Bài giảng Cơ sở kĩ thuật đo lường điện tử: Chương 1 - TS. Phạm Hải Đăng

Chương 1: Giới thiệu chung về kĩ thuật Đo lường điện tử. Nội dung chính trong chương này gồm có: Mở đầu: vị trí và vai trò của ngành học trong chuyên ngành, đối tượng của ngành học đo lường điện tử, các khái niệm cơ bản về đo lường điện tử, phân loại tổng quát các thiết bị đo. Mời các bạn cùng tham khảo.

Cơ sở sở kĩ kĩ thuật thuật đo đo lường lường điện điện tử tử

Năm Năm học học 2008 2008 học học kì kì 1 1.

Khoá Khoá học học: ĐTVT K50 : ĐTVT K50

TS Phạm Hải Đăng

Bộ môn Mạch và Xử lí số tín hiệu Khoa Điện tử Viễn thông

Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội

CELL: 090-216-1682 Email: phdang@mail.hut.edu.vn dang.hut@gmail.com

Chương 1: 1: Giới Giới thiệu thiệu chung chung về về kĩ kĩ thuật thuật Đo Đo lường lường điện điện tử tử

Tóm tắt nội dung chính:

1.1

1.1 Mở Mở đầu đầu

Tổng quan về chuyên ngành Điện tử - Viễn thông (Electronics and Telecommunications)

Chuyên ngành Điện tử - Viễn Thông là một trong những lĩnh vực phát

triển mũi nhọn:

 Các ứng dụng: từ các thiết bị các nhân như TV, đài FM/AM, cell phone, PCb đến

các thiết bị phức tạp như trạm thu phát di động BTS, tổng đài số b

Nền tảng của cuộc cách mạng thông tin là việc ứng dụng công nghệ

silicon

 Phần tử cơ bản của mạch điện tử: R, L, C

 Các loại transitor

Đo lường điện tử đóng 1 vai trò quan trọng trong sự phát triển của

chuyên ngành, đặc biệt là trong quá trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm

18/08/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 3

1.1

1.1 Mở Mở đầu đầu ((tiếp tiếp))

Mục đích của môn học:

“Cơ sở kĩ thuật đo lường điện tử là môn học nghiên cứu các phương pháp đo lường cơ bản, các biện pháp kĩ thuật

để thực hiện các phép đo, các thao tác kĩ thuật đo lường

để đạt được những yêu cầu cần thiết của phép đo.”

Đo lường điện tử được phân thành 2 loại:

 Đo lường và kiểm tra các thông số của mạch điện: điện áp, cường độ dòng điện,

công suấtb

 Đo lường các thông số và đặc tính của tín hiệu: tần số, độ di pha, độ trễ về thời

gianb

1.2

1.2 Đối Đối tượng tượng của của Đo Đo lường lường điện điện tử tử

A Các đặc tính và thông số của tín hiệu

Các tín hiệu được mô tả dưới dạng toán học

 Tín hiệu phụ thuộc vào các đại lượng khác, ngoài thời gian và tần số.

 Các đại lượng được gọi chung là các thông số (parameter) của tín

hiệu.

1 2

1 2

( ) ( , , , , ) ( ) ( , , , , )

n n

s t s t a a a

s f s f a a a

=

=

( ), ( )

s t s f

1 2

{ , a a , , an}

hiệu.

Các thông số của tín hiệu là đối tượng của đo lường điện tử

Các dạng tín hiệu cơ bản được khảo sát thông số gồm có:

1 Tín hiệu điều hoà.

2 Tín hiệu tuần hoàn.

3 Tín hiệu xung

4 Tín hiệu số

18/08/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 5

1.2

1.2 Đối Đối tượng tượng của của Đo Đo lường lường điện điện tử tử ((tiếp tiếp))

Biểu diễn các thông số của tín hiệu

Tín hiệu được biểu diễn theo 2 cách:

 Hàm số của thời gian

 Hàm số của tần số

Biến đổi từ miền thời gian sang miền tần số bằng biến đổi Fourier;

biến đổi từ miền tần số về miền thời gian bằng biến đổi ngược Fourier

1 2

( ) ( , , , , n)

s t = s t a a a

1 2

( ) ( , , , , n)

s f = s f a a a

( ) sin 2

s t ( ) = sin 2( π f t 0 )

f

0 f

1.2

1.2 Đối Đối tượng tượng của của Đo Đo lường lường điện điện tử tử ((tiếp tiếp))

Các dạng tín hiệu cơ bản:

Tín hiệu điều hoà:

Trong đó: là cường độ của tín hiệu.

là tần số và pha của tín hiệu.

Một số công thức liên quan

Chu kì của tín hiệu

( ) m sin(2 )

s t = A π f t +ϕ

m

A

0 , 0

f ϕ

1 T f

=

( ) sin 2

m

A Chu kì của tín hiệu

tần số góc của tín hiệu bước sóng

cường độ hiệu dụng

(liên hệ với dòng điện xoay chiều: giá trị điện áp cực đại

và điện áp hiệu dụng)

18/08/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 7

0

T f f

ω π

=

0 0

2

m hd

c f A A

λ =

=

1.2

1.2 Đối Đối tượng tượng của của Đo Đo lường lường điện điện tử tử ((tiếp tiếp))

Các dạng tín hiệu cơ bản:

Tín hiệu tuần hoàn:

Trong đó: là chu kì của tín hiệu.

là tần số lặp lại của tín hiệu.

 Dao động tuần hoàn có thể phân tích thành các thành phần dao động điều hoà với

thành phần tần số bằng bội số của tần số cơ bản

Trong đó: là tần số góc cơ bản của tín hiệu.

( ) ( )

s t = s t + kT

T

1 F T

=

F

( ) DC sin( ) sin(2 ) n sin( n)

s t = s + A Ω + t ϕ + A Ω + t ϕ + + A n t Ω + ϕ

2 Fπ

Ω =

Trong đó: là tần số góc cơ bản của tín hiệu.

gọi là bậc của các sóng hài.

2 Fπ

Ω =

{1, 2, }

n =

DC

A

1

A

2

A

4

A

Ω 2Ω 3Ω 4Ω

1.2

1.2 Đối Đối tượng tượng của của Đo Đo lường lường điện điện tử tử ((tiếp tiếp))

Các dạng tín hiệu cơ bản:

Tín hiệu xung: được sử dụng trong kĩ thuật vô tuyến, rada, điều khiển,

truyền hình tương tựb

Các dạng tín hiệu xung cơ bản:

m

(a) Xung vuông (b) Xung răng cưa

m

A

(d) Xung tam giác

m

A

/ 2 m A (c) Xung hình thang

18/08/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 9

0

®

τ τ

1

1

τ

m

A

2

τ

(e) Xung hàm số mũ

τ

( / )

( )

0

khi

khi

m

t

t

s t

A e − τ t

<



= 

≥



Các xung đơn cơ bản được kết

hợp tạo ra các nhóm xung theo thời gian: nhóm xung, nhóm xung cốt, nhóm xung tuần hoàn

1.2

1.2 Đối Đối tượng tượng của của Đo Đo lường lường điện điện tử tử ((tiếp tiếp))

Các dạng tín hiệu cơ bản:

Tín hiệu số: là tín hiệu mang thông tin dạng nhị phân {0,1}

Tín hiệu số thường được biểu diễn dưới dang chuỗi xung vuông

 Mức điện áp ứng với bit “0” và “1” được quy định tuỳ thuộc vào ứng dụng cụ thể.

 Độ rộng xung được thay đổi tuỳ thuộc theo tốc độ luồng số.

Các phương pháp mã hoá được dùng khi cần truyền đi tín hiệu số

1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 1

1.2

1.2 Đối Đối tượng tượng của của Đo Đo lường lường điện điện tử tử

B Các tham số và đặc tính của mạch điện tử:

Trong quá trình xử lí, truyền dẫn, tín hiệu luôn được biến đổi từ dạng

này sang dạng khác Tổ hợp các linh kiện điện tử thực hiện chức năng biến đổi tín hiệu được gọi là mạch điện

Các thành phần của mạch điện bao gồm: điện trở R, tụ điện C, cuộc

cảm R, transistor, ICb

Tuỳ thuộc vào tính chất của các phần tử được sử dụng, có thể chia

mạch điện thành 2 loại:

 Mạch tuyến tính.

 Mạch phi tuyến.

18/08/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 11

1.2

1.2 Đối Đối tượng tượng của của Đo Đo lường lường điện điện tử tử

Mạch tuyến tính (linear):

Mạch tuyến tính được tạo thành từ các phần tử có giá trị không phụ thuộc vào dòng

điện chạy qua nó.

Có thể áp dụng nguyên lí xếp chồng đối với mạch tuyến tính.

Mạch tuyến tính bao gồm R, L, C và transistor hoạt động ở trạng thái tuyến tính (đường

thẳng trên đặc tuyến).

Mạch tuyến tính được đặc trưng bởi mạng 4 cực với trở kháng toàn phần Z.

Đối với các mạng 4 cực đặc biệt là các mạch dao động

 Hệ số phẩm chất

Mạng 4 cực

(mạch tuyến tính)

( )

ω = +

Q R L

ρ

=

1.2

1.2 Đối Đối tượng tượng của của Đo Đo lường lường điện điện tử tử

Mạch phi tuyến (non-linear):

Các giá trị linh kiện của mạch thay đổi phụ thuộc vào cường độ dòng điện chảy qua nó.

Không áp dụng nguyên lí xếp chồng đối với mạch phi tuyến.

Mạch phi tuyến chủ yếu gồm các diode, transistor hoạt động ở chế độ bão hoà.

Dựa vào đặc tuyến Volt-Amp của mạch phi tuyến, thực hiện các bộ biến đổi, điều chế,

tách sóngb

U

18/08/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 13

I

Tuyến tính

Phi tuyến

1.3

1.3 Các Các khái khái niệm niệm cơ cơ bản bản về về Đo Đo lường lường điện điện tử tử

“Đo lường là khoa học về các phép đo, các phương pháp đo và các

công cụ đo nhằm đạt được độ chính xác mong muốn.”

Các hướng nghiên cứu chính của đo lường gồm:

Các lí thuyết chung về phép đo

Các đơn vị vật lí và các hệ thống

Các phương pháp và công cụ đo

Phương pháp xác định độ chính xác của phép đo

Cơ sở đảm bảo sự thống nhất giữa các phép đo

Công cụ đo chuẩn

Các phương pháp chuyển đổi đơn vị

1.3

1.3 Các Các khái khái niệm niệm cơ cơ bản bản về về Đo Đo lường lường điện điện tử tử

Các khái niệm cơ bản

“Đo lường là khoa học về các phép đo, các phương pháp đo và các

công cụ đo nhằm đạt được độ chính xác mong muốn.”

Các hướng nghiên cứu chính của đo lường gồm:

Các lí thuyết chung về phép đo

Các đơn vị vật lí và các hệ thống

Các phương pháp và công cụ đo

Phương pháp xác định độ chính xác của phép đo

Cơ sở đảm bảo sự thống nhất giữa các phép đo

Công cụ đo chuẩn

Các phương pháp chuyển đổi đơn vị

18/08/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 15

1.3

1.3 Các Các khái khái niệm niệm cơ cơ bản bản về về Đo Đo lường lường điện điện tử tử

Các phương pháp đo

Phương pháp đo trực tiếp:

 sử dụng Volt-meter để đo điện áp, Ampe-meter để đo dòng điện

Phương pháp đo gián tiếp:

 Đo gián tiếp công suất thông qua Volt-meter và Ampe-meter

Phương pháp đo tương quan: thiết lập quan hệ hàm số của 2 đại

lượng

P = UI

lượng

Ngoài ra còn 1 số các phương pháp:

Phương pháp đo thay thế, phương pháp đo hiệu số, phương pháp đo

vi sai, đo thẳng, đo rời rạc hoá

1.3

1.3 Các Các khái khái niệm niệm cơ cơ bản bản về về Đo Đo lường lường điện điện tử tử

Phân loại tổng quan các loại máy đo

(a) Máy đo các thông số và đặc tính của tín hiệu

 Volt-meter, Amp-meter, phân tích phổ b (b) Máy đo đặc tính và các thông số của mạch điện

 Mạch điện cần đo đóng vai trò như mạng 4 cực, mạng 2 cực

 Máy đo đặc tuyến tần số, máy đo đặc tính quá độ, máy đo hệ số phẩm chất, đo

điện cảm, điện dung, điện trở b

(c) Máy tạo tín hiệu đo lường: dùng làm nguồn tín hiệu chuẩn.

18/08/2008 Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Slice 17