Bài giang môn Đo Lường

Các đặc tính và thông số của tín hiệuKhái quát Tín hiệu được mô tả bằng biểu thức toán học sau: st = st,a1,a2 an…hoặc sf = sf,b1,b2 bn… tín hiệu s t không những phụ thuộc vào thời gian v

Chương I: Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử

1.1 Khái niệm chung

Định nghĩa

Đo lường là một qúa trình đánh giá

định lượng đại lượng cần đo để có kết quả bằng số so với đơn vị đo.

1.2 Các đặc tính và thông số của tín hiệu

Khái quát

Tín hiệu được mô tả bằng biểu thức toán học sau:

s(t) = s(t,a1,a2 an)…hoặc s(f) = s(f,b1,b2 bn)…

tín hiệu s (t) không những phụ thuộc vào thời gian

và s(f) không chỉ phụ thuộc tần số mà chúng còn phụ thuộc vào nhiều đại lượng khác là a1,a2 an …

và b1,b2 bn …

Các đại lượng đó được gọi chung là các thông số của tín hiệu

• Tín hiệu s có rất nhiều dạng khác nhau, tuỳ mục

đích sử dụng (tuỳ vào loại tin tức mà tín hiệu này phản ánh).

• Để nghiên cứu những biện pháp truyền dẫn và

thông số của nó.

• Người ta không xét tới thông số của tất cả các loại tín hiêu, bởi vì rõ ràng trên thực tế là không thể làm như vậy được, và thực ra là không cần thiết

• Số lượng tín hiệu được dùng để quy định làm đối tư ợng đo lường là rất ít so với số lượng tín hiêụ trên thực tế và được gọi là những tín hiệu mẫu

• Số tín hiệu mẫu này là tối thiểu nhưng về mặt đo lư ờng, chúng đã thoả mã được yêu cầu là biểu diễn

được mô hình đơn giản của các tín hiệu trên thực tế.

• Khi đo lường các thông số và đặc tính của các mạch điện, người ta cũng dùng các tín hiệu

mẫu này

• Biết được phản ứng của mạch với các dạng của tín hiệu ấy , thì có thể suy ra phản ứng của

mạch với các đạng tín hiệu khác

• Các tín hiệu trong điện tử thường được biểu

diễn theo hàm của thời gian hoặc theo hàm của tần số

• Dạng các tín hiệu cơ bản được khảo sát thông

số, bao gồm:

Các thông số của tín hiệu điều hoà

Dao động điều hoà dùng để mô phỏng tiếng nói,

âm nhạc… và có biểu thức toán học dưới dạng hình sin hoặc cos:

s(t) = Amsin (2πf0t+ϕ0)

Đồ thị của nó như trong hình 1-4

Ngoài thời gian t còn có các thông số Am, f0 và

ϕ0 tham gia vào tín hiệu này

• Am: Biên độ của dao động

có thứ nguyên là vôn (V) nếu S(t) là điện áp,

hoặc có thứ nguyên là ampe (A) nếu s(t) là dòng điện

• f0: Tần số của dao động, đo bằng héc (Hz)

∀ ω0: Tần số góc, đo bằng rađian/s:ω0 = 2πf0

• T0: chu kỳ, đo bằng giây: T= 1/f0

∀ λ0 Bước sóng, đo bằng mét: λ0 = c/f0

trong đó c =3.108 m/s, là vận tốc ánh sáng

∀ ϕ 0 : góc pha đầu của dao động, đo bằng độ hoặc radian

• Góc pha đầu tính từ một thời điểm bất kỳ được chọn làm

gốc Vì gốc thời gian là tuỳ ý nên khi nói đo pha , không phải

là đo pha đầu của một dao động mà là đo sự dịch pha giữa hai dao động điều hoà cùng tần số (hình 1-5)

• Biên độ Am đo bằng vônmét, nếu s(t) là điện áp, hoặc bằng ampe - mét nếu s(t) là dòng điện

• Trên thang đo của các dụng cụ này, người ta không khắc độ theo giá trị biên độ của dao động mà khắc độ theo giá trị

hiệu dung Giữa giá trị hiệu dung A và giá trị biên độ A có quan hệ như sau:

• Tần số f0 hoặc bước sóng λ0 đo bằng máy đo tần số (tần số - mét) hay máy đo sóng

• Thật ra trong hai đại lượng này có thể chỉ cần đo

một đại lượng rồi ruy ra đại lượng kia

• Dịch pha giữa hai dao động điều hoà được đo bằng máy đo pha (pha mét)

• dao động điều hoà được tạo ra bằng các bộ tạo sóng

(âm tần, cao tần và siêu cao tần) đặc biệt

• Nhờ có những cơ cấu điều chỉnh và các bộ hiển thị kiểm tra nên biên độ và tần số của dao động taọ ra,

ta có thể biến đổi được trong một phạm vi nào đó, thường là khá rộng Trong số các máy phát tín hiệu

đo lường thì các máy phát tín hiệu dao động điều

hoà là phổ biến nhất

Các thông số của dao động tuần hoàn bất kỳ

• Tín hiệu loại này có dạng tuỳ ý

• Xét một dạng mẫu của tín hiệu này ở hình 1-6

• Vì dạng là bất kỳ nên để đặc trung cho loại này,

chúng ta phải dùng khá nhiều thông số, ta sẽ lần lượt nêu ra dưới đây

• Trong trường hợp tổng quát, dao động có thể có

thành phần một chiều (hình 1-6) và do đó ta có thể xem nó như tổng của thành phần một chiều này với thành phần xoay chiều (thành phần biến đổi trên

hình 1-6)

• Từ đây ta thấy rằng s- chính là chiều cao (biên độ) của một xung vuông có độ rộng là T và được tính bằng phần mặt phẳng giới hạn bởi phần đường cong s(t) nằm trong khoảng T và trục thời gian t

• Nếu kể trong một chu kỳ T thì phần diện tích nằm giữa thành phần xoay chiều s-(t) và mức một chiều s- được phân bố đều trên và dưới mức này

• Độ lệch cực đại của s(t) tính từ mức một chiều về hai phía Atrên và Adưới có thể khác nhau nên không dùng khái niệm biên độ chung được Tổng của hai đại lượng này xác định

khoảng biến thiên của thành phần xoay chiều:

• At = Atrên + Adưới

• Để đo lường các thông số trên, người ta dùng nhiều dụng cụ

đo khác nhau (Von mét hoặc ampemét) một chiều để đo s-

• Thành phần xoay chiều có thể tách riêng ra để đo các thông

số của nó bằng cách cho tín hiệu s(t) đi qua tụ điện hoặc

biến áp

• Các thông số Atrên, Adưới đo bằng vôn mét đỉnh (nếu s(t) là

điện áp) Thông thường để đo các giá trị tức thời và nghiên cứu dạng của tín hiệu dao động, người ta dùng dao động ký Công suất trung bình P đo bằng oát mét.

• Các giá trị đỉnh, trung bình, hiệu dụng, công suất của dao

động cũng như các giá trị tức thời thường được gọi chung là

"các thông số cường độ“.

• Ngoài phương pháp đo trực tiếp bằng các dụng cụ kể trên, người ta còn có thể đo các thông số và đặc tính của loại tín hiệu này đựa vào nguyên lý được nêu ra sau đây.

• Mọi dao động tuần hoàn có dạng bất kỳ đều có thể phân tích thành tổng của vô số dao động điều hoà với thành phần một chiều.

• s(t) = s + A1sin ( Ω t + ϕ 1) + A2sin (2 Ω t + ϕ 2) + + Ansin … (n Ω t + ϕ n) (4)

• trong đó, các dao động hình sin thành phần gọi là các sóng hài Ω = 2 π F gọi là tần số cơ bản Các sóng hài có tần số

bằng bội số nguyên lần của tần số cơ bản: n Ω : n = 1,2 gọi …

là bậc của sóng hài Biên độ An và pha ban đầu ϕ n phụ

thuộc bậc của sóng hài

• s(t) có thể biểu diễn theo thời gian & theo tần số

Khi đó, tách s(t) làm hai thành phần: biên độ và pha

• đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc biên độ các hài vào tần

số A = A(ϖ) gọi là đồ thị phổ biên độ tần số (ví dụ hình 1.8a)

• đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của pha đầu các hài

vào tần số ϕ=ϕ(t) gọi là đồ thị phổ pha tần số ( ví dụ hình 1-8b)

• Dùng công thức s(t) = s + A1sin (Ωt + ϕ1) + A2sin (2Ωt + ϕ2) + + Ansin (n… Ωt + ϕn) (4) và từ hai đồ thị này có thể lập lại được dạng của s(t) ban đầu

(hình 1-8c)

• Dạng và giá trị của phổ biên độ quan sát và đo được bằng máy phân tích phổ biểu thị bằng ống tia điện tử.

• bề rông phổ ∆f, đo bằng Hz Đó là dải tần số trên đó

có phân bố các vạch phổ của dao động

• Việc bố trí các kênh thông tin trong một đường

thông tin duy nhất và tính toán dải thông của các

thiết bị trong hệ thống thông tin nhất thiết yêu cầu phải biết bề rộng phổ của tín hiệu chọn dùng Khi

đồ thị phổ biên độ của dao động đã hiện trên màn

hiện sóng của máy phân tích phổ , ta dễ dàng đo đư

ợc bề rộng phổ ∆f

Các thông số của tín hiệu xung

Tín hiệu xung được sử dụng trong kỹ thuật vô

tuyến: Thông tin xung, ra đa, điều khiển, truyền hình vô tuyến v.v …

vì vậy đo lường các thông số của xung chiếm một

vị trí khá quan trọng.

Tín hiệu xung có nhiều loại và với mỗi loại lại có một nhóm thông số đặc trưng, người ta phân biệt những loại tín hiệu xung sau:

• Xung đơn: Là dòng điện hoặc điện áp mà giá trị của

nó chỉ khác không trong một khoảng thời gian hữu hạn, có thể so sánh được với thời gian quá độ của

một mạch điện nào đó khi xung này tác động vào

• Riêng xung đơn lại có nhiều loại phân biệt nhau theo dạng và mỗi loại gắn liền với những thông số khác nhau

• Thông dụng nhất là xung vuông (gọi là xung vuông góc), hình 1-9a

• Trong đó:

• Am: biên độ;

∀ τ: độ rộng xung; đoạn ab là sườn trước, đoạn bc là

đỉnh và đoạn cd là sườn sau của xung

• Xung răng cưa (hình 1-9b) được đặc trưng bởi hành trình thuận (đoạn ab) và hành trình ngược (đoạn bc).

Hình chiếu của các đoạn này trên trục thời gian , tư

ơng ứng là thời hạn (độ rộng) hành trình thuận τn và thời gian (độ rộng) hành trình ngược τn Giá trị đỉnh của xung gọi là biên độ, ký hiệu là Am

• Xung hình thang (1-9c) có sườn trước là đoạn ab, khi

được chiếu lên trục thời gian thì được độ rộng sườn trước τn: sườn sau cd chiếu lên trục thời gian sẽ đư

ợc độ rộng sườn sau τ2, biên độ Am tính từ đỉnh

xung Độ rộng xung τ là khoảng thời gian giữa hai

điểm sườn trước và sườn sau đạt tới

• Nếu giảm τ1 và τ2 tới không thì xung hình thang sẽ trở thành xung vuông Nếu τ1=τ2=τ0 và τd=0 thì

xung hình thang sẽ trở thành xung tam giác (hình 9c) với độ rộng τ=τ0

1-• đây là trường hợp riêng của xung răng cưa khi hành trình thuận và hành trình ngược bằng nhau

• Xung hàm số mũ (hình 1-9c) có sườn trước thẳng

đứng sau giảm theo hàm số mũ

• trong đó Am là biên độ, còn τ là hằng số thời gian của xung

∀ τ tính bằng cách kẻ một tiếp tuyến với đường cong ở một điểm bất kỳ, hoành độ của nó ký hiệu là t1, tiếp tuyến này cắt m trục hoành tại điểm t2, ta có:

∀ τ = t2 - t1

• Ngoài năm dạng trên, người ta còn dùng xung

• Nhóm xung : là tập hợp của một số xác định

các xung đơn cùng dạng cách đều nhau

• Các thông số của loại này là: số xung k, chu

kỳ lập tại T, thời hạn nhóm xung Tn,

• Nhóm xung vẽ ở hình 1-10, với giả thiết các

xung thuộc nhóm là xung vuông, có độ rộng τ

từ hình vẽ ta thấy:

• Tn= (k-1) T+ τ

C¸c th«ng sè cña tÝn hiÖu ®iÒu chÕ

1.3 Các đặc tính và thông số của mạch điện

• Trong quá trình thông tin, điều khiển trong điện tử, tín hiệu luôn luôn được biến đổi từ dạng này sang

dạng khác

• Tổ hợp các linh kiện theo một cách nào đó nhằm

thực hiện việc biến đổi nói trên gọi là một mạch

điện

• Các linh kiện của mạch điện bao gồm điện trở, tụ

điện, điện cảm, các loại đèn điện tử và bán dẫn IC …

và các phụ kiện khác nữa

• Tuỳ thuộc vào tính chất các phần tử được sử dụng, mạch điện có thể chia thành mạch tuyến tính và

mạch phi tuyến

• Vì bản chất hai loại mạch này khác nhau nên các

thông số và đặc tính của chúng cũng khác nhau

• Mạch tuyến tính tạo thành từ những phần có giá trị không phụ thuộc vào dòng điện chảy qua nó

• Các phân tử của mạch tuyến tính thường là: điện trở,

tụ điện, cuộn cảm không lõi sắt; đèn điện tử và bán dẫn làm việc ở trên đoạn đường thẳng của đặc tuyến

• Tuỳ theo tần số của tín hiệu cần thông qua mạch, mà cấu tạo của các phần tử của mạch có khác nhau và

do đó mạch tuyến tính lại còn được chia thành hai

nhóm; mạch có phần tử tập trung và mạch có phần

tử phân bố

• Để đo các thông số vừa kể trên của mạch có phần tử tập trung, người ta dùng máy đo điện trở (ôm - mét), máy đo điện cảm và điện dung, máy đo trở kháng

toàn phần và máy đo hệ số phẩm chất (Q - mét)

1.4 Các phương pháp và biện pháp đo lường cơ bản 1.4.1.Các phương pháp đo

• Hiện nay, kỹ thuật đo lường đã phát triển nhiều về phương pháp đo tương quan

• Nó là một phương pháp riêng, không nằm trong phư

ơng pháp đo trực tiếp hay phương pháp đo gián tiếp, phương pháp tương quan dùng trong những trường hợp cần đo các quá trình phức tạp, mà ở đây không thể thiết lập một quan hệ hàm số nào giữa các đại lượng là các thông số của một qúa trình nghiên cứu

• Ví dụ: tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra của một hệ thống nào đó

• Khi đo một thông số của tín hiệu nào bằng phương pháp đo tương quan, thì cần tít nhất là hai phép đo

mà các thông số từ kết quả đo của chúng không phụ thuộc lẫn nhau

• Phép đo này được thực hiện bởi cách xác định

khoảng thời gian và kết quả của một số thuật toán có khả năng định được trị số của đại lượng thích hợp

• Độ chính xác của phép đo tương quan được xác định bằng độ dài khoảng thời gian của quá trị xét

• Khi đo trực tiếp, thật ra là người đo đã phải giả thiết

hệ số tương quan giữa đại lượng đo và kết quả rất

gần 1, mặc dù có sai số đo quy luật ngẫu nhiên của quá trình biến đổi gây nên

• Phương pháp đo thay thế: Phép đo được tiến hành hai lần, một lần với đại lượng cần đo và một lần với

đại lượng đo mẫu Điều chỉnh để hai trường hợp đo

• Phương pháp đo thẳng: kết quả đo được định lượng trực tiếp trên thang độ của thiết bị chỉ thị Tất nhiên

sự khắc độ của các thang độ này là đã được lấy

chuẩn trước với đại lượng mẫu cùng loại với đại lượng đo

• Phương pháp rời rạc háo (chỉ thị số): đại lượng cần

được đo được biến đổi thành tin tức là các xung rời rạc Trị số của đại lượng cần đo được tính bằng số xung tương ứng này

1.4.2.Biện pháp Đo lường cơ bản

1.5 Đánh giá sai số đo lường

phân loại sai số đo lường

Sai sè hÖ thèng

Sai sè ngÉu nhiªn

C¸c m¹ch ghÐp kh¸c