Thực hành kiểm chuẩn thiết bị đo điện tử môn Cơ sở đo lường điện tử | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

lOMoAR cPSD| 58457166
HỌC VIỆN CÔNG NGH Ệ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ TP. HCM
KHOA KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ 2
TÀI LIỆU THÍ NGHIỆM CƠ
SỞ ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ
Biên so ạ n: KS. T ừ Lâm Thanh TP . HCM, tháng 09/2012 lOMoAR cPSD| 58457166
BÀI 1: VẬN HÀNH VÀ KIỂM CHUẨN THIẾT BỊ ĐO THÔNG DỤNG
BÀI 1: VẬN HÀNH VÀ KIỂM CHUẨN THIẾT BỊ ĐO THÔNG DỤNG I./ Lý thuyết:
1/ Các đặc tính của thiết bị đo: -
Độ nhạy và ngưỡng độ nhạy: Độ nhạy là mối quan hệ giữa ngõ vào
và ngõ ra của thiết bị đo khi mà một giá trị nhỏ nhất của ngõ vào làm thay đổi giá
trị ở ngõ ra, giá trị nhỏ nhất này được gọi là ngưỡng độ nhạy. -
Độ chính xác và sai số của thiết bị đo: Độ chính xác là tiêu chuẩn quan
trọng nhất của thiết bị đo, bất kì một phép đo nào đều có sai số ε = xi –xchuan. Trong
đó xi là giá trị đo được ở lần đo thứ i, và xchuan là giá trị đúng của phép đo.
Sai số tuyệt đối của một thiết bị là giá trị sai lệch lớn nhất gây ra bởi thiết bị trong khi đo: Δx = max[ε]
Sai số tương đối thường được tính theo phần trăm và theo công thức
Ω=Δx/D*100% với D giá trị toàn thang đo. -
Công suất tiêu thụ của thiết bị đo: thiết bị đo phải tiêu thụ năng lượng
từ đối tượng đo dưới bất kì hình thức nào để biến thành đầu ra của thiết bị. Điều này
dẫn đến sai số do phương pháp đo tạo nên. -
Đặc tính động của thiết bị đo: Khi đo các đại lượng biến thiên ta phải
xét đến đặc tính động của dụng cụ đo ví dụ như đặc tính tần số v.v… -
Thời gian ổn định hay thời gian đo: là khoảng thời gian kể từ khi có
tín hiệu vào thiết bị đến khi thiết bị hiện kết quả ổn định.
2/ Máy đo điện trở đất chuyên dụng:
Máy đo điện trở đất chuyên dụng là thiết bị như tên gọi để đo điện trở của vùng đất, điểm
tiếp đất của vùng đất cần khảo sát. Mục đích để khảo sát đặc tính của vùng đất cần thi công
xây dựng công trình nhà ở, nhà máy hay trạm thu phát đầu cuối di động v.v…
Phân loại máy đo điện trở đất: lOMoAR cPSD| 58457166
BÀI 1: VẬN HÀNH VÀ KIỂM CHUẨN THIẾT BỊ ĐO THÔNG DỤNG
Tùy theo phương pháp đo khác nhau mà máy được phân biệt theo tên gọi là phương pháp
3 cực hay 4 cực ngoài ra còn có phương pháp ghép hợp tự động.
Tùy thuộc vào hình dáng bên ngoài có thể máy có thể ở dạng kềm đo hoặc dạng hộp chữ nhật thông dụng. II./ Mục đích:
Giúp sinh viên làm quen với các thiết bị đo thông dụng, cách đánh giá sai số kết quả đo, phương pháp đo. III./ Chuẩn bị:
Sinh viên cần xem trước lý thuyết về các phương pháp đo lường thông dụng, cách đánh
giá sai số và các hướng dẫn sử dụng cơ bản của các thiết bị thí nghiệm. IV./ Thực hành:
1/ Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm: - Dao động kí. - Máy phát sóng.
- Máy đo điện trở đất. 2/ Thí nghiệm:
2.1 Thao tác với máy phát sóng:
2.1.1 Máy phát sóng KENWOOD AG-203D:
a. Tạo tín hiệu sóng vuông biên độ 6Vpp, tần số 2kHz. Hiển thị lên
dao động kí và vẽ dạng sóng lên hình dưới. lOMoAR cPSD| 58457166
BÀI 1: VẬN HÀNH VÀ KIỂM CHUẨN THIẾT BỊ ĐO THÔNG DỤNG Hình 1.1
Hướng dẫn: Tần số ngõ ra là kết hợp của nút chọn tầm và giá trị trên đĩa xoay.
Ví dụ: Muốn tạo tần số ngõ ra là 10kHz. Ta có thể chọn tầm x1k và xoay giá
trị dĩa về giá trị 10 => Kết quả ở ngõ ra sẽ là 10 x1kHz = 10kHz.
Muốn tạo biên độ ngõ ra ta xoay nút Amplitude với giá trị Min bên trái và
Max bên phải. Biên độ ra chỉ có thể quan sát và đo bằng thiết bị ngoài (ví dụ Oscilloscope, VOM).
Chọn dạng sóng ra bằng nút chọn dạng sóng.
b. Làm lại câu a với dạng sóng ngõ ra là sóng sine, tần số 5kHz, biên độ 6Vpp.
c. Tạo tín hiệu ngõ ra suy hao 10dB. Quan sát kết quả ngõ ra trên
dao động kí và so sánh với biên độ ngõ ra ở câu b.
Hướng dẫn: Xoay nút Attenuator sang mức -10dB.
2.1.2 Máy phát sóng KENWOOD FG-273A
a. Tạo tín hiệu xung vuông biên độ 12Vpp, tần số 5kHz. Hiển thị lên
dao động kí, vẽ dạng sóng lên hình 1.2. lOMoAR cPSD| 58457166
BÀI 1: VẬN HÀNH VÀ KIỂM CHUẨN THIẾT BỊ ĐO THÔNG DỤNG Hình 1.2
Hướng dẫn: Tương tự như máy KENWOOD AG-203D tần số ngõ ra là kết hợp của
nút chọn tầm và núm chỉnh tinh.
Ví dụ: Muốn tạo tần số ngõ ra là 1kHz. Ta có thể chọn tầm x1k và xoay giá
trị nút chỉnh tinh về vị trí giữa nút => Kết quả ra sẽ là 1 x1kHz = 10kHz. Lưu ý: giá
trị của nút chỉnh tinh thay đổi từ 0.2 -> 2. Trong ví dụ này ta đang chọn tầm là x1kHz
thì tần số ngõ ra có thể dao động từ 0.2 x1kHz = 200 Hz đến 2 x1kHz = 2kHz.
b. Thay đổi chu kì làm việc mức cao thành 20% chu kì.
Hướng dẫn: Để thay đổi chu kì làm việc ta xoay nút Duty/ Pull Adj.
c. Tạo mức Offset dương 1V cho tín hiệu xung vuông ở trên.
Hướng dẫn: Để tạo mức offset ta xoay giá nút Offset/ Pull Adj.
2.2 Kiểm chuẩn dao động kí a.
Đọc và ghi lại giá trị CAL trên máy. b.
Kiểm tra 2 kênh ngõ vào của dao động kí.
Hướng dẫn: Để kiểm tra ta kết nối kênh cần kiểm tra vào móc xung Calip, đầu đất
bỏ trống. Kiểm tra trên màn hình xem có giống với giá trị ghi trên thân máy. c.
Chỉnh tia sáng của từng kênh song song với trục hoành của màn
hình khi chế độ quan sát của mỗi kênh là GND.
Hướng dẫn: Nếu tia sáng đã song song với màn hình thì ta không cần chỉnh, còn
không thì ta dùng vít xoay nút Trace Rota để tia sáng song song với trục hoành. d.
Chỉnh các nút Variables trên các kênh dọc và kênh ngang về giá trị Cal.
2.3 Đo điện trở đất bằng máy đo chuyên dụng a.
Kết nối sơ đồ theo hình 1.3.
Hướng dẫn: Phương pháp đo điện trở đất bằng máy chuyên dụng sử dụng 2 cọc phụ là cọc C1 và P1.
Cắm 2 cọc phụ và cọc đất thẳng hàng, khoảng cách giữa các cọc phải cách nhau từ 5-10m. lOMoAR cPSD| 58457166
BÀI 1: VẬN HÀNH VÀ KIỂM CHUẨN THIẾT BỊ ĐO THÔNG DỤNG
Đấu dây từ các đầu cọc đến máy đo theo sơ đồ dây đỏ nối với cọc C1.
Dây vàng nối với cọc P1.
Dây xanh nối với cọc đất. b.
Chuyển nút chức năng sang vị trí ACV và phải đảm bảo rằng giá trị
điện áp hiển thị nhỏ hơn 10V AC, nếu giá trị lớn thì việc đo điện trở đất sẽ không
được thực hiện tiếp. c.
Chuyển nút chức năng sang vị trí Ω, chọn tầm giá trị điện trở cho phù
hợp, sau đó nhấn đồng thời nút PUSH ON và nút TIMER ON rồi đọc giá trị trên màn hình hiển thị. d.
Tiến hành đo 3 lần tại 3 vị trí khác nhau. Ghi lại kết quả báo cáo.
Lưu ý: Khi một trong 3 cọc không kết nối với máy thì màn hình sẽ hiển thị giá trị
“1” tại chức năng Ω. Hình 1.3 lOMoAR cPSD| 58457166
BÀI 2: PHÉP ĐO CHUYÊN DỤNG DÙNG DAO ĐỘNG KÝ
BÀI 2: PHÉP ĐO CHUYÊN DỤNG DÙNG DAO ĐỘNG KÝ I./ Lý thuyết:
1/ Khái niệm về dao động kí:
Trong kỹ thuật đo lường điện, điện tử, một trong những tính chất cơ bản của tín hiệu mà
chúng ta cần biết là dạng sóng của nó. Các tín hiệu điện thường biến thiên nhanh theo thời
gian, do vậy cần có một thiết bị hiển thị dạng sóng của tín hiệu biến thiên theo thời gian u
= f(t) để có thể quan sát dạng sóng và đo lường các thông số của tín hiệu một cách trực
quan. Thiết bị để phục vụ cho mục đích trên là “Dao động kí”, còn được gọi là “Máy hiện
sóng” hay “Oscilloscope”.
Dao động kí thực hiện vẽ “biểu đồ dao động” của tín hiệu bằng một ống phóng tia
âm cực CRT (Cathode Ray Tube). Dao động kí có nhiều tính năng vượt trội như: quan sát
dạng sóng thời gian thực, trở kháng vào lớn (không làm suy yếu tín hiệu cần đo), độ nhạy
cao (đo được những điện áp rất nhỏ), đo được điện áp của các tín hiệu có dạng đặc biệt
(dạng xung), quán tính của chùm tia điện tử rất nhỏ nên quan sát được những hiệu điện thế có tần số rất cao...
Ta thường dùng dao động kí trong các phép đo sau đây:
Quan sát dạng sóng của các tín hiệu thay đổi theo thời gian.
Đo điện áp đỉnh-đỉnh Vpp (peak to peak).
Đo tần số của một tín hiệu điện hình sine bằng cách so sánh tần số của nó với
một tín hiệu điện hình siê khác tạo ra từ một máy phát sóng có tần số chuẩn (phương pháp Lissajou).
Đo độ lệch pha của 2 tín hiệu điện cùng chu kì.
Xác định điểm làm việc tốt nhất cho một tầng khuếch đại.
Ngoài ra, máy dao động kí còn được dùng để đo lường rất nhiều các đại lượng
vật lý khác, như các biến đổi trong cơ học, sinh vật học, ... Phép đo thường được
thực hiện bằng cách dùng một bộ chuyển đổi để chuyển các dạng năng lượng cần đo
sang dạng năng lượng điện rồi dùng máy dao động kí để hiển thị, đo đạc.
2/ Thực hiện phép đo trên dao động kí: - Đo biên độ: lOMoAR cPSD| 58457166
BÀI 2: PHÉP ĐO CHUYÊN DỤNG DÙNG DAO ĐỘNG KÝ
Biên độ được đo thông qua việc đếm các ô dọc trên màn hình hiển thị rồi nhân với
giá trị Volts/ Div ở từng kênh dọc. - Đo chu kì (tần số):
Đo chu kì hay tần số của một tín hiệu được thực hiện thông qua việc đếm ô ngang
trên màn hình CRT sao đó nhân với giá trị Times/ Div ta được chu kì của tín hiệu.
Muốn xác định tần số tín hiệu ta chỉ cần nghịch đảo giá trị chu kì thì sẽ xác định tần số. - Đo độ lệch pha:
Để đo độ lệch pha của hai tín hiệu cùng tần số chúng ta thực hiện bằng cách
đếm khoảng thời gian chênh lệch của hai tín hiệu rồi áp dụng công thức ∆ =
*360 (trong đó a là độ lệch thời gian giữa 2 tín hiệu, T là chu kì của cả 2 tín hiệu)
để suy ra độ lệch pha. -
Đo độ lệch pha và tần số dùng phương pháp so sánh (phương pháp hình Lissajou):
Ngoài cách đo tần số thông qua việc đo chu kỳ như ở trên, có thể đo tần số bằng dao động
kí như sau: So sánh tần số của tín hiệu cần đo fx với tần số chuẩn fchuẩn. Tín hiệu cần
đo đưa vào kênh CH1 hoặc CH2, tín hiệu tần số chuẩn đưa vào kênh còn lại. Chế độ
làm việc của dao động ký được chuyển sang chế độ X-Y mode và các sóng đều phải
có dạng hình sin. Khi đó trên màn hình sẽ hiện ra một đường cong phức tạp gọi là đường cong Lissajou.
Điều chỉnh tần số chuẩn tới khi tần số cần đo là bội hoặc ước nguyên của tần số chuẩn thì
trên màn hình sẽ có một đường Lissajou đứng yên. Hình dáng của đường Lissajou
rất khác nhau tùy thuộc vào tỉ số tần số giữa hai tín hiệu và độ lệch pha giữa chúng. fchuan m Ta có : fx n
Với m là số múi theo chiều ngang (hoặc chiều dọc tùy theo fchuan được đưa
vào kênh CH1 hay CH2) và n là số múi theo chiều còn lại (hoặc có thể lấy số điểm
cắt lớn nhất theo mỗi trục hoặc số điểm tiếp tuyến với hình Lissajou của mỗi trục).
Phương pháp hình Lissajou cho phép đo tần số trong khoảng từ 10Hz tới tần số giới hạn của máy. lOMoAR cPSD| 58457166
BÀI 2: PHÉP ĐO CHUYÊN DỤNG DÙNG DAO ĐỘNG KÝ
Nếu muốn đo độ lệch pha ta cho tần số của hai tín hiệu bằng nhau, khi đó đường Lissajou
có dạng elip. Điều chỉnh Y-Pos và X-Pos trên 2 trên CH1 và CH2 sao cho tâm của
elip trùng với tâm màn hình (gốc tọa độ). Khi đó, góc lệch pha
A được tính bằng: arctg Với A, B là đường
kính trục dài và đường kính trục B ngắn của elip.
Nhược điểm của phương pháp Lissajou là không xác định được dấu của góc
pha và sai số của phép đo khá lớn (5-10%).
Hình 2. 1: Các d ạ ng đ ồ th ị Lissajou 3/ Project Board: lOMoAR cPSD| 58457166
BÀI 2: PHÉP ĐO CHUYÊN DỤNG DÙNG DAO ĐỘNG KÝ Hình 2.2 Project Board
- Project board là dạng đế cắm nhiều lỗ, dùng để cắm các linh kiện như IC,
transistor, điện trở, tụ điện, dây nối, v.v… để thử các mạch điện tử đơn giản, hay
kiểm tra đặc tính của linh kiện nào đó. - Cấu tạo Project board:
+ Project board là dạng tấm phẳng, có đế bằng nhựa. Các lỗ cắm là các lá
đồng mạ bạc có cấu trúc dạng nhíp, dùng để kẹp chân linh kiện khi cắm vào lỗ.
+ Hình dáng gồm 3 phần: 2 thanh nhỏ ở hai đầu (thường để cấp nguồn hay
tạo thành một nút giao của nhiều nhánh trong mạch) và 2 thanh lớn ở giữa (thường
để cắm linh kiện và dây).
+ Khoảng cách giữa 2 lỗ liên tiếp bằng 0.1 inch (= 2.54mm) tương đương với
khoảng cách 2 chân liên tiếp của IC. Khỏang cách giữa 2 tấm ở giữa bằng 0.3 inch
tương đương với khoảng cách 2 hàng chân IC lọai DIP300.
( Chú ý: Không nên cắm những linh kiện hay dây dẫn có kích thước lớn hơn kích thước của lỗ). II./ Mục đích:
Giúp sinh viên thao tác thuần thục với các phép đo trên dao động kí. III./ Chuẩn bị:
Sinh viên phải xem trước các chức năng, cấu tạo của dao động kí, cũng như các phép đo
chuyên dụng có thể được thực hiện bởi dao động kí. lOMoAR cPSD| 58457166
BÀI 2: PHÉP ĐO CHUYÊN DỤNG DÙNG DAO ĐỘNG KÝ IV./ Thực hành:
1/ Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm: - Dao động kí - Máy phát sóng. - Project Board.
- Các linh kiện thụ động. 2/ Thực hành:
2.1 Thực hiện các phép đo cơ bản dùng dao động kí (OSC):
a. Đo tín hiệu sóng sine, tần số 20kHz biên độ 8Vpp bằng OSC.
Hướng dẫn: Tạo tín hiệu sóng sine bằng máy phát sóng sau đó kết nối đầu dương
của máy phát sóng với đầu dương của kênh CH1 hoặc CH2. Đầu đất của 2 máy được kết nối lại với nhau.
b. Điều chỉnh Volts/ Div và Times/ Div sao cho tín hiệu trên màn
hình được nhìn thấy rõ nhất và vẽ vào hình dưới. lOMoAR cPSD| 58457166
BÀI 2: PHÉP ĐO CHUYÊN DỤNG DÙNG DAO ĐỘNG KÝ Hình 2.3 c.
Tính độ sai lệch nếu có giữa tần số hiển thị trên máy phát sóng và trên dao động kí: |fGEN - fOSC|. d.
Xác định sai số tương đối của máy phát.
Hướng dẫn: Sai số ε = : |fĐo – fChuẩn| /fChuẩn *100% e.
Làm lại các câu a, b, c, d với tín hiệu là sóng vuông, tần số 2.5kHz,
biên độ 1V. Vẽ kết quả vào hình 2. 4. Hình 2.4
f. Làm lại câu e với dạng sóng vào là xung tam giác, biên độ hiệu dụng
2V, tần số 20kHz. Vẽ kết quả vào hình 2.5 . lOMoAR cPSD| 58457166
BÀI 2: PHÉP ĐO CHUYÊN DỤNG DÙNG DAO ĐỘNG KÝ Hình 2.5
2.2/ Thực hiện các phép đo chuyên dụng dùng máy dao dộng kí
2.2.1/ Đo độ lệch pha bằng phương pháp tuyến tính:
a. Ráp mạch như hình 2.6 lên project board: R 1 CH 2 CH 1 Sóng sine 1 kHz VGEN + C 1 OSC 2 Vpp Hình 2.6
Tín hiệu ra máy phát sóng có tần số 1kHz, biên độ 2Vpp, sóng sine.
a. Vẽ dạng sóng ngõ vào và ngõ ra trên dao động kí vào hình 2.7.
Hướng dẫn: Để cần gạt Vertical Mode sang chế độ ALT hoặc CHOP. lOMoAR cPSD| 58457166
BÀI 2: PHÉP ĐO CHUYÊN DỤNG DÙNG DAO ĐỘNG KÝ Hình 2.7
b. Xác định độ lệch pha của ngõ vào và ngõ ra. Cho biết tín hiệu nào sớm pha hơn.
Hướng dẫn: Nên chỉnh chế độ quan sát của 2 kênh CH1 và CH2 ở chế độ AC.
Áp dụng công thức ∆ = *360
Trong đó a là độ lệch thời gian giữa 2 tín hiệu
T là chu kì của cả 2 tín hiệu
Hình 2.8 So sánh độ lệch pha của 2 tín hiệu
c. Vẽ dạng sóng trên điện trở R dùng phương pháp ADD- INVERT.
Hướng dẫn: Phương pháp ADD-INVERT áp dụng công thức tính hiệu điện thế giữa
2 điểm A và B: UAB = UA – UB. lOMoAR cPSD| 58457166
BÀI 2: PHÉP ĐO CHUYÊN DỤNG DÙNG DAO ĐỘNG KÝ
Để hiển thị dạng sóng dùng phương pháp ADD - INVERT. Đầu tiên trong khối
Vertical của dao động kí ta chuyển cần gạt sang chế độ ADD. Tiếp theo ta nhấn nút CH2
INV. Lúc này tín hiệu kênh CH2 sẽ bị đảo pha 180o. Sau khi đã chỉnh máy xong ta nối kênh
CH1 và CH2 lần lượt vào 2 đầu điện trở.
2.2.2/ Đo độ lệch pha dùng phương pháp hình Lissajou: Ráp mạch như hình 2.9: R 1 CH 2 CH 1 Sóng sine 1 kHz VGEN + C 1 OSC 2 Vpp Hình 2.9
a. Vẽ đồ thị trên OSC lên hình dưới: Hình 2.10
Hướng dẫn: Đầu tiên ta chuyển chế độ hoạt động của dao động kí sang chế độ XY Mode. lOMoAR cPSD| 58457166
BÀI 2: PHÉP ĐO CHUYÊN DỤNG DÙNG DAO ĐỘNG KÝ
Kết nối ngõ vào với kênh CH1 và ngõ ra với kênh CH2. b.
Xác định độ lệch pha của 2 tín hiệu. Cho biết tín hiệu nào sớm pha hơn.
Hướng dẫn: Điều chỉnh hình elip sao cho có tâm ngay trục tọa độ. Áp dụng công A thức arctg
Với A, B là đường kính trục dài và đường kính trục ngắn của elip. B c.
Làm lại câu a với kênh CH1 lúc này kết nối với ngõ ra và kênh CH2
kết nối với ngõ vào. Vẽ đồ thị Lissajou lên hình 2.11 . Nhận xét kết quả của 2 trường hợp a. và b. Hình 2.11
2.2.3/ Đo tần số dùng phương pháp hình Lissajou:
Ráp mạch như hình 2.12 vẽ: Hình 2.12
a. Tín hiệu ra máy phát sóng 1 có dạng sóng sine tần số là 1kHz, lOMoAR cPSD| 58457166
BÀI 2: PHÉP ĐO CHUYÊN DỤNG DÙNG DAO ĐỘNG KÝ
biên độ 2Vpp. Thay đổi tần số ngõ ra máy phát sóng 2 đến khi xuất hiện hình
elip thì dừng. Vẽ hình elip đó để báo cáo.
Hướng dẫn: Để OSC hoạt động ở chế độ X-Y Mode. lOMoAR cPSD| 58457166
Tài liệu tham khảo:
[1] Giáo trình “Đo điện”, tác giả Nguyễn Ngọc Tân - Ngô Văn Ky, NXB Đại học quốc gia Tp. HCM, năm 2005.
[2] Giáo trình “Đo điện tử”, tác giả Nguyễn Ngọc Tân – Ngô Tấn Nhơn, NXB Đại học
quốc gia Tp. HCM, năm 2005.
[3] Tài liệu thực hành cơ sở, Học viện công nghệ bưu chính viễn thông cơ sở Tp. HCM.
[4] Hướng dẫn sử dụng máy đo điện trở đất ST-1520.
[5] Kỹ thuật đo lường, tác giả Nguyễn Hữu Công