Bài 09 thiết bị đo số

KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG * HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰTài liệu tham khảo 1. Xử lý tín hiệu đo lường (Tập bài giảng), Mai Quốc Khánh, Nguyễn Hùng An, Bộ môn LTM-ĐL / Khoa VTĐT, 2019. 2. Kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường, Nguyễn Hùng An, Mai Quốc Khánh, Dương Đức Hà, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, năm 2019. 2Bài 9: Thiết bị đo số 3 1. Máy đo vạn năng số và bộ đếm tần 2. Máy hiện sóng số 3. Đo lường số công suất và năng lượng1. Máy đo vạn năng số và tần kế số • Máy đo vạn năng số (đồng hồ vạn năng số) • Bộ đếm tần• Thiết bị đo với hầu hết các thao tác xử lý tín hiệu được thực hiện bằng phương pháp số. • Đang dần thay thế các thiết bị đo tương tự. Khái niệm thiết bị đo số 5• Máy đo vạn năng số DMM (Digital Multimeter) điển hình cho phép đo điện áp, dòng điện, điện trở và tần số. • Ngoài ra, một số máy đo vạn năng còn cho phép đo điện dung, kiểm tra đi ốt và transistor, đo nhiệt độ ... Máy đo vạn năng số 6 Hand-held DMM Portable DMM Bench-top DMM Một số DMM còn được kết hợp với máy hiện sóng số  ScopeMeter. Máy đo vạn năng số (tt) ScopeMeter 190-204 của Fluke ScopeMeter U1620 của Agilent 7• Mạch vào bao gồm các mạch điều phối: • Bộ phân áp (hoặc BKĐ) để đo điện áp trong các dải khác nhau • Các điện trở shunt để đo dòng điện • Nguồn cung cấp để đo trở kháng • Các bộ chuyển đổi DC/AC Sơ đồ khối chức năng của DMM 8 SĐK chức năng của DMM điển hình• Mạch điều khiển logic: điều khiển mọi chức năng của DMM như thay đổi tự động thang đo (trong một số DMM), đồng bộ chu trình đo, điều khiển ADC, ghi dữ liệu vào bộ nhớ ... • Mạch giao tiếp: cho phép truyền dữ liệu từ DMM tới các thiết bị ngoại vi (máy tính, máy in ...) và điều khiển DMM bằng hệ thống máy tính bên ngoài (VD, thay đổi phạm vi của các hàm). • Các DMM cao cấp được trang bị giao tiếp GPIB. • Các DMM thông thường được trang bị giao tiếp RS232, USB, RJ-45 (LAN) ... Mạch điều khiển logic và mạch giao tiếp 9Một số giao tiếp của DMM 10 Mặt trước Mặt sau Ví dụ một số giao tiếp của DM 3058 của RigolVí dụ về chất lượng của một số DMM 11 Kiểu Xách tay Thiết bị phòng Lab Độ chính xác Model 110 34401A 2002 Nhà sản xuất Fluke Agilent Keithley Số digit 3 ¾ (6000) 6 ½ 7 hoặc 7 ½ Phép đo U, I, R, C, F U, I, R, F U, I, R, F, T Độ bất định DC 0,7% 0,0035+0,0005% 0,0006+0,00008% R in trong điện áp DC 10 M >10 G >10 G Phép đo 200mV Độ bất định AC 1% 0,06+0,03% 0,02+0,01% Băng thông 50-500 Hz 10 Hz - 300 Hz 1 Hz - 2 MHz Tốc độ đọc 40/s 1000/s DC. 50/s AC 2000/s 4 ½ số Bộ nhớ 512 kết quả 30000 kết quả Giao tiếp RS232C, HPIB GPIB Chất lượng của một số DMMVí dụ về máy đo vạn năng số  Chức năng: đo điện áp, dòng điện (DC,AC), điện trở, tần số.  Sai số khoảng 0,004% DC và 0,1% AC.  Khi đo giá trị AC, thiết bị đo làm việc như một vôn mét DC với chuyển đổi AC rms /DC. 12 Ví dụ: DMM phòng thí nghiệm 34401A của Agilent• Đo AC và DC được thực hiện riêng biệt • Khi đo DC, mạch vào được cách ly bằng tụ điện. • Khi đo AC, mạch vào mắc thêm bộ chuyển đổi AC/DC. • Nếu chuyển đổi này tính giá trị rms của tín hiệu vào AC  thiết bị đo True RMS. Mạch vào của DMM 13 rms AC DC AC DC      2 2 Mạch vào của DMM điển hìnhMạch vào đo điện dung 14 • Quá trình đo được chia thành 2 chu trình: 1) Chuyển mạch ở vị trí 1: tụ điện đo được nạp điện từ điện áp nguồn Uref qua điện trở R. 2) Chuyển mạch ở vị trí 2: tụ phóng điện. Các mạch vào cho phép đo điện dungMạch vào đo điện dung (tt) 15  Điện dung đo tỷ lệ với điện tích Q  tín hiệu ra của mạch tích phân tỷ lệ với điện dung cần đo T 0 ref ref idt Q C U U   Mạch vào đo điện dung (tt) 16  Điện áp trên tụ điện tăng theo hàm mũ U U e c ref   1 t RC /   Sau thời gian=RC điện áp đạt tới 0,632 Uref , bằng điện áp đầu vào thứ hai  thì bộ so sánh đóng cổng sau thời gian .  Như vậy, điện dung cần đo đã được chuyển đổi thành khoảng thời gian.  Nếu bộ dao động mẫu được nối tới cổng thì bộ đếm số chỉ trực tiếp điện dung cần đo. Thay vì sử dụng các dụng cụ đo trở kháng chuyên dụng (đắt tiền) xác định trở kháng sử dụng phương pháp 3 vôn mét. Đo trở kháng 17 2 2 2 1 2 3 2 3 cos 2 U U U U U     3 3 2 x U U Z R I U   cos x x R Z   2 2 x x x X Z R    Có thể sử dụng 1 vôn mét (DMM) được nối tới ba nguồn tín hiệu U1, U2, U3 dùng chuyển mạch. Đo trở kháng theo phương pháp 3 vôn mét Các ADC thường dùng trong DMM:  ADC kiểu tích phân (thông dụng nhất) do có khả năng khắc phục ảnh hưởng của nhiễu tần số tương ứng với thời gian tích phân (thường là nhiễu 50 Hz).  ADC kiểu Delta-Sigma (một số DMM gần đây),  ADC kiểu SAR (hiếm gặp hơn). ADC trong DMM 18Bộ đếm tần 19 Đo tần số Đo chu kỳ • Đối với tần số cao  đo tần số • Đối với tần số thấp  đo chu kỳ.Ví dụ về bộ đếm tần 20 Ví dụ về Bộ đếm tần 1823A của BK Precision2. Máy hiện sóng số Dạng sóng tương tự được chuyển đổi thành tín hiệu số.  Ứng dụng:  Quan sát và đo các tham số (biên độ, tần số, pha ...) của tín hiệu  Ghi lại và tái tạo tín hiệu hình ảnh của nhiều tín hiệu ở cùng thời điểm (hoạt động đa kênh).  Có thể có các chức năng khác: phân tích phổ, lấy trung bình, tích phân tín hiệu Máy hiện sóng số 22Máy hiện sóng số (tt) 23 Ví dụ về màn hình của máy hiện sóng sốMáy hiện sóng số (tt) 24 Ví dụ về MHS sốMáy hiện sóng số (tt) Sơ đồ khối của máy hiện sóng số điển hình 25Máy hiện sóng số (tt) 26 Tín hiệu trước và sau lấy mẫu tuần tự Tín hiệu vào Tín hiệu đồng hồ Tín hiệu được ghi/tái tạo Ngoài bộ suy hao thông thường, cần có thêm các mạch trích-giữ mẫu và bộ lọc chống chồng phổ.  Tác hại của hiệu ứng chồng phổ khi tần số lấy mẫu nhỏ: bộ xử lý có thể gán một tín hiệu sai cho mẫu  người quan sát sẽ thấy tín hiệu có tần số thấp hơn (đường liên tục) thay vì một tín hiệu đúng (đường đứt nét). Mạch vào của MHS số 27 Hiệu ứng chồng phổ trong máy hiện sóng số Lấy mẫu, ghi lại và tái tạo tốn thời gian  Cần sử dụng ADC tốc độ cao (tần số lấy mẫu 1 GHz hoặc hơn).  Cần trích-giữ mẫu (SH) hoặc áp dụng kỹ thuật lấy mẫu ngẫu nhiên đa điểm tăng số lượng mẫu (tín hiệu được lấy mẫu vài lần với các mẫu bị dịch một cách ngẫu nhiên) Lấy mẫu trong MHS số 28Lấy mẫu trong MHS số (tt) 29 Chu kỳ thứ nhất Chu kỳ thứ hai Chu kỳ thứ ba Sau ba chu kỳ Tín hiệu khảo sát Tín hiệu khôi phục Các kỹ thuật lấy mẫu a. lấy mẫu ngẫu nhiên đa điểm và b. trích-giữ mẫuLấy mẫu trong MHS số (tt) 30  Khi lấy mẫu sườn lên của xung ngắn hơn chu kỳ mẫu: Vị trí khác nhau của xung so với các xung lấy mẫu sẽ cho các kết quả khác nhau.  Với xung a ta xấp xỉ sườn dốc bằng đường thẳng A, với xung b thì bởi đường thẳng B. Sai số sườn lên3. Đo lường số công suất và năng lượng • Chuyển đổi công suất-điện áp dùng bộ nhân • Chuyển đổi công suất All-Digital Hai phương pháp đo lường số công suất:  Chuyển đổi công suất  điện áp  số.  Chuyển đổi công suất  số (All-Digital) Chuyển đổi công suất-điện áp dùng bộ nhân 32 Bộ chuyển đổi công suất - điện áp sử dụng bộ nhân Bộ nhân Tích phânChuyển đổi công suất-điện áp dùng TDM 33 Bộ chuyển đổi công suất sử dụng bộ nhân TDM BTP1 BTP2 Điện áp răng cưa Điện áp mẫu BSSChuyển đổi công suất-điện áp dùng TDM (tt) 34  Điện áp tổng U1 + Ur (với Ur là điện áp mẫu) được đưa tới đầu vào BTP 1  điện áp ra Ui của BTP1 tăng tuyến tính.  Sau khoảng thời gian T1 , điện áp Ui = Ut (điện áp răng cưa ở đầu vào thứ hai của BSS)  các chuyển mạch đảo chiều  điện áp hiệu U1 - Ur được đưa tới đầu vào BTP1  điện áp ra U i của BTP1 giảm đi trong khoảng thời gian T2 và U U T U U T 1 1 1 2     r r     Độ rộng xung T1 phụ thuộc vào điện áp U1. 1 2 1 2 1 1   g r r U U T T T T T U U       Tg là chu kỳ của điện áp răng cưa UtChuyển đổi công suất-điện áp dùng TDM (tt) 35  Tín hiệu đầu ra của BSS chuyển mạch kết nối điện áp U2 hoặc -U2 tới của BTP2. Vì vậy, điện áp ra Uout của BTP2 là:  Điện áp đầu ra Uout tỷ lệ với tích hai điện áp U1 và U2.  Điện áp đầu ra Uout là dãy xung với độ rộng xung tỷ lệ với điện áp thứ nhất U1 và biên độ tỷ lệ với điện áp thứ hai U2.       1 1 2 1 2 2 2 1 2 1 2 0 T T T g out T r T U u t dt u t dt U T T U U U        Chuyển đổi công suất All-Digital (tt) 36 Bộ nhân Logic điều khiển Bộ chuyển đổi số-tần số  Hai tín hiệu vào  chuyển đổi A/D (Delta-Sigma 160 bit 450 Hz)  nhân  tín hiệu ra tỷ lệ với công suất.  Đầu ra tần số được điều chỉnh cho phù hợp với bộ đếm cơ điện và động cơ bước hai pha.  Sai số của chuyển đổi là 0,1% về công suất và 0,10 về pha. IC đo công suất-năng lượng - Model ADE7757 của Analog DeviceChuyển đổi công suất All-Digital (tt) 37  Mạch được bổ sung 2 chuyển đổi rms và 1 bộ nhân  có thể đo:  Công suất và năng lượng biểu kiến  Giá trị rms của dòng điện và điện áp  Chu kỳ (tần số) của tín hiệu điện áp. IC đo năng lượng biểu kiến - Model ADE7763 của Analog Device Bộ nhân Chuyển đổi số - tần số Bù Bù Bộ nhân Thanh ghi và giao diện nối tiếp  Mạch có 2 đầu ra:  Đầu ra tần số cho các bộ đếm năng lượng  Đầu ra nối tiếp để truyền thông với các hệ thống đo lường máy tính.

Mai Quốc Khánh Nguyễn Hùng An

Học viện KTQS 06/2019

KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU

ĐO LƯỜNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

Tài liệu tham khảo

Nguyễn Hùng An, Bộ môn LTM-ĐL / Khoa VTĐT, 2019

Quốc Khánh, Dương Đức Hà, Nhà xuất bản Khoa học kỹ

thuật, năm 2019

Bài 9: Thiết bị đo số

1. Máy đo vạn năng số và bộ đếm tần

2. Máy hiện sóng số

3. Đo lường số công suất và năng lượng

1 Máy đo vạn năng số và tần kế số

• Máy đo vạn năng số (đồng hồ vạn năng số)

• Bộ đếm tần

• Thiết bị đo với hầu hết các thao tác xử lý tín hiệu được

thực hiện bằng phương pháp số

• Đang dần thay thế các thiết bị đo tương tự

Khái niệm thiết bị đo số

• Máy đo vạn năng số DMM (Digital Multimeter) điển hình

cho phép đo điện áp, dòng điện, điện trở và tần số

• Ngoài ra, một số máy đo vạn năng còn cho phép đo điện

dung, kiểm tra đi ốt và transistor, đo nhiệt độ

Máy đo vạn năng số

Hand-held DMM

Portable DMM

Bench-top DMM

 Một số DMM còn được kết hợp với máy hiện sóng số 

Máy đo vạn năng số (tt)

ScopeMeter 190-204 của Fluke ScopeMeter U1620 của Agilent

• Mạch vào bao gồm các mạch điều phối:

Sơ đồ khối chức năng của DMM

SĐK chức năng của DMM điển hình

• Mạch điều khiển logic: điều khiển mọi chức năng của DMM như thay đổi tự động thang đo (trong một số DMM), đồng

bộ chu trình đo, điều khiển ADC, ghi dữ liệu vào bộ nhớ

• Mạch giao tiếp: cho phép truyền dữ liệu từ DMM tới các thiết bị ngoại vi (máy tính, máy in ) và điều khiển DMM bằng hệ thống máy tính bên ngoài (VD, thay đổi phạm vi

của các hàm)

RJ-45 (LAN)

Mạch điều khiển logic và mạch giao tiếp

Một số giao tiếp của DMM

Ví dụ về máy đo vạn năng số

 Chức năng: đo điện áp, dòng điện (DC,AC), điện trở, tần số

 Sai số khoảng 0,004% DC và 0,1% AC

 Khi đo giá trị AC, thiết bị đo làm việc như một vôn mét DC

với chuyển đổi AC rms /DC

Ví dụ: DMM phòng thí nghiệm 34401A của Agilent

• Đo AC và DC được thực hiện riêng biệt

• Khi đo DC, mạch vào được cách ly bằng tụ điện

• Khi đo AC, mạch vào mắc thêm bộ chuyển đổi AC/DC

• Nếu chuyển đổi này tính giá trị rms của tín hiệu vào AC 

thiết bị đo True RMS.

Mạch vào đo điện dung

• Quá trình đo được chia thành 2 chu trình:

Các mạch vào cho phép đo điện dung

Mạch vào đo điện dung (tt)

 Điện dung đo tỷ lệ với điện tích Q  tín hiệu ra của mạch

tích phân tỷ lệ với điện dung cần đo

0

T

ref ref

idt Q

C

Mạch vào đo điện dung (tt)

 Điện áp trên tụ điện tăng

 Sau thời gian=RC điện áp đạt

tới 0,632 U ref , bằng điện áp

đầu vào thứ hai  thì bộ so

sánh đóng cổng sau thời gian



 Như vậy, điện dung cần đo đã được chuyển đổi thành

khoảng thời gian

 Nếu bộ dao động mẫu được nối tới cổng thì bộ đếm số chỉ

 Thay vì sử dụng các dụng cụ đo trở kháng chuyên dụng (đắt tiền) xác định trở kháng sử dụng phương pháp 3 vôn mét

 Các ADC thường dùng trong DMM:

 ADC kiểu tích phân (thông dụng nhất) do có khả năng khắc

phục ảnh hưởng của nhiễu tần số tương ứng với thời gian

tích phân (thường là nhiễu 50 Hz).

 ADC kiểu Delta-Sigma (một số DMM gần đây),

 ADC kiểu SAR (hiếm gặp hơn).

ADC trong DMM

Bộ đếm tần

• Đối với tần số cao  đo tần số

• Đối với tần số thấp  đo chu kỳ.

Ví dụ về bộ đếm tần

Ví dụ về Bộ đếm tần 1823A của BK Precision

2 Máy hiện sóng số

 Dạng sóng tương tự được chuyển đổi thành tín

hiệu số.

 Ứng dụng:

 Quan sát và đo các tham số (biên độ, tần số, pha ) của tín hiệu

 Ghi lại và tái tạo tín hiệu hình ảnh của nhiều tín hiệu

ở cùng thời điểm (hoạt động đa kênh)

 Có thể có các chức năng khác: phân tích phổ, lấy

trung bình, tích phân tín hiệu

Máy hiện sóng số

Máy hiện sóng số (tt)

Ví dụ về màn hình của máy hiện sóng số

Máy hiện sóng số (tt)

Ví dụ về MHS số

Máy hiện sóng số (tt)

Sơ đồ khối của máy hiện sóng số điển hình

Máy hiện sóng số (tt)

Tín hiệu trước và sau lấy mẫu tuần tự

Tín hiệu vào

Tín hiệu đồng hồ

Tín hiệu được ghi/tái tạo

 Ngoài bộ suy hao thông thường, cần có thêm các mạch

trích-giữ mẫu và bộ lọc chống chồng phổ

lý có thể gán một tín hiệu sai cho mẫu  người quan sát sẽ

thấy tín hiệu có tần số thấp hơn (đường liên tục) thay vì một tín hiệu đúng (đường đứt nét).

Mạch vào của MHS số

Hiệu ứng chồng phổ trong máy hiện sóng số

 Lấy mẫu, ghi lại và tái tạo tốn thời gian

 Cần sử dụng ADC tốc độ cao (tần số lấy mẫu 1 GHz hoặc

hơn)

 Cần trích-giữ mẫu (SH) hoặc áp dụng kỹ thuật lấy mẫu

ngẫu nhiên đa điểm tăng số lượng mẫu (tín hiệu được lấy mẫu vài lần với các mẫu bị dịch một cách ngẫu nhiên)

Lấy mẫu trong MHS số

Lấy mẫu trong MHS số (tt)

Chu kỳ thứ nhất Chu kỳ thứ hai Chu kỳ thứ ba Sau ba chu kỳ

Tín hiệu khảo sát Tín hiệu khôi

phục

Các kỹ thuật lấy mẫu

a lấy mẫu ngẫu nhiên đa điểm và b trích-giữ mẫu

Lấy mẫu trong MHS số (tt)

 Khi lấy mẫu sườn lên của xung ngắn hơn chu kỳ mẫu:

Vị trí khác nhau của xung so với các xung lấy mẫu sẽ cho các kết quả khác nhau

Sai số sườn lên

3 Đo lường số công suất và năng lượng

• Chuyển đổi công suất All-Digital

 Hai phương pháp đo lường số công suất:

Chuyển đổi công suất-điện áp dùng bộ nhân

Bộ chuyển đổi công suất - điện áp sử dụng bộ nhân

Bộ nhân

Tích phân

Chuyển đổi công suất-điện áp dùng TDM

Bộ chuyển đổi công suất sử dụng bộ nhân TDM

BTP 1

BTP 2

Điện áp răng cưa

Điện áp

mẫu

BSS

Chuyển đổi công suất-điện áp dùng TDM (tt)

 Điện áp tổng U1 + U r (với U r là điện áp mẫu) được đưa tới đầu vào BTP1  điện áp ra U i của BTP1 tăng tuyến tính

 Sau khoảng thời gian T 1 , điện áp U i = U t (điện áp răng cưa ở đầu vào thứ hai của BSS)  các chuyển mạch đảo chiều điện áp hiệu U1 - U r được đưa tới đầu vào BTP1  điện áp

ra U i của BTP1 giảm đi trong khoảng thời gian T 2 và

Chuyển đổi công suất-điện áp dùng TDM (tt)

 Tín hiệu đầu ra của BSS chuyển mạch kết nối điện áp U 2

hoặc -U 2 tới của BTP2 Vì vậy, điện áp ra U out của BTP2 là:

 Điện áp đầu ra U out tỷ lệ với tích hai điện áp U 1 và U 2

 Điện áp đầu ra U out là dãy xung với độ rộng xung tỷ lệ với

điện áp thứ nhất U 1 và biên độ tỷ lệ với điện áp thứ hai U 2

r T

Chuyển đổi công suất All-Digital (tt)

Bộ nhân

Logic điều khiển

Bộ chuyển đổi số-tần số

 Hai tín hiệu vào  chuyển đổi A/D (Delta-Sigma 160 bit 450

Hz)  nhân  tín hiệu ra tỷ lệ với công suất

 Đầu ra tần số được điều chỉnh cho phù hợp với bộ đếm cơ điện và động cơ bước hai pha

Chuyển đổi công suất All-Digital (tt)

 Mạch được bổ sung 2 chuyển đổi

rms và 1 bộ nhân  có thể đo:

thông với các hệ thống đo lường máy tính.