méo dạng sóng ra Để khắc phục, người ta chia R3 ra làm 2 điện trở R5 + R6 và dùng thêm

2 diode mắc song song ngược chiều nhau (hình 4-2,a)

D1

D2

R4

+

C5 C3 C1

C6 C4 C2

R1

R2

S1

S2

u Thế Vinh Khoa Vật Lý

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

Khi biên độ điện áp ra đủ lớn để định thiên thuận cho các diode, thì R6 ngắn mạch và độ lợi của mạch sẽ giảm:

4

5 4

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

IB = 500nA

Bài giải

– Ta có, với R1 và R2 trong mạch (S1 mở) thì:

VR3 = 0,1V;

I3 >>IB

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

Lư

và (R1 + R2) = 4,9 V / 100µA = 49kΩ

– Với R2 ngắt khỏi mạch (S1 đóng):

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

4kΩ;

§ 3 MÁY

TẠO HÀM

Máy tạo hàm là nguồn tín hiệu vuông, tam giác và sóng sin có dải tần điều chỉnh đ

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

3.1 Tầng da

ược dễ dàng và có mạch dịch mức DC Sơ đồ khối của máy tạo hàm chỉ ra trên hình 4-4

trigger tích phân

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

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý

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

Mạch trigger Schmitt có 2 ngưỡng là:

Vn1

Vn2

A2

A1

4

3 3 2

,

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

3

1 = +V ⋅R >

1

R

Với R là điện trở phần dưới của biến trở R11 1 Thế lối ra mạch tích phân sẽ đi xuống theo quy luật:

1 2

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

V n = − sat ⋅

Schmitt sẽ lật trạng thái lối ra xuống mức bão hòa âm –V 3sat, Thế bão hòa âm này hồi tiếp trở về lối vào mạch tích phân, bây giờ thế lối vào mạch tích phân sẽ là:

1

11 3

'

1 = − ⋅ <

R

R V

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

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý

1 2

' '

1 2

' 2

C R

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

∆

Tần số dao động:

V R C

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

– Khi con trượt ở đỉnh chiết áp R :

I2 = V1 / R2 = 14V / 10K = 1,4 mA;

n1

f = 1/ 2t = 1 / (2 x0,43ms) ≈ 1,17kHz

( x4,3ms) ≈ 117Hz

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

1

V1 = V3 = 14V,

t = C ∆V / I – Khi con trượt ở 10% của R 1

t = (0,1 µA x 6V) / 0,14mA ≈ 4,3 ms;

f = 1/ 2t = 1/ 2

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý

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 R bộ 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

trở-Hình 4-6

Hoạt động của mạch tạo hàm nhờ phương pháp xấp xỉ từng đoạn không tuyến tính trên hình 4-6 như sau:

2 1

2

R R

R V

+

Khi có mặt D1, D2, R2, R4 trong mạch thì hoạt động của R1 và R2 vẫn giống như một bộ phân áp đơn giản cho tới khi điện áp hạ trên điện trở R2 vượt quá giá trị ngưỡng +V1 Lúc này D1 được thiên áp thuận nên dẫn dòng và điện trở R3 sẽ được mắc song song với R2 Thế lối ra bây giờ sẽ là:

2 2 1

3 2

//

//

R R R

R R V

V ≈ o i

một bo

i hi sụt áp VR2 giảm xuống

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 , k

ức 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 dạn Khi dùng số mắt diod

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý

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 h

đoạn 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

∑

=

=

n

x a

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

§ 4 M

i 0 i i

đặc 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

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý

V n2

V n1

A

Hình 4-8 Mạch tạo xung vuông trên đa hài phiếm định

Mạch khuếch đại thuật toán A và các điện trở R2, R3 tác động như một trigger Schmitt đảo, có các ngưỡng bằng sụt áp trên R3 khi lối ra của khuếch đại thuật toán ở mức bão hòa:

3 2

3 0 2

,

R V

Hoạt động của mạch như sau:

Thế trên tụ C1 tăng theo quy luật:

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

−

0

t

trigger chuyển trạng thái lối ra xuống bão hòa âm Tụ CKhi VC11 xả điện qua R đạt mức ngưỡng trên V1 theo chiều ngược lại, đồngn2 thời thế bão hòa âm hồi tiếp trơ

ù như thế mạch duy trì dao động, và lối ra của khuếch đại thuật toán ta thu được dạng xung vuông góc, với chu kỳ lặp lại:

xuống bằng mức ngưỡng dưới Vn1 trigger lật trạng thái đưa lối ra từ bão hòa âm lên mức bão hòa dương Cư

∞

−

−

=

C

C V V

V V RC

rong đó: V – điện áp nạp;

T

VC0 – điện áp ban đầu trên tụ

VC∞ – điện áp cuối cùng trên tụ ở thời điểm t

Ví dụ: Mạch dao động đa hài trên hình 4-8 có: R1 = 20K; R2 = 6,2K; R3 = 5,6K;

1 = 0,

Các ngưỡng của trigger Schmitt là:

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý

V K

K

K V

R R

R V

6 , 5 2 , 6

6 , 5 11

3 2

3 0 2 ,

+

= +

V C0 = – 5,22 V;

V C∞ = +5,22 V;

V V

V V

F K

RC

f

C

121

= ) 22 , 5 ( 11

22 , 5 11 ln 1 , 0 20 2

1 V

-V

V -V ln 2

−

⋅

×

=

=

4.2 Đa hài đơn ổn

ïo sóng xung vuông góc có sơ đồ nguyên lý như hình 4-9

àu của mạch, lối ra của khuếch đại thuật toán sẽ ở mức bão hòa âm:

= – (VCC – 1V)

ung âm đưa vào lối vào đảo làm lối ra của khuếch đại thuật toán đổi trạng thái từ bão hòa âm lên mức bão hòa dương +Vsat Lúc này điện áp đầu vào không đảo trở thành:

Vi (+) = (VCC – 1V) – [–(VCC – 1V)] = 2 (VCC – 1V)

Mạch đa hài đơn ổn hay còn gọi là mạch đơn hài dùng để ta

kiện DC ban đa

Vo = –Vsat

C được nạp tới mức điện áp V

khi có tín hiệu kích thích lối vào

xén phần ngọn xung dương Phần x

Tụ C2 phóng điện qua R2 và nạp với cực tính ngược lại Khi C2 nạp, thế đầu

khuếch đại thuật toán chuyển từ bão hòa dương +Vsat xuống bão hòa âm –Vsat Lối ra

ta có một xung vuông với thời hạn phụ thuộc vào R2 và C2:

∞

−

−

=

C

C V V

V V C R

2

2 ln

khuếch

– 1V) – VB

– điện áp cuối cùng trên tụ khi đại thuật toán là +VB;

VC∞ = Vsat – VB = (VCC

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý

2(V CC –1V)

Hình 4-9 Đơn hài tạo xung vuông

Ví dụ: Mạch dao động đơn hài trên hình 4-9 có điện áp nguồn VCC = ± 10V;

VB = 1V; R1 = 22K; R2 = 10K; C1 = 100pF; C2 = 0,01µF;

1) Hãy tính độ rộng xung lối ra

V V

V V

K F V

V

V V C R

9

) 9 ( 9 ln 10 01

, 0

ln

2 2

C

µ

−

−

−

×

×

=

−

−

=

∞

2) Với t = 6ms giá trị của tụ C sẽ là: t = 289 µs

2

F V

V V

V V R

ln

ms

6 t

V V

2

−

−

=

−

=

−

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý

4.3 Bộ suy giảm và dịch mức DC lối ra

Để điều chỉnh biên độ xung và dịch mức DC, tín hiệu lối ra của máy phát ung được đưa qua bộ suy giảm và dịch mức DC có sơ đồ như hình 4-10

à dịch mức DC

ợc điều khiển nhờ chiết áp

đất, lối ra A2 cũngở mức thế

–5V, xung ra sẽ đối xứng qua mức –5V, và khi tiếp

dễ dàn

iên độ

§ 5 MÁY TẠO TÍN HIỆU RF

x

Hình 4-10 Bộ suy giảm v

kháng ra của máy phát nhỏ Mức DC của điện áp lối ra đư

điện trở R , R nối phân cực giữa 4 6 2 nguồn ±VCC

Khi tiếp điểm động của chiết áp R5 ở mức thế

đất, khiến xung lối ra từ A1 đối xứng qua mức đất

Khi tiếp điểm động của R5 ở mức

g

5.1 Sơ đồ khối của máy tạo tín hiệu RF

Máy tạo tín hiệu tần số sóng vô tuyến RF (radio frequency) có đầu ra sóng sin với dải tần nằm trong khoảng từ 100kHz đến 40GHz Sơ đồ khối của máy tạo sóng

RF như chỉ ra trên hình 4-11 Về đại thể, dụng cụ gồm có: bộ dao động RF, bộ khuếch đại và bộ suy giảm đã hiệu chỉnh và máy đo mức đầu ra

Bộ dao động RF có núm điều chỉnh tần số liên tục và công tắc dải tần số để điều chỉnh tín hiệu ra tới tần số bất kỳ mong muốn

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý

Hình 4-11 Máy tạo sóng RF

5.2 Mạch dao động RF

Mạch dao động dùng trong máy tạo sóng RF thường dùng mạch dao động

Colpits hoặc dao động Hartlay Sơ đồ nguyên lý của hai mạch chỉ ra trên hình 4-12

Colpits sử dụng 2

a) Mạch dao động Hartlay b) Mạch dao động Colpits

Hình 4-12

Cả hai mạch đều có bộ khuếch đại và mạch hồi tiếp Bộ khuếch đại vừa ếch đại tín hiệu vừa đảo pha 180o Tín hiệu ra đ

và dịch pha tiếp 180o nữa bởi mạch hồi tiếp Độ lợi của mạch khuếch đại bằng nghịch đảo của độ suy giảm qua mạch hồi tiếp Mỗi mạch có độ tăng ích vòng là 1 và độ

hưởng của mạch dịch pha:

Lưu Thế Vinh Khoa Vật Lý