Giáo trinh : KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ part 4 ppsx

Hệ số khuếch đại của mạch phụ thuôc vào tỷ số của mạch phân áp trên R3 và R4: 3 4 R R Dòng qua bộ phân áp I4 được chọn lớn hơn rất nhiều so với dòng vào IB, do đó dòng IB không có ảnh h

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

⋅

=

R

R R V

100

100 9

, 9 10

3

4

Ω

Ω + Ω

⋅

=

+

⋅

Như vậy điện áp vào 10mV đã được khuếch đại lên thành điện áp ra 1V, và độ lớn 1V có thể đưa vào cơ cấu đo Độ khuếch đại của mạch là:

3

4 3

R

R R

–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 , 9 100

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 , 1 25

, 0 12

) 12 (

250 9

, 9 100 250

) (

5 4

3 5

4 3

≈ +

Ω

−

− +

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

Ra

Rd

Rb

Rc

+

-R4

Rs+Rg

Bộ suy giảm đầu vào

+Vcc

cc

-V

Mạch lặp lại điện áp Mạch máy đo

Vi

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

R4

+

-R3

I

I

cc

+V

-Vcc B

4

Vi

Vo

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

R

R

Dòng qua bộ phân áp I4 được chọn lớn hơn rất nhiều so với dòng vào IB, do đó dòng IB không có ảnh hưởng lớn tới điện áp hồi tiếp Điện trở toàn phần R3 +R4 được tính như sau:

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:

Vo = Ig (RS + Rg) = 100µA 10KΩ = 1V

Ta có: R3 + R4 = Vo / I4 = 1V / 0,2 mA = 5KΩ

R3 = Vi / I4 = 20 mV / 0,2mA = 100Ω;

R4 = (R3 + R4 ) – R3 = 5KΩ – 100Ω = 4,9 KΩ;

Điện trở vào của mạch đo: Ri = Vi / IB = 20mV / 0,2 µA = 100 KΩ

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

+

-I

Rg

R3

I

cc

+V

-Vcc

B

Vi

Vo

VR3

B

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

R

V

Nếu biết dòng lệch toàn thang của điện kế là Ig thì giá trị của điện trở R3 sẽ

R3 = Vi / Ig (2-21) Điện trở R3 thường được thiết kế thành một phần cố định và một phần là biến trở có thể điều chỉnh được Với cách mắc như vậy ta dễ dàng chuẩn độ được thang đo của đồng hồ

–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

Hình 2-25

C

Vi

D

Ri

Vo +

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 +

D

Vi

Ri

+

Vo

Vo

VP

t

Vo

VP

t

a)

b)

Hình 2-26 Phương pháp mạch ghim điện áp + Mạch ghim đỉnh âm (hình 2-26, b)

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

R2

D1

D2

Rt

Vi

Vo

V1

V2

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 D2

mở Lúc này điện áp trên lối ra của mạch tách sóng sẽ xác định theo hệ thức:

1

2

2

R

R V V

V o = = − i ⋅ (2-23)

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

) (

Các phần tử tách sóng là diode Ge hoặc Si làm việc trên đoạn thẳng của đặc tuyến, do vậy tín hiệu đưa vào phải đủ lớn

Sơ đồ mạch của một vôn kế chỉnh lưu trung bình được chỉ ra trên hình 2-28 Ở đầu vào là tụ ghép C1 để ngăn các thành phần một chiều không mong muốn Tín hiệu được đưa qua mạch suy giảm lối vào, sau đó qua tầng khuếch đại lặp lại trên OP-AMP để tăng trở kháng lối vào của mạch Điện áp lối ra của mạch lặp áp được đưa qua mạch chỉnh lưu trước khi đưa tới mạch máy đo

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:

V

V V P

2

1

P

0

≈

=

π

π

C1

+

-Rs +Vcc

-Vcc

Rg

R1

R2

R3

Vi

Vo

Tụ ghép Mạch suy giảm Mạch KĐ lặp Chỉnh lưu

Mạch máy đo

Các quan hệ trên không thay đổi đối với mọi tần số dạng sóng sin Với các điện áp khác dạng sin phải tiến hành hiệu chỉnh

Hình 2-28 Vôn kế tách sóng trung bình

ỉ

Đối với mạch chỉnh lưu nửa sóng như hình 2-28 thì sụt áp thuận trên diode VD

sẽ 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 C4

mắc 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

Rg

R3

D1

Khuếch đại chỉnh lưu

Vi

Vo

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:

S

iP

V

Dòng trung bình qua máy đo là :

I tb = 1/2 (0,637 I m) (2-30)

Hình 2-31 Mạch biến đổi điện áp thành dòng điện với chỉnh lưu nửa sóng

Rs

+ -C1

-V

+V

Rg

R1

D1

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

+V

-V

Vi

Rg

Dòng qua máy đo

Hình 2-32 Bộ đổi điện áp thành dòng điện với bộ chỉnh lưu toàn sóng chính xác

3.6.3 Vôn kế tách sóng hiệu dụng

Để đo trị hiệu dụng của điện áp tín hiệu, sử dụng các mạch tách sóng hiệu dụng Ta có, trị hiệu dụng của điện áp tính theo công thức:

∫

=

T

dt t u T

U

0

2( )

1

Mạch phải thực hiện 3 chức năng: bình phương, lấy trung bình và khai căn Muốn vậy phải có các phần tử sau:

– Phần tử tách sóng có đặc tuyến bậc 2 để làm thuật toán bình phương;

– Phần tử lọc để lấy trị trung bình;

– Phần tử thực hiện phép khai căn

Nói chung, phương trình biểu thị dạng đặc tuyến của phần tử tách sóng có dạng:

Nếu điện áp đo là điện áp biến đổi có chu kỳ nhưng có dạng phức tạp:

, thì dòng tách sóng được xác định qua đặc tuyến Vôn-ampe là:

=

=

1

sin

k

mk

i = α (Um1 sinωt + U m2 sin 2ωt + ) + β (U m1 sin ωt + U m2 sin 2ωt + )2;

Thực hiện các biến đổi lượng giác cần thiết, ta có thể tách riêng thành phần một chiều Để đo dòng này ta mắc một µA song song với một tụ điện Dòng này bằng:

=

=

1

2

2

1

k ak

Nếu thay U U 2 & U 2 U2

k k

I o = βU2 (2-35) Như vậy, dòng tách sóng tỉ lệ với bình phương trị hiệu dụng của điện áp đo, nó không phụ thuộc vào dạng điện áp, do vậy vôn mét loại này có thể đo được các dạng điện áp khác nhau

Có nhiều phương pháp tách sóng hiệu dụng khác nhau:

– Dùng hiệu ứng Hall;

– Dùng mạch tạo hàm bậc 2 trên các mắt diode

a.Mạch tạo hàm bậc 2

Trên hình 2-33 là sơ đồ nguyên lý của mạch tạo hàm bậc 2 nhờ các mắt điện trở – diode Mỗi mắt được cấu tạo từ một diode và một bộ phân áp bằng điện trở (hình 2-33, b)

C Do

Do

Ro

+

i

D1

R1 U1

R1c

+

-i1

x

u (t)

U1

i1

x

u a)

x

Hình 2-33 Mach tách sóng hiệu dung dùng các mắt điện

Để đơn giản, ta giả sử diode có điện trở thuận R th = 0, và điện trở nghịch là

R ng =∞ Như vậy sẽ không có dòng qua diode khi điện áp đặt lên nó nhỏ hơn điện áp khoá của diode (hình 2-33, c)

Các mắt diode được mắc nối tiếp với nhau bằng các mạch phân áp Các điện trở được bố trí sao cho trị số điện áp khóa của diode sau lớn hơn trị số điện áp khóa của diode đứng trước nó:

U1 < U2 < U3 < ;

Hoạt động của mạch như sau:

Khi điện áp vào Ux(t) < U1, các diode D1, D2 và D3 bị khóa Dòng điện qua mạch R0 và đồng hồ đo là i0

Khi U1 < Ux(t) < U2 , diode D1 mở, các diode D2 và D3 khóa Dòng qua đồng hồ đo là i0 + i1

i1

U1

Ux

i2

U3

Ux

Ux

Ux

Ux

i∑

i0

i0 + i1

i0 + i1+ i2

i 0 + i 1 + i 2 + i 3

Hình 2-34

Đặc tính vôn-ampe của mạch tạo hàm bậc hai trên các mắt diode

Khi U2 < Ux(t) < U3 , các diode D1,

D2 mở, D3 khóa Dòng qua mạch đồng hồ

là bây giờ là i0 + i1 + i2

Khi U3 < Ux(t) , các diode D1, D2 và

D3 đều dẫn Dòng tổng cộng qua mạch

đồng hồ sẽ là i0 + i1 + i2 + i3

Kết quả đặc tính vôn – ampe của

mạch biến đổi sẽ có dạng gần đúng như

một nửa parabol (hình 2-34)

Nếu số mắt điện trở - diode càng

nhiều thì đặc tuyến của mạch càng gần

đúng bậc hai

Các vôn mét điện tử có mạch tách

sóng dùng đặc tuyến bậc hai trên cơ sở

các mắt diode – điện trở như đã trình bày

là B3-6, B3-18

b.Mạch lấy trị trung bình

Sử dụng mạch lọc RC đơn giản (hình 2-35, a) hoặc dùng kết hợp mạch khuếch đại thuật toán (hình 2-35, b)

C

+

-C R

R2

R1

V

Hình 2-35

Đối với sơ đồ hình 2-35, a ta có:

RC j C

j R

C j V

V i

o

ω ω

ω

+

= +

=

1

1 1

1

Đối với sơ đồ hình 2-35, b:

2 1

2 1

2

1

1

1 //

CR J R

R R

C j R V

V

i

o

ω

ω

+

⋅

=