Nghiên cứu, thiết kế volmet hiển thị số kiểu thời gian xung

Nội dung luận văn sẽ thực hiện nghiên cứu tổng quan về kỹ thuật đo điện áp, đi sâu nghiên cứu, phân tích các bộ biến đổi tín hiệu sử dụng trong Volmet hiện số; Volmet biến đổi kiểu thời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI -

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VOLMET HIỂN THỊ SỐ

KIỂU THỜI GIAN - XUNG

DƯƠNG QUỐC HOÀNG

Hà Nội - 2016

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI -

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VOLMET HIỂN THỊ SỐ

KIỂU THỜI GIAN - XUNG

DƯƠNG QUỐC HOÀNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật viễn thông

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHẠM NGỌC THẮNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố

Hà N ội , ngày 1 tháng 9 năm 2016

Học viên thực hiện Dương Quốc Hoàng

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài: Nghiên cứu, thiết kế thử nghiệm Volmet hiển thị số kiểu thời gian – xung Tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ, động viên của nhiều cá nhân và tập thể Tôi xin được bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc nhất tới tất

cả các cá nhân và tập thể đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong học tập và nghiên cứu Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo, các khoa, phòng của trường Viện Đại học Mở Hà Nội và Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi về mọi mặt trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của giảng viên hướng dẫn PGS.TS Phạm Ngọc Thắng

Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến quý báu của các nhà khoa học, các thầy, cô giáo trong trường Viện Đại học Mở Hà Nội và Đại học Sư phạm

Kỹ thuật Hưng Yên

Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi còn được sự giúp đỡ và cộng tác của các đồng chí tại các địa điểm nghiên cứu, tôi xin chân thành cảm ơn các bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã tạo điều kiện mọi mặt để tôi hoàn thành nghiên cứu này Tôi xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc đối với mọi sự giúp đỡ quý báu đó

Hà N ội, ngày … tháng … năm 2016

Tác giả luận văn

Dương Quốc Hoàng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG, HÌNH

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÉP ĐO ĐIỆN ÁP VÀ VOLMET HIỂN THỊ SỐ 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG 3

1.1.1 Đại lượng đo và phép đo 3

1.1.2 Phương tiện đo (PTĐ) 4

1.2 TỔNG QUAN VỀ VOLMET HIỂN THỊ SỐ 7

1.2.1 Cấu trúc Volmet hiển thị số 7

1.2.2 Biểu diễn tín hiệu đo điện áp 9

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU TRONG VOLMET HIỂN THỊ SỐ 10

1.3.1 Lượng tử hóa theo giá trị và rời rạc hóa theo thời gian 10

1.3.2 Mã hóa tín hiệu 12

1.3.3 Xử lý tín hiệu đo điện áp theo thuật toán số học 16

1.4 VÍ DỤ MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB 23

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 25

CHƯƠNG 2: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRONG VOLMET HIỆN SỐ 26

2.1 BỘ BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ-TƯƠNG TỰ 26

2.2 BỘ BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ-SỐ 28

2.2.1 Bộ biến đổi thời gian-mã 28

2.2.2 Bộ biến đổi điện áp-mã 29

2.3 BỘ BIẾN ĐỔI SỐ-TƯƠNG TỰ 32

2.3.1 Bộ biến đổi mã-thời gian 32

2.3.2 Bộ biến đổi mã-điện trở 33

2.3.3 Bộ biến đổi mã-điện áp 34

2.4 BỘ BIẾN ĐỔI MÃ-MÃ 35

2.5 MÔ PHỎNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI BẰNG MATLAB 36

2.5.1 Mô phỏng bộ biến đổi thời gian-mã 36

2.5.2 Mô phỏng bộ biến đổi mã-điện áp 37

2.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 37

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM VOLMET HIỂN THỊ SỐ 39

3.1 NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ 39

3.1.1 Nguyên lý của Volmet thời gian-xung 39

3.1.2 Mô phỏng Volmet tích phân hai lần băng Matlab 46

3.2 THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM VOLMET HIỂN THỊ SỐ 48

3.2.1 Thiết kế phần cứng 48

3.2.2 Thiết kế phần mềm 53

3.2.3 Kết quả khảo sát Volmet chế tạo thử nghiệm 55

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 56

KẾT LUẬN CHUNG 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BĐM : Biến đổi mã

BĐS-TT : Biến đổi số – tương tự

BĐTT-S : Biến đổi tương tự – số

BĐTT-TT : Biến đổi tương tự – tương tự

TXC : Bộ tạo xung chuẩn

TXRC : Bộ tạo xung răng cưa

DANH MỤC HÌNH VẼ, BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Biểu diễn các số từ 0 đến 9 theo mã 10, mã 2 và mã Grey 13

Bảng 1.2: Bảng trạng thái các đầu vào và đầu ra bộ giải mã 7 thanh 22

Bảng 3.1 Kết quả khảo sát volmet tích phân 2 lần mô phỏng 46

Hình 1.1: Đồ thị hàm biến đổi PTĐ 6

Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc PTĐ hiện số với biến đổi thẳng (a) và với biến đổi cân bằng (b) 8

Hình 1.3: Bốn dạng tín hiệu là hàm của thời gian 9

Hình 1.4: Lượng tử hóa một khoảng thời gian 11

Bảng 1.1: Biểu diễn các số từ 0 đến 9 theo mã 10, mã 2 và mã Grey 13

Hình 1.6: Tín hiệu điều tần 15

Hình 1.7: Tín hiệu điều xung 15

Hình 1.8: Khuếch đại cộng (a), khuếch đại trừ (b) 16

Hình 1.9: Bộ khuếch đại vi sai 17

Hình 1.10: Bộ khuếch đại đo lường 17

Hình 1.11: Bộ tích phân và dạng điện áp vào, điện áp ra 18

Hình 1.12: Bộ tạo hàm thời gian 19

Hình 1.13: Bộ tạo hàm thời gian dạng đa thức bậc hai 19

Hình 1.14: Sơ đồ bộ chia tần (a) và biểu đồ thời gian (b) 20

Hình 1.16 : Đèn hiển thị 7 thanh 21

Hình 1.15: Decade đếm mã 2-10 (a), biểu đồ thời gian làm việc (b) 21

Hình 1.17: Bộ chia tần có hệ số chia biến đổi 22

Hình 1.18: Bộ tạo hàm đa thức bậc 2 23

Hình 1.19: Giao diện mô phỏng bộ đếm Decade 24

Hình 1.20: Giao diện kết quả mô phỏng bộ đếm 2 Decade 25

Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ biến đổi điện áp-tần số 26

Hình 2.2: Biểu đồ thời gian của bộ biến đổi điện áp tần số 26

Hình 2.4: Bộ biến đổi điện áp-mã 30

Hình 2.5: Bộ biến đổi điện áp-mã dùng 2 bộ so sánh 31

Hình 2.6: Sơ đồ khối bộ biến đổi mã-thời gian 32

Hình 2.7: Bộ biến đổi mã-điện trở 33

Hình 2.8: Bộ biến đổi mã-điện áp 34

Hình 2.9: Bộ biến đổi mã 2 về mã 2-10 35

Hình 2.10: Giao diện kết quả mô phỏng bộ biến đổi thời gian-mã 36

Hình 2.11: Giao diện kết quả mô phỏng bộ biến đổi mã-điện áp 37

Hình 3.1: Sơ đồ khối Volmet tích phân một lần 39

Hình 3.2: Biểu đồ thời gian làm việc của Volmet 40

Hình 3.3: Volmet thời gian xung tích phân hai lần 41

Hình 3.4: Sơ đồ mạch nhớ và bù điện áp trôi 0 43

Hình 3.5: Volmet với thang đo Decibel 45

Hình 3.6: Giao diện kết quả mô phỏng Volmet tích phân hai lần 47

Hình 3.7: Khảo sát khả năng chống nhiễu của Volmet tích phân hai lần 48

Hình 3.8: Sơ đồ khối của Volmet hiển thị số xung tích phân 2 lần 49

Hình 3.9: Sơ đồ mạch phân áp xử lý dải đo 49

Hình 3.10: Sơ đồ của IC TC510 50

Hình 3.11: Sơ đồ mạch tạo điện áp tham chiếu 51

Hình 3.12: Sơ đồ khối xử lý trung tâm 51

Hình 3.13: Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị 52

Hình 3.14: Sơ đồ khối nguồn 53

Hình 3.15: Các thuật toán xử lý thông tin đo và điều khiển 55

LỜI NÓI ĐẦU

Nhờ sựphát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ, ngày nay đo lường đã

có những bước tiến vượt bậc và được ứng dụng rất rộng rãi trong tất cả các lĩnh vực của đời sống Trong hệ thống điều khiển quá trình công nghệ, đo lường làm nhiệm

vụ thu nhận, biến đổi, xử lý và lưu giữ thông tin về đối tượng đo, giúp cho quá trình điều khiển và tính toán Trong thương nghiệp nhờ các tham số đo ta đánh giá được chất lượng sản phẩm và định được giá cả hàng hoá Trong nghiên cứu khoa học đo lường là công cụ thực nghiệm xác định quy luật của quá trình, nhờ chúng, ta có thể giải thích các hiện tượng vật lý Trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật quân sự, chất lượng của vũ khí, khí tài quân sự, độ chuẩn xác của quá trình điều khiển vũ khí khí tài phụ thuộc vào độ tin cậy, độ chính xác của nguồn thông tin nhận được từ mục tiêu, đối tượng điều khiển thông qua các phép đo

Đo lường số là xu hướng phát triển của đo lường, trong đó kỹ thuật biến đổi và

xử lý tín hiệu chiếm vị trí quan trọng Sự bùng nổ và phát triển như vũ bão của công nghệ điện tử và công nghệ thông tin đã có những tác động tích cực đến kỹ thuật đo lường, đặc biệt là lĩnh vực xử lý số tín hiệu giúp cho các phương tiện đo, hệ thống

đo số phát triển mạnh mẽ bởi chúng có những ưu điểm tuyệt đối so với các hệ thống tương tự như như: Tốc độ xử lý thông tin lớn; độ chính xác và độ nhạy cao, không

có sai số chủ quan do con người gây ra; có thể tự động hóa hoàn toàn quá trình đo

và xử lý tín hiệu đo; kết quả đo ở dạng mã hóa nên rất thuận tiện cho việc lưu trữ, truyền đi xa và xử lý tiếp theo

Điện áp là đại lượng rất phổ biến trong kỹ thuật điện điện tử và là đại lượng trung gian trong rất nhiều hệ thống đo không điện Dải cần đo của điện áp rất rộng nhưng thông dụng từ cỡ phần triệu Volt đến hàng ngàn Volt với các lĩnh vực đa dạng như trong nghiên cứu khoa học cơ bản, khoa học ứng dụng, công nghiệp, …

Để đo được chính xác giá trị của điện áp trong các điều kiện khác nhau là bài toán không đơn giản Chính vì vậy, mặc dù đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về lý thuyết đo, thiết kế nguyên lý phương tiện đo, hệ thống đo điện áp, … nhưng tùy

thuộc điều kiện công nghệ của từng quốc gia, vùng lãnh thổ, trong từng thời kỳ, …

mà vẫn đặt ra nhiều hướng nghiên cứu mở cho lĩnh vực này

Nội dung luận văn sẽ thực hiện nghiên cứu tổng quan về kỹ thuật đo điện áp,

đi sâu nghiên cứu, phân tích các bộ biến đổi tín hiệu sử dụng trong Volmet hiện số; Volmet biến đổi kiểu thời gian xung; mô phỏng để kiểm chứng tính đúng đắn của các kết quả lý thuyết; vận dụng để thiết kế, chế tạo thử nghiệm Volmet hiện số đo điện áp một chiều sử dụng các linh kiện thương mại có trên thị trường hiện nay, góp phần đa dạng hóa các giải pháp thiết kế, chế tạo phương tiện đo

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, song do thời gian và kinh nghiệm có hạn nên luận văn không tránh khỏi sai sót Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các Thầy, Cô; các nhà khoa học; các bạn đồng nghiệp để luận văn hoàn chỉnh hơn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ PHÉP ĐO ĐIỆN ÁP VÀ VÔN MÉT HIỂN THỊ SỐ

1.1 TỔNG QUAN VỀ ĐO LƯỜNG

1.1.1 Đại lượng đo và phép đo

Để nghiên cứu các hiện tượng vật lý, xác tính chất các vật thể hoặc chất người

ta sử dụng các đại lượng Cho đến thời điểm hiện tại người ta đã đưa ra khoảng trên

250 đại lượng khác nhau, bao trùm toàn bộ hoạt động khoa học công nghệ và cuộc sống

Đại lượng (đo được) là thuộc tính của hiện tượng, vật thể hoặc chất có thể phân biệt được về mặt định tính và xác định được về mặt định lượng (TCVN 6165:1996) [6]

Ví dụ kích thước tính theo đơn vị đo độ dài, là thuộc tính chung cho nhiều vật thể, nhưng không phải các vật thể có kích thước như nhau, để xác định giá trị cụ thể cần định lượng thông qua phép đo Muốn định nghĩa và đưa ra một đại lượng mới điều trước tiên nó phải đo được Khái niệm đại lượng đo được hiểu là đối tượng cụ thể của phép đo nào đó trong thực tế

Đại lượng được đánh giá bằng trị số và đơn vị Ví dụ ta đo điện áp và nhận kết quả 56V, 56 là trị số còn V là đơn vị của điện áp

Tùy thuộc vào chủng loại đại lượng mà người ta chia đại lượng thành các hệ khác nhau: hệ cơ, hệ điện và từ, hệ nhiệt, hệ quang, hệ âm và hệ phóng xạ Điện áp

là đại lượng thuộc hệ điện

Đại lượng và phép đo có mối liên hệ chặt chẽ với nhau Đại lượng là đối tượng của phép đo Người ta dùng phép đo để xác định giá trị của đại lượng

Phép đo là tập hợp các thao tác để xác định giá trị đại lượng (TCVN 6165:1996) [6] Như vậy ngoài thao tác thực nghiệm, để xác định kết quả trong một

số phép đo, ví dụ như phép đo thống kê, cần có thêm thao tác xử lý, tính toán

Dựa theo cách nhận kết quả, phép đo chia thành: phép đo trực tiếp, phép đo

Trong phép đo trực tiếp giá trị của đại lượng đo nhận được trực tiếp từ số liệu thực nghiệm Ví dụ giá trị điện áp nhận được trực tiếp trên hiển thị của Volmet Trong phép đo gián tiếp giá trị của đại lượng đo xác định được nhờ tương quan hàm số giữa đại lượng này với các đại lượng khác nhận được bằng phép đo trực tiếp

Giả sử hàm tương quan giữa đại lượng đo gián tiếp Y và các đại lượng đo trực tiếp X1, X2, X3… là Y=f (X1, X2, X3…), sau khi có kết quả của phép đo trực tiếp, dựa vào hàm tương quan ta tính Y Ví dụ tính (đo) điện trở thông qua định luật Ôm

và số liệu đo điện áp, dòng điện bằng Volmet và Ampemet

Trong phép đo tổng hợp giá trị của đại lượng đo xác định được thông qua việc giải hệ phương trình tương quan và các số liệu nhận được từ các phép đo trực tiếp

và gián tiếp

1.1.2 Phương tiện đo (PTĐ)

1 Tổng quan về phương tiện đo

Phương tiện đo là Thiết bị được dùng độc lập hoặc cùng với các thiết bị phụ

để thực hiện phép đo (TCVN 6165:1996)

Ví dụ trong phép đo điện áp chỉ cần “dùng độc lâp” Volmet là thực hiện được phép đo, trong phép đo so sánh ngoài PTĐ chính ta còn dùng kèm theo PTĐ phụ, nguồn mẫu điều chỉnh, …

Phương tiện đo được chia thành 2 nhóm: PTĐ đơn giản (chuẩn, mẫu, thiết bị

so sánh, chuyển đổi đo), PTĐ phức tạp (máy đo, thiết bị đo tổng hợp và hệ thống thông tin đo lường) [2] Ở đây có 2 loại PTĐ quan trọng liên quan trực tiếp tới nội dung của đề tài, đó là chuyển đổi đo và máy đo Chuyển đổi đo là PTĐ dùng để biến đổi tín hiệu đo về dạng thuận tiện cho việc truyền tiếp, biến đổi tiếp, xử lý tiếp

và lưu giữ nhưng người quan sát không thể nhận biết trực tiếp kết quả Sự khác biệt giữa máy đo và chuyển đổi đo ở chỗ, máy đo có thêm bộ hiển thị kết quả

Phương tiện đo được phân loại rất phổ biến theo tên đại lượng (tầnmét, phamét…) hoặc theo đơn vị cơ bản của đại lượng (Volmet, Ampemet, oátmét,…)

Ngoài ra PTĐ còn có thể phân loại theo cấp chính xác, phạm vi đo, mức tác động, đại lượng ảnh hưởng…

2 Các đặc trưng cơ bản của PTĐ

Các đặc trưng kỹ thuật của PTĐ đưa ra đầy đủ trong thuyết minh kỹ thuật kèm theo Bất cứ PTĐ nào đều có các đặc trưng kỹ thuật cơ bản sau đây: hàm biến đổi,

Độ nhạy, phạm vị đo, mức tác động, cấp chính xác (sai số) [1, 3, 7]

• Hàm biến đổi của PTĐ là tương quan hàm số giữa đại lượng ra Y với đại lượng vào tương ứng X của PTĐ:

Y=f(X) (1.1) Hàm biến đổi cho dưới 3 dang: biểu thức toán, đồ thị và bảng giá trị Hàm biến đổi PTĐ trong điều kiện tiêu chuẩn phải là đơn trị Hàm dạng biểu thức toán là dạng ta mong muốn, đồ thị giúp ta xác định vùng tuyến tính và vùng phi tuyến của đặc tính biến đổi, hàm dạng bảng giá trị thông thường được sử dụng cho các bộ chuyển đổi đo lường sơ cấp đo các đại lượng không điện Dựa vào bảng giá trị ta có thể thay gần đúng bằng biểu thức toán [8]

Một phương tiện đo có hàm biến đổi danh định và hàm biến đổi thực tế Độ lệch giữa 2 hàm này đặc trưng cho độ chính xác của PTĐ Khi hàm biến đổi là tuyến tính và thỏa mãn điều kiện f(X)=0 khi X=0 thì ta có hệ số biến đổi K=f(X)/X

là một hằng số, đây là trường hợp mong muốn nhất

• Độ nhạy là tỉ số giữa độ biến thiên của tín hiệu ở đầu ra PTĐ với độ biến thiên của đại lượng đo tương ứng Độ nhạy là một đặc trưng quan trọng, vì PTĐ có Độ nhạy càng cao càng phát hiện sự biến thiên nhỏ của đại lượng đo Độ nhạy được xác định:

Y S X

và S2 tương ứng với 2 trường hợp: hàm tuyến tính (1) và hàm phi tuyến (2):

1 2 1 1

2 1 ' '

2 2 1 2

2 1

Y Y Y S

X X X

Y Y Y S

Trong trường hợp thứ nhất, độ nhạy S1 bằng hệ số biến đổi K, trường hợp 2-

S2 thay đổi theo sự biến thiên của đại lượng đo X

Ph ạm vi đo là phạm vi thang đo nằm trong phạm vi chỉ thị, tại đó sai số đo

được định mức Phạm vi chỉ thị là pham vi thang đo giới hạn bởi giá trị đầu và giá trị cuối thang Trong nhiều trường hợp phạm vi đo chính là phạm vi chỉ thị

• Mức tác động của PTĐ tương tự được xác định bởi thời gian thực hiện một phép đo, ví dụ máy đo chỉ thị kim mức tác động là 4-5s; đối với máy đo hiện số mức tác động được xác định thông qua số lần đo trong một giây, ví dụ trong 1s ta có thể tiến hành từ hàng chục phép đo tới hàng chục triệu phép đo

• Cấp chính xác là đặc trưng tổng hợp của PTĐ, xác định bởi giới hạn bởi sai

số cơ bản và sai số phụ cho phép cũng như các tính chất khác của PTĐ có ảnh hưởng tới cấp chính xác Cơ sở để xác định và ký hiệu cấp chính xác của PTĐ là độ lớn của sai số cơ bản cho phép và hình thức biểu thị sai số

Sai số cơ bản là thành phần sai số của PTĐ sử dụng trong điều kiện tiêu chuẩn Chỉ cần một đại lượng ảnh hưởng tác động lên PTĐ vượt ra ngoài phạm vi tiêu chuẩn là xuất hiện sai số phụ

3 Ph ương pháp đo lường

Phương pháp đo lường là trình tự logic của các thao tác được mô tả một cách tổng quát để thực hiện phép đo (TCVN 6165:1996) Phương pháp đo lường chia thành 2 nhóm chính: phương pháp đo trực tiếp và phương pháp đo so sánh

Trong phương pháp đo trực tiếp giá trị của đại lượng được xác định trực tiếp trên chỉ thị của PTĐ Ví dụ đo điện áp bằng Volmet Phương pháp đo này đơn giản,

đo mất ít gian, song độ chính xác không cao

Trong phương pháp đo so sánh, đại lượng đo được so sánh với đại lượng mẫu cùng loại Phương pháp đo so sánh phức tạp hơn, thời gian đo dài hơn, nhưng có độ chính xác cao hơn Phép đo so sánh được chia thành:

- Phương pháp vi sai: đo hiệu đại lượng đo và đại lượng mẫu;

- Phương pháp chỉ không: Điều chỉnh đại lượng mẫu cho tới khi hiệu đại lượng đo và đại lượng mẫu bằng 0;

- Phương pháp thế thực hiện theo các bước: đo đại lượng vào, đo đại lượng

mẫu thay thế

1.2 TỔNG QUAN VỀ VOLMET HIỂN THỊ SỐ

1.2.1 Cấu trúc Volmet hiển thị số

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử và công nghệ thông tin, các PTĐ hiển thị số (PTĐHS) mặc dù ra đời sau các PTĐ tương tự nhưng được ứng dụng rất rộng rãi, bởi chúng có những ưu điểm chính như: Tốc độ xử lý thông tin lớn; độ chính xác và độ nhạy cao, không có sai số chủ quan do con người gây ra; có thể tự động hóa hoàn toàn quá trình đo và xử lý tín hiệu đo; kết quả đo ở dạng mã hóa nên rất thuận tiện cho việc lưu trữ, truyền đi xa và xử lý tiếp theo [7] Trong kỹ thuật đo lường, PTĐ nói chung và PTĐ điện áp (Volmet) nói riêng

kể cả loại tương tự và số nhìn chung đều có hai sơ đồ cấu trúc cơ bản, đó biến đổi thẳng (biến đổi đơn hướng) và biến đổi cân bằng (biến đổi có hồi tiếp) Hai PTĐ loại này được xây dựng theo hai phương pháp đo: phương pháp đo trực tiếp và phương pháp đo so sánh [7, 8]

Trên hình 1.2 đưa ra hai sơ đồ cấu trúc của PTĐ hiển thị số với cấu trúc biến đổi thẳng (a) và với cấu trúc biến đổi cân bằng (b)

Trong hai PTĐ, đã sử dụng bộ biến đổi tương tự-tương tự (BĐTT-TT), bộ biến đổi tương tự-số (BĐTT-S), biến đổi mã (BĐM), bộ biến đổi số-tương tự (BĐS-TT), bộ so sánh (BSS) và bộ hiển thị số (HTS) Trong PTĐ được xây dựng theo biến đổi cân bằng, quá trình biến đổi là quá trình so sánh liên tục đại lượng đo X với đại lượng mẫu cùng loại Xm cho tới thời điểm ∆X tiệm cần giá trị tương ứng với mức lượng tử của chỉ số trên HTS của PTĐ

Hình 1.2: Sơ đồ cấu trúc PTĐ hiện số với biến đổi thẳng (a)

và với biến đổi cân bằng (b)

So sánh hai PTĐ ta thấy rằng: PTĐ xây dựng theo sơ đồ biến đổi thẳng có cấu trức đơn giản, mức tác động cao, nhưng độ chính xác thấp hơn; PTĐ xây dựng theo

sơ đồ biến đổi cân bằng mặc dù phức tạp hơn về cấu trúc, mức tác động thấp hơn do quá trình so sánh, nhưng có ưu điểm vượt trội là độ chính xác cao hơn, quyết định bởi sai số của BĐS-TT

Bộ biến đổi BĐTT-S trong PTĐ hiện số là bộ phận quan trọng nhất, tại đây xảy ra hai quá trình nối tiếp nhau: lượng tử hóa đại lượng và mã hóa Như vậy đại lượng liên tục được lượng tử hóa để biến đổi về dạng rời rạc, sau đó được mã hóa, phục vụ cho hiển thị kết quả và biến đổi tiếp Toàn bộ quá trình biến đổi trong PTĐ hiện số, kể từ khâu thu nhận đại lượng đo đến khâu cuối cùng là hiển thị kết quả đều diễn ra tự động

(b)

BSS

1.2.2 Biểu diễn tín hiệu đo điện áp

Tín hiệu điện áp được biểu diễn dưới dạng hàm của biến thời gian X(t), hoặc hàm của biến tần số X(f) hay X(ω) Theo đặc tính đo lường, tín hiệu điện áp được chia thành 4 loại và được biểu diễn trên hình 1.3

- Tín hiệu liên tục theo thời gian và giá trị -X(t) (hình 1.3.a);

Hình 1.3: Bốn dạng tín hiệu là hàm của thời gian

- Tín hiệu liên tục theo thời gian và lượng tử theo giá trị - Xlt(t) (hình 1.3.b);

- Tín hiệu rời rạc theo thời gian và liên tục theo giá trị - Xrr(t) (hình 1.3.c);

- Tín hiệu rời rạc theo thời gian và lượng tử theo giá trị - Xrrlt(t) (hình 1.3.d) Tín hiệu theo thời gian còn chia thành tín hiệu không ngẫu nhiên và tín hiệu ngẫu nhiên Tín hiệu rời rạc theo thời gian và tín hiệu lượng tử theo giá trị còn được biểu diễn ở dạng tín hiệu số Mỗi một giá trị của điện áp tại các điểm rời rạc hay lượng tử được thay bằng dãy chữ số tương ứng của mã cần biểu diễn

Một tín hiệu điện áp bất kỳ X(t) được tạo bởi từ các hài thành phần:

t (b)
l

Nếu ta đo được biên độ các thành phần hài và tần số tương ứng của chúng thì

sẽ thiết lập được đặc tính phổ của tín hiệu X(f) hay X(ω) Đây chính là cách biểu diễn tín hiệu trên miền tần số

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ BẢN BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU TRONG VÔN MÉT HIỂN THỊ SỐ

1.3.1 Lượng tử hóa theo giá trị và rời rạc hóa theo thời gian

Trong phương tiện đo điện áp hiện số xảy ra hai quá trình nối tiếp nhau, đó là lượng tử hóa đại lượng liên tục theo thời gian và mã hóa [7, 12]

Lượng tử hóa theo giá trị là chia giá trị đại lượng điện áp liên tục X(t) thành các phần bằng nhau ∆XK, mỗi phần là một bước lượng tử Sau đó biểu diễn X(t) thành dãy giá trị, trong đó mỗi giá trị cách hai giá trị kề cận một bước lượng tử Trên hình 1.3.b biểu diễn quá trình lượng tử theo giá trị

Tương ứng với giá trị X của đại lượng điện áp, ta đếm được N bước lượng tử,

từ đây tính được:

X =N ∆X

(1.4) Rời rạc hóa theo thời gian (xem hình 1.3.c) là biểu diễn điện áp liên tục X(t) bằng dãy các giá trị X1, X2, , Xn ứng với các thời điểm t1, t2, , tn, ∆t= ti-ti-1 - bước gián đoạn

Độ lớn bước gián đoạn được lựa chọn cần tuân theo định luật Kochenicop:

“Một tín hiệu liên tục theo thời gian X(t) không chứa hài bậc cao với tần số lớn hơn

Fmax, thì tín hiệu này hoàn toàn được xác định bởi dãy các giá trị rời rạc cách nhau một khoảng thời gian ∆t=1/2Fmax” Như vậy thông tin cần và đủ về tín hiệu điện áp

liên tục là dãy các giá trị cách nhau một khoảng thời gian ∆t=1/2Fmax, Fmax - tần số hài bậc cao nhất Nếu ta giảm bước gián đoạn nhỏ hơn nữa sẽ dẫn tới sự dư thừa

thông tin và làm cho PTĐ cùng quá trình xử lý thông tin thêm phức tạp

Sai s ố lượng tử:

Sai số lượng tử là sai số đặc trưng cho PTĐ hiện số Để giảm sai số lượng tử cần giảm giá trị bước lượng tử Sai số lượng tử tuyệt đối cực đại có giá trị đúng bằng một bước lượng tử ( K) Sai số lượng tử tương đối được tính:

Để giảm sai số lượng tử cần tăng số bước n tương ứng với đai lượng X Giữa

K và N có mối liên hệ qua lại: khi giảm K thì đương nhiên N tăng và ngược

lại

Sai s ố lượng tử một khoảng thời gian:

Trong rất nhiều dạng biến đổi các đại lượng về dạng số, thời gian là đại lượng trung gian được sử dụng rộng rãi, ví dụ như trong bộ biến đổi thời gian-xung chẳng hạn Trong khâu biến đổi trung gian ta cần lượng tử hóa một khoảng thời gian Tx

bằng dãy xung chuẩn f0 ở tần số cao (xem hình 1.4.a)

Hình 1.4: Lượng tử hóa một khoảng thời gian

Khoảng thời gian TX sau khi được lấp đầy bằng dãy xung chuẩn được thay bằng TN=NT0 Từ đây ta xác định được sai số lượng tử:

∆ =t T N −T X = ∆ − ∆ (1.6) t1 t2

Ta xác định giá trị cực đại của sai số lượng tử Nếu ∆t1= T0 và ∆t2= 0 thì ∆t= +T0, nếu ∆t1= 0 và ∆t2= T0 thì ∆t= -T0 Như vậy sai số lượng tử tuyệt đối cực đại mang 2 đấu và có giá trị bằng chu kỳ của xung chuẩn (∆tmax= T0)

Sai số lượng tử cực đại tương đối được xác định:

Để giảm sai số lượng tử một khoảng thời gian ta cần tăng tần số của dãy xung chuẩn Tuy nhiên ta không nên tăng quá cao, bởi vì khi tăng tần số sẽ tăng thêm độ phức tạp và giảm mức tác động của PTĐ, ví dụ như cần chọn bộ đếm có nhiều Decade đếm hơn, các Decade đầu cần có tốc độ đếm cao…

Cần nêu thêm rằng: nếu hai thành phần sai số về giá trị lệch nhau từ 5 lần trở lên thì thành phần nhỏ có thể bỏ qua Do vậy ta chỉ nên tăng tần số xung chuẩn tới mức để sai số lượng tử nằm trong mối tương quan với các thành phần sai số khác của PTĐ

Để giảm sai số lượng tử xuống mức T0/2 ta tiến hành đồng bộ xung khởi động với xung chuẩn sao cho xung khởi động nằm giữa hai xung chuẩn (xem hình 1.4.c) Điều này cũng giống như tịnh tiến đặc tính lượng tử (hình 1.4b) lên phía trên một khoảng bằng ∆XK/2 (xem hình 1.4.c) và sai lượng tử mang 2 dấu với giá trị

bằng nửa bước lượng tử

1.3.2 Mã hóa tín hiệu

Mã hóa là phương thức biểu diễn thông tin số lượng bằng các ký tự Mã hóa giúp cho việc tăng tốc độ truyền và bảo mật thông tin Trong phần lớn các trường hợp thực tế mã hóa được thực hiện nhờ các chữ số, ví dụ hiển thị kết quả đo bằng chữ số thập phân; truyền, biến đổi, lưu giữ thông tin thông qua các chữ số 0 và 1 của mã nhị phân

Để mã hóa dữ liệu ta cần nghiên cứu về mã và hệ đếm nào để biểu diễn nó Ở đây

ta chỉ giới hạn xét các hệ đếm và mã sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật đo lường số [2, 7]

1 Hệ đếm

Hệ đếm là tập hợp các ký tự ở dạng chữ số để biểu diễn thông tin số lượng Trong đo lường thường sử dụng hệ 1, hệ 10 (thập phân) và hệ 2 (nhị phân) Hệ 1 dùng 1 ký tự là chữ số 1, hệ 10 sử dụng các chữ số từ 0 đến 9, hệ 2 dùng 2 chữ số 0

và 1, ví dụ dãy xung chuẩn nối tiếp nhau đưa tới bộ đếm được biểu diễn theo hệ 1,

vì mỗi xung trong ở bất kỳ thời điểm nào trong thời gian biến đổi vẫn là 1

Một số bất kỳ đều được biểu diễn như sau:

trong đó h- cơ số của hệ đếm (với hệ 10 h=10, với hệ 2 h=2); ai- là một chữ số nhận

Bảng 1.1: Biểu diễn các số từ 0 đến 9 theo mã 10, mã 2 và mã Grey

Mã 2-10 được xây dựng theo cách mỗi hàng của mã 10 biểu diễn 4 hàng chữ

số của mã 2 Ví dụ biểu diễn số 145 theo mã 2-10: N2-10 = 0001 0100 0101

Quy tắc biến đổi mã 2 sang mã Grey: Viết mã 2 lùi sang phải 1 hàng, bỏ chữ

số cuối cùng để nhận được mã mới, cộng không nhớ mã 2 với mã mới đó [2]

3 Điều chế tín hiệu

Trong lĩnh vực truyền và xử lý tín hiệu đo điện áp hoặc các đại lượng khác người ta sử dụng các dạng điều chế khác nhau như điều chế biên độ, điều chế tần

số, điều chế pha, điều chế xung Đây cũng là phương thức truyền tín hiệu trong

hệ thống đo xa và đồng thời là đối tượng của phép đo, là công cụ biến đổi, ví dụ

như điều biên được sử dụng trong khuếch đại đo lường điều chế-khuếch đại-giải điều chế nhằm giảm sai số trôi 0 của bộ khuếch đại một chiều

a Điều biên

Tín hiệu điều biên là dao động cao tần có biên độ biến thiên theo quy luật của tin tức S(t) (hàm điều chế) Xét một trường hợp đơn giản, giả sử S(t) là một dao động điều hòa S t( )=U cΩ osΩt thì dao động điều biên có dạng:

U db( )t =U m(1+mcosΩt)sinωt (1.9)

ở đây: Um- biên độ của dao động cao tần (sóng mang), ω=2πf - tần số sóng mang, Ω= 2πF - tần số điều chế, m- hệ số điều biên (độ sâu điều biên)

Trên hình 1.5 đưa ra dạng tín hiệu điều biên

Hình 1.5: Tín hiệu điều biên

Hệ số điều biên được xác định theo công thức:

.100, %[ ]

m

U m U

∆

= (1.10) Trong đó ∆U- biên độ của dao động điều chế (∆U=UΩ) Sau biến đổi (1.10)

Ở đây ω0=2πf0- tần số sóng mang, mf là chỉ số điều tần, được xác định từ công thức: f

f m

Hình 1.7: Tín hiệu điều xung

Tín hiệu điều chế

Tín hiệu điều tần

1.3.3 Xử lý tín hiệu đo điện áp theo thuật toán số học

Xử lý tín hiệu là một lĩnh vực nghiên cứu rộng, trong khuôn khổ của luận văn, tác giả giới hạn xét một số nội dung có liên quan đến phần thiết kế ở phần sau Đối với tín hiệu điện áp tương tự tập trung nghiên cứu phép cộng trử, nhân chia, tích phân điện áp, khuếch đại đo lường trên cơ sở khuếch đại thuật toán; đối với tín hiệu

số nghiên cứu bộ chia tần nhị phân với hệ số chia biến đổi, bộ tạo hàm đa thức [12]

1 Xử lý tín hiệu tương tự

a. Phép cộng trừ điện áp

Phép cộng trừ điện áp được thực hiện bằng khuếch đại thuật toán, tương ứng với hai sơ đồ hình 1.8.a,b

Hình 1.8: Khuếch đại cộng (a), khuếch đại trừ (b)

Theo sơ đồ hình 1.8.a điện áp ra bộ khuếch đại được xác định:

b. Khuếch đại vi sai

Khuếch đại vi sai là trường hợp đặc biệt của khuếch đại trừ, trong đó điện áp vào không có điểm đấu đất, ví dụ điện áp nhánh chỉ thị của mạch cầu Trên hình 1.9 đưa ra sơ đồ bộ khuếch đại vi sai

Hình 1.9: Bộ khuếch đại vi sai

Điện áp ra bộ khuếch đại vi sai với điều kiện R1= R2=RV và R3=R4 được xác định:

c. Khuếch đại đo lường

Hình 1.10: Bộ khuếch đại đo lường

Bộ khuếch đại điện áp được biểu diễn trên hình 1.10 được ứng dụng rất rộng rãi trong đo lường Nó được xây dựng từ ba tầng, tầng đầu là hai bộ khuếch đại lặp hoàn toàn giống nhau với mục đích giảm thiểu nhiễu nhiệt nội bộ và tăng trở kháng đầu vào, hai tầng còn lại làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu và chỉnh độc lập trôi 0

R R R

  (1.20)

d. Bộ tạo hàm thời gian

Bộ tạo hàm thời gian được xây dựng từ các bộ tích phân điện áp Nó được ứng dụng rộng rãi trong các PTĐ điện áp, đặc biệt là PTĐ hiện số, ví dụ như vômét thời gian-xung

Trên hình 1.11.a đưa ra sơ đồ bộ tích phân điện áp xây dựng trên bộ khuếch đại thuật toán, trên hình 1.11.b là dạng điện áp vào và ra tương ứng của nó

Hình 1.11: Bộ tích phân và dạng điện áp vào, điện áp ra

Tại thời điểm đột biến điện áp theo chiều tăng tụ C được nạp, điện áp bộ tích phân tăng tuyến tính và được xác định:

1 / 2

1

( )

1 ( )

Hình 1.12: Bộ tạo hàm thời gian

Nếu kết hợp các bộ tạo hàm thời gian biểu diễn trên hình 1.12 với nhau thì ta

có các bộ tạo dạng đa thức bậc 2 đủ và đa thức bậc cao hơn Trên hình 1.13 là một

thời điểm sườn sau của xung đầu vào Tần số ở đầu ra thứ i nào đó nhỏ hơn tần số đầu vào bộ chia là 2i lần Trên cơ sở bộ chia tần nhị phân ta có thể xây dựng bộ đếm Decade(bộ đếm mã 2-10) dùng cho hiển thị kết quả đo

Hình 1.14: Sơ đồ bộ chia tần (a) và biểu đồ thời gian (b)

β. Bộ đếm Decade

Bộ đếm Decade là bộ đếm mã 2-10 được tạo bởi một số các Decade đếm, mỗi Decade tương ứng một hàng của mã 10 Trong mỗi đề các có 4 Trigger và 3 mạch logic, các xung biến đổi theo mã 2, cứ đếm được 10 xung Decade chuyển về trạng thái 0 và cho ra 1 xung để đưa tới đầu vào Decade đếm bậc cao hơn

Trên hình 1.15.a đưa sơ đồ một Decade đếm, kèm theo là biểu đồ thời gian (b) Quá trình hoạt động của Decade như sau: Trigger T1 làm bình thường ở mọi thời điểm Trigger T2 và T3 làm việc bình thường từ xung đầu tiên đến sườn sau xung thứ 8 Từ thời điểm này đầu ra thuận của T4 chuyển về về mức logic 1, còn đầu đảo của T4 chuyển về mức logic 0 nên mạch AND1 không cho xung qua và kết quả là T2 và T3 gim lại ở mức logic 0 đến chu kỳ đếm tiếp theo Mạch AND2 có mức logic 1 trong khoảng thời gian từ sườn sau xung thứ 9 đến sườn sau xung thứ

10, kết quả là mạch OR cũng có mức logic 1 Kể từ sườn sau xung thứ 10, mạch AND2 chuyển về mức logic 0, dẫn tới sự thay đổi trạng thái mạch OR từ mức lô gic

1 chuyển về mức 0 Do đó T4 chuyển trạng thái về mức logic 0 Tại thời điểm này Trigger đầu tiên của Decade đếm tiếp theo được kích hoạt, còn 4 Trigger T1, T2, T3,

T4 chuyển về mức logic 0 để chờ chu kỳ đếm mới bắt đầu từ xung thứ 11

Hình 1.15: Decade đếm mã 2-10 (a), biểu đồ thời gian làm việc (b)

χ. Bộ giải mã 7 thanh (LED 7 thanh)

Đèn hiển thị 7 thanh được mô tả trên hình 1.16,

mỗi thanh là Diode quang, được phát sáng khi có trạng

thái logic 1 (cấp nguồn 5 V-loại Cathode chung)

Trạng thái các thanh của đèn được xác định từ hệ

phương trình sau đây :

Bảng 1.2: Bảng trạng thái các đầu vào và đầu ra bộ giải mã 7 thanh

δ. Bộ chia tần có hệ số chia biến đổi

Bộ chia tần có hệ số chia biến đổi được xây dựng theo nguyên tắc so sánh mã thiết lập sẵn trên bộ ghi (xây dựng trên cơ sở bộ chia tần nhị phân) và mã thiết lập trên bộ đếm đầu vào [1] Trên hình 1.17 đưa ra sơ đồ khối bộ chia

Trong bộ ghi (BG) thiết lập sẵn mã NY Xung với tần số f0 đưa tới bộ đếm

ĐX, khi lượng xung đưa tới bằng NY thì quá trình so sánh xảy ra và đầu ra của nó cho 1 xung, xung này điều khiển về trạng thái 0 và

quá trình biến đổi được lặp lại Ở đầu ra ta nhận

được dãy xung với tần số:

0

Z Y

f f N

Hình 1.18: Bộ tạo hàm đa thức bậc 2

Hoạt động của bộ tạo hàm như sau: đầu tiên các bộ đếm ĐX1 và ĐX3 thiết lập

ở trang thái 0, ĐX2- ở trạng thái 2m-1, m- số hàng của bộ đếm Bộ đếm ĐX1 sẽ cộng dồn các xung đơn vị nhận từ ĐX2 , số xung đó được tính X=NX/2m Mỗi lần tràn

ĐX2, bộ đếm ĐX3 sẽ nhận thêm i xung, i tăng dần theo dãy số tự nhiên: 1, 2, 3,

Phần mềm chuyên dụng Matlab ngày càng ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh

vự khoa học công nghệ Trong đo lường phần mềm này mang tính đa năng cao, vì nhờ nó ta có thể mô phỏng được phần lớn các PTĐ theo nguyên lý có sẵn, cũng như trong quá trình hình thành PTĐ theo nguyên lý mới Trong phần mềm Matlab có các yếu tố cần thiết để thiết kế, mô phỏng PTĐ nhờ các thư viện simulink, Blocsets and Toolboxes Cụ thể là: mô phỏng được PTĐ theo nguyên lý xây dựng khi ứng dụng các phần tử chức năng cơ sở có trong thư viện simulink, Blocsets and Toolboxes; thay đổi được thời gian lấy mẫu; môdul hoá theo khối chức năng khi thực hiện lệnh Create Subsystem; có trong thư viện PTĐ được mô phỏng như máy hiện sóng, máy đo số (Display), máy vẽ đặc tính nên có thể kiểm tra, so sánh, mô

phỏng đo đạc tín hiệu ở mọi điểm trong sơ đồ thiết kế; có thể in sơ đồ, đồ thị một cách dễ dàng và sao chép sơ đồ sang dạng văn bản soạn thảo Microsoft Word [10] Tác giả đã sử dụng phần mềm Matlab mô phỏng bộ đếm Decade làm ví dụ

như dưới đây

D ữ liệu ban đầu: Mô phỏng theo sơ đồ hình 1.15 Để tiện khảo sát ta thiết lập

chu kỳ xung chuẩn là 1s, bộ phân kênh cho phép dịch tín hiệu trên trục cho dễ quan sát trên máy hiện sóng, thời gian lấy mẫu là 21s để có thể quan sát dạng tín hiệu trong 2 chu kỳ đếm Giao diện kết quả mô phỏng đưa ra trên hình 1.19

Hình 1.19: Giao diện mô phỏng bộ đếm Decade

Nh ận xét:

Biểu đồ thời gian làm việc của Decade đếm giống như biểu đồ hình 1.15; sau 10s, 20s (10, 20 xung đầu vào) quá trình đếm lại lặp lại (xem biểu đồ thời gian hình 1.15.b) Điều này chứng tỏ sơ đồ đồ bộ đếm hình 1.15 là đúng về nguyên lý

Để phục vụ cho mô phỏng các bộ biến đổi thứ cấp trong PTĐ hiện số ta tiến hành mô đun hóa Decade đếm để tạo ra bộ đếm có 2 Decade (xem hình 1.20)

Hình 1.20: Giao diện kết quả mô phỏng bộ đếm 2 Decade

D ữ liệu ban đầu:

Mô đun hóa sơ đồ mô phỏng hình 1.19 Để tiện khảo sát ta thiết lập chu kỳ xung chuẩn là 0,1s; bộ phân kênh cho phép dịch tín hiệu trên trục cho dễ quan sát trên máy hiện sóng, thời gian lấy mẫu là 21s để có thể quan sát 21 xung ra BĐ mã 2-10 và 2 xung ra ở BĐ1 mã 2-10

Kết quả mô phỏng phản ánh đúng yêu cầu ban đầu đặt ra

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Điện áp là một đại lượng cần đo rất phổ biến trong kỹ thuật đo lường và đa dạng trong nhiều ứng dụng Không chỉ là tham số đặc trưng của đại lượng điện mang ý nghĩa đánh giá về mặt độ lớn, điện áp còn là đại lượng được sử dụng làm đại lượng đo trung gian rất phổ biến trong kỹ thuật đo lường không điện Tùy thuộc vào từng bài toán đo lường khác nhau mà vai trò, phương pháp đo, phương tiện đo, máy đo điện áp cũng rất khác nhau Từ đó cho thấy, phương tiện đo điện áp hoặc máy

đo điện áp (còn gọi là Volmet) cũng rất đa dạng và cần được thiết kế phù hợp với mỗi đối tượng đo khác nhau

CHƯƠNG 2 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TRONG VOLMET HIỆN SỐ

2.1 BỘ BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ-TƯƠNG TỰ

Bộ biến đổi tương tự-tương tự dùng để biến đổi đại lượng điện đầu vào tương

tự về đại lượng đầu ra tương tự, thích hợp cho quá trình biến đổi tiếp theo Dưới đây

ta xét bộ biến đổi điển hình được sử dụng rất rộng rãi là bộbiến đổi điện áp-tần số

Bộ biến đổi điện áp-tần số có sơ đồ khối như hình 2.1, biểu đồ thời gian làm việc của bộ biến đổi đưa ra trên hình 2.2 Nó được xây dựng từ bộ tích phân trên cơ

sở bộ khuếch đại thuật toán (K) với điện trở R1 và tụ C, bộ so sánh SS và bộ phản hồi xung (PHX) [7, 12]

Hình 2.1: Sơ đồ khối bộ biến đổi điện áp-tần số

Hình 2.2: Biểu đồ thời gian của bộ biến đổi điện áp tần số

Xuất phát từ thời điểm xác lập, bộ tích phân tích phân điện áp U x , điện áp ở đầu ra của bộ tích phân (UTP) tăng tuyến tính theo thời gian được so sánh với điện

áp mẫu U 0 , khi U TP = U 0 thì ở đầu ra của bộ so sánh tạo ra một xung, xung này được đưa tới đầu ra và đồng thời cũng là xung điều khiển bộ phản hồi xung Kể từ thời điểm đó bộ phản hồi xung cho ra một xung âm có biên độ lớn và đồng thời bộ

tích phân tích phân điện áp điện áp U x và điện áp của xung phản hồi UPH Vì UPH có

giá trị lớn hơn U x và ngược cực tính nên điện áp ra bộ tích phân giảm tuyến tính cho tới thời điểm xác lập tiếp theo thì quá trình biến đổi nạp-phóng lặp lại tuần hoàn Ở đầu ra bộ biến đổi ta nhận được dãy xung có tần số tỉ lệ với điện áp Ux Thời gian

tích phân hiệu hai hiệu điện áp U PH - U x đúng bằng độ rộng của xung phản hồi T PH

Sau khi kết thúc xung phản hồi, bộ tích phân lặp lại tích phân nguồn điện áp U x và chu kỳ biến đổi được lặp lại

Từ hai lần tích phân của một chu kỳ ta có biểu thức:

C R

U C R dt

U C R

PH

x PH

1 1

1

(2.1)

Ở đây TTP - Thời gian tích phân điện áp U X , T PH(độ rộng xung phản hồi)- thời

gian tích phân hiệu 2 điện áp (U PH - U x ).ö

Từ (2.1) ta rút ra:

x PH PH PH x

C R

T U C R

T U C R

T

1 2

C R

T U T T C

1

= +

PH PH x

C R U T C

R1 2

1 1

x PH PH x

U T U R

R

T = ⋅

1 2

1

Cuối cùng ta xác định được mối quan hệ giữa điện áp vào U x và tần số ở đầu

ra f X :

f x = K⋅U x;

PH

PH T U R

R K

nhất định f x ở đầu ra Từ đó, đại lượng điện áp được xác định qua tần số

Sai số bộ biến đổi điện áp-tần số chủ yếu phụ thuộc tham số bộ phản hồi xung

Việc giữ ổn định biên độ và độ rộng xung phản hồi là rất cần thiết

2.2 BỘ BIẾN ĐỔI TƯƠNG TỰ-SỐ

Bộ biến đổi tương tự-số biến đổi đại lượng tương tự ở đầu vào (thường là điện áp, dòng điện) thành đại lượng số ở đầu ra Trong kỹ thuật đo lường số sử dụng rất nhiều bộ biến đổi tương tự-số [1, 2] Chúng ta xét một số bộ biến đổi tương tự-số điển hình, đó là các bộ biến đổi thời gian-mã, điện áp-mã

2.2.1 Bộ biến đổi thời gian-mã

Bộ biến đổi thời gian-mã biến đổi khoảng thời gian ở đầu vào thành mã ở đầu

ra Thực chất đây là quá trình lấp đầy khoảng thời gian bằng dãy xung chuẩn với tần

số cao hơn Trên hình 2.3.a biểu diễn sơ đồ khối của bộ biến đổi, trên hình 2.3.b biểu diễn biểu đồ thời gian làm việc của nó

Bộ biến đổi thời gian-mã gồm khối tạo xung chuẩn (TXC), khoá K, Trigger TR

và bộ đếm xung ĐX Khoảng thời gian xung T x cần biến đổi được xác định bởi 2

xung: xung khởi động X KĐ và xung tắt X T , điều khiển sự thay đổi trạng thái của

Trigger Từ đây khoá K được mở trong thời gian T x, xung chuẩn từ bộ TXC qua khoá K và đưa tới bộ đếm xung Bộ đếm xung đếm số xung qua khoá K trong thời

a) Sơ đồ khối

b) Biểu đồ thời gian

Hình 2.3: Bộ biến đổi thời gian-mã 2.2.2 Bộ biến đổi điện áp-mã

Bộ biến đổi điện áp mã biến đổi điện áp ở đầu vào thành mã ở đầu ra Bộ biến đổi có sơ đồ khối biểu diễn trên hình 2.4.a, trên hình 2.4.b là biểu đồ thời gian làm việc của nó

Bộ biến đổi điện áp-mã gồm 2 bộ biến đổi: bộ biến đổi điện áp thành thời gian

và bộ biến đổi thời gian thành mã Bộ biến đổi điện áp-thời gian làm nhiệm vụ tạo

xung tắt thông qua quá trình so sánh điện áp vào U X với điện áp răng cưa (U RC ).

Bộ biến đổi điện áp-thời gian gồm bộ so sánh SS và bộ tạo xung răng cưa

tuyến tính theo thời gian (xem biểu đồ hình 2.4.b) và Trigger chuyển sang trạng thái

1, bắt đầu quá trình biến đổi và quá trình đếm Điện áp răng cưa U RC được so sánh

với điện áp cần biến đổi U x nhờ bộ so sánh SS Tại thời điểm khi điện áp U x bằng điện áp răng cưa URC thì ở đầu ra của SS xuất hiện xung tắt X T Xung tắt đưa TXRC

về trạng thái ban đầu và đưa Trigger trở về trạng thái 0 để kết thúc quá trình đếm

b) Biểu đồ thời gian

Hình 2.4: Bộ biến đổi điện áp-mã

Điện áp xung răng cưa được xác định theo công thức: URC = a.t Tại thời điểm