Tổng hợp bài giảng môn Cơ sở đo lường điện tử | Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Tổng hợp bài giảng môn Cơ sở đo lường điện tử của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông với những kiến thức và thông tin bổ ích giúp sinh viên tham khảo, ôn luyện và phục vụ nhu cầu học tập của mình cụ thể là có định hướng ôn tập, nắm vững kiến thức môn học và làm bài tốt trong những bài kiểm tra, bài tiểu luận, bài tập kết thúc học phần, từ đó học tập tốt và có kết quả cao cũng như có thể vận dụng tốt những kiến thức mình đã học vào thực tiễn cuộc sống. Mời bạn đọc đón xem!

123 62 lượt tải Tải xuống

Chia sẻ Báo cáo tài liệu

lOMoARcPSD|36067889

Mục lục

LỜI NÓI ĐẦU

Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ, kỹ thuật o lường nói chung,

kỹ thuật o lường iện tử nói riêng ang có một vai trò quan trọng trong ời sống kinh tế kỹ

thuật và công nghệ. Các máy o lường iện tử ngày càng ược sử dụng rất rộng rãi trong

nhiều lĩnh vực. Để sử dụng chúng có hiệu quả, việc nghiên cứu về lý thuyết và nguyên lý o

lường iện tử là rất quan trọng, nhất là ối với kỹ sư làm việc trong các lĩnh vực iện, iện tử,

viễn thông. Bài giảng này nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản về o lường

iện tử như: Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử, ánh giá sai số và xử lý kết quả o, các phương

pháp o, nguyên lý xây dựng, cấu trúc, cũng như ứng dụng o lường của các thiết bị o tham

số và ặc tính của tín hiệu và mạch iện tử.

Bài giảng gồm các nội dung chính như sau:

Chương 1 - Cơ sở lý thuyết về o lường iện tử

Chương 2 - Sai số trong o lường

Chương 3 - Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Chương 4 - Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

Chương 5 - Các phép o iện cơ bản

Chương 6 - Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

Chương 7 - Phân tích tín hiệu

Chương 8 - Đo công suất

Chương 9 - Đo các tham số và ặc tính của mạch iện tử

Bài giảng ược thực hiện trong một thời gian ngắn, nên khó tránh khỏi những thiếu

sót. Tác giả rất mong nhận ược những ý kiến óng góp các ồng nghiệp ể bài giảng ược hoàn

thiện hơn. Mọi góp ý xin vui lòng gửi về Bộ môn kỹ thuật iện tử - Khoa Kỹ thuật Điện tử

1- Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông hoặc email: hadm@ptit.edu.vn.

Chúng tôi xin chân thành cảm ơn các ồng nghiệp ã óng góp các ý kiến quý báu; xin

chân thành cảm ơn lãnh ạo Học viện, Phòng Đào tạo và NCKH, Khoa Kỹ thuật Điện tử 1

ã tạo iều kiện ể chúng tôi hoàn thành bài giảng này.

Hà Nội, năm 2011

Tác giả

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................................3

MỤC LỤC

...........................................................................................................................5

lOMoARcPSD|36067889

Mục lục

1.1 CÁC KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ .................................................... 10

1.2 ĐỐI TƯỢNG CỦA ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ ......................................................... 12

1.3 PHÂN LOẠI PHÉP ĐO ......................................................................................... 12

1.4 CHỨC NĂNG VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ ĐO ................................................... 15

1.5 ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG, CHUẨN, MẪU ................................................................. 16

1.5.1 Đơn vị o lường ........................................................................................... 16

1.5.2 Cấp chuẩn hóa .............................................................................................. 17

1.6 ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ ĐO ........................................................... 18

1.6.1 Đặc tính tĩnh ................................................................................................. 18

1.6.2 Đặc tính ộng ............................................................................................... 19

1.7. ĐẶC TÍNH ĐIỆN CỦA THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ............................................... 21

1.7.1. Các tham số giới hạn ................................................................................... 21

1.7.2. Ảnh hưởng do quá tải .................................................................................. 22

1.7.3. Can nhiễu ở phép o .................................................................................... 23

1.7.4. Vỏ bảo vệ .................................................................................................... 25

1.7.5. Nối ất ......................................................................................................... 25

1.8. SO SÁNH THIẾT BỊ ĐO TƯƠNG TỰ VÀ THIẾT BỊ ĐO SỐ. .......................... 26

1.9. CHỌN KHOẢNG ĐO TỰ ĐỘNG VÀ ĐO TỰ ĐỘNG ....................................... 27

1.10. ĐO TRONG MẠCH (ICT) ................................................................................. 28

1.11. KỸ THUẬT SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ ............................................ 28

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP .............................................................................................. 30

CHƯƠNG 2 – ĐÁNH GIÁ SAI SỐ ĐO LƯỜNG .........................................................31

2.1. KHÁI NIÊM VỀ SAI SỐ ...................................................................................... 31

2.2. NGUYÊN NHÂN GÂY SAI SỐ .......................................................................... 31

2.3. PHÂN LOẠI SAI SỐ ............................................................................................ 31

2.3.1. Phân loại sai số theo nguồn gốc gây ra sai số ............................................. 32

2.3.2. Phân loại theo sự phụ thuộc của sai số vào ại lượng o ........................... 33

2.3.3. Phân loại theo vị trí sinh ra sai số................................................................ 33

2.4. BIỂU THỨC BIỂU DIỄN SAI SỐ ....................................................................... 33

2.5. PHÂN TÍCH THÔNG KÊ ĐO LƯỜNG .............................................................. 35

lOMoARcPSD|36067889

Mục lục

2.5.1. Hàm phân bố chuẩn sai số ........................................................................... 35

2.5.2. Hệ qủa của hàm phân bố chuẩn sai số ......................................................... 36

2.5.3. Chuẩn hóa hàm phân bố sai số .................................................................... 37

2.5.4. Các ặc số phân bố ứng dụng trong o lường ............................................. 38

2.5.5. Ứng dụng các ặc số phân bố ể xác ịnh kết quả o từ nhiều lần o ....... 42

2.6. ĐÁNH GIÁ SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO GIÁN TIẾP .............................................. 44

CÂU HỎI ÔN TẬP ...................................................................................................... 46

BÀI TẬP .......................................................................................................................

CHƯƠNG 3 ......................................................................................................................49

CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ ................................................................49

3.0. GIỚI THIỆU CHƯƠNG ....................................................................................... 49

3.1. CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA MÁY ĐO ................................................................ 49

3.1.1. Máy o tham số và ặc tính của tín hiệu ..................................................... 50

3.1.2. Máy o tham số và ặc tính của mạch iện: ............................................... 52

3.1.3. Máy tạo tín hiệu o lường ........................................................................... 53

3.1.4. Các linh kiện o lường ................................................................................ 54

3.2. CẤU TRÚC CHUNG CỦA MÁY ĐO SỐ ........................................................... 54

3.2.1. Sự tiến triển trong công nghệ chế tạo thiết bị o ........................................ 54

3.2.1. Sơ ồ cấu trúc chung của máy o số ........................................................... 55

3.2.3. Ưu iểm của máy o số ............................................................................... 57

3.3. THIẾT BỊ ĐO GHÉP NỐI VỚI MÁY TÍNH ....................................................... 59

3.4. MỘT SỐ MẠCH ĐO LƯỜNG VÀ GIA CÔNG TÍN HIỆU ĐO CƠ BẢN ......... 64

3.5. CƠ CẤU CHỈ THỊ ĐO LƯỜNG .......................................................................... 64

3.5.1 Cơ cấu chỉ thị kim (Cơ cấu o iện cơ bản - CCĐ) ..................................... 65

3.5.2 Thiết bị chỉ thị dùng LED ............................................................................ 75

3.5.3 Thiết bị chỉ thị dùng LCD - Liquid Crystal Display ................................... 81

3.5.4 Ống tia iện tử - CRT ................................................................................... 90

CÂU HỎI ÔN TẬP ...................................................................................................... 98

lOMoARcPSD|36067889

Mục lục

CHƯƠNG 4 - MÁY HIỆN SÓNG (Ô-XI-LÔ) ..............................................................99

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................................... 99

4.1.1 Khái niệm chung về quan sát dạng tín hiệu ................................................. 99

4.1.2 Các ưu iểm và khả năng ứng dụng của ô-xi-lô......................................... 100

4.1.3 Phân loại ô-xi-lô. ........................................................................................ 101

4.2 Ô-XI-LÔ TƯƠNG TỰ ......................................................................................... 101

4.2.1 Sơ ồ khối và nguyên lý làm việc của ô-xi-lô tương tự 1 kênh. ............... 101

4.2.2 Ô-xi-lô nhiều kênh. .................................................................................... 112

4.3 ĐÂY ĐO DÙNG CHO Ô-XI-LÔ ........................................................................ 116

4.3.1 Đây o thụ ộng trở kháng cao .................................................................. 117

4.3.2 Dây o tích cực .......................................................................................... 118

4.4 Ô-XI-LÔ SỐ ......................................................................................................... 119

4.4.1 Khả năng của ôxilô số ................................................................................ 119

4.4.2 Cấu trúc ô-xi-lô số ...................................................................................... 120

4.5 ỨNG DỤNG ĐO LƯỜNG DÙNG Ô-XI-LÔ ...................................................... 122

4.5.1 Đo tham số tín hiệu iện áp ........................................................................ 124

4.5.2 Đo tần số bằng phương pháp Lissajous ...................................................... 125

4.5.3 Đo góc lệch pha .......................................................................................... 127

4.5.4. Vẽ ặc tuyến Vôn-Ampe của iốt ............................................................. 129

4.5.5. Vẽ ặc tuyến ra của BJT ........................................................................... 130

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ............................................................................................ 131

CHƯƠNG 5 – CÁC PHÉP ĐO ĐIỆN CƠ BẢN ..........................................................133

5.1 GIỚI THIỆU CHUNG ......................................................................................... 133

5.2 ĐO DÒNG ĐIỆN ................................................................................................. 133

5.2.1 Ampe mét can thiệp.................................................................................... 134

5.2.2. Ampe mét không can thiệp........................................................................ 137

5.3. ĐO ĐIỆN ÁP ....................................................................................................... 140

5.3.1. Các trị số iện áp ....................................................................................... 140

5.3.2. Giới thiệu về dụng cụ o iện áp .............................................................. 141

5.3.3. Đo iện áp sử dụng cơ cấu o từ iện ....................................................... 143

lOMoARcPSD|36067889

Mục lục

5.3.4. Vôn mét iện tử ......................................................................................... 145

5.4. ĐO ĐIỆN TRỞ .................................................................................................... 150

5.5. THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ VẠN NĂNG (MULTIMETERS) .............................. 152

5.5.1. Đồng hồ vạn năng tương tự - VOM .......................................................... 152

5.5.2. Đồng hồ vạn năng số - DMM.................................................................... 153

CHƯƠNG 6 - ĐO TẦN SỐ, KHOẢNG THỜI GIAN VÀ GÓC LỆCH PHA .........158

6.0. GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................................ 158

6.1. ĐO TẦN SỐ ........................................................................................................ 160

Mục lục

6.1.1. Đo tần số bằng phương pháp ếm xung .................................................... 160

6.1.2. Đo tần số bằng phương pháp dùng mạch cộng hưởng .............................. 168

6.2. ĐO GÓC LỆCH PHA ......................................................................................... 170

6.2.1. Khái quát các phương pháp o góc lệch pha ............................................. 170

6.2.2. Pha mét số ................................................................................................. 173

CÂU HỎI ÔN TẬP .................................................................................................... 175

CHƯƠNG 7 – ĐO CÔNG SUẤT ..................................................................................177

7.1. KHÁI NIỆM VỀ ĐO CÔNG SUẤT ................................................................... 177

7.1.1 Các thành phần công suất .................................................................................. 177

7.1.2. Đơn vị công suất ............................................................................................... 179

7.1.3 Các nguyên lý o công suất........................................................................ 179

7.2. ĐO CÔNG SUẤT Ở TẦN SỐ THẤP VÀ TẦN SỐ CAO ................................. 180

7.2.1. Phương pháp cơ iện ................................................................................. 181

7.2.2. Phương pháp iện ...................................................................................... 182

7.2.3. Phương pháp so sánh ................................................................................. 188

7.3. ĐO CÔNG SUẤT Ở DẢI SIÊU CAO TẦN ....................................................... 188

7.3.1. Oát met sử dụng cảm biến iện trở nhiệt .................................................. 190

7.3.2. Oát met sử dụng cảm biến cặp nhiệt iện ................................................. 193

7.3.3. Oát mét sử dụng cảm biến tách sóng dùng Điốt ....................................... 193

CHƯƠNG 8 – PHÂN TÍCH PHỔ TÍN HIỆU .............................................................194

8.1. GIỚI THIỆU CHUNG PHÂN TÍCH TÍN HIỆU ................................................ 194

lOMoARcPSD|36067889

Mục lục

8.1.1 Giới thiệu chung về máy phân tích tín hiệu ............................................... 194

8.1.2. Đồ thị phổ của tín hiệu ............................................................................. 195

8.2. MÁY PHÂN TÍCH PHỔ .................................................................................... 197

8.2.1. Ứng dụng o lường của máy phân tích phổ .............................................. 197

8.2.2. Các nguyên lý máy phân tích phổ ............................................................. 197

8.2.3. Máy phân tích phổ song song .................................................................... 198

8.2.4. Máy phân tích phổ nối tiếp ........................................................................ 199

CHƯƠNG 9 - ĐO THAM SỐ CỦA MẠCH ĐIỆN TỬ ..............................................204

9.0. GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................................ 204

9.1. CÁC THAM SỐ VÀ ĐẶC TÍNH MẠCH ĐIỆN ................................................ 204

9.1.1. Các tham số, ặc tính của mạch iện có các phần tử tập chung. .............. 204

9.1.2. Các tham số và ặc tính của mạch iện có phần tử phân bố ..................... 207

9.2 ĐO TRỞ KHÁNG CỦA MẠCH VÀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ ............................ 209

9.2.1 Sai số của phép o trở kháng...................................................................... 209

9.2.2. Mô hình mạch tương ương của các linh kiện .......................................... 214

9.2.3. Tổng quan các phương pháp o trở kháng ................................................ 215

9.2.2. So sánh các phương pháp o ..................................................................... 218

9.3. ỨNG DỤNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TRỞ KHÁNG ......................... 221

9.3.1. Phương pháp cầu 4 nhánh cân bằng .......................................................... 222

9.3.2. Phương pháp cộng hưởng ......................................................................... 227

9.3.3. Phương pháp cầu tự cân bằng ................................................................... 227

9.3.4. Phương pháp biến ổi thời gian - xung ..................................................... 227

9.4. ĐO THAM SỐ VÀ ĐẶC TÍNH CỦA LINH KIỆN VÀ MẠCH PHI TUYẾN . 230

9.4.1. Vẽ ặc tuyến Vôn-Ampe. .......................................................................... 230

9.4.2. Vẽ ặc tuyến biên ộ tần số của mạng 4 cực. ........................................... 230

9.5. ĐO LƯỜNG, KIỂM NGHIỆM CÁC MẠCH ĐIỆN TỬ SỐ VÀ VI XỬ LÝ .... 231

9.5.1. Khái niệm và ặc tính chung của mạch số ................................................ 231

9.5.2. Các phương pháp phân tích ....................................................................... 232

TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................238

lOMoARcPSD|36067889

Mục lục

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ

• Các khái niệm về o lường iện tử

• Đối tượng của o lường iện tử

• Phân loại phép o

• Chức năng và phân loại thiết bị o

• Đơn vị o lường, chuẩn, mẫu

• Đặc tính cơ bản của thiết bị o

• Đặc tính iện của thiết bị o iện tử

• So sánh thiết bị o tương tự và thiết bị o số

• Chọn khoảng o tự ộng và o tự ộng

• Đo trong mạch

• Kỹ thuật sử dụng thiết bị o iện tử.

1.1 CÁC KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ

Đo lường học (Metrology) là lĩnh vực khoa học ứng dụng liên ngành nghiên cứu về

các ối tượng o, các phép o, các phương pháp thực hiện và các công cụ ảm bảo cho chúng,

kỹ thuật o, các phương pháp ể ạt ược ộ chính xác mong muốn.

Các hướng nghiên cứu chính của o lường bao gồm:

• Các lý thuyết chung về phép o.

• Các ơn vị vật lý và hệ thống của chúng.

• Các phương pháp và công cụ o.

• Kỹ thuật o

• Phương pháp xác ịnh ộ chính xác của phép o.

• Cơ sở bảo ảm cho việc thống nhất giữa phép o và rất nhiều công cụ thực hiện nó.

• Công cụ o chuẩn và barem.

• Các phương pháp ể chuyển ơn vị o từ công cụ chuẩn hoặc gốc ra công cụ làm

việc.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

Ngành kĩ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thành quả của o lường học vào

phục vụ sản xuất vào ời sống gọi là kĩ thuật o lường.

Phần này sẽ trình các khái niệm cơ bản về o lường iện tử.

- Đo lường (Measurement) là gì? Đo lường là quá trình thực nghiệm vật lý nhằm

ánh giá ược tham số, cũng như ặc tính của ối tượng chưa biết. Thông thường o lường là quá

trình so sánh ối tượng chưa biết với một ối tượng làm chuẩn ( ối tượng chuẩn này thường

là ơn vị o), và có kết quả bằng số so với ơn vị o.

+ Ví dụ o iện áp: Điện áp của một nguồn o ược là 5V nghĩa là iện áp của nguồn ó gấp

5 lần iện áp của một nguồn chuẩn 1V.

- Đo lường iện tử (Electronic Measurement): là o lường mà trong ó ại lượng cần o

ược chuyển ổi sang dạng tín hiệu iện mang thông tin o và tín hiệu iện ó ược xử lý và o

lường bằng các dụng cụ và mạch iện tử.

+ Nếu kết hợp o lượng iện tử và các bộ biến ổi phi iện - iện (sensor - các bộ cảm biến)

cho phép o lường ược hầu hết các ại lượng vật lý trong thực tế.

- Đại lượng o (Measurand): là các ại lượng vật lý chưa biết cần xác ịnh tham số và

ặc tính nhờ phép o.

- Tín hiệu o (Measuring Signal: Tín hiệu iện mang thông tin o.

- Phép o (Measurement): Là quá trình xác ịnh tham số và ặc tính của ại lượng vật

lý chưa biết bằng các phương tiện kỹ thuật ặc biệt - hay còn ược gọi là thiết bị o.

- Thiết bị o (Instrument): là phương tiện kĩ thuật ể thực hiện phép o có chức năng

biến ổi tín hiệu mang thông o thành dạng phù hợp cho việc sử dụng và nhận kết quả o,

chúng có những ặc tính o lường cơ bản ã ược qui ịnh. Trong thực tế thiết bị o thường ược

hiểu là máy o (ví dụ: Máy hiện sóng, Vôn mét số, Máy ếm tần…).

- Kỹ thuật o (Instrumentation): là một nhánh khoa học về các phương pháp kỹ

thuật công nghệ ứng dụng trong o lường và iều khiển.

- Phương pháp o (Measuring method): Là cách thức thực hiện quá trình o lường ể

xác ịnh ược tham số và ặc tính của các ại lượng o. Phương pháp o phụ thuộc vào nhiều yếu

tố: Phương pháp nhận thông tin o từ ại lượng o, Phương pháp xử lý thông tin o, Phương

pháp ánh giá, so sánh thông tin o, Phương pháp hiển thị, lưu trữ kết quả o… Mỗi loại máy

o có thể coi là một thiết bị o hoàn chỉnh thực hiện theo một hay một vài phương pháp o cụ

thể nào ó.

Về cơ bản quá trình o lường có thể ược chia thành các bước khác nhau và ược minh

họa như hình vẽ sau:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

Hình 1.1 – Quá trình o lường

1.2 ĐỐI TƯỢNG CỦA ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ

Đo lượng iện tử có phạm vi ứng dụng rất rộng rãi, ối tượng o rất rộng. Tuy nhiên

trong lĩnh vực iện tử - viễn thông, ối tượng của o lường tập chủ yếu vào ối tượng: Hệ thống

tham số và ặc tính của tín hiệu và của mạch iện tử.

- Hệ thống tham số và ặc tính của tín hiệu iện tử:

+ Tham số về cường ộ tín hiệu iện tử gồm: Cường ộ dòng iện, Cường ộ iện áp, Công

suất tác dụng của tín hiệu...

+ Tham số về thời gian gồm: Chu kỳ, tần số của tín hiệu, góc lệch pha giữa 2 tín hiệu

cùng tần số, ộ rộng phổ tín hiệu, ộ rộng xung, ộ rộng sườn trước, sườn sau ...

+ Đặc tính tín hiệu gồm: Phổ của tín hiệu, ộ méo dạng của tín hiệu, hệ số iều chế tín

hiệu...

+ Tín hiệu số gồm các tham số: Mức logic, tần số, chu kỳ...

- Hệ thống tham số và ặc tính của mạch iện tử:

+ Các tham số về trở kháng: Trở kháng tương ương, dẫn nạp tương ương, iện trở, iện

dung, iện kháng tương ương, trở kháng sóng, hệ số phản xạ, hệ số tổn hao, hệ số phẩm chất

của mạch...

+ Đặc tính của mạch: Đặc tuyến Vôn-Ampe, Đặc tuyến biến ộ - tần số, ặc tuyến Pha

- tần số của mạch...

Chú ý: Tùy theo dải tần và hệ thống tham số và ặc tính của tín hiệu và của mạch iện

tử cần o cũng khác nhau.

1.3 PHÂN LOẠI PHÉP ĐO

Phép o là công việc thực hiện chính của o lường, ó là việc tìm ra giá trị vật lý bằng

thực nghiệm với sự trợ giúp cả các công cụ kỹ thuật ặc biệt. Giá trị tìm ược gọi là kết quả

của phép o. Hoạt ộng thực hiện trong quá trình o ể cho ta kết quả là một ại lượng vật lý gọi

là quá trình ghi nhận kết quả. Tùy thuộc vào ối tượng nghiên cứu, vào tính chất của công

cụ o và người ta cần thực hiện phép o ghi nhận một lần hay nhiều lần. Nếu như có một loại

ghi nhận thì kết quả phép o nhận ược là kết quả khi xử lý các kết quả từ các ghi nhận ó.

Thu nhận

thông tin o

Biến ổi, xử lý,

ánh giá, so sánh,

ịnh lượng

thông

tin o

Lưu trữ,

hiển thị

kết

quả o

Đại

lượng o

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

Phép o có bản chất là quá trình so sánh ại lượng vật lý cần o với một ại lượng vật lý

ược dùng làm ơn vị chuẩn. Kết quả của phép o ược biểu diễn bằng một số là tỷ lệ của ại

lượng cần o với một ơn vị ó. Như vậy thể thực hiện phép o, ta cần thiết lập ơn vị o, so sánh

giá trị của ại lượng cần o với ơn vị và ghi nhận kết quả so sánh ược. Thông thường người

ta thường biến ổi tín hiệu ến dạng thuận tiện nhất cho việc so sánh.

Như vậy, ta có thể tóm tắt lại thành bốn bước chính của phép o là: thiết lập ơn vị vật

lý, biểu diễn tín hiệu o, so sánh tín hiệu o với ơn vị ược lấy làm chuẩn và ghi nhận kết quả

so sánh.

Có nhiều cách phân loại phương pháp o, tùy thuộc vào phương pháp nhận kết quả o,

phương pháp xử lý thông tin o, dải trình o, iều kiện o, sai số...

+ Phương pháp o trực tiếp : Là phương pháp o mà kết quả o nhận ược trực tiếp trên

thiết bị o từ một lần o duy nhất. Thông thường dùng các thiết bị o tương ứng cho chính ối

tượng cần o o. Kết quả o chính là trị số ại lượng cần o:

X=a

- Ví dụ: o iện áp bằng Vôn-mét, o tần số bằng Tần số-mét, o công suất bằng Oát-

mét,...

Đo trực tiếp thì phép o thực hiện ơn giản về biện pháp kỹ thuật, tiến hành o ược nhanh

chóng và loại trừ ược các sai số do tính toán.

+Phương pháp o gián tiếp : Là phương pháp o mà kết quả của ại lượng o tính toán

từ các kết quả o của các phép o trực tiếp các ại lượng vật lý khác nhau. Kết quả o trực tiếp

không phải là trị số của ại lượng cần o, mà là các số liệu cơ sở ể tính ra trị số của ại lượng

này:

X=f(a

, a

, …, a

)

- Ví dụ: Đo công suất một chiều: P=U.I - o iện áp và dòng iện bằng Vôn-mét và

Ampe-mét.

- Đặc iểm: nhiều phép o và thường không nhận biết ngay ược kết quả o

Trong kỹ thuật o lường, thông thường người ta muốn tránh phương pháp o gián tiếp,

vì trước hết nó yêu cầu tiến hành nhiều phép o (ít nhất là hai phép o) và thường là không

nhận biết ngay ược kết quả o. Song trong một số trường hợp thì không thể tránh ược phương

pháp này.

+ Đo thống kê: Là phương pháp thực hiện o nhiều lần một ại lượng o với cùng thiết

bị o và trong cùng iện kiện o, kết quả o ược tính là giá trị trung bình thống kê của của các

lần o o.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

Đặc iểm: Phương pháp này cho phép loại trừ các sai số ngẫu nhiên và thường dùng

khi kiểm chuẩn thiết bị o.

+ Phương pháp o tương quan: Hiện nay, kỹ thuật o lường ã phát triển nhiều về

phương pháp o tương quan. Nó là một phương pháp riêng, không nằm trong phương pháp

o trực tiếp hay phương pháp o gián tiếp. Phương pháp tương quan dùng trong những trường

hợp cần o các quá trình phức tạp, mà ở ây không thể thiết lập một quan hệ hàm số nào giữa

các ại lượng là các thông số của một quá trình nghiên cứu. Ví dụ: tín hiệu ầu vào và tín hiệu

ầu ra của một hệ thống nào ó.

Khi o một thông số của tín hiệu nào bằng phương pháp o tương quan, thì cần ít nhất

là hai phép o mà các thông số từ kết quả o của chúng không phụ thuộc lẫn nhau. Phép o

này ược thực hiện bởi cách xác ịnh khoảng thời gian và kết quả của một số thuật toán có

khả năng ịnh ược trị số của ại lượng thích hợp. Độ chính xác của phép o tương quan ược

xác ịnh bằng ộ dài khoảng thời gian của quá trình xét. Khi o trực tiếp thật ra là người o ã

phải giả thiết hệ số tương quan giữa ại lượng o và kết quả rất gần 1, mặc dù có sai số do

quy luật ngẫu nhiên của quá trình biến ổi gây nên.

Ngoài các phép o cơ bản nói trên, còn một số các phương pháp o khác thường ược

thực hiện trong quá trình tiến hành o lường như sau:

+ Phương pháp o thay thế: Phép o ược tiến hành hai lần, một lần với ại lượng cần o

và một lần với ại lượng o mẫu. Điều chỉnh ể hai trường hợp o có kết quả chỉ thị như nhau.

+ Phương pháp o hiệu số: Phép o ược tiến hành bằng cách ánh giá hiệu số trị số của

ại lượng cần o và ại lượng mẫu.

+ Phương pháp o vi sai, phương pháp chỉ thị không, phương pháp bù, cũng là những

trường hợp riêng của phương pháp hiệu số. Chúng thường ược dùng trong các mạch cầu o

hay trong các mạch bù.

+ Phương pháp o thẳng: kết quả o ược ịnh lượng trực tiếp trên thanh ộ của thiết bị

chỉ thị. Tất nhiên sự khắc ộ của các thang ộ này ã ược lấy chuẩn trước với ại lượng mẫu

cùng loại với ại lượng o.

+ Phương pháp o rời rạc hóa (chỉ thị số): ại lượng cần ược o ược biến ổi thành tin

tức là các xung rời rạc. Trị số của ại lượng cần o ược tính bằng số xung tương ứng này.

1.4 CHỨC NĂNG VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ ĐO

Hầu hết các thiết bị o có chức năng cung cấp cho chúng ta kết qủa o ược ại lượng

ang khảo sát. Kết quả này ược chỉ thị hoặc ược ghi lại trong suốt quá trình o, hoặc ược dùng

ể tự ộng iều khiển ại lượng ang ược o.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

Ví dụ: trong hệ thống iều khiển nhiệt ộ, máy o nhiệt ộ có nhiệm vụ o và ghi lại kết

quả o của hệ thống ang hoạt ộng và giúp cho hệ thống xử lý và iều khiển tự ộng theo thông

số nhiệt ộ.

Nói chung thiết bị o lường có chức năng quan trọng là kiểm tra sự hoạt ộng của hệ

thống tự iều khiển, nghĩa là o lường quá trình trong công nghiệp (Industrial process

measurements). Đây cũng là môn học trong ngành tự ộng hóa.

- Phân loại thiết bị o: Gồm 2 nhóm chính

Thiết bị o ơn giản: mẫu, thiết bị so sánh, chuyển ổi o lường.

Thiết bị o phức tạp: máy o, thiết bị o tổng hợp và hệ thống thông tin o lường.

+ Thiết bị chuẩn: Chuẩn là mẫu có cấp chính xác cao nhất. Chuẩn là phương tiện o

ảm bảo việc sao và giữ ơn vị o tiêu chuẩn.

+ Thiết bị mẫu: là thiết bị o dùng ể sao lại ại lượng vật lí có giá trị cho trước với ộ

chính xác cao.

+ Thiết bị so sánh: thiết bị o dùng ể so sánh 2 ại lượng cùng loại.

+ Thiết bị chuyển ổi o lường: Thiết bị o dùng ể biến ổi tín hiệu mang thông tin o

lường về dạng thuận tiện cho việc truyền tiếp, biến ổi tiếp, xử lí tiếp và giữ lại, nhưng người

quan sát chưa thể nhận biết trực tiếp ược kết quả o (VD: bộ KĐ o lường; bộ biến dòng, biến

áp o lường; sensor, quang iện trở, nhiệt iện trở, ADC...)

+ Máy o (Instrument): Thiết bị o dùng ể biến ổi tín hiệu mang thông tin o lường về

dạng mà người quan sát có thể nhận biết trực tiếp ược (VD: vônmét, ampe mét,...)

+ Thiết bị o tổng hợp: là các thiết bị o phức tạp, a năng dùng ể kiểm tra, kiểm chuẩn

o lường, o lường các tham số phức tạp.

+ Hệ thống thông tin o lường: Hệ thống mạng kết nối của nhiều thiết bị o, cho phép

o lường và iều khiển từ xa, o lường phân tán...

Với nhiều cách thức o a dạng khác nhau cho nhiều ại lượng có những ặc tính riêng

biệt, một cách tổng quát chúng ta có thể phân biệt 2 dạng thiết bị o phụ thuộc vào ặc tính.

Ví dụ: ể o ộ dẫn iện chúng ta dùng thiết bị o dòng iện thuần túy iện là micro ampe kế

hoặc mili ampe kế. Nhưng nếu chúng ta dùng thiết bị o có sự kết hợp mạch iện tử ể o ộ dẫn

iện thì lúc bấy giờ phải biến ổi dòng iện o thành iện áp

o. Sau ó mạch o iện tử o dòng iện dưới dạng iện áp. Như vậy chúng ta có ặc tính khác

nhau giữa thiết bị o iện và thiết bị o iện tử. Hoặc có những thiết bị o chỉ thị kết quả bằng

kim chỉ thị (thiết bị o dạng analog), hiện nay thiết bị o chỉ thị bằng hiện số (thiết bị o dạng

digital). Đây cũng là một ặc tính phân biệt của thiết bị o.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

Ngoài ra thiết bị o lường còn mang ặc tính của một thiết bị iện tử (nếu là thiết bị o

iện tử) như: tổng trở vào cao, ộ nhạy cao, hệ số khuyếch ại ổn ịnh và có ộ tin cậy ảm bảo

cho kết quả o. Còn có thêm chức năng, truyền và nhận tín hiệu o lường từ xa (telemetry).

Đây cũng là môn học quan trọng trong lĩnh vực o lường iều khiển từ xa. Bảng phân loại

tổng quan thiết bị o như Hình 1.2:

Hình 1.2 - Bảng phân loại tổng quan thiết bị o

1.5 ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG, CHUẨN, MẪU

1.5.1 Đơn vị o lường

+ Đơn vị o: Là một giá ơn vị tiêu chuẩn về một ại lượng o nào ó ược quốc

tế quy ịnh.

Trên thế giới người ta chế tạo ra những ơn vị tiêu chuẩn gọi là các chuẩn.

Ví dụ: Chuẩn Ôm quốc tế là iện trở của một cộ thủy ngân thiết diện 1mm

, dài 106,300

cm, ở 0

C và có khối lượng là 14,4521 g.

Thiết bị o

Mức ộ tự

ộng hóa

Dạng của

tín hiệu

ương pháp

biến ổi

Các ại lượng

ầu vào

Thiết bị

o không

tự ộng

Thiết

bị o

tự

ộng

Thiết

bị o

tương

tự

Thiết

bị o

số

Thiết

bị o

biến

ổi

thẳng

Thiết

bị o

biến

ổi

cân

Thiết

bị o

dòng

iện

Thiết

bị o

tần số

...

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

Hệ ơn vị ơn vị o lường phổ biến ược dùng ở Việt Nạm là hệ SI. Hệ SI gồm các ơn vị

o cơ bản và ơn vị o kéo theo:

+ Đơn vị o cơ bản: Được thể hiện bằng các ơn vị chuẩn với ộ chính xác cao nhất mà

khoa học kỹ thuật hiện ại có thể thực hiện ược, gồm 7 ơn vị o là: m ( ơn vị o khoảng cách),

kg ( ơn vị o khối lượng, S ( ơn vị o thời gian), A ( ơn vị o cường ộ dòng iện), K ( ơn vị o

nhiệt ộ), mol ( ơn vị o lượng chất), Cd (Candela - ơn vị o cường ộ ánh sáng).

+ Đơn vị kéo theo: là ơn vị có liện quan ến các ơn vị cơ bản bởi những luật thể hiện

bằng các biểu thức, ví dụ: [Hz] = 1/ [S], [C]= [A.S], [V]= [A.S/m] ... Ngoài ra hệ SI còn sử

dụng các hệ số và ước số của các ơn vị:

1012

-1

-2

-3

-6

-9

10-12

10-15

10-18

+ Chuẩn: là phương tiện o ảm bảo việc sao, giữ 1 ơn vị tiêu chuẩn.

+ Mẫu: Phương tiện o dùng ể sao lại các ại lượng vật lý với giá trị cho trước và với ộ

chính xác cao. Với mỗi quốc gia, mẫu có cấp chính xác cao nhất gọi là chuẩn của quốc gia

ó.

1.5.2 Cấp chuẩn hóa

Khi sử dụng thiết bị o lường, chúng ta mong muốn thiết bị ược kiểm chuẩn khi ược

xuất xưởng nghĩa là ã ược chuẩn hóa với thiết bị o lường chuẩn (standard Instrument). Việc

chuẩn hóa thiết bị o lường ược xác ịnh theo 4 cấp như sau:

Cấp 1: Chuẩn quốc tế (International standard) các thiết bị o lường cấp chuẩn quốc tế

ược thực hiện ịnh chuẩn tại Trung tâm o lường quốc tế ặt tại Paris (Pháp), các thiết bị o

lường chuẩn hóa cấp 1 này theo ịnh kỳ ược ánh giá và kiểm tra lại theo trị số o tuyệt ối của

các ơn vị cơ bản vật lý ược hội nghị quốc tế về o lường giới thiệu và chấp nhận ược.

Cấp 2: Chuẩn quốc gia. Các thiết bị o lường tại các Viện ịnh chuẩn quốc gia ở các

quốc gia khác nhau trên thế giới các thiết bị này cũng ã ược chuẩn hóa theo chuẩn quốc tế

và các thiết bị o lường ược chuẩn hóa tại các viện ịnh chuẩn quốc gia.

Cấp 3: Chuẩn khu vực. Trong một quốc gia có thể có nhiều trung tâm ịnh chuẩn cho

từng khu vực (standard zone center). Các thiết bị o lường tại các trung tâm này ương nhiên

phải mang chuẩn quốc gia (National standard). Những thiết bị ược o lường ược ịnh chuẩn

tại các trung tâm ịnh chuẩn này sẽ mang chuẩn khu vực (Zone standard).

Cấp 4: Chuẩn phòng thí nghiệm. Trong từng khu vực chuẩn hóa sẽ có những phòng

thí nghiệm ược công nhận ể chuẩn hóa các thiết bị ược dùng trong sản xuất công nghiệp.

Như vậy các thiết bị ược chuẩn hóa tại các phòng thí nghiệm này sẽ có chuẩn hóa của

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

phòng thí nghiệm. Do ó các thiết bị o lường khi ược sản xuất ra ược chuẩn hóa ở cấp nào

thì sẽ mang chất lượng tiêu chuẩn o lường của cấp ó.

Còn các thiết bị o lường tại các trung tâm o lường, viện ịnh chuẩn quốc gia, thì phải

ược chuẩn hóa và mang tiêu chuẩn cấp cao hơn. Thí dụ phòng thí nghiệm phải trang bị các

thiết bị o lường có tiêu chuẩn của chuẩn vùng hoặc chuẩn quốc gia. Còn các thiết bị o lường

tại viện ịnh chuẩn quốc gia thì phải có chuẩn quốc tế. Ngoài ra theo ịnh kỳ ược ặt ra phải

ược kiểm tra và chuẩn hóa lại các thiết bị o lường.

1.6 ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ ĐO

Có nhiều ặc tính cơ bản của thiết bị o, cần phải xác ịnh chúng ể lựa chọn chính xác

thiết bị o. Có 2 loại ặc tính: Đặc tĩnh tính và ặc tính ộng.

1.6.1 Đặc tính tĩnh

Các ặc tính tĩnh ược xác ịnh thông quá trình kiểm chuẩn (Calibration Test) thiết bị.

Kiểm chuẩn là quá trình so sánh thiết bị o với một thiết bị chuẩn (thiết bị mẫu) ể nhằm mục

ích kiểm tra khắc ộ thiết bị o (Xác ịnh mối quan hệ giữa thang chỉ thị của thiết bị o và giá

trị của các thiết bị mẫu, chuẩn), cũng như xác ịnh các ặc tính của thiết bị o.

Các ặc tĩnh tính cơ bản của thiết bị o như sau:

+ Hàm biến ổi (Transfer Function): Là tương quan hàm số giữa ại lượng ầu ra Y và

các ại lượng ầu vào X của thiết bị o, thường cho dưới dạng hàm số hoặc ồ thị: Y=f(X)

+ Độ nhạy (Sensitivity): Là tỷ số giữa ộ biến thiên của ầu ra Y của phương tiện o với

ộ biến thiên của ại lượng o ầu vào X tương ứng.

Ký hiệu: S

+ Phạm vi o (Range): Là phạm vi thang o bao gồm những giá trị mà sai số của phép

o nằm trong giới hạn cho trước.

+ Phạm vị chỉ thị (Display Range): là phạm vi thang o ược giới hạn bởi giá trị

ầu và giá trị cuối của thang o.

+ Cấp chính xác (Accuracy-Level): ược xác ịnh bởi giá trị lớn nhất của các sai số

trong thiết bị o.

Thường ược tính toán bằng giới hạn của sai số tương ối quy ổi:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

qmax max .100

+ Độ chính xác (Accuracy): Mức ộ gần giá trị thực của ại lượng o và giá trị o ược.

+ Độ rõ (Precision): Mức ộ sai khác của kết quả o của các phép o liên tiếp một ại

lượng o không ổi với cùng máy ó.

Bảng sau minh họa sự khác nhau giữa Độ chính xác và Độ rõ:

Bảng 1.1 – Minh họa sự khác nhau giữa ộ chính xác và ộ rõ

Kết quả bắn

bia

Độ chính xác

Thấp

Cao

Độ rõ

Thấp

Cao

Thấp

Cao

+ Độ phân giải (Resolution): là giá trị nhỏ nhất có thể phân biệt ược sự biến ổi của

ại lượng o trên thiết bị ó. Thường gồm ộ chia nhỏ nhất của thang o hay giá trị nhỏ nhất có

thể phân biệt ược trên thang o (mà có thể phân biệt ược sự biến ổi trên thang o).

+ Độ ổn ịnh (Stability): Sự biến ổi không quá nhiều của giá trị o trong iều kiện o khác

nhau.

1.6.2 Đặc tính ộng

Một số rất ít thiết bị o áp ứng tức thời ngay với ại lượng o thay ổi. Phần lớn nó áp

ứng chậm hoặc không theo kịp sự thay ổi của ại lượng o. Sự chậm chạp này phụ thuộc ặc

tính của thiết bị o như tính quán tính, nhiệt dung hoặc iện dung… ược thể hiện qua thời

gian trễ của thiết bị o. Do ó sự hoạt ộng ở trạng thái ộng hoặc trạng thái giao thời của thiết

bị o cũng quan trọng như trạng thái tĩnh.

Đối với ại lượng o có 3 dạng thay ổi như sau:

- Thay ổi có dạng hàm bước theo thời gian.

- Thay ổi có dạng hàm tuyến tính theo thời gian.

- Thay ổi có dạng hàm iều hòa theo thời gian.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

Đặc tuyến ộng của thiết bị o - Tốc

ộ áp ứng.

- Độ trung thực.

- Tính trễ.

- Sai số ộng

Đáp ứng ộng ở bậc Zero (bậc không)

Một cách tổng quát tín hiệu o và tín hiệu ra của thiết bị o ược diễn tả theo phương

trình sau ây:

a d

d xn 0 n 1x0

an dtn n 1 dt n 1 .... a1 dt0 a x0 0 bm d xdtmmi bm 1 ddtm m1 x1i ... b1

dxdti b x0 0

Trong ó: x

: tín hiệu ra của thiết bị o; x

: tín hiệu o.

: thông số của hệ thống o giả sử không thay ổi.

Khi a

, b

khác không ( 0) thì các giá trị a, b khác bằng không (=0). Phương

trình vi phân còn lại:

a x

0 0

b x x

0 1

;

x K

;

: ộ nhạy tĩnh

a0 a0

Như vậy ây là trường hợp ại lượng vào và ại lượng ra không phụ thuộc vào thời gian,

là iều kiện lý tưởng của trạng thái ộng. Thí dụ như sự thay ổi vị trí con chạy của biến trở

tuyến tính theo ại lượng o.

Đáp ứng ộng ở bậc 1

Khi các giá trị a

, b

, a

, b

khác không ( 0), còn các giá trị còn lại bằng không

a x

0 0

b x

0 i

(=0): a

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

Bất kỳ thiết bị o nào thỏa mãn cho phương trình này ược gọi là thiết bị bậc nhất.

Chia hai vế cho a

phương trình trên ta có:

x0 b

xi Hoặc: dx

x0 b

;

D 1 x0 Kxi a

dt a

Với D

;

: thời hằng; K

: ộ nhạy tĩnh dt a

Thời hằng có ơn vị là thời gian. Trong khi ó ộ nhạy tĩnh K ơn vị của tín hiệu ra/tín

hiệu vào.

Hàm truyền hoạt ộng (Transfer function) của bất kỳ thiết bị o bậc nhất: x0 K

D 1

Thí dụ cụ thể của thiết bị o bậc nhất là nhiệt kế thủy ngân.

Đáp ứng ộng của thiết bị bậc 2, ược ịnh nghĩa theo phương trình:

a d x2 0 a dx0 a x b x

2 dt 2 1 dt 0 0 0 i

Phương trình trên ược rút gọn lại: Dn22 2 Dn

1 x0 Kxi

: tần số không ệm tự nhiên ( ơn vị: radian/thời gian).

: tỉ số ệm;

; K=

a a0 2 a0

Bất kỳ thiết bị o nào thỏa cho phương trình này gọi là thiết bị o bậc 2. Thí dụ:

Loại cân dùng lò xo àn hồi (lực kế), thông thường loại thiết bị o bậc 1 chỉ hoạt ộng o

với ại lượng có năng lượng.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

Nhiệt kế có năng lượng là nhiệt năng, trong khi ó loại thiết bị bậc 2 có sự trao ổi giữa

hai dạng năng lượng. Thí dụ: năng lượng tĩnh iện và từ iện trong mạch LC, cụ thể như sự

chỉ thị cơ cấu từ iện kết hợp với mạch khuếch ại.

1.7. ĐẶC TÍNH ĐIỆN CỦA THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ

Ngoài những ặc tính cơ bản, thiết bị o iện tử có những ặc tính iện riêng. Các ặc tính

này ảnh hưởng rất lớn ến mức ộ chính xác của kết quả o.

1.7.1. Các tham số giới hạn

+ Giới hạn về thang o: Mỗi thiết bị o có khoảng o lớn nhất về một thông số cần o.

Khoảng o sẽ ược chia thành các thang o nhỏ thích hợp. Ví dụ, một Voltmeter có thể o cao

nhất là 300V chia thành 5 thang o phụ: 3V, 10V, 30V, 100V và 300V. Chuyển mạch thang

o sẽ thiết lập tại các vị trí chính xác tuỳ thuộc vào giá trị o yêu cầu. Giả sử phép o iện áp là

9V thì chúng ta sẽ sử dụng thang o 10V. Các thang o cần phải có cho tất cả các thông số

cần o. Cần phải chọn thang o úng cho mỗi thông số o thích hợp. Nếu o iện áp trên thang o

dòng iện, thì ồng hồ o sẽ hư hỏng.

+ Độ mở rộng thang o: Là thuật ngữ ược sử dụng chỉ sự chênh lệch giữa giá trị lớn

nhất và giá trị nhỏ nhất của một thang o. Đối với giá trị o của ồng hồ ở mức nhỏ nhất là

10mA và 100mA ở mức cao nhất, thì ộ mở rộng của thang o là 100mA - 10mA = 90mA.

Một ồng hồ o iện áp có mức 0V ở giữa, với + 10V một bên và - 10V ở phía khác, sẽ có ộ

mở rộng thang o là 20V.

+ Giới hạn về công suất: Mỗi thiết bị o ều có khả năng xử lý công suất lớn nhất, nên

công suất của tín hiệu vào không ược vượt quá giới hạn công suất o. Công suất vượt quá

có thể làm hỏng ồng hồ o hay mạch khuyếch ại bên trong ồng hồ o.

+ Giới hạn về tần số: Phần lớn cơ cấu ộng ở ồng hồ o tương tự có vai trò như một

iện cảm mắc nối tiếp và do vậy sẽ suy giảm ở dãi tần số cao. Trong các thiết bị o sử dụng

các mạch chỉnh lưu và các mạch khuyếch ại, các iện dung của tiếp giáp ược cho là một hạn

chế ối với tín hiệu o ở dãi tần số cao. Cơ cấu o iện ộng có thể chỉ ược sử dụng ể o tín hiệu

có tần số lên ến 1000Hz (do iện cảm nối tiếp), các cơ cấu o từ iện (có bộ chỉnh lưu) có thể

sử dụng ể o tín hiệu có tần số lên ến 10000Hz, millivoltmeter xoay chiều có thể o các tín

hiệu có tần số lên ến một vài MHz. Các hạn chế tần số khác có thể gây ra do các iện dung

song song. Máy hiện sóng có thể sử dụng ể o các tín hiệu có tần số ở dãi Megahertz, nhưng

giá thành sẽ tăng khi cần ộ rộng băng tần cao hơn. Máy hiện sóng không sử dụng cuộn dây

và hệ thống chỉ thị kim, do vậy ảnh hưởng bất lợi ở phần lớn các cơ cấu o sẽ ược hạn chế

và loại bỏ.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

+ Giới hạn về trở kháng: Các thiết bị o ược dùng ể o các tín hiệu AC, có trở kháng

ra phụ thuộc vào mạch ra của transistor ược sử dụng. Một máy phát tín hiệu tần số cao có

thể có trở kháng là 75 hay 50 ể phù hợp với trở kháng vào của hệ thống cần o. Các thiết

bị o iện áp như voltmeter và máy hiện sóng có trở kháng vào cao. Một voltmeter tốt vừa

phải có thể có trở kháng vào khoảng 20000 /V, trong khi một máy hiện sóng và ồng hồ o

số hay ồng hồ o iện tử có thể có trở kháng vài megohm. Thiết bị o iện áp có trở kháng cao

hơn sẽ cho ộ chính xác của phép o cao hơn, hay có ảnh hưởng quá tải ít hơn. Trở kháng của

các cơ cấu o cuộn dây ộng tuỳ thuộc vào ộ nhạy của ồng hồ, còn trở kháng của máy hiện

sóng kiểu ống tia phụ thuộc vào trở kháng vào của bộ khuyếch ại dọc sử dụng trong máy

hiện sóng.

1.7.2. Ảnh hưởng do quá tải

Ảnh hưởng do quá tải có nghĩa là sự suy giảm về trị số của thông số ở mạch cần o

khi mắc thiết bị o vào mạch. Thiết bị o sẽ tiêu thụ công suất từ mạch cần o và sẽ làm tải của

mạch cần o. Điện trở của ồng hồ o dòng sẽ làm giảm dòng iện trong mạch cần o. Tương tự,

một voltmeter khi mắc song song với mạch có iện trở cao, thực hiện vai trò như một iện trở

song song [shunt], nên sẽ làm giảm iện trở của mạch. Điều này tạo ra mức iện áp thấp trên

tải ọc ược trên ồng hồ o. Do ó, ồng hồ sẽ chỉ thị mức iện áp thấp hơn so với iện áp thực,

nghĩa là cần phải lấy mức iện áp cao hơn ể có ộ lệch úng. Như vậy, ảnh hưởng do quá tải

sẽ hạn chế ộ nhạy và do ó cũng ược gọi là giới hạn ộ nhạy. Những ảnh hưởng này sẽ còn

ược nhắc lại trong phần o iện áp và dòng iện.

1.7.3. Can nhiễu ở phép o

So với tạp nhiễu bên trong ược tạo ra bởi các gợn sóng của nguồn cung cấp, hay bằng

sự di chuyển lớn một cách ngẫu nhiên về cả số lượng và vận tốc của các iện tử trong các

cấu kiện chủ ộng và thụ ộng (gọi là nhiễu Johnson hay nhiễu trắng, nhiễu vạch), hoặc do

các quá trình quá ộ gây ra bởi sự giảm ột ngột thông lượng qua một iện cảm, các thiết bị o

có thể bị can nhiễu từ bên ngoài ược giải thích như sau.

1. Can nhiễu tần số thấp. Khi các dây dẫn iện nguồn cung cấp chính ac chạy

song song gần với các ầu dây tín hiệu o, thì nhiễu mạnh ac (tần số 50Hz) sẽ can nhiễu vào

ầu tín hiệu o do hiệu ứng iện dung giữa các dây dẫn.

2. Can nhiễu tần số cao. Các tín hiệu tần số cao ược tạo ra bất cứ khi nào có

sự phát ra tia lửa iện ở vùng xung quanh thiết bị o. Tia lửa iện có thể tạo ra khi chuyển

mạch nguồn cung cấp, do các hệ thống ánh lửa, do các ộng cơ iện một chiều, do các máy

hàn, do sự phóng iện hào quang (tức sự ion hoá không khí gần các mạch iện áp cao), và do

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

hồ quang iện trong các èn huỳnh quang. Tia chớp là các nguồn tần số cao trong tự nhiên.

Phát thanh quảng bá từ các ài thu phát vô tuyến và các ài phát thanh di ộng công suất cao,

ược lắp ặt gần các thiết bị o cũng tạo ra các tín hiệu tần số cao. Các tín hiệu cao tần ó ều có

thể can nhiễu vào thiết bị o, các tín hiệu cao tần có thể ược chỉnh lưu bằng các cấu kiện bán

dẫn có trong các thiết bị o, và như vậy sẽ tác ộng ến các kết quả o do iện áp không mong

muốn thể hiện dưới các dạng khác nhau trong phép o, làm cho kết quả o sai hoàn toàn. Một

số phép o dc tiến hành ở các iểm o trong mạch có cả iện áp dc và iện áp của các tín hiệu

tần số cao. Các phép o iện áp dc sẽ không chính xác nếu không lọc bỏ iện áp cao tần trước

khi tín hiệu o ược chỉnh lưu trong thiết bị o.

Các cách phòng ngừa và khắc phục ở các phép o ể loại bỏ can nhiễu cao tần.

1. Trước tiên là bao bọc có hiệu quả thiết bị o ể không bị can nhiễu ngoài trực

tiếp vào thiết bị o.

2. Thiết bị o phải ược nối ất.

3. Cần phải lọc các tín hiệu không mong muốn tại mạch vào, dây o và dây

nguồn cung cấp ể các tín hiệu cao tần sẽ ược lọc bỏ trước khi chỉnh lưu, phải có mạch chọn

băng tần tín hiệu o ể loại bỏ nhiễu và can nhiễu tần số cao. Mạch nối ất với bệ máy cần phải

ảm bảo. Mối hàn bị nứt hay thiếu kết nối, sẽ tạo ra một iện trở giữa ầu vào và ất ối với các

tín hiệu tần số cao, nên iện áp cao tần sẽ xâm nhập tại ầu vào như minh hoạ ở Hình 1.3. Tụ

iện trong Hình 1.3 dùng ể lọc bỏ các tín hiệu cao tần, có vai trò như một ngắn mạch ối với

tần số cao. Nếu tụ hở mạch, hay iểm G không kết nối với ất (do áp lực nào ó hay mối hàn

bị nứt), thì tín hiệu tần số cao sẽ có tại iểm A sẽ ược ưa ến ầu vào của mạch khuyếch ại

bằng Transistor, nên sẽ ược khuyếch ại và chỉnh lưu (phần phi tuyến của ặc tuyến) và sẽ có

tại ầu ra dưới dạng iện áp dc. Các ài phát thanh quảng bá ịa phương thỉnh thoảng nghe ược

trong ống nghe iện thoại do can nhiễu ó.

Hình 1.3 – Mạch bị mất nối ất ầu vào

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

4. Khi thực hiện phép o dc tại iểm có cả iện áp dc cũng như iện áp cao tần, iện

áp cao tần có thể gây ra mức dòng iện lớn chảy qua ầu que o bởi vì ầu que o gần như ược

ngắn mạch với bệ máy ối với tín hiệu cao tần thông qua ảnh hưởng iện dung, có thể làm

nóng ầu que o (thực tế này xảy ra khi o các iện áp dc trong máy phát). Mắc nối tiếp cuộn

cảm RF với ầu que o ể loại bỏ tình trạng trên. 5. Sử dụng mạch khuyếch ại thuật toán ở chế

ộ vi sai sẽ làm giảm các tín hiệu nhiễu ồng kênh rất cơ bản, có thể loại bỏ nhiễu ồng kênh

lên ến mức 100dB. (Nếu mặc dù ã có các dự phòng nhiễu cao tần trên, hư hõng hệ thống

có thể từ tầng này ến tầng khác, thì nguyên nhân có thể là vỏ bảo vệ, nối ất, mạch lọc và

cuộn cảm cao tần, cần phải kiểm tra kỹ các vần ề ó).

1.7.4. Vỏ bảo vệ

Vỏ bảo vệ là lớp chặn bằng vật liệu dẫn iện ược lắp ở phần có tín hiệu nhiễu. Hiệu

quả của lớp bảo vệ tuỳ thuộc vào: (i) kiểu lớp bảo vệ, (ii) các ặc tính của vật liệu làm lớp

bảo vệ và (iii) ộ hở của lớp bảo vệ.

Trường nhiễu có thể là iện trường hoặc từ trường. Các lớp bảo vệ bằng từ tính sử

dụng vật liệu sắt từ như sắt. Các lớp bảo vệ tĩnh iện sử dụng vật liệu dẫn iện không nhiễm

từ như nhôm. Các vật liệu dẫn iện có ặc tính iện môi kém nên sẽ hấp thụ các nhiễu do iện

trường tĩnh. Ngoài việc hấp thụ, nhiễu cũng sẽ giảm do sự phản xạ của iện trường khỏi lớp

bảo vệ. Độ hấp thụ nhiễu tỷ lệ với ộ dày của vật liệu. Sự phản xạ sẽ xảy ra khi có gián oạn

trở kháng ặc trưng giữa lớp bảo vệ và môi trường xung quanh lớp bảo vệ.

1.7.5. Nối ất

Có ường dẫn trở lại mức ất trên bảng mạch in, thường là ường mạch rộng và có iện

trở rất thấp. Dây tín hiệu cần phải ược ặt gần với ường nối ất ể giảm ảnh hưởng iện cảm.

Đường mức ất trên mạch bảng mạch sẽ ược nối với ường ất hiệu dụng.

Mức ất, như mạch ở Hình 1.4, là không úng, bởi vì iện áp ược bọc lộ trên chiều dài

Zp do phần từ II sẽ ược nối trở lại phần tử I. Ảnh hưởng sẽ xấu nếu phần tử I có ộ nhạy cao,

hoặc nếu phần tử II là thiết bị công suất lớn.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

Hình 1.4 - Nối ất sai

Các cách nối ất như mạch ở Hình 1.5a và Hình 1.5b, là thích hợp, nhất là ối với tín

hiệu có tần số trên 10MHz, nếu chú ý chọn ể tránh việc hình thành các vòng ất.

Hình 1.5 - Nối ất úng

1.8. SO SÁNH THIẾT BỊ ĐO TƯƠNG TỰ VÀ THIẾT BỊ ĐO SỐ.

Các thiết bị o tương tự sử dụng ộ lệch của kim chỉ thị do tương tác giữa dòng iện và

từ trường, hoặc giữa hai từ trường. Đa số các bộ phận cơ cấu ộng ều có ma sát, nên có nhiều

hạn chế (như giới hạn tần số cao, ộ nhạy, sai số do quá tải) và các sai số. Trong các ồng hồ

o số, không liên quan ến sự làm lệch, số chỉ thị ược ọc ở bộ hiển thị (hiển thị bằng tinh thể

lỏng hay bằng LED), nên các ồng hồ o số không có các sai số như của các ồng hồ o tương

tự. Các ưu iểm của thiết bị o số so với các loại ồng hồ o tương tự như sau. a) Ưu iểm của

ồng hồ o số so với ồng hồ o tương tự.

1. Độ chính xác cao (thông dụng là 0,0005% hay 5ppm)

2. Độ rõ cao (khi số lượng o ược thể hiện bằng chữ số, nên sẽ không thay ổi

giá trị của nó) ( iển hình là 1ppm).

3. Độ phân giải tốt hơn (tình trạng không rõ ràng chỉ bị giới hạn nhiều nhất là

một chữ số).

4. Không có sai số do thị sai.

5. Không có sai số do ọc. Không có sai số trong việc chuyển ổi số liệu o.

6. Trở kháng vào rất cao ( iển hình là 10Mvà iện dung vào thấp là 40pF) và vì

vậy sai số do quá tải không áng kể.

7. Trở kháng vào hầu như không thay ổi trên tất cả các thang o.

8. Sự ịnh chuẩn từ các nguồn mẫu bên trong ồng hồ là hoàn toàn ổn ịnh.

9. Không có sai số do dạng sóng tín hiệu.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

10. Hiển thị cực tính tự ộng, có khả năng tự ộng chỉnh 0 và tự ộng chuyển thang

o. Các thang o thay ổi theo các nấc thập phân thay vì thang o, nên có số lượng thang

o ít hơn, khả năng mở rộng thang o lớn hơn.

11. Có khả năng xử lý số o bằng máy tính. Các số liệu o có thể ược lưu trữ và

truy suất bất kỳ lúc nào.

12. Có khả năng xử lý các tín hiệu o ở dãi tần số rộng hơn.

13. Thao tác o ơn giản, chỉ cần ấn nút ấn ể thiết lập lại tự ộng chính xác thiết bị

o cho các số liệu o mới.

14. Có khả năng kết hợp nhiều thiết bị o vào một thiết bị bằng kỹ thuật số. Có

thể lập trình phép o dễ dàng.

15. Thiết bị o gọn và kết cấu chắc chắn hơn.

b) Các nhược iểm của ồng hồ o số.

1. Cần phải có nguồn cung cấp do sử dụng các vi mạch (IC).

2. Các ại lượng thay ổi chậm, như khi nạp tụ không thể quan sát ược. Các ồng

hồ tương tự có thể quan sát các biến thiên như khi o thử tụ iện phân.

3. Khi o thử diode không thể thực hiện như cách thông thường, nên có bổ sung

mạch chuyên dụng dành riêng cho mục ích o thử diode ở một số ồng hồ o số (tức chức năng

o mức sụt áp trên tiếp giáp pn).

4. Giá thành cao, nhưng giá thành sẽ giảm xuống theo sự phát triển của công

nghệ chế tạo các IC mới. Vẫn còn nhiều tranh luận giữa các lợi thế của thiết bị o tương tự

so với các hiển thị số. Tuy nhiên, các ưu iểm của thiết bị o số có phần ược chú trọng hơn

các loại thiết bị o tương tự, nên thiết bị o số ngày càng trở nên thông dụng hơn, nhất là khi

giá thành của thiết bị o số giảm xuống. Trong các hệ thống o rất phức tạp, cơ cấu o tương

tự chỉ thị kim có thể thể hiện bằng hình vẽ trên máy tính ngoài hiển thị số.

1.9. CHỌN KHOẢNG ĐO TỰ ĐỘNG VÀ ĐO TỰ ĐỘNG

Khoảng o tự ộng sẽ ịnh vị dấu chấm thập phân một cách tự ộng ể nhận ược ộ phân

giải tối ưu. Nếu số chỉ thị dưới 200, thiết bị o số 3 ½ - chữ số sẽ tự ộng ược chuyển mạch

ến thang o có ộ nhạy cao hơn, còn nếu giá trị hiển thị cao hơn 1999, thì thang o có ộ nhạy

ít hơn tiếp theo sẽ ược chọn. Bộ ếm và bộ giải mã sẽ thay ổi vị trí dấu chấm thập phân khi

yêu cầu khoảng o tự ộng. Một ồng hồ o tự ộng hoàn toàn chỉ cần tín hiệu cần o có tại hai

ầu vào của ồng hồ o và iều chỉnh ể o thông số nào, còn sau ó toàn bộ các tiến trình o (chính

0, chỉ thị cực tính, thang o, hiển thị) sẽ ược tiến hành tự ộng. Đối với các thiết bị o hiện ại,

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

xu hướng là kết hợp nhiều thiết bị o vào một thiết bị. Ví dụ, Hệ thống giám sát thông tin có

các thiết bị o như sau:

1. Máy tạo tín hiệu RF

2. Máy tạo tín hiệu AF

3. Đồng hồ o công suất RF

4. Voltmeter số

5. Đồng hồ o công suất AF

6. Đồng hồ o ộ nhạy

7. Đồng hồ o hệ số méo dạng

8. Bộ ếm tần số

9. Máy phân tích phổ

10. Máy hiện sóng nhớ số

Bất kỳ thiết bị o nào trong số các thiết bị o trên có thể hình thành hoạt ộng theo lập

trình. Chế ộ làm việc ã ược chọn, thiết bị o sẽ ược chọn, loại phép o yêu cầu ã ược lập trình

theo lệnh, nên tín hiệu ra sẽ ược hiển thị hay ược in ra, toàn bộ ược iều khiển bằng bàn

phím. Phép o theo chương trình trên máy tính cũng ược gọi là o tự ộng.

1.10. ĐO TRONG MẠCH (ICT)

Việc o thử trong mạch có thể o thử IC mức ộ nhỏ hay trung bình mà không cần tháo

IC ra khỏi mạch. Điểm mấu chốt của ICT là giao diện BON. Các ầu kẹp là các ầu que o ở

bộ giao tiếp sẽ ược bật ể gắn ược tải, nối chắc chắn ến iểm cần o thử. Chương trình o thử

tự ộng sẽ cung cấp dữ liệu vào ể o thử linh kiện. Ví dụ, ể o thử một IC, bộ o thử trong mạch

sẽ truy xuất bảng trạng thái cho IC từ RAM của thiết bị o thử tự ộng (ATE), và sẽ so sánh

với dữ liệu ra của IC cần o thử với bảng trạng thái chính xác.

1.11. KỸ THUẬT SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ

Phép o cần phải ược thực hiện một cách cẩn thận và sự thể hiện các số liệu o phải

phù hợp sau khi ã có tính toán ến các giới hạn về ộ nhạy, ộ chính xác và khả năng của thiết

bị o.

Đôi khi số o có thể úng nhưng nếu thể hiện kết quả sai, người ta có thể hiểu mạch ang

tốt là có sai hỏng và ngược lại. Hơn nữa, việc sử dụng thiết bị o sai có thể tạo ra các nguy

hiểm cho sự an toàn của người o và thiết bị o. Các kỹ thuật o sau ây cần phải tuân theo khi

o thử hay thực hiện các phép o trong việc chẩn oán hư hỏng, sửa chữa và bảo dưỡng các

thiết bị iện tử.

1. Nối thiết bị ến nguồn iện lưới, tốt hơn hết là thông qua ầu nối ba chân, và

thực hiện bật nguồn cho hệ thống theo trình tự sau: Các iểm quan trọng ược chuyển mạch

ON ầu tiên, tiếp theo là óng [ON] nguồn cung cấp, sau ó óng [ON] thiết bị o, và cuối cùng

óng nguồn cung cấp cho mạch cần o thử. Khi tắt (chuyển mạch sang OFF), thì trình tự là

ngược lại, thì trình tự phải ược thực hiện ngược lại: trước tiên tắt nguồn cung cấp cho mạch

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

cần o, tiếp theo là tắt thiết bị o, sau ó tắt nguồn cung cấp và cuối cùng là ngắt iện lưới. Điều

này sẽ bảo vệ thiết bị o và thiết bị cần o khỏi các xung quá ộ. Không hàn hay tháo mối hàn

linh kiện khi nguồn cung cấp ang bật.

2. Bất kỳ lúc nào cũng phải tắt thiết bị o còn nếu thiết bị o ược chuyển mạch

sang óng [on] ngay sau ó thì cần phải có khoảng thời gian áng kể ể cho phép các tụ trong

thiết xả.

3. Các thiết bị o thử cần phải ược nối ất một cách hiệu quả ể giảm thiểu các

biến thiên của nhiễu.

4. Chọn thang o phù hợp theo tham số cần o, tuỳ theo giá trị o yêu cầu. Nếu

không biết giá trị o yêu cầu, thì hãy chọn thang o cao nhất và sau o giảm dần thang o cho

phù hợp, ể tránh cho thiết bị o bị quá tải và bị hư hỏng. Thang o ược chọn cuối cùng sẽ cho

kết quả o gần với ộ lệch lớn nhất có thể có ối với phép o iện áp và dòng iện, và gần mức

trung bình ối với phép o iện trở, ể có ộ chính xác tối ưu ối với hệ thống o.

5. Khi giá trị o bằng 0, thì ồng hồ o cần phải chỉ thị bằng 0, nếu không thì cần

phải ược chỉnh 0 phù hợp.

6. Không sử dụng các ầu o có kích thước lớn vì chúng có thể gây ngắn mạch.

Các ầu que o cần phải nhọn nhất nếu có thể ược.

7. Điểm quan trọng là kết nối phép o tại các iểm o thử: các hãng chế tạo thiết

bị thường quy ịnh các iểm o thử tại các vị trí thuận tiện trên bảng mạch in. Điện trở, mức

iện áp dc, mức iện áp tín hiệu và các dạng sóng của tín hiệu sẽ ược quy ịnh cho mỗi iểm o

thử ( iểm o thử thường là chốt lắp ứng trên bảng mạch in). Các iểm o thử có các mạch ệm

tốt nhất ể tránh nguy hiểm quá tải cho mạch cần o. Các iểm o thử ược thiết kế bởi các nhà

chuyên môn có kinh nghiệm, khi cần khảo sát thiết bị, không ược bỏ qua các iểm o thử

trong quá trình sửa chữa.

8. Thông thường các ầu que o mang dấu dương và âm ối với các phép o iện áp

và dòng iện trong mạch. Nguồn pin bên trong ồng hồ o sẽ có cực tính ngược lại, tức là ầu

que o âm của nguồn pin trong ồng hồ o sẽ ược nối ầu que ược ánh dấu dương (que o màu

en) và ngược lại, như thể hiện ở Hình 1.6. Thực tế này cần phải nhớ khi o thử các diode,

các tụ iện phân, các transistor và các vi mạch.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

Hình 1.6 - Cực tính của nguồn pin và cực tính ghi trên que o ồng hồ

9. Nếu các iểm o thử là không cho trước, hoặc nếu các phép o là ược thực hiện

tại các iểm khác nhau, thì cần phải chú ý các iểm như sau: a) Khi o các iện áp dc, phép o

cần phải ược thực hiện ngay tại các linh kiện thực tế, và ối với vi mạch o trực tiếp trên các

chân. b) Sử dụng ầu kẹp o thử IC ể thực hiện các phép o trên các chân của IC. c) Khi cần o

tín hiệu trên mạch in trong bảng mạch, nên kẹp ầu o trên chân của cấu kiện iện tử ược nối

với ường mạch in. d) Khi thực hiện các phép o trên bảng mạch, cần phải ảm bảo rằng các

IC không bị iện tích tĩnh do thiết bị o. e) Khi kiểm tra hở mạch, hãy tháo một ầu của cấu

kiện iện tử rồi thực hiện phép o. Nếu cấu kiện không ược tháo một ầu, thì các cấu kiện khác

mắc song song với cấu kiện nghi ngờ sẽ chỉ thị không áng tin cậy. Có thể kiểm tra cấu kiện

nghi ngờ bằng cầu o... Khi tháo mối hàn ra khỏi bảng mạch in là khó khăn thì có thể cắt

ường mạch in liên quan, do dễ dàng hàn lại vết cắt hơn so với việc tháo mối hàn cấu kiện ể

o rồi hàn lại, nhưng khi hàn lại vết cắt, cần ề phòng mối hàn bị nứt không xảy ra.

f) Việc tháo và hàn IC là một quá trình khá phức tạp cần phải hết sức cẩn thận. Cần

phải tháo mối hàn cho IC ể o thử chỉ khi xác minh chắc chắn các phép o trên bảng mạch

cho thấy IC ã thực sự hỏng.

10. Cần phải tuân theo các lưu ý về an toàn ể ảm bảo an toàn cho người o và thiết bị

o. 11. Cần phải tuân theo các chỉ dẫn từ hướng dẫn sử dụng thiết bị o thử, cũng như trình

tự o thử. 12. Cần phải nghiên cứu kỹ cách vận hành thiết bị o ể thực hiện phép o và cần

phải tuân theo tất cả các iểm lưu ý ã ược ề cập.

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

1. Thế nào là phương pháp o trực tiếp (khái niệm, biểu thức, ví dụ)?

2. Thế nào là phương pháp o gián tiếp (khái niệm, biểu thức, ví dụ)?

3. Thế nào là phương pháp o tương quan (khái niệm, ặc iểm, ví dụ)?

4. Nêu một số phương pháp o khác?

lOMoARcPSD|36067889

Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử

5. Định nghĩa thiết bị o?

6. Nêu tên các thiết bị o ơn giản?

7. Nêu tên các thiết bị o phức tạp?

8. Nêu ịnh nghĩa mẫu và chuẩn? Chúng thuộc thiết bị o ơn giản hay phức tạp?

9. Nêu ịnh nghĩa thiết bị chuyển ổi o lường? Nó thuộc thiết bị o ơn giản hay phức tạp?

10. Nêu ịnh nghĩa thiết bị so sánh? Nó thuộc thiết bị o ơn giản hay phức tạp?

11. Nêu ịnh nghĩa dụng cụ o? Nó thuộc thiết bị o ơn giản hay phức tạp?

12. Nêu tên ít nhất 3 ặc tính cơ bản của thiết bị o?

13. Nêu ịnh nghĩa ộ nhạy của thiết bị o, biểu thức ộ nhạy?

14. Nêu ịnh nghĩa hàm biến ổi của thiết bị o?

15. Nêu ịnh nghĩa phạm vi o của thiết bị o?

16. Nêu ịnh nghĩa phạm vi chỉ thị của thiết bị o?

17. Nêu ịnh nghĩa ộ phân giải của thiết bị o?

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

CHƯƠNG 2 – ĐÁNH GIÁ SAI SỐ ĐO LƯỜNG

2.1. KHÁI NIÊM VỀ SAI SỐ

Đo lường là sự so sánh ại lượng chưa biết ( ại lượng o) với ại lượng ược chuẩn hóa (

ại lượng mẫu hoặc ại lượng chuẩn). Quá trình so sánh như vậy bao giờ cũng có sai lệch.

Trong thực tế khó xác ịnh trị số thực các ại lượng o. Vì vậy trị số ược o cho bởi thiết bị o

ược gọi là trị số tin cậy ược (expected value). Bất kỳ ại lượng nào cũng bị ảnh hưởng nhiều

thông số. Do ó kết quả ó ít khi phản ánh úng trị số tin cậy ược. Cho nên có nhiều hệ số

(factor) ảnh hưởng trong o lường liên quan ến thiết bị o. Ngoài ra có những hệ số khác liên

quan ến con người sử dụng thiết bị o. Như vậy ộ chính xác của thiết bị o ược diễn tả dưới

hình thức sai số.

Khái niệm sai số: là ộ chênh lệch giữa kết quả o và giá trị thực của ại lượng o. Nó

phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thiết bị o, phương thức o, người o… Sai số cũng có ý

nghĩa quan trọng không kém gì kết quả o, cho phép ánh giá ược ộ tin cậy của kết quả o.

2.2. NGUYÊN NHÂN GÂY SAI SỐ

Các nguyên nhân gây sai số gồm:

- Nguyên nhân khách quan: do dụng cụ o không hoàn hảo, hay là có một phần khuyết

iểm hoặc hư hỏng, ại lượng o bị can nhiễu nên không hoàn toàn ược ổn ịnh, iều kiện môi

trường không tiêu chuẩn tác ộng lên thiết bị, lên ối tượng o hay người o...

- Nguyên nhân chủ quan: là sai lầm của người o, như ọc kết quả o sai, do thiếu thành

thạo trong thao tác, phương pháp tiến hành o không hợp lí,...

* Các nguồn sai số: Thiết bị o không o ược trị số chính xác vì những lý do sau:

- Không nắm vững những thông số o và iều kiện thiết kế.

- Thiết kế nhiều khuyết iểm.

- Thiết bị o không ổn ịnh sự hoạt ộng.

- Bảo trì thiết bị o kém.

- Do người vận hành thiết bị o không úng.

- Do những giới hạn của thiết kế.

2.3. PHÂN LOẠI SAI SỐ

Có nhiều cách phân loại sai số khác nhau: phân loại theo nguồn gốc,nguyên nhân...

2.3.1. Phân loại sai số theo nguồn gốc gây ra sai số

+ Sai số thô: Các sai số thô có thể quy cho giới hạn của các thiết bị o hoặc là các sai số

do người o:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

• Sai lầm (Gross error): một cách tổng quát sai số này do lỗi lầm của người sử

dụng thiết bị o như việc ọc sai kết quả, hoặc ghi sai, hoặc sử dụng sai không

úng theo qui trình hoạt ộng...

• Sai số giới hạn của thiết bị o. Ví dụ như ảnh hưởng quá tải gây ra bởi một

voltmeter có ộ nhạy kém. Voltmeter như vậy sẽ rẽ dòng áng kể từ mạch cần o

và vì vậy sẽ tự làm giảm mức iện áp chính xác...

+ Sai số hệ thống (Systematic error): Sai số do những yếu tố thường xuyên hay các

yếu tố có quy luật tác ộng, nó làm cho sai số của lần o nào cũng giống nhau hoặc thay ổi

theo quy luật, Nguyên nhân thường do tính không hoàn hảo của thiết bị, do iều kiện môi

trường tác ộng...

Sai số do thiết bị o: Các phần tử của thiết bị o có sai số do công nghệ chế tạo, sự lão

hóa do sử dụng... Để làm giảm sai số này bằng cách bảo trì ịnh kỳ cho thiết bị o.

Sai số do ảnh hưởng iều kiện môi trường: cụ thể như nhiệt ộ tăng cao, áp suất tăng,

ộ ẩm tăng, cường ộ iện trường hoặc từ trường ngoài tăng ều ảnh hưởng ến sai số của thiết

bị o lường. Giảm sai số này bằng cách giữ sao cho iều kiện môi trường ít thay ổi hoặc bổ

chính (compensation) ối với nhiệt ộ và ộ ẩm. Và dùng biện pháp bảo vệ chống ảnh hưởng

tĩnh iện và từ trường nhiễu. Sai số hệ thống ều có ảnh hưởng khác nhau. Ở trạng thái tĩnh

và trạng thái ộng:

Ở trạng thái tĩnh sai số hệ thống phụ thuộc vào giới hạn của thiết bị o hoặc do qui luật

vật lý chi phối sự hoạt ộng của nó.

Ở trạng thái ộng sai số hệ thống do sự không áp ứng theo tốc ộ thay ổi nhanh theo ại

lượng o.

Đối với sai số hệ thống: xử lí bằng cách cộng ại số giá trị của sai số hệ thống vào kết quả

o, hoặc hiệu chỉnh lại máy móc, thiết bị o với máy mẫu

+ Sai số ngẫu nhiên (Random error): Là sai số do các yếu tố bất thường không tuân

theo quy luận tác ộng nào. Tuy ã thực hiện o trong cùng iều khiện và tính cẩn thận như

nhau nhưng do nhiều yếu tố bất thường mà sinh ra các kết quả o khác nhau khi thực hiện

phép o nhiều lần cùng một ại lượng o. Sự nảy sinh sai số ngẫu nhiên do nhiều nguyên nhân

khách quan tác ộng lên ối tượng o, thiết bị o, người o...

Ví dụ: giả sử iện áp ược o bởi một vôn kế ược ọc cách khoảng 1 phút. Mặc dù vôn kế

hoạt ộng trong iều kiện môi trường không thay ổi và ược chuẩn hóa trước khi o và ại

lượng iện áp ó xem như không thay ổi. Khi ó trị số ọc của vôn kế có thay ổi chút ít. Sự

thay ổi này không ược hiệu chỉnh bởi bất kỳ phương pháp ịnh chuẩn nào khác, vì do sai

số ngẫu nhiên gây ra.

+Sai số giới hạn (Limiting Error) là sai số tương ối khi kết quả o ở vị trị lệch toàn thang:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

, X

max

: giá trị toàn thang.

Khi kết quả o ở vị trí thang o nhỏ hơn vị trí lệch

toàn thang thì sai số tương ối tăng lên. Như vậy một yếu

tố quan trọng khi o lường là kết quả o càng gần vị trí toàn

thang càng tốt.

Ví dụ: Dùng vôn mét thang o 300V, cấp chính xác 2%, tính sai số tương ối khi o iện

áp 120V?

2.3.2. Phân loại theo sự phụ thuộc của sai số vào ại lượng o

- Sai số iểm 0 (sai số cộng) là sai số không phụ thuộc vào giá trị ại lượng o.

- Sai số ộ nhạy (sai số nhân) là sai số phụ thuộc vào giá trị ại lượng o

2.3.3. Phân loại theo vị trí sinh ra sai số

- Sai số phương pháp là sai số do phương pháp o không hoàn hảo

- Sai số phương tiện o là sai số do phương tiện o không hoàn hảo. Gồm: sai số hệ thống,

sai số ngẫu nhiên, sai số iểm 0, sai số ộ nhậy, sai số cơ bản, sai số phụ, sai số ộng, sai số tĩnh.

- Sai số cơ bản của phương tiện o là sai số của phương tiện o khi sử dụng trong iều kiện

tiêu chuẩn

- Sai số phụ của phương tiện o là sai số sinh ra khi sử dụng phương tiện o ở iều kiện không

tiêu chuẩn

- Sai số tĩnh là sai số của phương tiện o khi ại lượng o không biến ổi theo thời gian

- Sai số ộng là sai số của phương tiện o khi ại lượng o biến ổi theo thời gian

2.4. BIỂU THỨC BIỂU DIỄN SAI SỐ

- Sai số tuyệt ối: là hiệu giữa kết quả o ược với giá trị thực của ại lượng o

X X X

- Sai số tương ối chân thực: là giá trị tuyệt ối của tỉ số giữa sai số tuyệt ối và giá trị

thực của ại lượng o

.100 [%]

- Sai số tương ối danh ịnh:

Xmax.100

max

[%]

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

.100 [%]

- Sai số tương ối qui ổi: là giá trị tuyệt ối của tỷ số giữa sai số tuyệt ối và giá trị ịnh

mức của thang o.

.100 [%] Xm

Trong ó: X

= X

max

-X

min

: giá trị ịnh mức của thang o.

Nếu giá trị thang o: 0 X

max

thì X

max

(giá trị toàn thang - full-scale)

+ Độ chính xác (Accurate) : Mức ộ gần giá trị thực của ại lượng o và giá trị o ược:

A 1 X Xt

+ Độ chính tương ối: a 100

X X

.100 100

Ví dụ: iện áp 2 ầu iện trở có trị số tin cậy ược là 50V. Dùng vôn kế o ược 49 V.

Như vậy sai số tuyệt ối: U 1V

Sai số tương ối:

1V 100% 2 %

50V

Độ chính xác: A 1 0,02 0,98; a 98% 100% 2%

+ Độ rõ (Precision): Đánh giá mức ộ giống nhau của mỗi kết quả o với nhiều kết quả o

khác của một ại lượng o duy nhất với cùng máy o và iều kiện o:

Xi Xn

Pi 1

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

: trị số trung bình của n lần o, X

- kết quả của lần o thứ i.

Ví dụ: X

= 97 – Kết quả o của lần o thứ 5

=101,1 - trị số trung bình của 10 lần o

Tính chính xác của kết quả o X

là: 1

97 101,1

0,96 96% 101,1

2.5. PHÂN TÍCH THÔNG KÊ ĐO LƯỜNG

Ứng dụng các hàm phân bố ngẫu nhiên ể ánh giá sai số ngẫu nhiên.

Thông thường sai số ngẫu nhiên do một số lớn những tác ộng nhỏ ảnh hưởng, và

thường ược tính toán trong o lường có ộ chính xác cao. Đối với sai số ngẫu nhiên thì không

xử lí ược, chỉ có thể ịnh lượng ược giá trị sai số ngẫu nhiên bằng lí thuyết xác suất và thống

kê.

Với sai số của mỗi lần o riêng biệt, sau khi ã loại bỏ sai số hệ thống thì nó hoàn toàn

có tính chất của một sự kiện ngẫu nhiên. Kết quả của lần o này không phụ thuộc gì với kết

quả o của các lần khác, và suất hiện hoàn toàn ngẫu nhiên. Tuy nhiên muốn áp dụng xác

suất thông kê ể nghiên cứu ánh giá, tính toán các sai số ngẫu nhiên, thì cần thực hiện các

iều kiện sau:

- Tất cả các lần o ể phải tiến hành với các ộ chính xác như nhau: Nghĩa là không

những cùng o ở một máy, trong cùng iều kiện, mà với cả sự thận trọng, chu áo như nhau.

Sai số hệ thống phải nhỏ hơn so với sai số ngẫu nhiên.

- Phải o nhiều lần, phép tính xác suất chỉ úng khi có một số nhiều các sự kiện.

2.5.1. Hàm phân bố chuẩn sai số

Để ánh giá sai số ngẫu nhiên ta cần biến sự kiện suất hiện sai số này thành một sự kiện

ngẫu nhiên tuân theo một số hàm phân bố xác suất nào ó.

Giả sử o ại lượng X không ổi nhiều lần ộc lập với iều kiện o giống nhau. Với số lần

o là n thu ược n kết quả hoàn toàn ngẫu nhiên a

, a

, ..., a

, và sai số tuyết ối tương ứng

, x

, ..., x

-X (i=1 .. n) .

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

Hình 2.1 - Biểu ồ tần suất xuất hiện sai số. Hình 2.2 - Hàm phân bố tiêu chuẩn sai số.

Sắp xếp các sai số theo giá trị ộ lớn thành từng nhóm riêng biệt. Giả sử có n

sai số

có trị số từ 0÷0,01; n2 sai số có trị số từ 0,01÷0,02;... Tần suất xuất hiện mỗi nhóm sai số

này tương ứng là

/n,

/n... Như vậy ta vẽ ược biểu ồ phân bố tần suất xuất hiên

số theo ộ lớn sai số là = (x) như Hình 2.1. Nếu tiến hành rất nhiều lần o hay số lần o n

, thì giản ồ = (x) tiến tới ường cong trung bình p(x) như hình vẽ. Hàm số p(x) là hàm

phân bố tiêu chuẩn sai số vì nó biểu thị theo quy luật phân bố tiêu chuẩn và nó có dạng

hàm Gauss. Trong phần lớn các trường hợp sai số o lường iện tử thì thực tế ều thích hợp

với quy luật này. Biểu thức của p(x) như sau:

p x( ) h e h x2

Trong ó h là tham số phẩm chất (thông số o chính xác), Hình 2.2 biểu diễn một số

dạng ường cong p(x) với các tham số h khác nhau, h càng lớn thì ường cong các hẹp và

nhọn, có nghĩa là xác suất các sai số có trị số bé lớn hơn. Thiết bị nào ứng với ường cong

có h lớn thì có ộ chính xác cao hơn.

2.5.2. Hệ qủa của hàm phân bố chuẩn sai số

Từ hàm phân bố sai số rút ra các kết luận như sau:

- Xác suất xuất hiện các sai số không phụ thuộc vào dấu: p(x

)= p(-x

- Sai số có trị số càng bé thì xác suất xuất hiện càng lớn: nếu |x

|<|x

| thì p(x

)>p(x

- Giá trị trung bình của tất cả các sai số ngẫu nhiên khi n bằng 0.

+ Biểu thức vi phân của hàm phân bố sai số:

Số lượng các sai số có giá trị nằm trong khoảng dx giữa x và x+dx là dn=p(x).n.dx.

(

p(x)= lim

(

-0,05 -0,01 0 0,01 0,05

p(x)

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

Vậy xác suất xuất hiện các sai số có giá trị nằm trong khoảng x x+dx là:

dp dn p x( )dx h e h x2 2dx n

- Biểu thức vi phân hàm phân bố sai số.

+ Biểu thức tích phân của hàm phân bố sai số

- Xác suất xuất hiện sai số trong khoảng x

ược tính như sau:

x2 x2

P(x1 xx2) 1dp

x 1e

h x

2 2

- Xác suất xuất hiện các sai số không vượt quá trị số x

>0 nào ó là:

xi xi xi

P(| x | x )

- x

dp h - x

e h x2 2 dx 2 h 0 e h x2 2 dx

2h x

P(| x | x )

h x

2 2

(Biểu thức này ược sử dụng ể ánh giá ộ tin cậy của kết quả o) - Xác

suất xuất hiện sai số trong khoảng - bằng 1 o ó ta có:

P( x) 1

- Như vậy P(|x|>x

) = 1 - P(|x|<x

2.5.3. Chuẩn hóa hàm phân bố sai số

Như ta ã biết xác suất xuất hiện các sai số có giá trị không vượt qua trị số x

>0 nào

ó là: P(| x | x ) i

2 h

h x

2 2

dx - biểu thức dưới dấu tích phân không có

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

nguyên hàm, và hàm tích phân phụ thuộc vào 2 tham số h và x

, ể thuận tiện cho tính toán ta

loại bỏ bớt tham số h bằng cách thực hiện chuẩn hóa hàm phân bố như sau:

Thay x

vào biểu thức tính phân ta ược: h 2

P(| x | x ) P(| t |i t )i 2h ti e t2 2 1 dt 2 ti e t2 2 dt

h 2

(trong ó t

x h

2 - ược gọi là hệ số phân bố)

Đặt (ti ) 2 ti e t22dt - Hàm mật ộ Laplace.

Ý nghĩa: Như vậy nếu biết ược sự phân bố sai số, ta có thể tính ược xác suất xuất

hiện những lần o có sai số mà trị số của nó lớn hơn hay bé hơn một giá trị sai số nào ó cho

trước. Điều này có ý nghĩa thực tế là ở kết quả o ta cần lấy giới hạn của trị số sai số phải

bằng bao nhiêu thì ảm bảo chính xác với ộ tin cậy nào ó.

Bảng 2.1

–

Bảng giá trị của hàm Laplace

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

2.5.4. Các ặc số phân bố ứng dụng trong o lường

a. Sai số trung bình bình phương

Giả sử o nhiều lần một ại lượng X, kết quả nhận ược ở n lần o tương ứng là a

, a

, ..., a

và các sai số tương ứng là x

, x

, ..., x

Xác suất xuất hiện sai số tại giá trị x

và lận cận của nó là:

dpi h e h x2 2i dxi

Xác suất xuất hiện của cả n lần o ó coi như là xác suất của một sự kiện phức hợp,

theo lý thuyết xác suất tính bằng tích số của các xác suất của các sự kiện ộc lập riêng rẽ:

Pph dp dp12...dpn h n e h2(x12 x22 ... xn2)dx dx12...dxn

Tìm iều kiện cực trị của hàm P

, (coi h là tham số biến số.

0 n 2h 2 n xi2 0

dPph

dh i 1

- Gọi là sai số trung bình bình phương.

Do ó

Hàm phân bố tiêu chuẩn các sai số trở thành p x( ) 1 e xi22 2 .

Ta có x

t. , vậy sai số tuyệt ối có thể viết là x

và kết quả o có thể

h 2

viết là X=a

Nếu chọn x

= hay t

=1 thì ộ tin cậy của kết quả o là:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

P x( )(t

) (1)

t 2

dt 0,683

ộ tin cậy chưa cao.

Nếu chọn x

=3 hay t

=3 thì ộ tin cậy của kết quả o là:

P x( 3 ) (t

) (3)

2 e

t 2

dt 0,997 - ộ tin cậy cao.

Có nghĩa là trong số 1000 lần o một ại lượng nào ó thì có khoảng 3 lần ó có sai số vượt

quá 3 . Người ta gọi M=3 là sai số cực ại.

Tóm lại: - Giá trị trung bình bình phương: .

- Sai số cực ại: M=3 .

b. Trị số trung bình cộng

Gọi X là giá trị thực của ại lượng o, ta có sai số tuyệt ối của mỗi kết quả o là:

-X (i=2..n).

Thực tế không xác ịnh ược x

, nên X cũng không xác ịnh ược mà chỉ xác ịnh một kết

quả o gần úng với giá trị thực tế nhất, gọi giá trị này là a

thì nó phải là giá trị có xác suất

xuất hiện lớn nhất, cần tìm giá trị này.

Để a

có xác suất lớn nhất thì tất cả các sai số x

, x

, ..., x

cũng phải có xác suất

lớn nhất, vậy x

phải cực tiểu. Vì a

gần với trị số thực X nên có thể thay a

cho X

i 1

trong biểu thức tính x

n n

f xi2 ai atb 2

i 1 i 1

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

Để x

cực tiểu thì

i 1

df 2 n (ai atb ) 0 a

a a1 2 ... an - Trị số trung bình da

tb i 1

cộng.

Như vậy a

có trị số bằng trung bình cộng của tất cả các lần o, nó là trị số có xác suất

lớn nhất, tức là gần trị số thực nhất khi tiến hành o nhiều lần một ại lượng cần o X.

Nếu lấy a

làm kết quả o, thì xác ịnh ộ chính xác và ộ tin cậy của kết quả này như thế

nào?

Xác suất của các sai số có trị số không vượt qua một giá trị cho trước là:

ti 2

P a(tb X ) (ti ) 2 0e t 2dt , trong ó ti atb

Như vậy nếu cho trước ộ tin cậy, có nghĩa là biết xác suất P(|a

-X|< ), từ ó tra bảng

xác ịnh ược t

và suy ra sai số phải lựa chọn là =t

i atb

ể kết quả o ảm bảo ộ tin cậy ã cho.

Khoảng tin cậy là: (a

- , a

+ ).

Sự kiện lấy a

là kết quả o có thể coi như là một sự kiện phức hợp X

ược xác ịnh từ các

sự kiện xuất hiện kết quả o a

là X

X X

... X

Theo lý thuyết xác suất thông kê ta có thể tính sai số trung bình bình phương (phương sai)

của sự kiện X

theo công thức sau:

atb

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

c. Sai số dư

Trên thực tế tính toán, vì không biết X nên ta không biết ược các sai số x

, ta chỉ có

thể tính ược sai số tuyệt ối giữa các lần o so với a

, và gọi ó là sai số dư. Sai số dư của kết

o thứ i là:

-a

(i=2..n)

n n

Ta có :

i 1 i 1

Mặt khác i X x ai tb xi

i 1

n 2

n n

Như vậy : i2 xi2 i 1

i 1 i 1 n

n 2

Khai triển x

ta ược:

n x

2 n 2 2 x xi j

i 1 i 1 i j

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

Theo quy luật phân bố chuẩn, các sai số có trị số tuyệt ối bằng nhau nhưng trái dấu

thì có xác suất như nhau. Như vậy nếu tiến hành o một số lần ủ lớn thì các sai số ấy sẽ từng

ôi một triệt tiêu nhau: x x

i j

do ó:

i j

n x

2 n 2

xi thay kết quả này vào biểu thức trên ta có:

i 1 i 1

n 2

n i2 n xi2 i 1 i n 1 n xi2

i 1 i 1 n n i 1

Như vậy sai số trung bình bình phương có thể tính theo sai số dư như sau:

i 1 n 1

2.5.5. Ứng dụng các ặc số phân bố ể xác ịnh kết quả o từ nhiều lần o

Giả sử o n lần một ại lượng X với kết quả tương ứng là a

, a

, ..., a

ã ược loại trừ sai

số hệ thống, xác ịnh kết quả o với ộ tin cậy là P

, nghĩa là xác ịnh kết quả o và sai sô tuyệt

ối tương ứng sao cho xác suất xuất hiện các sai số nhỏ hơn sai số ã chọn không vượt quá

Dựa vào các kết quả các ặc số ở trên, ta có thể thực hiện xử lý kết quả o từ nhiều lần o

theo các bước như sau:

Bước 1: Lập bảng ghi n kết quả o ã nhận ược:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

…

Bước 2: Tính giá trị trung bình:

atb a1 a2 ... an

Bước 3: Tính sai số dư và iền vào bảng trên:

-a

(i=2..n)

Kiểm tra sai số tính toán: Kiểm tra xem i 0 có úng không, nếu không

i 1

úng kiểm tra lại các tính toán từ bước 2.

Bước 4: Tính sai số trung bình bình phương:

n 2

i 1

(n 30)

nn 12

i 1

(n 30)

Bước 5: Chọn hệ số phân bố t

: Từ ộ tin cậy P

và số lần o n tra bảng phân bố laplace

xác ịnh ược hệ số phân bố t

. Tuy nhiên thông thường nếu số lần o nhỏ (1<n<11) thì thường

dùng phân bố student ể xử lý kết quả, và ti ược tra từ bảng phân bố Student. Bảng phân bố

Laplace và Student có thể xem trong phần phụ lục.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

Ví dụ: Khi P

=0,997 thì bảng phân bố của t

thay ổi theo số lần o như sau:

5,2

4,6

4,2

3,6

3,2

3,1

=0,997, n=7 ) tra bảng ta có t

=4,2.

Bảng 2.2 – Bảng giá trị t

ứng với xác suất tin cậy P

và số lần o n khác nhau

Bước 6: Tính sai số cực ại: M=t

Bước 7: Kiểm tra sai số thô hay không: Nếu có |

|>M thì kết quả o a

có sai số thô.

Nếu có bất kỳ sai số thô nào thì loại các kết quả o có sai số thô và tính loại từ bước 1 với

bộ kết quả o mới, số lần o n mới.

Nếu không có bất kỳ sai số thô nào thì thực hiện tiếp bước 8.

Bước 8: Xác ịnh sai số trung bình bình phương của a

atb

Bước 9: Biểu diễn kết quả o:

X atb ti atb

Chú ý: Cuối cùng, ta còn phải chú ý tới các viết hàng chữ số của kết quả cuối cùng và

cách tính tới sai số o trong catalog sử dụng của máy ó.

Cách viết hàng chữ số của kết quả và sai số:

- Khi lấy t

i atb

chỉ cần lấy với hai số, vì bản thân nó là một ại lượng gần úng có trị số bé.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

- Lấy kết quả a

phải chú ý lấy số chữ số sau dấu phảy sao cho bậc của các số cuối của

nó không ược thấp hơn bậc của 2 hai con số của t

i atb

Ví dụ X=234,56 1,06 thì phải viết lại là: X=234,7 1,1 Cách

xử lý sai số của máy o:

Trị số sai số trong catalog của máy o là sai số cực ại. Nó biểu thị khả năng sai số có

thể gặp phải khi tiến hành o lường ở iều kiện tiêu chuẩn ã quy ịnh cho máy. Như vậy, nếu

không thực hiện lấy chuẩn ược máy, tức là so sánh với máy mẫu, ể xác ịnh ra sai số hệ

thống của máy ó, thì trị số ã cho trong thuyết minh ược coi là trị số sai số ngẫu nhiên cực

ại. Cách xử lý ối với nó cũng coi như một số số ngẫu nhiên khác. Khi ó ta có không thể

cộng gộp lại theo quy luật cộng ại số, như sai số hệ thống, mà phải cộng theo quy luật cộng

trung bình bình phương.

2.6. ĐÁNH GIÁ SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO GIÁN TIẾP

Trong nhiều trường hợp, ại lượng cần o không thể ược biểu thị trực tiếp ngay, mà

phải tính toán gián tiếp bằng công thức thông qua các ại lượng o trực tiếp khác. Ví dụ công

suất tác dụng của dòng một chiều trong mạch P=U.I, ta thực hiện bằng cách o trực tiếp iện

áp U và dòng iện I trong mạch. Trường hợp sai số của phép o P cần ược tính như thế nào?

Xét trường hợp tổng quát ại lượng cần o là R ược tính gián tiếp từ kết quả của n ại

lượng o trực tiếp X1, X2,... Xn như sau:

R = f(X1, X2,..., Xn)

Sai số tuyệt ối

Giả sử khi o các giá trị X1, X2,... Xn o ược có giá trị là gặp phải các sai số hệ thống

tương ứng là X1, X2, ..., Xn, thì cũng phải tính sai số hệ thống của Y, giả sử sai số ó

là Y, dựa vào khai triển Taylor của hàm nhiều biến, bỏ qua các vô cùng bé bậc cao, ta có:

R+ R= f(X1+ X1, X2+ X2,..., Xn+ Xn)

R R f X 1, X2,..., Xn

X2 ...

X1 X2 Xn

f f f

Vậy: R X1 X2 ... Xn - Đây là công thức tổng quát ể

X1 X2 Xn

xác ịnh sai số tuyệt ối của phép o gián tiếp từ sai số tuyệt ố của n ại lượng o trực tiếp.

Thông thường chúng ta có thể xác ịnh giới hạn của sai số tuyệt ối như sau:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

R X

1 X1 X

2 X2 ... Xn

Xn R

max

Sai số tương ối

.100 %

Sai số trung bình bình phương

Giả sử X1, X2, .... X2 ược o bằng nhiều lần o khác nhau:

- Khi o X1, tiến hành o m1 lần và có các sai số ngẫu nhiên là: x

1,1

, x

1,2

, ...., x

1,m1

, và

tương ứng sai số trung bình bình phương của X1 là

- Khi o X2, tiến hành o m2 lần và có các sai số ngẫu nhiên là: x

2,1

, x

2,2

, ...., x

2,m2

, và

tương ứng sai số trung bình bình phương của X2 là

...

- Khi o Xn, tiến hành o m

lần và có các sai số ngẫu nhiên là: x

n,1

, x

n,2

, ...., x

n,mn,

và

tương ứng sai số trung bình bình phương của Xn là

Tương ứng:

m1 m2 mn

x1,i 2 x2,i 2 xn i, 2

1 i 1 m , 2 i 1 m2 , ..., n i 1 mn

Theo lý thuyết xác suất thông kê, sai số trung bình bình phương của R là

ược

tính như sau:

n f i2

i 1 Xi

Như vậy, sai số của một ại lượng phải o gián tiếp thì bằng trị số trung bình bình phương của

các sai số mỗi ại lượng cục bộ o trực tiếp.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

Từ phép cộng trung bình bình phương, ta có nhận xét là: sai số của ại lượng tính toán

gián tiếp thì chủ yếu ược xác ịnh bằng các thành phần sai số cục bộ nào có giá trị lớn, mà

ít phụ thuộc vào các thành phần sai số cục bộ nào có trị số bé. Điều này cho ta một chú ý

cần thiết khi o là: tăng ộ chính xác của phép o trực tiếp những ại lượng cục bộ nào có vai

trò quyết ịnh hơn; cũng như có thể bỏ qua những thành phần sai số cục bộ nào bé hơn ba

lần so với thành phần sai số cục bộ lớn nhất ể cho phép tính ược ơn giản hơn.

Một số trường hợp riêng:

- Giả sử quan hệ hàm có dạng R=a.X+b.Y+c.Z, khi ó sai số tuyệt ối của phép o gián tiếp

ược tính như sau:

R= a. X+b. Y+c. Z

Thông thường có thể lấy giới hạn của nó là sai số tuyệt ối cho phép o R:

| R|

max

= |a. X|+|b. Y|+|c. Z|

- Giả sử quan hệ hàm có dạng R=X

, (giả sử m, n, p -1) khi ó sai số tuyệt ối của

phép o gián tiếp sẽ là:

R= m.X

m-2.

. X+n.X

n-2.

. Y+p.X

p-2.

Biểu thức trên khá phức tạp không thuận tiện cho việc tính toán. Trong thực tế người ta

dùng sai số tương ối:

R X Y Z

m. n. p.

R X Y Z

Như vậy có thể tính sai số tương ối của R thông qua sai số tương ối của các thành phần cục

bộ như sau:

CÂU HỎI ÔN TẬP

18. Sai số là gì? Nguyên nhân gây sai số?

19. Nếu phân loại theo cách biểu diễn sai số thì có những loại sai số nào (kể tên)?

20. Nêu khái niệm, biểu thức diễn ạt sai số tuyệt ối?

21. Nêu khái niệm, biểu thức diễn ạt sai số tương ối chân thực?

22. Nêu khái niệm, biểu thức diễn ạt sai số tương ối danh ịnh?

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

23. Nêu khái niệm, biểu thức diễn ạt sai số tương ối qui ổi?

24. Nếu phân loại theo qui luật xuất hiện sai số thì có những loại sai số nào (kể tên)?

25. Nêu khái niệm sai số hệ thống? nêu một số nguyên nhân gây sai số hệ thống?

26. Nêu khái niệm sai số ngẫu nhiên? nêu một số nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên?

27. Nêu khái niệm trị số o sai?

28. Nêu vắn tắt cách xử lí sai số hệ thống?

29. p(x) là hàm số phân bố tiêu chuẩn các sai số (hàm chính tắc).

p x

h e

h x

2 2

(hàm Gauss)

h là thông số o chính xác.

h1, h2, h3 là các thông số o chính xác của các

thiết bị o khác nhau. Chọn áp án úng: a. h1< h2<

b. h1> h2> h3

30. Cũng giống câu hỏi 32, thiết bị o tương ứng giá trị h nào có ộ chính xác cao nhất?

Hình 8.1 thiết bị o tương ứng h1

Hình 8.2 thiết bị o tương ứng h2

Hình 8.3 thiết bị o tương ứng h3 31.

Nêu 2 qui tắc phân bố sai số?

32. Đo n lần một ại lượng X thu ược n kết quả o có các sai số tuyệt ối tương ứng là

,…,x

. Biểu thức tính sai số trung bình bình phương là:

i 1

b/ c/

i 1

n 1 n 1 n 1

16. Sai số trung bình bình phương của a là:

a/ a b/ a c/ a n 1 d/ a n n 1

17. Kết quả o với n >10 ược xác ịnh theo biểu thức sau:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 2 – Đánh giá sai số o lường

a/ X a t

b/X a t

s a

c/X a t

d/X a t

18. Kết quả o với 2 n 10 ược xác ịnh theo biểu thức sau:

a/ X a t

b/X a t

s a

c/X a t

d/X a t

19. X là ại lượng cần o bằng phép o gián tiếp; Y,V,Z là các ại lương o ược bằng phép

o trực tiếp thành phần, X=F(Y,V,Z); Y, V, Z là các sai số hệ thống tương ứng

khi o Y,V,Z; X là sai số hệ thống khi xác ịnh X. Giả sử các sai số có giá trị nhỏ,

viết biểu thức tính X theo Y, V, Z.

20. X là ại lượng cần o bằng phép o gián tiếp; Y,V,Z là các ại lương o ược bằng phép

o trực tiếp thành phần, X=aY+bV+cZ; Y, V, Z là các sai số hệ thống tương

ứng khi o Y,V,Z; X là sai số hệ thống khi xác ịnh X. Giả sử các sai số có giá trị

nhỏ, viết biểu thức tính X theo Y, V, Z.

21. X là ại lượng cần o bằng phép o gián tiếp; Y,V,Z là các ại lương o ược bằng phép

o trực tiếp thành phần, X KY V Z

;

là các sai số tương ối tương

ứng khi o Y,V,Z;

là sai số tương ối khi xác ịnh X. Viết biểu thức tính

theo

BÀI TẬP

1. Đo iện áp của một nguồn iện một chiều 6 lần, thu ược các kết quả tương ứng với các

lần o lần lượt là: 110,50 V; 112,20 V; 107,55 V; 97,10 V; 105,75 V; 113,35V. Hãy xác ịnh

kết quả o và khoảng tin cậy biết xác suất tin cậy là 0,95.

2. Có 2 vôn mét một chiều:

+ Vôn mét thứ nhất có thang o ịnh mức 20V, 30V, 50V với cấp chính xác 0,5.

+ Vôn mét thứ hai có thang o ịnh mức 50V, 75V, 100V với cấp chính xác 0,2.

Hãy lựa chọn những Vôn mét và những thang o thích hợp ể o iện áp của nguồn một chiều

có giá trị khoảng 25V sao cho:

- Sai số o nhỏ nhất

- Sai số o không lớn hơn 0,7%.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

CHƯƠNG 3

CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ

• Cấu trúc cơ bản của máy o

• Cấu trúc chung của máy o số

• Thiết bị o ghép nối với máy tính

• Một số mạch o lường và gia công tín hiệu o cơ bản

• Cơ cấu chỉ thị o lường

3.0. GIỚI THIỆU CHƯƠNG

Chương này sẽ trình bày những vấn ề kỹ thuật cơ sở cho kỹ thuật o lường iện tử như:

Cấu trúc chung của máy o, các kỹ thuật, thiết bị chỉ thị, mạch iện tử dùng trong o lường…

Đây là những tiền ề cho việc nghiên cứu nguyên lý o cũng như nguyên lý cấu tạo của máy

3.1. CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA MÁY ĐO

Máy o và các thiết bị mẫu là các thiết bị o ể thực hiện các yêu cầu về o lường. Thông

thường thì dựa vào phương pháp phân tích tham số và ặc tính của ại lượng o, phương pháp

và công nghệ cảm biến, phương pháp và kỹ thuật iện tử, Kỹ thuật xử lý tín hiệu, phương

pháp và công nghệ chỉ thị mà hình thành nên các phương pháp o khác nhau. Bản thân máy

o ã là một mạch o ược cấu trúc theo một hoặc một vài phương pháp o ể o lường một ại

lượng nào ó. Sự phát triển của Máy o phụ thuộc rất nhiều vào sự phát triển của các mảng

lý thuyết và kỹ thuật, công nghệ trên.

Dựa vào các ối tượng chính mà o lường iện tử cần giải quyết, thì các máy o có thể phân

loại tổng quá thành các nhóm máy o như sau:

Máy o tham số và ặc tính của tín hiệu.

Máy o tham số và ặc tính của mạch iện tử.

Máy tạo tín hiệu.

Các linh kiện o lường

3.1.1. Máy o tham số và ặc tính của tín hiệu

Nhiệm vụ chính của máy o này là xác ịnh ược tham số và ặc tính của tín hiệu iện.

Các tham số và và ặc tính của tín hiệu iện này có thể là ại lượng cần o hoặc chúng lại gián

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

tiếp mang thông tin o cho một ại lượng iện hay phi iện khác. Các máy o thuộc lại này ví dụ

như: Vôn mét; Ampe mét; Máy ếm tần; Pha mét; Ô-xi-lô; Máy phân tích méo dạng; Máy

phân tích phổ; Máy phân tích luồng thông tin (Phân tích giao thức)… Loại máy o này ều

có cấu trúc chung như Hình 3.1.

Hình 3.1 – Cấu trúc máy o tham số và ặc tính của tín hiệu.

Nhiệm vụ chính của máy o này là xác ịnh ược tham số và ặc tính của tín hiệu iện.

Các tham số và và ặc tính của tín hiệu iện này có thể là ại lượng cần o hoặc chúng lại gián

tiếp mang thông tin o cho một ại lượng iện hay phi iện khác. Các máy o thuộc lại này ví dụ

như: Vôn mét; Ampe mét; Máy ếm tần; Pha mét; Ô-xi-lô; Máy phân tích méo dạng; Máy

phân tích phổ; Máy phân tích luồng thông tin (Phân tích giao thức)… Loại máy o này ều

có cấu trúc chung như Hình 3.1.

- Tín hiệu iện x(t) mang thông tin cần o cần o ưa tới ầu vào.

- Mạch vào: (Signal Conditioning) Có nhiệm vụ nhận tín hiệu và truyền dẫn tín hiệu

tới Thiết bị biến ổi. Ngoài ra còn có chức năng thực hiện tiền xử lý tín hiệu vào như tiền

khuếch ại, suy giảm, giới hạn băng tần, lọc nhiễu, phối hợp trở kháng,… nhưng không làm

mất thông tin o. Mạch vào thường là bộ KĐ phụ tải catốt (Zvào cao), thực hiện phối hợp trở

kháng, có các bộ suy giảm, bộ dây làm chậm… Nhiều chức năng mạch vào có ược lựa chọn

bởi người sử dụng thông qua những chuyển mạch, công tác iều chỉnh ưa ưa ra ngoài mặt

máy o. Mạch vào quyết ịnh mức ộ ảnh hưởng của máy o với chế ộ công tác của ối tượng o.

Ở phạm vi tần số thấp và cao thì ặc tính này ược biểu thị bằng trở kháng vào của máy. Ở siêu

cao tần thì ặc tính này ược biểu thị bằng công suất mà máy o hấp thụ ược.

- Thiết bị biến ổi: Đây là bộ phận trung tâm của máy o, có nhiệm vụ thực hiện so sánh,

biến ổi và phân tích tín hiệu theo một thuật toán nào ó ể ánh giá ược tham số và ặc tính cần

o mang trong tín hiệu, xác ịnh mối qua hệ giữa thang chỉ thị của thiết bị chỉ thị và ại lượng

o và tạo ra tín hiệu phù hợp ưa tới Thiết bị chỉ thị. Trong bản thân thiết bị này có thể tạo ra

tín hiệu cần thiết ể so sánh tín hiệu cần o với tín hiệu mẫu. Có thể phân tích tín hiệu o về biên

ộ, tần số, hay chọn lọc theo thời gian. Thường là các mạch khuếch ại, tách sóng, biến ổi dạng

iện áp tín hiệu, chuyển ổi dạng năng lượng, tín toán xử lý tín hiệu tượng tự và số...

Mạch vào

Thiết bị

biến

ổi

Thiết bị

chỉ thị

Nguồn

cung cấp

Tín hiệu

mang

thông tin

o x(t)

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

- Thiết bị chỉ thị: ể biểu thị kết quả o dưới dạng sao cho thích hợp với giác quan giao

tiếp của sinh lí con người, hay ưa ra những thông tin phù hợp ể ưa vào bộ vào bộ phận iều

chỉnh, tính toán,... Ví dụ các dạng thiết bị chỉ thị như: Các cơ cấu chỉ thị, Ống tia iện tử, cơ

cấu chỉ thị số dùng LED 7 oạn hay LCD 7 oạn…

Hình 3.2 - Ví dụ về mối qua hệ giữa các phím iều khiển và mạch vào của máy o.

- Nguồn cung cấp: cung cấp năng lượng cho máy, và còn làm nguồn tạo tín hiệu

chuẩn.

Các loại máy o thuộc nhóm này thì thực hiện theo phương pháp o trực tiếp, kết quả o

có thể ược ọc thẳng hay thông qua phép o so sánh với ại lượng mẫu.

3.1.2. Máy o tham số và ặc tính của mạch iện:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

(a) – Cấu trúc máy o tham số và ặc tính của mạch có nguồn tín hiệu thử

(a) – Cấu trúc máy o tham số và ặc tính của mạch có nguồn tín hiệu thử ộc lập

Hình 3.3 – Cấu trúc máy o tham số và ặc tính của mạch

Mạch iện cần o thông số như: mạng 4 cực, mạng 2 cực, các phần tử của mạch iện,

ường truyền dẫn, hệ thống, thiết bị iện tử… Các loại máy o thuộc nhóm này như: máy o ặc

tính tần số mạch hay thiết bị iện tử; máy o ặc tính quá ộ; máy o hệ số phẩm chất; o iện cảm;

iện dung; iện trở; máy thử èn iện tử, linh kiện bán dẫn, hay IC; máy phân tích ường truyền;

máy phân tích logic; máy phân tích mạng 4 cực…

Để o ược tham số và ặc tính, thì mạch iện cần phải hoạt ộng trong chế ộ thực hoặc

chế ộ tín hiệu thử. Máy o sẽ thực hiện xử lý, phân tích và so sánh tín hiệu ra của mạch với

tín hiệu vào mạch ể ánh giá ược tham số và ặc tính nào ó của mạch. Tín hiệu thử mạch

thường ược tạo hay ược iều khiển bởi chính máy o. Nguồn tín hiệu thử này có thể ược xây

dựng kèm theo máy o hoặc là các thiết bị tạo tín hiệu ộc lập, như vậy cấu trúc chung của

các loại máy o thuộc nhóm này có 2 dạng khác nhau như Hình 3.3.

Về cơ bản cấu trúc của máy o tham số và ặc tính của mạch không khác gì nhiều cấu

trúc máy o tham số và ặc tính của tín hiệu, ngoài việc có sử dụng thêm nguồn tín hiệu thử.

Máy o tạo tín hiệu thử phù hợp với yêu cầu o và ưa tới mạch cần o, sau ó nhận tín hiệu ra

Nguồn tín

hiệu thử

Thiết bị biến

ổi, xử lý tín

hiệu

Thiết bị

chỉ thị

Nguồn

cung cấp

Mạch cần o

tham số, ặc

tính

Mạch vào

Thiết bị biến

ổi, xử lý tín

hiệu

Thiết bị

chỉ thị

Nguồn

cung cấp

Mạch cần o

tham số, ặc

tính

Nguồn tín

hiệu thử

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

của mạch và thực hiện o tham số của tín hiệu này hay so sánh với tham số của tín hiệu thử

từ ó ánh giá ược tham số và ặc tính nào ó của mạch iện cần o.

3.1.3. Máy tạo tín hiệu o lường

Nhóm máy này cũng bao gồm nhiều loại, chúng tạo tín hiệu chuẩn (mô phỏng ược

các dạng tín hiệu trong thực tế) sử dụng khi cần kiểm chuẩn trong o lường, ể nghiên cứu

và iều chỉnh thiết bị. Kết hợp với các máy o khác ể o thám số và ặc tính của mạch iện tử,

hệ thống iện tử. Các dạng tín hiệu chuẩn thường ược tạo ra như: Tín hiệu hình sin, các dạng

tín hiệu xung, tín hiệu quét tần số, các dạng tín hiệu iều chế, các dạng tín hiệu số, và các

dạng tín hiệu thử khác thường dùng trong o lường viễn thông…

Hình 3.4 – Cấu trúc máy tạo tín hiệu o lường

Sơ ồ khối chung của nhóm máy này như Hình 3.4.

- Bộ tạo sóng chuẩn: Là bộ phận chủ yếu, nó xác ịnh các ặc tính chủ yếu của tín

hiệu như dạng và tần số dao ộng. Thông thường là tạo sóng hình sinh hay các loại tín hiệu

xung.

- Bộ biến ổi: ể nâng cao mức năng lượng của tín hiệu hay tăng thêm ộ xác lập của

dạng tín hiệu. Nó thường là bộ khuếch ại iện áp, khuếch ại công suất, bộ iều chế, thiết bị

tạo dạng xung. Các máy phát tín hiệu ở siêu cao tần thường không có bộ biến ổi ặt giữa bộ

tạo sóng chủ và ầu ra hay dùng bộ iều chế trực tiếp ể khống chế dạo ộng chuẩn.

- Mạch ra: ể iều chỉnh mức tín hiệu ra, biến ổi trở kháng ra của máy. Thường thì

mạch có bộ suy giảm (bộ phân áp), biến áp phối hợp trở kháng, hay các mạch khuếch ại

CC…

- Thiết bị o: kiểm tra thông số của tín hiệu ầu ra. Thiết bị o thường ược sử dụng ể

kiểm tra thông số của tín hiệu ầu ra. Thường là vôn mét iện tử, thiết bị o công suất, o hệ số

iều chế, o tần số…

Mạch

Thiết bị o

Nguồn

cung cấp

Bộ iều chế

Bộ tạo sóng

chủ

Bộ biến ổi

x(t)

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

- Nguồn: cung cấp nguồn cho các bộ phận, thường làm nhiệm vụ biến ổi iện áp xoay

chiều của mạng lưới iện thành iện áp 1 chiều có ộ ổn ịnh cao.

3.1.4. Các linh kiện o lường

Nhóm này bao gồm các linh kiện lẻ, phụ thêm với máy o ể tạo nên các mạch o cần

thiết. Chúng là các linh kiện tiêu chuẩn cao ể làm mẫu (như iện trở, iện cảm, iện dung mẫu),

hay các linh kiện ể ghép giữa các bộ phận của mạch o. Các linh kiện chủ yếu hay dùng ở o

lường siêu cao tần như bộ suy giảm, bộ dịch pha, bộ phân mạch ịnh hướng, các bộ cảm

biến công suất...

3.2. CẤU TRÚC CHUNG CỦA MÁY ĐO SỐ

3.2.1. Sự tiến triển trong công nghệ chế tạo thiết bị o

Ngày nay các công nghệ kỹ thuật iện tử tiến tiến nhất ều ược ưa vào việc chế tạo thiết

bị o.

Sự phát triển của iện tử số và công nghệ chế tạo vi mạch cho phép chế tạo nhiều vi

mạch tích hợp cao như VLSI. Điển hình là các bộ vi xử lý với khả năng tính toán cao ra ời

ã làm thay ổi quan niệm, công nghệ và cơ cấu, tính năng của thiết bị o lường iện tử.

Các thiết bị o sử dụng công nghệ số hiện nay khác với thiết bị o tương tự chỉ thị kim,

ống tia iện tử… chủ yếu là ở phương pháp biến ổi và xử lý tín hiệu mang thông tin o của

ại lượng cần o.

- Thiết bị o tương tự: Là thiết bị o biến ổi liên tục các ại lượng cần o, ể kết quả hiển

thị ở ầu ra cũng biến ổi liên tục, tương tự như các giá trị ầu vào. Việc xử lý tín hệu và o

lường ược thực hiện bằng các mạch iện tử tương tự.

- Thiết bị o số: Thiết bị o biến ổi giá trị của ại lượng cần o thành hệ các giá trị rời rạc

ể thực hiện xử lý và hiển thị kết quả ở ầu ra.

Vấn ề tin học hóa phương pháp o, số hoá cấu trúc thiết bị o ã làm thay ổi chất lượng

của quá trình o lường, mà iều quan trọng hơn cả là nâng cao ược về ộ chính xác của thiết

bị o và tự ộng hóa ược quá trình o.

Các thiết bị o lường số ang có xu hướng dần thay thế các thiết bị o tương tự. Tuy vậy,

các thiết bị o số vẫn còn có những hạn chế do chính phương pháp o số và cấu trúc cơ sở

của mạch o gây ra (ví dụ như sai số do không ồng bộ, sai số do ộ trễ của các phần tử logic,

và sai số lượng tử…).

3.2.1. Sơ ồ cấu trúc chung của máy o số

Máy o số hiện nay thường ược thiết kế dựa trên các hệ vi xử lý, hay hệ vi iều khiển

có cấu trúc như một máy tính chuyên dụng. Sơ ồ cấu trúc tổng quát của một thiết bị o số

(cả máy o và thiết bị tạo tín hiệu) như sau:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Trong số ồ trên, tín hiệu mang thông tin o hoặc tín hiệu tạo ra ược ưa vào hoặc ưa ra

từ bộ chuyển ổi /Mạch vào(ra).

Hình 3.5 – Sơ ồ cấu trúc thiết bị o số

- Bộ chuyển ổi (Transducer)/Mạch vào(ra): Biến ổi các ại lượng phi iện thành ại

lượng iện, hoặc biến ổi các dạng năng lượng ở ầu vào thành tín hiệu iện… Nếu ầu vào hoặc

ầu ra là tín hiệu iện thì ó là khối Mạch vào, còn nếu là thiết bị tạo tín hiệu thì ó là Mạch ra.

Ví dụ các bộ chuyển ổi dùng trong o lường như sau: Cặp nhiệt iện, Điện trở nhiệt, tinh thể

áp iện (biến ổi áp suất thành iện áp), biến ổi công suất siêu cao tần thành tín hiệu iện, các

loại bộ cảm biến sensor…

- Khối xử lý tín hiệu tương tự: Thực hiện các tiền xử lý với tín hiệu tương tự khuếch

ại, lọc nhiễu, phối hợp trở kháng, ổi tần, phân áp, suy giảm, khuyếch ại công suất, lấy mẫu

và giữ mẫu… Sử dụng những mạch riêng biệt ể tách những ặc tính riêng trong dạng tín

hiệu vào và có thể có chức năng quan trọng nữa là so sánh tín hệu tương tự với một tín

hiệu chuẩn tương tự, tạo ra tín hiệu có tỉ lệ biên ộ, tần số, dạng… phù hợp với ầu vào của

tầng tiếp theo.

- ADC/DAC: Trong trường hợp là thiết bị o thì thực hiện chức năng ADC - biến ổi

tín hiệu tương tự - tín hiệu số. Còn trong trường hợp máy tạo tín hiệu thì thực hiện chức

năng DAC - biến ổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự.

- Khối xử lý tín hiệu: bản chất như một máy tính chuyên dụng (gồm có các bộ vi xử

lý, bộ nhớ và giao diện vào ra I/O) ược thiết kế phù hợp với những yêu cầu iều khiển và

tính toán trong máy o. Khối này có thể có một hay nhiều bộ vi xử lý, bộ vi iều khiển, bộ

xử lý tín hiệu số DSP… ể thực hiện việc iều khiển chung cho máy o và thực hiện tính toán

số liệu thô từ ADC. Số liệu này sẽ ược tính toán thành các thông tin o lường theo một thuật

toán nào ó. Các thao tác xử lý tín hiệu số chủ yếu ở khối này có thể là:

Bộ chuyển ổi

/Mạch vào(ra)

Xử lý tín

hiệu tương

tự

Giao diện

người sử

dụng

ADC

/DAC

Nguồn nuôi

RAM

ROM

I/O

Vi xử lý (

Tín hiệu

vào

hoặc ra

Giao

diện số

Tín hiệu

tương tự

Tín hiệu

iều khiển

Thông tin

Số liệu số

Khối xử lý số

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

+ Chọn lọc thông tin: ví dụ như tính toán biên ộ, chu kỳ tín hiệu…

+ Chuyển ổi các thông tin trên thành dạng có ý nghĩa hơn ví dụ như thực hiện DFT

biến ổi số liệu biểu diễn trong miền thời gian thành số liệu biểu diễn trong miền tần số.

+ Kết hợp với những thông tín thích hợp.

+ Định dạng thông tin cho truyền thông qua giao diện thông tin: giao diện người sử

dụng, giao diện máy tính…, ví dụ như số liệu 3 chiều có thể miêu tả bằng màn hình 2

chiều…

Chức năng khác của khối này là ứng dụng những hệ số chuẩn hóa cho số liệu, thực

hiệu kết hợp bù sai số, hệ số chuẩn hóa với thông tin ể làm tăng ộ chính xác, ộ tuyến tính,

ộ tin cậy của phép o. Bên cạnh ó khối này còn thực hiện iều khiển các khối khác.

- Giao diện người sử dụng: Thực hiện chỉ thị các kết quả o, hay nhận các thao tác

iều khiển thiết bị từ người sử dụng như iều khiển từ bàn phím, núm xoay, chuột..., yêu cầu

của khối này là phải hiển thị kết quả dễ dàng cho người sử dụng, tránh hiểu sai thông tin

ưa ra bởi máy o. Màn hình chỉ thị thường dùng cơ cấu chỉ thị số như màn hình LCD với

nhiều số và nhiều dòng văn bản, màn hình ma trận, màn hình ống tia iện tử…

- Giao diện số: Ví dụ như RS232, Ethernet, USB hay một số chuẩn giao diện số ặc

biệt dùng trong o lường như GPIB..., cho phép truyền thông tin giữa máy o với máy tính

hay với các máy o khác trong hệ thống thông tin o lường. Các chuẩn giao diện này quy ịnh

khuôn dạng thông tin, ngôn ngữ iều khiển, cấu trúc dữ liệu ể thực hiện trao ổi thông tin và

iều khiển giữa máy o và máy tính.

3.2.3. Ưu iểm của máy o số

+ Tăng chức năng o cho thiết bị

Những máy o nhiều chức năng không có vi xử lý trước ây, phải chuyển chức năng o

bằng chuyển mạch, quy tình ã ược chế tạo cố ịnh, nên không thay ổi ược, vì phần cứng và

mạch logic là cố ịnh.

Khi có sử dụng vi xử lý, thì có thể ổi thiết bị ang năng chế tạo bằng các mạch logic

cố ịnh trước ây thành thiết bị o có chương trình hóa, bằng cách cài ặt chương trình iều hành

trong các bộ nhớ ROM khác nhau.

Các máy o có lưu trữ chương trình như vậy ã làm tăng khả năng mềm dẻo của máy

thỏa mãn yêu cầu o mà không phải thay ổi mạch iện.

Đồng thời, logic chương trình hóa cũng ã làm giảm áng kể giá thành của máy o.

+ Nâng cao ộ chính xác o lường

Độ chính xác của thiết bị o phụ thuộc vào cấp chính xác của nó. Sai số của thiết bị

còn phụ thuộc vào ặc tính o lường của thiết bị o ó. Có nhiều cách ể nâng cao ộ chính xác,

xong với bản thân máy o thì ở khả năng như:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Thực hiện tự loại bỏ sai số hệ thống, ví dụ khả năng tự ộng xác ịnh iểm không khi bắt

ầu o.

Thực hiện tự chuẩn, tử thử ược chính xác. Khả năng này còn có sai số ngẫu nhiên,

nên cần phải thực hiện o nhiều lần và lấy trung bình thống kê các kết quả o. Máy o số

dùng vi xử lý có khả năng thực hiện các yêu cầu trên.

+ Mở rộng khả năng o

Cấu trúc của máy o số cho phép mở rộng và phát triển khả năng o lường của máy ể

thích hợp với các dạng yêu cầu khác nhau của kỹ thuật o, ví dụ yêu cầu o gián tiếp một ại

lượng vật lý nào ó.

Một ại lượngvật lý phải o gián tiếp thì ược thực hiện thông qua tính toán bằng những

quan hệ toán học giữa các ại lượng o trực tiếp, ví dụ: Hệ số khuếch ại của một mạch ược

tính toán từ các trị số o của iện áp ầu vào và ầu ra. Tổng quat hơn, một ại lượng vật lý R

cần ó có mối quan hệ với các ại lượng X1, X2,…, Xn (mà các ại lượng này có thể o trực

tiếp ược): R=f(X1, X2,…, Xn). Với máy o số có thể thiết kế ể cho phép o các ại lượng khác

nhau ó, mỗi phép o có thể ược chương trình hóa và lưu vào bộ nhớ chương trình, việc lưu

trữ kết quả và thực hiện tính toán cũng dễ dàng, ặc biệt là với tốc ộ tính toán của Vi xử lý

hiện nay.

+ Điều khiển ơn giản

Máy o số có thể thực hiện nhiều chức năng, tuy nhiên những chức năng ó ã ược

chương trình hóa và việc iều khiển ược thực hiện tự ộng, nên mặt máy cũng ã ược ơn giản

i nhiều.

Một thiết bị o càng thông minh nếu như nó càng ít i sự iều khiển từ người sử dụng.

Sự ơn giản iều khiển của máy o có vi xử lý rõ nét hơn cả là sự tự ộng chọn cấu hình máy

o như chọn chức năng o, chọn thang o, chọn khoảng thời gian chuẩn, chọn các iều kiện

thao tác. Một số thiết bị o còn có thiết bị báo lỗi khi người o có nhầm lẫn và có hướng dẫn

cách thực hiện úng trên màn hiển thị của máy.

+ Thực hiện ược các phép tính mong muốn cho kết quả o

Nhiều trường hợp người o mong muốn thực hiện một hàm số toán học nào ó cho kết

quả o hơn là chỉ biết bàn thân kết quả riêng biệt. Máy o có vi xử lý cho khả năng chương

trình hóa ể thực hiện các biến ổi kết quả này. Như các yêu cầu hiệu chỉnh kết quả, xác ịnh

sai số, biến ổi ơn vị o, tạo mối quan hệ tuyến tính, hay thực hiện phân tích thông kê o lường.

+ Có tối thiểu hóa cấu hình thiết bị

Nhờ khả năng chương trình hóa và khả năng tích hợp vi mạch với mật ộ cao nên cấu

hình phần cứng của máy o giảm nhỏ.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

+ Máy o có giá thành ngày càng giảm

Giá hạ do cấu hình thiết bị nhỏ, giá thành chế tạo giảm nhỏ, nhưng chức năng lại tăng

+ Có thể nâng cao ược ộ tin cậy

Cấu hình phần cứng giảm nhỏ, sử dụng ít linh kiện nên ộ tin cậy tăng lên.

+ Giảm thời gian o

Vì có thư viện mẫu, các chương trình con, nên thao tác phần mềm ã làm ơn giản, thời

gian tính toán các thuật toán phức tạp cũng giảm. Tính thông minh của máy làm giảm bớt

thời gian iều khiển máy của người o.

+ Phối hợp tổ chức ược trong hệ thống o, mạng o

Máy o có thêm các card ghép nối, cho phép tổ chức thành một hệ thống o hay

một mạng o của nhiều máy o riêng biệt.

3.3. THIẾT BỊ ĐO GHÉP NỐI VỚI MÁY TÍNH

Các hệ thống o lường ghép nối với máy tính ang ược sử dụng rộng rãi trong nhiều

ứng dụng. Các hệ thống này ược sử dụng rất nhiều lý do: Quá trình iều khiển o nhanh hơn,

quá trình tự ộng hóa cao hơn, chính xác hơn, giảm nhỏ sai lầm của người sử dụng. Nhiều

phép o, quá trình o phức tạp có thể ược thực hiện nhờ sự trợ giúp của máy tính. Có nhiều

mức ộ iều khiển khác nhau của máy tính ến máy o, ến hệ thống o. Nhiều máy o có vai trò

như là hệ thống thu thập số liệu hay o lường a năng, phần mềm cài ặt trên máy tính vừa có

nhiệm vụ iều khiển máy o vừa thu thập số liệu, cũng như vừa có nhiệm vụ tính toán, phân

tích, o lường, ánh giá số liệu thu nhận ược từ máy o và biểu diễn kết quả dưới dạng mong

muốn của người sử dụng. Máy tính còn có vai trò iều khiển từ máy o, thu thập kết quả từ

nhiều máy o khác nhau trong hệ thống o lường và thực hiện phân tích kết quả o lường của

hệ thống o ó… Hệ thống thu thập số liệu - DAS là một mô hình hệ thống o ghép nối với

máy tính iển hình, quá trình o lường ược thực hiện chủ yếu trên phần mềm.

Các mô hình ghép nối máy o với máy tính iển hình như Hình 3.6:

– Máy o ược ghép nối với máy tính

– Nối mạng các máy o thành hệ thống o lường

– Hệ thống thu thập số liệu DAS

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

(a) – Máy o ược ghép nối với máy tính

(b) - Nối mạng các máy o thành hệ thống o lường

DUT

3631

–

Nguồn

Phần mềm: VEE : Phần

mềm o lường ảo lập trình

bằng ồ họa

B giao tiếp

82357

GPIB - USB

33220

Máy tạo sóng

34405

A Đồng hồ vạn năng số

3000

Series

Máy hiện

sóng

Hub

Mạch iện tử cần o

DUT)

(

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Hình 3.6 - Hệ thống o ghép nối với máy tính

+ Hệ thống thu thập số liệu

Hệ thống thu thập số liệu DAS (Data acquisition (DAQ) systems) là hệ thống thu thập

tín hiệu o lường từ nhiều nguồn khác nhau, thực hiện số hóa rồi thực hiện lưu trữ, phân tích,

o lường, ánh giá, và biểu diễn trên máy tính. DAS gồm các thành phần chính như Hình 3.7:

1. Sensor or Transducer - Thiết bị cảm biến hoặc Chuyển ổi: Thu nhận các ại

lượng vật lý trong thực tế cần o như nhiệt ộ, cường ộ sáng, áp suất, lực cơ học, v..v, thực

hiện biến ổi các ại lượng vật lý phi iện ó thành tín hiệu iện có thể o ược như tín hiệu iện áp

hoặc tín hiệu dòng iện. Khái niệm Cảm biến và Chuyển ổi òng nghĩa với nhau trong hệ

thống DAS. Có nhiều dạng Thiết bị Chuyển ổi khác khau, bảng sau giới thiệu một số loại

thiết bị Chuyển ổi cho các ại lượng vật lý phổ biến:

Đại lượng

Thiết bị chuyển ổi

Nhiệt ộ

Cặp nhiệt iện, RTD, Điện trở nhiệt

Ánh sáng

Cảm biến ánh sáng

Sensor or

Transducer

Signal

Conditioning

ADC

Computer

Process or

Test

Computer

Interface

DAQ

–

Data Acquisition

Hình 3.7

Hệ thống thu thập số liệu DAS

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Âm thanh

Microphone

Lực và Áp lực

Strain Gage Chuyển

ổi áp iện

Vị trí và ộ dịch chuyển

Potentiometer, LVDT, Optical Encoder

Gia tốc

Accelerometer

pH Electrode

2. Signal Conditioning – Thiết bị gia công thông tin o (Gọi tắt là Thiết bị Mạch

vào): Sau thiết bị cảm biến thường yêu cầu có thiết bị gia công thông tin o ể gia công tín

hiệu o phù hợp, chính xác hơn trước khi ưa tới thiết bị số hóa. Thiết bị này có thể bao gồm

nhiều chức năng như: khuếch ại tín hiệu, suy hao, lọc nhiễu, cách ly iện, ghép kênh tín hiệu

tương tự… Ngoài ra nhiều loại thiết bị chuyển ổi còn yêu cầu có tín hiệu iện áp hoặc dòng

kích thích, hoàn chỉnh mạch cầu, thực hiện tuyến tính hóa, hay khuếch ại ể tăng sự chính

xác và sự hoàn hảo của thiết bị chuyển ổi. Như vậy Thiết mạch vào có vai trò quan trọng

trong hệ thống thu thập số liệu nói riêng trong các hệ thống o số nói chung. Thiết bị mạch

vào ược thiết kế dưới dạng module ộc lập hoặc các card ghép nối với máy tính, tham khảo

Hình 3.8.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Hình 3.8 - Các loại thiết bị mạch vào

Mỗi loại Cảm biến hay thiết bị chuyển ổi có yêu cầu về chức năng của Thiết bị mạch

vào khác nhau. Bảng sau là ặc tính iện của các loại thiết bị cảm biến phổ biến và yêu cầu

của thiết bị mạch vào cơ bản:

Bảng 3.1 – Các loại thiết bị cảm biển thông dụng

Sensor

Đặc tính iện

Yêu cầu mạch vào

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Thermocouple

(Cặp nhiệt iện)

Đầu ra iện áp thấp Độ

nhạy thấp

Đầu ra phi tuyến

Cảm biến nhiệt chuẩn

Mạch khuếch ại hệ số lớn Mạch

tuyến tính hóa

RTD

Trở kháng thấp (phổ biến

100 )

Độ nhạy thấp

Đầu ra phi tuyến

Yêu cầu dòng kích thích

Cấu hình 4-dây/3-dây

Mạch tuyến tính hóa

Strain gauge

Thiết bị trở kháng thấp

Độ nhạy thấp

Đầu ra phi tuyến

Yêu cầu dòng hoặc iện áp kích

thích

Mạch khuếch ại hệ số lớn

Các nhánh cầu

Mạch tuyến tính hóa

Điện trở sơn tiêu chuẩn

Thermistor

(Điện trở nhiệt)

Điện trở

Trở kháng và ộ nhạy cao Đầu

ra phi tuyến

Cần dòng và iện áp kích thích

với các iện trở chuẩn Mạch

chỉnh tuyến tính

Active

Accelerometers

High-level voltage or current

output

Linear output

Power source

Moderate amplification

AC Linear Variable

Differential

Transformer

(LVDT)

AC voltage output

AC excitation

Demodulation

Linearization

3. Data Acquisition Device - Thiết bị thu thập số liệu: Đây là thiết bị phần

cứng thực hiện ghép nối máy tính với thế giới bên ngoài. Thiết bị thu thập số liệu có nhiệm

vụ chủ yếu là số hóa tín hiệu tương tự (biến ổi ADC) và tạo ra chuẩn giao tiếp số với máy

tính.

Thiết bị thu thập số liệu và Thiết bị mạch có thể ược chế tạo riêng, tuy nhiên cũng có

thể ược ghép chung và gọi là Bộ thu thập số liệu DAQ.

4. Máy tính cài phần mềm iều khiển và o lường: Máy tính ược ghép nối với

Thiết bị thu thập số liệu thông qua các chuẩn giao tiếp số iển hình như GPIB, USB,

Ethernet, RS232, RS485,.... và ược các các phần mềm iều khiển thiết bị cũng như phần

mềm o lường. Các quá trình lưu trữ số liệu cũng như thực hiện xử lý số liệu, tính toán o

lường, cũng như hiển thị kết quả ược thực hiện trên phần mềm o lường ó. Ngoài ra hiện

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

này có có nhiều phần mềm cho phép người sử dụng lập trình ể tạo ra các chức năng iều

khiển và o lường mới, iển hình nhất là phần mềm LABVIEW của NI.

3.4. MỘT SỐ MẠCH ĐO LƯỜNG VÀ GIA CÔNG TÍN HIỆU ĐO CƠ BẢN

Trong kỹ thuật o lường iện tử, quá trình o lường ược thực hiện nhờ mạch o lường và

gia công tín hiệu. Chúng là các mạch iện thực hiện việc thu nhận tín hiệu o, biến ổi, gia

công, so sánh, tính toán… tín hiệu o và ược phối hợp với nhau trong một hệ vật lý thống

nhất tạo ra các thiết bị o, máy o, hệ thống o.

Theo chức năng của các mạch o và gia công tín hiệu ta có thể phân loại thành nhiều

loại mạch o như sau:

- Mạch tỉ lệ: Mạch thực hiện một phép nhân, hoặc chia tín hiệu với hệ số k, ví

dụ như: Mạch suy giảm (mạch phân áp, chia dòng), biến áp, biến dòng, mạch ghép và

chia công suất, v..v..

- Mạch khuếch ại: Cũng giống như mạch tỉ lệ, mạch khuếch ại có nhiệm vụ

nhân thêm tham số nào ó của tín hiệu với một hệ số K (hệ số khuếch ại), tuy nhiên ở

mạch khuếch ại thì công suất ra lớn hơn công suất vào ( iều này ngược với mạch tỉ lệ),

nghĩa là ại lượng ầu vào iều khiển ại lượng ra).

- Mạch gia công và tính toán: bao bồm các mạch thực hiện các phép tính ại số

như cộng, trừ, nhân, chia, tích phân, vi phân, v..v..

- Mạch so sánh tương tự: là mạch so sánh giữa 2 iện áp.

- Mạch cầu.

- Mạch tạo hàm: Là mạch tạo ra những hàm số theo yêu cầu của phép o nhằm

mục ích tuyến tính hóa các ặc tính của tín hiệu o ở ầu ra các bộ phận cảm biến, ví dụ

như các mạch bình phương, lũy thừa (exp), logarit (log), v..v..

- Mạch biến ổi A/D, D/A, mạch S&H (lấy mẫu và giữ mẫu).

- Mạch lọc và mạch cộng hưởng tương tự.

- Mạch số và vi xử lý.

...

Mạch iện ược sử dụng trong o lường iện tử rất a dạng, một số mạch o ặc thù trong o

lường mới ược trình bày trong phần này.

3.5. CƠ CẤU CHỈ THỊ ĐO LƯỜNG

Cơ cấu chỉ thị óng một vai trò quan trọng trong thiết bị o, nó có nhiệm vụ hiển thị

chính xác kết qủa o dưới dạng phù hợp với khả năng nhận biết của con người. Cơ cấu chỉ

thị cũng ảnh hưởng ến ộ chính xác, tốc ộ của máy o… Trong thực tế có nhiều dạng cơ cấu

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

chỉ thị khác nhau dùng cho o lường, mỗi loại cơ cấu o có những ưu nhiểu iểm khác nhau

về kỹ thuật o, giá thành, về công nghệ chế tạo… Các loại cơ cấu chỉ thị phổ biến như sau:

+ Các cơ cấu chỉ thị kim.

+ Ống tia iện tử CRT

+ Cơ cấu chỉ thị số (dùng LED 7 oạn hay LCD 7 oạn).

+ Màn hình ma trận (LED, LCD, Flasma, OLED…).

3.5.1 Cơ cấu chỉ thị kim (Cơ cấu o iện cơ bản - CCĐ)

Cơ cấu chỉ thị kim hay còn gọi là cơ cấu o iện cơ bản (CCĐ) dùng nhiều trong các

thiết bị o iện (như o dòng iện, o iện áp, o công suất, o iện trở,...) ở tần số thấp. Đây là những

dụng cụ o biến ổi thẳng. Đại lượng iện cần o X (dòng iện mang thông tin của ối tượng o)

ược biến ổi thành góc quay của phần ộng (phần có gắn kim chỉ thị) so với phần tĩnh

=f(X) Nguyên lý cấu tạo chung của CCĐ:

Cấu tạo của CCĐ bao bồm 2 thành phần cơ bản: phần tĩnh và phần ộng. CCĐ hoạt

ộng theo nguyên tắc biến ổi liên tục iện năng thành cơ năng làm quay phần ộng của nó.

Trong quá trình quay lực cơ sinh công cơ học một phần thắng lực ma sát, một phần làm

biến ổi thế năng phần ộng.

Quá trình biến ổi năng lượng trong CCĐ như sau: Khi có dòng iện I

(hoặc iện áp

) vào CCĐ sẽ có sự biến ổi thành năng lượng iện từ W

, W

tạo ra sự tương tác với phần

ộng và phần tĩnh và tạo ra Momen quay M

làm quay phần ộng một góc tỷ lệ với f(I

)

hoặc f(U

Giả sử cơ cấu o có n phần tĩnh iện (mang iện tích) và n cuộn dây.

Thông thường iện áp ược ưa vào cuộn dây. Năng lượng iện từ sinh ra ược xác ịnh như

i n 1 i n 1

We 1 j 1 C Uijij2 1 n L Iii2 1 j n M I Iij i j

2 i 1 2 i 1 2 i 1 j i 1 j i 1

Trong ó:

+ i: cuộn dây thứ i.

+ j: phần tử mang iện tích thứ j.

+CijUij iện áp và iện dung giữa 2 phần tử tích iện i và j.

+ IiI j : dòng iện trong các cuộn dây i và j.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

+ L

iện cảm cử cuộn dây i

+Mij :hỗ cảm giữa hai cuộn dây i và j

Năng lượng iện từ sinh ra và phụ thuộc vào iện áp, iện dung, dòng iện, cuộn cảm, và

hỗ cảm.

Tương tác giữa phần tĩnh và phần ộng tạo ra 1 momen quay bằng sự biến thiên

của năng lượng từ trên sự biến thiên góc quay. M

Để tạo ra sự phụ thuộc giữa góc quay và giá trị o, trong khi o người ta sử dụng thêm

lò xo phản kháng ể tạo ra momen phản kháng chống lại sự chuyển ộng của phần ộng.

Trong o: D là hệ số của lò xo phản kháng, là góc lệch của kim chỉ thị.

Kim chỉ thị sẽ dừng lại ở vị trí cân bằng khi:

M pk Mq D dWe 1 dWe

d D d

We: phụ thuộc vào iện áp U

, dòng iện I

ặt vào cuộn dây.

Biểu thức trên ược gọi là phương trình ặc trưng của thang o, cho ta biết ặc tính của

thang o và tính chất của CCĐ.

Ngoài 2 momen cơ bản trên, trong thực thế phần ộ còn chịu tác dụng của nhiều momen

khác như momen ma sát, momen cản dịu, momen ộng lượng…

Mỗi dạng cơ cấu o có cách tạo ra năng lượng iện từ và cách biến ổi thành cơ năng

tạo ra momen quay khác nhau. Dựa vào các biến ổi ó người ta phân chia CCĐ thành các

loại khác nhau như sau:

Loại cơ cấu o

Ký hiệu

Cơ cấu o từ iện

Cơ cấu o iện từ

Cơ cấu o iện ộng

Cơ cấu o tĩnh iện

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Cơ cấu o cảm ứng

Logô mét iện ộng

Logô mét iện từ

Logô mét từ iện

a. Cơ cấu o từ iện

Cơ cấu o từ iện hoạt ộng theo nguyên lý biến ổi iện năng thành cơ năng tạo ra momen

quay nhờ sự tương tác giữa từ trường của 1 nam châm vĩnh cửu và từ trường của dòng iện

I qua khung dây ộng.

Hình 3.9 – Cấu tạo của cơ cấu o từ iện

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Cấu tạo

Cấu tạo của cơ cấu o từ iện như hình Hình 3.9, gồm 2 phần cơ bản:

Phần tĩnh: Gồm nam châm vĩnh cửu (1) hình chữ U ược chế tạo bằng thép ặc biệt

như hợp kim Vônfram, hợp kim Crôm, 2 má cực từ (2), lõi sắt từ hình trụ (3). Giữa (2) và

(3) tạo thành khe hẹp hình vành khuyên cho phép khung dây quay xung quanh và có từ

trường ồng hướng tâm, khe hẹp này có ộ từ cảm B ồng ều.

Phần ộng: Gồm:

- Khung quay (4) – khung chữ nhật bằng nhôm, trên khung có cuốn dây ồng các iện

(cỡ 0,03 0,2mm) cho phép dòng iện I chạy qua. Toàn bộ khối lượng khung quay phải

càng nhỏ càng tốt sao cho momen quán tính rất nhỏ. Khung quay ược ặt trên trục quay

hoặc bởi dây treo. Dòng iện I ược ưa vào khung dây thông qua trục của khung dây.

- Kim chỉ thị (5) ược gắn chặt trên trục quay hoặc dây treo. Phía sau kim chỉ thị có

mang ối trọng ể sao cho trọng tâm của kim chỉ nằm trên trục quay hoặc dây treo và ngoài

ra còn có vít iều chỉnh lệch không (Điều khiển zero).

- Lò xo phản kháng (6) một ầu gắn vào trục quay ầu kia ược giữ cố ịnh có nhiệm vụ

kéo kim chỉ thị về vị trí ban ầu hoặc tạo ra lo xo phản kháng giữ kim chỉ thị tại ví trí cân

bằng.

Nguyên lý hoạt ộng

Khi có dòng iện I qua khung dây sẽ tạo nên năng lượng iện từ và tương tác với từ

trường B của nam châm vĩnh cửu tạo ra momen quay:

Mq dWe I d

d d

Trong ó: d là ộ biến thiên của từ thông qua khung dây N vòng, diện tích là S: d B

N S d. . . .

+ d : dộ biến thiên góc quay của khung dây.

=> M

I BN S. . .

Mômen quay M

làm quay khung dây, giả sử kim chỉ thị lệch một góc , thì momen

phản kháng do lò xo (6) sinh ra tác ộng lên khung dây tăng: M

D. (D- Hệ số của lò

xo phản kháng).

Kim chỉ thị sẽ dừng lại ở vị trí cân bằng khi:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Mq M pk I B

N S. . . D

B N S. . .I

S I0. D

Trong iều kiện tiêu chuẩn S

B N S. .

const - ược gọi là ộ nhạy của CCĐ từ

iện.

Kết luận: Độ lệch góc quay của kim chỉ thị tỷ lệ tuyến tính với cường ộ dòng iện

qua khung dây. Như vậy, có thể khắc ộ thang o của dòng iện I tuyến tính theo góc quay

của kim chỉ thị.

Đặc tính của cơ cấu o từ iện:

- Thang o tuyến tính.

- Chỉ làm việc với dòng 1 chiều qua khung dây. - Độ nhạy dòng iện của cơ cấu

o từ iện:

Si d S0

Nghĩa là ộ nhạy dòng iện ược tương ứng với sự biến thiên của góc quay khi có sự

biến thiên của dòng iện. Trong thực tế người ta thường dùng tham số dòng iện toàn thang

– dòng iện lớn nhất cho phép qua CCĐ và khi ó kim chỉ thị vị trí cực ại

max

(thường

bằng khoảng 105

) – ể chỉ ộ nhạy. Có thể tăng ộ nhạy bằng cách tăng M

và giảm M

- Dòng toàn thang (I

) rất nhỏ (vài A)

- Độ nhạy iện áp của cơ cấu: S

. Nếu nội trở của khung dây là R

thì:

SV d 1 Si

dI R

Ưu iểm của cơ cấu o từ iện: CCĐ từ iện có ưu iểm so với những CCĐ khác nhờ những

iểm sau âu:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

- Độ chính xác cao, có thể tạo ra các thang o có cấp chính xác tới 0,5%, do từ

trường của nam châm vĩnh cửu mạnh nên ộ nhạy ít bị ảnh hưởng của từ trường bên

ngoài.

- Công suất tiêu thụ nhỏ, tùy theo dòng I

mà công suất tiêu thụ khoảng từ

25 W ến 200 W.

- Phương trình ặc tính là tuyến tính nên có thể tạo thang o tuyến tính.

Nhược iểm của cơ cấu o từ iện

- Cuộn dây của khung quay thường chịu ựng quá tải nhỏ nên thường dễ bị hư

hỏng nếu có dòng iện quá lớn i qua.

- Chỉ sử dụng với dòng một chiều.

- Cấu tạo phức tạp, dễ bị hư hỏng khi có va ập mạnh.

Ứng dụng:

Cơ cấu o từ iện ược dùng rất nhiều làm cơ cấu chỉ thị cho các thiết bị o iện như Vôn

mét, Ampe mét, dụng cụ o iện vạng năng, cơ cấu chỉ thị trong phép o cầu cân bằng…

Hình 3.7 - Một số thiết bị o iện sử dụng CCĐ từ iện

b. Cơ cấu o iện từ

Cơ cấu o iện từ hoạt ộng theo nguyên lý: năng lượng iện từ ược biến ổi liên tục thành

cơ năng nhờ sự tương tác giữa từ trường của cuộn dây tĩnh khi có dòng iện i qua với phần

ộng của cơ cấu là các lá sắt từ.

CCĐ iện từ có 2 loại:

Loại lực hút (loại cuộn dây hình dẹt)có cấu tạo như Hình 3.10.

Loại lực ẩy (loại cuộn dây hình tròn) có cấu tạo như Hình 3.11. Cấu

tạo

+ Loại cuộn dây hình tròn:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Hình 3.10 - Cơ cấu iện từ loại cuộn dây hình tròn

- Phần tĩnh: là 1 cuộn dây hình trụ, phía trong thành ống có gắn lá sắt từ mềm uốn

quanh.

- Phần ộng: gồm 1 lá sắt từ cũng ược uốn cong và gắn vào trục quay nằm ối diện. Trên

trục quay có gắn kim chỉ thị và lò xo phản kháng.

+ Loại cuộn dây dẹt:

Hình 3.11 – Cơ cấu iện từ loại cuộn dây dẹt -

Phần tĩnh: gồm 1 cuộn dây dẹt, ở giữa có 1 khe hẹp.

- Phần ộng: Gồm 1 ĩa sắt từ ược gắn lệch tâm, chỉ 1 phần nằm trong khe hẹp và có thể

quay xung quanh trục. Trên trục của ĩa sắt từ có gắn kim chỉ thị và lò xo phản kháng.

Nguyên lý hoạt ộng chung:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Cuộn dậy tĩnh khi có dòng iện I (một chiều hoặc xoay chiều) i qua sẽ tạo ra 1 năng

lượng từ:

Wdt 1 LI2

Trong ó: L là iện cảm cuộn dây, tuỳ thuộc vào vị trí tương ối của lá sắt từ ộng và tĩnh.

L=f(x).

Momen quay là: M

Khi kim chỉ thị quay, mômen phản kháng tăng: M

=-D Tại

vị trí cân bằng:

M pk M q

D dWdt 1 I2 dL d 2

21D ddL I2,S0 21D ddL

S I

Góc quay của kim chỉ thị tỷ lệ với bình phương của dòng iện qua cuộn dây.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Hình 3.12 – Đồng hồ o iện áp cao sử dụng CCĐ iện từ Đặc iểm

của CCĐ iện từ:

- Tiêu thụ năng lượng nhiều hơn cơ cấu o từ iện.

- Làm việc ược với cả dòng iện một chiều và xoay chiều.

- Thang o phi tuyến.

- Công nghệ chế tạo dễ dàng hơn, cơ cấu vững chắc, khả năng chịu tải tốt.

- Độ nhạy kém do từ trường phần tĩnh yếu.

- Có hiện tượng từ dư trong lá sắt non nên kém chính xác hơn cơ cấu o từ iện.

- Do từ trường tạo ra bởi cuộn dây nhỏ nên dễ bị ảnh hưởng bởi từ trường bên

ngoài, cần phải bảo vệ bằng cách chắn từ cho cơ cấu.

- Độ chính xác thấp do dễ bị ảnh hưởng của từ trường bên ngoài và do tổn hao

của sắt từ lớn. Tuy nhiên vẫn ược dùng nhiều trong các loại ồng hồ o iện áp cao. c. Cơ

cấu o iện ộng

Là cơ cấu có sự phối hợp giữa cơ cấu từ iện và cơ cấu iện từ. Hoạt ộng theo nguyên

lý biến ổi liên tục iện năng thành cơ năng nhờ sự tương tác giữa từ trường của cuộn dây

tĩnh và cuộn dây ộng khi có dòng iện i qua.

Cấu tạo

Cơ cấu o iện ộng cũng có 2 loại là Cơ cấu iện ộng (a) và cơ cấu sắt iện ộng (b), cấu tạo

như Hình 3.13 .

Cấu tạo cơ cấu iện ộng gồm có cuộn dây tĩnh và cuộn dây ộng (khung quay). Thông

thường cuộn dây ộng không có lõi sắt non tránh ược hiện tượng từ trễ và dòng iện xoáy.

Cuộn ộng nằm trong vùng từ trường ược tạo ra bởi cuộn tính. Nếu cuộn tĩnh ược cuốn trên

một lõi sắt từ thì ó là cơ cấu sắt iện ộng.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

(a) = (b)

Hình 3.13 – Cơ cấu o iện ộng

Nguyên lý hoạt ộng

Khi có dòng iện I

, I

(một chiều hoặc xoay chiều) i vào cuộn dây ộng và cuộn tĩnh sẽ

tạo ra momen quay:

=NBSI

(dòng iện DC)

i i

1 2

dt (dòng iện 1

AC)

Hoặc M

Vậy góc quay I I

1 2

hoặc i i

1 2

D D T

Trong ó D là hệ số của lò xo phản kháng hoặc của dây treo.

Để thang o tuyến tính theo I

thì K

là hằng số.

Đặc iểm của cơ cấu o iện ộng

Cơ cấu o iện ộng có ưu iểm là nhược iểm của cơ cấu từ iện và cơ cấu iện

từ

Thường dùng làm bộ chỉ thị cho Vônmét hoặc Ampemét hay Watt mét công suất tải 1

pha hay 3 pha.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Ngoài ra người ta còn sử dụng ể chế tạo tỷ số kế iện ộng dùng o hệ số công suất cos .

Chiều quay của có cấu iện ộng và sắt iện ộng ược xác ịnh trước khi hoạt ộng với

dòng xoay chiều (như Hình 3.14). Như vậy khi kim chỉ thị của cơ cấu bị lệch ngược thì

phải ổi cực tính của cuộn dây ể kim chỉ thị quay thuận

Cơ cấu iện ộng hay ược sử dụng cho thiết bị o công suất của iện áp cao.

Hình 3.14 – Chiều quay của kim chỉ thị phụ thuộc vào chiều dòng iện

Hình 3.15 – Đồng hồ o công suất iện áp cao dùng CCĐ iện ộng.

3.5.2 Thiết bị chỉ thị dùng LED

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

a. Cơ cấu chỉ thị dùng LED- Light emitting diode a.1. LED ơn

LED là một tiếp xúc p-n, vật liệu chế tạo ều là các liên kết của nguyên tố nhóm 3 và

nhóm 5 của bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev như GaAs (LED có mầu ỏ), GaP (LED

có màu ỏ hoặc màu lục), GaAsP (LED có mầu ỏ hoặc vàng).

Hình 3.16 – LED ơn

Khi LED ược phân cực thuận các hạt dẫn a số khuếch tán ồ ạt qua tiếp xúc P-N ( iện

tử tự do từ n sang p, lỗ trống từ p sang n) chúng gặp nhau sẽ tái hợp và phát sinh ra photon

ánh sáng. Cường ộ phát sáng của LED tỉ lệ với dòng iện qua iôt. Độ sụt áp khi phân cực

thuận iốt là 1,2V và dòng thuận khi có ộ chói hợp lí là 20mA.

Để có ánh sáng có màu khác nhau thì sử dụng loại bán dẫn khác nhau hoặc dùng nhựa

bọc có màu khác nhau.Thông thường LED phát ra tia hồng ngoại hên người ta thường bao

quanh LED một lớp Phosphor vì vậy do bức xạ của Phosphor nhìn thấy ta nhận ra ược ánh

sáng phát ra.

Nhược iểm của LED là cần dòng tương ối lớn, nhưng ưu iểm của nó là nguồn iện áp

một chiều thấp, khả năng chuyển mạch nhanh, bền, kích thước nhỏ.  Tính chất của

LED

Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra

khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau). Mức năng lượng (và màu sắc của LED)

hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn. LED thường

có iện thế phân cực thuận cao hơn iốt thông thường, trong khoảng 1,5 ến 3Volt. Nhưng iện

thế phân cực nghịch ở LED thì không cao. Do ó, LED rất dễ bị hư hỏng do iện thế ngược

gây ra.

 Cách xác ịnh hai cực của LED

Để phân biệt chân Anode và chân Catode của LED, ta dùng ồng hồ kim ể ở thang

o iện trở. Hai ầu que o có iện áp (do nguồn pin lắp trong ồng hố phát ra) que en là dương

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

nguồn, que ỏ là âm nguồn. Khi có thông dòng qua LED làm LED sáng, cực nào của LED

nối que dương là cực dương, cực kia là cực âm.

Hai cực của LED có thể phân biệt bằng cách nhìn vào 2 khối bán dẫn nằm bên trong

LED, cái nào to hơn là cực âm, nhỏ hơn là cực dương.

 Chọn iện trở cho LED

Việc mắc nối tiếp R ể hạn chế dòng iện qua LED là cần thiết. Dòng iện sẽ quyết ịnh

cường ộ sáng của LED, có nghĩa là khi tăng dòng lên thì LED sẽ sáng mạnh hơn, thông

thường từ 10 ến 20mA.

Khi có dòng chạy qua, thì iện áp rơi trên LED ở khoảng 1,6V. Vì vậy nên lắp thêm

R ể iều khiển dòng - iều chỉnh ộ sáng theo mong muốn. Thông số cơ bản khi chọn LED:

Màu

Điện áp

Infrared

1.6 V

Red

1.8 V ÷ 2.1 V

Orange

2.2 V

Yellow

2.4 V

Green

2.6 V

Blue

3.0 V ÷÷ 3.5 V

White

3.0 V ÷ 3.5 V

Ultraviolet

3.5 V

-Ứng dụng của LED.

Ngày nay, LED ược coi là một giải pháp tiết kiệm năng lượng mới. Với các ưu iểm

nổi bật như tiêu hao nhiệt rất ít, LED hầu như không nung nóng môi trường xung quanh;

ánh sáng èn LED ổn ịnh, không gây chói, mỏi mắt, không phát ra tia cực tím; èn LED có

tuổi thọ lên ến 80.000 – 100.000 giờ. Vì vậy, èn LED ngày càng ược ứng dụng nhiều trong

thực tế. LED ược dùng ể làm bộ phận hiển thị trong các thiết bị iện, iện tử, biển quảng cáo,

èn trang trí, èn giao thông… Đèn chiếu sáng bằng LED có ưu iểm bền, gọn nhẹ, tiết kiệm

năng lượng.

+ LED ược dùng làm bộ phận hiển thị trong các thiết bị iện tử

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Hình 3.17 – Ví dụng ứng dụng của LED trong thiết bị o

a.2. LED 7 oạn

Các dụng cụ o hiển thị số thường dùng bộ chỉ thị 7 oạn sáng LED ghép lại với nhau

theo hình số 8. Khi cho dòng iện chạy qua những oạn thích hợp có thể hiện hình bất kì số

nào từ 0-9, A,B,C,D,E,F.

Hình 3.18 - Cơ cấu LED 7 oạn

Hình 3.19 - Cơ cấu chỉ thị nhiều Digits

Các cách mắc LED thông dụng: LED 7 oạn sáng Anốt chung, LED 7 oạn sáng Katốt

chung.

LED 7 oạn sáng Katốt chung: Katốt của tất cả các iốt ều ược nối chung với iểm có

iện thế bằng 0 (hay cực âm của nguồn). Tác ộng vào ầu vào (Anốt) của iốt mức logic 1 

iốt sáng.

LED 7 oạn sáng Anốt chung: các anốt ược nối chung với cực dương của nguồn (mức

logic 1). Tác ộng vào ầu vào (Katốt) của iốt mức logic 0  iốt sáng.

Có thể ghép nhiều LED 7 oạn khác nhau ể tạo thành cơ cấu chỉ thị nhiều số (nhiều

Digits).

AN=A4

LED4 LED3 LED2 LED1

SEG=abcdefgh

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Ví dụ cơ cấu chỉ thị 4 Digits dùng LED 7 oạn Anốt chung như Hình 3.19. Trong ó

các tín hiệu iều khiển oạn sáng cho tất cả các LED 7 oạn ược nối chung ược gọi là Bus

SEG=(abcdefgh), trong ó h=dp. Các tín hiệu Anốt (A1, A2, A3, A4) ược iều khiển ộc lập.

Nguyên lý iều khiển hiển thị theo kiểu quét tuần tự. Ví dụ cần hiển thị số 2011, nguyên lý

iều hiển thị như Hình 3.20. Chu kỳ hiển thị của cơ cấu là T

thường chọn từ 100ms 300

ms). Trong một chu kỳ T

ược chia thành 4 khoảng thời gian hiển thị ( thường ược

chọn lớn hơn 10ms), lần tại qua một khoảng thời gian mỗi LED 7 oạn sẽ ược iều khiển

ể hiện thị nội dung theo yêu cầu, LED 7 oạn nào ược hiển thị thì Anốt chung của nó ược

iều khiển mức cao ‘1’, các Anốt chung còn lại ược iều khiển ở mức thấp ‘0’.

Hình 3.20 – Minh họa nguyên lý iều khiển hiển thị theo kiểu quét tuần tự

SEG

LED4

LED3

LED2

LED1

LED4

LED3

LED2

x“25”

x“03”

x“60”

x“25”

x“03”

x“60”

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

vcc vcc vcc vcc

7 g g g g

6 f f f f

5 e e e e

4 d d d d

3 c c c c

2 b b b b

1 a a a a

Hình 3.21 – Sơ ồ nguyên lý mạch iều khiển cơ cấu hiển thị 4 digits.

a.3. Màn hình ma trận LED

Các iểm LED ược sắp xếp thành ma trận iểm sáng. Ví dụ ma trận LED8x8 như

Hình 3.22, trong ó các tín hiệu iều khiển hàng R

ược nối với Anode của tất cả các LED

trên cùng một hàng, còn các tín hiệu iểu khiển cột C

cũng ược nối với Cathode của tất cả

các LED trên cùng một cột. Khi có một tín hiệu iều khiển ở cột và hàng, các chân Anode

của các led trên hàng tương ứng ược cấp iện áp cao, ồng thời các chân Cathode của các led

trên cột tương ứng ược ược cấp iện áp thấp .Tuy nhiên lúc ó chỉ có một LED sáng, vì nó

có ồng thời iện thế cao trên Anode và iện thế thấp trên Cathode. Như vậy khi có một tín

hiệu iều khiển hàng và cột, thì tại một thời iểm chỉ có duy nhất một led tại chỗ gặp nhau

của hàng và cột là sáng. Các bảng quang báo với số lượng led lớn hơn cũng ược kết nối

theo cấu trúc như vậy.

Hình 3.22 Ma trận LED

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Hình 3.23 - Ví dụ mạch iều khiển ma trân LED

Hình 3.24 - Sơ ồ chân ma trận LED8x8 hai mầu (M23088C/DEG)

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Ma trận led có thể là loại chỉ hiển thị ược một màu hoặc hiển thị ược 2 màu trên một

iểm, khi ó led có số chân ra tương ứng: ối với ma trận LED 8x8 hiển thị một màu thì số

chân ra là 16, trong ó 8 chân dùng ể iều khiển hàng và 8 chân còn lại dùng ể iều khiển cột.

Đối với loại 8x8 có 2 màu thì số chân ra của LED là 24 chân, trong ó có 8 chân dùng ể iều

khiển cột (hoặc hàng) chung cho cả hai màu, 16 chân còn lại thì 8 chân dùng ể iều khiển

hàng (hoặc cột) của màu thứ nhất, 8 chân còn lại dùng iều khiển hàng (hoặc cột) của màu

thứ 2.

3.5.3 Thiết bị chỉ thị dùng LCD - Liquid Crystal Display

a. Nguyên lý của màn hình LCD

Tinh thể lỏng là tên trạng thái của một vài hợp chất hữu cơ ặc biệt. Các chất này nóng

chảy ở 2 trạng thái: lúc ầu ở trạng thái nóng chảy liên tục, sau ó nếu nhiệt ộ tiếp tục tăng

thì chuyển sang chất lỏng ẳng hướng bình thường. Pha trung gian giữa hai trạng thái này

là trạng thái tinh thể lỏng (vừa có tính chất lỏng vừa có tính chất tinh thể).

● Các phần tử tinh thể lỏng sắp xếp dọc theo khe rãnh.

- Ở trạng thái tự nhiên, các phần tử tinh thể lỏng sắp xếp không theo trật tự nào cả.

- Khi ược tiếp cận với bề mặt có khe rãnh, các phần tử tinh thể lỏng sắp xếp song

song dọc theo khe rãnh.

Hình 3.25 - Trạng thái tự nhiên Khi tiếp cận với bề mặt có khe rãnh

● Khi các tinh thể lỏng an xen vào giữa các phiến trên và phiến dưới chúng sắp

xếp thẳng hàng với khe rãnh lần lượt theo hướng "a" và "b".

Hình 3.26 - Sắp xếp phân cực của tinh thể lỏng

Các phần tử phía trên dọc theo chiều "a" còn phía dưới dọc theo chiều khác là "b" ẩy

tinh thể lỏng sắp xếp theo một cấu trúc xoay 90

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

● Ánh sáng xuyên qua vùng không gian (khoảng trống) của phần tử sắp xếp.

a. Khi chưa có nguồn phân cực b. Khi có nguồn phân cực

Hình 3.27 - Sự lan truyền ánh sáng trong lớp tinh thể lòng

● Ánh sáng cũng xoay khi xuyên suốt, hệt như các tinh thể lỏng xoay.

● Ánh sáng xuyên qua các tinh thể lỏng, tiếp ó hướng vào các phần tử ã sắp xếp

xoay 90

như hình vẽ => ánh sáng cũng xoay 90

xuyên qua các tinh thể lỏng.

● Ánh sáng bẻ uốn cong 90

như các phân tử khi xoay.

● Các phần tử sắp xếp khi có iện trường ặt vào.

Khi có iện trường ặt vào, tinh thể lỏng cấu trúc lại làm xoay ánh sáng khi xuyên qua.

● Cấu trúc phân tử trong các tinh thể lỏng sắp xếp một cách dễ dàng khi có iện

trường ặt vào hoặc iện cực Anot ngoài tác dụng. Khi có iện áp ặt, các phân tử tự sắp xếp

theo chiều dọc (dọc theo iện trường) và ánh sáng cũng xuyên suốt dọc theo chiều sắp

xếp của phân tử.

● Chắn sáng với 2 bộ lọc phân cực (Polarizing filters - bộ lọc phân cực)

- Khi có iện áp ặt vào, kết hợp cả 2 bộ lọc phân cực làm xoay tinh thể lỏng trở thành 1

hiển thị LCD.

- Ánh sáng sẽ xuyên qua khi hai bộ lọc phân cực sắp xếp với trục phân cực như hình

vẽ trái.

- Ánh sáng sẽ bị chặn khi 2 bộ lọc phân cực sắp xếp với trục phân cựn như hình vẽ

phải.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Hình 3.28 - Sử dụng bộ lọc phân cực

b. Cấu tạo của Màn hình LCD

Kết hợp cả hai bộ lọc phân cực và sự xoay của tinh thể lỏng tạo lên một màn hình tinh

thể lỏng.

Hình 3.29 - Nguyên lý cấu tạo màn hình LCD

Polarizing Filters: Bộ lọc phân cực.

• Alighnment layers: Sắp xếp lớp.

• Voltage: Điện áp.

• Light: Ánh sang.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

• Khi hai bộ lọc phân cực sắp xếp dọc suốt theo hướng vuông góc với trục iện cực,

ánh sáng i vào từ phía trên, ổi hướng 90

dọc theo hướng ường hình soắn ốc của các

phân tử tinh thể lỏng, vì vậy ánh sáng xuyên qua bộ lọc dưới.

• Khi có iện áp ặt vào, các phân tử tinh thể lỏng nắn thẳng trên ường ra từ hình ường

soắn ốc và dừng, ổi hướng rẽ của ánh sáng, do vậy ã ngăn cản ánh sáng xuyên qua bộ

lọc dưới (bộ lọc thấp)

• Hình vẽ miêu tả nguyên lý iển hình cúa sự xoay màn hình tinh thể lỏng trong LCD,

các tinh thể lỏng nơi mà các phân tử xoay hình ường soắn ốc là an xen giữa hai bộ lọc

iện cực (phân cực). Khi có iện áp ặt vào ánh sáng bị chắn và màn hình xuất hiện en.

c. Các hệ thống hiển thị.

Có hai kiểu cấu tạo màn hình tinh thể lỏng chính, khác nhau ở thiết kế nguồn sáng.

Trong kiểu thứ nhất, ánh sáng ược phát ra từ một èn nền, có vô số phương phân cực

như các ánh sáng tự nhiên. Ánh sáng này ược cho lọt qua lớp kính lọc phân cực thứ nhất, trở

thành ánh sáng phân cực phẳng chỉ có phương thẳng ứng. Ánh sáng phân cực phẳng này ược

tiếp tục cho truyền qua tấm thủy tinh và lớp iện cực trong suốt ể ến lớp tinh thể lỏng. Sau ó,

chúng tiếp tục i tới kính lọc phân cực thứ hai; có phương phân cực vuông góc với kính lọc

thứ nhất, rồi i tới mắt người quan sát. Kiểu màn hình này thường áp dụng cho màn hình màu

ở máy tính hay TV. Để tạo ra màu sắc, lớp ngoài cùng, trước khi ánh sáng i ra ến mắt người,

có kính lọc màu.

Ở loại màn hình tinh thể lỏng thứ hai, chúng sử dụng ánh sáng tự nhiên i vào từ mặt

trên và có gương phản xạ nằm sau, dội ánh sáng này lại cho người xem. Đây là cấu tạo

thường gặp ở các loại màn hình tinh thể lỏng en trắng trong các thiết bị bỏ túi. Do không

cần nguồn sáng nên chúng tiết kiệm năng lượng.

Các nguyên lý hiển thị

● Các ký tự, chữ số và ồ hoạ ược hiển thị cơ bản dựa theo 3 phương pháp hiển thị:

1. Hệ thống thanh oạn

Hiển thị ộ dài sắp xếp theo dạng hình số "8" ể hiển thị số.

2. Hệ thống ma trận iểm (hiển thị ký tự)

Hiển thị sắp xếp thao các hàng và các cột ể hiển thị ký tự.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

3. Hệ thống ma trận iểm (hiển thị ồ hoạ)

Hiển thị sắp xếp theo các hàng và các cột ể hiển thị ồ hoạ

c. Nguyên lý hiển thị mầu

● Mầu ược hiển thị nhờ các bộ lọc mầu dành cho mỗi thành phần hiển thị, trong hệ

thống ma trận iểm, các iểm mầu ỏ (R), xanh lá (G), xanh dương (B) nhận ược do sử dụng

các bộ lọc mầu, ba mầu cơ bản trên kết hợp lại cho ta một iểm ảnh, mỗi iểm mầu sẽ cho

một mầu có cường ộ sáng khác nhau, một iểm ảnh có thể cho vô số mầu và là mầu tổng

hợp ược từ ba mầu cơ bản trên.

Cấu trúc màn hình LCD

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Hình 3.30 - Cấu trúc màn hình LCD mầu

Cấu trúc màn hình LCD mầu như Hình 3.30, trong ó gồm:

1. Polarizing filter (Bộ lọc phân cực) Điều khiển ánh sáng i vào và thoát ra.

3. Glass substrate (Hợp chất thuỷ tinh ặc biệt) Lọc chặn iện từ các iện cực.

3. Transparent electrodes (Điện cực trong suốt) Là các thanh dẫn iện trong suốt

cho phép ánh sáng xuyên qua.

4. Alignment layer (Sắp xếp lớp) Là hai bề mặt có rãnh, ở giữa là các phân tử

tinh thể lỏng, Các phân tử ược sắp xếp theo hình xoắn ốc 90o.

5. Liquid crystals (Các tinh thể lỏng).

6. Spacer (Khoảng trống) Duy trì khoảng cách ều giữa các tấm kính.

7. Color filter (Bộ lọc mầu) Mầu ược lọc và thể hiện khi dùng các bộ lọc R, G

và B.

8. Backlighting (Ánh sáng phía sau) Ánh sáng ược chiếu từ phía sau màn hình

xuyên qua các lớp trên, ở màn hình iện thoại, người ta sử dụng ánh sáng chiếu từ xung quanh

sau ó dùng lớp phản xạ ể hướng ánh sáng chiếu thẳng góc với màn hình từ sau về phía trước.

Nguyên tắc hoạt ộng

+ Active element (Transistor) - Phần tử tích cực (Transistor). +

X Electronic - Điện cực X.

+ Y Electronic - Điện cực Y.

+ Light - Ánh sang.

Hình 3.31 - Cấu tạo các phần tử iều khiển iểm ảnh

Cấu tạo các phần tử iều khiển iểm ảnh cho màn hình LCD như Hình 3.31. Trong ó:

- Các iện cực X và Y sắp xếp thành hàng và dãy, mỗi iểm giao nhau có một Transistor

trường, chân S ấu vào iện cực Y, chân G ấu vào iện cực X , khi Transistor dẫn thì chân D

sẽ có iện áp bằng iện cực Y tạo ra một iện áp chênh lệch với ế trên của LCD.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

- Mỗi Transistor sẽ iều khiển một iểm mầu, các tín hiệu ngắt mở ược ưa ến iện cực

X, tín hiệu Video ược ưa ến iện cực Y, iện áp chênh lệch giữa iện cực X và Y sẽ làm

Transistor dẫn tạo ra một iểm mầu có cường ộ sáng nhất ịnh.

● Mỗi iểm mầu do một Transistor iều khiển, mỗi iểm mầu sẽ phát ra một mầu có

cường ộ sáng khác nhau, cường ộ sáng phụ thuộc vào tín hiệu Video ặt vào iện cực Y.

● Ba iểm mầu mang ba mầu khác nhau R ( ỏ), G (Xanh lá) và B (Xanh lơ) tạo lên

một iểm ảnh, khi thay ổi cường ộ sáng của các iểm mầu sẽ tạo ra cho iểm ảnh có vô số mầu

sắc khác nhau (Nguyên lý trộn mầu trong tự nhiên).

● Màn hình iện thoại có ộ phân giải là 96 x 128 nghĩa là sẽ có 96 x 128 = 12338 iểm

ảnh <=> hoặc có 12338x3 = 37014 iểm mầu. d. Phân loại màn hình LCD

LCD ma trận thụ ộng

LCD ma trận thụ ộng (Dual Scan Twisted Nematic, DSTN LCD) có ặc iểm là áp ứng

tín hiệu khá chậm (300ms) và dễ xuất hiện các iểm sáng xung quanh iểm bị kích hoạt khiến

cho hình có thể bị nhòe. Các công nghệ ược Toshiba và Sharp ưa ra là HPD (hybrid passive

display), cuối năm 1990, bằng cách thay ổi công thức vật liệu tinh thể lỏng ể rút ngắn thời

gian chuyển ổi trạng thái của phân tử, cho phép màn hình ạt thời gian áp ứng 150ms và ộ

tương phản 50:1. Sharp và Hitachi cũng i theo một hướng khác, cải tiến giải thuật phân

tích tín hiệu ầu vào nhằm khắc phục các hạn chế của DSTN LCD, tuy nhiên hướng này về

cơ bản chưa ạt ược kết quả áng chú ý.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

LCD ma trận chủ ộng

LCD ma trận chủ ộn thay thế lưới iện cực iều khiển bằng loại ma trận Transistor

phiến mỏng (thin film transistor, TFT LCD) có thời gian áp ứng nhanh và chất lượng hình

ảnh vượt xa DSTN LCD. Các iểm ảnh ược iều khiển ộc lập bởi một transistor và ược ánh

dấu ịa chỉ phân biệt, khiến trạng thái của từng iểm ảnh có thể iều khiển ộc lập, ồng thời và

tránh ược bóng ma thường gặp ở DSTN LCD.

Một số hình ảnh Màn hình LCD trong thực tế

+ Màn hình ký tự LCD 4x16

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

+ Màn hình ồ họa LCD

3.5.4 Ống tia iện tử - CRT

Ống tia iện tử - CRT (Cathode Ray Tube), hay còn ược gọi là ống tia âm cực ược sử

dụng khá phổ biến trong máy o lường iện tử (như Ô-xi-lô, máy phân tích phổ, máy vẽ ặc

tính biên ộ - tần số…), cho phép hiển thị dạng tín hiệu trên màn hình.

Nguyên lý chung của CRT:

Cho chùm tia e

bay trong chân không i qua lần lượt 2 bản kim loại nằm ngang nhận

tín hiệu iện áp y và 2 bản thẳng ứng nhận tín hiệu iện áp x và ập tời màn huỳnh quang (Như

Hình 3.32). Do e

chịu tác dụng của iện trường tạo bởi 2 cặp bản kim loại ó nên e

sẽ phải

bay lệch theo phương x và y, ộ lệch theo phương y tỉ lệ với tín hiệu y, ộ lệch theo phương

x tỉ lệ với tín hiệu x. Kết quả vết sáng trên màn huỳnh quang sẽ nằm tại toạ ộ (x,y). Khi tín

hiệu x và y thay ổi vết sáng vẽ một ường dao ộng ồ nào ó trên màn hình.

Màn hình ma trận LCD

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Hình 3.32 – Nguyên tắc chung của CRT

Như vậy, CRT là một loại dụng cụ iện tử mà trong ó có chùm iện tử e- ược bức xạ từ

Katốt bị nung nóng, chúng ược gia tốc, hội tụ bằng iện trường hay từ trường, tạo thành một

chùm iện tử nhỏ gọn bắn tới màn huỳnh quan (hợp chất của Phosphor), màn phát sáng tại

iểm có iện tử bắn tới. Chùm iện tử ược làm lệch theo chiều ứng và chiều ngang trên màn

hình theo quy luật iện áp ặt vào các tấm làm lệch, tạo ra dạng hình ảnh (dạng dao ộng ồ)

trên màn hình. Dao ộng ồ có thể là dạng tín hiệu (waveforms), hay là các hình ảnh

(pictures)…

Có nhiều loại CRT: Loại CRT khống chế bằng từ trường (màn hình ti vi và màn hình

máy vi tính); Loại CRT khống chế bằng iện trường (dùng nhiều trong các thiết bị o).

CRT khống chế bằng iện trường

Cấu tạo CRT khống chế bằng iện trường như Hình 3.33, trong ó CRT ược cấu tạo từ

1 ống thuỷ tinh hình trụ có ộ chân không cao (áp suất khoảng từ 10

-5v

mN/cm

) – ể

không ngăn cản sử chuyển ộng của chùm iện tử từ Katot tới màn hình). Đầu ống hình trụ

tròn có chứa súng iện tử và hệ thống lái tia, phía cuối loe ra hình nón cụt, mặt áy ược phủ

1 lớp huỳnh quang tạo thành màn hình. Cấu tạo của CRT gồm 3 phần chính: màn huỳnh

quang, súng iện tử, hệ thống lái tia.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Hình 3.33 – Cấu tạo CRT khống chế bằng iện trường

a. Màn huỳnh quang

Lớp huỳnh quang thường là hợp chất của Phosphor (P). Khi có iện tử bắn tới màn hình,

tại vị trí va ập, iện tử sẽ truyền ộng năng cho iện tử lớp ngoài cùng của nguyên tử P, iện tử

này sẽ nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao và tồn tại trong 1 thời gian rất

(

)

Lớp than chì

Màn

chắn

Sợi ốt F

Katốt K

Lưới iều chế

Anốt hội tụ A1

Anốt gia tốc

-2

,05kV

bright

focus

Súng iện tử

Hệ thống lái

tia

Màn hình

Màn

huỳnh

quang

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

ngắn rồi tự nhảy về mức năng lượng thấp ban ầu và phát ra photon ánh sáng. Ví trí nào bị

bắn phá ví trí ó ược phát sáng, ánh sáng ược lưu lại trong một khoảng thời gian nhất ịnh (gọi

là ộ dư huy của màn hình), cộng với ộ lưu ảnh của võng mạc, làm cho người qua sát có cảm

giác iểm sáng ó tồn lại lưu trên màn hình, hình ảnh dao ộng ồ ược quan sát như là liên tục.

Màu sắc ánh sáng phát ra tùy thuộc vào hợp chất của P, thường màu xanh lá cây nhạy

cảm với mắt người (hợp chất có chứa Silicat Kẽm), ánh sáng màu tím (hợp chất của

Vônframát Canxi) tích cực với thuốc ảnh.

Độ dư huy của màn hình sẽ phụ thuộc vào chất huỳnh quang, thông thường khoảng

từ vài s ến vài s. Khi quan sát tín hiệu có tần số thấp thì dùng màn hình có ộ dư huy lớn,

còn khi quan sát tín hiệu tần số cao thì dùng màn hình có ộ dư huy nhỏ.

Chất huỳnh quang cách iện và phát xạ iện tử thứ cấp khi có tia iện tử bắn tới, iện tử

thứ cấp này phải ược thu gom bằng Anốt hậu (lớp than chì xung quanh màn hình) ể không

tạo thành lớp iện tử che lấp màn hình, ngăn cản chuyển ộng của chùm tia iện tử.

Ngoài ra người ta còn dùng kiểu ống có màng nhôm mỏng cho kết tủa tại bề mặt nơi

có iện tử bắn tới, màng nhôm cho chùm iện tử i qua và thu gom iện tử thứ cấp dẫn chúng

xuống ất của máy, và còn tác dụng phản xạ ánh sáng làm tăng cường ộ sáng và là nơi tiêu

nhiệt làm tăng tuổi thọ cho màn hình. b. Súng iện tử

Súng iện tử: Có nhiệm vụ tạo, gia tốc và hội tụ chùm tia iện tử. Cấu tạo gồm: sợi ốt

F, Katốt K bao quanh sợi ốt, lưới iều chế G, Anốt hội tụ A

, Anốt gia tốc A

Các iện cực

có dạng hình trụ có lỗ nhỏ ở giữa, làm bằng Niken, riêng K có phủ một lớp ôxit kim loại ở

áy ể tăng khả năng bức xạ iện tử. Các iện cực phía sau (theo chiều chuyển ộng của chùm

tia iện tử) thường có vành rộng hơn iện cực phía trước và có nhiều vách ngăn có tác dụng

ể các chùm iện tử không i quá xa trục ống, việc hội tụ sẽ dễ dàng hơn. Với cấu tạo ặc biệt

của các iện cực như vậy sẽ tạo ra 1 iện trường không ều ặc biệt có thể hội tụ và gia tốc

chùm tia.

Các iện cực ược cấp nguồn nhờ các phân áp như hình vẽ U

=-2kV, U

=0 50V,

=0V, U

=50V 300V). Triết áp R

bright

iều chỉnh iện áp U

làm thay ổi lượng iện tử

bắn tới màn huỳnh quanh, làm thay ổi ộ sáng của dao ộng ồ. Triết áp này thường ược ưa ra

ngoài mặt máy ký hiệu là “Bright hay Intensity”. Triết áp R

focus

thay ổi iện áp trên A1 làm

thay ổi ộ tụ của chùm tia iện tử và cũng ược ưa ra ngoài mặt máy ký hiệu là “Focus”.

Lưới iều chế G ược cung cấp iện áp âm hơn so với K và ược ghép sát K ể dễ

dàng cho việc iều chỉnh cường ộ của chùm iện tử bắn tới màn hình.

Anốt A

(Anốt gia tốc) thường ược nối ất ể tránh méo dao ộng ể khi iện áp cung cấp

cho các iện cực không phải là iện áp ối xứng.

Xét quỹ ạo chuyển ộng của chùm iện tử khi i qua iện trường của các iện cực

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Quy luật chuyển ộng của các hạt mang iện trong iện trường và từ trường về cơ bản

cũng giống quy luật lan truyền ánh sáng trong môi trường quang học. Quy luật chuyển ộng

của iện tử trong iện trường tĩnh tuân theo quy luật sau:

+ Điện tử chuyển ộng thẳng trong vùng có thế không ổi.

+ Nếu chùm iện tử chuyển ộng trong vùng iện trường không ồng ều thì nó có thể bị

khúc xạ hay phản xạ khi chuyển ộng qua mặt ẳng thế. Nếu bị phản xạ thì góc phản xạ bằng

góc tới. Nếu bị khúc xạ thì khi iện tử chuyện ộng từ vùng có iện thế U1 sang vùng có iện

thế U2 hướng và ộ lớn vận tốc của iện tử thay ổi và ược xác ịnh theo quy luật khúc xạ như

sin

Nếu U

thì v

iện tử ược tăng tốc.

Xét quỹ ạo chuyển ộng của chùm tia iện tử khi i qua iện trường giữa A1 và A2 như hình vẽ:

Hình 3.34 – Chùm iện tử chuyển ộng qua iện trường giữa các iện cực

Trong không gian giữa A1 và A2 hình thành các mặt ẳng thế, lực tác dụng của

iện trường lên iện tử tại một vị trí nào ó là: F qE . Mặt ẳng thế hướng bề lồi về phía Katot

có tác dụng hội tụ chùm tia, còn mặt ẳng thế có hướng lõm quay về phía Katot có tác dụng

phân kỳ chùm tia. Nhưng tổng hợp lại thì iện trường giữa A1-A2 có tác dụng hội tụ chùm

tia (tương ương với một thấu kính iện hội tụ).

Màn hình

Các mặt ẳng thế

Lực tác dụng lên iện tử

Chùm iện tử

Mặt ẳng thế

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

Cơ cấu G, A1, A2 tương tự như một hệ thống kính ược thiết kế sao cho iện trường

không ều giữa chúng có tác dụng gia tốc và hội tụ chùm tia iện tử tạo thành chùm iện tử

nhỏ gọn, mảnh bắn tới màn huỳnh quang. c. Hệ thống lái tia

Hệ thống lái tia có nhiệm vụ làm lệch chùm tia iện tử bắn tới màn hình theo chiều ứng

hoặc chiều ngang của màn hình.

Cấu tạo gồm 2 cặp phiến làm lệch ược ặt trước, sau và bao quanh trục của ống.

+ Cặp lái ứng Y

: 2 phiến kim loại ặt song song với nhau theo phương nằm ngang.

+ Cặp lái ngang X

: 2 phiến kim loại ặt song song với nhau theo phương thẳng ứng.

Giữa các cặp phiến làm lệch tạo ra iện trường ều có tác dụng làm lệch quỹ ạo chuyển

ộng của chùm tia iện tử khi qua nó.

Xét quỹ ạo chuyện ộng của chùm tia khi qua cặp lái ứng như hình vẽ…

Hình 3.35 – Quỹ ạo chuyển ộng của chùm iện tử qua cặp lái ứng - Khi

=0, tia iện tử bắn thẳng tới chính giữa màn hình tại iểm O.

- Khi U

0, iện trường giữa các phiến làm lệch sẽ làm lệch quỹ ạo của tia iện tử theo

chiều ứng và bắn tới màn hình tại vị trí M, lệch 1 khoảng theo chiều ứng là y so với iểm

Khoảng lệch ứng y tỉ lệ thuận với cường ộ iện trường trong cặp lái ứng E

(mà E

[V/mm] = U

– trong ó: U

– iện áp giữa Y1 và Y2, d

[mm] - khoảng cách giữa Y1 và

Y2) và ộ dài của phiến làm lệch l

[mm], và thời gian bay của iện tử. Thời gian bay tỉ lệ

nghịch với vận tốc của chùm tia hay tỉ lệ nghịch với iện áp gia tốc U

(phụ thuộc chủ yếu

vào U

A2K

) và tỉ lệ thuận với khoảng cách từ cặp lái tia tới màn hình L

[mm]. Như vậy ộ

lệch ứng trên màn hình ược xác ịnh như sau:

chùm e

Màn hình

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

U L l

y y

. y

2dy.U

hay y S

- ược gọi là ộ nhạy của ống tia iện tử

theo phương ứng. S

ặc trưng cho ặc tính của

CRT và là ộ lệch ứng của tia iện tử khi bắn tới

màn hình tính theo mm khi iện áp ặt vào cặp lái ứng là 1 V. Thông thường

=0,1 1mm/V.

Trong nhiều trường hợp, muốn tăng ộ nhạy mà không thể tăng chiều dài l

vì không

thể tăng quá mức chiều dài của ống tia nên cặp lái tia thường ược cấu tạo loe ra ở ầu cuối

chứ không phải bản phẳng hoàn toàn.

Tương tự, ta có ộ lệch của tia iện tử theo chiều ngang.

x U L l 2d Ux.

.x.

x hay x S U 0x. x

[mm/V]

L l

const - ược gọi là ộ nhạy của ống tia iện

U x 2d Ux. A

tử theo phương ngang. S

ặc trưng cho ặc tính của CRT và là ộ lệch ngang của tia iện tử

khi bắn tới màn hình tính theo mm khi iện áp ặt vào cặp lái ngang là 1 V. Thông thường

=0,1 1mm/V.

Kết luận: Độ lệch tia iện tử trên màn hình theo phương ứng và phương ngang tỉ lệ

tuyến tính với iện áp tương ứng ặt vào cặp lái ứng và cặp lái ngang tương ứng.

Vấn ề gây méo dao ộng ồ

Độ sáng của dao ộng ồ trên màn huỳnh quang của CRT phụ thuộc vào năng lượng

của mỗi iện tử, mà cò phụ thuộc vào số lượng iện tử ược bắn tới màn hình trong một ơn vị

thời gian, (tức là phụ thuộc vào mật ộ chùm iện tử). Vì vậy, nếu thay ổi ược mật ộ của

chùm tia iện tử thì có thể thay ổi ộ sáng của dao ộng ồ. Thay ổi mật ộ chùm iện tử có thể

thực hiện dễ dàng bằng cách thay ổi iện áp trên cực iều chế G. Ta ã biết, giữa G và A1 cũng

có tạo thành iện trường không ều như A1 và A2 có tác dụng hội tụ chùm tia. Do vậy nếu

thay ổi iện áp của G thì ộ tụ của chùm tia chũng sẽ bị ảnh hưởng. Đó là lý do tại sao mà

[mm/V]

L l.

y y

const

2d U

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

khi thực hiện iều chế ộ sáng ta chỉ ược dùng iện áp biên ộ nhỏ. Vì nếu cực G có iện thế

dương lớn thì không những ộ sáng của dao ông ồ tăng mạnh mà còn gây méo dao ộng ồ

trên màn do ộ tụ giảm i. Phép o do vậy cũng có sai số.

Độ sáng của dao ộng ồ còn tăng khi tăng iện áp trên A2, nhưng khi tăng iện áp trên

A2 thì ộ nhạy giảm i. Để khắc phục mâu thuẫn này, trong CRT thường ược cấu tạo thêm

Anốt hậu A3 ở sau các phiến làm lệch. Cấu tạo của A3 là lớp than chì dẫn iện ược phủ

xung quanh thành ống ở gần sát màn hình. Điện áp trên A3, thường lớn gấp ôi iện áp U

A2K

Dưới tác dụng của iện trường này, iện tử ược gia tốc thêm nhưng ộ nhạy hầu như không bị

ảnh hưởng gì. Tuy nhiên, iện tử cũng vẫn ược tăng tốc khi i qua các cặp phiến do tác dụng

của A3, nhưng khoảng thời gian này không áng kể so với khoảng thời gian iện tử i từ cặp

phiến lái tia ến màn hình. Hơn nữa, sự giảm ộ nhạy do A3 có thể ược bù lại bằng cách giảm

iện áp U

A2K

Độ nhạy và ộ tụ của CRT còn bị ảnh hưởng bởi hiệu iện thế giữa A2 và các cặp phiến

làm lệch. Để khử bỏ ảnh hưởng này, thì phải làm có iện thế của A2 bằng iện thế giữa 2 cặp

phiến (tức là iện thế trên ường trục giữa của ống tia). Để dễ dàng thực hiện iều này, người

ta thường nối ất A2 và cung cấp iện áp âm cho K. Nếu không quan tâm ến vấn ề này, mà

nối ấy một phiến trong 2 phiến làm lệch, còn phiến kia ưa iện áp xoay chiều vào thì có hiện

tượng méo dạng dao ộng ồ như hình vẽ… Thật vậy, ứng với từng thời iểm khác nhau, iện

thế tại trục giữa 2 cặp phiến là U

+Uy/3. Như vậy khi ứng với U

có trị số dương thì

iện thế tại iểm giữa là U

/2, khi ó ộ nhạy có giá trị nhỏ nhất, ộ tụ giảm i. Ứng với U

=-U

có trị số âm, thì iện thế tại iểm giữa phiến là: U

-Um/2, khi ó ộ nhạy lại có trị số cao

nhất, ộ tụ giảm i. Dao ộng ồ biểu diễn tín hiệu hình sin U

sẽ không còn ối xứng với trị số

trung bình nữa.

Hình 3.36 – Méo dao ộng ồ do cung cấp iện áp không ối xứng cho cặp lái tia

Vì ộ hội tụ phụ thuộc vào iện trường giữa các phiến và A2, trong trường hợp này là

chúng có thay ổi, nên sự hội tụ chỉ thực hiện ược tốt ứng với một thời iểm nào ó mà thôi.

Nêu nếu như ộ tụ tốt nhất khi U

=0, thì khi ộ tụ sẽ giảm i ứng với các thời iểm iện áp

Uy= Um.

Để khử hiện tượng méo dao ộng ồ này, người ta thực hiện nối ất A2 và ồng thời cung

cấp iện áp ối xứng cho các cặp lái tia (tức là iện áp trên 2 cặp phiến ồng thời lệch pha nhau

180

). Như vậy thì iện thế tại các iểm giữa các cặp phiến là không ỏi khi có iện áp ặt vào.

Để thực hiện ược iều này, thì tầng khuếch ại tín hiệu cuối trước khi ưa vào các cặp lái tia

Dao ộng ồ

lOMoARcPSD|36067889

Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử

là các bộ khuếch ối xứng dùng kiểu khuếch ại ẩy kéo hay tự ộng ảo pha. b/ ứng dụng của

CRT:

Thường làm màn hình chỉ thị cho máy hiện sóng, các máy phân tích phổ, máy vẽ ặc

tuyến biên ộ, tần số…

(a) (b)

(a): CRT khống chế bằng iện trường ứng dụng cho máy o.

(b): CRT khống chế bằng từ trường ứng dụng cho màn hình máy vi tính. Hình

3.37 – Ứng dụng của ống tia iện tử - CRT

CÂU HỎI ÔN TẬP

1. Trong cơ cấu o chỉ thị kim, kim chỉ thị sẽ dừng lại ở vị trí cân bằng khi có sự cân

bằng của 2 mômen nào, viết phương trình cân bằng của 2 mômen ó.

2. Nêu nguyên tắc hoạt ộng của bộ chỉ thị kiểu từ iện?

3. Nêu nguyên tắc hoạt ộng của bộ chỉ thị kiểu iện từ?

4. Nêu cấu tạo, hoạt ộng và ặc iểm của cơ cấu o iện từ?

5. Nêu cấu tạo, hoạt ộng và ặc iểm của cơ cấu o từ iện?

6. Sơ ồ khối và nguyên lí hoạt ộng chung của cơ cấu chỉ thị số?

7. Các ưu iểm, nhược iểm của cơ cấu chỉ thị số?

8. Kể tên 2 lọai bộ chỉ thị số thường dùng?

9. Khái niệm LED 7 oạn sáng Katốt chung? Muốn hiển thị số 0, 5 thì phải làm gì?

10. Khái niệm LED 7 oạn sáng Anốt chung? Muốn hiển thị số 3, 6 thì phải làm gì?

11. Khái niệm LCD và các ưu, nhược iểm của LCD? (chú ý: không cần nêu nguyên lí

hoạt ộng)

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

CHƯƠNG 4 - MÁY HIỆN SÓNG (Ô-XI-LÔ)

4.1 GIỚI THIỆU CHUNG

4.1.1 Khái niệm chung về quan sát dạng tín hiệu

Trong lĩnh vực Điện, Điện tử, và Viễn thông có nhiều dạng tín hiệu khác nhau, mỗi

dạng tín hiệu có một số tham số ặc trưng nào ó. Trong o lường iện tử, một trong những yêu

cầu cơ bản ể xác ịnh tín hiệu là quan sát dạng của tín hiệu.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

Hình 4.1 - Hình ảnh Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

Các tín hiệu thường ược biểu diễn theo mối quan hệ biến thiên theo thời gian hay

theo tần số. Giả sử tín hiệu ược biểu diễn theo thời gian như sau u=f(t). Nếu ta có tín hiệu

y=b.f(t) và tín hiệu x=a.t thì có thể biểu diễn y=b.f(x/a). Do vậy quan hệ giữa y và x cũng

tỉ lệ như quan hệ giữa u và t. Nếu có thiết bị vẽ ược trực tiếp ồ thị của y=b.f(x/a) thì ta cũng

nhận ược ồ thị biến thiên của tín hiệu theo thời gian. Như vậy ngoài việc quan sát ược trực

tiếp dạng tín hiệu ta còn o lường ược các thông số cường ộ (U

) và thông số thời gian (Chu

kỳ T)... của tín hiệu.

Ngoài ra ta có thể xác ịnh ược tín hiệu khi biết ược phổ của nó (Theo biến ổi Fuerier

ngược). Giả sử tín hiệu có mật ộ phổ là S( ). Nếu ta tìm ược tín hiệu y=b.S( ) và tín hiệu

x=a. thì có thể biểu diễn y=b.S(x/a). Do vậy quan hệ giữa y và x cũng tỉ lệ như quan hệ

giữa S và . Nếu có thiết bị vẽ ược trực tiếp ồ thị của y=b.S(x/a) thì ta cũng nhận ược phổ

của tín hiệu và từ ó cũng xác ịnh ược các thông số khác của tín hiệu như năng lượng phổ,

dải tần...

Tóm lại ta có thể biểu diễn tín hiệu theo thời gian hay theo tần số trên màng hình

phẳng. Đo lường bằng phương pháp quan sát dạng tín hiệu như vậy có nhiều hiệu quả, ta

có thể xác ịnh ịnh tính tín hiệu một cách nhanh chóng, phân biệt ược loại tín hiệu và có thể

ịnh lượng chính xác các ại lượng cần o của tín hiệu. Thiết bị quan sát dạng sóng tín hiệu

thường ược sử dụng rất phổ biến trong kỹ thuật o.

Thiết bị trực tiếp dùng ể nghiên cứu dạng của tín hiệu là Ô-xi-lô, còn gọi là máy hiện

sóng (oscillocope) hay thực tế thường gọi theo phiên âm tiếng nước ngoài là ô-xi-lô. Ô-xi-

lô thực hiện vẽ dao ộng ồ của tín hiệu trên màn hình.

4.1.2 Các ưu iểm và khả năng ứng dụng của ô-xi-lô.

Ô-xi-lô là loại thiết bị o a năng: ngoài việc cho phép quan sát dạng tín hiệu, còn có

thể o ược hầu hết các thông số của các loại tín hiệu iện. Ngoài ra còn có thể ghi lại ược trên

phim ảnh các giá trị tức thời của các tín hiệu iện biến ổi có chu kỳ hay phi chu kỳ.

Ô-xi-lô là loại máy o có nhiều tính năng tốt như: trở kháng vào lớn; ộ nhạy cao ( o

ược iện áp từ vài V tới hàng trục kV); quán tính ít, dải tần rộng (từ 0 Hz tới vài trục GHz),

màn chỉ thị (có thể dùng ống tia iện tử) khá sắc nét và màn hình rộng (từ 70150mm) máy

càng lớn chất lượng càng cao thì màn sáng hiện thị càng lớn....

Ô-xi-lô ược sử dụng rất rộng rãi và là một trong những dụng cụ o quan trọng nhất

trong quá trình kiểm tra mạch và thiết bị iện tử, chủ yếu ược dùng ể quan sát dạng tín hiệu

thay ổi theo thời gian ở ầu vào/ra, hay các vị trí khác nhau trong mạch, bên cạnh ó nó còn

cho phép o các tham số của tín hiệu như: Các trị số iện áp, chu kỳ, tần số, góc lệch pha, ộ

méo dạng, hệ số iều chế,... Ngoài ra khi kết hợp với một số thiết bị chuyển ổi dạng năng

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

lượng thì Ô-xi-lô có thể o lường ược nhiều dạng ại lượng vật lý biến ổi khác nhau như

trong cơ học, trong sinh học, trong y học...

Bên cạnh ó khi kết hợp với một số thiết bị phụ trợ khác thì Ô-xi-lô có thể trở thành

máy o các thông số của mạch iện tử. (Ví dụ vẽ ặc tuyến biên ộ tần số của mạch...).

Tóm lại Ô-xi-lô là một thiết bị o vạn năng không những ược dùng khá rộng rãi trong

lĩnh vực Điện tử - Viễn thông mà còn ược dùng nhiều trong các ngành công nghiệp khác

nữa.

4.1.3 Phân loại ô-xi-lô.

Có nhiều cách phân loại ô-xi-lô khác nhau tuỳ theo ứng dụng và cấu tạo...

Phân loại theo chế ộ ồng bộ:

• Ô-xi-lô không ồng bộ dùng ể quan sát những tín hiệu phi chu kỳ.

• Ô-xi-lô ồng bộ dùng ể quan sát tín hiệu có chu kỳ.

Phân loại theo dải tần làm việc:

• Ô-xi-lô tần số thấp.

• Ô-xi-lô tần số cao,

• Ô-xi-lô tần số siêu cao.

Phân loại theo cấu tạo:

• Ô-xi-lô 1 kênh.

• Ô-xi-lô 2 kênh.

• Ô-xi-lô hỗn hợp (2 kênh tương tự +16 kênh tín hiệu số)).

Ô-xi-lô có nhớ kiểu tương tự hay kiểu số.

Ô-xi-lô xung ể quan sát tín hiệu có khoảng thời gian tồn tại ngắn.

4.2 Ô-XI-LÔ TƯƠNG TỰ

4.2.1 Sơ ồ khối và nguyên lý làm việc của ô-xi-lô tương tự 1 kênh.

Như ã xét ở trên, có rất nhiều loại ô-xi-lô khác nhau: ô-xi-lô số, ô-xi-lô tương tự, ô-

xi-lô 1 tia hay 2 tia... nhưng sau ây ta chỉ xét chi tiết cấu tạo và nguyên lý hoạt ộng của ô-

xi-lô tương tự 1 tia.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

a. Cấu trúc chung của Ô-xi-lô tương tự dùng CRT

Probe: Dây o Trigger System: Khối kích khởi ( ồng bộ)

Vertical System: Kênh lệch ứng Y Horizontal System: Kênh lệch ngang X

Attenuator: Bộ phân áp Sweep Generator: Bộ tạo iện áp quét

Vertical Amplifier:Khuếch ại lệch Horizontal Amplifier: Khuếch ại lệch ứng Y

ngang

Display System: Kênh iều chỉnh ộ sáng Z Hình

4.2 - Cấu trúc chung của Ô-xi-lô tương tự 1 kênh

Cấu trúc chung của Ô-xi-lô tương tự 1 kênh dùng CRT gồm:

+ CRT: Màn chỉ thị ống tia iện tử khống chế bằng iện trường. Có nhiệm vụ hiển thị

dạng sóng trên màn hình. Đây bộ phận trung tâm của Ô-xi-lô. Và là ối tượng iều khiển

chính trong ô-xi-lô.

Về cấu tạo ống tia iện tử là một ống chân không vỏ thuỷ tinh, bên trong có chứa các

iện cực. Đầu ống hình trụ có chứa súng iện tử và 2 cặp phiến làm lệch. Đầu cuối ống loe

to hình nón cụt, áy ống là màn huỳnh quang có tác dụng phát sáng khi có tia e

ập vào. Ống

iện tử có nhiệm vụ tạo ra tia e

xuất phát từ Catot ến màn hình tạo ra vệt sáng có dạng phụ

thuộc vào quy luật của tín hiệu ưa ến các phiến làm lệch Y1Y2 và X1X2 của ống tia. Các

khối khác của Ô-xi-lô Điện áp iều khiển cặp lái ứng U

Y1Y2

và cặp lái ngang U

X1X2

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

+ Kênh lệch ứng Y (Vertical System): Có nhiệm vụ nhận tín hiệu cần quan sát U

ược ưa vào từ dây o (Probe) thực hiện các chức năng biến ổi tín hiệu và tạo ra tín hiệu phù

hợp (dạng iện áp ối xứng) ưa tới cặp lái ứng Y1Y2 của CRT.

+ Khối ồng bộ (Triger System): hay còn ược gọi là Khối kích khởi, có nhiệm vụ

nhận tín hiệu ồng bộ (tín hiệu kích khởi) U

tạo ra xung ồng bộ U

x b

ể iều khiển kênh lêch

ngang X.

+ Kênh lệch ngang X (Horizontal System): Tạo ra iện áp quét răng cưa hay nhận

tín hiệu quét từ bên ngoài (qua ầu vào Ext) ể tạo ra iện áp quét ngang ưa tới cặp lái ngang

X1X2 của CRT.

Tùy theo dạng iện áp quét mà hình ảnh sáng trên CRT có dạng khác nhau:

+ Nếu U

là iện áp răng cưa tuyến tính thì dao ộng ồ là dạng tín hiệu theo thời gian.

+ U

giống dạng tín hiệu vào thì dao ộng ồ là các hình ảnh phức tạp dạng cánh hoa,...

ược gọi là dao ộng ồ Lissajous. b. Nguyên lý và các phương pháp quét

Đưa iện áp của tín hiệu cần nghiên cứu lên cặp phiến lệch Y, và iện áp quét răng cưa

lên cặp phiến lệch X. Do tác dụng ồng thời của cả hai iện trường lên 2 cặp phiến mà tia iện

tử dịch chuyển cả theo phương trục X và Y. Quỹ ạo của tia iện tử dịch chuyển trên màn sẽ

vạch nên hình dáng của iện áp nghiên cứu biến thiên theo thời gian. Nếu iện áp quét là hàm

liên tục theo thời gian thì ược gọi là quét liên tục, nếu iện áp quét là hàm gián oạn theo thời

gian thì ược gọi là quét ợi.

b.1. Nguyên lý quét tuyến tính liên tục

Điện áp quét tuyến tính liên tục có tác dụng lái tia iện tử dịch chuyển lặp i lặp lại 1

cách liên tục theo phương ngang tỷ lệ bậc nhất với thời gian. Để quét tuyến tính liên tục

cần phải dùng iện áp biến ổi tuyến tính liên tục (tăng tuyến tính hay giảm tuyến tính).

Giả sử:

+ Uth Um sin .t ưa vào kênh Y và ưa tới cặp lái ứng Y

+ Uq at. ưa tới cặp lái ngang X

-> iện áp trên các cặp lái tia như sau:

Uy Uy y1 2 UthSy

Ux Ux x1 2 UqSx

Trong ó:

oy : ộ nhạy của kênh Y

+ Sx KxSox: ộ nhạy của kênh X

+ K

và K

là hệ số khuyếch ại tổng cộng của kênh Y và X.

Như vậy ộ lệch tia trên màn hình theo chiều chiều ứng và chiều ngang

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

y U ySoy UthK ySoy

K ySoy.Um sin .t x

UxSox UqKxSox

KxSox. .at

y Ym sin .t Ym sin KxS

ox.a

y Ym sin mx(1)

Ym KySoy.Um

Trong ó:

xSox.a

Biểu thức (1) chính là ồ thị của dao ộng ồ trên màn hình, nó có dạng giống dạngUth

ần quan sát. Như vậy khi iện áp quét ược ưa vào cặp lái ngang X

là iện áp tuyến tính

thì dạng dao ộng ồ trên màn hình chính là dạng tín hiệu cần nghiên cứu theo thời gian.

Minh họa nguyên lý quét tuyến tính như Hình 4.3

Hình 4.3 –Minh họa nguyên lý quét tuyến tính

Nếu t thì tia iện tử vượt quá giới hạn màn hình iện áp quét ược sử dụng phải là

dạng iện áp quét răng cưa tuyến tính. Điện áp quét răng cưa lý tưởng thời gian quyét ngược

=0 trường hợp này sẽ không có tia quét ngược. Tuy nhiên trong thực tế

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

#0. Tq

ng Do tồn tại thời gian quét nguợc nên iểm sáng trên màn hình sẽ chuyển

ngược từ trái qua phải tạo nên 1 ường quét ngược không mong muốn, ể loại trừ thì chọn T

. Để loại trừ hoàn toàn, trong thời gian quét ngược người ta tạo ra 1 xung âm ưa tới cực

iều chế G của CRT ể xoá tia quét ngược ó.

Nếu tần số quét ủ cao, màn huỳnh quang có ộ dư huy ủ mức cần thiết thì khi mới chỉ

có Uq ặt vào cặp phiến X1X2 ã có một ường sáng theo phương ngang. Khi có cả Uth ặt

vào cặp phiến Y và nếu Tq = nTth thì trên màn xuất hiện dao ộng ồ của một hay vài chu kì

của iện áp nghiên cứu (U

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

Hình 4.4 –Minh họa nguyên lý tạo ảnh trên màn hình

Để có ảnh quan sát với chất lượng cao cần chọn:

hay Tq

Điều kiện ồng bộ phải thoả mãn: Tq = nTth

b.2. Nguyên lí quét ợi

Quét ợi là chế ộ quét tuyến tính mà iện áp quét không xuất hiện liên tục, tuần hoàn

mà chỉ xuất hiện khi tín hiệu vào cần quan sát ược ưa tới kênh Y của của Ô-xi-lô ạt ược

Xung

xóa tia quét ngược

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

biên ộ và cực tính nhất ịnh. Chế ộ này thường dung ể quan sát các dạng xung có ộ xốp lớn

(hệ số lấp ầy /T bé), hoặc tín hiệu xung không tuần hoàn. Ví dụ minh họa nguyên lý quét

ợi như

Hình 4.5 - Minh họa chế ộ quét ợi

Giả sử tín hiệu xung U

có hệ số lấp ầy nhỏ <<T, hình ảnh dao ộng ồ tương ứng với

các trường hợp khác nhau của iện áp quét như Hình 4.5.

(a): U

liên lục và T

= T

: xung chỉ xuất hiện trong một thời gian rất bé ( << T

) nên

rất khó quan sát và o lường ược.

(b): U

liên lục và Tq : Hình dáng xung ã ược khuếch ại ra, tuy nhiên xung mờ

so với ường nền ở dưới nên cũng khó quan sát và o lường, mặt khác khó thực hiện ồng bộ

nên dao ộng ồ không ổn ịnh, không quan sát ược ầy ủ dạng xung (sườn xung, ỉnh xung,...).

(c): U

dạng iện áp quét ợi: chỉ có iện áp quét khi có xung, như vậy hình dáng xung

ã ược khuếch ại ra, dễ dàng quan sát hơn, ể quan sát toàn bộ xung nghiên cứu thì nên iều

chỉnh ể

> một chút.

c. Nguyên lý ồng bộ và các phương pháp kích khởi

+ Hiện tượng mất ồng bộ:

Trong các trường hợp khi chúng ta quan sát trên ô-xi-lô ở chế ộ tuyến tính liên tục thì

thấy có xảy ra hiện tượng dao ộng ồ không ứng yên mà có cảm giác như là chuyển ộng trên

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

màn hình, hoặc hình ảnh dao ồng ồ không phản ánh trung thục dạng tín hiệu. Hiện tượng ó

gọi là hiện tượng mất ồng bộ. Để dao ộng ồ ứng yên ta phải thực hiện nguyên lý ồng bộ.

+ Điều kiện ồng bộ:

Để rút ra iều kiện ồng bộ, ta xét dao ộng ồ khi của tín hiệu U

là dạng iện áp hình sin

trong các trường hợp chu kỳ iện áp quét tuyến tính liên tục khác nhau sau:

Hình 4.6 - Hình ảnh dao ộng ồ với các trường hợp T

khác nhau

(a): T

: Hình ảnh dao ộng ồ ứng yên và lặp lại sau 2 chu kỳ iện áp 2

quét, nhưng không phản ánh úng dạng tín hiệu -> Ô-xi-lô mất ồng bộ.

(b) T

: Ứng với 5 chu kỳ quét liên tiếp dao ộng ồ xuất hiện ở các vị trí 5

khác nhau I, II, III, IV, V, như vậy dao ộng ồ lặp lại sau khoảng thời gian rất lớn, bằng 6

chu kỳ iện áp quét, do ó khi quan sát dao ộng ồ sẽ chuyển ộng trên màn hình -> Ô-xi-lô

mất ồng bộ.

: Qua mỗi chu kỳ quét dao ộng ồ dao ồng ồ xuất hiện trên màn hình trên

một ường duy nhất, như vậy dao ộng ồ quan sát ược ổn ịnh, rõ nét, như vậy Ô-xi-lô

ạt iều kiện ồng bộ.

Tóm lại iều kiện ồng bộ ối với chế ộ quét tuyến tính liên tục như sau:

= n.T

(n: nguyên dương)

Như vậy ể thỏa mãn iền kiện ồng bộ, chu kỳ iện áp quét tuyến tính liên tục phải bằng

số nguyên lần chu kỳ tín hiệu cần quan sát.

Quá trình thiết lập và duy trì iều kiện này là quá trình ồng bộ của Ô-xi-lô. Quá trình này

ược thực hiện theo sơ ồ ồng bộ.

+ Các chế ộ ồng bộ:

(

(b)

(c)

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

- Đồng bộ trong: tín hiệu ồng bộ lấy từ kênh Y của Ô-XI-LÔ - Đồng bộ

ngoài (EXT)

- Đồng bộ iện lưới (LINE)

d. Sơ ồ khối chi tiết của ô-xi-lô tương tự.

Sơ ồ khối iển hình của một Ô-xi-lô tương tự (có ống tia iện tử khống chế bằng iện trường)

như Hình 4.7:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

Hình 4.7 – Sơ ồ iển hình của Ô-xi-lô tương tự 1 kênh dùng CRT +

Chức năng các khối trong sơ ồ cấu tạo của ô-xi-lô tương tự.

Màn hình ống tia CRT:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

Kênh lệch ứng y (Kênh tín hiệu):

Có nhiệm vụ biến ổi iện áp tín hiệu cần nghiên cứu phù hợp với ộ lệch tia theo chiều

ứng. Kênh lệch ứng y bao gồm:

+ Khối suy giảm hay bộ phân áp vào có nhiệm vụ phối hợp trở kháng và phân áp tín

hiệu vào ể tăng khả năng o iện áp cao. Thường dùng các khâu phân áp R-C mắc liên tiếp

nhau, hệ số phân áp không phụ thuộc vào tần số. Chuyển mạch của bộ phân áp ược ghi ra

ngoài mặt máy ký hiệu là Volts/Div (Div ộ chia dọc).

Ví dụ sơ ồ tương tương khâu suy giảm R-C như hình vẽ (a):

(a) (b)

Hình 4.8 – Chuyển mạch phân áp

Hệ số chia áp của khâu phân áp RC là:

H U1 Z1 Z2

U2 Z2

Trong ó Z

, Z

là trở kháng tương ương của mỗi khâu phân áp.

Z1 1 j R C R1 1 1 và Z2 1 j R C R2 2

Để hệ số phân áp không phụ thuộc tần số, chọn R

, khi ó:

- không phụ thuộc vào tần số . R

+ Khối mạch vào và tiền khuếch ại Yy: Tăng Z

của kênh Y (hay chính của ô-xilô) và ể

phối hợp trở kháng vào của kênh Y với trở kháng sóng của cáp dẫn tín hiệu ến.

Tiền khuếch ại Y ể làm tăng ộ nhạy kênh y: (K

tổng

tiền KĐy

KĐ ối xứng

) Mạch này còn

tham gia vào dải thông tần của kênh Y. (Mạch vào thường là tầng khuếch ại dùng Dalinhtor

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

mắc CC, JFET, MOSFET, KĐTT mắc vi sai). Triết áp iều chỉnh ưa ra mặt máy ể biến ổi

tiền KĐ

ể dao ộng ồ biến thiên theo chiều y.

+ Khối dây trễ : thường là chuỗi các phần tử LC dùng khi tín hiệu U

là dạng xung,

ể tạo trễ giữa xung vào ưa ến phiến làm lệch ứng với iện áp ưa ến phiến lệch ngang ể khi

quan sát tín hiệu không bị mất sườn trước của xung, và sử dụng trong trương hợp quét ợi.

+ Bộ khuếch ại Y ối xứng : khuếch ại làm tăng ộ nhạy chung của kênh y, ồng thời tạo

ra iện áp ối xứng cung cấp cho cặp lái ứng Y

-Y

ể không làm méo dạng ồ thị dao ộng do

cách cung cấp tín hiệu không ối xứng gây nên.

+ Khối tạo dao ộng có biên ộ chuẩn U

: tạo ra iện áp chuẩn có dạng biên ộ, tần số biết

trước, dùng ể kiểm chuẩn lại các hệ số lệch tia của Ô-xi-lô.

Kênh lệch ngang x.

Có nhiệm vụ tạo ra iện áp quét phù hợp về dạng và ồng bộ về pha so với U

Y1, Y2

ể cung

cấp cho cặp lái ngang X

. Trong kênh lệch ngang gồm có:

+ Trường hợp quét trong thì có : Bộ tạo iện áp quét răng cưa (quét nội ) tăng hay giảm

tuyến tính (có thể là iện áp răng cưa quét liên tục hay quét ợi) .

+ Trường hợp quét ngoài thì cần có :

- Mạch vào và tiền khuếch ại thường là bộ phối hợp trở kháng và suy giảm ể giảm nhỏ

biên ộ iện áp quét ngoài ến mức cần thiết.

+ Bộ khuếch ại ối xứng kênh X ể khuếch ại iện áp quét trong hay quét ngoài ến mức phù

hợp và tạo ra iện áp ối xứng cung cấp cho cặp lái ngang X

Khối ồng bộ

Giải quyết vấn ề pha của tín hiệu cần quan sát U

với tín hiệu quét ngang U

, ể ược

dao ộng ồ cố ịnh và trung thực, rõ ràng. Có 3 loại tín hiệu ồng bộ ưa ến chuyển mạch S2:

- Tự ồng bộ ( ồng bộ trong)- S

tại CH : Lấy một phần tín hiệu U

cần quan sát từ khối

tiền Khuếch ại Y ưa xuống ồng bộ, trường hợp này dùng ể quan sát tín hiệu U

tuần hoàn

trong dải tần số thấp, cao.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

- Đồng bộ ngoài – S

tại EXT: Tín hiệu ồng bộ ược ưa qua ầu vào EXT. Tín hiệu ồng

bộ ngoài ược cho qua bộ ảo cực tính, sau ó tới khuếch ại và tạo dạng xung ồng bộ, tiếp ó qua

bộ tạo xung kích phát quét, xoá, chiếu sáng, và tiếp ó tới bộ tạo quét (liên tục hay ợi) và cuối

cùng ưa tới bộ khuếch ại X ối xứng. Trường hợp này dùng khi quan sát tín hiệu xung có ộ

rộng hẹp, tần số xung lớn.

- Đồng bộ 50 Hz xoay chiều – S

tại Line : Lấy một phần tín hiệu iện áp xoay chiều

nguồi nuôi 50Hz ưa vào chuyển mạch ồng bộ. Dùng ể quan sát tín hiệu ở phạm vi tần số thấp,

tần số công nghiệp dạng sin...

Kênh khuếch ại z :

Có nhiệm vụ nhận tín hiệu iều chế ộ sáng U

vào, thực hiện chọn cực tính và khuếch

ại phù hợp rồi ưa tới lưới iều chế G của CRT thay ổi ộ sáng của dao ộng ồ trên màn.

Khối nguồn nuôi :

Đảm bảo cấp nguồn cho toàn bộ máy hiện sóng.

Một số chế ộ làm việc:

- Quét liên tục ồng bộ trong (ngoài): Dùng ể quan sát ảnh của tín hiệu liên tục theo thời

gian và o các tham số của chúng. S2 ở vị trí CH (hoặc EXT nếu là ồng bộ ngoài), S3 ở vị trí

2. Tín hiệu từ lối vào kênh Y, qua Mạch vào và bộ phân áp Y ược khuếch ại tới một mức nhất

ịnh, sau ó ược giữ chậm lại rồi ưa qua Bộ Khuếch ại Y ối xứng ể tạo 2 tín hiệu có biên ộ ủ

lớn, ảo pha nhau ưa tới 2 phiến ứng

- Quét ợi ồng bộ trong: Dùng ể quan sát và o tham số của dãy xung không tuần hoàn

hoặc dãy xung tuần hoàn có ộ hổng lớn. S2 ở vị trí CH, S3 ở vị trí 1. Quá trình hoạt ộng:

giống chế ộ 1

- Chế ộ khuếch ại (chế ộ quét lissajous, chế ộ quét Y-X): Dùng ể o tần số, góc lệch pha,

ộ sâu iều chế, vẽ ặc tính Vôn-Ampe của iốt hoặc dùng làm thiết bị so sánh. Hình nhận ược

trên màn Ô-XI-LÔ gọi là hình Lissajous. S3 ở vị trí 3. Bộ tạo quét trong ược ngắt ra khỏi

quá trình hoạt ộng. Ô-XI-LÔ làm việc theo 2 kênh ộc lập X,Y và ầu vào X cũng là ầu vào tín

hiệu.

4.2.2 Ô-xi-lô nhiều kênh.

Trong những trường hợp cần so sánh nhiều tín hiệu cần o, ta phải khảo sát hai hay nhiều

quá trình trên một Ô-xi-lô. Vấn ề này ược giải quyết bằng các biện pháp:

- Mỗi quá trình nghiên cứu ược dùng một tia iện tử riêng biệt.

- Chỉ dùng một tia iện tử ể ghi cả hai quá trình nhưng làm cho tia iện tử thay ổi có chu

kỳ ể ghi từ quá trình này sang qúa trình khác.

Phương pháp thứ nhất phải dùng nhiều Ô-xi-lô khác nhau, mỗi Ô-xi-lô nghiên cứu

một quá trình riêng biệt. Cách thực hiện như vậy thì rất tốn kém, vì phải dùng nhiều Ôxi-

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

lô. Hơn nữa, vì ộ nhạy của các ống tia iện tử khác nhau, tỷ lệ xích về thời gian không giống

nhau, nên phương pháp này ít dùng.

Trên thực tế, người ta dùng Ô-xi-lô nhiều tia, mà phổ biến là loại hai tia. Trong các loại

Ô-xi-lô này, ống tia iện tử ược cấu tạo theo hai cách.

- Loại ống tia có ngăn ôi (hoặc nhiều hơn), hệ thống súng iện tử. Những hệ thống này

tạo nên hai tia iện tử (hay nhiều tia) tác dụng lên cùng một màn hình.

- Loại ống có tia iện tử phát ra từ cùng một catốt ra một số tia.

Cả hai loại ống trên ều có khó khăn trong chế tạo là làm sao ể khử bỏ ược tác dụng

ảnh hưởng lẫn nhau của các tia iện tử. Khó khăn này càng lớn khi số tia iện tử càng nhiều.

Vì vậy, thông thường chỉ có loại ống có hai tia. Trong một số quá trình có cùng tần số, có

thể khảo sát ồng thời trên màn của một Ô-xi-lô có ống tia iện tử có một tia. Cách này ược

thực hiện theo biện pháp thứ hai ã nói ở trên; nó ược kèm theo một bộ phận phụ của Ô-xi-

lô nữa là chuyển mạch iện tử.

Chuyển mạch iện tử là thiết bị dùng èn iện tử hoặc èn bán dẫn, ầu vào ược ưa tới cả

hai quá trình iện áp cần nghiên cứu. Đầu ra của nó ưa tới cặp phiến lệch Y (hay bộ khuyếch

ại y) của Ô-xi-lô.

Tác dụng của chuyển mạch iện tử là làm cho tia iện tử chuyển ổi thời gian quét ể ghi

quá trình cần nghiên cứu này sang quá trình cần nghiên cứu khác. Sự chuyển mạch trên

ược thực hiện do sự khống chế dao ộng xung vuông ối xứng ược tạo ra từ một bộ a hài.

Điện áp chuyển mạch cần yêu cầu dạng xung của nó gần vuông góc, có như vậy thì sự

chuyển trạng thái mới tức thời, không gây mờ rối dao ộng ồ cần quan sát. Xung iện áp này

cần phải ối xứng, tức thời gian hai khoảng chu kỳ dương và âm phải bằng nhau, có như

vậy thì ộ sáng của hai dao ộng ồ mới bằng nhau. a. Ô-xi-lô 2 kênh dùng CRT 2 tia

Cấu tạo của Ô-xi-lô hai tia ược minh họa như ở Hình 4.9

Hình 4.9 - CRT 2 tia

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

Cấu tạo cơ bản của Ô-xi-lô iện tử hai tia giống như Ô-xi-lô một tia, nhưng ở Ô-xilô

hai tia cần chú ý rằng trong một ống tia iện tử có hai súng phóng tia iện tử riêng biệt, tức

là ngăn ôi hệ thống súng iện tử, ta có hai súng phóng tia iện tử riêng biệt. Mỗi chùm tia iện

tử cho một vết dạng sóng. Mỗi tia iện tử ược súng iện tử tạo ra từ catốt qua các iện cực ến

màn huỳnh quang ược qua các cặp phiến làm lệch riêng của nó (Y11; Y12 và Y21; Y22) ể

lái tia iện tử (1) và (2) theo chiều ứng. Dạng sóng quét răng cưa từ bộ tạo gốc thời gian ưa

vào cặp phiến lệch ngang và cả hai chùm tia iện tử này ược làm lệch ngang màn hình một

cách ồng thời. Ô-xi-lô sử dụng CRT 2 tia có lối vào cặp phiến lệch ứng tách biệt hoàn toàn,

kênh A và kênh B. Mỗi kênh ều có các mạch khuếch ại làm lệch riêng biệt của nó ể tới một

cặp phiến làm lệch ứng. Bộ tạo gốc thời gian iều khiển một bộ duy nhất các tấm lái tia

ngang.

b. Ô-xi-lô 2 kênh dùng CRT 1 tia kết hợp chuyển mạch iện tử

Hình 4.10 - Hình ảnh của Ô-xi-lô tương tự 2 kênh dùng CRT 1 tia

Sơ ồ nguyên lý của Ô-xi-lô 2 kênh dùng CRT 1 tia kết hợp chuyển mạch iện tử như

Hình 4.11. Trong ó hai tín hiệu cần quan sát (U1(t), U2(t)) sẽ ược ưa vào 2 kênh lệch ứng

riêng biệt giống nhau rồi ưa tới chuyển mạch iện tử. Chuyển mạch iện tử sẽ ược iều khiển

ể tại 1 thời iểm chỉ có 1 tín hiệu qua nó và ưa tới khuyếch ại Y ối xứng ể ưa tới cặp lái ứng

và tín hiệu ó sẽ ược hiển thị trên màn hình.Hai tín hiệu sẽ ược lần lượt hiển thị trên

màn hình theo 2 chế ộ quét: quét tuần tự và quét xen kẽ.

+Chế ộ quét tuần tự (Alt Mode): Nguyên lý: lần lượt qua mỗi chu kỳ quét, các tín

hiệu U

(t) (giả sử là dạng iện áp hình sin) và U

(t) (giả sử là dạng iện áp tam giác) ược ưa

qua chuyển mạch iện tử và ưa qua khuếch ại Y ối xứng ể lần lượt hiển thị trên màn hình.

Giả sử trong các chu kỳ quét lẻ U

ượng hiển thị còn trong các chu kỳ quét chẵn U

ược

hiển thị. Minh họa chế ộ quét tuần tự như Error! Reference source not found..

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

Ưu iểm của chế ộ quét tuần tự là tốc ộ chuyển mạch không cần lớn, rất phù hợp ể

quan sát nhưng tín hiệu có tần số cao, nhược iểm iểm là khi tần số tín hiệu quan sát nhỏ,

lớn dao ộng ồ quan sát không ổn ịnh

Hình 4.11 - Sơ ồ nguyên lý ô-xi-lô 2 kênh

+ Chế ộ quét xen kẽ (Chop Mode): Trong 1 chu kỳ Tq, người ta chia làm nhiều

khoảng thời gian bằng nhau . Lần lượt qua mỗi khoảng thời gian này các tín hiệu U

, U

ược ưa qua chuyển mạch iện tử và ưa tới k/ ại Y ối xứng ể hiển thị lên màn hình. Giả sử

trong khoảng thời gian lẻ U

ược hiển thị, trong khoảng thời gian chẵn U

ược hiển thị.

Như vậy, trong 1 chu kỳ Tq, cả 2 tín hiệu ều ược hiển thị trên màn hình ưới dạng các oạn

sáng ứt nét xuất hiện xen kẽ nhau. Tuy nhiên những chỗ ứt nét ở dạng sóng ã tạo ra ngắn

tới mức không thể nhận ra chúng khi tần số chuyển mạch là cao. Khi tín hiệu nghiên cứu

ở tần số thấp thì tín hiệu hiện hình trên màn máy xem sóng gần như liên tục. Khi tín hiệu

nghiên cứu ở tần số cao, thực hiện không ồng bộ (chọn T

) thì oạn ngắt bị lấp do ộ dư

huy của ống và ộ lưu ảnh của mắt.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

Để khắc phục nhược iểm này của kiểu luân phiên ối với tần số thấp ta sử dụng chuyển

mạch ngắt quãng. Bởi vì những chỗ ứt quãng trong từng vết ngắn tới mức không thể nhìn

thấy ược, khiến cả hai dạng sóng tín hiệu ều ược hiện hình một cách liên tục, dễ dàng cho

việc quan sát so sánh.

Ưu iểm của chế ộ quét xen kẽ là dao ộng ồ ổn ịnh khi quan sát những tín hiệu có tần

số nhỏ, nhưng nhược iểm là tốc ộ chuyển mạch làm việc phải lớn, do ó không phù hợp khi

quan sát những tín hiệu có tần số lớn.

Hình 4.12 - Minh họa các chế ộ quét

4.3 ĐÂY ĐO DÙNG CHO Ô-XI-LÔ

Dây o (Probe) ược sử dụng ể ưa các tín hiệu vào máy o nói chung hay Ô-xilô nói

riêng. Dây o thường ược cấu tạo gồm ầu dò (thường là ầu móc vào iểm o trong mạch), các

phân tiền xử lý (phân áp, hoặc khuếch ại,…), cáp dẫn ồng trục, và connector chuẩn BNC.

Dây o cũng có vai trò quan trọng và ảnh hưởng lớn ến sai số của phép ó.

Có 2 dạng dây o chính:

+ Dây o thụ ộng.

+ Dây o tích cực.

4.3.1 Đây o thụ ộng trở kháng cao

Chế ộ quét tuần tự (

Alt

(

)

Chế ộ quét xen kẽ

Chop

)

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

Hình 4.13 - Hình ảnh của dây o thụ ộng

Dây o thụ ộng trở kháng cao thường có 2 chế ộ làm việc: Không suy giảm (vị trị x1)

và có suy giảm (vị trí x10 – làm suy giảm tín hiệu vào 10 lần). Sơ ồ tương tương của dây

o loại này trong các trường hợp như Hình 4.14.

(a) Dây o không suy giảm (vị trí x1)

(b)- Dây o có suy giảm (vi trí x10)

Hình 4.14 - Sơ ồ tương tương dây o thụ ộng có khâu suy giảm (x1|x10)

Sơ ồ tương ương của dây o thụ ộng có suy giảm x10 có cấu trúc như 2 khâu phân áp

(xem Hình 4.14-(c)). Hệ số phân áp ược xác ịnh như sau:

H Ui Z1 Z2

Uth Z2

Nếu chọn R1.C1=Ri.C2 thì: H

=> R1=9.Ri

Ri 1

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

4.3.2 Dây o tích cực

Dây o tích cực thường ược tích hợp thêm các bộ khuếch ại tín hiệu, hay bộ biến dòng

vào ầu o iện áp. Các dạng dây o dòng như Hình 4.15 và Hình 4.16.

Hình 4.15 – Dây o dòng dùng iện trở Shun

Một bộ chuyển ổi tạo ra iện thế ầu vào tỷ lệ với dòng trong mạch iện sử dụng thì ược

gọi là "Đầu dò dòng iện". Một iện trở và một ầu dò iện thế 1:1 như Hình 4.15 và chúng là

phương thức sử dụng ở trạng thái chắc chắn. Tuy thế việc xen iện trở vào mạch iện sử dụng

có một vài bất lợi. Sự tạo ra sụt áp ủ lớn trước iện trở tương ứng trong Ô-xi-lô sẽ có bất lợi

ảnh hởng ến sự vận hành mạch iện và phải kết nối ầu ra ất của máy dò tới mạch iện ở iểm

dòng iện ược giám sát. Sử dụng ầu dò vi sai sẽ cho phép o dòng vào và ra của nút mà nó

không ược nối ất.

Đầu dò dòng iện thực hiện ược nếu sử dụng biến áp có hiệu quả, cho iện trở nhỏ vào

mạch iện sử dụng Hình 4.16, ặt úng vào ầu dò một biến áp có cuộn dây thứ cấp n

vòng

cáp iều khiển ầu dò 50 mà ầu cuối ví dụ iện trở 50 nối tới ầu vào Ô-xi-lô. Dòng iện ược

o trong mạch sử dụng ược dẫn qua cuộn dây sơ cấp 1 vòng, khi nó phụ thuộc vào biến áp,

phương pháp này không ược o dòng iện DC, i, e... nó bị ghép AC. Phương trình cho biến

áp ược trình bày rõ ràng như sau:

(1) i

= i

(2) Độ nhạy của ầu dò là R

V/A.

(3) Điện trở của cuộn sơ cấp dĩ nhiên là R

Khi biến áp ầu dò dòng iện sử dụng chiều mạch iện trên dây nối trong mạch iện sử

dụng, iên trở R

ược biểu diễn thêm vào dây mà ảnh hưởng tải của dòng iện o không

thể là cuối cùng.

Đáng tiếc là ầu dò chế tạo thường xuyên gặp tình trạng số các vòng quấn của cuộn

thứ cấp máy biến áp là không rõ ràng, nhưng có thể ưa lại iện trở ầu cuối và ộ nhậy, số

vòng cuộn thứ cấp có thể tính toán dễ dàng.

Đầu vào máy hiện sóng

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

Đầu dò dòng iện thực hiện với việc sử dụng "hiệu ứng lớn" hoặc một "bộ tự dao ộng

lớn", lấy tức thời cường ộ qua nam châm trong lõi biến áp phát sinh ra một tín hiệu iện thế,

ược khuếch ại và ưa tới ầu vào Ô-xi-lô. Phương pháp này ể o dòng DC nhưng nó có hạn

chế khi o tín hiệu tần số tương ối thấp.

Đầu dò dòng iện ghép phối hợp với một biến áp và một bộ tạo ộng lớn ưa vào một

khối tích phân và phối hợp các ầu ra ể cung cấp những ặc trưng nhất của hai kiểu ó. Độ

rộng băng o ược có giá trị xấp xỉ 50MHz. Trong kiểu này dò dòng iện biến áp có một oạn

dây ngắn qua lõi biến áp và dây này ược xen vào nhánh của mạch iện sử dụng cần o. Có

kiểu sắp ặt lõi biến áp ưa vào hai phần di chuyển ược song biến áp có thể có phạm vi xung

quanh các vòng dây, nó ược tách rời ầu kia. Tỷ số vòng dây biến áp và ộ nhạy ầu dò có thể

thay ổi bởi hai vòng hoặc nhiều vòng của dây mang dòng iện qua biến áp. Cộng hoặc trừ

dòng iện trong các nhánh khác nhau của mạch iện sử dụng có thể thực hiện bằng sự liên

kết các dòng iện ồng thời qua ầu dò dòng iện, nhưng sẽ có vài phép o cặp chéo giữa các

nhánh.

Hình 4.16 - Đầu dò biến ổi dòng

4.4 Ô-XI-LÔ SỐ

4.4.1 Khả năng của ôxilô số

Ôxilô iện tử số có các ưu iểm là:

- Duy trì hình ảnh dạng của tín hiệu trên màn hình với khoảng thời gian không hạn chế.

- Tốc ộ ọc có thể thay ổi trong giới hạn rộng.

- Các oạn hình ảnh lưu giữ có thể xem lại ược ở tốc ộ thấp hơn nhiều, tốc ộ quét có thể

tới 1cm/1h.

- Tạo ược hình ảnh dao ộng ồ tốt hơn, tương phản hơn loại ôxilô tương tự. - Đơn giản

hơn trong sử dụng, vận hành.

- Có thể truyền trực tiếp số liệu của tín hiệu cần quan sát dưới dạng số, ghép trực tiếp

với máy tính hay ược xử lý trong ôxilô.

Đầu vào máy hiện sóng

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

4.4.2 Cấu trúc ô-xi-lô số

Sơ ồ khối cấu tạo của ôxilô (có nhớ) số, ược vẽ cơ bản như Hình 4.17.

Hình 4.17 - Sơ ồ khối nguyên lý cấu tạo Ô-xi-lô số

Khi chuyển mạch S ( ồng trục) có vị trí 1 thì ôxilô làm việc như một ôxilô a năng thông

thường.

Khi chuyển mạch S ặt ở vị trí 2 thì ôxilô làm việc là một ôxilô có nhớ số. Điện áp tín

hiệu cần quan sát ược ưa vào ầu vào Y, tới bộ biến ổi tương tự - số ADC. Tại thời iểm ó

(t1), khối iều khiển gửi một lệnh tới ầu vào iều khiển của bộ ADC và khởi ộng quá trình

biến ổi. Kết quả là iện áp tín hiệu ược số hóa, có nghĩa là bộ biến ổi lấy mẫu dạng tín hệu

ở nhiều iểm và biến ổi giá trị tức thời của biên ộ tại mỗi iểm thành giá trị mã nhị phân tỷ

lệ với biên ộ ó. Tại thời iểm kết thúc quá trình biến ổi, bộ ADC gửi tín hiệu kết thúc tới bộ

iều khiển.

Mỗi số nhị phân ược chuyển tới bộ nhớ và ược nhớ ở vị trí ô nhớ riêng biệt. Bởi vì

ây là bộ nhớ không linh hoạt (cố ịnh – nonvolatile memory) nên nó có thể lưu trữ lượng

lưu trữ lớn các số nhị phân với bất kỳ ộ dài thời gian nào. Khi cần thiết, một lệnh từ khối

iều khiển có thể làm cho các số nhị phân này ược sắp xếp theo chuỗi lại theo thứ tự ã xác

ịnh và ược ưa tới bộ biến ổi DAC. Bộ biến ổi số - tương tự sẽ biến các giá trị nhị phân

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

thành iện áp tương tự, và iện áp này ược ưa qua bộ khuếch ại Y và tới cặp phiến làm lệch

Y của ống tia iện tử.

Do bộ nhớ ược liên tiếp quét nhiều lần trong một giây nên màn hình ược sáng liên tục

và hiện lên dạng sóng là hình vẽ các iểm sáng, biểu thị dạng sóng cần quan sát.

Để ạt ược một ường sáng liên tục, còn có thể có thêm một mạch nội suy (làm mượt) giữa

bộ DAC và bộ khuếch ại Y.

Một iểm hạn chế của ôxilô có nhớ số vừa mô tả trên là dải tần bị hạn chế, do tốc ộ

của bộ biến ổi ADC thấp (thông thường hiện nay, ôxilô có nhớ số có dải tần 1-10 MHz).

Gần ây, các ôxilô có nhớ số có dải tần rộng ược phát triển nhờ có cài ặt

microprocessor, các bộ biến ổi ADC có tốc ộ biến ổi nhanh hơn, kỹ thuật số hóa mới hơn,

cách nội suy và phương pháp thể hiện tín hiệu.

Một loại ôxilô có nhớ khác ược trình bày như Hình 4.18.

Hình 4.18 - - Sơ ồ khối nguyên lý cấu tạo Ô-xi-lô số sử dụng Vi xử lý

Sơ ồ Hình 4.18 khác với sơ ồ Hình 4.18 ở chỗ bộ dao ộng quét thực sự là bộ biến ổi

DAC kênh X, ược iều khiển từ số liệu của Vi xử lý. Đầu ra bộ DAC tạo ra iện áp nhảy bậc,

sao cho sự nhảy bậc thang không khác biệt qúa nhiều so với iện áp bậc thang ược tạo từ bộ

dao ộng quét tương tự.

Với ADC loại 10 bit, số bước nhảy là 2

=1024. Toàn bộ oạn iện áp ra ược chia thành

1023 bước riêng biệt, và sự lệch ngang của tia iện tử thực tế là tỷ lệ theo thời gian. Tốc ộ

biến ổi DAC và bộ iều khiển quét quyết ịnh tốc ộ quét cực ại. Tốc ộ quét có thể iều chỉnh

ược bằng việc thay ổi số ến ầu vào số của bộ DAC.

Còn tổ hợp các bộ phận phía trên, gồm: ADC, bộ nhớ, và DAC của kênh Y cho phép

khả năng thay ổi trễ của tín hiệu vào hệ thống làm lệch Y trong một giới hạn rộng, ồng thời

nó có thể kết hợp ược với DAC của kênh X, như vậy ảm bảo sự ộng bộ chính xác.

4.5 ỨNG DỤNG ĐO LƯỜNG DÙNG Ô-XI-LÔ

Ô-xi-lô là một loại thiết bị o rất thông dụng và a năng, ngoài chức năng hiển thị dạng

tín hiệu trên màn hình còn cho phép o các tham số của nó. Mỗi loại Ô-xi-lô khác nhau có

cách iều chỉnh khác nhau ể thực hiện phép o, tuy nhiên về cơ bản chúng ều có những

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

nguyên lý o giống nhau. Để hiểu rõ hơn các phép o dùng Ô-xi-lô bài giảng có giới thiệu

một loại Ô-xi-lô tương tự cụ thể và hướng dẫn cách thực hiện phép o theo Ô-xi-lô ó.

+ Giới thiệu về 1 loại ô-xi-lô tương tự 2 kênh dùng CRT 1 tia

CRT

- Núm INTENSITY: iều chỉnh ộ sáng của dao ộng ồ trên màn hình.

- Núm FOCUS: iều chỉnh ộ hội tụ của chùm tia iện tử, thay ổi ộ nét của dao ộng

ồ.

KÊNH LỆCH ĐỨNG Y (CH1 và CH2)

- Vert. Mode: Thay ổi chế ộ hiển thị

- Chuyển mạch kết nối ầu vào: gồm AC, GND, DC.

• Khi chuyển mạch ặt ở AC: chỉ có thanh phần xoay chiều của tín hiệu ược hiển thi trên

màn.

• Khi chuyển mạch ặt ở DC: cả thành phần xoay chiều và 1 chiều của tín hiệu ược hiển

thị trên màn.

• Khi chuyển mạch ặt ở GND: tín hiệu GND ược ưa vào lối vào của MHS.

- Núm VOLTS/DIV thay ổ hệ số phân áp của kênh Y.

- VAR: Thay ổi hệ số khuếch ại của mạch tiền KĐ

Chú ý: khi tính biên ộ của tín hiệu dựa vào số ô tương ứng với biên ộ của tín hiệu

cần tính và hệ số volts/div, cần iều chỉnh núm VAR (màu ỏ nằm phía trên núm volts/div

về vị trí chuẩn (CAL) của nó (xoay theo chiều kim ồng hồ về vị trí tận cùng).

- Núm X-Y: ấn nút này ể chuyển sang chế ộ khuếch ại, ảnh trên màn hình là hình

Lixazu. Chú ý: thông thường trong chế ộ này thì chuyển mạch SOURCE lựa chọn tín

hiệu ưa vào kênh X, chuyển mạch VERTICAL MODE lựa chọn tín hiệu ưa vào kênh Y.

- Núm POS↕ ể dịch ảnh trên màn theo chiều dọc.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

KÊNH LỆCH NGANG X

- Núm Time/Div: thay ổi chu kỳ quét thích hợp.

- VAR SWEEP: Thay ổi liên lục thời gian quét thuận

Chú ý: khi tính chu kỳ của tín hiệu dựa vào số ô trong 1 chu kỳ và hệ số time/div,

cần iều chỉnh núm VARWSEEP về vị trí chuẩn (CAL) của nó (xoay theo chiều kim ồng

hồ về vị trí tận cùng).

- Núm POS←→ Khi chuyển mạch ặt ở ể dịch ảnh trên màn theo chiều ngang.

- Núm HOLD OFF: kết hợp với việc iêu chỉnh chuyển mạch SOURCE ể iều

chỉnh ồng bộ.

ĐỒNG BỘ VÀ KÍCH KHỞI

- Núm TRIG LEVEL: Điều chỉnh mức kích khởi

- Chuyển mạch COUPLING: lựa chọn chế ộ kích khởi.

• AUTO: chế ộ kích khởi ộng tự ộng. Tín hiệu quét ược tạo ra khi không có tín hiệu kích

khởi phù hợp và tự ộng trở lại hoạt ộng quét có kích khởi khi có tín hiệu kích khởi phù

hợp.

• NORM: chế ộ kích khởi bình thường, tín hiệu quét chỉ ược tạo ra khi có tín hiệu kích

khởi phù hợp.

• TV-V: phạm vi băng thông kích khởi là DC-1khz

• TV-H: phạm vi băng thông kích khởi là 1khz-100khz

- Chuyển mạch SOURCE: Nguồn tín hiệu ồng bộ

• CH1: tín hiệu từ kênh CH1 trở thành nguồn kích khởi không quan tâm ến việc lựa chọn

ở chuyển mạch VERTICAL MODE.

• CH2: tín hiệu từ kênh CH2 trở thành nguồn kích khởi.

• Khi CM ở vị trí CH1 hoặc CH2 ta có ồng bộ trong (tự ồng bộ).

• LINE: tín hiệu xoay chiều từ lưới iện dược dùng làm nguồn kích khởi ( ồng bộ với lưới

iện, tần số 50Hz).

• EXIT: tín hiệu kích khởi lấy từ ầu nối EXIT TRIG ( ồng bộ ngoài).

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

4.5.1 Đo tham số tín hiệu iện áp

Hình 4.19 - Đo tham số của tín hiệu iện áp U(t)

Giả sử sử dụng Ô-xi-lô tương tự 2 kênh ể o tham số của tín hiệu iện áp. Đưa tín hiệu

iện áp cần o U(t) (giả sử là dạng iện áp hình sin) vào ầu vào kênh CH1 hoặc CH2 của Ô-

xi-lô. Điều chỉnh Ô-xi-lô ở chế ộ quét trong tuyến tính liên tục và ồng bộ sao cho có ít nhất

một chu kỳ tín hiệu hiển thị trên màn hình với biên ộ ủ lớn và nằm trong giới hạn màn hình

(ví dụ hình ảnh dao ộng ồ như hình Hình 4.19-b). Giả sử các hệ số lệch ứng và ngang của

Ô-xi-lô là: Volts/div = 2mV/div, Time/div=1ms.

+ Đo iện áp ỉnh – ỉnh U

: Dựa vào dao ộng ồ, xác ịnh ộ lệch theo chiều ứng giữa ỉnh

và ỉnh dưới H(div) như hình vẽ.

=H(div) x [Volts/div]

=> U

= 7 div x (2mV/div) = 14 mV

Với U(t) là dạng iện áp hình sin: =>Biên ộ U

/2; giá trị hiệu dụng

U pp

URMS .

2 2

+ Đo chu kỳ T: Dựa vào dao ộng ồ, xác ịnh ộ lệch theo chiều ngang của 1 chu kỳ tín

hiệu L (div) (ví dụ ộ lệch giữa 2 ỉnh liên tiếp.

T=L(div)x[Time/div]

=> f=1/T

+ Đo thành phần 1 chiều U

: có thể thực hiện theo 2 cách sau ây:

- Cách 1: Xác ịnh ví trí ường iện áp 0V (GND) bằng cách ưa chuyển mạch (AC-

GND-DC)->GND, sau ó ưa lại chuyển mạch về vị trí DC, thành phần một chiều chính là

khoảng iện áp giữa ường 0V và ường trung bình của dạng iện áp hiển thị trên màn hình ở

chế ộ DC.

)

(

U(t)

Ch1

Ch2

Ô-xi-lô

(b)

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

- Cách 2: Đưa chuyển mạch (AC-GND-DC)->AC, ánh dấu một ỉnh bất kỳ của dao

ộng ồ, sau ó ưa chuyển mạch về vị trí DC, xác ịnh ộ dịch chuyển của ỉnh ó H(div).

Volts div( ). / - Nếu ỉnh dịch chuyển lên trên

H div

div Volts div( ).

- Nếu ỉnh dịch chuyển xuống

dưới

4.5.2 Đo tần số bằng phương pháp Lissajous

Đo chu kỳ hay tần số bằng phương pháp quét tuyến tính có ộ chính xác không cao

nhất là khi tín hiệu có tần số lớn. Mặt khác phương pháp ó bị hạn chế bởi giới hạn của tần

số quét của Ô-xi-lô, o ó với những yêu cầu phép o tần số lớn với yêu cầu ộ chính xác cao

người ta phải chuyển sang o bằng phương pháp Lissajous (phương pháp quét XY, hay

phương pháp khuếch ại).

Bản chất của o tần số bằng phương pháp là phương pháp so sánh tần số của tín hiệu

chưa biết với một tần số chuẩn ã biết có ộ chính xác cao thông qua hình ảnh của dao ộng

ồ Lissajous. Sơ ồ o của phương pháp này như Hình 4.20.

(a)- Sơ ồ o (b)- Kết quả o

Hình 4.20 - Đo tần số bằng phương pháp Lissajous

Giả sử ta o bằng Lissajous Ô-xi-lô 2 kênh, ta phải iều chỉnh:

+ Tín hiệu cần o tần số:U

 Kênh CH

 Kênh Y +

Điện áp chuẩn U

fch

 Kênh CH

 Kênh X.

+ Điều chỉnh Oxilo làm việc ở chế ộ quét Lissajous (U

 Y

-Y

; U

fch

 X

-X

• Chọn chuyển mạch X-Y

• Vert.Mode  CH

 U

CH1

Kênh Y

• Source  CH

 U

CH2

Kênh X

Ch1

Ch2

Ô-xi-lô

fch

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

+Điều chỉnh các chuyển mạch Volts/div (CH

và CH

);POS-Y (CH

);POS-X ể

nhận ược dao ộng ồ Lissajous nằm chính giữa và trong giới hạn màn hình.

+Thay ổi tần số chuẩn fch ể nhận ược dao ộng ồ Lissajous ổn ịnh trên màn hình.

Xác ịnh f

• Xác ịnh số iểm cắt dao ộng ồ của một cắt tuyến nằm ngang (phương

X) bất kỳ : n

• Xác ịnh số iểm cắt dao ộng ồ của một cắt tuyến thẳng ứng (phương

Y) bất kỳ : n

• Tỷ số giữa tần số của tín hiệu dưa vào kênh X và tần số của tín hiệu ưa vào kênh

Y sẽ lệ nghịch với tỷ số của số iểm cắt dao ộng ồ của cát tuyến theo phương X

và phương Y tương ứng:

fX nY fY

Giả sử kết quả o như Hình 4.20-b, ta có:

fx fCH1 fY nX

fch

fCH2 fX nY

=> f

100.

200MHz n

Phép o tần số bằng phương pháp Lissajous có ộ chính xác bằng với ộ chính xác của tần

số f

, và giới hạn tần số o ược lớn, bằng giới hạn tần số của kênh lệch ứng.

Để việc số iểm cắt dễ dàng, thường iều chỉnh fch sao dao ộng ồ không quá

phức tạp và số iểm cắt dao ông ồ không quá lớn.

4.5.3 Đo góc lệch pha

Giả thiết o ộ di pha của tín hiệu qua 1 mạng 4 cực (M4C) sử dụng Ô-xi-lô 2 kênh.

a. Sử dụng phương pháp quét tuyến tính

Sơ ồ o như Hình 4.21: Điện áp vào hình sin U1(t) ược ưa vào kênh CH1, Điện áp ra

U2(t) ược ưa vào kênh CH2.

+ Điều chỉnh Ô-xi-lô ở chế ộ hiển thị 2 kênh, quét trong tuyến tính liên tục.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

+ Điều chỉnh các hệ số lệch tia và vị trí sao cho nhận ược ít nhất một chu kỳ của các

tín hiệu, biên ộ ủ lớn và nằm trong giới hạn màn hình. Giả sử kết quả hiển thị như Hình

4.22-a.

(a)- Đo bằng phương pháp quét tuyến tính (b) – Đo bằng phương pháp Lissajous

Hình 4.22 - Kết quả o góc lệch pha

b. Sử dụng phương pháp quét lissajous

Sơ ồ o như Hình 4.21: Điện áp vào hình sin U1(t) ược ưa vào kênh CH1, Điện áp ra

U2(t) ược ưa vào kênh CH2. Điều chỉnh Ô-xi-lô ở chế ộ quét Lissajous sao cho:

• U

(t) kênh CH

 kênh Y

• U

(t) kênh CH

 kênh X

Điều chỉnh các chuyển mạch như sau:

• Chọn chuyển mạch X-Y (chuyển sang chế ộ quét lissajous)

• Vert.Mode  CH

 U

CH1

Kênh Y

• Source  CH

 U

CH2

Kênh X

360

Hình 4.21

Sơ ồ o ộ di pha của mạng 4 cực

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

+ Điều chỉnh các hệ số Volts/div (CH

và CH

), POS-Y (CH

), POS-X ể nhận ược

dao ộng ồ Lissajous nằm chính giữa và trong giới hạn màn hình. Dao ộng ồ sẽ có ường

thẳng hoặc ường Elip hay ường tròn.

+ Xác ịnh gốc trung tâm của dao ộng ồ: ưa các chuyển mạch kết nối ầu vào của cả 2

kênh về vị trí GND, trên màn hình sẽ là 1 iểm sáng, dịch chuyển iểm sáng ó về chính giữa

màn hình ( iểm O).

+ Đưa các chuyển mạch kết nối ầu vào về vị trí AC, khi ó sẽ nhận ược dao ộng ồ có dạng

ường thẳng hoặc Elip. Giả sử kết quả là ường Elip như Hình 4.22-b.

+Xác ịnh góc lệch pha: Xác ịnh các khoảng lệch không và cực ại (Y0 và Ym) hoặc (X0

và Xm):

Hình 4.23 – Các cách tính góc lệch pha

Tuỳ theo từng dạng dao ộng ồ mà cách ịnh giá trị khác nhau. Phương pháp này

không xác ịnh ược dấu của góc lệch pha. Muốn xác ịnh ược dấu của hay muốn biết tín

hiệu nào sớm pha hay chậm pha hơn, ta sẽ chuyển sang quan sát rất nhanh ở chế ộ quét

tuyết tính. Các tính góc lệch pha theo dạng dao ồng ồ như Hình 4.23.

sin

arcsin

180

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

(a) – Đặc tuyến của Điốt chỉnh lưu (b)- Đặc tuyến của Điốt ổn áp

Hình 4.25 – Kết quả o

Sơ ồ o mạch o ể vẽ ặc tuyến Vôn-Ampe của Điốt như Hình 4.24.

+ Chọn R1=100 hoặc 1k .

+ Điều chỉnh máy tạo sóng phát ra xung tam giác, iều chỉnh biên ộ xung (khoảng

10V) và mức iện áp một chiều của xung (phím OFFSET) bằng 0V, tần số của xung khoảng

200-500 Hz.

+ Điện áp U

ược ưa vào kênh CH1, Điện áp ra –U

ược ưa vào kênh CH2.

+ Điều chỉnh Ô-xi-lô ở chế ộ quét Lissajous sao cho:

• U

 kênh CH

 kênh Y

• -U

 kênh CH

 kênh X

Điều chỉnh các chuyển mạch như sau:

• Chọn chuyển mạch X-Y (chuyển sang chế ộ quét lissajous)

• Vert.Mode  CH

 U

CH1

Kênh Y

• Source  CH

 U

CH2

Kênh X

4.5.4

Vẽ ặc tuyến Vôn

Ampe của iốt

Ch1

Ch2

Ô-xi-lô

Hình 4.24

–

Sơ ồ mạch vẽ ặc tuyến Vôn

Ampe của Điốt

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

+ Điều chỉnh các hệ số Volts/div (CH

và CH

), POS-Y (CH

), POS-X ể nhận ược

dao ộng ồ Lissajous nằm chính giữa và trong giới hạn màn hình. Dao ộng ồ sẽ có ường

thẳng hoặc ường Elip hay ường tròn.

+ Xác ịnh gốc trung tâm của dao ộng ồ: ưa các chuyển mạch kết nối ầu vào

AC_GND_DC của cả 2 kênh về vị trí GND, trên màn hình sẽ là 1 iểm sáng, dịch chuyển

iểm sáng ó về chính giữa màn hình - iểm (0,0).

+ Đưa các chuyển mạch kết nối ầu vào AC_GND_DC của cả 2 kênh về vị trí DC,

khi ó sẽ nhận ược dao ộng ồ chính là dạng ặc tuyến Vôn-Ampe của Điốt. Giả sử kết quả là

Hình 4.25. Từ dạng ặc tuyến xác ịnh loại Điốt chỉnh lưu hay Điốt ổn áp.

+ Vẽ hoặc chụp ảnh lại dạng ặc tuyến. Dựa vào ặc tuyến xác ịnh ược iện áp thông U

của iôt và iện áp ánh thủng U

của Điốt ổn áp ( ó chính là iện áp ổn áp của loại Điốt này).

4.5.5. Vẽ ặc tuyến ra của BJT

Mắc mạch o ể vẽ ặc tuyến ra của BJT như Error! Reference source not found.-a.

(a)- Sơ ồ o (b)- Kết quả o

Hình 4.26 - Vẽ ặc tuyến ra của BJT + Chọn Rc=100 hoặc 1k .

+ Điều chỉnh máy tạo sóng phát ra xung tam giác, iều chỉnh biên ộ xung (khoảng

20V) và mức iện áp một chiều của xung (phím OFFSET) bằng 0V, tần số của xung khoảng

200-500 Hz.

+ Điện áp U

ược ưa vào kênh CH1, Điện áp ra –U

ược ưa vào kênh CH2.

+ Điều chỉnh Ô-xi-lô ở chế ộ quét Lissajous sao cho:

• U

 kênh CH

 kênh Y

• -U

 kênh CH

 kênh X

Điều chỉnh các chuyển mạch như sau:

• Chọn chuyển mạch X-Y (chuyển sang chế ộ quét lissajous) Vert.Mode 

 U

CH1

Kênh Y

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

• Source  CH

 U

CH2

Kênh X

+ Điều chỉnh các hệ số Volts/div (CH

và CH

), POS-Y (CH

), POS-X ể nhận ược

dao ộng ồ Lissajous nằm chính giữa và trong giới hạn màn hình. Dao ộng ồ sẽ có ường

thẳng hoặc ường Elip hay ường tròn.

+ Xác ịnh gốc trung tâm của dao ộng ồ: ưa các chuyển mạch kết nối ầu vào

AC_GND_DC của cả 2 kênh về vị trí GND, trên màn hình sẽ là 1 iểm sáng, dịch chuyển

iểm sáng ó về chính giữa màn hình - iểm (0,0).

+ Đưa các chuyển mạch kết nối ầu vào AC_GND_DC của cả 2 kênh về vị trí DC,

khi ó sẽ nhận ược dao ộng ồ chính là dạng ặc tuyến ra của BJT. Giả sử kết quả là Error!

Reference source not found.-b.

+ Thay ổi biến trở VR ể vẽ ặc tuyến ra ứng với các giá trị dòng I

khác nhau.

CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP

1. Nêu các tính năng cơ bản của ôxilô?

2. Độ nhạy (hệ số lái tia theo chiều dọc) của một MHS là 20mV/cm cho ta biết iều

gì?

3. Độ nhạy (hệ số lái tia theo chiều dọc) của một MHS là 500mm/V cho ta biết iều

gì?

4. Có nhận xét gì khi quan sát dao ộng ồ trên màn MHS nếu có T

(n nguyên

dương)?

5. Khi MHS làm việc ở chế ộ khuếch ại, bộ tạo quét trong hoạt ộng ở chế ộ quét

liên tục hay quét ợi?

6. Ở MHS 2 kênh dùng ống tia iện tử 1 tia và chuyển mạch iện tử thì khi cần quan

sát tín hiệu cao tần ta nên dùng chuyển mạch iện tử kiểu ngắt quãng hay chuyển

mạch iện tử kiểu luân phiên?

7. Các yêu cầu ể ảnh quan sát có chất lượng cao?

8. Khi nào thì quét ợi ược sử dụng? Nêu vắn tắt khái niệm quét ợi?

9. Khi quan sát tín hiệu trên MHS ôi khi ảnh bị trôi, nháy là do nguyên nhân gì?

Cách khắc phục?

10. Có nhận xét gì khi quan sát dao ộng ồ trên màn MHS nếu có T

b (a,b

nguyên dương)

11. Trong MHS, kênh Z có nhiệm vụ gì?

12. Trong MHS, kênh Y có nhiệm vụ gì?

lOMoARcPSD|36067889

Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)

13. Trong MHS, kênh X có nhiệm vụ gì?

14. Nêu các chế ộ ồng bộ ở MHS?

15. Vẽ sơ ồ khối kênh Y và trình bày nhiệm vụ kênh Y, chức năng của các thành

phần cấu tạo nên kênh Y?

16. Vẽ sơ ồ khối kênh X và trình bày nhiệm vụ kênh X, chức năng của các thành

phần cấu tạo nên kênh X?

17. Nêu tên 3 bộ phận cơ bản cấu tạo nên ống tia iện tử?

18. Nêu nhiệm vụ và cấu tạo của súng iện tử trong ống tia iện tử?

19. Nêu một số ưu iểm của ôxilô iện tử số?

20. Cấu tạo và hoạt ộng của ôxilô iện tử số?

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

CHƯƠNG 5 – CÁC PHÉP ĐO ĐIỆN CƠ BẢN

5.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Đo iện áp, o cường ộ dòng iện, o iện trở là những phép o cơ bản ược sử dụng nhiều

không chỉ trong kỹ thuật mà trong cả cuộc sống hàng ngày. Các tham số này có thể ược o

trực tiếp, gián tiếp và so sánh.

Phương pháp o trực tiếp: dùng các dụng cụ o tương ứng như Vôn mét ( ể o iện áp),

Ampe mét ( ể o dòng iện), Ôm mét ( ể o iện trở), kết quả ọc trực tiếp trên dụng cụ o. Dụng

cụ o ơn chức năng ược chế tạo tương ứng với mỗi ại lượng, tên của dụng cụ o thường ược

ạt theo tên của ơn vị o của ại lương o. Hiện nay ể tối ưu việc o cũng như tăng ộ chính xác

cũng như giới hạn o mà người ta có ta chế tạo những dụng cụ o ơn chức năng như vậy ví

dụ; picoampe mét, Megaohm mét, Microohm mét…

Phương pháp gián tiếp: Theo ịnh luật ôm U=I.R, như vậy có thể thực hiện o gián tiếp

các 3 ại lượng iện áp, dòng iện, iện trở thông qua o giá trị của một ại lượng kia trên một ại

lượng mẫu và áp dụng công thức tính toán ể xác ịnh ại lượng cần o còn lại. Ví dụ o dòng

trên một iện trở mẫu sẽ xác ịnh ược iện áp ặt trên iện trở U

cần o

o ược

mẫu

. Nhờ tính chất

này mà hiện nay người ta thường chế tạo các loại dụng cụ o vạn năng cho phép o ược cả 3

ại lượng cơ bản nói trên (Multimeters).

Phương pháp so sánh: Đo iện áp, dòng iện, iện trở bằng cách so sánh với iện áp, dòng

iện, iện trở mẫu tương ứng thông qua các thiết bị so sánh. Ở trạng thái cân bằng, ại lượng

cần o thường bằng với ại lượng mẫu.

Có nhiều phương pháp o iện áp, dòng iện, iện trở khác nhau, phần này sẽ trình bày

tổng quan về các phương pháp và kỹ thuật o iện áp, dòng iện, iện trở.

5.2 ĐO DÒNG ĐIỆN

Phép o dòng iện có phạm vi o rộng (từ vài pA ến và vài MA), dải tần rộng (từ o dòng

1 chiều ến o dòng xoay chiều tần số tới hàng GHz). Tùy phạm vi o và dải tần o lại sử dụng

các phương pháp o khác nhau. Tuy nhiên trong thực tế phép o dòng iện thường chỉ ược

thực hiện ở dải tần tới hàng trăm MHz, còn ở dải tần số siêu cao người ta thường o công

suất.

Dụng cụ o dòng iện ược gọi là Ampe mét (Ampe kế), với ồng hồ vạn năng khi ể chức

năng o dòng thì cũng ược gọi là Ampe mét. Ký hiệu của Ampe mét trong sơ ồ là một vòng

tròn có chữ A ở giữa và có thể thêm ký hiệu các cực dương và âm hai bên cho dòng iện

một chiều:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

Có 2 dạng Ampe mét khác nhau: Ampe mét can thiệp và Ampe mét không can thiệp.

5.2.1 Ampe mét can thiệp

Khi o dòng iện chạy trong một dây iện Ampe mét phải ược mắc nối tiếp với dây iện,

nó sẽ tiêu thụ một hiệu iện thế nhỏ nối tiếp trong mạch iện.

Để giảm ảnh hưởng ến mạch iện cần o, hiệu iện thế tiêu thụ trong mạch của ampe kế

phải càng nhỏ càng tốt. Điều này nghĩa là trở kháng tương ương của ampe mét trong mạch

iện phải rất nhỏ so với iện trở của mạch.

Khi mắc ampe mét vào mạch iện một chiều, chú ý nối các cực iện theo úng chiều

dòng iện. Luôn chọn thang o phù hợp trước khi o: chọn thang lớn nhất trước, rồi hạ dần

cho ến khi thu ược kết quả nằm trong thang o.

Mỗi Ampe mét ều có trong kháng trong, khi do dòng một chiều và xoay chiều tần số

thấp, có thể coi trở kháng của ampe mét là thuần trở Ra

(Hình 5.1-b). Nhưng tần số cao trở

kháng tương ương của ampe mét còn cần phải tính ến các các thành phần iện dung và iện

cảm ký sinh, sơ ồ tương ương như Hình 5.1-a (trong ó: La- iện cảm của cuộn dây, Ca- iện

dung giữa 2 ầu ampe mét, Cd- iện dung giữa 2 ầu ampe mét với ất).

(a) (b) (c)

Hình 5.1 - Trở kháng tương ương của ampe mét.

Để giảm sai số do iện dung ký sinh ở tần số cao người ta mắc ampe mét vào vị trí

nào có iện thế thấp nhất so với ất. Ví dụ như cách mắc ở Hình 5.1-c, trong ó Z

– trở kháng

của nguồn, Z

– trở kháng phụ tải.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

Khi mắc ampe mét vào mạch o bao giờ cũng làm cho dòng iện qua mạch thay

ổi so với giá trị thực I

Ix E

Zn Zt

Sau khi mắc ampe mét vào mạch dòng iện mà ampe mét chỉ thị là:

Io EZtn Z A

Sai số tương ối do ảnh hưởng của trở kháng trong ampe mét ược xác ịnh như sau:

.100 1 Z

.100 %

Zn Za

Để giảm nhỏ sai số tương ối cần chọn ampe mét có trở kháng trong nhỏ.

Để mở rộng thang o dòng iện cho ampe mét ở mạch một chiều và tần số thấp người

ta mắc ampe mét song song với iện trở Shunt với tác dụng phân chia dòng iện. Ở tần số

cao do ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt, Shunt iện trở ược thay bằng Shunt iện cảm, Shunt

iện dung hay biến dòng o lường cao tần.

Các phương pháp cơ bản do dòng iện theo kiểu can thiệp như sau:

- Đo dòng iện dùng cơ cấu o từ iện

- Do dòng bằng phương pháp nhiệt iện

- Đo dòng bằng phương pháp quang iện,

…

a. Đo dòng iện dùng cơ cấu o từ iện

a.1 Đo dòng iện một chiều DC dùng cơ cấu từ iện

Cơ cấu o từ iện làm việc với dòng một chiều, nhưng dòng toàn thang I

khá nhỏ, do

ó phải mở rộng thang o cho phù hợp bằng cách mắc CCĐ song song với iện trở Shunt R

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

(a) – Sơ ồ một thang o (b) – Sơ ồ nhiều thang o kiểu Shunt Ayrton

Hình 5.2 – Sơ ồ thang o dòng một chiều dùng CCĐ từ iện

Sơ ồ thang o dòng một chiều dùng CCĐ từ iện như Hình 5.2-a. Dòng iện o:

= I

+ I

Dòng iện o ược lớn nhất của thang o là I

max

. Khi I

= I

max

thì I

, dó ó iện trở Shunt

ược xác ịnh như sau:

1 , với n

Itt

- hệ số mở rộng thang o.

Với Ampe mét có nhiều thang o thì dùng nhiều iện trở Shunt, thông thương các iện

trở Shunt ược mắc nối tiếp theo kiểu Shunt Ayrton như Hình 5.2-b với 3 thang o là I

, I

, hệ số mở rộng của mỗi thang o là n

(k=1,2,3).

RSk nR

mk 1 , với nk IIttk

+ Thang o I

: R

=R1, R

=Rm+R2+R3. +

Thang o I

: R

=R1+R2, R

=Rm+R3.

+ Thang o I

: R

=R1+R2+R3, R

=Rm.

a.2 Đo dòng iện xoay chiều AC dùng cơ cấu từ iện

Cơ cấu o từ iện chỉ làm việc với dòng một chiều, do o khi o dòng xoay chiều AC

phải biến ổi dòng AC thành dòng DC khi qua CCĐ theo các cách khác nhau như: Dùng

phương pháp chỉnh lưu bằng Điốt, Dùng phương pháp biến ổi nhiệt iện.

Hình 5.1 Dùng phương pháp chỉnh lưu bằng Điốt:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

Ví dụ thang o dòng AC dùng mạch chỉnh lưu ½ chu kỳ như Hình 5.3-a, và dùng

mạch chỉnh lưu cầu như Hình 5.3-b. Xây dựng thang o trị số hiệu dụng của dòng iện xoay

chiều hình sin cho các thang o này. Giả sử dòng iện AC là i

sin t.

Nếu giới hạn của thang o là I

max

, thì khi dòng iện AC có giá trị hiệu dụng I

RMS

max

thì dòng iện trung bình qua CCĐ là i

mtb

Hình 5.3 – Thang o dòng xoay chiều

D im Rm, IttAM2

(a)

(c)

- Tính tại vị trí toàn thang:

Im Imax 2

Im' Itt => Im' .Itt i

mtb

I Rm m' UD

=> RS '

Im Im

(d)

- Tính tại vị trí toàn thang:

Im Imax 2

=> Im' .Itt 2Im' Itt

imtb

I Rm'm

AM4

Rm, Itt

(

I’

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

=> RS '

Im Im

5.2.2. Ampe mét không can thiệp

Ampe mét can thiệp có nhược iểm là cần phải ược lắp ặt như một thành phần trong

mạch iện. Chúng không dùng ược cho các mạch iện ã ược chế tạo khó thay ổi. Đối với các

mạch iện này, người ta có thể o ạc từ trường sinh ra bởi dòng iện ể suy ra cường ộ dòng

iện. Phương pháp o như vậy không gây ảnh hưởng ến mạch iện, an toàn, nhưng ôi khi ộ

chính xác không cao bằng phương pháp can thiệp. a. Đo dòng iện bằng hiệu ứng Hall

Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý ược thực hiện khi áp dụng một từ trường vuông

góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn iện nói chung (thanh

Hall) ang có dòng iện chạy qua. Lúc ó người ta nhận ược hiệu iện thế (hiệu thế Hall) sinh

ra tại hai mặt ối diện của thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng iện chạy qua thanh

Hall gọi là iện trở Hall, ặc trưng cho vật liệu làm nên thanh Hall. Hiệu ứng này ược khám

phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879.

Hiệu ứng Hall ược giải thích dựa vào bản chất của dòng iện chạy trong vật dẫn iện.

Dòng iện này chính là sự chuyển ộng của các iện tích (ví dụ như electron trong kim loại).

Khi chạy qua từ trường, các iện tích chịu lực Lorentz bị ẩy về một trong hai phía của thanh

Hall, tùy theo iện tích chuyển ộng ó âm hay dương. Sự tập trung các iện tích về một phía

tạo nên sự tích iện trái dầu ở 2 mặt của thanh Hall, gây ra hiệu iện thế Hall.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng iện và từ trường là: V

= (I.B)/(d.e.n),

trong ó V

là hiệu thế Hall, I là cường ộ dòng iện, B là cường ộ từ trường, d là ộ dày của

thanh Hall, e là iện tích của hạt mang iện chuyển ộng trong thanh Hall, và n mật ộ các hạt

này trong thanh Hall.

Phương pháp o này sử dụng hiệu ứng Hall tạo ra một hiệu iện thế tỷ lệ thuận (với hệ

số tỷ lệ biết trước) với cường ộ dòng iện cần o.

Hiệu iện thế Hall V gần như tỷ lệ thuận với cường ộ từ trường sinh ra bởi dòng iện,

do ó tỷ lệ thuận với cường ộ của dòng iện ó. Chỉ cần cuốn một hoặc vài vòng dây mang

dòng iện cần o quanh một lõi sắt từ của ầu o là ta có ược từ trường ủ ể kích thích hoạt

ộng của ầu o. Thậm chí ôi khi chỉ cần kẹp lõi sắt cạnh ường dây là ủ.

Hình 5.4 – Sơ ồ o dòng xoay chiều dung hiệu ứng Hall

Sơ ồ mạch iện của một ầu o cường ộ dòng iện sử dụng hiệu ứng Hall. Sử dụng lõi sắt

từ, thanh Hall, bộ khuyếch ại iện, iện trở. Điện thế ra v

tỷ lệ với cường ộ dòng iện vào i

Tuy nhiên hiện tượng từ trễ không tuyến tính trong sắt từ có thể làm giảm ộ chính

xác của phép o. Trên thực tế người ta có thể sử dụng một mạch iện hồi tiếp ể giữ cho từ

thông trong lõi sắt luôn xấp xỉ không, giảm thiểu hiệu ứng từ trễ và tăng ộ nhạy của ầu o,

như trong hình vẽ. Dòng iện hồi tiếp i

ược chuyển hóa thành hiệu iện thế ra v

nhờ bộ

khuyếch ại iện. Tỷ lệ giữa số vòng cuốn trên lõi sắt từ m (thường trong khoảng từ 1000 ến

10000) cho phép liên hệ giữa dòng cần o và dòng hồi tiếp: i

= 1/m.i

Các ưu iểm:

Hiệu iện thế tiêu thụ trên oạn dây cuốn vào ầu o chỉ chừng vài mV.

Hệ thống rất an toàn do ược cách iện với mạch iện.

Hệ thống có thể o dòng iện xoay chiều có tần số từ 0 (tức là iện một chiều) ến 100kHz

Hệ thống này cũng ược ứng dụng trong ồng hồ vạn năng iện tử, hay thậm chí trong

máy hiện sóng.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

b. Đầu dò biến ổi dòng – iện áp dùng biến thế

Khi o dòng iện xoay chiều, nhất là o dòng iện lớn, có

thể dùng ầu dò biến ổi dòng – iện áp dùng biến thế theo

nguyên lý như hình vẽ bên:

n, W

- số vòng dây của cuộn sơ cấp.

I A W1

- số vòng dây của cuộn thứ cấp.

nI.

, n ược gọi là hệ số biến dòng.

* Ampe mét không can thiệp sử dụng ầu dò dòng hiệu hứng hall hoặc ầu dò biến ổi

dòng - iện áp dùng biến thế thường ược chế tạo dưới dạng Ampe kìm (clamp Ampemeter).

(a) (b)

(c): Đầu dò dòng dùng biến áp (d) Đầu dò dòng dùng hiệu ứng Hall Hình

5.5 – Ampe mét kìm (clamp Ampemeter)

5.3. ĐO ĐIỆN ÁP

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

Phép o iện áp có phạm vi o rộng (từ vài V ến và vài kV), dải tần rộng (từ o dòng 1

chiều ến o dòng xoay chiều tần số tới hàng GHz). Tùy phạm vi o và dải tần o lại sử dụng

các phương pháp o khác nhau. Tuy nhiên trong thực tế phép o iện áp thường chỉ ược thực

hiện ở dải tần tới hàng trăm MHz, còn ở dải tần số siêu cao người ta thường o công suất.

5.3.1. Các trị số iện áp

Trong thực tế tín hiệu iện áp biến thiên có nhiều dạng nhau, do ó các trị số iện áp của

nó cũng khác nhau. Phép o iện áp là phép o ể xác ịnh các trị số iện áp này. Giả sử tín hiệu

iện áp tuần hoàn theo chu kỳ T, ví dụ dạng iện áp như Hình 5.6.

Hình 5.6 – Đồ thị tín hiệu iện áp +

Biên ộ iện áp:

- Biên ộ iện áp dương: U

- Biên ộ iện áp âm: U

Nếu iện áp có U

=-U

, thì chỉ cần o biện ộ iện áp U

+ Thành phần iện áp một chiều U

hay U

T t

u t( )dt

+ Trị số iện áp trung bình U

hay U

T t

U u t( )dt

+ Trị số iện áp hiệu dụng U

hay U

RMS

T t

u(t)

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

URMS Uhd T1 t o u t2( )dt

+ Hệ số biên ộ

kb U

RMS

+ Hệ số dạng

URMS

Ví dụ iện áp iều hòa hình sin: u(t)=U

sin t(V). Các trị số iện áp là:

Um+=-Um-=Um

=0 V

URMS U ( )V

( )V

1,11

2 2

Trong khi ó iện áp dạng xung vuông chuẩn có k

=1.

5.3.2. Giới thiệu về dụng cụ o iện áp

Dụng cụ o dòng iện ược gọi là Vôn mét (Vôn kế), với ồng hồ vạn năng khi ể chức

năng o iện áp thì cũng ược gọi là Vôn mét. Ký hiệu của Vôn Ampe mét trong sơ ồ là một

vòng tròn có chữ V ở giữa và có thể thêm ký hiệu các cực dương và âm hai bên cho dòng

iện một chiều:

Khi o iện áp phải ược mắc song song Vôn met với oạn mạch cần o iện áp. Để giảm

ảnh hưởng ến mạch iện cần o, dòng iện trong mạch của Vôn mét phải càng nhỏ càng tốt.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

Điều này nghĩa là trở kháng tương ương của Vôn mét Z

trong mạch iện phải lớn hơn rất

nhiều trở kháng tương ương của oạn mạch cần o iện áp.

Khi mắc Vôn mét vào mạch iện một chiều, chú ý nối các cực iện theo úng chiều iện

áp. Luôn chọn thang o phù hợp trước khi o: chọn thang lớn nhất trước, rồi hạ dần cho ến

khi thu ược kết quả nằm trong thang o.

Mỗi Vôn mét ều có trở kháng trong hữu hạn, khi do iện áp một chiều và xoay chiều

tần số thấp, có thể coi trở kháng của Vôn mét là thuần trở R

(Hình 5.7-b). Nhưng tần số

cao trở kháng tương ương của ampe mét còn cần phải tính ến các các thành phần iện dung

và iện cảm ký sinh, sơ ồ tương ương như Hình 5.7- a (trong ó: L

- iện cảm của cuộn dây,

- iện dung giữa 2 ầu Vôn mét, Cd- iện dung giữa 2 ầu Vôn mét với ất).

(a) (b) (c)

Hình 5.7 - Trở kháng tương ương của Vôn mét

Ví dụ như cách mắc Vôn mét o iện áp trên tải Z

như Hình 5.7–c, trong ó Z

– trở

kháng của nguồn, Z

– trở kháng phụ tải.

Khi mắc Vôn mét vào mạch o bao giờ cũng làm cho iện áp trên tải thay ổi so

với giá trị thực U

U x EZ. t t

Z Zn

Sau khi mắc Vôn mét vào mạch iện áp mà Vôn mét chỉ thị là:

Uo Z ZEZ. t trong ó Zt Z ZZ Zt V V

n t t

Sai số tương ối do ảnh hưởng của trở kháng trong ampe mét ược xác ịnh như sau:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

.100

.100 %

U x1 ZV ZV

Zn Zt

Để giảm nhỏ sai số tương ối cần chọn Vôn mét có trở kháng trong càng lớn càng tốt.

Các Vôn mét dùng trong o lường iện tử ược phân loại căn cứ vào các tính năng sau

ây:

- Dạng chỉ thị: Vôn mét chỉ thị kim hay Vôn mét chỉ thị số.

- Thông số của iện áp o: Vôn mét o iện áp ỉnh, iện áp trung binh hay iện áp

hiệu dụng.

- Dải trị số iện áp o: Micro Vôn mét, Mili Vôn mét hay Kilô Vôn mét.

- Mục ích sử dụng: Vôn mét mẫu ( ể làm chuẩn), Vôn mét xoay chiều, Vôn

mét một chiều, Vôn mét xung hay Vôn mét có tính năng ặc biệt (Vôn mét nhạy pha,

Vôn mét chọn lọc...).

Các phương pháp cơ bản o iện áp:

- Đo iện áp dùng cơ cấu o.

- Do dòng dùng Vôn mét iện tử tương tự, Vôn mét iện tử số.

…

5.3.3. Đo iện áp sử dụng cơ cấu o từ iện

a. Đo iện áp một chiều DC

Cơ cấu o từ iện làm việc với iện áp một chiều, nhưng iện áp toàn thang khá nhỏ

, nên do ó phải mở rộng thang o iện áp cho phù hợp bằng cách mắc CCĐ nối tiếp

với iện trở phụ R

R3 R2 R1 Rm, Itt

Rp Rm, Itt

(a) – Sơ ồ một thang o (b) – Sơ ồ nhiều thang iện áp

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

Hình 5.8 – Sơ ồ thang o iện áp một chiều dùng CCĐ từ iện

Sơ ồ thang o iện áp một chiều dùng CCĐ từ iện như Hình 5.8-a. Điện áp o:

= U

+ U

Điện áp o ược lớn nhất của thang o là U

max

. Khi U

= U

max

thì I

, dó ó iện trở phụ

ược xác ịnh như sau:

Rp R nm ( 1), với n UUmatt x UI Rttmamx - hệ số mở rộng thang o.

Với Vôn mét có nhiều thang o thì dùng nhiều iện trở phụ, thông thương các iện trở

phụ ược mắc theo kiểu nối tiếp như Hình 5.8-b với 3 thang o là U

, U

, hệ số mở rộng

của mỗi thang o là n

(k=1,2,3).

Rpk nR

m1, với nk UUttk I RUtt km

+ Thang o U

: R

=R1.

+ Thang o U

: R

=R1+R2.

+ Thang o U

: R

=R1+R2+R3.

Chú ý: Trong trường hợp I

nhỏ, có thể mắc thêm iện trở Shunt R

song song với

CCĐ ể tăng dòng toàn thang tổng trước khi mắc nối tiếp với các iện trở phụ. b. Đo iện áp

xoay chiều AC dùng cơ cấu từ iện

Cơ cấu o từ iện chỉ làm việc với iện áp một chiều, do o khi o iện áp xoay chiều AC

phải biến ổi iện áp AC thành iện áp DC ặt vào CCĐ theo các cách khác nhau như: Dùng

phương pháp chỉnh lưu bằng Điốt, Dùng phương pháp biến ổi nhiệt iện.

Dùng phương pháp chỉnh lưu bằng Điốt:

Ví dụ thang o dòng AC dùng mạch chỉnh lưu ½ chu kỳ như Hình 5.9-a, và dùng

mạch chỉnh lưu cầu như Hình 5.9-b. Xây dựng thang o trị số hiệu dụng của iện áp xoay

chiều hình sin cho các thang o này. Giả sử dòng iện AC là u

sin t.

Nếu giới hạn của thang o là U

max

, thì khi iện áp AC có giá trị hiệu dụng U

RMS

max

thì dòng iện trung bình qua CCĐ là i

mtb

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

Hình 5.9 – Thang o dòng xoay chiều

(a)

(b)

(c)

- Tính tại vị trí toàn thang:

Um Umax 2

imtb Im Itt => Im .Itt

=> R

(d)

- Tính tại vị trí toàn thang:

Um Umax 2

imtb 2Im Itt => Im .Itt

=> R

5.3.4. Vôn mét iện tử

Khi o iện áp xoay chiều cao tần, thì thiết bị o ược sử dụng nhiều hơn cả là Vôn mét

iện tử, vì vôn-mét iện tử có một số ưu iểm cơ bản như: trở kháng vào lớn, ộ nhạy cao, tiêu

thụ ít năng lượng của mạch iện ược o, và chịu ược quá tải.

Tuy nhiên vôn-mét iện tử cũng có những nhược iểm là cần yêu cầu có nguồn cung

cấp, nguồn cung cấp cần phải ổn ịnh, và ộ chính xác của thang ộ chỉ thị phụ thuộc nhiều

Rm, Itt

AM5

Rm, Itt

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

vào ặc tính thông số của phần tử tích cực như Điốt, BJT, KĐTT,… nên khi thay thế phần

tử này thì thiết bị o có thể bị ảnh hưởng.

Vôn-mét iện tử có nhiều loại, tuỳ theo cấu tạo mà nó có thể dùng ể o iện áp một

chiều, iện áp xoay chiều hay o cả hai loại iện áp này. Cũng tuỳ theo cấu tạo mà kết quả o

ược chỉ thị bằng kim hay chỉ thị bằng số.

a. Vôn mét iện tử chỉ thị kim

Sơ ồ khối rút gọn của Vôn mét iện tử chỉ thị kim như Hình 5.10. Cũng như các máy

o thông số tín hiệu khác, thiết bị vào ở ây thường gồm các phần tử ể biến ổi iện áp o ở ầu

vào, như bộ phân áp, suy giảm và mạch khuếch ại ệm vào ể tăng trở kháng vào của vôn-

mét.

Chức năng o iện áp sau khuếch ại một chiều DC sẽ ược thực hiện ở mạch o và chỉ

thị bằng cơ cấu o chỉ thị kim, CCĐ từ iện ược sử dụng phổ biến nhất trong trường hợp này.

Hình 5.10 – Sơ ồ khối rút gọn của Vôn mét iện tử chỉ thị kim

Khối tách sóng có nhiệm vụ biến ổi iện áp xoay chiều thành iện áp 1 chiều trị số

trung bình tỉ lệ với trị số iện áp nào ó của iện áp xoay chiều. Có các cách phân loại mạch

Tách sóng như sau:

- Theo trị số iện áp hay theo dòng iện ra của bộ tách sóng: Tách sóng ỉnh (biên ộ),

Tách sóng hiệu dụng hay Tách sóng trung bình.

- Theo chế ộ tách sóng: chế ộ A, chế ộ B hay chế ộ C.

- Theo mạch iện tách sóng: Tách sóng mạch Điốt, Tách sóng dùng Transistor,… -

Theo cấu tạo mạch vào tách sóng: Tách sóng mạch vào óng hay tách sóng mạch vào

mở.

- Theo ặc tuyến tách sóng: Tách sóng ường thẳng hay tách sóng bậc hai.

Trong phần này, ta sẽ xét bộ tách sóng của vôn-mét theo cách phân loại ầu tiên, vì

nó tương ối tổng quát và phù hợp với cách phân loại các loại vôn-mét hơn. b. Vôn mét

iện tử chỉ thị số

Sơ ồ khối rút gọn của Vôn mét iện tử số như Hình 5.11. Về cơ bản Vôn mét iện tử

số cũng có khác khối chức năng như Vôn mét iện tử chỉ thị kim, chúng chỉ khác nhau ở

Mạch

vào

Khuếch

ại AC

Tách

sóng

Khuếch

ại DC

CCĐ

Mạch

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

phần o iện áp U

sau khuếch ại một chiều. Trong Vôn mét iện tử số iện áp một chiều này

ược biến ổi sang tín hiệu số nhờ ADC và ược tính toán và giải mã bằng mạch số hoặc sử

dụng vi xử lý/ vi iều khiển ( P) rồi kết quả o ược hiển thị số sử dụng các cơ cấu chỉ thị số.

Hình 5.11 – Sơ ồ khối rút gọn của Vôn mét iện tử số

Bộ biến ổi ADC (biến ổi tương tự - số) là một bộ phận quan trọng của Vôn mét iện

tử số, nó thực hiện tất cả mọi thao tác ể biến ổi một tín hiệu biến ổi liên tục theo thời gian

thành một số hữu hạn trong một hệ thống ã cho. Thường là khâu nối giữa bộ phận nguồn

tin và xử lý tin trong hệ thống o lường số nói chung.

Thông thường, quá trình biến ổi của ADC là quá trình:

- Tạo iện áp chuẩn: Điện áp chuẩn ví dụ như là tập hợp các giá trị khác nhau

của một iện áp ổn ịnh, hay iện áp biến ổi tuyến tính theo thời gian.

- Thực hiện so sánh: Điện áp tương tự cần biến ổi với iện áp chuẩn.

- Tạo mã số: Thực hiện do bộ ếm xung hay trực tiếp do các khối thuật toán

thực hiện.

Các thông số của bộ biến ổi ADC:

- Tốc ộ biến ổi.

- Độ chính xác biến ổi: Có sai số do nguyên lý biến ổi và sai số do dụng cụ

biến ổi.

- Dải biến ổi: Biên ộ tín hiệu vào từ cực tiểu ến cực ại.

Ngoài ra còn có: ộ nhạy, ộ tin cậy, khả năng biến ổi nhiều kênh, iện trở vào, kích

thước...

Phân loại các bộ biến ổi ADC

Có nhiều cách phân loại, ở ây chúng ta sẽ chủ yếu hai cách:

- Theo ại lượng tương tự: Thời gian -số, iện áp - số...,

- Theo thuật toán biến ổi: Đếm nối tiếp, mã theo từng bít, ếm song song.

Nói chung, khi phân tích mạch cụ thể thì thường phân loại theo ại lượng biến ổi và

kết cấu mạch. Khi tổng hợp mạch một cách tổng quát thì theo thuật toán hay phương pháp

biến ổi.

Khuếch

ại DC

Mạch

vào

Khuếch

ại AC

Tách

sóng

ADC

Tính toán

và giải mã

(

Hiển thị

số

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

Trong o lường thường sử dụng loại ADC tuyến tính, ộ phân giải cao, iển hình nhất

là loại ADC thời gian xung hay còn gọi là ADC tích phân: ADC tích phân 1 sườn dốc và

ADC tích phân 2 sườn dốc. Do ộ phân giải cao, khả năng chống nhiễu tốt nên ADC tích

phân 2 sườn dốc ược sử dụng phổ biến nhất trong Vôn mét iện tử số.

Vôn mét số một chiều thời gian xung

Ví dụ sơ ồ khối của Vôn mét số một chiều thời gian xung (Nguyên lý của ADC tích

phân 2 sườn dốc (Dual-slope ADC) Hình 5.12.

+ Nguyên lý làm việc:

- Khi chưa o, khoá S hở (không ở vị trí nạp n hoặc phóng p).

- Quá trình biến ổi ược thực hiện theo 2 bước tích phân sau:

* Bước 1: Tại thời iểm t

, bộ iều khiển ưa ra xung iều khiển ĐK1 ưa khoá S về vị trí

n, iện áp Ux qua mạch vào qua R nạp cho C, nên U

tăng.

* Bước 2: Đến thời iểm t

, bộ iều khiển ưa ra xung iều khiển ĐK2 ưa S về vị trí p và

kết thúc quá trình nạp, C sẽ phóng iện qua nguồn iện áp mẫu (nguồn iện áp không ổi, 1

chiều E

), u

giảm ến thời iểm t

thì u

= 0, bộ so sánh ưa ra xung so sánh U

, xung ĐK2

và xung U

này sẽ ược ưa vào ầu vào thiết lập (S) và xoá (R) của Trigger, kết quả ầu ra

của Trigger là xung vuông có ộ rộng T

tỉ lệ với U

, xung này sẽ iều khiển óng mớ khoá ể

cho phép xung ếm chuẩn qua khoá kích thích cho bộ ếm xung. Giả sử trong thời gian T

có N

xung qua khoá, số xung ếm ược trong khoảng thời gian này cũng tỉ lệ với iện áp một

chiều vào U

. Như vậy số xung N

ược ưa qua mạch giải mã và chỉ thị ể biểu thị kết quả

là iện áp một chiều cần o.

Hình 5.12 – Sơ ồ khối Vôn mét số một chiều thời gian xung

Xác ịnh U

=f(N

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

- Quá trình C nạp:

uC u tc ( )1 RC1 t

12 K Uv. x.dt

: hệ số truyền ạt của mạch vào.

Giả sử trong thời gian biến ổi, U

=const:

Un uC( )t2 0 1 .K Uv. x(t2 t1) K U Tv. x. 1 với T1=t2-

RC RC

- Quá trình C phóng:

( )t

U t

( )

.dt RC

.E t

0 3

( t

)

u t

( )

K U T

1 .E T

với Tx=t

-t

RC RC

U t

( )

0 T

K U T

N T

với Tch là chu kỳ của xung ếm chuẩn.

U x T Ech. 0 .N S Nx 0. x

K Tv. 1

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

với

T E

const , (thường chọn S

=10

với k=0, 1...) K

Tv. 1

+ Giản ồ thời gian:

+ Đánh giá sai số: Kết quả o bị ảnh hưởng bởi các sai như như sau:

- Sai số T

, K

, E

, T

- Sai số lượng tử (do xấp xỉ T

- Sai số do ộ trễ của các Trigger.

- Sai số do nhiễu tác ộng từ ầu vào. Tuy nhiên, với phương pháp tích phân 2

lần, có thể loại trừ hoàn toàn nhiễu chu kỳ nếu chọn T

=n.T

với T

là chu kỳ của

nhiễu.

5.4. ĐO ĐIỆN TRỞ

Đo iện trở cũng là một phép o iện cơ bản thường ược thực hiện cùng với các phép o

iện áp và o dòng iện. Các phương pháp o trở kháng nói chung, o iện trở nói riêng sẽ ược

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

trình bày trong chương 9, nên trong phần này chỉ tập trung trình bày một ứng dụng của

phương pháp Vôn-ampe ể xây dựng thang o iện trở sử dụng cơ cấu o từ iện - một thang o

ược sử dụng khá phổ biến trong các dụng cụ o vạn năng (MultiMeter).

Theo ịnh luật Ôm: R

, nếu U

=const thì o I

sẽ xác ịnh ược R

như vậy

có thể xây dựng ược thang o iện trở trên cơ sở sử dụng thang o dòng iện sử dụng CCĐ từ

iện, và thang o ược khắc ộ theo ơn vị o iện trở . Thang o iện trở theo phương pháp này

có thể ược xây dựng theo sơ ồ mắc nối tiếp hoặc song song, trong phần này chỉ trình bày

sơ ồ mắc nối tiếp như Hình 5.13.

max

Hình 5.13 – Sơ ồ một thang o iện trở kiểu nối tiếp

Sơ ồ thang o có sử dụng thang o dòng mA có nội trở R

, giới hạn thang o I

max

, nguồn

pin E

=const, có nội trở R

, biến trở iều chỉnh R

+ Khi chưa o, ể hở 2 ầu que o a và b, tương ứng với R

= , dòng iện qua mA bằng

không, góc quay của kim chỉ thị 0 A, vị trí này ược khắc ộ .

max

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

+ Khi bắt ầu o, nối tắt 2 que o a và b, ứng với R

=0 , dòng qua mA ạt giá trị cực ại

max

và góc quay của kim chỉ thị ạt giá trị cực ại, vị trí này khắc ộ 0 . Do ó nếu kim chỉ thị

lệch khỏi vị trí 0 trên thang khắc ộ thì ta phải iều chỉnh biến trở R

ể kim chỉ úng 0 , khi

ó: I A Imax

=> (R

)

I max

+ Khi o nối R

vào 2 ầu que o a và b, lúc này dòng qua mA là I

- Phương trình khắc ộ thang o

I A I A Imax

Như vậy có thể khắc ộ thang o theo ơn vị o iện trở tương ứng từ thang o dòng iện với

phương trình khắc ộ thang o như trên. Tuy nhiên thang o iện trở theo phương pháp o dòng

là thang o phi tuyến. Để xây dựng thang o iện trở tuyến tính thì phải sử dụng nguồn dòng

=const, o iện áp U

ể xác ịnh iện trở R

: U

Trong thực tế thang o iện trở trong các dụng cụ o vạn năng sử dụng CCĐ từ iện ược

xây dựng theo nguyên lý o dòng có thể ược mắc theo cách trình bày ở trên hay theo các

cách mắc khác như: R

như một iện trở Shunt ược mắc song song với CCĐ hay mắc nối

tiếp với CCĐ rồi mới mắc song song với iện trở Shunt.

5.5. THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ VẠN NĂNG (MULTIMETERS)

Thiết bị o iện tử vạn năng hay còn gọi là Đồng hồ vạn năng (Multimeters) là một lại

dụng cụ o iện cơ bản a chức năng ược dùng khá phổ biến, có các chức năng cơ bản là o

dòng iện, o iện áp, và o iện trở ngoài ra có một số ồng hồ còn có thể o tần số dòng iện, iện

dung tụ iện, kiểm tra iốt, kiểm tra Transistor lưỡng cực... Đồng hồ vạn năng ược thiết kế

trên cơ sở chức năng o cơ bản là o dòng iện hoặc o iện áp, và từ ó xây dựng thêm các chức

năng o khác. Có 2 loại ồng hồ vạn năng ó là: Đồng hồ vạn năng tương tự (hay còn ược gọi

tắt là VOM – Volt-Ohm-Milliammeter), và ồng hồ vạn năng số (DMM – Digital

Multimeter). 5.5.1. Đồng hồ vạn năng tương tự - VOM

a. Chức năng

Đồng hồ vạn năng tương tự thường có các chức năng o như sau:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

• Đo iện áp một chiều: DCV

• Đo giá trị hiệu dụng của iện áp xoay chiều: ACV.

• Đo cường ồ dòng iện một chiều: DCA

• Đo iện trở:

Ngoài ra có một số ồng hồ còn có thêm chức năng khác như:

• Đo iện dung tụ iện

• Kiểm tra iốt, kiểm tra Transistor lưỡng cực…

VOM thường ược cấu tạo từ 1 cơ cấu o từ iện, và sử dụng các mạch o khác nhau sẽ

tạo thành chức năng o và thang o khác nhau, sử dụng chuyển mạch ể chọn chức năng o và

thang o, và thang chỉ thị của CCĐ ược khắc ộ phù hợp với mỗi chức năng và thang o tương

ứng.

VOM trong thực thế rất a dạng, Hình – là ví dụ về hình ảnh của các các VOM có

trong thực tế.

Sơ ồ khối tổng quát của một VOM ơn giản như hình vẽ,

Hình 5.14 - Đồng hồ vạn năng tương tự - VOM

b. Sơ ồ cấu tạo

5.5.2. Đồng hồ vạn năng số - DMM.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

a. Chức năng

Hình 5.15 – Đồng hồ vạn năng số cầm tay (Handheld DMM)

Hình 5.16 – Đồng hồ vạn năng số ể bàn (Bench DMM)

Đồng hồ vạn năng số DMM có nhiều tính tính năng o nổi bật hơn ồng hồ vạn năng

tương tự, cũng có các chức năng o cơ bản như của VOM như:

• Đo iện áp một chiều

• Đo giá trị hiệu dụng (trị số ỉnh hoặc trung bình) của iện áp xoay chiều.

• Đo cường ồ dòng iện một chiều

• Đo trị số hiệu dụng (trị số ỉnh hoặc trung bình) cùng dòng iện xoay chiều

Đo iện trở

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

Ngoài ra có một số ồng hồ còn có thêm chức năng nổi bật khác như:

• Đo tần số dòng iện.

• Kiểm tra iốt, kiểm tra Transistor lưỡng cực..

• Kiểm tra nối mạch: máy kêu "bíp" khi iện trở giữa 2 ầu o (gần) bằng 0.

• Hiển thị số thay cho kim chỉ trên thước.

• Có thêm các bộ khuyếch ại iện ể o hiệu iện thế hay cường ộ dòng iện nhỏ, và

iện trở lớn.

• Đo ộ tự cảm của cuộn cảm và iện dung của tụ iện. Có ích khi kiểm tra và lắp

ặt mạch iện.

• Hỗ trợ cho o nhiệt ộ bằng cặp nhiệt.

• Đo tần số trung bình, khuyếch ại âm thanh, ể iều chỉnh mạch iện của radio.

Nó cho phép nghe tín hiệu thay cho nhìn thấy tín hiệu (như trong máy hiện

sóng).

• Dao ộng kế cho tần số thấp. Xuất hiện ở DMM có giao tiếp với máy tính.

• Bộ kiểm tra iện thoại.

• Bộ kiểm tra mạch iện ô-tô.

• Lưu giữ số liệu o ạc và tính toán kết quả.

Trong thực tế có 2 loại DMM ó là DMM cầm tay (Handheld DMM) và loại DMM ể

bàn (Bench DMM). Loại ể DMM bàn thường có tính năng, dải trình o, ộ chính xác, giá

thành cao hơn loại DMM cầm tay. b. Sơ ồ cấu tạo

Hình 5.17 – Sơ ồ khối rút gọn của DMM số.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

Hình 5.18 – Sơ ồ rút gọn của chức năng o iện áp

Hình 5.19 – Sơ ồ rút gọn của chức năng o dòng

Hình 5.20 – Sơ ồ rút gọn của chức năng o iện trở

lOMoARcPSD|36067889

Chương 5 – Các phép o iện cơ bản

Hình 5.21 – Sơ ồ cấu tạo của một DMM trong thực tế

lOMoARcPSD|36067889

Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

CHƯƠNG 6 - ĐO TẦN SỐ, KHOẢNG THỜI GIAN VÀ GÓC LỆCH

PHA

6.0. GIỚI THIỆU CHUNG

Tần số, chu kỳ, các khoảng thời gian, góc pha là các tham số quan trọng của tín hiệu.

Trong kỹ thuật iện tử, thường hay dùng các tín hiệu có phổ tần số rât rộng. Dải phổ tần số

này bắt ầu từ các tần số bằng một vài phần trăm Hz ến hàng trăm GHz. Toàn bộ tần phổ

này có thể chia làm nhiều dải tần số có tính chất khác nhau: Dải tần thấp: < 16Hz

• Dải tần số âm thanh: 16 Hz < f < 20 KHz

• Dải tần số siêu âm: 20 KHz < f < 200 KHz

• Dải tần số cao: 200 KHz < f < 30 MHz

• Dải tần số siêu cao: 30 MHz < f < 3000 MHz

• Dải tần số quang học: > 3GHz

Các dải tần số khác nhau có các phương pháp o tần số khác nhau. Giới hạn dùng và

kỹ thuật o lường các tần số cao tần tăng lên cùng với sự phát triển của kỹ thuật iện tử và

ngày nay ã xác ịnh ược các tần số hàng trăm G

Hz.

Các tham số về tần số:

Xét tín hiệu xoay chiều iều hòa biến thiên theo thời gian: u(t)=U

sin( t+

- Pha của tín hiệu (t)= t+

- Tần số góc - biểu thị tốc ộ thay ổi pha của dao ộng: =

2. . f

- Tần số f – là số dao ộng toàn phần (số chu kỳ) của dao ộng trong 1 ơn

vị thời gian.

- Chu kỳ T – khoảng thời gian nhỏ nhất mà giá trị của tín hiệu lặp lại ộ

lớn của nó (u(t+T)=u(t)), T=1/f.

- Bước sóng - là khoảng không gian của môi trường truyền dẫn dao

ộng ược truyền i trong một chu kỳ:

vT.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

Trong ó v là vận tốc truyền sóng của môi trường. Sóng iện từ lan truyền trong chân

không bằng vận tốc ánh sáng c=3.10

m/s. Với môi trường truyền sóng có hệ số iện

môi tương ối là thì: v

Như vậy f không phụ thuộc vào iều kiện lan truyền, còn phụ thuộc vào vận tốc truyền

sóng trong môi trường truyền dẫn.

Đơn vị o tần số f: Hz, kHz, MHz, GHz, THz,…

Đơn vị o chu kỳ T: s, ms, s, ns, ps,…

Đơn vị o bước sóng : m, mm, m, nm, pm, …

Việc o , f, T, có ý nghĩa như nhau, tuy nhiên ở tần thấp và cao tần thường o , T,

f, ở dải siêu cao tần thường o .

Trong kỹ thuật iện tử, truyền thông phép o tần số ược thực hiện trong các trường hợp

- Cần khắc ộ và chuẩn lại các máy tạo tín hiệu o lường, phát phát, máy thu,..

- Xác ịnh tần số cộng hưởng của mạch dao ộng.

- Xác ịnh dải thông của bộ lọc, mạng 2 cực,…

- Kiểm tra ộ lệch tần số của các thiết bị ang hoạt ộng,..

- …

Ngoài các tham số , f, T, , góc pha cũng là tham số cơ bản của tín hiệu, nó gắn

liền với dao ộng iều hòa: (t)= t+

, trong ó

là pha ban ầu tại thời iểm t=0. Thực tế

góc pha của tín hiệu biến thiên theo thời gian và pha ban ầu cũng thay ổi khi thay ổi gốc

thời gian, do ó phép o pha thường ược thực hiện là phép o góc lệch pha của 2 tín hiệu cùng

tần số.

Giả sử: u

(t)=U

sin(

)

(t)=U

sin(

)

Góc lệch pha giữa u

và u

là =

)t+

Nếu

thì =

=const.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

Với tín hiệu tuần hoàn dạng bất kỳ, thì phép o tần số là phép o tần số của thành phần

sóng hai bậc nhất (thành phần tần số cơ bản) của tín hiệu và phép o góc lệch pha cũng là

góc lệch pha của các thành phần hài bậc nhất, nhưng phổ biến là phép o chu kỳ và ộ lệch

thời gian.

6.1. ĐO TẦN SỐ

Các phương pháp o tần số thông dụng trong kỹ thuật iện tử là:

- Phương pháp so sánh: Dùng ô-xi-lô, Phương pháp ếm xung.

- Phương pháp dùng mạch iện có tham số phụ thuộc tần số: Mạch cầu cân bằng,

Mạch cộng hưởng.

- Phương pháp o tần số bằng phương pháp phóng nạp iện cho tụ.

6.1.1. Đo tần số bằng phương pháp ếm xung

Đặt vấn ề : Một phương pháp khác ể o tần số là phương pháp ếm xung dựa trên cơ

sở các bộ ếm xung. Giả sử nếu ưa 1 sóng xung tới ầu vào của một bộ ếm xung trong một

chu kỳ úng bằng 1s thì bộ ếm sẽ chỉ thị tần số của dạng xung. Phương pháp này hiện ược

sử dụng rất phổ biến ể o tần số. Tần số mét cấu tạo theo phương pháp này còn ược gọi là

máy ếm tần (frequency counter). Sử dụng thiết bị này ể o tần số rất thuận tiện, nhanh chóng,

ộ chính xác cao, ộ nhạy lớn, tốc ộ o lớn, tự ộng hoàn toàn quá trình o, kết quả o hiển thị

dưới dạng số...

a. Máy ếm tần theo phương pháp xác ịnh nhiều chu kỳ

Nguyên lý chung của Máy ếm tần theo phương pháp xác ịnh nhiều chu kỳ là thực

hiện quá trình ếm xung có chu kỳ bằng chu kỳ của tín hiệu cần o tần số trong một ơn vị

thời gian. Sơ ồ khối rút gọn của máy ếm tần này như Hình 6.1.

Hình 6.1 - Sơ ồ khối của máy ếm theo phương pháp xác ịnh nhiều chu kỳ

lOMoARcPSD|36067889

Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

Hình 6.2 – Giải ồ thời gian minh họa hoạt ộng của máy ếm tần

Tín hiệu cần o tần số U

ược ưa vào Mạch vào.

- Mạch vào: Có trở kháng lớn ể không ảnh hưởng ến mạch ra của nguồn tín hiệu và

có khuếch ại dải rộng ể tăng dải tần công tác của máy ếm tần, và có mạch phân áp ể tạo ra

tín hiệu phù hợp ưa vào mạch tạo xung (thông thường là tín hiệu iều hoà có chu kỳ bằng

chu kỳ tín hiệu cần o T

và có biên ộ ổn ịnh không phụ thuộc vào biên ộ và tần số tín hiệu

vào)... hoặc biến ổi tín hiệu tuần hoàn dạng bất kỳ ở ầu vào thành hình sin hoặc xung chuẩn

cùng chu kỳ với tín hiệu cần o.

- Mạch tạo dạng xung: Có nhiệm vụ biến ổi tín hiệu iện áp iều hoà (hay tín hiệu

xung chuẩn có chu kỳ) thành tín hiệu xung ếm ơn cực tính U

(xung nhọn hoặc xung vuông)

có chu kỳ bằng chu kỳ tín hiệu vào T

và có biên ộ, ộ rộng xung, sườn xung phù hợp cho

hoạt ộng của bộ ếm (ví dụ yêu cầu xung vào bộ ếm xung có mức TTL, CMOS...). Khối

này thường ược xây dựng dựa vào mạch Triger Schmitt.

- Bộ tạo xung chuẩn: Tạo ra các xung vuông chuẩn, ơn cực tính có tần số chuẩn f

lớn với ộ chính xác cao, nó thường dùng bộ tạo xung dùng thạch anh, bộ tổ hợp tần số...

- Bộ chia tần: chia tần xung chuẩn f

ể ược các tần số thích hợp ể ưa vào khối tạo

dạng o, thông thường các tần số chia f

/n=10

Hz (k=0,1,-1,2, -2...), ví dụ tần số

lOMoARcPSD|36067889

Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

10kHz, 1kHz, 100Hz, 10Hz, 1Hz, 0.1 Hz,... tương ứng với các tần số này là các chu kỳ

chuẩn: 0,1ms; 1ms; 10ms, 100ms, 1s, 10s, …

- Khối tạo dạng o: Tạo xung iều khiển quá trình o cụ thể là tạo xung vuông gốc thời

gian ể iều khiển khóa K có ộ rộng t=1/f

=10

-k

s - ây là khoảng thời gian xung ếm U

quá

khóa K kích thích cho Bộ ếm. Khối này còn tạo ra xung xóa bộ ếm trước khi bắt ầu quá

trình ếm, và xung chốt ể chốt giữ liệu vào mạch giải mã ngay sau khi kết thúc quá trình ếm

ể giữ lại kết quả cho ến khi có kết quả o mới của lần o tiếp theo.

Nguyên lý hoạt ộng của máy ếm tần này còn ược minh họa qua giản ồ thời gian dưới

Hình 6.2.

Trong thời gian có xung o U

, khóa K sẽ ược mở, khi ó chuỗi xung ếm chu kỳ T

qua

khóa ể kích thích cho bộ ếm, giả sử trong khoảng thời gian gốc thời gian t này số xung

ếm ược là N

t T N

x x

fX NX NX. n NX.10k Hz

t f

Như vậy số xung ếm ược N

tỉ lệ với tần tần số tín hiệu vào, số xung này ược ưa qua

bộ giải mã và kết quả là tần số cần o f

ược hiện thị dưới dạng số thập phân bằng cơ cấu

chỉ thị số sử dụng LED7 oạn hay LCD.

Phương pháp trên có ộ chính xác khá cao, tiệm cận ược tới ộ chính xác của tần số

chuẩn f

và thường dùng ể chế tạo tần số mét cao tần.

Các nguyên nhân gây sai số và cách khắc phục.

Có các nguyên nhân gây sai số chủ yếu của máy ếm tần như sau:

+ Sai số của xung chuẩn .

fch

Khắc phục: Sử dụng bộ tạo dao ộng có ộ ổn ịnh cao như dùng bộ tạo dao ộng thạch

anh, thường xuyên kiểm chuẩn, hiệu chỉnh thiết bị.

+ Sai số do ộ trễ của các mạch Tạo dạng xung, Khối tạo xung o, Khóa K, ngoài ra

còn do nhiễu xung tác ộng nên tại thời iểm mà các khối mạch này chuyển trạng thái sẽ bị

xê dịch thời iểm của iện áp tín hiệu khi vượt qua mức không, do ó ộ dài của xung ược tạo

ra sẽ khác với yêu cầu nên gây ra sai số trong quá trình ếm xung.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

Khắc phục: Chống nhiễu, bọc kim tạo lồng Fara ây ể tránh tác ộng của iện từ

trường ngoài...

+ Sai số do sự không ồng bộ giữa xung mở cổng và chuỗi xung ếm trong khoảng thời

gian bằng ộ rộng xung cửa có thể làm cho số lượng xung ếm ược lớn hơn hay bé hơn 1

xung ếm so với giá trị thực, phụ thuộc vào thời iểm óng mở cổng, sai số của t là T

. Sai

số này còn ược gọi là sai số 1 xung, sai số này còn gọi là sai số lượng tử, sai số này càng

có ảnh hưởng lớn khi tần số o càng thấp, nghĩa là số lượng xung ếm

Nx giảm do ó sai số tương ối tăng, Khi o tần số cao N

tăng do ó sai số tương N

ối giảm, ây là loại sai số này ặc biệt riêng cho thiết bị o số.

Sai số này là sai số do phương pháp o và phương pháp số hoá gây ra có tính chất

ngẫu nhiên, ta không thể loại bỏ hoàn toàn mà chỉ có khả năng nghiên cứu làm giảm tối

thiểu nó.

Khắc phục sai số lượng tử:

- Tăng thời gian o t ể tăng N

nhưng khi o ở tần số thấp thì thời gian o sẽ kéo dài,

do ó ở tần số thấp chủ yếu dùng phương pháp o xác ịnh một chu kỳ như trình bày ở phần

sau.

b. Máy ếm tần theo phương pháp xác ịnh một chu kỳ

Nguyên lý chung của máy ếm tần theo phương pháp xác ịnh một chu kỳ (phương

pháp xác ịnh theo chu kỳ) là thực hiện ếm số xung chuẩn tần số xác ịnh f

trong khoảng

thời gian tỉ lệ với chu kỳ T

của tín hiệu cần o. Sơ ồ khối rút gọn của máy ếm tần này như

Hình 6.3.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

Hình 6.3 - Máy ếm tần theo phương pháp xác ịnh một chu kỳ.

Hình 6.4 – Giản ồ thời gian minh họa hoạt ộng của máy ếm tần

Phương pháp xác ịnh một chu kỳ ngược với cách o tần số theo phương pháp xác ịnh

nhiều chu kỳ ở trên. Về nguyên tắc cấu tạo của các khối trong sơ ồ của máy ếm tần này

cũng tương tự như ở máy ếm tần theo phương pháp xác ịnh nhiều chu kỳ. Khác nhau ở ây

là xung ếm là dãy xung chuẩn T

. Thời gian o t thường lấy bằng n.T

. Nguyên lý hoạt

ộng của máy ếm tần theo phương pháp o này ược minh hoạ rõ hơn qua giản ồ thời gian sau

ở Hình 6.4.

Tín hiệu U

ưa qua Mạch vào tới Bộ tạo dạng xung ể tạo ra xung nhọn có chu kỳ

. Xung này sẽ iều khiển Bộ tạo dạng xung o ể tạo ra xung o iều khiển óng mở khóa K

có ộ rộng t = n.T

(ví dụ n = 1).

Trong thời gian có xung o t, xung ếm chuẩn U

qua khoá kích thích cho bộ ếm

xung. Giả sử ếm ược N

xung thì số xung N

này sẽ ược ưa qua mạch giải mã và chỉ thị ể

ạt ược kết quả là chu kỳ cần o hoặc tần số cần o (nếu máy ếm tần có sử dụng Vi xử lý).

Ta có:

t nT.

T N

ch x

, với T

là chu kỳ xung ếm chuẩn

lOMoARcPSD|36067889

Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

=> Tx Tch N x n

s với k = 0, 1, 2,...=> .T

.N s

Nếu chọn n

Hoặc: f

, việc giải mã kết quả là tần số cần o là khá phức tạp do ó sử N

dụng các bộ vi xử lý hay vi iều khiển nếu muốn hiển thị kết quả là tần số cần o.

Đánh giá sai số: Có các nguyên nhân gây sai số chủ yếu của máy ếm tần này như sau:

+ Sai số của xung ếm. Sai số của nguồn tín hiệu tần số chuẩn .

fch

+ Sai số do ộ trễ của các mạch tạo dạng xung, mạch tạo xung o, khóa.

+ Sai số lượng tử . Sai số do sự không ồng bộ của xung cửa và xung ếm. N

Trong khoảng thời gian bằng ộ rộng xung cửa có thể làm cho số lượng xung ếm ược lớn

hơn hay bé hơn 1 xung ếm so với trị số trước, nó tùy thuộc vào thời iểm óng mở cửa xung.

Sai số này bằng: t=±T

Để giảm sai số lượng tử có thể tăng thời gian o n.T

Một phương pháp khắc phục sai số lượng tử là tăng tần số f

nhưng lại bị hạn chế

bởi giới hạn tần số cao của mạch khóa, mạch ễm. Để mở rộng phạm vi o tần số người ta

sử dụng các bộ chia tần của tín hiệu cần o và tăng thời gian xung mở cổng.

Để thực hiện ược các phương pháp hay sử dụng ể giảm nhỏ sai số 1 hay nâng cao

ộ chính xác là sử dụng máy êm tần cài ặt vi xử lý và sử dụng phương pháp ếm nội suy, sẽ

ược xét trong phần sau.

c. Máy ếm tần cài ặt vi xử lý (Microprocessor).

Trong nhiều thiết bị o số có sử dụng Vi xử lý ể nâng cao tốc ộ, ộ chính xác cũng như

tăng sự linh hoạt, mềm dẻo của thiết bị o... Nguyên lý máy ếm tần có cài ặt Vi xử lý có thể

ược thực hiện như sau, minh hoạ bằng giản ồ thời gian như Hình 6.5.

Tín hiệu cần o tần số f

ược biến ổi thành chuỗi xung nhọn có chu kỳ T

lOMoARcPSD|36067889

Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

Hình 6.5 – Giản ồ thời gian minh hoạt hoạt ộng của máy ếm tần cài ặt Vi xử lý

Tín hiệu iều khiển cổng thứ nhất t

ược tạo ra từ phần tạo xung iều khiển khóa,

trong khoảng thời gian này ếm ược n xung T

và ghi giữ giá trị này trong bộ nhớ. Như vậy

’

=n/ t

cần o, do có sai số 1.

Cùng ồng thời tiến hành với quá trình trên, 1 xung iều khiển cổng thứ 2 ược tạo ra

nhưng sườn trước của xung này trùng với xung ếm thứ nhất trong thời gian t

và sườn

sau của nó trùng úng với xung T

ầu tiên xuất hiện ngay sau sườn sau của xung iều khiển

. Độ rộng của xung iều khiển thứ 2 này là t

=n.T

, xung này iều khiển mở khóa ể xung

ếm có chu kỳ chuẩn T

qua cổng kích thích cho bộ ếm thứ 2, kết quả là trong thời gian t

ếm ược N xung

, giá trị này cũng ược ghi giữ lại trong bộ nhớ.

t2 nT. x n f. ch do ó f x n

.fch

Như vậy: N

lOMoARcPSD|36067889

Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

Tch Tch fx N

Thực tế cũng còn sai số 1 khi o khoảng thời gian n.T

bằng chu kỳ xung chuẩn T

và sai số tuyệt ối 1 trong trường hợp này là:

= T

, sai số tương ối là:

Tch Tch fx .Tch .

t2= t2 nT. X n

Theo nguyên tắc tính sai số trong trường hợp o gián tiếp, sai số o f

là:

, sai số này chỉ phụ thuộc vào sai số của f

và t1 và ộc

lập

với tần số của tín hiệu cần o f

, nó cũng là hằng số trên toàn bộ các thang o tần số. Trên cơ

sở nguyên lý o như trên sơ ồ khối của máy ếm tần có cài ặt vi xử lý như Hình 6.6.

Sơ ồ khối của máy ếm tần có cài ặt vi xử lý

Hình 6.6 - Sơ ồ máy ếm tần có cài ặt vi xử lý.

Mạch

vào

Mạch

khóa1

Tạo dạng

xung

Bộ

ếm 1

Thiết bị

hiển thị

Mạch cổng

kiểm tra

Microp-

rocessor

AND1

NOT

AND1

Tạo xung

ếm

Mạch

khóa 2

Bộ ếm 2

lOMoARcPSD|36067889

Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

Tín hiệu cần o tần số f

ược ưa qua các mạch vào và tạo dạng xung ể tại ra dãy xung

nhọn ưa vào mạch cổng 1. Xung iều khiển cổng t

(=1s)

ược ưa ra từ Vi xử lý ể iều khiển

mở cổng 1 cho xung ếm T

kích thích cho bộ ếm 1, kết quả ếm ược n xung và giá trị n này

ược ghi giữ lại trong bộ nhớ.

Mạch cổng kiểm tra tạo ra xung iều khiển cổng t

, xung này xuất hiện khi có xung

nhọn ầu tiên vào chân 1 và kết thúc xung khi có xung nhọn ầu tiên xuất hiện ở chân 2.

Xung này iều khiển mở cổng 2 cho xung ếm chuẩn T

ược tạo ra từ bộ tạo xung ếm qua

cổng kích thích cho bộ ếm 2, kết quả ếm ược N xung, giá trị này cũng ược lưu vào bộ nhớ.

Vi xử lý thực hiện phép tính f

n .f

, kết quả ược hiện thị số trên màn hình

hiển thị sử dụng màn tinh thể lỏng LCD hay LED 7 oạn...

Ngoài ra Vi xử lý còn cho phép tự ộng chọn thang o, ịnh vị trí dấu phảy, ơn vị o...

hay mở rộng phạm vi o, chức năng o lường của thiết bị (chu kỳ, tần số, khoảng thời gian...).

6.1.2. Đo tần số bằng phương pháp dùng mạch cộng hưởng

Phương pháp này chủ yếu dùng ể o tần số cao và siêu cao.

Nguyên tắc chung: dựa vào nguyên lý chọn lọc tần số của mạch cộng hưởng. Sơ ồ

nguyên lý o của phương pháp này như Hình 6.7. Khối cơ bản của tần số mét theo phương

pháp này là Mạch cộng hưởng. Mạch này ược kích thích bằng nguồn tín hiệu cần o tần số

cần o thông qua Khối ghép tín hiệu. Việc iều chỉnh ể thiết lập trạng thái cộng hưởng nhờ

dùng Khối iều chuẩn. Hiện tượng cộng hưởng ược phát hiện bằng Khối chỉ thị cộng hưởng.

Khối này thường dùng Vôn mét tách sóng ỉnh. Thang o tần số có thể ược khắc ộ trên thang

chia ộ của khối iều chuẩn.

Tuỳ theo dải tần số mà cấu tạo của mạch cộng hưởng khác nhau. Có 3 loại mạch cộng

hưởng:

- Mạch cộng hưởng có L, C tập trung.

- Mạch cộng hưởng có L, C phân bố.

- Mạch cộng hưởng có L phân bố, C tập trung.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

Hình 6.7 – Sơ ồ nguyên lý phương pháp o tần số dùng mạch cộng hưởng

a. Tần số mét cộng hưởng có tham số tập trung

Sử dụng mạch cộng hưởng L-C, trong ó C và L ều là các linh kiện có thông số tập

trung. Bộ phận iều chỉnh cộng hưởng chính là tụ biến ổi C có thang khắc ộ theo ợn vị tần

số.

Tín hiệu cần o tần số U

ược ghép vào mạch cộng hưởng thông qua cuộn ghép Lg.

Mạch chỉ thị cộng hưởng là mạch ghép hỗ cảm giữa cuộn dây L

và L và sử dụng mạch

tách sóng bằng Điốt kết hợp với Vôn mét một chiều dùng CCĐ từ iện ể xác ịnh biên ộ iện

áp trên cuộn L

Khi o ta ưa U

vào và iều chỉnh tụ C ể mạch cộng hưởng. Khi ó cơ cấu o sẽ chỉ thị cực

ại.

fx 1

2 LC

Tần số mét loại này thường dùng trong dải sóng: 10 kHz 500 MHz, sai số khoảng từ

0,25% ến 3%.

Hình 6.8 – Tần mét sử dụng mạch cộng hưởng có tham số tập trung

Mạc

cộng

hưởng

Chỉ thị

cộng

hưởng

Khối ghép

tín hiệu

Điều

chuẩn

Chỉ thị

kết quả

Tụ iều

chỉnh

Chỉ thị cộng

hưởng

lOMoARcPSD|36067889

Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

b. Tần số mét cộng hưởng có tham số phân bố dùng ống dẫn sóng

Mạch cộng hưởng là một oạn ống dẫn sóng, có thể là loại ống dẫn sóng chữ nhật hay

ống dẫn sóng tròn, một ầu ược ngắn mạch, ầu kia ược ngắn mạch bởi Piston P có thể iều

chỉnh dọc theo ống bởi hệ thống róng cưa xoắn ốc ược khắc ộ o tần số. Cơ cấu như vậy tạo

ra hốc cộng hưởng. Tín hiệu siêu cao tần cần o bước sóng ược ghép vào hốc cộng hưởng

thông qua vòng ghép V

. Còn vòng ghép V ghép tín hiệu ra mạch chỉ thị cộng hưởng sử

dụng Vôn mét tách sóng sử dụng CCĐ từ iện. Ví trí các vòng ghép ở gần vị trí nối tắt cố

ịnh ể sao cho các vị trí này gần với vị trí bụng sóng trong quá trình iều chỉnh.

Điều chỉnh Piston ể CCĐ chỉ thị cực ại, như vậy sẽ nhận ược nhiều ví trí khác nhau

của Piston mà khi ó tại V

có cộng hưởng, tại ví trí của V

là bụng sóng. Khi dịch chuyển

Piston với ộ dịch chuyển bằng bội số nguyên lần /2 sẽ ạt các iểm cộng hưởng liên tiếp.

Có thể xác ịnh bước sóng bằng xác ịnh ộ dịch chuyển của Piston tại 2 iểm cộng hưởng lân

cận: l

i+1

-l

= /2

Như vậy có thể khắc ộ thang o bước sóng hoặc tần số trực tiếp trên hệ thống iều chỉnh

của Piston.

Tần số mét với hốc cộng hưởng nay thích hợp với dải sóng nhỏ hơn 3cm.

Do có hệ số phẩm chất cao (khoảng 30000) nên sai số của nó nhỏ khoảng

(0,01 0,05)%.

Hình 6.9 – Tần mét cộng hưởng dùng ống dẫn sóng

lOMoARcPSD|36067889

Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

6.2. ĐO GÓC LỆCH PHA

6.2.1. Khái quát các phương pháp o góc lệch pha

Các phương pháp cơ bản ược sử dụng ể o góc lệch pha giữa 2 tín hiệu cùng tần số:

Phương pháp o dựa vào ồ thị dạng sóng của tín hiệu, Phương pháp biến ổi góc lệch pha

thành iện áp, Phương biến ổi góc lệch pha thành khoảng thời gian.

a. Phương pháp o dựa vào ồ thị dạng sóng của tín hiệu

Phương pháp này thường sử dụng ô-xi-lô ể quan sát ồng thời 2 tín hiệu và dựa vào

dạng sóng này ể xác ịnh góc lệch pha của chúng, hoặc sử dụng chế ộ quét lissajous, dựa

vào dạng dao ộng ồ lissajous ể xác ịnh góc lệch pha. Các cách o này ã ược trình bày trong

chương 4.

b. Phương pháp biến ổi góc lệch pha thành iện áp

(t)=U

sin( t+

)

(t)=U

sin( t+

) Góc lệch pha giữa u

và u

là:

Xét iện áp tổng u

và iện áp hiệu u

-u

Tổng hợp bằng giản ồ Vector ta có biểu thức tính biên ộ của iện áp tổng và hiệu như

Ut2 Um21 Um22 2U Um1 m2 cos

Uh2 Um21 Um22 2U Um1 m2 cos

Chọn Um1 Um2 Um ta có: tg 2 Ut

Giả sử cần o góc lệch pha của 2 tín hiệu u

và u

lOMoARcPSD|36067889

Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

2.arctg

Như vậy nếu o ược biên ộ của iện áp tổng và iện áp hiệu là U

và U

thì sẽ xác ịnh ược

ộ lớn góc lệch pha giữa 2 iện áp .

c. Phương biến ổi góc lệch pha thành khoảng thời gian Nguyên lí

chung:

Biến ổi các iện áp u

và u

có dạng hình sin thành các xung nhọn ơn cực tính tương

ứng U

và U

với các thời iểm mà iện áp biến ổi qua giá trị 0 với giá trị ạo hàm cùng dấu,

nhờ mạch tạo dạng xung.

Xác ịnh khoảng thời gian giữa 2 xung gần nhau của 2 iện áp xung, khoảng thời gian

này tỉ lệ với góc lệch pha của chúng:

2 (rad) hay 360

T T

Mạch

vào 1

Tạo dạng

xung 1

Mạch

vào 2

Tạo dạng

xung 2

Triger

lOMoARcPSD|36067889

Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

Hình 6.10 – Sơ ồ và giản ồ thời gian minh họa phương pháp biến ổi góc lệch pha thành

khoảng thời gian

Để việc xác ịnh tỉ số thuận lợi, ưa xung U

, U

vào các ầu vào thiết lập S

và xóa R của Triger ể tạo ra xung vuông U

có ộ rộng xung , chu kỳ T=T

, biên ộ

=const. Dựa vào xung U

có thể dùng phương pháp tương tự hoặc phương pháp số ể o

tỉ số ó.

+ Phương pháp tương tự:

Sử dụng Vôn mét trung bình ể o trị số iện áp trung bình của U

, khi ó:

=> 360 U

Như vậy có thể khắc ộ thang o góc lệch pha trên thang o của Vôn mét trung bình.

+ Phương pháp số: Đo bằng phương pháp ếm xung, nguyên lý o này thường T

ược sử dụng cho Pha mét số.

6.2.2. Pha mét số

Pha mét số thường ược thiết kế theo phương pháp biến ổi góc lệch pha thành khoảng

thời gian, và các khoảng thời gian này ược o băng phương pháp ếm xung. Sơ ồ khối rút

gọn của Pha mét số theo nguyên lý này như Hình 6.11. Chức năng chính của các khối trong

sơ ồ như sau:

+ Mạch vào: thực hiện tiền xử lý tín hiệu vào, lọc nhiễu, phân áp, tiền khuếch ại,..

+ Tạo dạng xung: biến ổi tín hiệu vào tạo ra các xung nhọn ơn cực tính U

, U

tại

các thời iểm mà iện áp biến ổi qua giá trị 0 với giá trị ạo hàm cùng dấu, chu kỳ xung

T=T

- chu kỳ tín hiệu vào.

+ Trigger: tạo ra xung vuông có ộ rộng và chu kỳ T chính là nhờ U

, U

ược

ưa vào ầu thiết lập S của Trigger, U

ược ưa vào ầu xoá R của Trigger).

+ Tạo xung chuẩn: Tạo xung dùng thạch anh, tạo xung vuông có tần số lớn, ộ chính

xác cao, chu kỳ là T

lOMoARcPSD|36067889

Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

+ Tạo dạng xung o: Tạo xung o có ộ rộng T

iều khiển óng mở khóa K2, và tạo ra xung

xóa bộ ếm, xung chốt mạch giải mã.

Giản ồ thời gian minh họa hoạt ộng của nó như Hình 6.12.

Xung U

từ Trigger sẽ iều khiển óng mở Khoá 1. Mỗi khi có xung, xung ếm U

từ

bộ tạo xung chuẩn sẽ ược ưa qua Khoá 1 và ầu ra của khoá 1 là xung U

- là 1 chuỗi gồm

nhiều nhóm xung chuẩn và ược ưa vào Khoá 2.

Xung o U iều khiển óng mở Khoá 2 trong thời gian có xung o T

lOMoARcPSD|36067889

Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

Hình 6.12 – Giản ồ thời gian minh họa hoạt ộng của Pha mét số

Giả sử có h nhóm xung ược ưa qua Khoá 2 vào kích thích cho bộ ếm xung, tổng số

xung ếm ược là N

, số xung N

này ược ưa qua mạch giải mã và mạch chỉ thị ể hiển thị kết

quả là góc lệch pha cần o.

Ta có góc lệch pha giữa 2 tín hiệu u

(t) và u

(t) là:

360

(n là số xung của 1 nhóm xung, T

là chu kỳ xung chuẩn).

lOMoARcPSD|36067889

Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha

=> nT

và T=T

/h với n

360

Đánh giá sai số: Sai số của máy o do các nguyên nhân sau:

- Do sai số của f

- Do sai số lượng tử: và

h n

- Sai số do ộ không ồng nhất của kênh 1, kênh 2 là Khắc phục:

+ Đưa tín hiệu u

(t) hoặc u

(t) vào cả 2 kênh, giả sử Phamét chỉ thị giá trị là

thì

kết quả o ược hiệu chỉnh lại như sau:

+ Quá trình hiệu chỉnh này có thể ược thực hiện nhờ bộ ếm xung thuận nghịch.

CÂU HỎI ÔN TẬP

1. Nêu khái niệm tần số và tần số góc?

2. Nêu tên các nhóm phương pháp o tần số?

3. Nêu một số ứng dụng của phép o tần số?

4. Nêu tên 2 phương pháp o tần số bằng các mạch iện có các thông số phụ thuộc tần

số?

5. Kể tên 3 thiết bị o tần số bằng phương pháp cộng hưởng?

6. Kể tên 2 phương pháp o tần số bằng phương pháp số?

7. Vẽ sơ ồ khối, nêu chức năng các khối, giản ồ thời gian và nguyên lí làm việc, sai

số của Tần số mét số theo phương pháp xác ịnh nhiều chu kì.

8. Vẽ sơ ồ khối, nêu chức năng các khối, giản ồ thời gian và nguyên lí làm việc, sai

số của Tần số mét số theo phương pháp xác ịnh một chu kì.

9. Trình bày nguyên lí o di pha bằng phương pháp o khoảng thời gian?

Vẽ sơ ồ khối, nêu chức năng các khối, giản ồ thời gian và nguyên lí làm việc, sai số

của pha mét số.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 7 – Đo công suất

CHƯƠNG 7 – ĐO CÔNG SUẤT

7.1. KHÁI NIỆM VỀ ĐO CÔNG SUẤT

Công suất và năng lượng là các ại lượng cơ bản của phần lớn các ối tượng quá trình

và hiện tượng vật lý. Vì vậy việc xác ịnh công suất và năng lượng là một phép o rất phổ

biến. Trong giới hạn của bài giảng này chỉ tập chung vào o công suất tác dụng của tín hiệu

iện tử trên tải hay truyền qua vật dẫn.

7.1.1 Các thành phần công suất

Khái niệm: Công suất là năng lượng iện từ truyền giữa các hệ thống hay giữa các phần

tử của hệ thống trong một ơn vị thời gian.

Công suất tác dụng là năng lượng iện từ trường tiêu thụ trên tải trong một ơn vị thời

gian. Nếu tín hiệu trên tải là tuần hoàn với chu kỳ T, công suất tác dụng ược xác ịnh như

pdt

u t i t( ). ( ).dt

n T.

u t i t( ). (

).dt

T t T t nT. t0

Trong, công suất tức thời p=u(t).i(t), với u(t) và i(t) là trị số tức thời của iện áp và dòng

iện trên tải.

a. Tín hiệu một chiều

+ Công suất tác dụng một chiều trên tải thuần trở:

P=U.I=I

.R=U

/R Trong

ó U, I là iện áp và òng iện một chiều trên tải R. b. Tín

hiệu xoay chiều iều hòa một pha + Công suất tác dụng:

P=URMS.IRMS.cos

Trong ó U

RMS

và I

RMS

là trị số hiệu dụng, còn là góc lệch pha giữa iện áp và dòng iện.

Trị số cos ược gọi là hệ số công suất, biểu thị ặc tính của tải:

cos

là trở kháng tương ương, R

, X

là iện trở và iện kháng của

lOMoARcPSD|36067889

Chương 7 – Đo công suất

tải.

+ Công suất toàn phần: S= U

RMS

+ Công suất phản kháng: Q= U

RMS

.sin c.

Tín hiệu xung

Khi mạch iện công tác ở chế ộ xung, thì cần xác ịnh trị số công suất xung. Trị số công

suất xung là trị số công suất trung bình trong khoảng thời gian tồn tại của xung.

uidt.

Trị số công suất trung bình thì bằng trị trung bình trong khoảng chu kỳ lặp lại của xung:

avg

uidt.

Quan hệ giữa P

và P

avg

là:

Pavg Pp

Trong ó: ược gọi là hệ số tải, hay hệ số lấp ầy (Duty Cycle) T

d. Công suất siêu cao tần

Trong dải siêu cao tần phép o công suất ược sử dụng chủ yếu ể ánh giá năng lượng

của tín hiệu. Trong ó công suất tác dụng chung bình ược sử dụng phổ biến cho các tín hiệu

RF và siêu cao tần, còn khái niệm công suất xung, công suất ường bao ỉnh ược sử dụng

hiệu quả hơn cho các dạng tín hiệu xung của các hệ thống Rada hay hệ thống ịnh vị.

Trong kỹ thuật iện tử, thông tin, giới hạn lượng trình o công suất khá rộng. Từ các

thiết bị có công suất lớn như máy phát, ến các thiết bị có công suất nhỏ như máy thu, máy

lOMoARcPSD|36067889

Chương 7 – Đo công suất

o… . Các thiết bị này có công suất từ 10

-6

W ến 10

W, ở các chế ộ công tác khác nhau, như

chế ộ công tác liên tục hay chế ộ xung.

7.1.2. Đơn vị công suất

Về ơn vị o công suất, ơn vị tuyệt ối là Oát (W); kể cả các ơn vị ước số và bội số của

oát, từ micro oát ( W) tới mêga oát (MW). Ngoài ra trong o lường còn ược dùng các ơn

vị công suất tương ối như êxiben oát, êxiben mili oát… (dbW, dbm …) Đơn vị công suất

tương ối:

dB 10log10 P 10log10 P W[ ]

ref

Trong ó, P là trị số công suất tính bằng W; P

ref

là trị số công suất ban ầu, và thường bằng

1W.

dBm 10log10 P 10log10 P[mW]

ref

1mW

Trong ó, P là trị số công suất tính bằng mW; P

ref

là trị số công suất ban ầu, và thường

bằng 1mW.

Với các ơn vị công suất tương ối này, cho ta khái niệm về so sánh các mức công suất

ở các vị trí khác nhau một cách thuận tiện, nhất là trong kỹ thuật thông tin. Ví dụ nói dải

công suất từ +63dB ến -153dB ngắn gọn hơn là nói dải công suất từ 2x10

W ến 0,5x10

7.1.3 Các nguyên lý o công suất

Việc o công suất trong kỹ thuật iện tử, ngoài iều phải thực hiện với một dải lượng

trình o lớn, ta còn phải thực hiện với một dải tần số o rất rộng. Do ó có nhiều phương pháp

o khác nhau thích ứng với các trường hợp cụ thể ể ạt ược sai số cho phép. Thường thì các

phương pháp o cơ bản tùy thuộc vào khả năng chế tạo thiết bị nên chỉ thích hợp cho sử

dụng trong từng tần oạn. Tuy nhiên, cũng có các phương pháp có thể áp dụng với mọi tần

oạn tùy theo yêu cầu cụ thể của phép o với một mức ộ nào ó.

Ở các mạch iện một chiều, mạch xoay chiều tần số công nghiệp (50Hz, 60Hz), âm

tần, và cả tần số cao tần, thì phép o công suất ược thực hiện bằng phương pháp o trực tiếp

hay o gián tiếp. Đo trực tiếp công suất có thể thực hiện bằng oát-mét. Oát-mét có ộ biến ổi

các ại lượng iện là một thiết bị “nhân” iện áp, và dòng iện trên tải ể sao cho nó ầu ra ược

trực tiếp chỉ thị ại lượng o là: P=U

RMS

cos . Thiết bị nhân này ví dụ như dụng cụ iện

ộng, loại oát-mét dùng bộ biến ổi “Hôn” và loại dùng các bộ nhân iện tử.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 7 – Đo công suất

Đo gián tiếp công suất thì ược thực hiện bằng phép o dòng iện, iện áp và trở kháng.

Phép o công suất bằng vôn-mét và ampe-mét thì ơn giản, song trong nhiều trường hợp,

không thể ược thuận lợi như phương pháp o trực tiếp.

Ở siêu cao tần, o công suất là một trong những phép o cơ bản, chủ yếu ể xác ịnh

thông số ặc tính của tín hiệu. Phép o ược thực hiện bằng các phương pháp biến ổi năng

lượng iện từ thành các dạng năng lượng khác ể o. Các dạng năng lượng khác ví dụ như

quang năng (phương pháp dùng tế bào quang iện), nhiệt năng (phương pháp dùng nhiệt

lượng-mét, iện trở), hay cơ năng (phương pháp dùng tác dụng cơ học của sóng iện tử). Các

phần tiếp theo sau ây sẽ xét tới các phương pháp cơ bản ể o công suất siêu cao tần.

Hiện nay, có một phương pháp o công suất ược dùng nhiều ở tất cả các tần oạn trong

dải tần số trong iện tử là phương pháp dùng hiệu ứng “Hôn” trong chất bán dẫn. Ta cũng

sẽ xét tới phương pháp này.

Độ chính xác của các phép o công suất ở kỹ thuật iện tử, ược coi là cao nếu như sai số

không quá 5%, và là trung bình nếu sai số không quá 25%.

Về mức ộ, thì công suất của thiết bị ược coi là lớn khi có trị số lớn hơn 10W; là trung

bình khi có trị số từ 10W ến 0,1W; và ược coi là bé khi trị số từ 0,1W ên 10

Về cơ bản có hai nguyên lý chung ược sử dụng chủ yếu ể công suất ó là:

+ Nguyên lý o công suất kiểu truyền dẫn (Transmission Type): Thiết bị o công suất

sẽ xác ịnh công suất truyền từ nguồn ến tải thông qua thiết bị o. Bản thân thiết bị o công

suất không hấp thụ hoặc hấp thụ một phần rất nhỏ công suất từ nguồn truyền tới tải. Thiết

bị o công suất ở tần thấp và cao tần thường ược xây dựng theo nguyên lý này.

+ Nguyên lý o công suất kiểu hấp thụ (Absorption Type): Thiết bị o công suất hấp

thụ hoàn toàn hay một phần công suất cần o, nó như một tải hấp thụ công suất của nguồn

công suất cần o. Thiết bị o công suất trong dải siêu cao tần thường ược xây dựng theo

nguyên lý này.

7.2. ĐO CÔNG SUẤT Ở TẦN SỐ THẤP VÀ TẦN SỐ CAO

Vấn ề o công suất ở âm tần và cao tần ít ược quan tâm. Vì khi cần khảo sát mạch iện

hay thiết bị ở âm tần và cao tần, ta có thể thực hiện các phép o lường ơn giản hơn qua các

thông số ặc tính của trường hợp khác như dòng iện hay iện áp. Song cũng có những trường

hợp o trực tiếp công suất thì tiện lợi hơn. Ta sẽ xét tới những phương pháp o công suất ở

âm tần và cao tần hay dùng, ồng thời nó cũng là cơ sở cấu tạo của Oát-mét ở tần oạn này.

Đo công suất ở tần thấp thường sử dụng phương pháp o công suất kiểu truyền dẫn

(Transmision-type), mà ở ó Oát mét ược thiết kế ể ược kết nối giữa tải và nguồn. Nguyên

lý cơ bản ể xây dựng Oát mét tần thấp là sử dụng các phần tử thu nhận dòng (I sense) và

iện áp (V Sense) trên tải và thực hiện các phép xử lý ể xác ịnh công suất tác dụng theo

lOMoARcPSD|36067889

Chương 7 – Đo công suất

công thức tổng quát ã ịnh nghĩa. Nguyên lý này ược minh họa như Error! Reference

source not found..

Hình 7.1 - Nguyên lý cơ bản của Oát-mét tần số thấp Các

phương pháp o công suất tần thấp cơ bản như sau:

- Phương pháp cơ iện: phép nhân ược dựa trên cơ cấu chỉ thị như iện ộng, sắt

iện ộng, tĩnh iện và cảm ứng, trong ó góc quay α của phần ộng là hàm của công suất cần o.

- Phương pháp iện: phép nhân ược thực hiện bởi các mạch nhân tương tự cũng

như nhân số iện tử, tín hiệu ra của nó là hàm của công suất cần o.

- Phương pháp nhiệt iện: sử dụng phương pháp biến ổi thẳng công suất iện

thành nhiệt. Phương pháp này thường ược ứng dụng khi cần o công suất và năng lượng

trong mạch tần số cao cũng như của nguồn laze.

- Phương pháp so sánh: là phương pháp chính xác vì thế nó thường ược sử

dụng ể o công suất trong mạch xoay chiều tần số cao.

7.2.1. Phương pháp cơ iện

Phương pháp này sử dụng cơ cấu o iện ộng hoặc sắt iện ộng ể xây dựng Oát met o

công suất tiêu thụ trên tải một chiều hoặc xoay chiều một pha tần số công nghiệp cũng như

tần số siêu âm ến 15kHz.

Với Oát met iện ộng có thể ạt tới cấp chính xác là 0,01÷0,1 với tần số dưới 200Hz

và trong mạch một chiều, ở tần số từ 200Hz ÷ 400Hz thì sai số o là 0,1% và hơn nữa. Với

Oát met sắt iện ộng với tần số dưới 200Hz sai số o là 0,1 ÷ 0,5 % còn với tần số từ 200Hz

÷ 400Hz thì sai số o là 0,2 % và hơn nữa.

Sơ ồ mạch o công suất trên tải R

sử dụng cơ cấu o iện ộng như Error! Reference

source not found.. Trong ó ở mạch nối tiếp cuộn tĩnh a ược nối tiếp với phụ tải R

. ở

mạch song song cuộn ộng b ược nối tiếp với iện trở phụ R

. Cuộn tĩnh và cuộn ộng ược

nối với nhau ở hai ầu có ánh dấu *.

Phương trình ặc tính tổng quát của cơ cấu iện ộng:

I sense

U sense

Xử lý và hiển thị

Oát mét

lOMoARcPSD|36067889

Chương 7 – Đo công suất

1 2

D T

Trong ó:

i1 ia iL ( và i2 ib u t( )

=> q 1 T iL (t). u t( ) dt Kq .PL S PP.

D T

D R.

Như vậy có thể khắc ộ thang o theo công suất tác dụng trên tải.

Hình 7.2 - Đo công suất bằng Oát met iện ộng

7.2.2. Phương pháp iện

Đo công suất theo phương pháp iện thì phép nhân ược thực hiện bởi mạch nhân iện tử

tương tự và số. Tín hiệu ra của chúng là hàm của công suất cần o.

Các phương pháp o công suất bằng phương pháp iện phổ biến gồm:

- Phương pháp sử dụng mạch nhân tương tự

- Phương pháp dùng chuyển ổi Hall

-Phương pháp iều chế tín hiệu

a. Phương pháp sử dụng mạch nhân tương tự

Như ã trình bày ở trên, nếu muốn o công suất tác dụng trên tải trong trường hợp dòng

iện là iều hòa P=U

RMS

cos . Việc o công suất trên tải có thể thực hiện trực tiếp phép

nhân iện áp và dòng iện trên tải bằng một thiết bị nhân. Một thiết bị mạch

nhân có nhiều ưu iểm và ược phổ biến dùng là thiết bị nhân ược xây dựng từ mạch tính

toán số học ơn giản. Oát met theo phương pháp này có sơ ồ khối như Error!

Reference source not found..

lOMoARcPSD|36067889

Chương 7 – Đo công suất

Hình 7.3 - Sơ ồ khối Oát mét sử dụng mạch nhân tương tự Nguyên

lý của mạch nhân ược xây dựng dựa vào thuật toán sau:

x x1 2 1 x1 x2 2 x1 x2 2

Nếu ở ầu vào mạch iện mà có: x

sin t; và x

sin t , tức là các thành

phần iện áp và dòng iện trên tải, thì ở ầu ra sẽ có iện áp:

4x x

1 2

4U I

m m

sin tsin t

Biến ổi lượng giác tích số trên, ta có:

4x x

1 2

2U I

m m

cos 2U I

m m

cos 2 t

=> x x

1 2

U I

cos

U I

cos 2 t

2 2

x x

1 2

RMS

cos

U I

cos 2 t

Ở ây, iện áp ược o bằng ồng hồ từ iện, song song với ồng hồ có ược mắc tụ iện, nên

trị số chỉ thị của kim ồng hồ là chỉ tương ứng với thành phần một chiều chính là công suất

tác dụng cần o trên tải.

Để có ược phần tử có ặc tuyến bậc hai thì có thể dùng nhiều cách như các phần tử

tách sóng hiệu dụng. Ví dụ như phần ầu của ặc tuyến dòng iện-iện áp của i-ốt hoặc của

tranzito. Nhược iểm của các oát-mét dùng phương pháp nhân bằng ặc tuyến bậc hai là yêu

cầu èn phải có ặc tuyến ồng nhất. Vì vậy nó thường có sai số khi èn có biến ổi ặc tuyến,

như khi èn bị già i, khi èn bị thay thế hay khi có sự thay ổi iện áp cung cấp. Để nâng cao ộ

ộ

ổ

ộ

bình

phương

ộ

ổ

Đồ

ng h

ồ

ừ iệ

ộ ả

ự

ộ ả

ự

ộ

bình

phương

ộ

ổ

(

)

(

)

lOMoARcPSD|36067889

Chương 7 – Đo công suất

chính xác thì iện áp cung cấp cho mạch phải ổn ịnh; nên thường hay thực hiện hồi tiếp

dòng iện.

Sai số của các loại oát-mét này thường vào khoảng 5 10%. b.

Phương pháp o công suất bằng hiệu ứng “Hall”

Đo công suất bằng phương pháp hiệu ứng “Hall” là dùng oát-mét cấu tạo bằng bộ biến

ổi Hall.

Bộ biến ổi Hall là bộ biến ổi dùng hiệu ứng Hall, ó là thiết bị có thể thực hiện ược

phép nhân hai ại lượng. Kết quả biến ổi ược cho dưới dạng iện áp, và là một trị số tỷ lệ với

tích số của hai ại lượng ưa vào bộ biến ổi.

Hình 7.4 - Sơ ồ nguyên lý Oát met dùng biến ổi Hall

Hiệu ứng Hall thực hiện bằng vật liệu bán dẫn thì cho dòng linh ộng lớn. Vì vậy các bộ

biến ổi Hall thường ược cấu tạo bằng các chất bán dẫn (Ge, Si, Se…).

Nguyên lý Oát met dùng biến ổi Hall như Error! Reference source not found..

Cấu tạo của bộ biến ổi Hall gồm một bản mỏng bằng chất bán dẫn ơn tinh thể, có hai cặp

iện cực: cặp dòng iện T-T ược mắc vào nguồn iện một chiều hoặc xoay chiều. Cặp iện áp

X–X. Khi ặt vuông góc với bề mặt chuyển ổi một từ trường thì xuất hiện ở hai ầu X-X một

thế iện ộng gọi là thế iện ộng Hall ược tính như sau:

k Bi

Trong ó:

+ k

: là hệ số mà giá trị của nó phụ thuộc vào vật liệu, kích thước và hình dáng của

chuyển ổi, ngoài ra còn phụ thuộc vào nhiệt ộ của môi trường xung quanh và giá trị của từ

trường.

+ B: là ộ từ cảm của từ trường.

Thực hiện một Oát met bằng chuyển ổi Hall bằng cách ặt chuyển ổi vào khe hở của

một nam châm iện. Dòng iện i qua cuộn hút L của nó chính là dòng iện i qua phụ tải Z

.Còn

lOMoARcPSD|36067889

Chương 7 – Đo công suất

ở hai cực T-T có dòng iện tỉ lệ với iện áp ặt lên phụ tải Z

. Điện trở phụ R

ể hạn chế dòng.

Hướng của từ trường ược minh họa bởi ường chấm chấm như

trong hình vẽ. Nam châm iện ược cấu tạo sao cho quan hệ giữa dòng iện i

và B là tuyến tính:

B k i

k u

u L

Thế iện ộng Hall lúc ó sẽ ược tính:

k k u i

x u

k P. Như vậy e

ược o bằng milivônmet và tỉ lệ

với công suất cần o.

Đặc iểm của Oát met sử dụng chuyển ổi Hall: cho phép o công suất xoay chiều với tần

số ến hàng trăm MHz.

Ưu iểm: không có quán tính, có cấu tạo ơn giản, bền, tin cậy. Nhược

iểm: có sai số do nhiệt ộ lớn.

c. Đo công suất bằng phương pháp iều chế tín hiệu

(a) – Sơ ồ khối (b) – Giản ồ thời gian

Hình 7.5 - Oát met theo phương pháp iều chế ộ rộng xung với iều chế biên dộ xung

Phương pháp iều chế tín hiệu dựa trên việc nhân các tín hiệu u

(tỉ lệ với iện áp

trên tải cần o) và

(tỉ lệ với dòng iện trên tải cần o) trên cơ sở iều chế hai lần tín

hiệu xung. Các tín hiệu tương tự u

và u

ược biến ổi thành tần số, chu

kì, biên ộ, ộ

rộng của tín hiệu xung sau ó lấy tích phân.

Thông dụng nhất là kết hợp giữa các loại iều chế sau ây:

+ Điều chế ộ rộng xung với iều chế biên ộ xung: (ĐRX-BĐX).

lOMoARcPSD|36067889

Chương 7 – Đo công suất

+ Điều chế ộ rộng xung với tần số xung : (ĐRX-TSX).

+ Điều chế tần số xung và biên ộ xung: TSX-BĐX.

Xét Oát met trên phương pháp ĐRX–BĐX: có sơ ồ cấu trúc như Error! Reference

source not found.-a và nguyên lý như Error! Reference source not found.b.

Tín hiệu vào u

ược iều chế thành ộ rộng t của xung (ĐRX) ược phát ra từ máy phát

tần số chuẩn f

=1/T

. Ở ầu ra của iều chế ĐRX có các xung với ộ rộng t

= k.u

, tín hiệu

này sẽ ược ặt vào bộ iều chế biên ộ xung BĐX và ược iều chế biên ộ bằng tín hiệu u

(t).

Khi T

→ 0 thì diện tích của mỗi xung ở ầu ra của bộ iều chế biên ộ tỉ lệ với công suất tức

thời:

S(t) = u

= k.u

Như vậy iện áp ra của bộ tích phân (TP) sẽ có giá trị tỉ lệ với công suất trung bình P.

Sai số của các Oát met sử dụng các cặp iều chế là ở chỗ ộ dài của chu kỳ iều chế bị hạn

chế. Điều này làm cho dải tần bị hạn chế.

Ví dụ: với T

= 5μs và tần số của các tín hiệu vào là 10kHz thì sai số của Oát met iều chế

ĐRX–BĐX cỡ khoảng 0,1%.

Ở Nhật Bản phương pháp iều chế ã ược sử dụng ể chế tạo chuẩn ơn vị công suất iện

trong khoảng tần số từ 40Hz ến 1000Hz có ộ chính xác cao, với sai số hệ thống từ

0,01÷0,2%.

d. Máy o công suất số vạn năng

Máy o công suất vạn năng cho phép o ược ầy ủ 8 ại lưọng iện năng: dòng iện hiệu

dụng (Irms), iện áp hiệu dụng (Urms), công suất hiệu dụng (Watt), công suất phản kháng

(VAR), công suất toàn phần (VA), hệ số công suất (cos ), tần số (f), iện năng. Sơ ồ cấu

trúc của một loại máy o công suất vạn năng ã ược thiết kế chế tạo thử nghiệm ở Việt Nam

như Error! Reference source not found.-b. Máy o công suất vạn năng PMM100 ó cho

phép giao tiếp với người sử dụng qua một màn hình LCD (2x16) và các phím bấm và có

ầy ủ các chức năng o cơ bản của máy o công suất vạn năng như trình bày ở trên.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 7 – Đo công suất

(a) – Cấu trúc máy chung của máy o công suất số vạn năng

(b) - Sơ ồ cấu trúc máy o công suất vạn năng PMM100

Hình 7.6 - Máy o công suất số vạn năng

Thiết bị o công suất PMM100 sử dụng một ADC tích hợp với DSP của hãng Analog

Device. Các số liệu ược thu thập bởi một vi xử lý. Thiết bị giao tiếp với người sử dụng qua

một màn hình LCD và các phím chức năng. Mạch ệm trước khi vào ADC là một Shunt

dòng o dòng iện và một mạch phân áp ể o iện áp. ADC ược sử dụng là ADE7753 của hãng

Analog Device, ây là một IC o iện chuyên dụng ộ chính xác cao, giao tiếp ơn giản với vi

xử lý qua cổng truyền thông SPI và các thanh ghi truyền thông, không cần cách ly iện với

nguồn iện o. Vi xử lý sử dụng là CY8C26443 của hãng Cypress Micro. Đây là một họ vi

xử lý PsoC (Programmable System on Chip) có tính linh hoạt cao, lập trình ơn giản, công

cụ phát triển giá thành thấp.

ADE7753 có ộ chính xác cao, tuân theo tiêu chuẩn IEC61036 và IEC1268.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 7 – Đo công suất

- Có 2 ADC cấu trúc sigma-delta và DSP cho dữ liệu với ộ chính xác cao trong iều

kiện môi trường và thời gian biến ộng mạnh.

- Tích hợp bộ tích phân số nối trực tiếp ược với các sensor dòng ầu ra tỉ lệ với

di/dt.

- Tính các giá trị công suất tiêu thụ, công phản kháng, công suất biểu kiến, giá trị

hiệu dụng của dòng iện, iện áp, Sampled Waveform, với ộ chính xác nhỏ hơn 0,1%.

- Chế ộ chỉ tích luỹ năng lượng dương. Cho phép người dùng ặt mềm ngưỡng sụt

áp, quá iện áp, có khối quản lý nguồn nuôi.

- Cho phép chỉnh ịnh pha và ộ lệch ầu vào.

- Có Sensor o nhiệt ộ trên chip (±30

C).

- Chế ộ truyền thông nối tiếp SPI.

- Chân yêu cầu ngắt và thanh ghi trạng thái ngắt.

- Điện áp chuẩn 2,4V, cho ưa từ ngoài.

- Nguồn nuôi 5V, công suất thấp (25mW).

7.2.3. Phương pháp so sánh

Đo công suất của một nguồn iện ở cao tần, có thể bằng cách so sánh nó với nguồn công

suất dòng iện một chiều hay nguồn dòng iện có tần số thấp.

Ta ã biết phương pháp o công suất dòng iện một chiều hay dòng iện tần số công

nghiệp (50Hz-60Hz); các phương pháp o này thường dễ thực hiện và có ộ chính xác cao.

Ví dụ như o công suất bằng oát-mét iện ộng thì sai số có thể ạt tới (0,1%0,2%).

Phép o so sánh nguồn công suất có thể ược thực hiện bằng nhiều cách. Một trong

các cách này ược dùng thông dụng là so sánh cường ộ sáng của hai èn. Trong hai èn này,

một èn ược nối với nguồn công suất cần o, èn thứ hai ược nối với một nguồn công suất

một chiều hay tần số thấp. Khi ộ sáng của hai èn bằng nhau, iều này có thể xác ịnh ược

nhờ một thiết bị o ánh sáng (quang ộ-mét), hay bằng tế bào quang iện. Khi ã xác ịnh ược

nguồn có công suất dòng iện một chiều, có thể biết ược công suất của nguồn công suất cao

tần cần o.

7.3. ĐO CÔNG SUẤT Ở DẢI SIÊU CAO TẦN

Trong o công suất, ở siêu cao tần, thường có hai nhiệm vụ phải giải quyết:

1. Đo công suất trên tải có phối hợp trở kháng, hay o công suất cực ại ược hấp thụ,

của năng lượng từ một nguồn có công suất cần o. Trong phép o này, tải ược xác ịnh, có trị

số bằng trở kháng ặc tính của ường dây và tải là thuần iện trở. Sơ ồ khối của phép o này

như Error! Reference source not found..

lOMoARcPSD|36067889

Chương 7 – Đo công suất

Khi o, Oát-mét ược mắc với nguồn công suất cao tần cần o thông qua dây truyền tải.

Như vậy công suất hấp thụ trên iện trở tải của oát-mét phụ thuộc vào sự phối hợp của

nguồn công suất cần o không những chỉ phụ thuộc vào cấp chính xác của oátmét mà còn

phụ thuộc cả vào mức ộ phối hợp của ường dây với nguồn và với tải.

Hình 7.7 - Đo công suất hấp thụ

Hình 7.8 - Đo công suất truyền thông

2. Đo công suất ược hấp thụ trên tải bất kỳ hay o công suất truyền thông. Trong phép

o này, công suất o ược là một phần của nguồn công suất cần o. Ví dụ cần o công suất bức

xạ trên anten từ nguồn công suất phát ra của một máy phát; hay công suất ưa tới tầng công

suất cuối của tầng trước cuối của một máy phát… Sơ ồ khối của phép o này như Error!

Reference source not found..

Đo công suất trong dải siêu cao tần thường ược thực hiện theo nguyên lý hấp thụ. Oát

met theo nguyên lý này về cơ bản gồm 2 thành phần ó là:

+ Cảm biến công suất (Power Sensor): Hấp thụ toàn bộ hay một phần tỉ lệ công suất

cần o và biến ổi năng lượng ó thành tín hiệu một chiều hoặc tần thấp tỉ lệ với công suất ã

Tải hấp

thụ

Biến ổi năng

lượng

Xử lý và

chỉ thị

Oát mét

Nguồn công

suất cần o

Sensor

Meter

Tải hấp

thụ

Biến ổi năng

lượng

Xử lý và

chỉ thị

Oát mét

Nguồn

công suất

cần o

Sensor

Meter

Tải

thực

Bộ phận

ghép

lOMoARcPSD|36067889

Chương 7 – Đo công suất

hấp thụ. Có thể coi thiết bị này gồm 2 thành phần chính ó là tải hấp thụ và thiết bị biển ổi

năng lượng.

+ Thiết bị xử lý và chỉ thị (Power Meter): Bao gồm mạch khuếch ại, mạch xử lý cho

phép ánh giá công suất o ược và hiển thị kết quả. Thiết bị này có thể sử dụng chung cho

nhiều loại cảm biến công suất ở các dải tần và dải trình o khác nhau. Thiết bị này có thể

chỉ ơn giản là các máy o tương tự iều chỉnh bằng tay, nhưng hiện nay nó là máy o số nhiều

kênh sử dụng vi xử lý.

Hình 7.9 - Hình ảnh của Oát met ở dải siêu cao tần

Tùy theo phương pháp o mà người ta có các biện pháp biến ổi năng lượng thích hợp và

trực tiếp hay gián tiếp chỉ thị. Đó cũng chính là cơ sở cấu tạo của các loại oát-mét.

Hiện nay trong dải siêu cao tần có 3 loại cảm biến công suất trung bình ược sử dụng

phổ biến ó là: Điện trở nhiệt (Thermistor), Cặp nhiệt iện (Thermocouple), và Bộ tách sóng

bằng iốt (Diode Detector). Mỗi loại cảm biến sử dụng các khác nhau ể biến ổi công suất

sóng RF và siêu cao tần thành tín hiệu một chiều hay tần thấp.

7.3.1. Oát met sử dụng cảm biến iện trở nhiệt a/

Cấu tạo của iện trở nhiệt:

Cấu tạo của Bôlômét: là 1 sợi dây iện trở rất mảnh làm bằng bạch kim hay vônfram,

ược ặt trong bình thuỷ tinh.

Trong bình có chứa khí trơ hay có ộ chân không cao ể giảm sự truyền nhiệt ra môi trường

và tăng tốc ộ ốt nóng dây iện trở. Chiều dài của sợi dây iện trở phải thoả

min

ể sự phân bố dẫn iện trên sợi dây ược ồng ều, ở ây

min

là ộ dài

mãn k:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 7 – Đo công suất

cực tiểu của bước sóng iện từ của nguồn công suất cần o.

+ Quan hệ giữa iện trở của Bôlômét và công suất cần o

+ a.P

: iện trở của Bôlômét khi P = 0; a,b : hệ số tỉ lệ, phụ

thuộc kích thước, vật liệu của bôlômét

+ Dải iện trở của bôlômét: hàng chục ến vài trăm ôm với ộ nhạy (3 12) /mW

Hình 7.10 - Quan hệ giữa iện trở của Bôlômét và công suất cần o Cấu tạo

của Tesmitor: là iện trở cân bằng bán dẫn có hệ số nhiệt âm .

Hai dây bạch kim hoặc iridian có ường kính (20-> 30) c nối với nhau tại hạt cầu

làm bằng bán dẫn, tất cả ược ặt trong bình thuỷ tinh. Điện trở của Tesmitor khoảng (100-

> 3000) .

+ Quan hệ giữa iện trở của Bôlômét và công suất cần o (hình 7.9)

lOMoARcPSD|36067889

Chương 7 – Đo công suất

* So sánh giữa bôlômét và tesmitor:

+ Bôlômét có ưu iểm là dễ chế tạo, ặc tính ít phụ thuộc nhiệt ộ môi trường; nhược

iểm: dễ bị quá tải, kích thước lớn nên hạn chế sử dụng ở oạn sóng cm, Zvào nhỏ nên khó

thực hiện phối hợp trở kháng với ường truyền.

+ Tesmitor có ưu iểm là ộ nhạy cao, ít bị quá tải, trị số R lớn, trị số L,C bản thân nhỏ,

kích thước nhỏ, ộ bền cao; nhược iểm: khó chế tạo, ặc tính phụ thuộc t0 môi trường.

b/ Sơ ồ Oátmét dùng iện trở nhiệt xây dựng trên mạch cầu ơn không cân bằng và

hoạt ộng của nó:

Hình 7.11 - Mạch cầu ơn không cân bằng

Sơ ồ Oátmét ược nuôi bằng nguồn iện áp 1 chiều với chiết áp R

dùng ể iều chỉnh

dòng qua các nhánh cầu, với MicroAmpemet chỉ dòng mất cân bằng trong nhánh chỉ thị.

Ở 1 nhánh cầu ta mắc iện trở nhiệt, Trước khi do cần thay ổi iện trở Tesmitor bằng nhiệt

năng của dòng iện qua chuyển ổi (Điều chỉnh chiết áp R

) ể cầu cân bằng. Lúc này

MicroAmpemet chỉ "0".

Khi có nguồn công suất cao tần tác ộng lên R

làm cho nó giảm R, dẫn tới mất cân

bằng cầu. Lúc này xuất hiện dòng iện qua MicroAmpemet với thang o khắc ộ trực tiếp qua

công suất. Sai số của Oátmét loại này khoảng 10% phụ thuộc chủ yếu vào sự thay ổi nhiệt

ộ môi trường, sự không phối hợp trở kháng của Oátmét với ường truyền và sai số của thiết

bị chỉ thị.

c/ Sơ ồ và hoạt ộng của oát mét xây dựng trên mạch cầu ơn cân bằng.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 7 – Đo công suất

Hình 7.12 - Cầu ơn cân bằng

Trong sơ ồ, A chỉ thị cân bằng cầu, mA cho biết trị số của công suất. Rt mắc vào 1

nhánh cầu ta lựa chọn R

= R

t Px=0

=R.

Khi chưa có nguồn công suất tác ộng lên Rt, tương tự như trường hợp trên ta iều

chỉnh R

trong mạch ể thay ổi R

và thiết lập cân bằng cầu. Ở thời iểm cầu cân bằng, A

chỉ "0", còn mA chỉ dòng iện I

khi có nguồn công suất tác ộng lên R

làm cho R

giảm,

cầu mất cân bằng. Để cầu cân bằng ta phải tăng iện trở bằng cách giảm dòng iện trong

mạch. Ở thời iểm cân bằng mA chỉ I

Qua hai bước iều chỉnh cân bằng cầu, iện trở của Tesmitor không ổi nên công suất tiêu

thụ trên Tesmitor trong 2 bước như nhau do ó:

I R02 t (I 0' )2 Rt Px

4 4

Từ ây ta x ược công suất cao tần P

thông qua 2 trị số dòng iện:

Px Rt (I 02 I 0' 2

) 4

Ưu iểm cơ bản của mạch cầu cân bằng ã xét ảm bảo ược sự phối hợp trở kháng vì

iện trở Tesmitor R

không thay ổi dưới tác ộng của công suất P

ở các thời iểm cân bằng

cầu. Tuy nhiên thang o của mA không khắc ộ trực tiếp theo công suất vì dòng I

luôn thay

ổi theo nhiệt ộ môi trường khi P

=0.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 7 – Đo công suất

d. Oát mét số dùng iện trở nhiệt

7.3.2. Oát met sử dụng cảm biến cặp nhiệt iện

7.3.3. Oát mét sử dụng cảm biến tách sóng dùng Điốt

lOMoARcPSD|36067889

Chương 8 – Phân tích tín hiệu

CHƯƠNG 8 – PHÂN TÍCH PHỔ TÍN HIỆU

8.1. GIỚI THIỆU CHUNG PHÂN TÍCH TÍN HIỆU

8.1.1 Giới thiệu chung về máy phân tích tín hiệu

Các máy phân tích tín hiệu (Signal Analyzers) là những máy o cho phép xác ịnh ặc

tính tần số, thời gian, biên ộ ( iện áp hoặc công suất), hay ặc tính logic của tín hiệu. Như

vậy Ô-xi-lô, máy phân tích logic cũng là máy phân tích tín hiệu. Tuy nhiên trong chương

này chỉ tập trung vào trình bày máy phân tích tín hiệu trong miền tần số bao gồm máy phân

tích phổ (Spectrum Analyzer), máy phân tích dạng sóng (Wave Analyzer), và máy phân

tích méo dạng (Distortion Analyzer).

Hình 8.1 - Hình ảnh máy phân tích phổ trong thực tế

- Máy phân tích phổ là thiết bị o biểu diễn ồ thị phổ của tín hiệu ( ồ thị biên ộ theo

tần số) của tín hiệu trên màn hình.

- Máy phân tích dạng sóng bản chất là Vôn mét chọn lọc tần số với dải thông hẹp ược

iều chỉnh ược cho phép chọn lọc theo một thành phần tần số của tín hiệu trong khi loại bỏ

các thành phần tần số còn lại.

- Máy phân tích méo dạng, ngược với máy phân tích dạng sóng, cho phép xác ịnh

năng lượng trong khoảng tần số ngoài dải tần xác ịnh của tín hiệu.

Trong chương này chủ yếu trình bày về phương pháp xây dựng máy phân tích phổ

cũng như ứng dụng o lường của nó.

8.1.2. Đồ thị phổ của tín hiệu

Từ hơn một trăm năm trước Baron Jean Baptiste Fourier ã chỉ ra rằng bất kỳ dạng tín

hiệu này tồn tại trong thế giới thực có thể ược tạo ra bằng cách cộng những dạng sóng hình

lOMoARcPSD|36067889

Chương 8 – Phân tích tín hiệu

sin. Hay về biểu diễn toán học biếu ổi Fourier là minh chứng của vấn ề này. Ví dụ dưới dây

minh họa dạng sóng ược tổ hợp từ 2 sóng sin

Hình 8.2 – Cộng hai tín hiệu hình sin

Như vậy chúng ta có thể biểu diễn bất kỳ dạng tín hiệu trong thế giới thực nào bằng

một tổ hợp duy nhất của các dạng tín hiệu hình sin. Đồ thị biểu diễn biên ộ của các tín hiệu

hình sin ó theo tần số chính là phổ biên ộ của tín hiệu hay gọi tắt là phổ của tín hiệu. Hình

8.1 biểu diễn mối quan hệ giữa biểu diễn tín hiệu trong miền thời gian và miền tần số. Trong

ó hình (a) là ồ thị 3 chiều của biên ộ, thời gian, tần số biểu diễn riêng biệt các tín hiệu hình

sin theo thời gian ở các tần số khác nhau, hình (b) là dạng tín hiệu ược tổ hợp từ các dạng

tín hiệu hình sin ó, hình (c) biểu diễn biên ộ của các tín hiệu hình sin tổ hợp nên tín hiệu

theo tần số - hay ây chính là ồ thị phổ của tín hiệu, mỗi ường biểu diễn tín hiệu hình sin

trên ó ược gọi là một thành phần tần số của tín hiệu tổng.

Hình 8.1 – Mối quan hệ giữa biều diễn tín hiệu ở miền thời gian và miền tần số

lOMoARcPSD|36067889

Chương 8 – Phân tích tín hiệu

Hình 8.3 – Phổ của một số dạng tín hiệu

Hình 8.3 là ví dụ ồ thị thời gian và ồ thị phổ của một số loại tín hiệu phổ biến.

Trong nhiều trường hợp biên ộ của tín hiệu quá nhỏ, khó biểu diễn và quan sát trên ồ

thị biểu diễn tuyến tính, trong trường hợp này ồ thị phổ có thể ược chuyển sang biểu diễn

theo thang logarit (thang dB) như minh họa trong Hình 8.4, công thức chuyển ổi như sau:

dB=10 lg(P[W]) = 20 lg (U[V])

Hình 8.4 – Biểu diễn ồ thị phổ theo thang tuyến tính và thang logarit (thang dB)

lOMoARcPSD|36067889

Chương 8 – Phân tích tín hiệu

8.2. MÁY PHÂN TÍCH PHỔ

8.2.1. Ứng dụng o lường của máy phân tích phổ

- Máy phân tích phổ cho phép quan sát toàn cảnh phổ biên ộ của tín hiệu, quan sát ồ

thị phổ theo quan hệ bình phương của biên ộ ối với tần số (phổ công suất) rất hiệu quả trong

việc nghiên cứu các tín hiệu tạp âm.

- Máy phân tích phổ còn cho phép o lường các ặc tính và tham số của tính hiệu như:

+ Đánh giá biên ộ, tần số của các thành phần tần số của tín hiệu

+ Đánh giá ộ rộng phổ tín hiệu, sự phân bố năng lượng của tín hiệu theo tần số.

+ Đánh giá ược các thành phần nhiễu, hệ số S/N, ộ méo dạng của tín hiệu,..

+ Đánh giá ược các ặc tính tần số của tín hiệu iều chế: hệ số iều chế, chất lượng iều

chế, EVM, Độ không cân bằng IQ,…

+ Sử dụng như thiết bị chỉ thị, ví dụ như chỉ thị ộ chọn lọc tần số, chỉ thị ộ suy giảm,

chỉ thị ộ di tần của tín hiệu iều chế.

8.2.2. Các nguyên lý máy phân tích phổ

Có một số nguyên lý khác nhau ể xây dựng Máy phân tích phổ.

Nguyên lý 1: Dựa vào phép biến ổi Fourier, tín hiệu liên tục ược số hóa và sử dụng

kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) ể thực hiện biến ổi Fourier nhanh FFT và hiển thị tín hiệu

trong miền tần số.

Hình 8.5 – Sơ ồ nguyên lý máy phân tích phổ dùng biến ổi Fourier

Ưu iểm của nguyên lý là khả năng của nó ể mô tả hiện tượng ơn lẻ, Có thể ánh giá

ược cả pha và biên ộ của các thành phần tần số.

Tuy nhiên, phân tích phổ dùng biến ổi Fourier có một số hạn chế về dải tần số, ộ nhạy,

và dải trình, và thường ược chỉ sử dụng trong các ứng dụng phân tích phổ tín hiệu ở băng

gốc giới hạn tới 40 MHz.

Nguyên lý 2: Kiểu phân tích tín hiệu vector (Vector Signal Analyzer - VSA), dựa vào

nguyên lý 1 nhưng mở rộng cho phép phân tích tín hiệu tần số vô tuyến RF. Sử dụng kỹ

thuật ổi tần ể ưa dải tần tín hiệu xuống dải tần thấp và thực hiện số hóa rồi và sử dụng FFT.

Máy phân tích phổ kiểu VSA này có dải tần tới 6GHz.

Ưu iểm của máy phân tích phổ theo nguyên lý VSA là nhanh, ộ phân giải cao, và ặc

biệt hữu ích cho phân tích ặc tính của các dạng tín hiệu phức tạp như tín hiệu iều chế sử

dụng trong các ứng dụng truyền thông, quảng bá, video, siêu âm,..

lOMoARcPSD|36067889

Chương 8 – Phân tích tín hiệu

Nguyên lý 3: Phân tích phổ dựa vào tính chất chọn lọc tần số của các mạch cộng

hưởng. Như ta ã biết, các mạch cộng hưởng có dải thông tần hẹp (có hệ số phẩm chế khá

cao), thì biên ộ của dao ộng cưỡng bức sẽ cực ại nếu như tần số tác ộng trùng với tần số

cộng hưởng của mạch và biên ộ ó có trị số rất nhỏ khi có lệch cộng hưởng. Như vậy, mạch

cộng hưởng ở ây có tác dụng như một bộ lọc, bộ lọc này có khả năng tách riêng ược các

thành phần tần số khác nhau của tín hiệu trùng với tần số cộng hưởng của mạch và vẽ lại

biên ộ của các thành phần tần số ó trên màn hình tạo thành ồ thị phổ của tín hiệu. Nguyên

lý này cho phép xây dựng các máy phân tích phổ có dải tần làm việc rất cao, hiên nay lên

tới hàng chục GHz. Trong bài giảng này chỉ trình bày máy phân tích phổ ược xây dựng theo

nguyên lý này. Máy phân tích phổ theo nguyên lý này có thể ược xây dựng theo kiểu song

song hoặc nối tiếp. 8.2.3. Máy phân tích phổ song song

a. Nguyên lý chung

Theo nguyên lý phân tích phổ song song sử dụng các bộ lọc cộng hưởng như Hình

8.6.

Giả sử có một hệ thống bộ lọc dải hẹp ược sắp xếp liên tiếp kề sát nhau theo thang

tần số trong dải tần từ f

min

max

. Mỗi ường cong cộng hưởng của bộ lọc ược biểu thị ơn giản

bằng một hình CN, dải thông tần của bộ lọc là f (Hình 8.6-a). Trong dải tần của máy phân

tích phổ có n bộ lọc.

n f

max

f fmin

Nếu tín hiệu ược phân tích có phổ nằm trong dải tần số công tác của bộ lọc trên (Hình

8.6-b) thì khi có tín hiệu vào, mỗi bộ lọc sẽ ược tác ộng ối với riêng từng thành phần phổ

mà tần số của thành phần phổ này tương ứng với tần số của bản thân bộ lọc.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 8 – Phân tích tín hiệu

Hình 8.6 – Nguyên lý máy phân tích phổ song song

Điện áp ở ầu ra của mỗi bộ lọc sẽ tỷ lệ với biên ộ của thành phần phổ tương ứng.

Các iện áp này ược o bởi các Vôn mét (Hình 8.6-c). Từ trị số chỉ thị của các vôn mét và

tần số cộng hưởng của mỗi bộ lọc có thể vẽ lại ồ thị phổ của tín hiệu iện áp nghiên cứu.

Máy phân tích phổ theo nguyên lý này có tốc ộ cao, ộ phân giải thấp, giá thành tăng

cao do cần một số lượng rất lớn bộ lọc nếu dải tần tín hiệu phân tích lớn, nên nó không

thích hợp cho máy phân tích phổ ở tần số cao và siêu cao tần. 8.2.4. Máy phân tích phổ

nối tiếp

a. Nguyên lý chung

(a) (b)

Hình 8.7 – Sơ ồ nguyên lý máy phân tích phổ nối tiếp

Nguyên lý phân tích phổ nối tiếp (hay còn gọi là phân tích phổ kiểu quét) chỉ sử dụng

một bộ lọc cộng hưởng duy nhất và thay ổi tần số cộng hưởng của nó liên tục trong dải tần

làm việc cần quan tâm ể lần lượt tách ược từng thành phần tần số của tín hiệu vào và hiển

thị trên màn hình (ví dụ sử dụng CRT). Hình 8.7 mô tả sơ ồ nguyên lý của máy phân tích

phổ nối tiếp, biểu diễn biên ộ tín hiệu ra của bộ lọc theo tần số cộng hưởng của nó sẽ nhận

ược phổ của tín hiệu vào. Nguyên lý này ược sử dụng phổ biến cho máy phân tích phổ tần

số RF và siêu cao tần.

Máy phân tích phổ theo nguyên lý này có ộ phân giải cao, giá thành thấp nhưng thời

gian o lớn ( ặc biệt là ở máy có ộ phân giải cao) do thời gian áp ứng của bộ lọc lớn, tốc ộ

quét không ược quá nhanh. Như vậy nguyên lý này chỉ thích hợp cho phân tích tín hiệu có

phổ không thay ổi theo thời gian một chu kỳ quét, nhưng không thích hợp phân tích tín

hiệu có thời gian tồn tại ngắn hoặc có phổ thay ổi theo thời gian. b. Máy phân tích phổ nối

tiếp dùng màn hiển thị CRT

Trong thực tế thường sử dụng bộ lọc cộng hưởng có tần số cộng hưởng cố ịnh và sử

dụng nguyên lý ổi tần ể dịch chuyển phổ của tín hiệu vào lần lượt i qua dải thông của bộ

lọc, do ó từng thành phần tần số cũng sẽ ược tách ra và ược hiển thị trên màn hình. Trong

trường hợp này tín hiệu vào thường ược trộn tần với tín hiệu quét tần số. Sơ ồ rút gọn của

máy phân tích phổ nối tiếp theo nguyên lý nay và sử dụng màn hiển thị CRT như Hình 8.8.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 8 – Phân tích tín hiệu

Có thể coi cấu tạo của máy phân tích phổ này gồm 2 phần: Mạch chọn lọc tần số và Điều

khiển hiển thị sử dụng ống tia iện tử CRT (giống như một ô-xilô).

Mạch chọn lọc tần số: có nhiệm vụ lần lượt tách từng biên ộ thành phần tần số của

tín hiệu vào U

và ưa tới kênh lệch ứng Y của khối iều khiển hiển thị, phần này bao gồm

các khối sau:

- Khối mạch vào và phân áp: Nhận tín hiệu cần phân tích phổ vào, thực hiện các phép

tiền xử lý như phối hợp trở kháng, phân áp, tiền khuếch ại,…

- Khối tạo iện áp quét: tạo ra iện áp quét răng cưa tuyến tính liên tục có chu kỳ T

vừa ược ưa tới Khuếch ại X ối xứng của khối iều khiển hiển thị CRT vừa ưa tới khối tạo

tín hiệu iều tần FM.

- Khối tạo tín hiệu iều tần FM: thực hiện iều tần tín hiệu cao tần tự bộ tạo sóng chuẩn

theo iện áp quét răng cưa tuyến tính U

tạo ra tín hiệu iều tần u

có dạng quét tần số:

=(f

min

max

), biên ổi không ổi.

- Bộ lọc cộng hưởng IF: Bộ lọc có chọn lọc tần số cao, cộng hưởng tại tần số trung

tần f

, có dải thông hẹp ( f nhỏ), áp ứng biên ộ tần số này có dạng như Hình 8.9-a.

- Khối trộn tần: trộn tần tín hiệu vào có tần số f

và tín hiệu quét tần số u

FM,

tạo ra

tần số phách, sao cho tần số phách bậc nhất f

-f

lần lượt i qua dải thông của bộ lọc

cộng hưởng.

- Mạch tách sóng ỉnh: Mạch tách sóng ỉnh tín hiệu ra của bộ lọc cộng hưởng, dạng

ường bao biên ộ U

ược ưa tới khối khuếch ại Y ối xứng ể tạo ra iện áp iều khiển cặp lái

ứng Y

của CRT. Hình ảnh dao ộng ồ có dạng như iện áp này.

Mạch

vào và

phân áp

Trộn tần

Bộ lọc

cộng

hưởng IF

Mạch

tách sóng

ỉnh

Tạo tín

hiệu iều

tần FM

(

)

Tạo iện

áp quét

(

)

(

)

(

)

Mạch chọn lọc tần số

lOMoARcPSD|36067889

Chương 8 – Phân tích tín hiệu

Hình 8.8 – Sơ ồ khối rút gọn của máy phân tích phổ nối tiếp dùng CRT

Hình 8.9 – Giản ồ thời gian minh họa hoạt ộng của máy phân tích phổ nối tiếp

Giả sử phổ của tín hiệu vào U

gồm có các thành phần tần số f

, f

,… f

với biên ộ

tương ứng là U

, U

,…U

ví dụ n=3, giản ồ thời gian minh họa hoạt ộng của máy phần tích

phổ nối tiếp như Hình 8.9.

( )t U

sin(

)

i 1

Như vậy tại ầu ra của khối trộn tần cũng gồm có n tần số phách bậc nhất: f

-f

có

biên ộ tỉ lệ với thành phần tần số f

Trong 1 chu kỳ quét hiển thị T

, giả sử tại các thời iểm t

có: f

-f

, thì thành

phần phách này sẽ chọn lọc bởi bộ lọc cộng hưởng và ược ưa tới Mạch tách sóng ỉnh ể tách

ược ường bao biên ộ của thành phần phách này và ược vẽ trên màn hình CRT, dạng của

ường bao biên ộ phụ thuộc vào áp ứng biên ộ - tần số của Bộ lọc cộng hưởng và giá trị lớn

nhất của ường bao biên ộ biên ộ ó cũng tỉ lệ với biên ộ của thành phần tần số f

của tín hiệu

vào, như vậy có thể nói rằng thành phần tấn số f

ược riêng và vẽ lên màn hình tại thời iểm

Nếu f

ược iều chỉnh thích hợp thì trong thời gian T

lần lượt từng thành phần tần số

của tín hiệu sẽ ược vẽ trên màn hình CRT, ví dụ như Hình 8.9-c.

+ Đặc tính của máy phần tích phổ nối tiếp:

max

min

Đồ thị phổ của tín

hiệu trên màn hình

Đáp ứng tần số của bộ lọc

cộng hưởng IF

(

)

(

)

(

)

lOMoARcPSD|36067889

Chương 8 – Phân tích tín hiệu

- Để dạng ồ thị phổ trên màn hình trung thực thì ặc tuyến của mạch tạo tín hiệu iều

tần u

phải tuyến tính.

- Dải thông của Bộ lọc cộng hưởng f ược lựa chọn tùy theo mục ích vẽ phổ:

o Nếu khoảnh cách giữa các thành phần tần số của tín hiệu vào ủ lớn thì

phải chọn f ủ nhỏ ể trên ồ thị phổ phân biệt ược 2 thành phần tần số lân

cận.

o Khi phân tích phổ của tín hiệu có băng tần rộng, các thành phần tần số gần

nhau, thì nên chọn f ủ lớn ể nhận ược ường bao biên ộ của phổ này.

Hình 8.10 – Hiện tượng phổ ảnh

- Tốc ộ biến ổi của U

phải phù hợp với tốc ộ áp ứng của các khối tạo tín hiệu iều

tần, khối trộn tần, bộ lọc cộng hưởng, mạch tách sóng ỉnh…

- Các mạch vào, mạch khuếch ại, phân áp không ược gây méo dạng tín hiệu vào,

tránh làm phát sinh các tần số không mong muốn.

- Tần số f

phải ược lựa chọn thích hợp ể tránh phổ ảnh làm sai lệch ồ thì phổ vẽ

ược trên màn hình, như minh họa trong Hình 8.10:

fqmax- fmin fIF và fqmin- fmax fIF

- Các tham số của f

qmin,

qmax

), f

cần phải iều chỉnh phù hợp ể máy có thể phân

tích ược toàn bộ dải phổ của tín hiệu (f

min

max

): fmin-fqmin <fIF

b. Máy phân tích phổ nối tiếp dùng màn hiển thị ồ họa

Về cơ bản sơ ồ khối máy phân tích phổ nối tiếp dùng màn hiển thị ồ họa tượng tự như

sơ ồ khối của máy phân tích phổ nối tiếp dùng màn hiển thị CRT, chỉ khác nhau ở phần xử

min

max

min

max

Phổ ảnh

min

lOMoARcPSD|36067889

Chương 8 – Phân tích tín hiệu

lý và hiển thị hình ảnh phổ trên màn hình, tín hiệu phản ánh hình ảnh ồ thị phổ sau bộ tách

sóng ỉnh ược số hóa, ược xử lý số, tính toán tạo ra hình ảnh biểu diễn phổ của tín hiệu và

biễu diễn trên các màn hình ồ họa ví dụ như màn hình LCD. Ví dụ sơ ồ khối của một loại

máy phân tích phổ nối tiếp sử dụng màn hiển thị ồ họa trong thực tế như Hình 8.11.

Hình 8.11 – Sơ ồ khối rút gọn máy phân tích phổ dùng màn hiển thị ồ họa

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

CHƯƠNG 9 - ĐO THAM SỐ CỦA MẠCH ĐIỆN TỬ

• Giới thiệu chung

• Đo và kiểm tra các phần tử và mạch iện có tham số tập trung

• Đo các phần tử của mạch iện có tham số phân bố

• Máy o và kiểm tra linh kiện bán dẫn

• Máy phân tích mạng mạch iện (Network Analyzer)

• Máy o theo phương pháp phản xạ mét TDR

• Máy phân tích logic

9.0. GIỚI THIỆU CHUNG

Tuỳ thuộc vào tính chất của các phần tử ược sử dụng trong mạch iện có thể chia

thành mạch tuyến tính và mạch phi tuyến. Bản chất của chúng khác nhau nên các thông số

và ặc tính của chúng cũng khác nhau.

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

nó (có thể áp dụng nguyên lý xếp chồng). Đặc tuyến Vôn-ampe của phần tử, của mạch là

ường thẳng. Nguyên lý máy o, phương pháp o dựa vào các tính chất trên. Các phần tử của

mạch tuyến tính thường là iện trở, tụ iện, iện cảm không có lõi sắt, èn iện tử, èn bán dẫn,

các phần tử khuyếch ại khác... làm việc ở oạn ường thẳng của ặc tuyến Vôn-ampe.

Tuỳ theo dải tần công tác của mạch mà cấu tạo các phần tử cũng khác nhau do ó

mạch tuyến tính phân thành 2 loại: Mạch có các phần tử tập chung và mạch iện có phần tử

phân bố.

Mạch phi tuyến trong ó giá trị của các linh kiện của mạch phụ thuộc vào cường ộ

dòng iện chảy qua nó, nên không dùng thông số của bản thân nó. Ví dụ iôt, transistor... làm

việc ở phần ặc tuyến không tuyến tính.

9.1. CÁC THAM SỐ VÀ ĐẶC TÍNH MẠCH ĐIỆN

9.1.1. Các tham số, ặc tính của mạch iện có các phần tử tập chung.

Mạch có các phần tử tập chung dùng ở dải tần nhỏ hơn vài chục MHz. Giá trị của

các phần tử tuyến tính không phụ thuộc vào dòng chảy qua nó, người ta lấy các giá trị này

làm thông số ặc trưng cho các phần tử của mạch. Các phần tử thụ ộng: iện trở R thuần tuý

tiêu hao năng lượng, các phần tử iện cảm L và iện dung C có thể tích luỹ năng lượng. Tổ

hợp của chúng tạo thành mạng 2 cực và mạng 4 cực tuyến tính.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

Bản thân mỗi phần tử R, L, C riêng biệt xem như là mạng 2 cực nên các thông số của

mạng 2 cực là giá trị iện trở R, iện cảm L và iện dung C.

Mạng 4 cực thường bao gồm các phần tử R, L, C mắc nối tiếp, song song hay hỗn hợp

2 cách mắc ó.

Tham số trở kháng

Đặc trưng của mạch, linh kiện là tham số trở kháng trở kháng tương ương toàn phần

Z( ) – mô hình tương ương nối tiếp, và dẫn nạp tương ương toàn phần Y( ) – mô hình

tương ương song song như minh họa trong Hình 9.1.

Z=R+j.X Y=G+j.B

(a) – Sơ ồ tương ương nối tiếp (b) – Sơ ồ tương ương song song

Z R X

Hình 9.1 – Sơ ồ tương ương của mạch, linh kiện iện tử

+ Trở kháng tương ương: Z=R+j.X

Trong ó R, X là iện trở và iện kháng tương ương của mạch.

+ Dẫn nạp tương ương : Y=G+j.B

Trong ó G, B là iện dẫn và iện nạp của mạch.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

Hình 9.2 – Mặt

phẳng o lường trở kháng

và dẫn nạp

Đối với mạch cộng

hưởng (mạch dao ộng),

các linh kiện tụ iện, cuộn cảm,... loại mạch hay linh liện này có thêm các thông số khác là

hệ số phẩm chất Q, hệ số tổn hao D, trở kháng ặc tính, tần số cộng hưởng f

Q 1 Ppk 1 X L XC BL BC

D Pth tg R R G G

Các thông số kể trên của mạch có phần tử tập chung ược o bằng các máy o: Máy o

iện trở (Ôm mét), máy o iện cảm iện dung, máy o trở kháng toàn phần, máy o hệ số phẩm

chất... Thực tế thường sử dụng các thiết bị o vạn năng o ược nhiều các tham số trên. Hai

loại thiết bị vạn năng phổ biến thường ược sử dụng là máy o RLC và máy phân tích trở

kháng, chúng có thể o các tham số sau: |Z|, θ, |Y|, R, X, G, B, Q hay D.

Đặc tính của mạch iện tử

+ Đặc tính thời gian: ặc trưng cho áp ứng của mạch ối với những tác ộng ột biến

người ta còn dùng ặc tính thời gian ( ặc tính quá ộ), ặc tính thời gian có thể quan sát trực

tiếp trên màn hình ôxilô của máy o ặc biệt hay máy o ặc tính thời gian, từ ặc tính thời gian

có thể xác ịnh các thông số như: Hằng số thời gian, hệ số phẩm chất, và tần số cộng hưởng...

+ Đặc tính tần số: ặc trưng cho phản ứng của mạch ối với những tác ộng iều hoà, ặc

tính tần số bao gồm:

- Đặc tính biên ộ tần số A( )=|U

|/|U

vào

| (cho tần số biến ổi;

- Đặc tính pha tần số- quan hệ giữa pha của tín hiệu ra so với tín hiệu vào khi tần số

biến ổi ( )=

vào

Để vẽ các ặc tính tần số này sử dụng bộ tạo dao ộng iều hoà mà tần số có thể biến ổi

ược trong dải rộng và dùng Vôn mét, pha mét o biên ộ iện áp vào và ra góc lệch pha của

chúng, ghi lại kết quả và vẽ từng iểm sẽ ược ặc tính tần số. Thiết bị ặc biệt có thể quan sát

|Y|

Điệ

n d

ẫ

Real Axis

D U T

Y=1/Z

arg

cos

sin

Đi

ệ

n d

ẫ

Đi

ệ

n n

ạ

Y: D

ẫ

n n

ạ

p(S, Siemen)

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

trực tiếp ặc tính biên ộ tần số trên màn hình gọi là máy tự ộng vẽ ặc tuyến biên ộ - tần số

hay máy Vobulator.

Đối với mạch phi tuyến giá trị của các linh kiện của mạch phụ thuộc vào cường ộ

dòng iện chảy qua nó, nên không dùng thông số của bản thân nó. Điện áp rơi trên các phần

tử phi tuyến không tỷ lệ thuận với dòng iện chảy qua. Tuy khó khăn về tính toán và sử

dụng nhưng phần tử phi tuyến không thể thiếu trong kỹ thuật iện tử – viễn thông. Khi sử

dụng thiết kế mạch cần phải biết chính xác dạng ặc tuyến Vôn-Ampe của các phần tử và

mạch phi tuyến. Cần phải có máy vẽ ặc tuyến này ngay sau khi dây truyền sản xuất phần

tử phi tuyền và in vào sổ tay kèm theo linh kiện.

9.1.2. Các tham số và ặc tính của mạch iện có phần tử phân bố

Như ã biết, mạch có phần tử tập chung là mạch có thể phân tích bằng các lý thuyết

mạch iện thông thường với giả ịnh là khi có một iện áp ặt vào mạch thì tức khắc nó gây tác

dụng ồng thời trên mọi iểm của mạch, và dòng iện trên một mạch vòng khép kín nào ó của

mạch sẽ có trị số về biên ộ và pha như nhau. Do vậy, các phương pháp o thông số của mạch

là có thể dựa theo các ịnh luật cơ bản như ịnh luật Ôm,

Kirchoff...

Tuy nhiên. khi kích thước của mạch, nghĩa là chiều dài các dây dẫn và các linh kiện

của mạch bằng một tỷ số áng kể nào ó so với bước sóng của năng lượng truyền lan dọc

theo dây dẫn, lúc ó nếu có một iện áp ặt vào mạch, thì dòng iện có trị số pha khác nhau tại

các iểm khác nhau trong mạch. Khi ó, dùng phương pháp phân tích mạch, các phương pháp

o các thông số như trên sẽ không hoàn toàn chính xác nữa và ngay cả từ các khái niệm về

các thông số như iện cảm, iện dung... như mạch có phần tử tập trung cũng không còn úng

nữa. Với loại mạch như vậy, tức mạch mà sự truyền năng lượng phải mất một thời gian

áng kể, không thể bỏ qua ược thì là loại mạch có phần tử phân bố. Do vậy, các thông số

của mạch cũng ược ặc trưng một cách khác. Ví dụ như ở dây có hiện tượng xuất hiện sóng

ứng của dòng iện và iện áp trên ường dây truyền và trở kháng vào của một oạn mạch là ại

lượng thay ổi theo tần số. Các phương pháp o các thông số cũng khác, mà cơ sở của nó là

lý thuyết truyền sóng trên ường dây (dây ồng trục, ống dẫn sóng).

Để biểu thị tính chất và mức ộ phối hợp trở kháng của ường dây truyền sóng hai

thông số thường ược dùng nhiều hơn cả là: hệ số phản xạ (gamma hoa) và hệ số sóng

ứng SWR (standing wave ratio).

+ Hệ số phản xạ : là tỷ số của iện áp phản xạ (tức iện áp của sóng phản xạ V

) và iện

áp tới (tức iện áp của sóng tới V

) tại tải:

V r

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

Nói chung là một số phức, úng ra phải gọi là “hệ số phản xạ iện áp tại tải”, ể phân

biệt với hệ số phản xạ dòng iện, và ể lưu ý là hệ số phản xạ thay ổi theo ví trí trên ường

dây truyền.

Hệ số phản xạ khi ược tính theo trị số trở kháng của tải Z

và trở kháng ặc tính của ường

dây truyền sóng W thì công thức như sau:

Wt Z

Với W Umax Umin Imax

Imin

Hình 9.3 – Ví dụ phân bố iện áp trên ường dây truyền sóng

Như vậy, hệ số phản xạ có thể dùng ể biểu thị chế ộ công tác của ường dây truyền

sóng. Song trong thực tế o lường thì việc xác ịnh trị số phản xạ thường phức tạp hơn vì cần

phải o ược riêng rẽ mô un của iện áp sóng tới và của iện áp sóng phản xạ. Nên có một

thông số thường còn ược dùng hơn là hệ số sóng ứng, ký hiệu là SWR. Hệ số sóng ứng là

tỷ số iện áp tại iểm cực ại U

max

và iện áp tại iểm cực tiểu U

min

trên ường dây:

SWR Umax

min

Quan hệ giữa hệ số phản xạ và hệ số sóng ứng là:

SWR

hay: SWR 1

SWR 1

max

min

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

Về phương pháp o, khi o hệ số sóng ứng, và o mô un của hệ số phản xạ, thì cần phải

hoặc là o biên ộ iện áp tại các iểm cực ại và cực tiểu hoặc o riêng rẽ ược biên ộ của iện áp

sóng tới và của sóng phản xạ. Muốn o trở kháng thì còn phải xác ịnh ược thêm vị trí iện

trường cực tiểu, hay xác ịnh ược góc lệch pha giữa sóng tới và sóng phản xạ. Vì vậy, các

thiết bị dùng ể o các thông số này có thể phân chia thành các loại sau:

+ Loại thiết bị dùng ể o ược tỷ số iện áp tại iểm có iện trường cực ại và cực tiểu, hay

xác ịnh vị trí của iện trường cực tiểu (hay cực ại) tính từ một iểm cuối nào ó... Các thiết bị

này ví dụ như các loại dây o, loại dây o có ầu o di ộng ược, và loại dây o có ầu o ặt cố ịnh

có thêm bộ biến ổi pha hay bộ nối tắt biến ổi ược.

+ Loại thiết bị o thứ hai là loại dùng ể o ược tỷ số biên ộ của iện áp sóng tới và sóng

phản xạ. Các thiết bị của loại này ví dụ như phản xạ mét cấu tạo bằng các bộ phân mạch

ịnh hướng.

+ Loại thiết bị o thứ ba là các loại cầu o bằng dây ồng trục hay ống dẫn sóng, dùng ể

o trở kháng. Các cầu này dùng phương pháp o so sánh trở kháng cần o với trở kháng mẫu.

9.2 ĐO TRỞ KHÁNG CỦA MẠCH VÀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ

9.2.1 Sai số của phép o trở kháng

Phép o trở kháng thường có sai số khá lớn, và thường có sự khác nhau khá áng kể

giữa các kết quả o cùng một ối tượng với các máy o khác nhau. Nguyên nhân chính xảy ra

sự không ồng nhất này là:

- Thành phần ký sinh.

- Mô hình giá trị tham số của linh kiện.

- Các yếu tố ảnh hưởng ến giá trị o.

- Sai số của kỹ thuật o.

- Mô hình mạch.

a. Thành phần ký sinh

Các thuộc tính cơ bản của phần tử R, L, C thường ược biểu diễn bởi giá trị danh ịnh

của chúng trong iều kiện tiêu chuẩn hay iều kiện cụ thể nào ó. Tuy nhiên tất cả các phần

tử của mạch thường có tham số và áp ứng không lý tưởng, chúng có các tham số ký sinh:

Điện trở có iện cảm ký sinh, Tụ iện có iện trở ký sinh, Cuộn cảm có iện dung ký sinh,...

Do có các tham số ký sinh nên một phần tử giống như một mạch phức tạp. Ví dụ sơ ồ

tương ương của tụ iện như Hình 9.4.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

Hình 9.4 – Tụ iện và sơ ồ tương ương của nó

Do các tham số ký sinh ảnh hưởng ển ặc tính của các phần tử, giá trị của các tham số

R, L, C, D, Q và các tham số trở kháng khác liên quan khác phụ thuộc vào iều kiện hoạt

ộng của các phần tử. Những sự phụ thuộc này sẽ ược trình bày trong các phần sau.

b. Các mô hình giá trị tham số của linh kiện

Khi xác ịnh tham số trở kháng của một phần tử ( iện trở, tụ iện, hay cuộn cảm) cần

phải hiểu rõ giá trị ược xác ịnh trong thực tế. Có 3 loại giá trị tham số của linh kiện: Giá

trị lý tưởng, Giá trị thực, Giá trị ược o.

- Giá trị lý tưởng: là giá trị tham số của linh kiện không tính ến ảnh hưởng của các

tham số ký sinh. Mô hình của các phần tử là các phần tử thụ ộng lý tưởng, tham số thuần

không phụ thuộc vào tần số. Trong trường hợp này, giá trị lý tưởng có thể ược xác ịnh bằng

các quan hệ toán học liên quan ến cấu trúc vật lý của linh kiện, ví dụ mô hình lý tưởng của

tụ iện như Hình 9.5-a. Mô hình lý tưởng chủ yếu ược dùng trong môi trường học thuật.

K 0

(a)-Giá trị lý tưởng (b)-Giá trị thực (c)-Giá trị o ược

Hình 9.5 – Các loại mô hình giá trị tham số của linh kiện

- Giá trị thực (còn gọi là giá trị hiệu dụng): Mô hình giá trị tham số của kiện tính

ển cả những ảnh hưởng của các tham số ký sinh, ví dụ mô hình tham số thực của tụ iện

như Hình 9.5-b. Giá trị thực là tổng ại số các vector iện trở và phản kháng của phần tử, do

ó nó phụ thuộc vào tần số.

- Giá trị o ược: là giá trị ược xác ịnh và ược hiện thị bởi máy o, ví dụ như Hình 9.5-

c, nó phản ánh sự không chính xác và tổn hao liên quan ến máy ó. Giá trị o luôn có sai số

khi so sánh với giá trị thực và giá trị lý tưởng, và nó cũng khác nhau với máy o khác nhau.

Sự sai khác này phụ thuộc vào nhiều yếu tố.

c. Các yếu tố ảnh hưởng ến giá trị o trở kháng linh kiện và mạch iện tử

Giá trị trở kháng o ược của mỗi linh kiện hay mạch iện tử phụ thuộc vào một số iều

kiện o như tần số và mức tín hiệu thử. Ảnh hưởng của những yếu tố phụ phụ thuộc phần

tử này khác nhau ối với các loại vật liệu ược sử dụng cho linh kiện. Những yếu tố ó như

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

+ Tần số tín hiệu thử

Tần số tín hiệu thử ảnh hưởng ến tham số của linh kiện do có các tham số ký sinh.

Không phải tất cả các tham số ký sinh ều ảnh hưởng ến kết quả o, nhưng một số tham số

ký sinh chủ yếu lại ảnh hưởng ến ặc tính tần số của linh kiện. Các tham số ký sinh ó sẽ

khác nhau khi giá trị trở kháng của phần tử ban ầu khác nhau. Các Hình 9.6 ến Hình 9.8

biểu diễn áp ứng tần số iển hình của tụ iện, cuộn cảm, iện trở thực tế.

Với tụ iện, iện cảm ký sinh là nguyên nhân chính dẫn ến áp ứng tần số có dạng như

Hình 9.6. Tại tần số tự cộng hưởng SRF dung kháng của tụ C và cảm kháng của iện cảm

ký sinh nối tiếp Ls bằng nhau, áp pha của tụ iện là 0

, ở dải tần lớn hơn tần số này áp ứng

pha của tụ iện là 90

, iện cảm ký sinh lại chiếm ưu thế và trở kháng của tụ iện lại có tính

chất cảm kháng.

(a)- Tụ iện thông thường (b)- Tụ iện có iện trở ký sinh nối tiếp lớn

Hình 9.6 – Đáp ứng tần số của Tụ iện

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

(a)- Cuộn cảm thông thường (b)- Cuộn cảm có tổn hao lõi lớn

Hình 9.7 – Đáp ứng tần số của Cuộn cảm

(a)- Điện trở có trị số lớn (b)- Điện trở có trị số nhỏ

Hình 9.8 – Đáp ứng tần số của iện trở

+ Mức tín hiệu thử

Tín hiệu thử xoay chiều (AC) có thể ảnh hưởng ến kết quả o của một số linh kiện. Ví

dụ kết quả o tụ iện ceramic phụ thuộc vào mức iện áp thử có dạng như Hình 9.9-a. Sự phụ

thuộc này cũng thay ổi theo hằng số iện môi K của vật liệu. Tri số iện cảm của cuộn cảm

có lõi cũng phụ thuộc vào mức dòng iện thử do hiện tượng iện từ trễ của vật liệu chế tạo

lõi. Sự phụ thuộc này ược minh họa như Hình 9.9-b.

(a) (b)

Hình 9.9 – Điện dung và iện cảm phụ thuộc và mức tín hiệu thử

+ Điện áp ịnh thiên DC

Điện áp ịnh thiên DC của tín hiệu thử ảnh hưởng rất phổ biến ến các linh kiện tích

cực như Điốt, BJT, FET,... Các loại linh kiện như tụ iện Ceramic có hằng số iện môi cao

Idc

L / %

100

-2

-4

-6

-8

-10

-20

Low

Mid

High

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

cũng phụ thuộc vào thành phần một chiều DC của iện áp thử. Cuộn cảm loại có lõi cũng

có trị số iện cảm phụ thuộc vào thành phần một chiều DC của dòng iện thử, do ặc tính bão

hoà từ của vật liệu lõi.

+ Nhiệt ộ

Hầu hết trị số của các linh kiện ều phụ thuộc vào nhiệt ộ. Hệ số nhiệt là một tham số

quan trọng của iện trở, tụ iện, cuộn cảm. Hình 9.10 là ộ thị biểu diễn sự thay ổi của iện

dung với hằng số iện môi khác nhau theo nhiệt ộ.

Hình 9.10 – Điện dung phụ thuộc nhiệt ộ

+ Các yếu tố khác

Một số yếu tố môi trường vật lý và iện khác cũng ảnh hưởng ến kết quả o trở kháng

của linh kiện như: ộ ẩm, trường iện từ trường ngoài, ánh sáng, áp suất, thời gian,...

9.2.2. Mô hình mạch tương ương của các linh kiện

Mặc dù mô hình mạch tương ương của các linh kiện có các tham số ký sinh khá phức

tạp, nó có thể ược rút gọn bằng mô hình mạch song song hoặc nối tiếp ơn giản, trở kháng

tương ương ược biểu diễn thành phần thực ( iện trở tương ương) và thành phần ảo ( iện

kháng tương ương). Ví dụ trong Hình 9.11-a biểu diễn mô hình tương ương tổng quát của

tụ iện gồm: Điện dung C, các tham số ký sinh như iện trở nối tiếp Rs, iện cảm nối tiếp Ls,

iện trở song song Rp. Khảo sát ặc tuyến tần số của tụ iện này, khi tụ làm việc ở vùng tần

số thấp hơn nhiều tần số tự cộng hưởng SRF, có thể bỏ qua thành phần iện cảm ký sinh Ls.

Trong dải tần thấp này tụ iện C có dung kháng lớn, iện trở ký sinh song song Rp càng có

ảnh hưởng lớn, còn iện trở ký sinh nối tiếp Rs không áng kể có thể bỏ qua. Như vậy có thể

thay thế sơ ồ mạch tương tương tổng quát của tụ bằng mạch tương tương song song gồm

có C và Rp. Còn ở tần số cao thì dung kháng của tụ iện C nhỏ, nên có thể bỏ qua Rp và iện

trở Rs là khá áng kể. Như vậy có thể thay thế sơ ồ tương tổng quát của tụ bằng sơ ồ tương

ương nối tiếp gồm C và Rs.

Tóm lại tụ iện làm việc ở tần số thấp có thể thay thế bằng sơ ồ tương ương song song,

còn tụ iện làm việc ở tần số cao thì thay thế bằng sơ ồ tương ương nối tiếp.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

Phân tích tương tự với cuộn cảm có sơ ồ tương ương tổng quát như Hình 9.11-b, với

cuộn cảm làm việc ở tần số thấp có thể thay thế bằng sơ ồ tương ương nối tiếp, còn cuộn

cảm làm việc ở tần số cao thì thay thế bằng sơ ồ tương ương song song.

Hình 9.11 – Mô hình mạch tương ương của linh kiện

9.2.3. Tổng quan các phương pháp o trở kháng

Có nhiều phương pháp o trở kháng của mạch và linh kiện iện tử. Mỗi phương pháp

có những ưu nhược iểm riêng. Không có một phương pháp o nào áp ứng ược tất cả các khả

năng và yêu cầu o. Do ó tùy theo dải tần, dải trình o, các yêu cầu và iều kiện o mà lựa chọn

các phương pháp o phù hợp. Trong phần này sẽ giới thiệu tổng quan các phương pháp o

và nêu ra những ưu và nhược iểm của chúng.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

1. Phương pháp cầu 4 nhánh cân bằng

- Sử dụng cầu 4 nhánh cân bằng như hình

vẽ bên. Trong ó trở kháng cần o Zx ược mắc vào

một nhánh cầu, 3 nhánh cầu còn lại mắc các trở

kháng mẫu Z1, Z2, Z3.

- Nguồn tín hiệu hình sin OSC ược iều

chỉnh ở tần số làm việc của Zx.

- Thiết bị chỉ thị cần bằng D (có thể sử

dụng iện kế, Vôn met, Ampe mét, Ô-xi-lô, Tai

nghe... Khi D chỉ thị 0 nghĩa là không có dòng

qua D thì cầu ạt trạng thái cân bằng.

- Điều chỉnh một hoặc một số trở kháng

mẫu ể cầu cân bằng, khi ó Zx ược tính theo tham

số của các trở kháng mẫu dựa vào iều kiện cầu

cân bằng:

Z1.Z3=Zx.Z2

=> Zx

. 3Z

2. Phương pháp cộng hưởng

- Ứng dụng nguyên lý cộng hưởng của

mạch LC. Nguyên lý o này thường ược sử dụng

ể xác ịnh hệ số phẩm chất Q.

- Mắc nối tiếp trở kháng cần o với trở

kháng mẫu. Sử dụng trở kháng mẫu ( iện dung

hoặc iện cảm mẫu) có tính chất ngược với trở

kháng cần ó. Ví dụ Trở kháng cần o Zx có tính

chất cảm kháng và mô hình tương ương nối tiếp

(Lx và Rx) thì sơ ồ nguyên lý mạch o như hình

bên và tụ iện mẫu C ược sử dụng.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

- Nguồn tín hiệu hình sin OSC có biên ộ E

không ổi và thường ược iều chỉnh tại tần số làm

việc của Zx.

- Sử dụng Vôn met Q ( o trị số hiệu dụng

hoặc ỉnh) ể o iện áp trên C. Có thể khắc ộ thang

o Q trên vôn met này.

- Khi o iều chỉnh tụ iện mẫu C ể mạch chỉ

thị trên Q lớn nhất, khi ó mạch cộng hưởng:

UC X C

R UX

. C

X X

3. Phương pháp I-V tần thấp

- Trở kháng cần o Zx có thể ược xác ịnh

từ giá trị iện áp và dòng iện qua nó. Trong ó

dòng iện có thể ược tính thông qua o iện áp

trên iện trở R mắc nối tiếp với Zx.

Zx V1 V1 .R

I V

- Thang o iện trở trong ồng hồ vạn năng

là một ứng dụng của phương pháp này, với

V1=const, dùng Ampe met ể o dòng.

Thường sử dụng ầu rò dòng

DUT

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

4. Phương pháp FR I-V

Sơ ồ o trở kháng thấp

- Phương pháp o này có cùng nguyên tắc với

phương pháp I-V ở trên, nhưng cấu hình mạch o

khác nhau nhờ sử dụng mạch o ược phối hợp trở

kháng (50 ) và cổng o nối với cáp

Sơ ồ o trở kháng cao

ồng trục ộ chính xác cao. Có hai cách mắc Vôn

mét và Ampe mét khác nhau ể phù hợp với phép

o trở kháng thấp và trở kháng cao.

- Nguồn tín hiệu hình sin OSC iều chỉnh ở

tần số radio.

- Dòng iện qua Zx ược xác ịnh thông qua o

iện áp trên iện trở R xác ịnh. Trong thực tế biến

áp cao tần suy hao thấp ược sử dụng ể thay thế R.

Tuy nhiên nhược iểm của biến áp là suy hao lớn

ở oạn tần thấp.

+ Theo sơ o o trở kháng thấp:

Zx V 2R

I V

+ Theo sơ ồ o trở kháng cao:

2 1

I 2

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

5. Phương pháp phân tích mạch iện

- Phương pháp này chủ yếu dùng

trong dải siêu cao tần.

- Hệ số phản xạ ược là tỉ số giữa tín

hiệu phản xạ và tín hiệu tới. Sử dụng kết

nối hoặc cầu ịnh hướng ể thu tín hiệu phản

xạ từ nguồn:

VR ZX ZO VINC ZX

: trở kháng sóng của ường truyền) -

Bộ phân tích mạch iện vừa chó nhiệm vụ

tạo ra tín hiệu truyền tới tải vừa có nhiệm

vụ thu tín hiệu phản xạ cũng như tính toán

và o hệ số phản xạ.

- Phương pháp này còn ược sử dụng

ể chế tạo máy o phản xạ miền thời gian

TDR

6. Phương pháp cầu tự cân bằng

- Sơ ồ mạch o theo phương pháp

này như hình vẽ. Trong ó sử dụng

mạch Khuếch ại thuật toán làm

phần tử tạo ra sự cân bằng giữa

dòng I trên Zx (DUT) và dòng I

trên R2.

V2 I R2 2

(

DUT

)

V1 VR12

I2 V2

Ngoài 6 phương pháp tống quát kể trên, khi o iện trở, tụ iện thuần còn có thể sử dụng

phương pháp biến ổi thời gian – xung. Nguyên lý chung của phương pháp này là biến ổi

các tham số mạch về các ại lượng như iện áp, tần số, thời gian... nhờ các khâu biến ổi thẳng

hay tạo ra các ại lượng mẫu thay ổi theo quy luật nào ó, so sánh với các ại lượng cần o

DUT

Virtual ground

I = I

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

trong các mạch biến ổi cân bằng, và các ại lượng ó ược o bằng phương pháp ếm xung và

hiển thị số.

9.2.2. So sánh các phương pháp o

Phương pháp

Ưu iểm

Nhược iểm

Dải tần

ứng dụng

Ứng dụng o

lường

Phương pháp

cầu 4 nhánh

cân bằng

- Độ chính

xác cao (0.1%).

- Dải tần

rộng nếu sử dụng

nhiều loại cầu

khác nhau.

- Giá thành

thấp.

- Cần phải iều

chỉnh cầu cân bằng.

- Dải tần hẹp

nếu chỉ sử dụng một

loại cầu.

300MHz

Sử dụng cho

các phòng thí

nghiệm về

chuẩn o

lường

Phương pháp

cộng hưởng

- Có ộ chính xác

cao cho phép o o

Q cao và D nhỏ.

- Phải iều chỉnh

cộng hưởng.

- Độ chính xác

của phép o trở kháng

thấp

10kHz

100 kHz.

- Phép o hệ số

phẩm chất và

Hệ số tổn hao

của linh kiện

Phương pháp

I-V

- Dễ sử

dụng.

- Phép o

linh kiện ã ược nối

ất.

- Phù hớp

với nhu cầu o kiểu

sử dụng ầu rò

dòng.

- Dải tần bị giới hạn

bởi biến áp sử dụng

cho ầu rò dòng.

10 kHz

100 MHz

- Đo mạch và

linh kiện có nối

ất

Phương pháp

RF I-V

- Độ chính

xác cao (1%)

- Dải trình o

trở kháng rộng ở

tần số cao.

- Dải tần số làm việc

bị giới hạn bởi các

biến áp ược sử dụng ở

các ầu o.

1Mhz

3 GHz

- Đo các linh

kiện ở dải RF

và siêu cao tần

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

Phương pháp

phân tích

mạch iện

- Dải tần o

cao

- Độ chính

xác cao khi trở

kháng cần o gần

bằng với trở

kháng ặc tính của

ường truyền.

- Phải thực hiện

quá trình iều chuẩn

mỗi khi thực hiện

phép o.

- Dải trình o trở

kháng nhỏ.

Lớn hơn

300 kHz

- Đo các linh

kiện ở dải RF

và siêu cao tần

Phương pháp

cầu tự cân

bằng

- Có ộ chính

xác cao nhất

(0.05%),

- Dải tần o

thấp

- Dễ sử dụng

- Không sử dụng ở

tần số cao

20 Hz

110MHz

- Thường ược

sử dụng cho

các máy o

RLC, xác ịnh

các tham số C,

L, D, Q, R, X,

G, B, Z, Y,...

100KHz

RF I-V

1 MHz 1.8 GHz

I-V

10KHz 110MHz

Phương pháp cộng hưởng

22KHz 30MHz 70MHz

Phương pháp cầu tựcân bằng

5HZ 40MHz

1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G 10G

Tần số (Hz)

Hình 9.12 – Phương pháp o và dải tần ứng dụng

Phương ph

áp phân tích m

ạch iệ

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

Hình 9.13 – Phương pháp o và dải trình o

Ví dụ máy o của hãng Agilent (HP) theo các phương pháp o khác nhau:

Phương pháp o

Máy o

Phương pháp cộng hưởng

HP 42851A Q Adapter (with HP 4285A)

Phương pháp I-V

HP 41941A Impedance Probe

HP 4193A Vector Impedance Meter

Phương pháp RF I-V

HP 4286A RF LCR Meter

HP 4291A Impedance/Material Analyzer

Phương pháp phân tích

mạch iện

HP 4195A Network/Spectrum Analyzer

with HP 41951A Impedance Test Set HP

4396A Network/Spectrum Analyzer

with HP 43961A Impedance Test Kit

HP 8751A Network Analyzer

HP 8752C/8753D RF Network Analyzers

HP 8510B Network Analyzer

HP 8719C/8720C Network Analyzers

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

Phương pháp cầu tự cân

bằng

HP 4263A LCR Meter

HP 427xA LCR Meters

HP 4284A Precision LCR Meter

HP 4285A Precision LCR Meter

HP 4192A LF Impedance Analyzer

HP 4194A Impedance/Gain-Phase Analyzer

TDR

HP 54121T Digitizing Oscilloscope and TDR

HP 8752C/8753D RF Network Analyzers

HP 8510B Network Analyzer

HP 8719C/8720C Network Analyzers

9.3. ỨNG DỤNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TRỞ KHÁNG

Có thể sử dụng các phương pháp khác nhau ể o trở kháng của linh kiện hoặc mạch

iện tử. Mỗi phương pháp có những ưu nhược iểm riêng và thường ược ứng dụng o khác

nhau ể phát huy những ưu iểm của chúng. Với các phương pháp này có ứng dụng ể chế tạo

các máy o trở kháng (máy o RLC, hay máy phân tích trở kháng,...) Ngoại trừ phương pháp

cầu 4 nhánh cân bằng, các phương pháp còn lại ều có thể xây dựng các máy o trở kháng

hiển thị số nhờ sử dụng các loại Vôn mét số.

9.3.1. Phương pháp cầu 4 nhánh cân bằng

Phương pháp cầu 4 nhánh cân bằng ược sử dụng rộng rãi trong ể o iện trở, iện cảm,

iện dung, góc tổn hao của tụ, hệ số phẩm chất của cuộn cảm. Nguyên lý chung của cầu 4

nhánh là mỗi nhánh cầu có thể mắc hỗn hợp các iện trở, iện dung, iện cảm hay chỉ một

loại..., Z

cần o thường ược mắc ở một nhánh và iều chỉnh tham số ở các nhánh cầu còn lại

ể mạch cân bằng, thông thường người ta chỉ iều chỉnh tham số của một nhánh cầu Z

, 2

nhánh còn lại giữ không ổi. Như vậy có thể có 2 loại cầu o là cầu tỷ số và cầu tích số.

Yêu cầu nguồn cung cấp OSC cho mạch cầu o phải là iện áp iều hoà vì iều kiện cân

bằng chỉ thực hiện với một trị số tần số ã ược xác ịnh, thông thường sử dụng thêm bộ

khuếch ại chọn lọc tần số ở mạch chỉ thị ể làm giảm ảnh hưởng của các thành phần hài và

tăng ộ chính xác của phép o. Ngoài ra cũng phải kể ến ảnh hưởng do hiện tượng ghép tạp

tán giữa các linh kiện, phải dùng các phần tử có kích thước bé và có bọc kim.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

(a) – Cầu tích số (b) – Cầu tỉ số

Hình 9.14 – Cầu o 4 nhánh cân bằng

+ Cầu tích số (Hình 9.14-a)

Với cầu tích số Z

mắc ở nhánh cầu ối xứng với Z

, iều chỉnh trở kháng Z

(thường có

khắc ộ) ể cầu cân bằng, khi ó iện kế D chỉ 0.

- Điều kiện cần bằng cầu là:

 |Z

|.exp(j

).|Z

|. exp(j

)=|Z

|. exp(j

).|Z

exp(j

)

 |Z

|.|Z

|.exp(j(

))=|Z

|.|Z

|.exp(j(

))

=> |Z

|.|Z

|=|Z

|.|Z

| - Điều kiện cân bằng biên ộ.

- Điều kiện cân bằng pha.

Vậy phải iều chỉnh ồng thời cân bằng pha và cân bằng biên ộ. Thông thường Z

và

là các iện trở thuần có trị số cố ịnh nên

=0, do ó

=0 =>

. Nếu Z

và

là 2 iện kháng thì chúng phải khác tính chất ể ảm bảo cân bằng pha.

Thường chọn biểu thức Z

ồng dạng với biểu thức của Y

hoặc biểu thức Y

ồng dạng với

biểu thức của Z

+ Cầu tỷ số (Hình 9.14- b) .

Với cầu tỉ số Z

mắc ở nhánh cầu kề với Z

, iều chỉnh trở kháng Z

(thường có khắc

ộ) ể cầu cân bằng, khi ó iện kế D chỉ 0.

- Điều kiện cần bằng cầu là:

 |Z

|.|Z

|.exp(j(

))=|Z

|.|Z

|.exp(j(

))

=> |Z

|.|Z

|=|Z

|.|Z

| - Điều kiện cân bằng biên ộ.

- Điều kiện cân bằng pha.

Vậy phải iều chỉnh ồng thời cân bằng pha và cân bằng biên ộ. Thông thường Z

và

là các iện trở thuần có trị số cố ịnh nên

=0, do ó

. Nếu Z

và Z

là 2 iện

kháng thì chúng phải cùng tính chất ể ảm bảo cân bằng pha. Thường chọn biểu thức Z

ồng dạng với biểu thức của Z

hoặc biểu thức Y

ồng dạng với biểu thức của Y

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

a. Cầu o iện trở

Để o iện trở ta có thể dùng cầu tỷ số hoặc cầu tích số ều thuận lợi như nhau. Ví dụ sử

dụng cầu tỷ số.

Hình 9.15 – Cầu o iện trở (cầu Weatstone)

Khi cầu cân bằng ta có R

Vậy ể iều chỉnh cầu cân bằng thay ổi tỷ số R

và iều chỉnh R

ể cầu cân bằng.

Độ nhạy của cầu bằng tích ộ nhạy của mạch cầu và ộ nhạy của thiết bị chỉ thị. Độ nhạy

của mạch cầu là tỷ số giữa sự thay ổi iện áp trên ường chéo chỉ thị và sự thay ổi iện trở nhánh

, có thể chứng minh ược rằng mạch cầu có ộ nhạy cực ại khi các iện trở tất cả các nhánh

cầu bằng nhau.

Biểu thức xác ịnh sai số tương ối của mạch cầu o như sau:

Sai số do hạn chế về ộ nhạy của thiết bị chỉ thị tính bằng tỷ số giữa ngưỡng ộ nhạy và

ộ nhạy của thiết bị chỉ thị.

Ngoài ra còn phải kể ến sai số lượng tử bằng 1 ơn vị ề các nhỏ nhât của thang khắc ộ

trên các hộp iện trở mẫu.

Phép o iện trở dùng cầu có ộ chính xác cao, các iện trở mẫu dùng trong các nhánh

cầu thường ược làm băng manganin có hệ số nhiệt nhỏ, ộ ổn ịnh cao theo thời gian.

b. Cầu o iện dung

Tụ iện lý tưởng không tiêu thụ công suất, nhưng thực tế trong tụ có tổn hao công suất

ược ặc trưng bằng iện trở tổn hao r

- Với tụ iện làm việc ở tần số cao sử dụng sơ ồ tương tương nối tiếp (tụ iện lý tưởng

mắc nối tiếp với iện trở tổn hao r

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

- Với tụ iện tổn làm việc ở tần số thấp sử dụng sơ ồ tương ương song song (tụ iện lý

tưởng C

mắc song song với iện trở tổn hao r

Thường sử dụng tụ iện mẫu do ó ể o iện dung ta dùng cầu tỷ số là thuận lợi hơn cả. Do

sử dụng cách mắc Zm như sơ ồ tương ương của tụ iện.

(a) – Cầu o tụ iện ở tần số cao (b)- Cầu o tụ iện ở tần số thấp

Hình 9.16 – Cầu tỉ số o iện dung

+ Cầu o tụ iện ở tần số cao: Mắc sơ ồ o như Hình 9.16-a. Sử dụng Cm và Rm là

các iện dung và iện trở thuần iều chỉnh ược, và có khắc ộ và mắc nối tiếp với nhau. Ban ầu

iều chỉnh R

ể D chỉ nhỏ nhất, sau ó iều chỉnh C

ể D chỉ thị 0, khi ó cầu cân bằng:

 R R1 m j. C1 m R2 rx

j. C1 x

RRRR12

2.R

Cmm x



Hệ số tổn hao của tụ ở tần số cao:

Dnt Pth tg rx C rx x C Rm m

Ppk X C

+ Cầu o tụ iện ở tần số thấp: Mắc sơ ồ o như Hình 9.16-b. Sử dụng Cm và Rm là

các iện dung và iện trở thuần iều chỉnh ược và có khắc ộ và mắc song song với nhau. Ban

ầu iều chỉnh R

ể D chỉ nhỏ nhất, sau ó iều chỉnh C

ể D chỉ thị 0, khi ó cầu cân bằng:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

Z1.Zm=Z2.Zx

. Cx  R1 r1x j. R2 R1m j.

. Cm

r R

x R2 m



Hệ số tổn hao của tụ ở tần số thấp:

D// Pth tg X C

Ppk rx

c. Cầu o iện cảm

C r1x x C

R1m m

Cuộn cảm lý tưởng không tiêu thụ công suất, nhưng thực tế trong cuộn cảm có tổn

hao công suất và ược ặc trưng bằng iện trở tổn hao r

. Các thông số của một cuộn cảm là

iện cảm L

, iện trở tổn hao r

và hệ số phẩm chất của cuộn dây Q.

Để o iện cảm ở tần số cao và ể việc iều chỉnh thuận lợi người ta thường dùng các iện

dung mẫu, muốn vậy ta phải mắc theo sơ ồ cầu tích số (Nếu dùng iện cảm mẫu ể o thì 2

cuộn cảm gây nhiễu ảnh hưởng ến nhau khó iều chỉnh cân bằng).

Khi tần số làm việc lớn coi sơ ồ tương ương cuộn cảm gồm L

và r

mắc song song

còn (Cuộn cảm có tổn hao nhỏ), còn ở dải tần số thấp coi sơ ồ tương ương cuộn cảm gồm

và R

mắc nối tiếp. (Cuộn cảm có tổn hao lớn).

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

(a) – Cầu Maxwell (b) Cầu Hay

Hình 9.17 – Cầu tích số o iện cảm

+ Cầu o cuộn cảm ở tần số thấp: Mắc sơ ồ o như Hình 9.17-a. Sử dụng C

và R

là các iện dung và iện trở thuần iều chỉnh ược, và có khắc ộ và mắc song song với nhau

(biểu thức của Y

và Z

ồng dạng). Ban ầu iều chỉnh R

ể D chỉ nhỏ nhất, sau ó iều chỉnh

ể D chỉ thị 0, khi ó cầu cân bằng: Zx.Zm=Z1.Z2

 Zx=Z1.Z2.Ym j L x R R1 2 R1m j C m

R R

1 2

 R

Lx R R C1 2 m

Hệ số tổn hao của cuộn cảm có tổn hao nhỏ:

Qnt Ppk X L Lx C Rm m

Pth rx rx

+ Cầu o cuộn cảm ở tần số cao: Mắc sơ ồ o như Hình 9.17-b. Sử dụng C

và R

là

các iện dung và iện trở thuần iều chỉnh ược, và có khắc ộ và mắc nối tiếp với nhau (biểu

thức của Z

và Z

ồng dạng). Ban ầu iều chỉnh R

ể D chỉ nhỏ nhất, sau ó iều chỉnh C

ể

D chỉ thị 0, khi ó cầu cân bằng:

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

 Zm=Z1.Z2.Yx

Rm j C1

R R1 2 r1x j 1Lx

R R1 2 rx

 R

Lx R R C1 2 m

Hệ số tổn hao của cuộn cảm có tổn hao lớn:

Ppk rx rx 1

Q// Pth X L Lx C Rmm

Các sơ ồ cầu o iện trở, tụ iện có thể sử dụng ể o trở iện trở, iện dung của các ôi dây

trong cáp iện thoại, hay cáp iện lực.

9.3.2. Phương pháp cộng hưởng

Nguyên lý của phương pháp o thông số mạch iện bằng phương pháp cộng hưởng là

lợi dụng hiện tượng cộng hưởng của mạch dao ộng, phương pháp này có ộ chính xác khá

cao và dùng ược ở các dải tần sử dụng trong iện tử – viễn thông.

Các nguyên nhân chủ yếu gây sai số của phương pháp này là sự không chính xác vị

trí iểm cộng hưởng của mạch iện; do sự không ổn ịnh của tần số bộ tạo dao ộng; do ảnh

hưởng các thông số iện kháng tạp tán của mạch o, sai số của phương pháp này khoảng

25%.

So với phương pháp cầu, thì phương pháp cộng hưởng có ưu iểm là o ược trị số các

thông số của phần tử cần o tại tần số công tác của phần tử ó, có thể o ược các trị số rất nhỏ

do tần số của nguồn o cũng lớn tới hàng trăm MHz.

Phương pháp cộng hưởng thường ược sử dụng ể chế tạo máy o hệ số phẩm chất Q

với ộ chính xác khá cao. Bên cạnh ó có thể sử dụng phương pháp này ể o iện dung, iện

cảm và iện trở của linh kiện cũng như mạch iện. Sinh viên tự tìm hiểu các sơ ồ o này.

9.3.3. Phương pháp cầu tự cân bằng

9.3.4. Phương pháp biến ổi thời gian - xung

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

Phương pháp này ược sử dụng khá phổ biến ễ xây dựng các thiết bị o iện trở, iện

dung hiển thị số. Ưu iểm của máy o theo phương pháp này là dễ ọc kết quả o, có ộ chính

xác khá cao, tuy nhiên cấu tạo thiết bị o phức tạp hơn. Sau ây ta sẽ xét một phương pháp o

iện trở và iện dung thông qua biến ổi thời gian – xung.

Hình 9.18 – Sơ ồ khối máy o iện dung theo phương pháp thời gian – xung

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

Hình 9.19 – Giản ồ thời gian minh họa hoạt ộng của máy o iện dung Phương

pháp biến ổi thời gian – xung này thực hiện iều khiển việc sử dụng nguồn mẫu việc

nạp cho tụ iện mẫu C

(nếu o iện trở) hay tụ iện cần o C

(nếu là o iện dung) và

phóng iện qua iện trở cần o R

hay iện trở mẫu C

. Thời gian phóng của tụ sẽ tỉ lệ

với iện dung và iện trở, o thời khoảng thời gian này bằng phương pháp ếm xung.

Sơ ồ khối của máy o iện dung C

chỉ thị số dựa trên nguyên lý biến ổi thời gian –

xung như Hình 9.18 và giản ồ thời gian minh họa hoạt ộng như Hình 9.19.

Nguyên lý hoạt ộng của máy o như sau:

- Khi máy không hoạt ộng chuyển mạch iện tử S ở trạng thái mở, U

=0V.

- Khi bắt ầu o tại thời iểm t

bộ iều khiển phát ra xung xoá bộ ếm và iều khiển

ĐK1 ưa chuyển mạch S về vị trí nạp N, tụ cần o C

nhanh chóng ược nạp tới iện áp của

nguồn E.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

- Đến thời iểm t

, Bộ iều khiển phát ra xung ĐK2 ưa chuyển mạch về vị trí

phóng P, tụ iện C

phóng iện qua iện trở mẫu R

, ồng thời xung ĐK2 cũng ược ưa tới

ầu vào S thiết lập Trigger lên trạng thái cao ‘1’, lúc này khoá K mở, xung ếm chuẩn qua

khoá kích thích bộ ếm.

- Điện áp trên tụ u

giảm ến thời iểm t

khi ó u t

( )

E R

thì

ầu

ra của bộ so

sánh có 1 xung ra tác ộng vào ầu vào xóa R làm Triger, xóa trạng thái thấp ‘0’, khoá K sẽ

óng, kết thúc quá trình ếm, giả sử tổng số xung ếm ược là N

. Thời iểm nay Bộ iều khiển

phát ra xung chốt ể ưa số xung N

này ưa qua mạch giải mã và ưa tới màn hiển thị số là

kết quả của iện dung cần o C

Tụ C

phóng iện qua iện trở mẫu R

với hằng số phóng là

, biểu thức iện

áp của tụ trong quá trình phóng là:

(t t

) (t t

)

u tC ( ) E e. p E e. R Cm x

3 2

t ) T

=> uC ( )t3

Ee. R Cm x Ee. R Cm x U0

Chọn U0 ER RR 2 2 Ee => Ee. R Cm x Ee. 1

Tx=RmCx =Nx.Tch

 C

R fmch

1 const , vậy C

tỷ lệ với số xung ếm ược N

Chọn

R fm ch

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

Ví dụ f

=1MHz, R

=1M => C

(pF)

Thay ổi R

thì có thể chuyển mạch thang o iện dùng từ 1000pF ến 100 F .

Cũng phương pháp o như trên nếu thay các iện trở mẫu bằng các iện dung mẫu thì

có thể o ược iện trở bằng các thiết bị chỉ thị số.

Ngoài nguyên tắc hoạt ộng ở trên, máy o theo iện dung, iện trở có thể ược xây dựng

theo nguyên tắc ếm xung trong khoảng thời gian nạp iện tích của tụ từ iện áp nạp bằng 0

ến iện áp bằng E/e.

Đánh giá sai số của máy o: Sai số của kết quả o C

bao gồm các thành phần sai số

chính như sau:

- Sai số lượng tử N

, ví dụ nếu o iện dung 1000pF thì ứng với 1000 xung

ếm, sai số ếm xung là 1, sai số tương ối là 0,1%. f

- Sai số của tần số xung ếm chuẩn f

- Sai số do ộ trễ của bộ so sánh và Triger.

- Sai số của iện trở mẫu.

9.4. ĐO THAM SỐ VÀ ĐẶC TÍNH CỦA LINH KIỆN VÀ MẠCH PHI TUYẾN

9.4.1. Vẽ ặc tuyến Vôn-Ampe.

Thay ổi iện áp ặt vào mạch, xác ịnh dòng iện ứng với mỗi thay ổi ó, từ o ghi lại kết

quả và vẽ ược ặc tuyến Vôn-ampe của mạch. Có thể dùng Ô-xi-lô ể tự ộng vẽ ặc tuyến

Vôn-ampe của linh kiện, mạch iện rất thuận tiện. Ví dụ sơ ồ nguyên lý mạch o ể vẽ ặc

tuyến Vôn-ampe của iốt và ặc tuyến ra của BJT dùng Ô-xi-lô ( ã trình bày trong chương 4.

9.4.2. Vẽ ặc tuyến biên ộ tần số của mạng 4 cực.

Muốn vẽ ược ặc tuyến biên ộ tần số của mạng 4 cực có thể dùng dao ộng iều hoà tác

ộng vào ầu vào, cho tần số biến ổi xác ịnh biên ộ của iện vào và ra của mạng 4 cực từ ó ghi

lại và vẽ ược ặc tuyến biên ộ tần số của mạng 4 cực ó – phương pháp lấy từng iểm. Cách

làm này thường không chính xác mất nhiều công. Thực tế thường dùng các thiết bị tự ộng

vẽ ặc tuyến biên ộ tần số – còn gọi là các máy Vobulator. Máy Vobulator có thể ược cấu

tạo theo nguyên lý sử dụng mạch tương tự hay dùng kỹ thuật số và có cài ặt vi xử lý. Trong

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

phần này chủ yếu xét máy Vobulator dùng kỹ thuật tương tự sử dụng máy phát iều tần và

màn chỉ thị CRT ể biểu dẫn ược ặc tuyến biên ộ tần số của mạng 4 cực trên màn hình.

9.5. ĐO LƯỜNG, KIỂM NGHIỆM CÁC MẠCH ĐIỆN TỬ SỐ VÀ VI XỬ LÝ

9.5.1. Khái niệm và ặc tính chung của mạch số

Các thiết bị dùng mạch iện tử số và vi xử lý cũng cần kiẻm tra ể phán oán hư hỏng

như những thiết bị khác. Song có các lý do:

- Với các thiết bị tương tự, (mạch iện dùng kỹ thuật tương tự dựa trên cơ sở hàm thời

gian và tần số), thì có thể dùng các thiết bị như ôxilô, máy phân tích phổ, vônmét iện tử ể

o lường, kiểm tra.

- Thiết bị dùng kỹ thuật mạch iện tử số, có vi xử lý thì hoạt ộng trên cơ sở xử lý số

liệu, nên không thể dùng các thiết bị o thông thường như trên.

- Vấn ề kiểm tra là khá phức tạp, thậm chí việc sửa chữa còn khó khăn hơn là chế

tạo một máy mới. Do thiết bị có dùng vi xử lý là cần nhiều thủ tục phức tạp, cần người iều

hành hiểu biết sâu sắc về thiết bị.

Nếu những thủ tục kiểm tra không ược thiết kế trước, thì hầu như không kiểm soát

nổi hệ thống.

Để lập bộ kiểm tra thiết bị có hệ thống vi xử lý cần chú ý các ặc iểm:

- Hệ thống vi xử lý iều khiển lưu lượng thông tin số liệu, với tổ hợp những từ, số nhị

phân có ộ dài khác nhau một cách ngẫu nhiên, và thời gian tồn tại cũng thay ổi.

- Hệ thống vi xử lý có cấu trúc rất phức tạp, có nhiều ường vận chuyển số liệu ược

iều khiển bởi chương trình. Chương trình có ược thực hiện tốt hay không là nhờ quan hệ

thời gian giữa sự thay ổi của tín hiệu ầu vào và ầu ra.

- Hệ thống vi xử lý có khác nhau cơ bản với các thiết bị a năng chỉ có kết cấu mạch

cứng. Ví dụ như muốn thay ổi một chức năng nào ó, thay vì thay ổi phần cứng mạch iện,

thì lại thay ổi chương trình thuật toán chứa trong ROM.

- Tín hiệu thông tin số không lặp lại, tồn tại trong khoảng thời gian cực ngắn. Sự

kiện xảy ra trong thiết bị có vi xử lý có tốc ộ rất cao rất nhanh.

- Hệ thống vi xử lý có sử dụng bus hai chiều, nó càng phức tạp khi cần thông dịch

xem nó là ịa chỉ hay số liệu.

- Thiết bị kiểm tra phải kiểm soát một số rất lớn các hoạt ộng cơ bản.

Trong các thiết bị dùng vi xử lý, chương trình xử lý có thể lên tới hàng ngàn bước

thực hiện.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

Những hỏng hóc liên quan tới bộ vi xử lý là rất khó phát hiện, lại càng khó hơn khi

muốn cô lập nó ra. Vì vậy, những thiết bị kỹ thuật kiểm tra truyền thống thông thường rất

dễ sai lầm khi o lường chúng.

Do những lý do trên, cùng với sự phát triển của vi xử lý, việc tìm ra phương tiện và

kỹ thuật mới mà hữu hiệu cho việc kiểm tra chúng là vấn ề rất cần ược nghiên cứu.

Những hình thức và phương pháp kiểm nghiệm ã ược sử dụng là:

- Tự ộng chuẩn oán (dự oán có chương trình).

- Kiểm nghiệm thống kê.

- Phân tích logic.

- Phân tích theo nhận dạng (theo mã chỉ dẫn) Ta sẽ xét các phương pháp trên.

Phương pháp tự ộng chuẩn oán

Là phương pháp sử dụng một chương trình chuẩn oán ở ngay bên trong của thiết bị,

ể gỡ rối, kiểm tra, phát hiện iểm hỏng.

Chương trình chuẩn oán có thể tự ộng khởi ộng, hoặc ược khởi ộng bởi người sử

dụng.

Trong một vài loại thiết bị, nó lần lượt kiểm tra các chức năng, phần tử của thiết bị

và ưa ra màn chỉ thị những thông báo trạng thái một cách vắn tắt và có thể tham khảo theo

hướng dẫn của tài liệu sử dụng ể phát hiện lỗi. Do vậy cũng ít cần sự phân tích về phương

pháp này.

Phương pháp kiểm nghiệm thống kê

Là phương pháp dựa trên cở sở coi hoạt ộng của thiết bị giống như tổ hợp liên tiếp

các trạng thái o. Vì vậy người ta không quan tâm lắm tới quá trình hoạt ộng, mà có thể tiến

hành kiểm nghiệm hệ thống, các trạng thái khác nhau ược mô phỏng giả.

Để làm ược iều này, cần thiết ưa thiết bị bộ tạo chuyển mạch. Với sự trợ giúp của bộ

phận này, có thể tạo ra tất cả các trạng thái có thể.

Việc lựa chọn một tổ hợp nhất ịnh của các chuyển mạch cho phép ưa tín hiệu tới

kênh ịa chỉ và iều khiển tương ứng (ví dụ RAM), và kiểm tra khả năng làm việc của thiết

bị. Cũng ít cần quan tâm nhiều ến phương pháp này.

9.5.2. Các phương pháp phân tích

9.5.2.1. Phương pháp phân tích logic

Phương pháp phan tích logic sử dụng ba loại thiết bị phân tích logic là: -

Bộ phân tích trạng thái logic.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

- Bộ phân tích biểu ồ thời gian ( ịnh thời) logic.

- Bộ phát tín hiệu ồng bộ.

a. Khái niệm

Trước khi ưa ra những nguyên tắc của thiết bị, cần xác ịnh thêm các khái niệm trạng

thái logic và biểu ồ thời gian của thiết bị iện tử số.

Trạng thái logic:

Tín hiệu nhị phân dùng trong mạch iện tử số sử dụng hai mức iện áp rõ rệt: một mức

ược coi là logic “0”, mức kia là logic “1”.

Trong mạch iện thực tế, những mức này không ược ịnh nghĩa với trị số iện áp chính

xác, mà nó sẽ ở trong một khoảng giá trị iện áp nào ó. Ví dụ như ối với họ vi mạch TTL

LSI, mức logic 0 là trong khoảng iện áp nhỏ hơn 0,4v và mức iện áp lớn hơn 2,4v ược coi

là mức logic 1. Nói cách khác, logic 0 là mức thấp và logic 1 là mức cao, và cách quy ước

này coi là logic khẳng ịnh (logic dương). Nếu mức iện áp thấp ược quy ước là mức 1, thì

cách quy ước gọi mạch iện ược xây dựng trên cơ sở của logic phủ ịnh (logic âm).

Sự tổ hợp của một chuỗi các số các số logic 0 và 1 tại ầu ra của mạch số quyết ịnh

trạng thái của nó.

Biểu ồ thời gian của tín hiệu logic:

Trong quá trình phân tích hệ thống, gỡ rối chương trình, kiểm tra hoặc tìm lỗi của

một hệ có vi xử lý, việc nghiên cứu và biểu diễn của dãy số liệu theo thời gian có thể nhiều

khi cho biết về hệ thống hơn hẳn so với bảng trạng thái logic.

Những nhược iểm ặc trưng cho mạch tuyến tính cũng có thể xảy ra trong mạch số,

ví dụ như méo sườn xung, sự không ổn ịnh và nhấp nháy khi chuyển mạch.

Ba dạng biểu diễn kết quả phân tích

Ta có thể biểu diễn thông tin nhận ược trong việc thử nghiệm các mạch số dưới ba

dạng sau:

- Bảng trạng thái.

- Biểu ồ thời gian.

- Các thẻ trạng thái

1. Hiển thị bảng trạng thái ược dùng ể phân tích trạng thái logic. Nó cho phép

quan sát trạng thái logic dưới dạng bảng số: Hệ cơ số 2, Hệ cơ số 8, Hệ cơ số 10, Hệ cơ số

16. Sự hiển thị này ôi khi ược gọi là sự hiển thị phản ánh thông tin trong vùng số liệu.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

2. Biểu ồ thời gian logic ược biểu diễn thông qua màn hình tương tự như màn

hình ôxilô nhiều kênh bình thường có thể quan sát ồng thời 8 biểu ồ thời gian cùng một

lúc.

3. Tấm thẻ trạng thái: Khi biểu diễn dưới dạng “tấm thẻ trạng thái”, ta không

dùng bảng bit mà dùng ma trận vạch sáng. Ở ây mỗi vạch tương ứng với một byte nhất

ịnh. Qua quan hệ giữa các vạch sáng trên màn hình, có thể quan sát quá trình xử lý số liệu

trong mạch.

Tấm thẻ trạng thái cho phép dễ dàng kiểm tra trạng thái chức năng của các mạch số

làm việc tuần hoàn.

Khi dùng phân tích logic theo chương trình phương pháp hiển thị tấm thẻ trạng thái

như miêu tả ở trên ể kiểm tra hoạt ộng chương trình hệ thống vi xử lý, ta có ược những

dạng ặc biệt riêng. Nếu nắm vững cách phân biệt các dạng hình ảnh ặc trưng cho từng hệ

thống vi xử lý riêng, thì có thể dễ dàng kiểm tra quá trình hoạt ộng của chương trình.

b. Thiết bị phân tích trạng thái logic (Logic State Analyzers)

Để có thể phân tích, tìm ra hỏng hóc một cách có hiệu quả. Bộ phân tích trạng thái

logic ( ôi khi còn gọi là bộ phân tích ồng bộ) phải có những yêu cầu sau:

1- Số liệu cần phải ược ọc và hiển thị dạng nhị phân, ể dễ ọc mà không cần

bất cứ một sự thông dịch nào.

2- Có ủ ầu vào ể trong một thời iểm có thể cùng lúc hiển thị, kiểm tra toàn bộ

một từ số liệu.

3- Một từ kích khởi phải ược yêu cầu bởi một từ số liệu riêng, duy nhất trong

một chuỗi vào.

4- Phải có một sự trễ cần thiết ể ủ thời gian chuyển số hiển thị ến từ cần tham

khảo.

5- Phải có khả năng lưu trữ ể lưu trữ các sự kiện sảy ra.

6- Việc nối máy phân tích vào hệ thống phải ảm bảo không ảnh hưởng ến nhữg

tham số của hệ thống hoặc làm thay ổi sự hoạt ộng của chương trình.

7- Đầu o cần ược nối với máy phân tích một cách chắc chắn nhất trong suốt

quá trình kiểm tra, o thử.

8- Màn hiển thị phải dễ ọc dễ hiểu.

Như vậy, có nghĩa là: Số liệu phân tích ược ưa vào thể hiện dưới dạng mã nhị phân,

tức là dưới dạng tổ hợp các bít; cần có ủ số lượng các ầu vào ra song song ể có thể cho

phép kiểm tra ồng thời một từ nguyên vẹn; vấn ề iều khiển số liệu ở ầu vào và phân ịnh

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

chu kỳ trong thiết bị thử nghiệm cần ược tiến hành bằng một xung ồng bộ duy nhất; khoảng

thời gian cần thiết ể xử lý số liệu của thiết bị ể xử lý số liệu của thiết bị phân tích cần phải

rất ngắn; việc kết nối thiết bị phân tích với mạch cần khảo sát phải không làm ảnh hưởng

tới các thông số của mạch cũng như không òi hỏi phải thay ổi chế ộ hay chương trình làm

việc của mạch; ầu vào của thiết bị phải có cấu trúc sao cho có thể dễ dàng kết nối với mạch

cần khảo sát; thiết bị phải có màn hình hiển thị dễ quan sát và nhận dạng ể xử lý thông tin.

Theo yêu cầu thứ hai ã có nhà sản xuất thiết bị phân tích trạng thái có thể 8, 16, 32

hay 64 kênh.

c. Thiết bị phân tích biểu ồ thời gian Logic (Logic timing Analyzers)

Thiết bị phân tích trạng thái logic cho phép xác ịnh hiện tượng (và ôi khi ngay cả vị

trí) xuất hiện hư hỏng của mạch số ược thử nghiệm. Tuy nhiên sau ó vẫn cần òi hỏi tìm

hiểu thêm về tính chất và nguyên nhân của hư hỏng. Lỗi sai sót thường xuất hiện do xung

nhiễu trong thời gian ngắn; do ầu vào tín hiệu không ồng thời, mất ồng bộ, do câu lệnh sai.

Trong những tình huống ó, việc sử dụng thiết bị phân tích biểu ồ thời gian logic (cũng còn

có thể gọi là thiết bị phân tích lệnh ồng bộ) là rất hiệu quả. Nó cũng ặc biệt tiện lợi ể kiểm

tra các thiết bị giao diện chuẩn ối với các thông tin trên kênh truyền iều khiển, các số liệu

ược truyền quan các thiết bị vào/ra.

Khi phân tích theo thời gian, phải khảo sát tín hiệu và các quá trình có khoảng thời

gian rất nhỏ so với thời gian của một từ, vì vậy tần số làm việc, tốc ộ lấy mẫu của thiết bị

phân tích biểu ồ thời gian logic càng lớn hơn nhiều so với thiết bị trạng thá logic khi cùng

làm việc với một dạng số liệu.

Trong a số các trường hợp thì các thiết bị phân tích biểu ồ thưòi gian logic ều có khả

năng làm việc trong cả hai chế ộ; ồng bộ và dị bộ (không ồng bộ). Cách thứ hai có tốc ộ

làm việc cao hơn. Tốc ộ cực ại phụ thuộc vào yêu cầu của thiết bị phải làm việc. Người ta

ã sản xuất các thiết bị có tốc ộ nhanh với tần số trên 20, 50, 100 và 200 MHz. Thiết bị có

tốc ộ nhanh là vô cùng cần thiết ể khảo sát hệ thống vi xử lý. Ví dụ với vi xử lý Intel

8080A, mặc dù thời gian nhịp là 500ns (tần số nhịp là 2 MHz), nhưng thông tin trạng thái

ược truyền theo ường số liệu 8 bit, chỉ cho phép xử lý trong khoảng thời gian rất ngắn,

bằng chu kỳ ồng bộ của hệ thống, nghĩa là cỡ 50ns. Trong khoảng thời gian này có một từ

trạng thái (8 bit) qua và các trạng thái logic thay ổi ở hai ường ồng bộ. Để phân tích biểu

ồ thời gian tương ứng với tín hiệu nêu trên, khoảng thời gian 50ns phải ược chia thành 5

phần, ể mỗi phần là 10ns. Rõ ràng iều này chỉ thực hiện khi tốc ộ lấy mẫu (thời iểm tác

ộng) của thiết bị phân tích không nhỏ hơn 100MHz. Có thể bổ sung thêm trong ví dụ ã nêu

là kể cả với các hệ vi xử lý có tốc ộ thấp (1-2MHz), thời gian lưu giữ số liệu vào và ra

không thể vượt quá 10ns. Vì vậy, ể phân tích quan hệ thời gian giữa tín hiệu của vi xử lý

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

và các vi mạch ngoại vi nhất thiết phải có thiết bị phân tích có tốc ộ nhanh. Ưu iểm rất

quan trọng của phân tích thời gian logic mà không thể có ở phân tích trạng thái logic là

khả năg phát hiện tín hiệu giả, thường là những xung gây nhiễu có ộ rộng xung rất nhỏ

trong dòng số liệu. Nó có thể phá vỡ hoạt ộng chức năng thông thường của hệ thống số mà

trong chế ộ hoạt ộng ồng bộ khó có thể phát hiện ược. Trong một số các thiết bị phân tích

trạng thái logic, có thể thấy các mạch flip-flop ặc biệt, cho phép ghi lại các xung giả (thậm

chí có thể phát hiện các xung có ộ rộng 5 ns). Những mạch như vậy, các xung hẹp sẽ ược

mở rộng tới mức gần bằng khoảng thưòi gian lấy mẫu, iều ó cho phép phát hiện xung giả

một cách ảm bảo.

Để dễ dàng quan sát số liệu, ở bộ phân tích biểu ồ thời gian, bộ hiển thị của nó có sử

dụng con trỏ. Con trỏ là một vạch thẳng ứng, có thể di chuyển con trỏ dọc theo màn hình

và dừng lại ở bất kỳ iểm mong muốn khảo sát nào. Với sự trợ giúp của con trỏ ta dễ dàng

xác ịnh sự dịch chuyển tương ối theo thời gian của một iểm trên biểu ồ thưòi gian với các

iểm khác. Ở một vài thiết bị phân tích khác, lại có hai con trỏ như vậy, nó cho phép o trực

tiếp ược khoảng thời gian giữa hai iểm giữa hai con trỏ mà không cần phải tính toán gì

thêm.

Bộ phân tích thời gian logic ược thiết kế cùng với một ôxilô hay ược thiế kế phối

ghép với một ôxilô riêng, ể có thể hiển thị biểu ồ thời gian. Có loại ược thiết kế hiển thị

một bảng biểu ồ thời gian, tùy theo yêu cầu sử dụng.

9.5.2.2. Phương pháp phân tích nhận dạng mã ịa chỉ (Signature Analysis)

Như ã phân tích, việc thử nghiệm ối với hệ thống vi xử lý và các thiết bị số có dùng

vi xử lý là công việc rất khó khăn. Thiết bị phân tích trạng thái logic ã khảo sát ở phần trên

chỉ giải quyết ược một phần của vấn ề. Nó giúp sự dõi theo từng bước việc của bộ vi xử lý

thông qua các chương trình thực hiện. Tuy nhiên quá trình tìm kiếm và phát hiện nguyên

nhân hư hỏng òi hỏi nhiều công sức và khả năng có thể phân tích tốt ược những kết quả,

những hình ảnh thu ược. Ta cũng không loại trừ hoàn toàn khả năng sử dụng của các máy

o truyền thống trong lĩnh vực thời gian hay lĩnh vực tần số, như ôxilô, máy phân tích phổ,

vôn-mét iện tử,… Song ể xác ịnh ược nguyên nhân hư hỏng gây nên bởi vi xử lý hoặc các

phần mạch nối ghép với nó thông qua giao diện thì mất quá nhiều thời gian, công sức và

cũng cần có những chuyên gia trình ộ cao.

Một trong những cách hiệu quả nhất ể tìm kiếm hư hỏng trong a số các thiết bị số

và ặc biệt trong các thiết bị có dùng vi xử lý là sử dụng thiết bị phân tích mã chỉ dẫn

(Signature Analysis). Nguyên tắc và việc chế tạo các thiết bị này cũng mới ược hình thành

trong thời gian gần ây.

lOMoARcPSD|36067889

Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử

Tên gọi phân tích “mã chỉ dẫn” ược bắt nguồn từ “chữ ký” (signature), nó có rất

nhiều nghĩa cho nhiều lĩnh vực khác nhau như âm nhạc, in ấn,… song với nghĩa ơn giản

nhất là chữ ký của người mang tên chữ ký ó. Trong vấn ề tìm kiếm hư hỏng của thiết bị số,

thì “mã chỉ dẫn” là một số ược cấu thành từ 4 ký hiệu chữ và số của hệ mã cơ số 16, ược

ặc trưng duy nhất cho từng iểm nút của thiết bị ược khảo sát.

a. Mô tả bản chất của sự phân tích

Phân tích mã chỉ dẫn là việc so sánh sự trùng hợp giữa mã chỉ dẫn thực của iểm nút

cụ thể nào ó ược phản ánh trên màn hình phân tích với mã chỉ dẫn của iểm nút này hoặc

với bảng hướng dẫn sử dụng thiết bị khảo sát. Sự không trùng hợp của mã chỉ dẫn chứng

tỏ về sự hư hỏng, hoạt ộng chức năng không bình thường của thiết bị. Ví dụ, nếu trên màn

hình xuất hiện mã chỉ dẫn F865, còn trên mạch tại iểm nút ã cho thì cần phải có mã chỉ dẫn

A953, như vậy rõ ràng là ã có hư hỏng. Để tìm hiểu nguyên nhân, ta có thể tiến hành kháo

sát tiếp các iểm nút khác. Bằng cách ó có thể kết luận bộ phận hư hỏng là bộ phận mà ở ầu

ra của nó, mã chỉ dẫn thực và mã chỉ dẫn mẫu khác nhau, trong khi ở ầu vào của nó, mã

chỉ dẫn thực và mã chỉ dẫn mẫu trùng hợp nhau

Thoạt nhìn bên ngoài, quy trình phân tích mã chỉ dẫn rất giống với quy trình phát

hiện hư hỏng trong các thiết bị tương tự. Trên sơ ồ nguyên lý của thiết bị tương tự tại các

iểm ặc trưng, người ta chỉ ra hình dạng của tín hiệu và giá trị iện áp tại iểm ó. Có thể dùng

ôxilô ể quan sát hình dạng của tín hiệu và dùng vôn-mét iện tử ể o giá trị iện áp, qua ó xác

ịnh thiết bị khảo sát có làm việc bình thường hay không.

Đối với các thiết bị có chương trình, rất tiếc không thể sử dụng hệ thống kiểm tra

dựa trên cơ sở so sánh tình trạng trên ôxilô ược vì không thể phân biệt ược dãy các giá trị

nhị phân trên màn hình. Hơn nữa trong các thiết bị dùng vi xử lý, không có sự tương ứng

ồng nhất giữa ặc tính của thiết bị với những iểm nút cụ thể.

Do ó, bộ phân tích mã chỉ dẫn là một công cụ thiết bị rất hiệu quả cho mục ích trên.

lOMoARcPSD|36067889

246

Downloaded by D?a (nyeonggot7@gmail.com)

Tài liệu tham khảo

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Vũ Quý Điềm, Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật,

2001.

[2]. Nguyễn Ngọc Tân, Kỹ thuật o, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, 2001.

[3]. Phạm Thượng Hàn, Kỹ thuật o lường các ại lượng vật lý, tập1, tập 2, Nhà xuất

bản giáo dục, 1996.

[4]. Bùi Văn Sáng, Đo lường iện - vô tuyến iện, Học viện Kỹ thuật Quân sự, 1996.

[5]. Bob Witte, Electronic Test Instruments: Analog and Digital Measurement,

Prentice Hall, 2002.

[6]. Joseph J. Carr, Elements of Electronic Instrumentation and Measurement, 1996.

[7]. Clyde F. Coombs, Electronic Instrument HandBook, McGraw-Hill, 1999.

[8]. Albert D. Helfrick, William D. Cooper, Modern Electronic Instrumentation and

Measurement Technicques, Prentice Hall, 1990.

[9]. David Buchla, Wane McLachLan, Applied Electronic Instrumentation and

Measurement, Macmillan 1992.

Bấm Tải xuống để xem toàn bộ.

| 1/244

| | Tải xuống

Preview text:

lOMoARcPSD| 36067889 Mục lục LỜI NÓI ĐẦU
Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và công nghệ, kỹ thuật o lường nói chung,
kỹ thuật o lường iện tử nói riêng ang có một vai trò quan trọng trong ời sống kinh tế kỹ
thuật và công nghệ. Các máy o lường iện tử ngày càng ược sử dụng rất rộng rãi trong
nhiều lĩnh vực. Để sử dụng chúng có hiệu quả, việc nghiên cứu về lý thuyết và nguyên lý o
lường iện tử là rất quan trọng, nhất là ối với kỹ sư làm việc trong các lĩnh vực iện, iện tử,
viễn thông. Bài giảng này nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản về o lường
iện tử như: Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử, ánh giá sai số và xử lý kết quả o, các phương
pháp o, nguyên lý xây dựng, cấu trúc, cũng như ứng dụng o lường của các thiết bị o tham
số và ặc tính của tín hiệu và mạch iện tử.
Bài giảng gồm các nội dung chính như sau:
Chương 1 - Cơ sở lý thuyết về o lường iện tử
Chương 2 - Sai số trong o lường
Chương 3 - Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
Chương 4 - Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
Chương 5 - Các phép o iện cơ bản
Chương 6 - Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha
Chương 7 - Phân tích tín hiệu
Chương 8 - Đo công suất
Chương 9 - Đo các tham số và ặc tính của mạch iện tử
Bài giảng ược thực hiện trong một thời gian ngắn, nên khó tránh khỏi những thiếu
sót. Tác giả rất mong nhận ược những ý kiến óng góp các ồng nghiệp ể bài giảng ược hoàn
thiện hơn. Mọi góp ý xin vui lòng gửi về Bộ môn kỹ thuật iện tử - Khoa Kỹ thuật Điện tử
1- Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông hoặc email: hadm@ptit.edu.vn.
Chúng tôi xin chân thành cảm ơn các ồng nghiệp ã óng góp các ý kiến quý báu; xin
chân thành cảm ơn lãnh ạo Học viện, Phòng Đào tạo và NCKH, Khoa Kỹ thuật Điện tử 1
ã tạo iều kiện ể chúng tôi hoàn thành bài giảng này. Hà Nội, năm 2011 Tác giả MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ....................................................................................................................3 MỤC LỤC
...........................................................................................................................5 lOMoARcPSD| 36067889 Mục lục
1.1 CÁC KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ .................................................... 10
1.2 ĐỐI TƯỢNG CỦA ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ ......................................................... 12
1.3 PHÂN LOẠI PHÉP ĐO ......................................................................................... 12
1.4 CHỨC NĂNG VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ ĐO ................................................... 15
1.5 ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG, CHUẨN, MẪU ................................................................. 16
1.5.1 Đơn vị o lường ........................................................................................... 16
1.5.2 Cấp chuẩn hóa .............................................................................................. 17
1.6 ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ ĐO ........................................................... 18
1.6.1 Đặc tính tĩnh ................................................................................................. 18
1.6.2 Đặc tính ộng ............................................................................................... 19
1.7. ĐẶC TÍNH ĐIỆN CỦA THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ............................................... 21
1.7.1. Các tham số giới hạn ................................................................................... 21
1.7.2. Ảnh hưởng do quá tải .................................................................................. 22
1.7.3. Can nhiễu ở phép o .................................................................................... 23
1.7.4. Vỏ bảo vệ .................................................................................................... 25
1.7.5. Nối ất ......................................................................................................... 25
1.8. SO SÁNH THIẾT BỊ ĐO TƯƠNG TỰ VÀ THIẾT BỊ ĐO SỐ. .......................... 26
1.9. CHỌN KHOẢNG ĐO TỰ ĐỘNG VÀ ĐO TỰ ĐỘNG ....................................... 27
1.10. ĐO TRONG MẠCH (ICT) ................................................................................. 28
1.11. KỸ THUẬT SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ ............................................ 28
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP .............................................................................................. 30
CHƯƠNG 2 – ĐÁNH GIÁ SAI SỐ ĐO LƯỜNG .........................................................31
2.1. KHÁI NIÊM VỀ SAI SỐ ...................................................................................... 31
2.2. NGUYÊN NHÂN GÂY SAI SỐ .......................................................................... 31
2.3. PHÂN LOẠI SAI SỐ ............................................................................................ 31
2.3.1. Phân loại sai số theo nguồn gốc gây ra sai số ............................................. 32
2.3.2. Phân loại theo sự phụ thuộc của sai số vào ại lượng o ........................... 33
2.3.3. Phân loại theo vị trí sinh ra sai số................................................................ 33
2.4. BIỂU THỨC BIỂU DIỄN SAI SỐ ....................................................................... 33
2.5. PHÂN TÍCH THÔNG KÊ ĐO LƯỜNG .............................................................. 35 lOMoARcPSD| 36067889 Mục lục Mục lục
2.5.1. Hàm phân bố chuẩn sai số ........................................................................... 35
2.5.2. Hệ qủa của hàm phân bố chuẩn sai số ......................................................... 36
2.5.3. Chuẩn hóa hàm phân bố sai số .................................................................... 37
2.5.4. Các ặc số phân bố ứng dụng trong o lường ............................................. 38
2.5.5. Ứng dụng các ặc số phân bố ể xác ịnh kết quả o từ nhiều lần o ....... 42
2.6. ĐÁNH GIÁ SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO GIÁN TIẾP .............................................. 44
CÂU HỎI ÔN TẬP ...................................................................................................... 46
BÀI TẬP ....................................................................................................................... 48
CHƯƠNG 3 ......................................................................................................................49
CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ ................................................................49
3.0. GIỚI THIỆU CHƯƠNG ....................................................................................... 49
3.1. CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA MÁY ĐO ................................................................ 49
3.1.1. Máy o tham số và ặc tính của tín hiệu ..................................................... 50
3.1.2. Máy o tham số và ặc tính của mạch iện: ............................................... 52
3.1.3. Máy tạo tín hiệu o lường ........................................................................... 53
3.1.4. Các linh kiện o lường ................................................................................ 54
3.2. CẤU TRÚC CHUNG CỦA MÁY ĐO SỐ ........................................................... 54
3.2.1. Sự tiến triển trong công nghệ chế tạo thiết bị o ........................................ 54
3.2.1. Sơ ồ cấu trúc chung của máy o số ........................................................... 55
3.2.3. Ưu iểm của máy o số ............................................................................... 57
3.3. THIẾT BỊ ĐO GHÉP NỐI VỚI MÁY TÍNH ....................................................... 59
3.4. MỘT SỐ MẠCH ĐO LƯỜNG VÀ GIA CÔNG TÍN HIỆU ĐO CƠ BẢN ......... 64
3.5. CƠ CẤU CHỈ THỊ ĐO LƯỜNG .......................................................................... 64
3.5.1 Cơ cấu chỉ thị kim (Cơ cấu o iện cơ bản - CCĐ) ..................................... 65
3.5.2 Thiết bị chỉ thị dùng LED ............................................................................ 75
3.5.3 Thiết bị chỉ thị dùng LCD - Liquid Crystal Display ................................... 81
3.5.4 Ống tia iện tử - CRT ................................................................................... 90
CÂU HỎI ÔN TẬP ...................................................................................................... 98 lOMoARcPSD| 36067889 Mục lục
CHƯƠNG 4 - MÁY HIỆN SÓNG (Ô-XI-LÔ) ..............................................................99
4.1 GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................................... 99
4.1.1 Khái niệm chung về quan sát dạng tín hiệu ................................................. 99
4.1.2 Các ưu iểm và khả năng ứng dụng của ô-xi-lô......................................... 100
4.1.3 Phân loại ô-xi-lô. ........................................................................................ 101
4.2 Ô-XI-LÔ TƯƠNG TỰ ......................................................................................... 101
4.2.1 Sơ ồ khối và nguyên lý làm việc của ô-xi-lô tương tự 1 kênh. ............... 101
4.2.2 Ô-xi-lô nhiều kênh. .................................................................................... 112
4.3 ĐÂY ĐO DÙNG CHO Ô-XI-LÔ ........................................................................ 116
4.3.1 Đây o thụ ộng trở kháng cao .................................................................. 117
4.3.2 Dây o tích cực .......................................................................................... 118
4.4 Ô-XI-LÔ SỐ ......................................................................................................... 119
4.4.1 Khả năng của ôxilô số ................................................................................ 119
4.4.2 Cấu trúc ô-xi-lô số ...................................................................................... 120
4.5 ỨNG DỤNG ĐO LƯỜNG DÙNG Ô-XI-LÔ ...................................................... 122
4.5.1 Đo tham số tín hiệu iện áp ........................................................................ 124
4.5.2 Đo tần số bằng phương pháp Lissajous ...................................................... 125
4.5.3 Đo góc lệch pha .......................................................................................... 127
4.5.4. Vẽ ặc tuyến Vôn-Ampe của iốt ............................................................. 129
4.5.5. Vẽ ặc tuyến ra của BJT ........................................................................... 130
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP ............................................................................................ 131
CHƯƠNG 5 – CÁC PHÉP ĐO ĐIỆN CƠ BẢN ..........................................................133
5.1 GIỚI THIỆU CHUNG ......................................................................................... 133
5.2 ĐO DÒNG ĐIỆN ................................................................................................. 133
5.2.1 Ampe mét can thiệp.................................................................................... 134
5.2.2. Ampe mét không can thiệp........................................................................ 137
5.3. ĐO ĐIỆN ÁP ....................................................................................................... 140
5.3.1. Các trị số iện áp ....................................................................................... 140
5.3.2. Giới thiệu về dụng cụ o iện áp .............................................................. 141
5.3.3. Đo iện áp sử dụng cơ cấu o từ iện ....................................................... 143 lOMoARcPSD| 36067889 Mục lục
5.3.4. Vôn mét iện tử ......................................................................................... 145
5.4. ĐO ĐIỆN TRỞ .................................................................................................... 150
5.5. THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ VẠN NĂNG (MULTIMETERS) .............................. 152
5.5.1. Đồng hồ vạn năng tương tự - VOM .......................................................... 152
5.5.2. Đồng hồ vạn năng số - DMM.................................................................... 153
CHƯƠNG 6 - ĐO TẦN SỐ, KHOẢNG THỜI GIAN VÀ GÓC LỆCH PHA .........158
6.0. GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................................ 158
6.1. ĐO TẦN SỐ ........................................................................................................ 160 Mục lục
6.1.1. Đo tần số bằng phương pháp ếm xung .................................................... 160
6.1.2. Đo tần số bằng phương pháp dùng mạch cộng hưởng .............................. 168
6.2. ĐO GÓC LỆCH PHA ......................................................................................... 170
6.2.1. Khái quát các phương pháp o góc lệch pha ............................................. 170
6.2.2. Pha mét số ................................................................................................. 173
CÂU HỎI ÔN TẬP .................................................................................................... 175
CHƯƠNG 7 – ĐO CÔNG SUẤT ..................................................................................177
7.1. KHÁI NIỆM VỀ ĐO CÔNG SUẤT ................................................................... 177
7.1.1 Các thành phần công suất .................................................................................. 177
7.1.2. Đơn vị công suất ............................................................................................... 179
7.1.3 Các nguyên lý o công suất........................................................................ 179
7.2. ĐO CÔNG SUẤT Ở TẦN SỐ THẤP VÀ TẦN SỐ CAO ................................. 180
7.2.1. Phương pháp cơ iện ................................................................................. 181
7.2.2. Phương pháp iện ...................................................................................... 182
7.2.3. Phương pháp so sánh ................................................................................. 188
7.3. ĐO CÔNG SUẤT Ở DẢI SIÊU CAO TẦN ....................................................... 188
7.3.1. Oát met sử dụng cảm biến iện trở nhiệt .................................................. 190
7.3.2. Oát met sử dụng cảm biến cặp nhiệt iện ................................................. 193
7.3.3. Oát mét sử dụng cảm biến tách sóng dùng Điốt ....................................... 193
CHƯƠNG 8 – PHÂN TÍCH PHỔ TÍN HIỆU .............................................................194
8.1. GIỚI THIỆU CHUNG PHÂN TÍCH TÍN HIỆU ................................................ 194 lOMoARcPSD| 36067889 Mục lục
8.1.1 Giới thiệu chung về máy phân tích tín hiệu ............................................... 194
8.1.2. Đồ thị phổ của tín hiệu ............................................................................. 195
8.2. MÁY PHÂN TÍCH PHỔ .................................................................................... 197
8.2.1. Ứng dụng o lường của máy phân tích phổ .............................................. 197
8.2.2. Các nguyên lý máy phân tích phổ ............................................................. 197
8.2.3. Máy phân tích phổ song song .................................................................... 198
8.2.4. Máy phân tích phổ nối tiếp ........................................................................ 199
CHƯƠNG 9 - ĐO THAM SỐ CỦA MẠCH ĐIỆN TỬ ..............................................204
9.0. GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................................ 204
9.1. CÁC THAM SỐ VÀ ĐẶC TÍNH MẠCH ĐIỆN ................................................ 204
9.1.1. Các tham số, ặc tính của mạch iện có các phần tử tập chung. .............. 204
9.1.2. Các tham số và ặc tính của mạch iện có phần tử phân bố ..................... 207
9.2 ĐO TRỞ KHÁNG CỦA MẠCH VÀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ ............................ 209
9.2.1 Sai số của phép o trở kháng...................................................................... 209
9.2.2. Mô hình mạch tương ương của các linh kiện .......................................... 214
9.2.3. Tổng quan các phương pháp o trở kháng ................................................ 215
9.2.2. So sánh các phương pháp o ..................................................................... 218
9.3. ỨNG DỤNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TRỞ KHÁNG ......................... 221
9.3.1. Phương pháp cầu 4 nhánh cân bằng .......................................................... 222
9.3.2. Phương pháp cộng hưởng ......................................................................... 227
9.3.3. Phương pháp cầu tự cân bằng ................................................................... 227
9.3.4. Phương pháp biến ổi thời gian - xung ..................................................... 227
9.4. ĐO THAM SỐ VÀ ĐẶC TÍNH CỦA LINH KIỆN VÀ MẠCH PHI TUYẾN . 230
9.4.1. Vẽ ặc tuyến Vôn-Ampe. .......................................................................... 230
9.4.2. Vẽ ặc tuyến biên ộ tần số của mạng 4 cực. ........................................... 230
9.5. ĐO LƯỜNG, KIỂM NGHIỆM CÁC MẠCH ĐIỆN TỬ SỐ VÀ VI XỬ LÝ .... 231
9.5.1. Khái niệm và ặc tính chung của mạch số ................................................ 231
9.5.2. Các phương pháp phân tích ....................................................................... 232
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................238 lOMoARcPSD| 36067889 Mục lục lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ
• Các khái niệm về o lường iện tử
• Đối tượng của o lường iện tử • Phân loại phép o
• Chức năng và phân loại thiết bị o
• Đơn vị o lường, chuẩn, mẫu
• Đặc tính cơ bản của thiết bị o
• Đặc tính iện của thiết bị o iện tử
• So sánh thiết bị o tương tự và thiết bị o số
• Chọn khoảng o tự ộng và o tự ộng • Đo trong mạch
• Kỹ thuật sử dụng thiết bị o iện tử.
1.1 CÁC KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ
Đo lường học (Metrology) là lĩnh vực khoa học ứng dụng liên ngành nghiên cứu về
các ối tượng o, các phép o, các phương pháp thực hiện và các công cụ ảm bảo cho chúng,
kỹ thuật o, các phương pháp ể ạt ược ộ chính xác mong muốn.
Các hướng nghiên cứu chính của o lường bao gồm:
• Các lý thuyết chung về phép o.
• Các ơn vị vật lý và hệ thống của chúng.
• Các phương pháp và công cụ o. • Kỹ thuật o
• Phương pháp xác ịnh ộ chính xác của phép o.
• Cơ sở bảo ảm cho việc thống nhất giữa phép o và rất nhiều công cụ thực hiện nó.
• Công cụ o chuẩn và barem.
• Các phương pháp ể chuyển ơn vị o từ công cụ chuẩn hoặc gốc ra công cụ làm việc. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử
Ngành kĩ thuật chuyên nghiên cứu và áp dụng các thành quả của o lường học vào
phục vụ sản xuất vào ời sống gọi là kĩ thuật o lường.
Phần này sẽ trình các khái niệm cơ bản về o lường iện tử.
- Đo lường (Measurement) là gì? Đo lường là quá trình thực nghiệm vật lý nhằm
ánh giá ược tham số, cũng như ặc tính của ối tượng chưa biết. Thông thường o lường là quá
trình so sánh ối tượng chưa biết với một ối tượng làm chuẩn ( ối tượng chuẩn này thường
là ơn vị o), và có kết quả bằng số so với ơn vị o.
+ Ví dụ o iện áp: Điện áp của một nguồn o ược là 5V nghĩa là iện áp của nguồn ó gấp
5 lần iện áp của một nguồn chuẩn 1V.
- Đo lường iện tử (Electronic Measurement): là o lường mà trong ó ại lượng cần o
ược chuyển ổi sang dạng tín hiệu iện mang thông tin o và tín hiệu iện ó ược xử lý và o
lường bằng các dụng cụ và mạch iện tử.
+ Nếu kết hợp o lượng iện tử và các bộ biến ổi phi iện - iện (sensor - các bộ cảm biến)
cho phép o lường ược hầu hết các ại lượng vật lý trong thực tế.
- Đại lượng o (Measurand): là các ại lượng vật lý chưa biết cần xác ịnh tham số và ặc tính nhờ phép o.
- Tín hiệu o (Measuring Signal: Tín hiệu iện mang thông tin o.
- Phép o (Measurement): Là quá trình xác ịnh tham số và ặc tính của ại lượng vật
lý chưa biết bằng các phương tiện kỹ thuật ặc biệt - hay còn ược gọi là thiết bị o.
- Thiết bị o (Instrument): là phương tiện kĩ thuật ể thực hiện phép o có chức năng
biến ổi tín hiệu mang thông o thành dạng phù hợp cho việc sử dụng và nhận kết quả o,
chúng có những ặc tính o lường cơ bản ã ược qui ịnh. Trong thực tế thiết bị o thường ược
hiểu là máy o (ví dụ: Máy hiện sóng, Vôn mét số, Máy ếm tần…).
- Kỹ thuật o (Instrumentation): là một nhánh khoa học về các phương pháp kỹ
thuật công nghệ ứng dụng trong o lường và iều khiển.
- Phương pháp o (Measuring method): Là cách thức thực hiện quá trình o lường ể
xác ịnh ược tham số và ặc tính của các ại lượng o. Phương pháp o phụ thuộc vào nhiều yếu
tố: Phương pháp nhận thông tin o từ ại lượng o, Phương pháp xử lý thông tin o, Phương
pháp ánh giá, so sánh thông tin o, Phương pháp hiển thị, lưu trữ kết quả o… Mỗi loại máy
o có thể coi là một thiết bị o hoàn chỉnh thực hiện theo một hay một vài phương pháp o cụ thể nào ó.
Về cơ bản quá trình o lường có thể ược chia thành các bước khác nhau và ược minh họa như hình vẽ sau: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử Thu nhận
Biến ổi, xử lý, Lưu trữ, Đại thông tin o ánh giá, so sánh, hiển thị kết lượng o ịnh lượng thông quả o tin o
Hình 1.1 – Quá trình o lường
1.2 ĐỐI TƯỢNG CỦA ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ
Đo lượng iện tử có phạm vi ứng dụng rất rộng rãi, ối tượng o rất rộng. Tuy nhiên
trong lĩnh vực iện tử - viễn thông, ối tượng của o lường tập chủ yếu vào ối tượng: Hệ thống
tham số và ặc tính của tín hiệu và của mạch iện tử.
- Hệ thống tham số và ặc tính của tín hiệu iện tử:
+ Tham số về cường ộ tín hiệu iện tử gồm: Cường ộ dòng iện, Cường ộ iện áp, Công
suất tác dụng của tín hiệu...
+ Tham số về thời gian gồm: Chu kỳ, tần số của tín hiệu, góc lệch pha giữa 2 tín hiệu
cùng tần số, ộ rộng phổ tín hiệu, ộ rộng xung, ộ rộng sườn trước, sườn sau ...
+ Đặc tính tín hiệu gồm: Phổ của tín hiệu, ộ méo dạng của tín hiệu, hệ số iều chế tín hiệu...
+ Tín hiệu số gồm các tham số: Mức logic, tần số, chu kỳ...
- Hệ thống tham số và ặc tính của mạch iện tử:
+ Các tham số về trở kháng: Trở kháng tương ương, dẫn nạp tương ương, iện trở, iện
dung, iện kháng tương ương, trở kháng sóng, hệ số phản xạ, hệ số tổn hao, hệ số phẩm chất của mạch...
+ Đặc tính của mạch: Đặc tuyến Vôn-Ampe, Đặc tuyến biến ộ - tần số, ặc tuyến Pha - tần số của mạch...
Chú ý: Tùy theo dải tần và hệ thống tham số và ặc tính của tín hiệu và của mạch iện
tử cần o cũng khác nhau.
1.3 PHÂN LOẠI PHÉP ĐO
Phép o là công việc thực hiện chính của o lường, ó là việc tìm ra giá trị vật lý bằng
thực nghiệm với sự trợ giúp cả các công cụ kỹ thuật ặc biệt. Giá trị tìm ược gọi là kết quả
của phép o. Hoạt ộng thực hiện trong quá trình o ể cho ta kết quả là một ại lượng vật lý gọi
là quá trình ghi nhận kết quả. Tùy thuộc vào ối tượng nghiên cứu, vào tính chất của công
cụ o và người ta cần thực hiện phép o ghi nhận một lần hay nhiều lần. Nếu như có một loại
ghi nhận thì kết quả phép o nhận ược là kết quả khi xử lý các kết quả từ các ghi nhận ó. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử
Phép o có bản chất là quá trình so sánh ại lượng vật lý cần o với một ại lượng vật lý
ược dùng làm ơn vị chuẩn. Kết quả của phép o ược biểu diễn bằng một số là tỷ lệ của ại
lượng cần o với một ơn vị ó. Như vậy thể thực hiện phép o, ta cần thiết lập ơn vị o, so sánh
giá trị của ại lượng cần o với ơn vị và ghi nhận kết quả so sánh ược. Thông thường người
ta thường biến ổi tín hiệu ến dạng thuận tiện nhất cho việc so sánh.
Như vậy, ta có thể tóm tắt lại thành bốn bước chính của phép o là: thiết lập ơn vị vật
lý, biểu diễn tín hiệu o, so sánh tín hiệu o với ơn vị ược lấy làm chuẩn và ghi nhận kết quả so sánh.
Có nhiều cách phân loại phương pháp o, tùy thuộc vào phương pháp nhận kết quả o,
phương pháp xử lý thông tin o, dải trình o, iều kiện o, sai số...
+ Phương pháp o trực tiếp : Là phương pháp o mà kết quả o nhận ược trực tiếp trên
thiết bị o từ một lần o duy nhất. Thông thường dùng các thiết bị o tương ứng cho chính ối
tượng cần o o. Kết quả o chính là trị số ại lượng cần o: X=a
- Ví dụ: o iện áp bằng Vôn-mét, o tần số bằng Tần số-mét, o công suất bằng Oát- mét,...
Đo trực tiếp thì phép o thực hiện ơn giản về biện pháp kỹ thuật, tiến hành o ược nhanh
chóng và loại trừ ược các sai số do tính toán.
+Phương pháp o gián tiếp : Là phương pháp o mà kết quả của ại lượng o tính toán
từ các kết quả o của các phép o trực tiếp các ại lượng vật lý khác nhau. Kết quả o trực tiếp
không phải là trị số của ại lượng cần o, mà là các số liệu cơ sở ể tính ra trị số của ại lượng này: X=f(a1, a2, …, an)
- Ví dụ: Đo công suất một chiều: P=U.I - o iện áp và dòng iện bằng Vôn-mét và Ampe-mét.
- Đặc iểm: nhiều phép o và thường không nhận biết ngay ược kết quả o
Trong kỹ thuật o lường, thông thường người ta muốn tránh phương pháp o gián tiếp,
vì trước hết nó yêu cầu tiến hành nhiều phép o (ít nhất là hai phép o) và thường là không
nhận biết ngay ược kết quả o. Song trong một số trường hợp thì không thể tránh ược phương pháp này.
+ Đo thống kê: Là phương pháp thực hiện o nhiều lần một ại lượng o với cùng thiết
bị o và trong cùng iện kiện o, kết quả o ược tính là giá trị trung bình thống kê của của các lần o o. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử
Đặc iểm: Phương pháp này cho phép loại trừ các sai số ngẫu nhiên và thường dùng
khi kiểm chuẩn thiết bị o.
+ Phương pháp o tương quan: Hiện nay, kỹ thuật o lường ã phát triển nhiều về
phương pháp o tương quan. Nó là một phương pháp riêng, không nằm trong phương pháp
o trực tiếp hay phương pháp o gián tiếp. Phương pháp tương quan dùng trong những trường
hợp cần o các quá trình phức tạp, mà ở ây không thể thiết lập một quan hệ hàm số nào giữa
các ại lượng là các thông số của một quá trình nghiên cứu. Ví dụ: tín hiệu ầu vào và tín hiệu
ầu ra của một hệ thống nào ó.
Khi o một thông số của tín hiệu nào bằng phương pháp o tương quan, thì cần ít nhất
là hai phép o mà các thông số từ kết quả o của chúng không phụ thuộc lẫn nhau. Phép o
này ược thực hiện bởi cách xác ịnh khoảng thời gian và kết quả của một số thuật toán có
khả năng ịnh ược trị số của ại lượng thích hợp. Độ chính xác của phép o tương quan ược
xác ịnh bằng ộ dài khoảng thời gian của quá trình xét. Khi o trực tiếp thật ra là người o ã
phải giả thiết hệ số tương quan giữa ại lượng o và kết quả rất gần 1, mặc dù có sai số do
quy luật ngẫu nhiên của quá trình biến ổi gây nên.
Ngoài các phép o cơ bản nói trên, còn một số các phương pháp o khác thường ược
thực hiện trong quá trình tiến hành o lường như sau:
+ Phương pháp o thay thế: Phép o ược tiến hành hai lần, một lần với ại lượng cần o
và một lần với ại lượng o mẫu. Điều chỉnh ể hai trường hợp o có kết quả chỉ thị như nhau.
+ Phương pháp o hiệu số: Phép o ược tiến hành bằng cách ánh giá hiệu số trị số của
ại lượng cần o và ại lượng mẫu.
+ Phương pháp o vi sai, phương pháp chỉ thị không, phương pháp bù, cũng là những
trường hợp riêng của phương pháp hiệu số. Chúng thường ược dùng trong các mạch cầu o hay trong các mạch bù.
+ Phương pháp o thẳng: kết quả o ược ịnh lượng trực tiếp trên thanh ộ của thiết bị
chỉ thị. Tất nhiên sự khắc ộ của các thang ộ này ã ược lấy chuẩn trước với ại lượng mẫu
cùng loại với ại lượng o.
+ Phương pháp o rời rạc hóa (chỉ thị số): ại lượng cần ược o ược biến ổi thành tin
tức là các xung rời rạc. Trị số của ại lượng cần o ược tính bằng số xung tương ứng này.
1.4 CHỨC NĂNG VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ ĐO
Hầu hết các thiết bị o có chức năng cung cấp cho chúng ta kết qủa o ược ại lượng
ang khảo sát. Kết quả này ược chỉ thị hoặc ược ghi lại trong suốt quá trình o, hoặc ược dùng
ể tự ộng iều khiển ại lượng ang ược o. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử
Ví dụ: trong hệ thống iều khiển nhiệt ộ, máy o nhiệt ộ có nhiệm vụ o và ghi lại kết
quả o của hệ thống ang hoạt ộng và giúp cho hệ thống xử lý và iều khiển tự ộng theo thông số nhiệt ộ.
Nói chung thiết bị o lường có chức năng quan trọng là kiểm tra sự hoạt ộng của hệ
thống tự iều khiển, nghĩa là o lường quá trình trong công nghiệp (Industrial process
measurements). Đây cũng là môn học trong ngành tự ộng hóa.
- Phân loại thiết bị o: Gồm 2 nhóm chính
Thiết bị o ơn giản: mẫu, thiết bị so sánh, chuyển ổi o lường.
Thiết bị o phức tạp: máy o, thiết bị o tổng hợp và hệ thống thông tin o lường.
+ Thiết bị chuẩn: Chuẩn là mẫu có cấp chính xác cao nhất. Chuẩn là phương tiện o
ảm bảo việc sao và giữ ơn vị o tiêu chuẩn.
+ Thiết bị mẫu: là thiết bị o dùng ể sao lại ại lượng vật lí có giá trị cho trước với ộ chính xác cao.
+ Thiết bị so sánh: thiết bị o dùng ể so sánh 2 ại lượng cùng loại.
+ Thiết bị chuyển ổi o lường: Thiết bị o dùng ể biến ổi tín hiệu mang thông tin o
lường về dạng thuận tiện cho việc truyền tiếp, biến ổi tiếp, xử lí tiếp và giữ lại, nhưng người
quan sát chưa thể nhận biết trực tiếp ược kết quả o (VD: bộ KĐ o lường; bộ biến dòng, biến
áp o lường; sensor, quang iện trở, nhiệt iện trở, ADC...)
+ Máy o (Instrument): Thiết bị o dùng ể biến ổi tín hiệu mang thông tin o lường về
dạng mà người quan sát có thể nhận biết trực tiếp ược (VD: vônmét, ampe mét,...)
+ Thiết bị o tổng hợp: là các thiết bị o phức tạp, a năng dùng ể kiểm tra, kiểm chuẩn
o lường, o lường các tham số phức tạp.
+ Hệ thống thông tin o lường: Hệ thống mạng kết nối của nhiều thiết bị o, cho phép
o lường và iều khiển từ xa, o lường phân tán...
Với nhiều cách thức o a dạng khác nhau cho nhiều ại lượng có những ặc tính riêng
biệt, một cách tổng quát chúng ta có thể phân biệt 2 dạng thiết bị o phụ thuộc vào ặc tính.
Ví dụ: ể o ộ dẫn iện chúng ta dùng thiết bị o dòng iện thuần túy iện là micro ampe kế
hoặc mili ampe kế. Nhưng nếu chúng ta dùng thiết bị o có sự kết hợp mạch iện tử ể o ộ dẫn
iện thì lúc bấy giờ phải biến ổi dòng iện o thành iện áp
o. Sau ó mạch o iện tử o dòng iện dưới dạng iện áp. Như vậy chúng ta có ặc tính khác
nhau giữa thiết bị o iện và thiết bị o iện tử. Hoặc có những thiết bị o chỉ thị kết quả bằng
kim chỉ thị (thiết bị o dạng analog), hiện nay thiết bị o chỉ thị bằng hiện số (thiết bị o dạng
digital). Đây cũng là một ặc tính phân biệt của thiết bị o. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử
Ngoài ra thiết bị o lường còn mang ặc tính của một thiết bị iện tử (nếu là thiết bị o
iện tử) như: tổng trở vào cao, ộ nhạy cao, hệ số khuyếch ại ổn ịnh và có ộ tin cậy ảm bảo
cho kết quả o. Còn có thêm chức năng, truyền và nhận tín hiệu o lường từ xa (telemetry).
Đây cũng là môn học quan trọng trong lĩnh vực o lường iều khiển từ xa. Bảng phân loại
tổng quan thiết bị o như Hình 1.2:
Thiết bị o Mức ộ tự Dạng của
Ph ương pháp Các ại lượng ộng hóa tín hiệu biến ổi ầu vào Thiết bị Thiết Thiết Thiết Thiết Thiết Thiết Thiết ... o không bị o bị o bị o bị o bị o bị o bị o tự ộng tự tương số biến biến dòng tần số ộng tự ổi ổi iện thẳng cân
Hình 1.2 - Bảng phân loại tổng quan thiết bị o
1.5 ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG, CHUẨN, MẪU
1.5.1 Đơn vị o lường
+ Đơn vị o: Là một giá ơn vị tiêu chuẩn về một ại lượng o nào ó ược quốc tế quy ịnh.
Trên thế giới người ta chế tạo ra những ơn vị tiêu chuẩn gọi là các chuẩn.
Ví dụ: Chuẩn Ôm quốc tế là iện trở của một cộ thủy ngân thiết diện 1mm2, dài 106,300
cm, ở 00C và có khối lượng là 14,4521 g. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử
Hệ ơn vị ơn vị o lường phổ biến ược dùng ở Việt Nạm là hệ SI. Hệ SI gồm các ơn vị
o cơ bản và ơn vị o kéo theo:
+ Đơn vị o cơ bản: Được thể hiện bằng các ơn vị chuẩn với ộ chính xác cao nhất mà
khoa học kỹ thuật hiện ại có thể thực hiện ược, gồm 7 ơn vị o là: m ( ơn vị o khoảng cách),
kg ( ơn vị o khối lượng, S ( ơn vị o thời gian), A ( ơn vị o cường ộ dòng iện), K ( ơn vị o
nhiệt ộ), mol ( ơn vị o lượng chất), Cd (Candela - ơn vị o cường ộ ánh sáng).
+ Đơn vị kéo theo: là ơn vị có liện quan ến các ơn vị cơ bản bởi những luật thể hiện
bằng các biểu thức, ví dụ: [Hz] = 1/ [S], [C]= [A.S], [V]= [A.S/m] ... Ngoài ra hệ SI còn sử
dụng các hệ số và ước số của các ơn vị: T G K h da D c m n p f a 1012 109 106 103 10
10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18
+ Chuẩn: là phương tiện o ảm bảo việc sao, giữ 1 ơn vị tiêu chuẩn.
+ Mẫu: Phương tiện o dùng ể sao lại các ại lượng vật lý với giá trị cho trước và với ộ
chính xác cao. Với mỗi quốc gia, mẫu có cấp chính xác cao nhất gọi là chuẩn của quốc gia ó.
1.5.2 Cấp chuẩn hóa
Khi sử dụng thiết bị o lường, chúng ta mong muốn thiết bị ược kiểm chuẩn khi ược
xuất xưởng nghĩa là ã ược chuẩn hóa với thiết bị o lường chuẩn (standard Instrument). Việc
chuẩn hóa thiết bị o lường ược xác ịnh theo 4 cấp như sau:
Cấp 1: Chuẩn quốc tế (International standard) các thiết bị o lường cấp chuẩn quốc tế
ược thực hiện ịnh chuẩn tại Trung tâm o lường quốc tế ặt tại Paris (Pháp), các thiết bị o
lường chuẩn hóa cấp 1 này theo ịnh kỳ ược ánh giá và kiểm tra lại theo trị số o tuyệt ối của
các ơn vị cơ bản vật lý ược hội nghị quốc tế về o lường giới thiệu và chấp nhận ược.
Cấp 2: Chuẩn quốc gia. Các thiết bị o lường tại các Viện ịnh chuẩn quốc gia ở các
quốc gia khác nhau trên thế giới các thiết bị này cũng ã ược chuẩn hóa theo chuẩn quốc tế
và các thiết bị o lường ược chuẩn hóa tại các viện ịnh chuẩn quốc gia.
Cấp 3: Chuẩn khu vực. Trong một quốc gia có thể có nhiều trung tâm ịnh chuẩn cho
từng khu vực (standard zone center). Các thiết bị o lường tại các trung tâm này ương nhiên
phải mang chuẩn quốc gia (National standard). Những thiết bị ược o lường ược ịnh chuẩn
tại các trung tâm ịnh chuẩn này sẽ mang chuẩn khu vực (Zone standard).
Cấp 4: Chuẩn phòng thí nghiệm. Trong từng khu vực chuẩn hóa sẽ có những phòng
thí nghiệm ược công nhận ể chuẩn hóa các thiết bị ược dùng trong sản xuất công nghiệp.
Như vậy các thiết bị ược chuẩn hóa tại các phòng thí nghiệm này sẽ có chuẩn hóa của lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử
phòng thí nghiệm. Do ó các thiết bị o lường khi ược sản xuất ra ược chuẩn hóa ở cấp nào
thì sẽ mang chất lượng tiêu chuẩn o lường của cấp ó.
Còn các thiết bị o lường tại các trung tâm o lường, viện ịnh chuẩn quốc gia, thì phải
ược chuẩn hóa và mang tiêu chuẩn cấp cao hơn. Thí dụ phòng thí nghiệm phải trang bị các
thiết bị o lường có tiêu chuẩn của chuẩn vùng hoặc chuẩn quốc gia. Còn các thiết bị o lường
tại viện ịnh chuẩn quốc gia thì phải có chuẩn quốc tế. Ngoài ra theo ịnh kỳ ược ặt ra phải
ược kiểm tra và chuẩn hóa lại các thiết bị o lường.
1.6 ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ ĐO
Có nhiều ặc tính cơ bản của thiết bị o, cần phải xác ịnh chúng ể lựa chọn chính xác
thiết bị o. Có 2 loại ặc tính: Đặc tĩnh tính và ặc tính ộng.
1.6.1 Đặc tính tĩnh
Các ặc tính tĩnh ược xác ịnh thông quá trình kiểm chuẩn (Calibration Test) thiết bị.
Kiểm chuẩn là quá trình so sánh thiết bị o với một thiết bị chuẩn (thiết bị mẫu) ể nhằm mục
ích kiểm tra khắc ộ thiết bị o (Xác ịnh mối quan hệ giữa thang chỉ thị của thiết bị o và giá
trị của các thiết bị mẫu, chuẩn), cũng như xác ịnh các ặc tính của thiết bị o.
Các ặc tĩnh tính cơ bản của thiết bị o như sau:
+ Hàm biến ổi (Transfer Function): Là tương quan hàm số giữa ại lượng ầu ra Y và
các ại lượng ầu vào X của thiết bị o, thường cho dưới dạng hàm số hoặc ồ thị: Y=f(X)
+ Độ nhạy (Sensitivity): Là tỷ số giữa ộ biến thiên của ầu ra Y của phương tiện o với
ộ biến thiên của ại lượng o ầu vào X tương ứng. Ký hiệu: S dY dX
+ Phạm vi o (Range): Là phạm vi thang o bao gồm những giá trị mà sai số của phép
o nằm trong giới hạn cho trước.
+ Phạm vị chỉ thị (Display Range): là phạm vi thang o ược giới hạn bởi giá trị
ầu và giá trị cuối của thang o.
+ Cấp chính xác (Accuracy-Level): ược xác ịnh bởi giá trị lớn nhất của các sai số trong thiết bị o. Thường
ược tính toán bằng giới hạn của sai số tương ối quy ổi: X lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử qmax max .100 Xm
+ Độ chính xác (Accuracy): Mức ộ gần giá trị thực của ại lượng o và giá trị o ược.
+ Độ rõ (Precision): Mức ộ sai khác của kết quả o của các phép o liên tiếp một ại
lượng o không ổi với cùng máy ó.
Bảng sau minh họa sự khác nhau giữa Độ chính xác và Độ rõ:
Bảng 1.1 – Minh họa sự khác nhau giữa ộ chính xác và ộ rõ Kết quả bắn bia Độ chính xác Thấp Thấp Cao Cao Độ rõ Thấp Cao Thấp Cao
+ Độ phân giải (Resolution): là giá trị nhỏ nhất có thể phân biệt ược sự biến ổi của
ại lượng o trên thiết bị ó. Thường gồm ộ chia nhỏ nhất của thang o hay giá trị nhỏ nhất có
thể phân biệt ược trên thang o (mà có thể phân biệt ược sự biến ổi trên thang o).
+ Độ ổn ịnh (Stability): Sự biến ổi không quá nhiều của giá trị o trong iều kiện o khác nhau.
1.6.2 Đặc tính ộng
Một số rất ít thiết bị o áp ứng tức thời ngay với ại lượng o thay ổi. Phần lớn nó áp
ứng chậm hoặc không theo kịp sự thay ổi của ại lượng o. Sự chậm chạp này phụ thuộc ặc
tính của thiết bị o như tính quán tính, nhiệt dung hoặc iện dung… ược thể hiện qua thời
gian trễ của thiết bị o. Do ó sự hoạt ộng ở trạng thái ộng hoặc trạng thái giao thời của thiết
bị o cũng quan trọng như trạng thái tĩnh.
Đối với ại lượng o có 3 dạng thay ổi như sau:
- Thay ổi có dạng hàm bước theo thời gian.
- Thay ổi có dạng hàm tuyến tính theo thời gian.
- Thay ổi có dạng hàm iều hòa theo thời gian. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử
Đặc tuyến ộng của thiết bị o - Tốc ộ áp ứng. - Độ trung thực. - Tính trễ. - Sai số ộng
Đáp ứng ộng ở bậc Zero (bậc không)
Một cách tổng quát tín hiệu o và tín hiệu ra của thiết bị o ược diễn tả theo phương trình sau ây: d xn 0 a d n 1x0 dx a n dtn n 1 dt n 1
.... a1 dt0 a x0 0 bm d xdtmmi bm 1 ddtm m1 x1i ... b1 dxdti b x0 0
Trong ó: xo: tín hiệu ra của thiết bị o; x1: tín hiệu o.
ao an: thông số của hệ thống o giả sử không thay ổi.
bo bn: thông số của hệ thống o giả sử không thay ổi.
Khi ao, bo khác không ( 0) thì các giá trị a, b khác bằng không (=0). Phương trình vi phân còn lại: a x b0 0 0 b x x0 1; 0
x Ki ; b0 : ộ nhạy tĩnh a0 a0
Như vậy ây là trường hợp ại lượng vào và ại lượng ra không phụ thuộc vào thời gian,
là iều kiện lý tưởng của trạng thái ộng. Thí dụ như sự thay ổi vị trí con chạy của biến trở
tuyến tính theo ại lượng o.
Đáp ứng ộng ở bậc 1
Khi các giá trị a1, b1, a0, b0 khác không ( 0), còn các giá trị còn lại bằng không dx0 a x 0 0 b x0 i (=0): a1 dt lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử
Bất kỳ thiết bị o nào thỏa mãn cho phương trình này ược gọi là thiết bị bậc nhất.
Chia hai vế cho a0 phương trình trên ta có: a 1 dx0 x0 b0 xi
Hoặc: dx0 x0 b0 xi ; D 1 x0 Kxi a0 dt a0 dt a0 Với D
d ; a1 : thời hằng; K b0 : ộ nhạy tĩnh dt a0 a0
Thời hằng có ơn vị là thời gian. Trong khi ó ộ nhạy tĩnh K ơn vị của tín hiệu ra/tín hiệu vào.
Hàm truyền hoạt ộng (Transfer function) của bất kỳ thiết bị o bậc nhất: x 0 K xi D 1
Thí dụ cụ thể của thiết bị o bậc nhất là nhiệt kế thủy ngân.
Đáp ứng ộng của thiết bị bậc 2, ược ịnh nghĩa theo phương trình: a d x 2 0 a dx0 a x b x 2 dt 2 1 dt 0 0 0 i
Phương trình trên ược rút gọn lại: Dn22 2 Dn 1 x0 Kxi n
a0 a2 : tần số không ệm tự nhiên ( ơn vị: radian/thời gian). b : tỉ số ệm; a1 ; K= 0 a a0 2 a0
Bất kỳ thiết bị o nào thỏa cho phương trình này gọi là thiết bị o bậc 2. Thí dụ:
Loại cân dùng lò xo àn hồi (lực kế), thông thường loại thiết bị o bậc 1 chỉ hoạt ộng o
với ại lượng có năng lượng. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử
Nhiệt kế có năng lượng là nhiệt năng, trong khi ó loại thiết bị bậc 2 có sự trao ổi giữa
hai dạng năng lượng. Thí dụ: năng lượng tĩnh iện và từ iện trong mạch LC, cụ thể như sự
chỉ thị cơ cấu từ iện kết hợp với mạch khuếch ại.
1.7. ĐẶC TÍNH ĐIỆN CỦA THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ
Ngoài những ặc tính cơ bản, thiết bị o iện tử có những ặc tính iện riêng. Các ặc tính
này ảnh hưởng rất lớn ến mức ộ chính xác của kết quả o.
1.7.1. Các tham số giới hạn
+ Giới hạn về thang o: Mỗi thiết bị o có khoảng o lớn nhất về một thông số cần o.
Khoảng o sẽ ược chia thành các thang o nhỏ thích hợp. Ví dụ, một Voltmeter có thể o cao
nhất là 300V chia thành 5 thang o phụ: 3V, 10V, 30V, 100V và 300V. Chuyển mạch thang
o sẽ thiết lập tại các vị trí chính xác tuỳ thuộc vào giá trị o yêu cầu. Giả sử phép o iện áp là
9V thì chúng ta sẽ sử dụng thang o 10V. Các thang o cần phải có cho tất cả các thông số
cần o. Cần phải chọn thang o úng cho mỗi thông số o thích hợp. Nếu o iện áp trên thang o
dòng iện, thì ồng hồ o sẽ hư hỏng.
+ Độ mở rộng thang o: Là thuật ngữ ược sử dụng chỉ sự chênh lệch giữa giá trị lớn
nhất và giá trị nhỏ nhất của một thang o. Đối với giá trị o của ồng hồ ở mức nhỏ nhất là
10mA và 100mA ở mức cao nhất, thì ộ mở rộng của thang o là 100mA - 10mA = 90mA.
Một ồng hồ o iện áp có mức 0V ở giữa, với + 10V một bên và - 10V ở phía khác, sẽ có ộ mở rộng thang o là 20V.
+ Giới hạn về công suất: Mỗi thiết bị o ều có khả năng xử lý công suất lớn nhất, nên
công suất của tín hiệu vào không ược vượt quá giới hạn công suất o. Công suất vượt quá
có thể làm hỏng ồng hồ o hay mạch khuyếch ại bên trong ồng hồ o.
+ Giới hạn về tần số: Phần lớn cơ cấu ộng ở ồng hồ o tương tự có vai trò như một
iện cảm mắc nối tiếp và do vậy sẽ suy giảm ở dãi tần số cao. Trong các thiết bị o sử dụng
các mạch chỉnh lưu và các mạch khuyếch ại, các iện dung của tiếp giáp ược cho là một hạn
chế ối với tín hiệu o ở dãi tần số cao. Cơ cấu o iện ộng có thể chỉ ược sử dụng ể o tín hiệu
có tần số lên ến 1000Hz (do iện cảm nối tiếp), các cơ cấu o từ iện (có bộ chỉnh lưu) có thể
sử dụng ể o tín hiệu có tần số lên ến 10000Hz, millivoltmeter xoay chiều có thể o các tín
hiệu có tần số lên ến một vài MHz. Các hạn chế tần số khác có thể gây ra do các iện dung
song song. Máy hiện sóng có thể sử dụng ể o các tín hiệu có tần số ở dãi Megahertz, nhưng
giá thành sẽ tăng khi cần ộ rộng băng tần cao hơn. Máy hiện sóng không sử dụng cuộn dây
và hệ thống chỉ thị kim, do vậy ảnh hưởng bất lợi ở phần lớn các cơ cấu o sẽ ược hạn chế và loại bỏ. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử
+ Giới hạn về trở kháng: Các thiết bị o ược dùng ể o các tín hiệu AC, có trở kháng
ra phụ thuộc vào mạch ra của transistor ược sử dụng. Một máy phát tín hiệu tần số cao có
thể có trở kháng là 75 hay 50 ể phù hợp với trở kháng vào của hệ thống cần o. Các thiết
bị o iện áp như voltmeter và máy hiện sóng có trở kháng vào cao. Một voltmeter tốt vừa
phải có thể có trở kháng vào khoảng 20000 /V, trong khi một máy hiện sóng và ồng hồ o
số hay ồng hồ o iện tử có thể có trở kháng vài megohm. Thiết bị o iện áp có trở kháng cao
hơn sẽ cho ộ chính xác của phép o cao hơn, hay có ảnh hưởng quá tải ít hơn. Trở kháng của
các cơ cấu o cuộn dây ộng tuỳ thuộc vào ộ nhạy của ồng hồ, còn trở kháng của máy hiện
sóng kiểu ống tia phụ thuộc vào trở kháng vào của bộ khuyếch ại dọc sử dụng trong máy hiện sóng.
1.7.2. Ảnh hưởng do quá tải
Ảnh hưởng do quá tải có nghĩa là sự suy giảm về trị số của thông số ở mạch cần o
khi mắc thiết bị o vào mạch. Thiết bị o sẽ tiêu thụ công suất từ mạch cần o và sẽ làm tải của
mạch cần o. Điện trở của ồng hồ o dòng sẽ làm giảm dòng iện trong mạch cần o. Tương tự,
một voltmeter khi mắc song song với mạch có iện trở cao, thực hiện vai trò như một iện trở
song song [shunt], nên sẽ làm giảm iện trở của mạch. Điều này tạo ra mức iện áp thấp trên
tải ọc ược trên ồng hồ o. Do ó, ồng hồ sẽ chỉ thị mức iện áp thấp hơn so với iện áp thực,
nghĩa là cần phải lấy mức iện áp cao hơn ể có ộ lệch úng. Như vậy, ảnh hưởng do quá tải
sẽ hạn chế ộ nhạy và do ó cũng ược gọi là giới hạn ộ nhạy. Những ảnh hưởng này sẽ còn
ược nhắc lại trong phần o iện áp và dòng iện.
1.7.3. Can nhiễu ở phép o
So với tạp nhiễu bên trong ược tạo ra bởi các gợn sóng của nguồn cung cấp, hay bằng
sự di chuyển lớn một cách ngẫu nhiên về cả số lượng và vận tốc của các iện tử trong các
cấu kiện chủ ộng và thụ ộng (gọi là nhiễu Johnson hay nhiễu trắng, nhiễu vạch), hoặc do
các quá trình quá ộ gây ra bởi sự giảm ột ngột thông lượng qua một iện cảm, các thiết bị o
có thể bị can nhiễu từ bên ngoài ược giải thích như sau. 1.
Can nhiễu tần số thấp. Khi các dây dẫn iện nguồn cung cấp chính ac chạy
song song gần với các ầu dây tín hiệu o, thì nhiễu mạnh ac (tần số 50Hz) sẽ can nhiễu vào
ầu tín hiệu o do hiệu ứng iện dung giữa các dây dẫn. 2.
Can nhiễu tần số cao. Các tín hiệu tần số cao ược tạo ra bất cứ khi nào có
sự phát ra tia lửa iện ở vùng xung quanh thiết bị o. Tia lửa iện có thể tạo ra khi chuyển
mạch nguồn cung cấp, do các hệ thống ánh lửa, do các ộng cơ iện một chiều, do các máy
hàn, do sự phóng iện hào quang (tức sự ion hoá không khí gần các mạch iện áp cao), và do lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử
hồ quang iện trong các èn huỳnh quang. Tia chớp là các nguồn tần số cao trong tự nhiên.
Phát thanh quảng bá từ các ài thu phát vô tuyến và các ài phát thanh di ộng công suất cao,
ược lắp ặt gần các thiết bị o cũng tạo ra các tín hiệu tần số cao. Các tín hiệu cao tần ó ều có
thể can nhiễu vào thiết bị o, các tín hiệu cao tần có thể ược chỉnh lưu bằng các cấu kiện bán
dẫn có trong các thiết bị o, và như vậy sẽ tác ộng ến các kết quả o do iện áp không mong
muốn thể hiện dưới các dạng khác nhau trong phép o, làm cho kết quả o sai hoàn toàn. Một
số phép o dc tiến hành ở các iểm o trong mạch có cả iện áp dc và iện áp của các tín hiệu
tần số cao. Các phép o iện áp dc sẽ không chính xác nếu không lọc bỏ iện áp cao tần trước
khi tín hiệu o ược chỉnh lưu trong thiết bị o.
Các cách phòng ngừa và khắc phục ở các phép o ể loại bỏ can nhiễu cao tần. 1.
Trước tiên là bao bọc có hiệu quả thiết bị o ể không bị can nhiễu ngoài trực tiếp vào thiết bị o. 2.
Thiết bị o phải ược nối ất. 3.
Cần phải lọc các tín hiệu không mong muốn tại mạch vào, dây o và dây
nguồn cung cấp ể các tín hiệu cao tần sẽ ược lọc bỏ trước khi chỉnh lưu, phải có mạch chọn
băng tần tín hiệu o ể loại bỏ nhiễu và can nhiễu tần số cao. Mạch nối ất với bệ máy cần phải
ảm bảo. Mối hàn bị nứt hay thiếu kết nối, sẽ tạo ra một iện trở giữa ầu vào và ất ối với các
tín hiệu tần số cao, nên iện áp cao tần sẽ xâm nhập tại ầu vào như minh hoạ ở Hình 1.3. Tụ
iện trong Hình 1.3 dùng ể lọc bỏ các tín hiệu cao tần, có vai trò như một ngắn mạch ối với
tần số cao. Nếu tụ hở mạch, hay iểm G không kết nối với ất (do áp lực nào ó hay mối hàn
bị nứt), thì tín hiệu tần số cao sẽ có tại iểm A sẽ ược ưa ến ầu vào của mạch khuyếch ại
bằng Transistor, nên sẽ ược khuyếch ại và chỉnh lưu (phần phi tuyến của ặc tuyến) và sẽ có
tại ầu ra dưới dạng iện áp dc. Các ài phát thanh quảng bá ịa phương thỉnh thoảng nghe ược
trong ống nghe iện thoại do can nhiễu ó.
Hình 1.3 – Mạch bị mất nối ất ầu vào lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử 4.
Khi thực hiện phép o dc tại iểm có cả iện áp dc cũng như iện áp cao tần, iện
áp cao tần có thể gây ra mức dòng iện lớn chảy qua ầu que o bởi vì ầu que o gần như ược
ngắn mạch với bệ máy ối với tín hiệu cao tần thông qua ảnh hưởng iện dung, có thể làm
nóng ầu que o (thực tế này xảy ra khi o các iện áp dc trong máy phát). Mắc nối tiếp cuộn
cảm RF với ầu que o ể loại bỏ tình trạng trên. 5. Sử dụng mạch khuyếch ại thuật toán ở chế
ộ vi sai sẽ làm giảm các tín hiệu nhiễu ồng kênh rất cơ bản, có thể loại bỏ nhiễu ồng kênh
lên ến mức 100dB. (Nếu mặc dù ã có các dự phòng nhiễu cao tần trên, hư hõng hệ thống
có thể từ tầng này ến tầng khác, thì nguyên nhân có thể là vỏ bảo vệ, nối ất, mạch lọc và
cuộn cảm cao tần, cần phải kiểm tra kỹ các vần ề ó). 1.7.4. Vỏ bảo vệ
Vỏ bảo vệ là lớp chặn bằng vật liệu dẫn iện ược lắp ở phần có tín hiệu nhiễu. Hiệu
quả của lớp bảo vệ tuỳ thuộc vào: (i) kiểu lớp bảo vệ, (ii) các ặc tính của vật liệu làm lớp
bảo vệ và (iii) ộ hở của lớp bảo vệ.
Trường nhiễu có thể là iện trường hoặc từ trường. Các lớp bảo vệ bằng từ tính sử
dụng vật liệu sắt từ như sắt. Các lớp bảo vệ tĩnh iện sử dụng vật liệu dẫn iện không nhiễm
từ như nhôm. Các vật liệu dẫn iện có ặc tính iện môi kém nên sẽ hấp thụ các nhiễu do iện
trường tĩnh. Ngoài việc hấp thụ, nhiễu cũng sẽ giảm do sự phản xạ của iện trường khỏi lớp
bảo vệ. Độ hấp thụ nhiễu tỷ lệ với ộ dày của vật liệu. Sự phản xạ sẽ xảy ra khi có gián oạn
trở kháng ặc trưng giữa lớp bảo vệ và môi trường xung quanh lớp bảo vệ. 1.7.5. Nối ất
Có ường dẫn trở lại mức ất trên bảng mạch in, thường là ường mạch rộng và có iện
trở rất thấp. Dây tín hiệu cần phải ược ặt gần với ường nối ất ể giảm ảnh hưởng iện cảm.
Đường mức ất trên mạch bảng mạch sẽ ược nối với ường ất hiệu dụng.
Mức ất, như mạch ở Hình 1.4, là không úng, bởi vì iện áp ược bọc lộ trên chiều dài
Zp do phần từ II sẽ ược nối trở lại phần tử I. Ảnh hưởng sẽ xấu nếu phần tử I có ộ nhạy cao,
hoặc nếu phần tử II là thiết bị công suất lớn. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử
Hình 1.4 - Nối ất sai
Các cách nối ất như mạch ở Hình 1.5a và Hình 1.5b, là thích hợp, nhất là ối với tín
hiệu có tần số trên 10MHz, nếu chú ý chọn ể tránh việc hình thành các vòng ất.
Hình 1.5 - Nối ất úng
1.8. SO SÁNH THIẾT BỊ ĐO TƯƠNG TỰ VÀ THIẾT BỊ ĐO SỐ.
Các thiết bị o tương tự sử dụng ộ lệch của kim chỉ thị do tương tác giữa dòng iện và
từ trường, hoặc giữa hai từ trường. Đa số các bộ phận cơ cấu ộng ều có ma sát, nên có nhiều
hạn chế (như giới hạn tần số cao, ộ nhạy, sai số do quá tải) và các sai số. Trong các ồng hồ
o số, không liên quan ến sự làm lệch, số chỉ thị ược ọc ở bộ hiển thị (hiển thị bằng tinh thể
lỏng hay bằng LED), nên các ồng hồ o số không có các sai số như của các ồng hồ o tương
tự. Các ưu iểm của thiết bị o số so với các loại ồng hồ o tương tự như sau. a) Ưu iểm của
ồng hồ o số so với ồng hồ o tương tự.
1. Độ chính xác cao (thông dụng là 0,0005% hay 5ppm)
2. Độ rõ cao (khi số lượng o ược thể hiện bằng chữ số, nên sẽ không thay ổi
giá trị của nó) ( iển hình là 1ppm).
3. Độ phân giải tốt hơn (tình trạng không rõ ràng chỉ bị giới hạn nhiều nhất là một chữ số).
4. Không có sai số do thị sai.
5. Không có sai số do ọc. Không có sai số trong việc chuyển ổi số liệu o.
6. Trở kháng vào rất cao ( iển hình là 10Mvà iện dung vào thấp là 40pF) và vì
vậy sai số do quá tải không áng kể.
7. Trở kháng vào hầu như không thay ổi trên tất cả các thang o.
8. Sự ịnh chuẩn từ các nguồn mẫu bên trong ồng hồ là hoàn toàn ổn ịnh.
9. Không có sai số do dạng sóng tín hiệu. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử
10. Hiển thị cực tính tự ộng, có khả năng tự ộng chỉnh 0 và tự ộng chuyển thang
o. Các thang o thay ổi theo các nấc thập phân thay vì thang o, nên có số lượng thang
o ít hơn, khả năng mở rộng thang o lớn hơn.
11. Có khả năng xử lý số o bằng máy tính. Các số liệu o có thể ược lưu trữ và
truy suất bất kỳ lúc nào.
12. Có khả năng xử lý các tín hiệu o ở dãi tần số rộng hơn.
13. Thao tác o ơn giản, chỉ cần ấn nút ấn ể thiết lập lại tự ộng chính xác thiết bị
o cho các số liệu o mới.
14. Có khả năng kết hợp nhiều thiết bị o vào một thiết bị bằng kỹ thuật số. Có
thể lập trình phép o dễ dàng.
15. Thiết bị o gọn và kết cấu chắc chắn hơn.
b) Các nhược iểm của ồng hồ o số. 1.
Cần phải có nguồn cung cấp do sử dụng các vi mạch (IC). 2.
Các ại lượng thay ổi chậm, như khi nạp tụ không thể quan sát ược. Các ồng
hồ tương tự có thể quan sát các biến thiên như khi o thử tụ iện phân. 3.
Khi o thử diode không thể thực hiện như cách thông thường, nên có bổ sung
mạch chuyên dụng dành riêng cho mục ích o thử diode ở một số ồng hồ o số (tức chức năng
o mức sụt áp trên tiếp giáp pn). 4.
Giá thành cao, nhưng giá thành sẽ giảm xuống theo sự phát triển của công
nghệ chế tạo các IC mới. Vẫn còn nhiều tranh luận giữa các lợi thế của thiết bị o tương tự
so với các hiển thị số. Tuy nhiên, các ưu iểm của thiết bị o số có phần ược chú trọng hơn
các loại thiết bị o tương tự, nên thiết bị o số ngày càng trở nên thông dụng hơn, nhất là khi
giá thành của thiết bị o số giảm xuống. Trong các hệ thống o rất phức tạp, cơ cấu o tương
tự chỉ thị kim có thể thể hiện bằng hình vẽ trên máy tính ngoài hiển thị số.
1.9. CHỌN KHOẢNG ĐO TỰ ĐỘNG VÀ ĐO TỰ ĐỘNG
Khoảng o tự ộng sẽ ịnh vị dấu chấm thập phân một cách tự ộng ể nhận ược ộ phân
giải tối ưu. Nếu số chỉ thị dưới 200, thiết bị o số 3 ½ - chữ số sẽ tự ộng ược chuyển mạch
ến thang o có ộ nhạy cao hơn, còn nếu giá trị hiển thị cao hơn 1999, thì thang o có ộ nhạy
ít hơn tiếp theo sẽ ược chọn. Bộ ếm và bộ giải mã sẽ thay ổi vị trí dấu chấm thập phân khi
yêu cầu khoảng o tự ộng. Một ồng hồ o tự ộng hoàn toàn chỉ cần tín hiệu cần o có tại hai
ầu vào của ồng hồ o và iều chỉnh ể o thông số nào, còn sau ó toàn bộ các tiến trình o (chính
0, chỉ thị cực tính, thang o, hiển thị) sẽ ược tiến hành tự ộng. Đối với các thiết bị o hiện ại, lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử
xu hướng là kết hợp nhiều thiết bị o vào một thiết bị. Ví dụ, Hệ thống giám sát thông tin có các thiết bị o như sau: 1. Máy tạo tín hiệu RF 6. Đồng hồ o ộ nhạy 2. Máy tạo tín hiệu AF
7. Đồng hồ o hệ số méo dạng
3. Đồng hồ o công suất RF 8. Bộ ếm tần số 4. Voltmeter số 9. Máy phân tích phổ
5. Đồng hồ o công suất AF
10. Máy hiện sóng nhớ số
Bất kỳ thiết bị o nào trong số các thiết bị o trên có thể hình thành hoạt ộng theo lập
trình. Chế ộ làm việc ã ược chọn, thiết bị o sẽ ược chọn, loại phép o yêu cầu ã ược lập trình
theo lệnh, nên tín hiệu ra sẽ ược hiển thị hay ược in ra, toàn bộ ược iều khiển bằng bàn
phím. Phép o theo chương trình trên máy tính cũng ược gọi là o tự ộng.
1.10. ĐO TRONG MẠCH (ICT)
Việc o thử trong mạch có thể o thử IC mức ộ nhỏ hay trung bình mà không cần tháo
IC ra khỏi mạch. Điểm mấu chốt của ICT là giao diện BON. Các ầu kẹp là các ầu que o ở
bộ giao tiếp sẽ ược bật ể gắn ược tải, nối chắc chắn ến iểm cần o thử. Chương trình o thử
tự ộng sẽ cung cấp dữ liệu vào ể o thử linh kiện. Ví dụ, ể o thử một IC, bộ o thử trong mạch
sẽ truy xuất bảng trạng thái cho IC từ RAM của thiết bị o thử tự ộng (ATE), và sẽ so sánh
với dữ liệu ra của IC cần o thử với bảng trạng thái chính xác.
1.11. KỸ THUẬT SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ
Phép o cần phải ược thực hiện một cách cẩn thận và sự thể hiện các số liệu o phải
phù hợp sau khi ã có tính toán ến các giới hạn về ộ nhạy, ộ chính xác và khả năng của thiết bị o.
Đôi khi số o có thể úng nhưng nếu thể hiện kết quả sai, người ta có thể hiểu mạch ang
tốt là có sai hỏng và ngược lại. Hơn nữa, việc sử dụng thiết bị o sai có thể tạo ra các nguy
hiểm cho sự an toàn của người o và thiết bị o. Các kỹ thuật o sau ây cần phải tuân theo khi
o thử hay thực hiện các phép o trong việc chẩn oán hư hỏng, sửa chữa và bảo dưỡng các thiết bị iện tử. 1.
Nối thiết bị ến nguồn iện lưới, tốt hơn hết là thông qua ầu nối ba chân, và
thực hiện bật nguồn cho hệ thống theo trình tự sau: Các iểm quan trọng ược chuyển mạch
ON ầu tiên, tiếp theo là óng [ON] nguồn cung cấp, sau ó óng [ON] thiết bị o, và cuối cùng
óng nguồn cung cấp cho mạch cần o thử. Khi tắt (chuyển mạch sang OFF), thì trình tự là
ngược lại, thì trình tự phải ược thực hiện ngược lại: trước tiên tắt nguồn cung cấp cho mạch lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử
cần o, tiếp theo là tắt thiết bị o, sau ó tắt nguồn cung cấp và cuối cùng là ngắt iện lưới. Điều
này sẽ bảo vệ thiết bị o và thiết bị cần o khỏi các xung quá ộ. Không hàn hay tháo mối hàn
linh kiện khi nguồn cung cấp ang bật. 2.
Bất kỳ lúc nào cũng phải tắt thiết bị o còn nếu thiết bị o ược chuyển mạch
sang óng [on] ngay sau ó thì cần phải có khoảng thời gian áng kể ể cho phép các tụ trong thiết xả. 3.
Các thiết bị o thử cần phải ược nối ất một cách hiệu quả ể giảm thiểu các biến thiên của nhiễu. 4.
Chọn thang o phù hợp theo tham số cần o, tuỳ theo giá trị o yêu cầu. Nếu
không biết giá trị o yêu cầu, thì hãy chọn thang o cao nhất và sau o giảm dần thang o cho
phù hợp, ể tránh cho thiết bị o bị quá tải và bị hư hỏng. Thang o ược chọn cuối cùng sẽ cho
kết quả o gần với ộ lệch lớn nhất có thể có ối với phép o iện áp và dòng iện, và gần mức
trung bình ối với phép o iện trở, ể có ộ chính xác tối ưu ối với hệ thống o. 5.
Khi giá trị o bằng 0, thì ồng hồ o cần phải chỉ thị bằng 0, nếu không thì cần
phải ược chỉnh 0 phù hợp. 6.
Không sử dụng các ầu o có kích thước lớn vì chúng có thể gây ngắn mạch.
Các ầu que o cần phải nhọn nhất nếu có thể ược. 7.
Điểm quan trọng là kết nối phép o tại các iểm o thử: các hãng chế tạo thiết
bị thường quy ịnh các iểm o thử tại các vị trí thuận tiện trên bảng mạch in. Điện trở, mức
iện áp dc, mức iện áp tín hiệu và các dạng sóng của tín hiệu sẽ ược quy ịnh cho mỗi iểm o
thử ( iểm o thử thường là chốt lắp ứng trên bảng mạch in). Các iểm o thử có các mạch ệm
tốt nhất ể tránh nguy hiểm quá tải cho mạch cần o. Các iểm o thử ược thiết kế bởi các nhà
chuyên môn có kinh nghiệm, khi cần khảo sát thiết bị, không ược bỏ qua các iểm o thử
trong quá trình sửa chữa. 8.
Thông thường các ầu que o mang dấu dương và âm ối với các phép o iện áp
và dòng iện trong mạch. Nguồn pin bên trong ồng hồ o sẽ có cực tính ngược lại, tức là ầu
que o âm của nguồn pin trong ồng hồ o sẽ ược nối ầu que ược ánh dấu dương (que o màu
en) và ngược lại, như thể hiện ở Hình 1.6. Thực tế này cần phải nhớ khi o thử các diode,
các tụ iện phân, các transistor và các vi mạch. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử
Hình 1.6 - Cực tính của nguồn pin và cực tính ghi trên que o ồng hồ 9.
Nếu các iểm o thử là không cho trước, hoặc nếu các phép o là ược thực hiện
tại các iểm khác nhau, thì cần phải chú ý các iểm như sau: a) Khi o các iện áp dc, phép o
cần phải ược thực hiện ngay tại các linh kiện thực tế, và ối với vi mạch o trực tiếp trên các
chân. b) Sử dụng ầu kẹp o thử IC ể thực hiện các phép o trên các chân của IC. c) Khi cần o
tín hiệu trên mạch in trong bảng mạch, nên kẹp ầu o trên chân của cấu kiện iện tử ược nối
với ường mạch in. d) Khi thực hiện các phép o trên bảng mạch, cần phải ảm bảo rằng các
IC không bị iện tích tĩnh do thiết bị o. e) Khi kiểm tra hở mạch, hãy tháo một ầu của cấu
kiện iện tử rồi thực hiện phép o. Nếu cấu kiện không ược tháo một ầu, thì các cấu kiện khác
mắc song song với cấu kiện nghi ngờ sẽ chỉ thị không áng tin cậy. Có thể kiểm tra cấu kiện
nghi ngờ bằng cầu o... Khi tháo mối hàn ra khỏi bảng mạch in là khó khăn thì có thể cắt
ường mạch in liên quan, do dễ dàng hàn lại vết cắt hơn so với việc tháo mối hàn cấu kiện ể
o rồi hàn lại, nhưng khi hàn lại vết cắt, cần ề phòng mối hàn bị nứt không xảy ra.
f) Việc tháo và hàn IC là một quá trình khá phức tạp cần phải hết sức cẩn thận. Cần
phải tháo mối hàn cho IC ể o thử chỉ khi xác minh chắc chắn các phép o trên bảng mạch
cho thấy IC ã thực sự hỏng.
10. Cần phải tuân theo các lưu ý về an toàn ể ảm bảo an toàn cho người o và thiết bị
o. 11. Cần phải tuân theo các chỉ dẫn từ hướng dẫn sử dụng thiết bị o thử, cũng như trình
tự o thử. 12. Cần phải nghiên cứu kỹ cách vận hành thiết bị o ể thực hiện phép o và cần
phải tuân theo tất cả các iểm lưu ý ã ược ề cập.
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
1. Thế nào là phương pháp o trực tiếp (khái niệm, biểu thức, ví dụ)?
2. Thế nào là phương pháp o gián tiếp (khái niệm, biểu thức, ví dụ)?
3. Thế nào là phương pháp o tương quan (khái niệm, ặc iểm, ví dụ)?
4. Nêu một số phương pháp o khác? lOMoARcPSD| 36067889
Chương 1 – Giới thiệu chung về kỹ thuật o lường iện tử
5. Định nghĩa thiết bị o?
6. Nêu tên các thiết bị o ơn giản?
7. Nêu tên các thiết bị o phức tạp?
8. Nêu ịnh nghĩa mẫu và chuẩn? Chúng thuộc thiết bị o ơn giản hay phức tạp?
9. Nêu ịnh nghĩa thiết bị chuyển ổi o lường? Nó thuộc thiết bị o ơn giản hay phức tạp?
10. Nêu ịnh nghĩa thiết bị so sánh? Nó thuộc thiết bị o ơn giản hay phức tạp?
11. Nêu ịnh nghĩa dụng cụ o? Nó thuộc thiết bị o ơn giản hay phức tạp?
12. Nêu tên ít nhất 3 ặc tính cơ bản của thiết bị o?
13. Nêu ịnh nghĩa ộ nhạy của thiết bị o, biểu thức ộ nhạy?
14. Nêu ịnh nghĩa hàm biến ổi của thiết bị o?
15. Nêu ịnh nghĩa phạm vi o của thiết bị o?
16. Nêu ịnh nghĩa phạm vi chỉ thị của thiết bị o?
17. Nêu ịnh nghĩa ộ phân giải của thiết bị o? lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường
CHƯƠNG 2 – ĐÁNH GIÁ SAI SỐ ĐO LƯỜNG
2.1. KHÁI NIÊM VỀ SAI SỐ
Đo lường là sự so sánh ại lượng chưa biết ( ại lượng o) với ại lượng ược chuẩn hóa (
ại lượng mẫu hoặc ại lượng chuẩn). Quá trình so sánh như vậy bao giờ cũng có sai lệch.
Trong thực tế khó xác ịnh trị số thực các ại lượng o. Vì vậy trị số ược o cho bởi thiết bị o
ược gọi là trị số tin cậy ược (expected value). Bất kỳ ại lượng nào cũng bị ảnh hưởng nhiều
thông số. Do ó kết quả ó ít khi phản ánh úng trị số tin cậy ược. Cho nên có nhiều hệ số
(factor) ảnh hưởng trong o lường liên quan ến thiết bị o. Ngoài ra có những hệ số khác liên
quan ến con người sử dụng thiết bị o. Như vậy ộ chính xác của thiết bị o ược diễn tả dưới hình thức sai số.
Khái niệm sai số: là ộ chênh lệch giữa kết quả o và giá trị thực của ại lượng o. Nó
phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thiết bị o, phương thức o, người o… Sai số cũng có ý
nghĩa quan trọng không kém gì kết quả o, cho phép ánh giá ược ộ tin cậy của kết quả o.
2.2. NGUYÊN NHÂN GÂY SAI SỐ
Các nguyên nhân gây sai số gồm:
- Nguyên nhân khách quan: do dụng cụ o không hoàn hảo, hay là có một phần khuyết
iểm hoặc hư hỏng, ại lượng o bị can nhiễu nên không hoàn toàn ược ổn ịnh, iều kiện môi
trường không tiêu chuẩn tác ộng lên thiết bị, lên ối tượng o hay người o...
- Nguyên nhân chủ quan: là sai lầm của người o, như ọc kết quả o sai, do thiếu thành
thạo trong thao tác, phương pháp tiến hành o không hợp lí,...
* Các nguồn sai số: Thiết bị o không o ược trị số chính xác vì những lý do sau:
- Không nắm vững những thông số o và iều kiện thiết kế.
- Thiết kế nhiều khuyết iểm.
- Thiết bị o không ổn ịnh sự hoạt ộng.
- Bảo trì thiết bị o kém.
- Do người vận hành thiết bị o không úng.
- Do những giới hạn của thiết kế.
2.3. PHÂN LOẠI SAI SỐ
Có nhiều cách phân loại sai số khác nhau: phân loại theo nguồn gốc,nguyên nhân...
2.3.1. Phân loại sai số theo nguồn gốc gây ra sai số
+ Sai số thô: Các sai số thô có thể quy cho giới hạn của các thiết bị o hoặc là các sai số do người o: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường
• Sai lầm (Gross error): một cách tổng quát sai số này do lỗi lầm của người sử
dụng thiết bị o như việc ọc sai kết quả, hoặc ghi sai, hoặc sử dụng sai không
úng theo qui trình hoạt ộng...
• Sai số giới hạn của thiết bị o. Ví dụ như ảnh hưởng quá tải gây ra bởi một
voltmeter có ộ nhạy kém. Voltmeter như vậy sẽ rẽ dòng áng kể từ mạch cần o
và vì vậy sẽ tự làm giảm mức iện áp chính xác...
+ Sai số hệ thống (Systematic error): Sai số do những yếu tố thường xuyên hay các
yếu tố có quy luật tác ộng, nó làm cho sai số của lần o nào cũng giống nhau hoặc thay ổi
theo quy luật, Nguyên nhân thường do tính không hoàn hảo của thiết bị, do iều kiện môi trường tác ộng...
Sai số do thiết bị o: Các phần tử của thiết bị o có sai số do công nghệ chế tạo, sự lão
hóa do sử dụng... Để làm giảm sai số này bằng cách bảo trì ịnh kỳ cho thiết bị o.
Sai số do ảnh hưởng iều kiện môi trường: cụ thể như nhiệt ộ tăng cao, áp suất tăng,
ộ ẩm tăng, cường ộ iện trường hoặc từ trường ngoài tăng ều ảnh hưởng ến sai số của thiết
bị o lường. Giảm sai số này bằng cách giữ sao cho iều kiện môi trường ít thay ổi hoặc bổ
chính (compensation) ối với nhiệt ộ và ộ ẩm. Và dùng biện pháp bảo vệ chống ảnh hưởng
tĩnh iện và từ trường nhiễu. Sai số hệ thống ều có ảnh hưởng khác nhau. Ở trạng thái tĩnh và trạng thái ộng:
Ở trạng thái tĩnh sai số hệ thống phụ thuộc vào giới hạn của thiết bị o hoặc do qui luật
vật lý chi phối sự hoạt ộng của nó.
Ở trạng thái ộng sai số hệ thống do sự không áp ứng theo tốc ộ thay ổi nhanh theo ại lượng o.
Đối với sai số hệ thống: xử lí bằng cách cộng ại số giá trị của sai số hệ thống vào kết quả
o, hoặc hiệu chỉnh lại máy móc, thiết bị o với máy mẫu
+ Sai số ngẫu nhiên (Random error): Là sai số do các yếu tố bất thường không tuân
theo quy luận tác ộng nào. Tuy ã thực hiện o trong cùng iều khiện và tính cẩn thận như
nhau nhưng do nhiều yếu tố bất thường mà sinh ra các kết quả o khác nhau khi thực hiện
phép o nhiều lần cùng một ại lượng o. Sự nảy sinh sai số ngẫu nhiên do nhiều nguyên nhân
khách quan tác ộng lên ối tượng o, thiết bị o, người o...
Ví dụ: giả sử iện áp ược o bởi một vôn kế ược ọc cách khoảng 1 phút. Mặc dù vôn kế
hoạt ộng trong iều kiện môi trường không thay ổi và ược chuẩn hóa trước khi o và ại
lượng iện áp ó xem như không thay ổi. Khi ó trị số ọc của vôn kế có thay ổi chút ít. Sự
thay ổi này không ược hiệu chỉnh bởi bất kỳ phương pháp ịnh chuẩn nào khác, vì do sai số ngẫu nhiên gây ra.
+Sai số giới hạn (Limiting Error) là sai số tương ối khi kết quả o ở vị trị lệch toàn thang: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường
, Xmax: giá trị toàn thang. M [%] Khi kết quả
o ở vị trí thang o nhỏ hơn vị trí lệch Xmax.100 toàn thang thì sai
số tương ối tăng lên. Như vậy một yếu X tố quan trọng khi o max
lường là kết quả o càng gần vị trí toàn thang càng tốt.
Ví dụ: Dùng vôn mét thang o 300V, cấp chính xác 2%, tính sai số tương ối khi o iện áp 120V?
2.3.2. Phân loại theo sự phụ thuộc của sai số vào ại lượng o
- Sai số iểm 0 (sai số cộng) là sai số không phụ thuộc vào giá trị ại lượng o.
- Sai số ộ nhạy (sai số nhân) là sai số phụ thuộc vào giá trị ại lượng o
2.3.3. Phân loại theo vị trí sinh ra sai số
- Sai số phương pháp là sai số do phương pháp o không hoàn hảo
- Sai số phương tiện o là sai số do phương tiện o không hoàn hảo. Gồm: sai số hệ thống,
sai số ngẫu nhiên, sai số iểm 0, sai số ộ nhậy, sai số cơ bản, sai số phụ, sai số ộng, sai số tĩnh.
- Sai số cơ bản của phương tiện o là sai số của phương tiện o khi sử dụng trong iều kiện tiêu chuẩn
- Sai số phụ của phương tiện o là sai số sinh ra khi sử dụng phương tiện o ở iều kiện không tiêu chuẩn
- Sai số tĩnh là sai số của phương tiện o khi ại lượng o không biến ổi theo thời gian
- Sai số ộng là sai số của phương tiện o khi ại lượng o biến ổi theo thời gian
2.4. BIỂU THỨC BIỂU DIỄN SAI SỐ
- Sai số tuyệt ối: là hiệu giữa kết quả o ược với giá trị thực của ại lượng o X X X o t
- Sai số tương ối chân thực: là giá trị tuyệt ối của tỉ số giữa sai số tuyệt ối và giá trị thực của ại lượng o X X .100 [%] X t
- Sai số tương ối danh ịnh: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường X d .100 [%] X
- Sai số tương ối qui ổi: là giá trị tuyệt ối của tỷ số giữa sai số tuyệt ối và giá trị ịnh mức của thang o. X q .100 [%] Xm
Trong ó: Xdm= Xmax -Xmin : giá trị ịnh mức của thang o.
Nếu giá trị thang o: 0 Xmax thì X m=Xmax (giá trị toàn thang - full-scale)
+ Độ chính xác (Accurate) : Mức ộ gần giá trị thực của ại lượng o và giá trị o ược: o
A 1 X Xt Xt
+ Độ chính tương ối: a 100 X Xt o .100 100 Xt
Ví dụ: iện áp 2 ầu iện trở có trị số tin cậy ược là 50V. Dùng vôn kế o ược 49 V.
Như vậy sai số tuyệt ối: U 1V Sai số tương ối: ct 1V 100% 2 % 50V Độ chính xác:
A 1 0,02 0,98; a 98% 100% 2%
+ Độ rõ (Precision): Đánh giá mức ộ giống nhau của mỗi kết quả o với nhiều kết quả o
khác của một ại lượng o duy nhất với cùng máy o và iều kiện o: X i Xn P i 1 lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường Xn
Xn : trị số trung bình của n lần o, Xi - kết quả của lần o thứ i.
Ví dụ: X5= 97 – Kết quả o của lần o thứ 5
Xn =101,1 - trị số trung bình của 10 lần o
Tính chính xác của kết quả o Xi là: 1 97 101,1 0,96 96% 101,1
2.5. PHÂN TÍCH THÔNG KÊ ĐO LƯỜNG
Ứng dụng các hàm phân bố ngẫu nhiên ể ánh giá sai số ngẫu nhiên.
Thông thường sai số ngẫu nhiên do một số lớn những tác ộng nhỏ ảnh hưởng, và
thường ược tính toán trong o lường có ộ chính xác cao. Đối với sai số ngẫu nhiên thì không
xử lí ược, chỉ có thể ịnh lượng ược giá trị sai số ngẫu nhiên bằng lí thuyết xác suất và thống kê.
Với sai số của mỗi lần o riêng biệt, sau khi ã loại bỏ sai số hệ thống thì nó hoàn toàn
có tính chất của một sự kiện ngẫu nhiên. Kết quả của lần o này không phụ thuộc gì với kết
quả o của các lần khác, và suất hiện hoàn toàn ngẫu nhiên. Tuy nhiên muốn áp dụng xác
suất thông kê ể nghiên cứu ánh giá, tính toán các sai số ngẫu nhiên, thì cần thực hiện các iều kiện sau: -
Tất cả các lần o ể phải tiến hành với các ộ chính xác như nhau: Nghĩa là không
những cùng o ở một máy, trong cùng iều kiện, mà với cả sự thận trọng, chu áo như nhau.
Sai số hệ thống phải nhỏ hơn so với sai số ngẫu nhiên. -
Phải o nhiều lần, phép tính xác suất chỉ úng khi có một số nhiều các sự kiện.
2.5.1. Hàm phân bố chuẩn sai số
Để ánh giá sai số ngẫu nhiên ta cần biến sự kiện suất hiện sai số này thành một sự kiện
ngẫu nhiên tuân theo một số hàm phân bố xác suất nào ó.
Giả sử o ại lượng X không ổi nhiều lần ộc lập với iều kiện o giống nhau. Với số lần
o là n thu ược n kết quả hoàn toàn ngẫu nhiên a1, a2, a3, ..., an, và sai số tuyết ối tương ứng
x1, x2, x3, ..., xn (xi=ai-X (i=1 .. n) . lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường ( x) p(x) h 1 p(x)= lim ( x) h 2 n h 3 x x -0,05 -0,01 0 0,01 0,05 0
Hình 2.1 - Biểu ồ tần suất xuất hiện sai số.
Hình 2.2 - Hàm phân bố tiêu chuẩn sai số.
Sắp xếp các sai số theo giá trị ộ lớn thành từng nhóm riêng biệt. Giả sử có n1 sai số
có trị số từ 0÷0,01; n2 sai số có trị số từ 0,01÷0,02;... Tần suất xuất hiện mỗi nhóm sai số
này tương ứng là 1=n1/n, 2=n2/n... Như vậy ta vẽ ược biểu ồ phân bố tần suất xuất hiên
số theo ộ lớn sai số là = (x) như Hình 2.1. Nếu tiến hành rất nhiều lần o hay số lần o n
, thì giản ồ = (x) tiến tới ường cong trung bình p(x) như hình vẽ. Hàm số p(x) là hàm
phân bố tiêu chuẩn sai số vì nó biểu thị theo quy luật phân bố tiêu chuẩn và nó có dạng
hàm Gauss. Trong phần lớn các trường hợp sai số o lường iện tử thì thực tế ều thích hợp
với quy luật này. Biểu thức của p(x) như sau: p x( ) h e h x2 2
Trong ó h là tham số phẩm chất (thông số o chính xác), Hình 2.2 biểu diễn một số
dạng ường cong p(x) với các tham số h khác nhau, h càng lớn thì ường cong các hẹp và
nhọn, có nghĩa là xác suất các sai số có trị số bé lớn hơn. Thiết bị nào ứng với ường cong
có h lớn thì có ộ chính xác cao hơn.
2.5.2. Hệ qủa của hàm phân bố chuẩn sai số
Từ hàm phân bố sai số rút ra các kết luận như sau:
- Xác suất xuất hiện các sai số không phụ thuộc vào dấu: p(xi)= p(-xi).
- Sai số có trị số càng bé thì xác suất xuất hiện càng lớn: nếu |x1|<|x2| thì p(x1)>p(x2).
- Giá trị trung bình của tất cả các sai số ngẫu nhiên khi n bằng 0.
+ Biểu thức vi phân của hàm phân bố sai số:
Số lượng các sai số có giá trị nằm trong khoảng dx giữa x và x+dx là dn=p(x).n.dx. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường
Vậy xác suất xuất hiện các sai số có giá trị nằm trong khoảng x x+dx là:
dp dn p x( )dx h e h x2 2dx n
- Biểu thức vi phân hàm phân bố sai số.
+ Biểu thức tích phân của hàm phân bố sai số
- Xác suất xuất hiện sai số trong khoảng x1 x2 ược tính như sau: x2 x2 P(x1 xx2) 1dp
h x 1e h x2 2dx x
- Xác suất xuất hiện các sai số không vượt quá trị số xi>0 nào ó là: xi xi xi P(| x | x ) i- x dp h e i - xi h x2 2 dx
2 h 0 e h x2 2 dx 2h xi P(| x | x ) i e h x2 2dx 0
(Biểu thức này ược sử dụng ể ánh giá ộ tin cậy của kết quả o) - Xác
suất xuất hiện sai số trong khoảng - bằng 1 o ó ta có: P( x) 1
- Như vậy P(|x|>xi) = 1 - P(|x|2.5.3. Chuẩn hóa hàm phân bố sai số
Như ta ã biết xác suất xuất hiện các sai số có giá trị không vượt qua trị số xi>0 nào xi ó là: P(| x | x ) 2 h i
0 e h x2 2 dx - biểu thức dưới dấu tích phân không có lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường
nguyên hàm, và hàm tích phân phụ thuộc vào 2 tham số h và xi, ể thuận tiện cho tính toán ta
loại bỏ bớt tham số h bằng cách thực hiện chuẩn hóa hàm phân bố như sau: t Thay x
vào biểu thức tính phân ta ược: h 2 P(| x | x ) P(| t | i t )i 2h ti e t2 2 1 dt 2 ti e t2 2 dt 0 h 2 0 (trong ó t i x hi
2 - ược gọi là hệ số phân bố) Đặt (ti ) 2
ti e t22dt - Hàm mật ộ Laplace. 0
Ý nghĩa: Như vậy nếu biết ược sự phân bố sai số, ta có thể tính ược xác suất xuất
hiện những lần o có sai số mà trị số của nó lớn hơn hay bé hơn một giá trị sai số nào ó cho
trước. Điều này có ý nghĩa thực tế là ở kết quả o ta cần lấy giới hạn của trị số sai số phải
bằng bao nhiêu thì ảm bảo chính xác với ộ tin cậy nào ó.
Bảng 2.1 – Bảng giá trị của hàm Laplace lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường
2.5.4. Các ặc số phân bố ứng dụng trong o lường
a. Sai số trung bình bình phương
Giả sử o nhiều lần một ại lượng X, kết quả nhận ược ở n lần o tương ứng là a1, a2, ..., an
và các sai số tương ứng là x1, x2, ..., xn.
Xác suất xuất hiện sai số tại giá trị xi và lận cận của nó là: dp i h e h x2 2i dxi
Xác suất xuất hiện của cả n lần o ó coi như là xác suất của một sự kiện phức hợp,
theo lý thuyết xác suất tính bằng tích số của các xác suất của các sự kiện ộc lập riêng rẽ: P ph dp dp12...dpn h
n e h2(x12 x22 ... xn2)dx dx12...dxn
Tìm iều kiện cực trị của hàm Pph, (coi h là tham số biến số. dP ph 0 n 2h 2 n xi2 0 dh i 1 n 2 x i 1 i 1 Do ó
- Gọi là sai số trung bình bình phương. h 2 n
Hàm phân bố tiêu chuẩn các sai số trở thành p x( ) 1 e xi22 2 . 2 t Ta có x
t. , vậy sai số tuyệt ối có thể viết là xi=ti và kết quả o có thể h 2 viết là X=ai ti .
Nếu chọn xi= hay ti=1 thì ộ tin cậy của kết quả o là: 1 2 lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường e P x( )(t t 2 i ) (1) 2
dt 0,683 - ộ tin cậy chưa cao. 0
Nếu chọn xi=3 hay ti=3 thì ộ tin cậy của kết quả o là: 3 2 P x( 3 ) (ti ) (3) 2
e t 2dt 0,997 - ộ tin cậy cao. 0
Có nghĩa là trong số 1000 lần o một ại lượng nào ó thì có khoảng 3 lần ó có sai số vượt
quá 3 . Người ta gọi M=3 là sai số cực ại. n x 2 i i 1
Tóm lại: - Giá trị trung bình bình phương: n . - Sai số cực ại: M=3 .
b. Trị số trung bình cộng
Gọi X là giá trị thực của ại lượng o, ta có sai số tuyệt ối của mỗi kết quả o là: xi=ai-X (i=2..n).
Thực tế không xác ịnh ược xi, nên X cũng không xác ịnh ược mà chỉ xác ịnh một kết
quả o gần úng với giá trị thực tế nhất, gọi giá trị này là atb thì nó phải là giá trị có xác suất
xuất hiện lớn nhất, cần tìm giá trị này.
Để atb có xác suất lớn nhất thì tất cả các sai số x1, x2, ..., xn cũng phải có xác suất n lớn nhất, vậy
x 2i phải cực tiểu. Vì atb gần với trị số thực X nên có thể thay atb cho X i 1 trong biểu thức tính xi. n n f x i2 ai atb 2 i 1 i 1 n lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường Để x 2 i cực tiểu thì i 1 df 2 n (ai atb ) 0 a tb a a1
2 ... an - Trị số trung bình datb i 1 n cộng.
Như vậy atb có trị số bằng trung bình cộng của tất cả các lần o, nó là trị số có xác suất
lớn nhất, tức là gần trị số thực nhất khi tiến hành o nhiều lần một ại lượng cần o X.
Nếu lấy atb làm kết quả o, thì xác ịnh ộ chính xác và ộ tin cậy của kết quả này như thế nào?
Xác suất của các sai số có trị số không vượt qua một giá trị cho trước là: ti 2 P a( tb X ) (ti ) 2
0e t 2dt , trong ó ti atb
Như vậy nếu cho trước ộ tin cậy, có nghĩa là biết xác suất P(|atb-X|< ), từ ó tra bảng
xác ịnh ược ti và suy ra sai số phải lựa chọn là =ti atb ể kết quả o ảm bảo ộ tin cậy ã cho.
Khoảng tin cậy là: (atb- , atb+ ).
Sự kiện lấy atb là kết quả o có thể coi như là một sự kiện phức hợp Xtb ược xác ịnh từ các
sự kiện xuất hiện kết quả o ai là Xi: X tb X X1 2 ... X n n
Theo lý thuyết xác suất thông kê ta có thể tính sai số trung bình bình phương (phương sai)
của sự kiện Xtb theo công thức sau: atb n lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường c. Sai số dư
Trên thực tế tính toán, vì không biết X nên ta không biết ược các sai số xi, ta chỉ có
thể tính ược sai số tuyệt ối giữa các lần o so với atb, và gọi ó là sai số dư. Sai số dư của kết
o thứ i là: i=ai-atb (i=2..n) n n Ta có : i ai natb 0. i 1 i 1 n xi Mặt khác i X x ai tb xi i 1 n n 2 xi n n Như vậy : i2 xi2 i 1 i 1 i 1 n n 2 Khai triển xi ta ược: i 1 n xi 2 n 2 2 x xi j xi i 1 i 1 i j lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường
Theo quy luật phân bố chuẩn, các sai số có trị số tuyệt ối bằng nhau nhưng trái dấu
thì có xác suất như nhau. Như vậy nếu tiến hành o một số lần ủ lớn thì các sai số ấy sẽ từng 0 ôi một triệt tiêu nhau: x xi j do ó: i j n xi 2 n 2
xi thay kết quả này vào biểu thức trên ta có: i 1 i 1 n 2 x n i2 n xi2 i 1 i n 1 n xi2 i 1 i 1 n n i 1
Như vậy sai số trung bình bình phương có thể tính theo sai số dư như sau: n i2
i 1 n 1
2.5.5. Ứng dụng các ặc số phân bố ể xác ịnh kết quả o từ nhiều lần o
Giả sử o n lần một ại lượng X với kết quả tương ứng là a1, a2, ..., an ã ược loại trừ sai
số hệ thống, xác ịnh kết quả o với ộ tin cậy là Ptc, nghĩa là xác ịnh kết quả o và sai sô tuyệt
ối tương ứng sao cho xác suất xuất hiện các sai số nhỏ hơn sai số ã chọn không vượt quá Ptc.
Dựa vào các kết quả các ặc số ở trên, ta có thể thực hiện xử lý kết quả o từ nhiều lần o theo các bước như sau:
Bước 1: Lập bảng ghi n kết quả o ã nhận ược: i ai i i2 1 a1 1 12 2 a2 2 22 lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường … … … … n an n n2
Bước 2: Tính giá trị trung bình: a tb a1 a2 ... an n
Bước 3: Tính sai số dư và iền vào bảng trên: i=ai-atb (i=2..n) n
Kiểm tra sai số tính toán: Kiểm tra xem i
0 có úng không, nếu không i 1
úng kiểm tra lại các tính toán từ bước 2.
Bước 4: Tính sai số trung bình bình phương: n 2 i i 1 (n 30) nn 12 i i 1 (n 30) n
Bước 5: Chọn hệ số phân bố ti: Từ ộ tin cậy Ptc và số lần o n tra bảng phân bố laplace
xác ịnh ược hệ số phân bố ti. Tuy nhiên thông thường nếu số lần o nhỏ (1dùng phân bố student ể xử lý kết quả, và ti ược tra từ bảng phân bố Student. Bảng phân bố
Laplace và Student có thể xem trong phần phụ lục. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường
Ví dụ: Khi Ptc=0,997 thì bảng phân bố của ti thay ổi theo số lần o như sau: n 5 6 7 10 15 20 ti 5,2 4,6 4,2 3,6 3,2 3,1 3
(Ptc=0,997, n=7 ) tra bảng ta có ti=4,2.
Bảng 2.2 – Bảng giá trị ti ứng với xác suất tin cậy PTC và số lần o n khác nhau
Bước 6: Tính sai số cực ại: M=ti.
Bước 7: Kiểm tra sai số thô hay không: Nếu có | i|>M thì kết quả o ai có sai số thô.
Nếu có bất kỳ sai số thô nào thì loại các kết quả o có sai số thô và tính loại từ bước 1 với
bộ kết quả o mới, số lần o n mới.
Nếu không có bất kỳ sai số thô nào thì thực hiện tiếp bước 8.
Bước 8: Xác ịnh sai số trung bình bình phương của atb: n a tb
Bước 9: Biểu diễn kết quả o: X atb ti atb
Chú ý: Cuối cùng, ta còn phải chú ý tới các viết hàng chữ số của kết quả cuối cùng và
cách tính tới sai số o trong catalog sử dụng của máy ó.
Cách viết hàng chữ số của kết quả và sai số: - Khi lấy t
chỉ cần lấy với hai số, vì bản thân nó là một ại lượng gần i a úng có trị số bé. tb lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường
- Lấy kết quả atb phải chú ý lấy số chữ số sau dấu phảy sao cho bậc của các số cuối của
nó không ược thấp hơn bậc của 2 hai con số của ti a tb
Ví dụ X=234,56 1,06 thì phải viết lại là: X=234,7 1,1 Cách
xử lý sai số của máy o:
Trị số sai số trong catalog của máy o là sai số cực ại. Nó biểu thị khả năng sai số có
thể gặp phải khi tiến hành o lường ở iều kiện tiêu chuẩn ã quy ịnh cho máy. Như vậy, nếu
không thực hiện lấy chuẩn ược máy, tức là so sánh với máy mẫu, ể xác ịnh ra sai số hệ
thống của máy ó, thì trị số ã cho trong thuyết minh ược coi là trị số sai số ngẫu nhiên cực
ại. Cách xử lý ối với nó cũng coi như một số số ngẫu nhiên khác. Khi ó ta có không thể
cộng gộp lại theo quy luật cộng ại số, như sai số hệ thống, mà phải cộng theo quy luật cộng trung bình bình phương.
2.6. ĐÁNH GIÁ SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO GIÁN TIẾP
Trong nhiều trường hợp, ại lượng cần o không thể ược biểu thị trực tiếp ngay, mà
phải tính toán gián tiếp bằng công thức thông qua các ại lượng o trực tiếp khác. Ví dụ công
suất tác dụng của dòng một chiều trong mạch P=U.I, ta thực hiện bằng cách o trực tiếp iện
áp U và dòng iện I trong mạch. Trường hợp sai số của phép o P cần ược tính như thế nào?
Xét trường hợp tổng quát ại lượng cần o là R ược tính gián tiếp từ kết quả của n ại
lượng o trực tiếp X1, X2,... Xn như sau: R = f(X1, X2,..., Xn) Sai số tuyệt ối
Giả sử khi o các giá trị X1, X2,... Xn o ược có giá trị là gặp phải các sai số hệ thống
tương ứng là X1, X2, ..., Xn, thì cũng phải tính sai số hệ thống của Y, giả sử sai số ó
là Y, dựa vào khai triển Taylor của hàm nhiều biến, bỏ qua các vô cùng bé bậc cao, ta có:
R+ R= f(X1+ X1, X2+ X2,..., Xn+ Xn) f R
R f X 1, X2,..., Xn f X1 f X2 ... Xn X1 X2 Xn f f f Vậy: R X1 X2 ...
Xn - Đây là công thức tổng quát ể X1 X2 Xn
xác ịnh sai số tuyệt ối của phép o gián tiếp từ sai số tuyệt ố của n ại lượng o trực tiếp.
Thông thường chúng ta có thể xác ịnh giới hạn của sai số tuyệt ối như sau: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường f f f R X 1 X1 X 2 X2 ... Xn Xn Rmax Sai số tương ối R R .100 % R
Sai số trung bình bình phương
Giả sử X1, X2, .... X2 ược o bằng nhiều lần o khác nhau:
- Khi o X1, tiến hành o m1 lần và có các sai số ngẫu nhiên là: x1,1, x1,2, ...., x1,m1, và
tương ứng sai số trung bình bình phương của X1 là 2.
- Khi o X2, tiến hành o m2 lần và có các sai số ngẫu nhiên là: x2,1, x2,2, ...., x2,m2 , và
tương ứng sai số trung bình bình phương của X2 là 2. ...
- Khi o Xn, tiến hành o mn lần và có các sai số ngẫu nhiên là: xn,1, xn,2, ...., xn,mn, và
tương ứng sai số trung bình bình phương của Xn là n. Tương ứng: m1 m2 mn x1,i 2 x2,i 2 xn i, 2 1 i 1 m , 2 i 1 m2 , ..., n i 1 mn 1
Theo lý thuyết xác suất thông kê, sai số trung bình bình phương của R là R ược tính như sau: 2 R n f i2 i 1 Xi
Như vậy, sai số của một ại lượng phải o gián tiếp thì bằng trị số trung bình bình phương của
các sai số mỗi ại lượng cục bộ o trực tiếp. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường
Từ phép cộng trung bình bình phương, ta có nhận xét là: sai số của ại lượng tính toán
gián tiếp thì chủ yếu ược xác ịnh bằng các thành phần sai số cục bộ nào có giá trị lớn, mà
ít phụ thuộc vào các thành phần sai số cục bộ nào có trị số bé. Điều này cho ta một chú ý
cần thiết khi o là: tăng ộ chính xác của phép o trực tiếp những ại lượng cục bộ nào có vai
trò quyết ịnh hơn; cũng như có thể bỏ qua những thành phần sai số cục bộ nào bé hơn ba
lần so với thành phần sai số cục bộ lớn nhất ể cho phép tính ược ơn giản hơn.
Một số trường hợp riêng:
- Giả sử quan hệ hàm có dạng R=a.X+b.Y+c.Z, khi ó sai số tuyệt ối của phép o gián tiếp ược tính như sau: R= a. X+b. Y+c. Z
Thông thường có thể lấy giới hạn của nó là sai số tuyệt ối cho phép o R:
| R|max = |a. X|+|b. Y|+|c. Z|
- Giả sử quan hệ hàm có dạng R=Xm.Yn.Zp, (giả sử m, n, p -1) khi ó sai số tuyệt ối của
phép o gián tiếp sẽ là:
R= m.Xm-2.Yn.Zp . X+n.Xm.Yn-2.Zp. Y+p.Xm.Yn.Zp-2. Z
Biểu thức trên khá phức tạp không thuận tiện cho việc tính toán. Trong thực tế người ta dùng sai số tương ối: R X Y Z m. n. p. R X Y Z
Như vậy có thể tính sai số tương ối của R thông qua sai số tương ối của các thành phần cục bộ như sau: R m. X n. Y p. Z % CÂU HỎI ÔN TẬP
18. Sai số là gì? Nguyên nhân gây sai số?
19. Nếu phân loại theo cách biểu diễn sai số thì có những loại sai số nào (kể tên)?
20. Nêu khái niệm, biểu thức diễn ạt sai số tuyệt ối?
21. Nêu khái niệm, biểu thức diễn ạt sai số tương ối chân thực?
22. Nêu khái niệm, biểu thức diễn ạt sai số tương ối danh ịnh? lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường
23. Nêu khái niệm, biểu thức diễn ạt sai số tương ối qui ổi?
24. Nếu phân loại theo qui luật xuất hiện sai số thì có những loại sai số nào (kể tên)?
25. Nêu khái niệm sai số hệ thống? nêu một số nguyên nhân gây sai số hệ thống?
26. Nêu khái niệm sai số ngẫu nhiên? nêu một số nguyên nhân gây sai số ngẫu nhiên?
27. Nêu khái niệm trị số o sai?
28. Nêu vắn tắt cách xử lí sai số hệ thống?
29. p(x) là hàm số phân bố tiêu chuẩn các sai số (hàm chính tắc). p x h e h x2 2 (hàm Gauss)
h là thông số o chính xác.
h1, h2, h3 là các thông số o chính xác của các
thiết bị o khác nhau. Chọn áp án úng: a. h1< h2< h3 b. h1> h2> h3
30. Cũng giống câu hỏi 32, thiết bị o tương ứng giá trị h nào có ộ chính xác cao nhất?
Hình 8.1 thiết bị o tương ứng h1
Hình 8.2 thiết bị o tương ứng h2
Hình 8.3 thiết bị o tương ứng h3 31.
Nêu 2 qui tắc phân bố sai số?
32. Đo n lần một ại lượng X thu ược n kết quả o có các sai số tuyệt ối tương ứng là
x1,x2,…,xn. Biểu thức tính sai số trung bình bình phương là: nn n n x i x 2 2 i i i i1 a/ i 1 n b/ c/ i 1 d/ i 1 n 1 n 1 n 1
16. Sai số trung bình bình phương của a là: 2 a/ a b/ a c/ a n 1 d/ a n n 1 n
17. Kết quả o với n >10 ược xác ịnh theo biểu thức sau: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 2 – Đánh giá sai số o lường a/ X a ts b/X a ts a c/X a t a d/X a t
18. Kết quả o với 2 n 10 ược xác ịnh theo biểu thức sau: a/ X a ts b/X a ts a c/X a t a d/X a t
19. X là ại lượng cần o bằng phép o gián tiếp; Y,V,Z là các ại lương o ược bằng phép
o trực tiếp thành phần, X=F(Y,V,Z); Y, V, Z là các sai số hệ thống tương ứng
khi o Y,V,Z; X là sai số hệ thống khi xác ịnh X. Giả sử các sai số có giá trị nhỏ,
viết biểu thức tính X theo Y, V, Z.
20. X là ại lượng cần o bằng phép o gián tiếp; Y,V,Z là các ại lương o ược bằng phép
o trực tiếp thành phần, X=aY+bV+cZ; Y, V, Z là các sai số hệ thống tương
ứng khi o Y,V,Z; X là sai số hệ thống khi xác ịnh X. Giả sử các sai số có giá trị
nhỏ, viết biểu thức tính X theo Y, V, Z.
21. X là ại lượng cần o bằng phép o gián tiếp; Y,V,Z là các ại lương o ược bằng phép
o trực tiếp thành phần, X KY V Z ; Y, V, Z là các sai số tương ối tương
ứng khi o Y,V,Z; X là sai số tương ối khi xác ịnh X. Viết biểu thức tính X theo Y, V, Z . BÀI TẬP 1.
Đo iện áp của một nguồn iện một chiều 6 lần, thu ược các kết quả tương ứng với các
lần o lần lượt là: 110,50 V; 112,20 V; 107,55 V; 97,10 V; 105,75 V; 113,35V. Hãy xác ịnh
kết quả o và khoảng tin cậy biết xác suất tin cậy là 0,95. 2.
Có 2 vôn mét một chiều:
+ Vôn mét thứ nhất có thang o ịnh mức 20V, 30V, 50V với cấp chính xác 0,5.
+ Vôn mét thứ hai có thang o ịnh mức 50V, 75V, 100V với cấp chính xác 0,2.
Hãy lựa chọn những Vôn mét và những thang o thích hợp ể o iện áp của nguồn một chiều
có giá trị khoảng 25V sao cho: - Sai số o nhỏ nhất
- Sai số o không lớn hơn 0,7%. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử CHƯƠNG 3
CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ
• Cấu trúc cơ bản của máy o
• Cấu trúc chung của máy o số
• Thiết bị o ghép nối với máy tính
• Một số mạch o lường và gia công tín hiệu o cơ bản
• Cơ cấu chỉ thị o lường
3.0. GIỚI THIỆU CHƯƠNG
Chương này sẽ trình bày những vấn ề kỹ thuật cơ sở cho kỹ thuật o lường iện tử như:
Cấu trúc chung của máy o, các kỹ thuật, thiết bị chỉ thị, mạch iện tử dùng trong o lường…
Đây là những tiền ề cho việc nghiên cứu nguyên lý o cũng như nguyên lý cấu tạo của máy o.
3.1. CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA MÁY ĐO
Máy o và các thiết bị mẫu là các thiết bị o ể thực hiện các yêu cầu về o lường. Thông
thường thì dựa vào phương pháp phân tích tham số và ặc tính của ại lượng o, phương pháp
và công nghệ cảm biến, phương pháp và kỹ thuật iện tử, Kỹ thuật xử lý tín hiệu, phương
pháp và công nghệ chỉ thị mà hình thành nên các phương pháp o khác nhau. Bản thân máy
o ã là một mạch o ược cấu trúc theo một hoặc một vài phương pháp o ể o lường một ại
lượng nào ó. Sự phát triển của Máy o phụ thuộc rất nhiều vào sự phát triển của các mảng
lý thuyết và kỹ thuật, công nghệ trên.
Dựa vào các ối tượng chính mà o lường iện tử cần giải quyết, thì các máy o có thể phân
loại tổng quá thành các nhóm máy o như sau:
Máy o tham số và ặc tính của tín hiệu.
Máy o tham số và ặc tính của mạch iện tử. Máy tạo tín hiệu. Các linh kiện o lường
3.1.1. Máy o tham số và ặc tính của tín hiệu
Nhiệm vụ chính của máy o này là xác ịnh ược tham số và ặc tính của tín hiệu iện.
Các tham số và và ặc tính của tín hiệu iện này có thể là ại lượng cần o hoặc chúng lại gián lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
tiếp mang thông tin o cho một ại lượng iện hay phi iện khác. Các máy o thuộc lại này ví dụ
như: Vôn mét; Ampe mét; Máy ếm tần; Pha mét; Ô-xi-lô; Máy phân tích méo dạng; Máy
phân tích phổ; Máy phân tích luồng thông tin (Phân tích giao thức)… Loại máy o này ều
có cấu trúc chung như Hình 3.1. Tín hiệu Mạch vào Thiết bị Thiết bị mang
biến ổi chỉ thị thông tin o x(t) Nguồn cung cấp
Hình 3.1 – Cấu trúc máy o tham số và ặc tính của tín hiệu.
Nhiệm vụ chính của máy o này là xác ịnh ược tham số và ặc tính của tín hiệu iện.
Các tham số và và ặc tính của tín hiệu iện này có thể là ại lượng cần o hoặc chúng lại gián
tiếp mang thông tin o cho một ại lượng iện hay phi iện khác. Các máy o thuộc lại này ví dụ
như: Vôn mét; Ampe mét; Máy ếm tần; Pha mét; Ô-xi-lô; Máy phân tích méo dạng; Máy
phân tích phổ; Máy phân tích luồng thông tin (Phân tích giao thức)… Loại máy o này ều
có cấu trúc chung như Hình 3.1.
- Tín hiệu iện x(t) mang thông tin cần o cần o ưa tới ầu vào.
- Mạch vào: (Signal Conditioning) Có nhiệm vụ nhận tín hiệu và truyền dẫn tín hiệu
tới Thiết bị biến ổi. Ngoài ra còn có chức năng thực hiện tiền xử lý tín hiệu vào như tiền
khuếch ại, suy giảm, giới hạn băng tần, lọc nhiễu, phối hợp trở kháng,… nhưng không làm
mất thông tin o. Mạch vào thường là bộ KĐ phụ tải catốt (Zvào cao), thực hiện phối hợp trở
kháng, có các bộ suy giảm, bộ dây làm chậm… Nhiều chức năng mạch vào có ược lựa chọn
bởi người sử dụng thông qua những chuyển mạch, công tác iều chỉnh ưa ưa ra ngoài mặt
máy o. Mạch vào quyết ịnh mức ộ ảnh hưởng của máy o với chế ộ công tác của ối tượng o.
Ở phạm vi tần số thấp và cao thì ặc tính này ược biểu thị bằng trở kháng vào của máy. Ở siêu
cao tần thì ặc tính này ược biểu thị bằng công suất mà máy o hấp thụ ược.
- Thiết bị biến ổi: Đây là bộ phận trung tâm của máy o, có nhiệm vụ thực hiện so sánh,
biến ổi và phân tích tín hiệu theo một thuật toán nào ó ể ánh giá ược tham số và ặc tính cần
o mang trong tín hiệu, xác ịnh mối qua hệ giữa thang chỉ thị của thiết bị chỉ thị và ại lượng
o và tạo ra tín hiệu phù hợp ưa tới Thiết bị chỉ thị. Trong bản thân thiết bị này có thể tạo ra
tín hiệu cần thiết ể so sánh tín hiệu cần o với tín hiệu mẫu. Có thể phân tích tín hiệu o về biên
ộ, tần số, hay chọn lọc theo thời gian. Thường là các mạch khuếch ại, tách sóng, biến ổi dạng
iện áp tín hiệu, chuyển ổi dạng năng lượng, tín toán xử lý tín hiệu tượng tự và số... lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
- Thiết bị chỉ thị: ể biểu thị kết quả o dưới dạng sao cho thích hợp với giác quan giao
tiếp của sinh lí con người, hay ưa ra những thông tin phù hợp ể ưa vào bộ vào bộ phận iều
chỉnh, tính toán,... Ví dụ các dạng thiết bị chỉ thị như: Các cơ cấu chỉ thị, Ống tia iện tử, cơ
cấu chỉ thị số dùng LED 7 oạn hay LCD 7 oạn…
Hình 3.2 - Ví dụ về mối qua hệ giữa các phím iều khiển và mạch vào của máy o.
- Nguồn cung cấp: cung cấp năng lượng cho máy, và còn làm nguồn tạo tín hiệu chuẩn.
Các loại máy o thuộc nhóm này thì thực hiện theo phương pháp o trực tiếp, kết quả o
có thể ược ọc thẳng hay thông qua phép o so sánh với ại lượng mẫu.
3.1.2. Máy o tham số và ặc tính của mạch iện: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử Nguồn tín Thiết bị biến Mạch cần o hiệu thử ổi, xử lý tín tham số, ặc hiệu tính Nguồn Thiết bị cung cấp chỉ thị
(a) – Cấu trúc máy o tham số và ặc tính của mạch có nguồn tín hiệu thử Mạch cần o Mạch vào Thiết bị biến Nguồn tín tham số, ặc ổi, xử lý tín hiệu thử tính hiệu Nguồn Thiết bị cung cấp chỉ thị
(a) – Cấu trúc máy o tham số và ặc tính của mạch có nguồn tín hiệu thử ộc lập
Hình 3.3 – Cấu trúc máy o tham số và ặc tính của mạch
Mạch iện cần o thông số như: mạng 4 cực, mạng 2 cực, các phần tử của mạch iện,
ường truyền dẫn, hệ thống, thiết bị iện tử… Các loại máy o thuộc nhóm này như: máy o ặc
tính tần số mạch hay thiết bị iện tử; máy o ặc tính quá ộ; máy o hệ số phẩm chất; o iện cảm;
iện dung; iện trở; máy thử èn iện tử, linh kiện bán dẫn, hay IC; máy phân tích ường truyền;
máy phân tích logic; máy phân tích mạng 4 cực…
Để o ược tham số và ặc tính, thì mạch iện cần phải hoạt ộng trong chế ộ thực hoặc
chế ộ tín hiệu thử. Máy o sẽ thực hiện xử lý, phân tích và so sánh tín hiệu ra của mạch với
tín hiệu vào mạch ể ánh giá ược tham số và ặc tính nào ó của mạch. Tín hiệu thử mạch
thường ược tạo hay ược iều khiển bởi chính máy o. Nguồn tín hiệu thử này có thể ược xây
dựng kèm theo máy o hoặc là các thiết bị tạo tín hiệu ộc lập, như vậy cấu trúc chung của
các loại máy o thuộc nhóm này có 2 dạng khác nhau như Hình 3.3.
Về cơ bản cấu trúc của máy o tham số và ặc tính của mạch không khác gì nhiều cấu
trúc máy o tham số và ặc tính của tín hiệu, ngoài việc có sử dụng thêm nguồn tín hiệu thử.
Máy o tạo tín hiệu thử phù hợp với yêu cầu o và ưa tới mạch cần o, sau ó nhận tín hiệu ra lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
của mạch và thực hiện o tham số của tín hiệu này hay so sánh với tham số của tín hiệu thử
từ ó ánh giá ược tham số và ặc tính nào ó của mạch iện cần o.
3.1.3. Máy tạo tín hiệu o lường
Nhóm máy này cũng bao gồm nhiều loại, chúng tạo tín hiệu chuẩn (mô phỏng ược
các dạng tín hiệu trong thực tế) sử dụng khi cần kiểm chuẩn trong o lường, ể nghiên cứu
và iều chỉnh thiết bị. Kết hợp với các máy o khác ể o thám số và ặc tính của mạch iện tử,
hệ thống iện tử. Các dạng tín hiệu chuẩn thường ược tạo ra như: Tín hiệu hình sin, các dạng
tín hiệu xung, tín hiệu quét tần số, các dạng tín hiệu iều chế, các dạng tín hiệu số, và các
dạng tín hiệu thử khác thường dùng trong o lường viễn thông… Bộ tạo sóng
Bộ biến ổi Mạch x(t) chủ ra
Thiết bị o
Bộ iều chế Nguồn cung cấp
Hình 3.4 – Cấu trúc máy tạo tín hiệu o lường
Sơ ồ khối chung của nhóm máy này như Hình 3.4.
- Bộ tạo sóng chuẩn: Là bộ phận chủ yếu, nó xác ịnh các ặc tính chủ yếu của tín
hiệu như dạng và tần số dao ộng. Thông thường là tạo sóng hình sinh hay các loại tín hiệu xung.
- Bộ biến ổi: ể nâng cao mức năng lượng của tín hiệu hay tăng thêm ộ xác lập của
dạng tín hiệu. Nó thường là bộ khuếch ại iện áp, khuếch ại công suất, bộ iều chế, thiết bị
tạo dạng xung. Các máy phát tín hiệu ở siêu cao tần thường không có bộ biến ổi ặt giữa bộ
tạo sóng chủ và ầu ra hay dùng bộ iều chế trực tiếp ể khống chế dạo ộng chuẩn.
- Mạch ra: ể iều chỉnh mức tín hiệu ra, biến ổi trở kháng ra của máy. Thường thì
mạch có bộ suy giảm (bộ phân áp), biến áp phối hợp trở kháng, hay các mạch khuếch ại CC…
- Thiết bị o: kiểm tra thông số của tín hiệu ầu ra. Thiết bị o thường ược sử dụng ể
kiểm tra thông số của tín hiệu ầu ra. Thường là vôn mét iện tử, thiết bị o công suất, o hệ số iều chế, o tần số… lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
- Nguồn: cung cấp nguồn cho các bộ phận, thường làm nhiệm vụ biến ổi iện áp xoay
chiều của mạng lưới iện thành iện áp 1 chiều có ộ ổn ịnh cao.
3.1.4. Các linh kiện o lường
Nhóm này bao gồm các linh kiện lẻ, phụ thêm với máy o ể tạo nên các mạch o cần
thiết. Chúng là các linh kiện tiêu chuẩn cao ể làm mẫu (như iện trở, iện cảm, iện dung mẫu),
hay các linh kiện ể ghép giữa các bộ phận của mạch o. Các linh kiện chủ yếu hay dùng ở o
lường siêu cao tần như bộ suy giảm, bộ dịch pha, bộ phân mạch ịnh hướng, các bộ cảm biến công suất...
3.2. CẤU TRÚC CHUNG CỦA MÁY ĐO SỐ
3.2.1. Sự tiến triển trong công nghệ chế tạo thiết bị o
Ngày nay các công nghệ kỹ thuật iện tử tiến tiến nhất ều ược ưa vào việc chế tạo thiết bị o.
Sự phát triển của iện tử số và công nghệ chế tạo vi mạch cho phép chế tạo nhiều vi
mạch tích hợp cao như VLSI. Điển hình là các bộ vi xử lý với khả năng tính toán cao ra ời
ã làm thay ổi quan niệm, công nghệ và cơ cấu, tính năng của thiết bị o lường iện tử.
Các thiết bị o sử dụng công nghệ số hiện nay khác với thiết bị o tương tự chỉ thị kim,
ống tia iện tử… chủ yếu là ở phương pháp biến ổi và xử lý tín hiệu mang thông tin o của ại lượng cần o.
- Thiết bị o tương tự: Là thiết bị o biến ổi liên tục các ại lượng cần o, ể kết quả hiển
thị ở ầu ra cũng biến ổi liên tục, tương tự như các giá trị ầu vào. Việc xử lý tín hệu và o
lường ược thực hiện bằng các mạch iện tử tương tự.
- Thiết bị o số: Thiết bị o biến ổi giá trị của ại lượng cần o thành hệ các giá trị rời rạc
ể thực hiện xử lý và hiển thị kết quả ở ầu ra.
Vấn ề tin học hóa phương pháp o, số hoá cấu trúc thiết bị o ã làm thay ổi chất lượng
của quá trình o lường, mà iều quan trọng hơn cả là nâng cao ược về ộ chính xác của thiết
bị o và tự ộng hóa ược quá trình o.
Các thiết bị o lường số ang có xu hướng dần thay thế các thiết bị o tương tự. Tuy vậy,
các thiết bị o số vẫn còn có những hạn chế do chính phương pháp o số và cấu trúc cơ sở
của mạch o gây ra (ví dụ như sai số do không ồng bộ, sai số do ộ trễ của các phần tử logic,
và sai số lượng tử…).
3.2.1. Sơ ồ cấu trúc chung của máy o số
Máy o số hiện nay thường ược thiết kế dựa trên các hệ vi xử lý, hay hệ vi iều khiển
có cấu trúc như một máy tính chuyên dụng. Sơ ồ cấu trúc tổng quát của một thiết bị o số
(cả máy o và thiết bị tạo tín hiệu) như sau: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
Trong số ồ trên, tín hiệu mang thông tin o hoặc tín hiệu tạo ra ược ưa vào hoặc ưa ra
từ bộ chuyển ổi /Mạch vào(ra). Tín hiệu vào Bộ chuyển ổi Xử lý tín Giao diện hoặc ra /Mạch vào(ra) hiệu tương người sử tự dụng Tín hiệu Thông tin tương tự Tín hiệu iều khiển ADC Khối xử lý số /DAC Vi xử lý ( P) Giao Số liệu số diện số RAM ROM I/O Nguồn nuôi
Hình 3.5 – Sơ ồ cấu trúc thiết bị o số
- Bộ chuyển ổi (Transducer)/Mạch vào(ra): Biến ổi các ại lượng phi iện thành ại
lượng iện, hoặc biến ổi các dạng năng lượng ở ầu vào thành tín hiệu iện… Nếu ầu vào hoặc
ầu ra là tín hiệu iện thì ó là khối Mạch vào, còn nếu là thiết bị tạo tín hiệu thì ó là Mạch ra.
Ví dụ các bộ chuyển ổi dùng trong o lường như sau: Cặp nhiệt iện, Điện trở nhiệt, tinh thể
áp iện (biến ổi áp suất thành iện áp), biến ổi công suất siêu cao tần thành tín hiệu iện, các
loại bộ cảm biến sensor…
- Khối xử lý tín hiệu tương tự: Thực hiện các tiền xử lý với tín hiệu tương tự khuếch
ại, lọc nhiễu, phối hợp trở kháng, ổi tần, phân áp, suy giảm, khuyếch ại công suất, lấy mẫu
và giữ mẫu… Sử dụng những mạch riêng biệt ể tách những ặc tính riêng trong dạng tín
hiệu vào và có thể có chức năng quan trọng nữa là so sánh tín hệu tương tự với một tín
hiệu chuẩn tương tự, tạo ra tín hiệu có tỉ lệ biên ộ, tần số, dạng… phù hợp với ầu vào của tầng tiếp theo.
- ADC/DAC: Trong trường hợp là thiết bị o thì thực hiện chức năng ADC - biến ổi
tín hiệu tương tự - tín hiệu số. Còn trong trường hợp máy tạo tín hiệu thì thực hiện chức
năng DAC - biến ổi tín hiệu số thành tín hiệu tương tự.
- Khối xử lý tín hiệu: bản chất như một máy tính chuyên dụng (gồm có các bộ vi xử
lý, bộ nhớ và giao diện vào ra I/O) ược thiết kế phù hợp với những yêu cầu iều khiển và
tính toán trong máy o. Khối này có thể có một hay nhiều bộ vi xử lý, bộ vi iều khiển, bộ
xử lý tín hiệu số DSP… ể thực hiện việc iều khiển chung cho máy o và thực hiện tính toán
số liệu thô từ ADC. Số liệu này sẽ ược tính toán thành các thông tin o lường theo một thuật
toán nào ó. Các thao tác xử lý tín hiệu số chủ yếu ở khối này có thể là: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
+ Chọn lọc thông tin: ví dụ như tính toán biên ộ, chu kỳ tín hiệu…
+ Chuyển ổi các thông tin trên thành dạng có ý nghĩa hơn ví dụ như thực hiện DFT
biến ổi số liệu biểu diễn trong miền thời gian thành số liệu biểu diễn trong miền tần số.
+ Kết hợp với những thông tín thích hợp.
+ Định dạng thông tin cho truyền thông qua giao diện thông tin: giao diện người sử
dụng, giao diện máy tính…, ví dụ như số liệu 3 chiều có thể miêu tả bằng màn hình 2 chiều…
Chức năng khác của khối này là ứng dụng những hệ số chuẩn hóa cho số liệu, thực
hiệu kết hợp bù sai số, hệ số chuẩn hóa với thông tin ể làm tăng ộ chính xác, ộ tuyến tính,
ộ tin cậy của phép o. Bên cạnh ó khối này còn thực hiện iều khiển các khối khác.
- Giao diện người sử dụng: Thực hiện chỉ thị các kết quả o, hay nhận các thao tác
iều khiển thiết bị từ người sử dụng như iều khiển từ bàn phím, núm xoay, chuột..., yêu cầu
của khối này là phải hiển thị kết quả dễ dàng cho người sử dụng, tránh hiểu sai thông tin
ưa ra bởi máy o. Màn hình chỉ thị thường dùng cơ cấu chỉ thị số như màn hình LCD với
nhiều số và nhiều dòng văn bản, màn hình ma trận, màn hình ống tia iện tử…
- Giao diện số: Ví dụ như RS232, Ethernet, USB hay một số chuẩn giao diện số ặc
biệt dùng trong o lường như GPIB..., cho phép truyền thông tin giữa máy o với máy tính
hay với các máy o khác trong hệ thống thông tin o lường. Các chuẩn giao diện này quy ịnh
khuôn dạng thông tin, ngôn ngữ iều khiển, cấu trúc dữ liệu ể thực hiện trao ổi thông tin và
iều khiển giữa máy o và máy tính.
3.2.3. Ưu iểm của máy o số
+ Tăng chức năng o cho thiết bị
Những máy o nhiều chức năng không có vi xử lý trước ây, phải chuyển chức năng o
bằng chuyển mạch, quy tình ã ược chế tạo cố ịnh, nên không thay ổi ược, vì phần cứng và mạch logic là cố ịnh.
Khi có sử dụng vi xử lý, thì có thể ổi thiết bị ang năng chế tạo bằng các mạch logic
cố ịnh trước ây thành thiết bị o có chương trình hóa, bằng cách cài ặt chương trình iều hành
trong các bộ nhớ ROM khác nhau.
Các máy o có lưu trữ chương trình như vậy ã làm tăng khả năng mềm dẻo của máy
thỏa mãn yêu cầu o mà không phải thay ổi mạch iện.
Đồng thời, logic chương trình hóa cũng ã làm giảm áng kể giá thành của máy o.
+ Nâng cao ộ chính xác o lường
Độ chính xác của thiết bị o phụ thuộc vào cấp chính xác của nó. Sai số của thiết bị
còn phụ thuộc vào ặc tính o lường của thiết bị o ó. Có nhiều cách ể nâng cao ộ chính xác,
xong với bản thân máy o thì ở khả năng như: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
Thực hiện tự loại bỏ sai số hệ thống, ví dụ khả năng tự ộng xác ịnh iểm không khi bắt ầu o.
Thực hiện tự chuẩn, tử thử ược chính xác. Khả năng này còn có sai số ngẫu nhiên,
nên cần phải thực hiện o nhiều lần và lấy trung bình thống kê các kết quả o. Máy o số
dùng vi xử lý có khả năng thực hiện các yêu cầu trên.
+ Mở rộng khả năng o
Cấu trúc của máy o số cho phép mở rộng và phát triển khả năng o lường của máy ể
thích hợp với các dạng yêu cầu khác nhau của kỹ thuật o, ví dụ yêu cầu o gián tiếp một ại lượng vật lý nào ó.
Một ại lượngvật lý phải o gián tiếp thì ược thực hiện thông qua tính toán bằng những
quan hệ toán học giữa các ại lượng o trực tiếp, ví dụ: Hệ số khuếch ại của một mạch ược
tính toán từ các trị số o của iện áp ầu vào và ầu ra. Tổng quat hơn, một ại lượng vật lý R
cần ó có mối quan hệ với các ại lượng X1, X2,…, Xn (mà các ại lượng này có thể o trực
tiếp ược): R=f(X1, X2,…, Xn). Với máy o số có thể thiết kế ể cho phép o các ại lượng khác
nhau ó, mỗi phép o có thể ược chương trình hóa và lưu vào bộ nhớ chương trình, việc lưu
trữ kết quả và thực hiện tính toán cũng dễ dàng, ặc biệt là với tốc ộ tính toán của Vi xử lý hiện nay.
+ Điều khiển ơn giản
Máy o số có thể thực hiện nhiều chức năng, tuy nhiên những chức năng ó ã ược
chương trình hóa và việc iều khiển ược thực hiện tự ộng, nên mặt máy cũng ã ược ơn giản i nhiều.
Một thiết bị o càng thông minh nếu như nó càng ít i sự iều khiển từ người sử dụng.
Sự ơn giản iều khiển của máy o có vi xử lý rõ nét hơn cả là sự tự ộng chọn cấu hình máy
o như chọn chức năng o, chọn thang o, chọn khoảng thời gian chuẩn, chọn các iều kiện
thao tác. Một số thiết bị o còn có thiết bị báo lỗi khi người o có nhầm lẫn và có hướng dẫn
cách thực hiện úng trên màn hiển thị của máy.
+ Thực hiện ược các phép tính mong muốn cho kết quả o
Nhiều trường hợp người o mong muốn thực hiện một hàm số toán học nào ó cho kết
quả o hơn là chỉ biết bàn thân kết quả riêng biệt. Máy o có vi xử lý cho khả năng chương
trình hóa ể thực hiện các biến ổi kết quả này. Như các yêu cầu hiệu chỉnh kết quả, xác ịnh
sai số, biến ổi ơn vị o, tạo mối quan hệ tuyến tính, hay thực hiện phân tích thông kê o lường.
+ Có tối thiểu hóa cấu hình thiết bị
Nhờ khả năng chương trình hóa và khả năng tích hợp vi mạch với mật ộ cao nên cấu
hình phần cứng của máy o giảm nhỏ. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
+ Máy o có giá thành ngày càng giảm
Giá hạ do cấu hình thiết bị nhỏ, giá thành chế tạo giảm nhỏ, nhưng chức năng lại tăng
+ Có thể nâng cao ược ộ tin cậy
Cấu hình phần cứng giảm nhỏ, sử dụng ít linh kiện nên ộ tin cậy tăng lên.
+ Giảm thời gian o
Vì có thư viện mẫu, các chương trình con, nên thao tác phần mềm ã làm ơn giản, thời
gian tính toán các thuật toán phức tạp cũng giảm. Tính thông minh của máy làm giảm bớt
thời gian iều khiển máy của người o.
+ Phối hợp tổ chức ược trong hệ thống o, mạng o
Máy o có thêm các card ghép nối, cho phép tổ chức thành một hệ thống o hay
một mạng o của nhiều máy o riêng biệt.
3.3. THIẾT BỊ ĐO GHÉP NỐI VỚI MÁY TÍNH
Các hệ thống o lường ghép nối với máy tính ang ược sử dụng rộng rãi trong nhiều
ứng dụng. Các hệ thống này ược sử dụng rất nhiều lý do: Quá trình iều khiển o nhanh hơn,
quá trình tự ộng hóa cao hơn, chính xác hơn, giảm nhỏ sai lầm của người sử dụng. Nhiều
phép o, quá trình o phức tạp có thể ược thực hiện nhờ sự trợ giúp của máy tính. Có nhiều
mức ộ iều khiển khác nhau của máy tính ến máy o, ến hệ thống o. Nhiều máy o có vai trò
như là hệ thống thu thập số liệu hay o lường a năng, phần mềm cài ặt trên máy tính vừa có
nhiệm vụ iều khiển máy o vừa thu thập số liệu, cũng như vừa có nhiệm vụ tính toán, phân
tích, o lường, ánh giá số liệu thu nhận ược từ máy o và biểu diễn kết quả dưới dạng mong
muốn của người sử dụng. Máy tính còn có vai trò iều khiển từ máy o, thu thập kết quả từ
nhiều máy o khác nhau trong hệ thống o lường và thực hiện phân tích kết quả o lường của
hệ thống o ó… Hệ thống thu thập số liệu - DAS là một mô hình hệ thống o ghép nối với
máy tính iển hình, quá trình o lường ược thực hiện chủ yếu trên phần mềm.
Các mô hình ghép nối máy o với máy tính iển hình như Hình 3.6:
– Máy o ược ghép nối với máy tính
– Nối mạng các máy o thành hệ thống o lường
– Hệ thống thu thập số liệu DAS lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử DUT
(a) – Máy o ược ghép nối với máy tính Mạch iện tử cần o 5 1 DUT) ( 4
34405 A Đồng hồ vạn năng số 33220 A Máy tạo sóng 6 2 3000 Series- Máy hiện 3 sóng 7 A 3631 – Nguồn Phần mềm: VEE : Phần B 82357 giao tiếp
mềm o lường ảo lập trình GPIB - USB bằng ồ họa Hub
(b) - Nối mạng các máy o thành hệ thống o lường lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
(c) – Hệ thống thu thập số liệu DAS
Hình 3.6 - Hệ thống o ghép nối với máy tính
+ Hệ thống thu thập số liệu
Hệ thống thu thập số liệu DAS (Data acquisition (DAQ) systems) là hệ thống thu thập
tín hiệu o lường từ nhiều nguồn khác nhau, thực hiện số hóa rồi thực hiện lưu trữ, phân tích,
o lường, ánh giá, và biểu diễn trên máy tính. DAS gồm các thành phần chính như Hình 3.7:
DAQ – Data Acquisition Signal Computer Computer Process or Sensor or Conditioning ADC Test Interface Transducer
Hình 3.7 - Hệ thống thu thập số liệu DAS 1.
Sensor or Transducer - Thiết bị cảm biến hoặc Chuyển ổi: Thu nhận các ại
lượng vật lý trong thực tế cần o như nhiệt ộ, cường ộ sáng, áp suất, lực cơ học, v..v, thực
hiện biến ổi các ại lượng vật lý phi iện ó thành tín hiệu iện có thể o ược như tín hiệu iện áp
hoặc tín hiệu dòng iện. Khái niệm Cảm biến và Chuyển ổi òng nghĩa với nhau trong hệ
thống DAS. Có nhiều dạng Thiết bị Chuyển ổi khác khau, bảng sau giới thiệu một số loại
thiết bị Chuyển ổi cho các ại lượng vật lý phổ biến: Đại lượng
Thiết bị chuyển ổi Nhiệt ộ
Cặp nhiệt iện, RTD, Điện trở nhiệt Ánh sáng
Cảm biến ánh sáng lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử Âm thanh Microphone Lực và Áp lực Strain Gage Chuyển ổi áp iện
Vị trí và ộ dịch chuyển
Potentiometer, LVDT, Optical Encoder Gia tốc Accelerometer pH pH Electrode 2.
Signal Conditioning – Thiết bị gia công thông tin o (Gọi tắt là Thiết bị Mạch
vào): Sau thiết bị cảm biến thường yêu cầu có thiết bị gia công thông tin o ể gia công tín
hiệu o phù hợp, chính xác hơn trước khi ưa tới thiết bị số hóa. Thiết bị này có thể bao gồm
nhiều chức năng như: khuếch ại tín hiệu, suy hao, lọc nhiễu, cách ly iện, ghép kênh tín hiệu
tương tự… Ngoài ra nhiều loại thiết bị chuyển ổi còn yêu cầu có tín hiệu iện áp hoặc dòng
kích thích, hoàn chỉnh mạch cầu, thực hiện tuyến tính hóa, hay khuếch ại ể tăng sự chính
xác và sự hoàn hảo của thiết bị chuyển ổi. Như vậy Thiết mạch vào có vai trò quan trọng
trong hệ thống thu thập số liệu nói riêng trong các hệ thống o số nói chung. Thiết bị mạch
vào ược thiết kế dưới dạng module ộc lập hoặc các card ghép nối với máy tính, tham khảo Hình 3.8. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
Hình 3.8 - Các loại thiết bị mạch vào
Mỗi loại Cảm biến hay thiết bị chuyển ổi có yêu cầu về chức năng của Thiết bị mạch
vào khác nhau. Bảng sau là ặc tính iện của các loại thiết bị cảm biến phổ biến và yêu cầu
của thiết bị mạch vào cơ bản:
Bảng 3.1 – Các loại thiết bị cảm biển thông dụng Sensor Đặc tính iện Yêu cầu mạch vào lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử Thermocouple
Đầu ra iện áp thấp Độ Cảm biến nhiệt chuẩn (Cặp nhiệt iện) nhạy thấp
Mạch khuếch ại hệ số lớn Mạch Đầu ra phi tuyến tuyến tính hóa RTD
Trở kháng thấp (phổ biến Yêu cầu dòng kích thích 100 ) Cấu hình 4-dây/3-dây Độ nhạy thấp Mạch tuyến tính hóa Đầu ra phi tuyến Strain gauge
Thiết bị trở kháng thấp
Yêu cầu dòng hoặc iện áp kích Độ nhạy thấp thích Đầu ra phi tuyến
Mạch khuếch ại hệ số lớn Các nhánh cầu Mạch tuyến tính hóa
Điện trở sơn tiêu chuẩn Thermistor Điện trở
Cần dòng và iện áp kích thích (Điện trở nhiệt)
Trở kháng và ộ nhạy cao Đầu
với các iện trở chuẩn Mạch ra phi tuyến chỉnh tuyến tính Active High-level voltage or current Power source Accelerometers output Moderate amplification Linear output
AC Linear Variable AC voltage output AC excitation Differential Demodulation Transformer Linearization (LVDT) 3.
Data Acquisition Device - Thiết bị thu thập số liệu: Đây là thiết bị phần
cứng thực hiện ghép nối máy tính với thế giới bên ngoài. Thiết bị thu thập số liệu có nhiệm
vụ chủ yếu là số hóa tín hiệu tương tự (biến ổi ADC) và tạo ra chuẩn giao tiếp số với máy tính.
Thiết bị thu thập số liệu và Thiết bị mạch có thể ược chế tạo riêng, tuy nhiên cũng có
thể ược ghép chung và gọi là Bộ thu thập số liệu DAQ. 4.
Máy tính cài phần mềm iều khiển và o lường: Máy tính ược ghép nối với
Thiết bị thu thập số liệu thông qua các chuẩn giao tiếp số iển hình như GPIB, USB,
Ethernet, RS232, RS485,.... và ược các các phần mềm iều khiển thiết bị cũng như phần
mềm o lường. Các quá trình lưu trữ số liệu cũng như thực hiện xử lý số liệu, tính toán o
lường, cũng như hiển thị kết quả ược thực hiện trên phần mềm o lường ó. Ngoài ra hiện lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
này có có nhiều phần mềm cho phép người sử dụng lập trình ể tạo ra các chức năng iều
khiển và o lường mới, iển hình nhất là phần mềm LABVIEW của NI.
3.4. MỘT SỐ MẠCH ĐO LƯỜNG VÀ GIA CÔNG TÍN HIỆU ĐO CƠ BẢN
Trong kỹ thuật o lường iện tử, quá trình o lường ược thực hiện nhờ mạch o lường và
gia công tín hiệu. Chúng là các mạch iện thực hiện việc thu nhận tín hiệu o, biến ổi, gia
công, so sánh, tính toán… tín hiệu o và ược phối hợp với nhau trong một hệ vật lý thống
nhất tạo ra các thiết bị o, máy o, hệ thống o.
Theo chức năng của các mạch o và gia công tín hiệu ta có thể phân loại thành nhiều loại mạch o như sau:
- Mạch tỉ lệ: Mạch thực hiện một phép nhân, hoặc chia tín hiệu với hệ số k, ví
dụ như: Mạch suy giảm (mạch phân áp, chia dòng), biến áp, biến dòng, mạch ghép và chia công suất, v..v..
- Mạch khuếch ại: Cũng giống như mạch tỉ lệ, mạch khuếch ại có nhiệm vụ
nhân thêm tham số nào ó của tín hiệu với một hệ số K (hệ số khuếch ại), tuy nhiên ở
mạch khuếch ại thì công suất ra lớn hơn công suất vào ( iều này ngược với mạch tỉ lệ),
nghĩa là ại lượng ầu vào iều khiển ại lượng ra).
- Mạch gia công và tính toán: bao bồm các mạch thực hiện các phép tính ại số
như cộng, trừ, nhân, chia, tích phân, vi phân, v..v..
- Mạch so sánh tương tự: là mạch so sánh giữa 2 iện áp. - Mạch cầu.
- Mạch tạo hàm: Là mạch tạo ra những hàm số theo yêu cầu của phép o nhằm
mục ích tuyến tính hóa các ặc tính của tín hiệu o ở ầu ra các bộ phận cảm biến, ví dụ
như các mạch bình phương, lũy thừa (exp), logarit (log), v..v..
- Mạch biến ổi A/D, D/A, mạch S&H (lấy mẫu và giữ mẫu).
- Mạch lọc và mạch cộng hưởng tương tự.
- Mạch số và vi xử lý. ...
Mạch iện ược sử dụng trong o lường iện tử rất a dạng, một số mạch o ặc thù trong o
lường mới ược trình bày trong phần này.
3.5. CƠ CẤU CHỈ THỊ ĐO LƯỜNG
Cơ cấu chỉ thị óng một vai trò quan trọng trong thiết bị o, nó có nhiệm vụ hiển thị
chính xác kết qủa o dưới dạng phù hợp với khả năng nhận biết của con người. Cơ cấu chỉ
thị cũng ảnh hưởng ến ộ chính xác, tốc ộ của máy o… Trong thực tế có nhiều dạng cơ cấu lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
chỉ thị khác nhau dùng cho o lường, mỗi loại cơ cấu o có những ưu nhiểu iểm khác nhau
về kỹ thuật o, giá thành, về công nghệ chế tạo… Các loại cơ cấu chỉ thị phổ biến như sau:
+ Các cơ cấu chỉ thị kim. + Ống tia iện tử CRT
+ Cơ cấu chỉ thị số (dùng LED 7 oạn hay LCD 7 oạn).
+ Màn hình ma trận (LED, LCD, Flasma, OLED…).
3.5.1 Cơ cấu chỉ thị kim (Cơ cấu o iện cơ bản - CCĐ)
Cơ cấu chỉ thị kim hay còn gọi là cơ cấu o iện cơ bản (CCĐ) dùng nhiều trong các
thiết bị o iện (như o dòng iện, o iện áp, o công suất, o iện trở,...) ở tần số thấp. Đây là những
dụng cụ o biến ổi thẳng. Đại lượng iện cần o X (dòng iện mang thông tin của ối tượng o)
ược biến ổi thành góc quay của phần ộng (phần có gắn kim chỉ thị) so với phần tĩnh
=f(X) Nguyên lý cấu tạo chung của CCĐ:
Cấu tạo của CCĐ bao bồm 2 thành phần cơ bản: phần tĩnh và phần ộng. CCĐ hoạt
ộng theo nguyên tắc biến ổi liên tục iện năng thành cơ năng làm quay phần ộng của nó.
Trong quá trình quay lực cơ sinh công cơ học một phần thắng lực ma sát, một phần làm
biến ổi thế năng phần ộng.
Quá trình biến ổi năng lượng trong CCĐ như sau: Khi có dòng iện Ix (hoặc iện áp
Ux) vào CCĐ sẽ có sự biến ổi thành năng lượng iện từ We, We tạo ra sự tương tác với phần
ộng và phần tĩnh và tạo ra Momen quay Mq làm quay phần ộng một góc tỷ lệ với f(Ix) hoặc f(Ux).
Giả sử cơ cấu o có n phần tĩnh iện (mang iện tích) và n cuộn dây.
Thông thường iện áp ược ưa vào cuộn dây. Năng lượng iện từ sinh ra ược xác ịnh như sau: i n 1 i n 1 W e 1 j 1 C Uijij2 1 n L Iii2 1 j n M I Iij i j
2 i 1 2 i 1 2 i 1 j i 1 j i 1 Trong ó: + i: cuộn dây thứ i.
+ j: phần tử mang iện tích thứ j.
+CijUij iện áp và iện dung giữa 2 phần tử tích iện i và j.
+ IiI j : dòng iện trong các cuộn dây i và j. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
+ Li : iện cảm cử cuộn dây i
+Mij :hỗ cảm giữa hai cuộn dây i và j
Năng lượng iện từ sinh ra và phụ thuộc vào iện áp, iện dung, dòng iện, cuộn cảm, và hỗ cảm.
Tương tác giữa phần tĩnh và phần ộng tạo ra 1 momen quay bằng sự biến thiên
của năng lượng từ trên sự biến thiên góc quay. M dWe q d
Để tạo ra sự phụ thuộc giữa góc quay và giá trị o, trong khi o người ta sử dụng thêm
lò xo phản kháng ể tạo ra momen phản kháng chống lại sự chuyển ộng của phần ộng. M pk D.
Trong o: D là hệ số của lò xo phản kháng, là góc lệch của kim chỉ thị.
Kim chỉ thị sẽ dừng lại ở vị trí cân bằng khi: M pk Mq D dWe 1 dWe d D d
We: phụ thuộc vào iện áp UX , dòng iện IX ặt vào cuộn dây.
Biểu thức trên ược gọi là phương trình ặc trưng của thang o, cho ta biết ặc tính của
thang o và tính chất của CCĐ.
Ngoài 2 momen cơ bản trên, trong thực thế phần ộ còn chịu tác dụng của nhiều momen
khác như momen ma sát, momen cản dịu, momen ộng lượng…
Mỗi dạng cơ cấu o có cách tạo ra năng lượng iện từ và cách biến ổi thành cơ năng
tạo ra momen quay khác nhau. Dựa vào các biến ổi ó người ta phân chia CCĐ thành các loại khác nhau như sau: Loại cơ cấu o Ký hiệu
Cơ cấu o từ iện
Cơ cấu o iện từ
Cơ cấu o iện ộng
Cơ cấu o tĩnh iện lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
Cơ cấu o cảm ứng
Logô mét iện ộng Logô mét iện từ Logô mét từ iện
a. Cơ cấu o từ iện
Cơ cấu o từ iện hoạt ộng theo nguyên lý biến ổi iện năng thành cơ năng tạo ra momen
quay nhờ sự tương tác giữa từ trường của 1 nam châm vĩnh cửu và từ trường của dòng iện I qua khung dây ộng.
Hình 3.9 – Cấu tạo của cơ cấu o từ iện lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử Cấu tạo
Cấu tạo của cơ cấu o từ iện như hình Hình 3.9, gồm 2 phần cơ bản:
Phần tĩnh: Gồm nam châm vĩnh cửu (1) hình chữ U ược chế tạo bằng thép ặc biệt
như hợp kim Vônfram, hợp kim Crôm, 2 má cực từ (2), lõi sắt từ hình trụ (3). Giữa (2) và
(3) tạo thành khe hẹp hình vành khuyên cho phép khung dây quay xung quanh và có từ
trường ồng hướng tâm, khe hẹp này có ộ từ cảm B ồng ều. Phần ộng: Gồm:
- Khung quay (4) – khung chữ nhật bằng nhôm, trên khung có cuốn dây ồng các iện
(cỡ 0,03 0,2mm) cho phép dòng iện I chạy qua. Toàn bộ khối lượng khung quay phải
càng nhỏ càng tốt sao cho momen quán tính rất nhỏ. Khung quay ược ặt trên trục quay
hoặc bởi dây treo. Dòng iện I ược ưa vào khung dây thông qua trục của khung dây.
- Kim chỉ thị (5) ược gắn chặt trên trục quay hoặc dây treo. Phía sau kim chỉ thị có
mang ối trọng ể sao cho trọng tâm của kim chỉ nằm trên trục quay hoặc dây treo và ngoài
ra còn có vít iều chỉnh lệch không (Điều khiển zero).
- Lò xo phản kháng (6) một ầu gắn vào trục quay ầu kia ược giữ cố ịnh có nhiệm vụ
kéo kim chỉ thị về vị trí ban ầu hoặc tạo ra lo xo phản kháng giữ kim chỉ thị tại ví trí cân bằng.
Nguyên lý hoạt ộng
Khi có dòng iện I qua khung dây sẽ tạo nên năng lượng iện từ và tương tác với từ
trường B của nam châm vĩnh cửu tạo ra momen quay: M q dWe I d d d
Trong ó: d là ộ biến thiên của từ thông qua khung dây N vòng, diện tích là S: d B N S d. . . .
+ d : dộ biến thiên góc quay của khung dây. => M q I BN S. . .
Mômen quay Mq làm quay khung dây, giả sử kim chỉ thị lệch một góc , thì momen
phản kháng do lò xo (6) sinh ra tác ộng lên khung dây tăng: M pk
D. (D- Hệ số của lò xo phản kháng).
Kim chỉ thị sẽ dừng lại ở vị trí cân bằng khi: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử M q M pk I B N S. . . D B N S. . .I S I0. D
Trong iều kiện tiêu chuẩn S B N S. . 0
const - ược gọi là ộ nhạy của CCĐ từ D iện.
Kết luận: Độ lệch góc quay của kim chỉ thị tỷ lệ tuyến tính với cường ộ dòng iện
qua khung dây. Như vậy, có thể khắc ộ thang o của dòng iện I tuyến tính theo góc quay của kim chỉ thị.
Đặc tính của cơ cấu o từ iện: - Thang o tuyến tính.
- Chỉ làm việc với dòng 1 chiều qua khung dây. - Độ nhạy dòng iện của cơ cấu o từ iện: S i d S0 dI
Nghĩa là ộ nhạy dòng iện ược tương ứng với sự biến thiên của góc quay khi có sự
biến thiên của dòng iện. Trong thực tế người ta thường dùng tham số dòng iện toàn thang
Itt – dòng iện lớn nhất cho phép qua CCĐ và khi ó kim chỉ thị vị trí cực ại max (thường
bằng khoảng 1050) – ể chỉ ộ nhạy. Có thể tăng ộ nhạy bằng cách tăng Mq và giảm Mpk.
- Dòng toàn thang (Itt) rất nhỏ (vài A) d
- Độ nhạy iện áp của cơ cấu: SV
. Nếu nội trở của khung dây là Ri thì: dU S V d 1 Si RidI Ri
Ưu iểm của cơ cấu o từ iện: CCĐ từ iện có ưu iểm so với những CCĐ khác nhờ những iểm sau âu: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
- Độ chính xác cao, có thể tạo ra các thang o có cấp chính xác tới 0,5%, do từ
trường của nam châm vĩnh cửu mạnh nên ộ nhạy ít bị ảnh hưởng của từ trường bên ngoài.
- Công suất tiêu thụ nhỏ, tùy theo dòng Itt mà công suất tiêu thụ khoảng từ 25 W ến 200 W.
- Phương trình ặc tính là tuyến tính nên có thể tạo thang o tuyến tính.
Nhược iểm của cơ cấu o từ iện
- Cuộn dây của khung quay thường chịu ựng quá tải nhỏ nên thường dễ bị hư
hỏng nếu có dòng iện quá lớn i qua.
- Chỉ sử dụng với dòng một chiều.
- Cấu tạo phức tạp, dễ bị hư hỏng khi có va ập mạnh. Ứng dụng:
Cơ cấu o từ iện ược dùng rất nhiều làm cơ cấu chỉ thị cho các thiết bị o iện như Vôn
mét, Ampe mét, dụng cụ o iện vạng năng, cơ cấu chỉ thị trong phép o cầu cân bằng…
Hình 3.7 - Một số thiết bị o iện sử dụng CCĐ từ iện
b. Cơ cấu o iện từ
Cơ cấu o iện từ hoạt ộng theo nguyên lý: năng lượng iện từ ược biến ổi liên tục thành
cơ năng nhờ sự tương tác giữa từ trường của cuộn dây tĩnh khi có dòng iện i qua với phần
ộng của cơ cấu là các lá sắt từ. CCĐ iện từ có 2 loại:
Loại lực hút (loại cuộn dây hình dẹt)có cấu tạo như Hình 3.10.
Loại lực ẩy (loại cuộn dây hình tròn) có cấu tạo như Hình 3.11. Cấu tạo
+ Loại cuộn dây hình tròn: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
Hình 3.10 - Cơ cấu iện từ loại cuộn dây hình tròn
- Phần tĩnh: là 1 cuộn dây hình trụ, phía trong thành ống có gắn lá sắt từ mềm uốn quanh.
- Phần ộng: gồm 1 lá sắt từ cũng ược uốn cong và gắn vào trục quay nằm ối diện. Trên
trục quay có gắn kim chỉ thị và lò xo phản kháng.
+ Loại cuộn dây dẹt:
Hình 3.11 – Cơ cấu iện từ loại cuộn dây dẹt -
Phần tĩnh: gồm 1 cuộn dây dẹt, ở giữa có 1 khe hẹp.
- Phần ộng: Gồm 1 ĩa sắt từ ược gắn lệch tâm, chỉ 1 phần nằm trong khe hẹp và có thể
quay xung quanh trục. Trên trục của ĩa sắt từ có gắn kim chỉ thị và lò xo phản kháng.
Nguyên lý hoạt ộng chung: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
Cuộn dậy tĩnh khi có dòng iện I (một chiều hoặc xoay chiều) i qua sẽ tạo ra 1 năng lượng từ: Wdt 1 LI2 2
Trong ó: L là iện cảm cuộn dây, tuỳ thuộc vào vị trí tương ối của lá sắt từ ộng và tĩnh. L=f(x). dWdt Momen quay là: M q d
Khi kim chỉ thị quay, mômen phản kháng tăng: Mpk=-D Tại vị trí cân bằng: M pk M q D dW dt 1 I2 dL d 2 d 21D ddL I 2,S0 21D ddL S I 2 0
Góc quay của kim chỉ thị tỷ lệ với bình phương của dòng iện qua cuộn dây. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
Hình 3.12 – Đồng hồ o iện áp cao sử dụng CCĐ iện từ Đặc iểm
của CCĐ iện từ:
- Tiêu thụ năng lượng nhiều hơn cơ cấu o từ iện.
- Làm việc ược với cả dòng iện một chiều và xoay chiều. - Thang o phi tuyến.
- Công nghệ chế tạo dễ dàng hơn, cơ cấu vững chắc, khả năng chịu tải tốt.
- Độ nhạy kém do từ trường phần tĩnh yếu.
- Có hiện tượng từ dư trong lá sắt non nên kém chính xác hơn cơ cấu o từ iện.
- Do từ trường tạo ra bởi cuộn dây nhỏ nên dễ bị ảnh hưởng bởi từ trường bên
ngoài, cần phải bảo vệ bằng cách chắn từ cho cơ cấu.
- Độ chính xác thấp do dễ bị ảnh hưởng của từ trường bên ngoài và do tổn hao
của sắt từ lớn. Tuy nhiên vẫn ược dùng nhiều trong các loại ồng hồ o iện áp cao. c. Cơ
cấu o iện ộng
Là cơ cấu có sự phối hợp giữa cơ cấu từ iện và cơ cấu iện từ. Hoạt ộng theo nguyên
lý biến ổi liên tục iện năng thành cơ năng nhờ sự tương tác giữa từ trường của cuộn dây
tĩnh và cuộn dây ộng khi có dòng iện i qua. Cấu tạo
Cơ cấu o iện ộng cũng có 2 loại là Cơ cấu iện ộng (a) và cơ cấu sắt iện ộng (b), cấu tạo như Hình 3.13 .
Cấu tạo cơ cấu iện ộng gồm có cuộn dây tĩnh và cuộn dây ộng (khung quay). Thông
thường cuộn dây ộng không có lõi sắt non tránh ược hiện tượng từ trễ và dòng iện xoáy.
Cuộn ộng nằm trong vùng từ trường ược tạo ra bởi cuộn tính. Nếu cuộn tĩnh ược cuốn trên
một lõi sắt từ thì ó là cơ cấu sắt iện ộng. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử (a) = (b)
Hình 3.13 – Cơ cấu o iện ộng
Nguyên lý hoạt ộng
Khi có dòng iện I1, I2 (một chiều hoặc xoay chiều) i vào cuộn dây ộng và cuộn tĩnh sẽ tạo ra momen quay: M
q=KqI1I2=NBSI1I2 (dòng iện DC) q Kq 1 i i1 2dt (dòng iện AC) Hoặc M T Kq Kq 1 Vậy góc quay I I1 2 hoặc i i1 2dt D D T
Trong ó D là hệ số của lò xo phản kháng hoặc của dây treo.
Để thang o tuyến tính theo I1I2 thì Kq/D là hằng số.
Đặc iểm của cơ cấu o iện ộng
Cơ cấu o iện ộng có ưu iểm là nhược iểm của cơ cấu từ iện và cơ cấu iện từ
Thường dùng làm bộ chỉ thị cho Vônmét hoặc Ampemét hay Watt mét công suất tải 1 pha hay 3 pha. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
Ngoài ra người ta còn sử dụng ể chế tạo tỷ số kế iện ộng dùng o hệ số công suất cos .
Chiều quay của có cấu iện ộng và sắt iện ộng ược xác ịnh trước khi hoạt ộng với
dòng xoay chiều (như Hình 3.14). Như vậy khi kim chỉ thị của cơ cấu bị lệch ngược thì
phải ổi cực tính của cuộn dây ể kim chỉ thị quay thuận
Cơ cấu iện ộng hay ược sử dụng cho thiết bị o công suất của iện áp cao.
Hình 3.14 – Chiều quay của kim chỉ thị phụ thuộc vào chiều dòng iện
Hình 3.15 – Đồng hồ o công suất iện áp cao dùng CCĐ iện ộng.
3.5.2 Thiết bị chỉ thị dùng LED lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
a. Cơ cấu chỉ thị dùng LED- Light emitting diode a.1. LED ơn
LED là một tiếp xúc p-n, vật liệu chế tạo ều là các liên kết của nguyên tố nhóm 3 và
nhóm 5 của bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev như GaAs (LED có mầu ỏ), GaP (LED
có màu ỏ hoặc màu lục), GaAsP (LED có mầu ỏ hoặc vàng).
Hình 3.16 – LED ơn
Khi LED ược phân cực thuận các hạt dẫn a số khuếch tán ồ ạt qua tiếp xúc P-N ( iện
tử tự do từ n sang p, lỗ trống từ p sang n) chúng gặp nhau sẽ tái hợp và phát sinh ra photon
ánh sáng. Cường ộ phát sáng của LED tỉ lệ với dòng iện qua iôt. Độ sụt áp khi phân cực
thuận iốt là 1,2V và dòng thuận khi có ộ chói hợp lí là 20mA.
Để có ánh sáng có màu khác nhau thì sử dụng loại bán dẫn khác nhau hoặc dùng nhựa
bọc có màu khác nhau.Thông thường LED phát ra tia hồng ngoại hên người ta thường bao
quanh LED một lớp Phosphor vì vậy do bức xạ của Phosphor nhìn thấy ta nhận ra ược ánh sáng phát ra.
Nhược iểm của LED là cần dòng tương ối lớn, nhưng ưu iểm của nó là nguồn iện áp
một chiều thấp, khả năng chuyển mạch nhanh, bền, kích thước nhỏ.  Tính chất của LED
Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra
khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau). Mức năng lượng (và màu sắc của LED)
hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bán dẫn. LED thường
có iện thế phân cực thuận cao hơn iốt thông thường, trong khoảng 1,5 ến 3Volt. Nhưng iện
thế phân cực nghịch ở LED thì không cao. Do ó, LED rất dễ bị hư hỏng do iện thế ngược gây ra.
 Cách xác ịnh hai cực của LED
Để phân biệt chân Anode và chân Catode của LED, ta dùng ồng hồ kim ể ở thang
o iện trở. Hai ầu que o có iện áp (do nguồn pin lắp trong ồng hố phát ra) que en là dương lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
nguồn, que ỏ là âm nguồn. Khi có thông dòng qua LED làm LED sáng, cực nào của LED
nối que dương là cực dương, cực kia là cực âm.
Hai cực của LED có thể phân biệt bằng cách nhìn vào 2 khối bán dẫn nằm bên trong
LED, cái nào to hơn là cực âm, nhỏ hơn là cực dương.
 Chọn iện trở cho LED
Việc mắc nối tiếp R ể hạn chế dòng iện qua LED là cần thiết. Dòng iện sẽ quyết ịnh
cường ộ sáng của LED, có nghĩa là khi tăng dòng lên thì LED sẽ sáng mạnh hơn, thông thường từ 10 ến 20mA.
Khi có dòng chạy qua, thì iện áp rơi trên LED ở khoảng 1,6V. Vì vậy nên lắp thêm
R ể iều khiển dòng - iều chỉnh ộ sáng theo mong muốn. Thông số cơ bản khi chọn LED: Màu Điện áp Infrared 1.6 V Red 1.8 V ÷ 2.1 V Orange 2.2 V Yellow 2.4 V Green 2.6 V Blue 3.0 V ÷÷ 3.5 V White 3.0 V ÷ 3.5 V Ultraviolet 3.5 V
-Ứng dụng của LED.
Ngày nay, LED ược coi là một giải pháp tiết kiệm năng lượng mới. Với các ưu iểm
nổi bật như tiêu hao nhiệt rất ít, LED hầu như không nung nóng môi trường xung quanh;
ánh sáng èn LED ổn ịnh, không gây chói, mỏi mắt, không phát ra tia cực tím; èn LED có
tuổi thọ lên ến 80.000 – 100.000 giờ. Vì vậy, èn LED ngày càng ược ứng dụng nhiều trong
thực tế. LED ược dùng ể làm bộ phận hiển thị trong các thiết bị iện, iện tử, biển quảng cáo,
èn trang trí, èn giao thông… Đèn chiếu sáng bằng LED có ưu iểm bền, gọn nhẹ, tiết kiệm năng lượng.
+ LED ược dùng làm bộ phận hiển thị trong các thiết bị iện tử lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
Hình 3.17 – Ví dụng ứng dụng của LED trong thiết bị o
a.2. LED 7 oạn
Các dụng cụ o hiển thị số thường dùng bộ chỉ thị 7 oạn sáng LED ghép lại với nhau
theo hình số 8. Khi cho dòng iện chạy qua những oạn thích hợp có thể hiện hình bất kì số nào từ 0-9, A,B,C,D,E,F.
Hình 3.18 - Cơ cấu LED 7 oạn LED4 LED3 LED2 LED1 SEG=abcdefgh AN=A4 A1
Hình 3.19 - Cơ cấu chỉ thị nhiều Digits
Các cách mắc LED thông dụng: LED 7 oạn sáng Anốt chung, LED 7 oạn sáng Katốt chung.
LED 7 oạn sáng Katốt chung: Katốt của tất cả các iốt ều ược nối chung với iểm có
iện thế bằng 0 (hay cực âm của nguồn). Tác ộng vào ầu vào (Anốt) của iốt mức logic 1  iốt sáng.
LED 7 oạn sáng Anốt chung: các anốt ược nối chung với cực dương của nguồn (mức
logic 1). Tác ộng vào ầu vào (Katốt) của iốt mức logic 0  iốt sáng.
Có thể ghép nhiều LED 7 oạn khác nhau ể tạo thành cơ cấu chỉ thị nhiều số (nhiều Digits). lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
Ví dụ cơ cấu chỉ thị 4 Digits dùng LED 7 oạn Anốt chung như Hình 3.19. Trong ó
các tín hiệu iều khiển oạn sáng cho tất cả các LED 7 oạn ược nối chung ược gọi là Bus
SEG=(abcdefgh), trong ó h=dp. Các tín hiệu Anốt (A1, A2, A3, A4) ược iều khiển ộc lập.
Nguyên lý iều khiển hiển thị theo kiểu quét tuần tự. Ví dụ cần hiển thị số 2011, nguyên lý
iều hiển thị như Hình 3.20. Chu kỳ hiển thị của cơ cấu là TD (TD thường chọn từ 100ms 300
ms). Trong một chu kỳ TD ược chia thành 4 khoảng thời gian hiển thị ( thường ược
chọn lớn hơn 10ms), lần tại qua một khoảng thời gian mỗi LED 7 oạn sẽ ược iều khiển
ể hiện thị nội dung theo yêu cầu, LED 7 oạn nào ược hiển thị thì Anốt chung của nó ược
iều khiển mức cao ‘1’, các Anốt chung còn lại ược iều khiển ở mức thấp ‘0’. D A4 A3 A2 A1 SEG x“25” x“03” x“60” x“60” x“25” x“03” x“60” LED4 LED3 LED3 LED2 LED1 LED4 LED2 T
Hình 3.20 – Minh họa nguyên lý iều khiển hiển thị theo kiểu quét tuần tự 5 V 3 3 3 0 3 0 3 3 0 3 3 lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử 1 K 1 K 1 K 1 K 4 3 2 1 vcc vcc vcc vcc 7 g g g g 6 f f f f 5 e e e e 4 d d d d 3 c c c c 2 b b b b 1 a a a a
Hình 3.21 – Sơ ồ nguyên lý mạch iều khiển cơ cấu hiển thị 4 digits.
a.3. Màn hình ma trận LED
Các iểm LED ược sắp xếp thành ma trận iểm sáng. Ví dụ ma trận LED8x8 như
Hình 3.22, trong ó các tín hiệu iều khiển hàng Ri ược nối với Anode của tất cả các LED
trên cùng một hàng, còn các tín hiệu iểu khiển cột Ci cũng ược nối với Cathode của tất cả
các LED trên cùng một cột. Khi có một tín hiệu iều khiển ở cột và hàng, các chân Anode
của các led trên hàng tương ứng ược cấp iện áp cao, ồng thời các chân Cathode của các led
trên cột tương ứng ược ược cấp iện áp thấp .Tuy nhiên lúc ó chỉ có một LED sáng, vì nó
có ồng thời iện thế cao trên Anode và iện thế thấp trên Cathode. Như vậy khi có một tín
hiệu iều khiển hàng và cột, thì tại một thời iểm chỉ có duy nhất một led tại chỗ gặp nhau
của hàng và cột là sáng. Các bảng quang báo với số lượng led lớn hơn cũng ược kết nối theo cấu trúc như vậy.
Hình 3.22 Ma trận LED lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
Hình 3.23 - Ví dụ mạch iều khiển ma trân LED
Hình 3.24 - Sơ ồ chân ma trận LED8x8 hai mầu (M23088C/DEG) lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
Ma trận led có thể là loại chỉ hiển thị ược một màu hoặc hiển thị ược 2 màu trên một
iểm, khi ó led có số chân ra tương ứng: ối với ma trận LED 8x8 hiển thị một màu thì số
chân ra là 16, trong ó 8 chân dùng ể iều khiển hàng và 8 chân còn lại dùng ể iều khiển cột.
Đối với loại 8x8 có 2 màu thì số chân ra của LED là 24 chân, trong ó có 8 chân dùng ể iều
khiển cột (hoặc hàng) chung cho cả hai màu, 16 chân còn lại thì 8 chân dùng ể iều khiển
hàng (hoặc cột) của màu thứ nhất, 8 chân còn lại dùng iều khiển hàng (hoặc cột) của màu thứ 2.
3.5.3 Thiết bị chỉ thị dùng LCD - Liquid Crystal Display
a. Nguyên lý của màn hình LCD
Tinh thể lỏng là tên trạng thái của một vài hợp chất hữu cơ ặc biệt. Các chất này nóng
chảy ở 2 trạng thái: lúc ầu ở trạng thái nóng chảy liên tục, sau ó nếu nhiệt ộ tiếp tục tăng
thì chuyển sang chất lỏng ẳng hướng bình thường. Pha trung gian giữa hai trạng thái này
là trạng thái tinh thể lỏng (vừa có tính chất lỏng vừa có tính chất tinh thể).
● Các phần tử tinh thể lỏng sắp xếp dọc theo khe rãnh.
- Ở trạng thái tự nhiên, các phần tử tinh thể lỏng sắp xếp không theo trật tự nào cả.
- Khi ược tiếp cận với bề mặt có khe rãnh, các phần tử tinh thể lỏng sắp xếp song song dọc theo khe rãnh.
Hình 3.25 - Trạng thái tự nhiên Khi tiếp cận với bề mặt có khe rãnh ●
Khi các tinh thể lỏng an xen vào giữa các phiến trên và phiến dưới chúng sắp
xếp thẳng hàng với khe rãnh lần lượt theo hướng "a" và "b".
Hình 3.26 - Sắp xếp phân cực của tinh thể lỏng
Các phần tử phía trên dọc theo chiều "a" còn phía dưới dọc theo chiều khác là "b" ẩy
tinh thể lỏng sắp xếp theo một cấu trúc xoay 90o. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử ●
Ánh sáng xuyên qua vùng không gian (khoảng trống) của phần tử sắp xếp.
a. Khi chưa có nguồn phân cực b. Khi có nguồn phân cực
Hình 3.27 - Sự lan truyền ánh sáng trong lớp tinh thể lòng ●
Ánh sáng cũng xoay khi xuyên suốt, hệt như các tinh thể lỏng xoay. ●
Ánh sáng xuyên qua các tinh thể lỏng, tiếp ó hướng vào các phần tử ã sắp xếp
xoay 900 như hình vẽ => ánh sáng cũng xoay 90o xuyên qua các tinh thể lỏng. ●
Ánh sáng bẻ uốn cong 90o như các phân tử khi xoay. ●
Các phần tử sắp xếp khi có iện trường ặt vào.
Khi có iện trường ặt vào, tinh thể lỏng cấu trúc lại làm xoay ánh sáng khi xuyên qua. ●
Cấu trúc phân tử trong các tinh thể lỏng sắp xếp một cách dễ dàng khi có iện
trường ặt vào hoặc iện cực Anot ngoài tác dụng. Khi có iện áp ặt, các phân tử tự sắp xếp
theo chiều dọc (dọc theo iện trường) và ánh sáng cũng xuyên suốt dọc theo chiều sắp xếp của phân tử. ●
Chắn sáng với 2 bộ lọc phân cực (Polarizing filters - bộ lọc phân cực)
- Khi có iện áp ặt vào, kết hợp cả 2 bộ lọc phân cực làm xoay tinh thể lỏng trở thành 1 hiển thị LCD.
- Ánh sáng sẽ xuyên qua khi hai bộ lọc phân cực sắp xếp với trục phân cực như hình vẽ trái.
- Ánh sáng sẽ bị chặn khi 2 bộ lọc phân cực sắp xếp với trục phân cựn như hình vẽ phải. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
Hình 3.28 - Sử dụng bộ lọc phân cực
b. Cấu tạo của Màn hình LCD
Kết hợp cả hai bộ lọc phân cực và sự xoay của tinh thể lỏng tạo lên một màn hình tinh thể lỏng.
Hình 3.29 - Nguyên lý cấu tạo màn hình LCD
Polarizing Filters: Bộ lọc phân cực.
• Alighnment layers: Sắp xếp lớp. • Voltage: Điện áp. • Light: Ánh sang. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
• Khi hai bộ lọc phân cực sắp xếp dọc suốt theo hướng vuông góc với trục iện cực,
ánh sáng i vào từ phía trên, ổi hướng 90o dọc theo hướng ường hình soắn ốc của các
phân tử tinh thể lỏng, vì vậy ánh sáng xuyên qua bộ lọc dưới.
• Khi có iện áp ặt vào, các phân tử tinh thể lỏng nắn thẳng trên ường ra từ hình ường
soắn ốc và dừng, ổi hướng rẽ của ánh sáng, do vậy ã ngăn cản ánh sáng xuyên qua bộ
lọc dưới (bộ lọc thấp)
• Hình vẽ miêu tả nguyên lý iển hình cúa sự xoay màn hình tinh thể lỏng trong LCD,
các tinh thể lỏng nơi mà các phân tử xoay hình ường soắn ốc là an xen giữa hai bộ lọc
iện cực (phân cực). Khi có iện áp ặt vào ánh sáng bị chắn và màn hình xuất hiện en.
c. Các hệ thống hiển thị.
Có hai kiểu cấu tạo màn hình tinh thể lỏng chính, khác nhau ở thiết kế nguồn sáng.
Trong kiểu thứ nhất, ánh sáng ược phát ra từ một èn nền, có vô số phương phân cực
như các ánh sáng tự nhiên. Ánh sáng này ược cho lọt qua lớp kính lọc phân cực thứ nhất, trở
thành ánh sáng phân cực phẳng chỉ có phương thẳng ứng. Ánh sáng phân cực phẳng này ược
tiếp tục cho truyền qua tấm thủy tinh và lớp iện cực trong suốt ể ến lớp tinh thể lỏng. Sau ó,
chúng tiếp tục i tới kính lọc phân cực thứ hai; có phương phân cực vuông góc với kính lọc
thứ nhất, rồi i tới mắt người quan sát. Kiểu màn hình này thường áp dụng cho màn hình màu
ở máy tính hay TV. Để tạo ra màu sắc, lớp ngoài cùng, trước khi ánh sáng i ra ến mắt người, có kính lọc màu.
Ở loại màn hình tinh thể lỏng thứ hai, chúng sử dụng ánh sáng tự nhiên i vào từ mặt
trên và có gương phản xạ nằm sau, dội ánh sáng này lại cho người xem. Đây là cấu tạo
thường gặp ở các loại màn hình tinh thể lỏng en trắng trong các thiết bị bỏ túi. Do không
cần nguồn sáng nên chúng tiết kiệm năng lượng.
Các nguyên lý hiển thị
● Các ký tự, chữ số và ồ hoạ ược hiển thị cơ bản dựa theo 3 phương pháp hiển thị:
1. Hệ thống thanh oạn
Hiển thị ộ dài sắp xếp theo dạng hình số "8" ể hiển thị số.
2. Hệ thống ma trận iểm (hiển thị ký tự)
Hiển thị sắp xếp thao các hàng và các cột ể hiển thị ký tự. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
3. Hệ thống ma trận iểm (hiển thị ồ hoạ)
Hiển thị sắp xếp theo các hàng và các cột ể hiển thị ồ hoạ
c. Nguyên lý hiển thị mầu
● Mầu ược hiển thị nhờ các bộ lọc mầu dành cho mỗi thành phần hiển thị, trong hệ
thống ma trận iểm, các iểm mầu ỏ (R), xanh lá (G), xanh dương (B) nhận ược do sử dụng
các bộ lọc mầu, ba mầu cơ bản trên kết hợp lại cho ta một iểm ảnh, mỗi iểm mầu sẽ cho
một mầu có cường ộ sáng khác nhau, một iểm ảnh có thể cho vô số mầu và là mầu tổng
hợp ược từ ba mầu cơ bản trên.
Cấu trúc màn hình LCD lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
Hình 3.30 - Cấu trúc màn hình LCD mầu
Cấu trúc màn hình LCD mầu như Hình 3.30, trong ó gồm:
1. Polarizing filter (Bộ lọc phân cực) Điều khiển ánh sáng i vào và thoát ra.
3. Glass substrate (Hợp chất thuỷ tinh ặc biệt) Lọc chặn iện từ các iện cực. 3.
Transparent electrodes (Điện cực trong suốt) Là các thanh dẫn iện trong suốt
cho phép ánh sáng xuyên qua. 4.
Alignment layer (Sắp xếp lớp) Là hai bề mặt có rãnh, ở giữa là các phân tử
tinh thể lỏng, Các phân tử ược sắp xếp theo hình xoắn ốc 90o. 5.
Liquid crystals (Các tinh thể lỏng). 6.
Spacer (Khoảng trống) Duy trì khoảng cách ều giữa các tấm kính. 7.
Color filter (Bộ lọc mầu) Mầu ược lọc và thể hiện khi dùng các bộ lọc R, G và B. 8.
Backlighting (Ánh sáng phía sau) Ánh sáng ược chiếu từ phía sau màn hình
xuyên qua các lớp trên, ở màn hình iện thoại, người ta sử dụng ánh sáng chiếu từ xung quanh
sau ó dùng lớp phản xạ ể hướng ánh sáng chiếu thẳng góc với màn hình từ sau về phía trước.
Nguyên tắc hoạt ộng
+ Active element (Transistor) - Phần tử tích cực (Transistor). +
X Electronic - Điện cực X.
+ Y Electronic - Điện cực Y. + Light - Ánh sang.
Hình 3.31 - Cấu tạo các phần tử iều khiển iểm ảnh
Cấu tạo các phần tử iều khiển iểm ảnh cho màn hình LCD như Hình 3.31. Trong ó:
- Các iện cực X và Y sắp xếp thành hàng và dãy, mỗi iểm giao nhau có một Transistor
trường, chân S ấu vào iện cực Y, chân G ấu vào iện cực X , khi Transistor dẫn thì chân D
sẽ có iện áp bằng iện cực Y tạo ra một iện áp chênh lệch với ế trên của LCD. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
- Mỗi Transistor sẽ iều khiển một iểm mầu, các tín hiệu ngắt mở ược ưa ến iện cực
X, tín hiệu Video ược ưa ến iện cực Y, iện áp chênh lệch giữa iện cực X và Y sẽ làm
Transistor dẫn tạo ra một iểm mầu có cường ộ sáng nhất ịnh.
● Mỗi iểm mầu do một Transistor iều khiển, mỗi iểm mầu sẽ phát ra một mầu có
cường ộ sáng khác nhau, cường ộ sáng phụ thuộc vào tín hiệu Video ặt vào iện cực Y.
● Ba iểm mầu mang ba mầu khác nhau R ( ỏ), G (Xanh lá) và B (Xanh lơ) tạo lên
một iểm ảnh, khi thay ổi cường ộ sáng của các iểm mầu sẽ tạo ra cho iểm ảnh có vô số mầu
sắc khác nhau (Nguyên lý trộn mầu trong tự nhiên).
● Màn hình iện thoại có ộ phân giải là 96 x 128 nghĩa là sẽ có 96 x 128 = 12338 iểm
ảnh <=> hoặc có 12338x3 = 37014 iểm mầu. d. Phân loại màn hình LCD
LCD ma trận thụ ộng
LCD ma trận thụ ộng (Dual Scan Twisted Nematic, DSTN LCD) có ặc iểm là áp ứng
tín hiệu khá chậm (300ms) và dễ xuất hiện các iểm sáng xung quanh iểm bị kích hoạt khiến
cho hình có thể bị nhòe. Các công nghệ ược Toshiba và Sharp ưa ra là HPD (hybrid passive
display), cuối năm 1990, bằng cách thay ổi công thức vật liệu tinh thể lỏng ể rút ngắn thời
gian chuyển ổi trạng thái của phân tử, cho phép màn hình ạt thời gian áp ứng 150ms và ộ
tương phản 50:1. Sharp và Hitachi cũng i theo một hướng khác, cải tiến giải thuật phân
tích tín hiệu ầu vào nhằm khắc phục các hạn chế của DSTN LCD, tuy nhiên hướng này về
cơ bản chưa ạt ược kết quả áng chú ý. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
LCD ma trận chủ ộng
LCD ma trận chủ ộn thay thế lưới iện cực iều khiển bằng loại ma trận Transistor
phiến mỏng (thin film transistor, TFT LCD) có thời gian áp ứng nhanh và chất lượng hình
ảnh vượt xa DSTN LCD. Các iểm ảnh ược iều khiển ộc lập bởi một transistor và ược ánh
dấu ịa chỉ phân biệt, khiến trạng thái của từng iểm ảnh có thể iều khiển ộc lập, ồng thời và
tránh ược bóng ma thường gặp ở DSTN LCD.
Một số hình ảnh Màn hình LCD trong thực tế
+ Màn hình ký tự LCD 4x16 lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
+ Màn hình ồ họa LCD Màn hình ma trận LCD
3.5.4 Ống tia iện tử - CRT
Ống tia iện tử - CRT (Cathode Ray Tube), hay còn ược gọi là ống tia âm cực ược sử
dụng khá phổ biến trong máy o lường iện tử (như Ô-xi-lô, máy phân tích phổ, máy vẽ ặc
tính biên ộ - tần số…), cho phép hiển thị dạng tín hiệu trên màn hình.
Nguyên lý chung của CRT:
Cho chùm tia e- bay trong chân không i qua lần lượt 2 bản kim loại nằm ngang nhận
tín hiệu iện áp y và 2 bản thẳng ứng nhận tín hiệu iện áp x và ập tời màn huỳnh quang (Như
Hình 3.32). Do e- chịu tác dụng của iện trường tạo bởi 2 cặp bản kim loại ó nên e- sẽ phải
bay lệch theo phương x và y, ộ lệch theo phương y tỉ lệ với tín hiệu y, ộ lệch theo phương
x tỉ lệ với tín hiệu x. Kết quả vết sáng trên màn huỳnh quang sẽ nằm tại toạ ộ (x,y). Khi tín
hiệu x và y thay ổi vết sáng vẽ một ường dao ộng ồ nào ó trên màn hình. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử e-
Hình 3.32 – Nguyên tắc chung của CRT
Như vậy, CRT là một loại dụng cụ iện tử mà trong ó có chùm iện tử e- ược bức xạ từ
Katốt bị nung nóng, chúng ược gia tốc, hội tụ bằng iện trường hay từ trường, tạo thành một
chùm iện tử nhỏ gọn bắn tới màn huỳnh quan (hợp chất của Phosphor), màn phát sáng tại
iểm có iện tử bắn tới. Chùm iện tử ược làm lệch theo chiều ứng và chiều ngang trên màn
hình theo quy luật iện áp ặt vào các tấm làm lệch, tạo ra dạng hình ảnh (dạng dao ộng ồ)
trên màn hình. Dao ộng ồ có thể là dạng tín hiệu (waveforms), hay là các hình ảnh (pictures)…
Có nhiều loại CRT: Loại CRT khống chế bằng từ trường (màn hình ti vi và màn hình
máy vi tính); Loại CRT khống chế bằng iện trường (dùng nhiều trong các thiết bị o).
CRT khống chế bằng iện trường
Cấu tạo CRT khống chế bằng iện trường như Hình 3.33, trong ó CRT ược cấu tạo từ
1 ống thuỷ tinh hình trụ có ộ chân không cao (áp suất khoảng từ 10-5v 104mN/cm2) – ể
không ngăn cản sử chuyển ộng của chùm iện tử từ Katot tới màn hình). Đầu ống hình trụ
tròn có chứa súng iện tử và hệ thống lái tia, phía cuối loe ra hình nón cụt, mặt áy ược phủ
1 lớp huỳnh quang tạo thành màn hình. Cấu tạo của CRT gồm 3 phần chính: màn huỳnh
quang, súng iện tử, hệ thống lái tia. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử Lớp than chì Lưới iều chế Anốt gia tốc Màn chắn G A2 X 1 Katốt K Anốt hội tụ A1 Y1 Màn huỳnh Sợi ốt F quang E K Y2 X2 -2 ,05kV R R1 bright R focus R2 A 3 Súng iện tử A ( ) Màn hình Hệ thống lái tia
Hình 3.33 – Cấu tạo CRT khống chế bằng iện trường
a. Màn huỳnh quang
Lớp huỳnh quang thường là hợp chất của Phosphor (P). Khi có iện tử bắn tới màn hình,
tại vị trí va ập, iện tử sẽ truyền ộng năng cho iện tử lớp ngoài cùng của nguyên tử P, iện tử
này sẽ nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao và tồn tại trong 1 thời gian rất lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
ngắn rồi tự nhảy về mức năng lượng thấp ban ầu và phát ra photon ánh sáng. Ví trí nào bị
bắn phá ví trí ó ược phát sáng, ánh sáng ược lưu lại trong một khoảng thời gian nhất ịnh (gọi
là ộ dư huy của màn hình), cộng với ộ lưu ảnh của võng mạc, làm cho người qua sát có cảm
giác iểm sáng ó tồn lại lưu trên màn hình, hình ảnh dao ộng ồ ược quan sát như là liên tục.
Màu sắc ánh sáng phát ra tùy thuộc vào hợp chất của P, thường màu xanh lá cây nhạy
cảm với mắt người (hợp chất có chứa Silicat Kẽm), ánh sáng màu tím (hợp chất của
Vônframát Canxi) tích cực với thuốc ảnh.
Độ dư huy của màn hình sẽ phụ thuộc vào chất huỳnh quang, thông thường khoảng
từ vài s ến vài s. Khi quan sát tín hiệu có tần số thấp thì dùng màn hình có ộ dư huy lớn,
còn khi quan sát tín hiệu tần số cao thì dùng màn hình có ộ dư huy nhỏ.
Chất huỳnh quang cách iện và phát xạ iện tử thứ cấp khi có tia iện tử bắn tới, iện tử
thứ cấp này phải ược thu gom bằng Anốt hậu (lớp than chì xung quanh màn hình) ể không
tạo thành lớp iện tử che lấp màn hình, ngăn cản chuyển ộng của chùm tia iện tử.
Ngoài ra người ta còn dùng kiểu ống có màng nhôm mỏng cho kết tủa tại bề mặt nơi
có iện tử bắn tới, màng nhôm cho chùm iện tử i qua và thu gom iện tử thứ cấp dẫn chúng
xuống ất của máy, và còn tác dụng phản xạ ánh sáng làm tăng cường ộ sáng và là nơi tiêu
nhiệt làm tăng tuổi thọ cho màn hình. b. Súng iện tử
Súng iện tử: Có nhiệm vụ tạo, gia tốc và hội tụ chùm tia iện tử. Cấu tạo gồm: sợi ốt
F, Katốt K bao quanh sợi ốt, lưới iều chế G, Anốt hội tụ A1, Anốt gia tốc A3. Các iện cực
có dạng hình trụ có lỗ nhỏ ở giữa, làm bằng Niken, riêng K có phủ một lớp ôxit kim loại ở
áy ể tăng khả năng bức xạ iện tử. Các iện cực phía sau (theo chiều chuyển ộng của chùm
tia iện tử) thường có vành rộng hơn iện cực phía trước và có nhiều vách ngăn có tác dụng
ể các chùm iện tử không i quá xa trục ống, việc hội tụ sẽ dễ dàng hơn. Với cấu tạo ặc biệt
của các iện cực như vậy sẽ tạo ra 1 iện trường không ều ặc biệt có thể hội tụ và gia tốc chùm tia.
Các iện cực ược cấp nguồn nhờ các phân áp như hình vẽ UK=-2kV, UKG=0 50V,
UA2=0V, UA1=50V 300V). Triết áp Rbright iều chỉnh iện áp UGK làm thay ổi lượng iện tử
bắn tới màn huỳnh quanh, làm thay ổi ộ sáng của dao ộng ồ. Triết áp này thường ược ưa ra
ngoài mặt máy ký hiệu là “Bright hay Intensity”. Triết áp Rfocus thay ổi iện áp trên A1 làm
thay ổi ộ tụ của chùm tia iện tử và cũng ược ưa ra ngoài mặt máy ký hiệu là “Focus”.
Lưới iều chế G ược cung cấp iện áp âm hơn so với K và ược ghép sát K ể dễ
dàng cho việc iều chỉnh cường ộ của chùm iện tử bắn tới màn hình.
Anốt A2 (Anốt gia tốc) thường ược nối ất ể tránh méo dao ộng ể khi iện áp cung cấp
cho các iện cực không phải là iện áp ối xứng.
Xét quỹ ạo chuyển ộng của chùm iện tử khi i qua iện trường của các iện cực lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
Quy luật chuyển ộng của các hạt mang iện trong iện trường và từ trường về cơ bản
cũng giống quy luật lan truyền ánh sáng trong môi trường quang học. Quy luật chuyển ộng
của iện tử trong iện trường tĩnh tuân theo quy luật sau:
+ Điện tử chuyển ộng thẳng trong vùng có thế không ổi.
+ Nếu chùm iện tử chuyển ộng trong vùng iện trường không ồng ều thì nó có thể bị
khúc xạ hay phản xạ khi chuyển ộng qua mặt ẳng thế. Nếu bị phản xạ thì góc phản xạ bằng
góc tới. Nếu bị khúc xạ thì khi iện tử chuyện ộng từ vùng có iện thế U1 sang vùng có iện
thế U2 hướng và ộ lớn vận tốc của iện tử thay ổi và ược xác ịnh theo quy luật khúc xạ như sau: U 2 U 1 v 2 2 sin 1 v2 U2 sin 2 v1 1 U1 v 1 Mặt ẳng thế
Nếu U2>U1 thì v2>v1 iện tử ược tăng tốc.
Xét quỹ ạo chuyển ộng của chùm tia iện tử khi i qua iện trường giữa A1 và A2 như hình vẽ: Các mặt ẳng thế G A1 A2 Màn hình K F Chùm iện tử C
Lực tác dụng lên iện tử
Hình 3.34 – Chùm iện tử chuyển ộng qua iện trường giữa các iện cực
Trong không gian giữa A1 và A2 hình thành các mặt ẳng thế, lực tác dụng của
iện trường lên iện tử tại một vị trí nào ó là: F qE . Mặt ẳng thế hướng bề lồi về phía Katot
có tác dụng hội tụ chùm tia, còn mặt ẳng thế có hướng lõm quay về phía Katot có tác dụng
phân kỳ chùm tia. Nhưng tổng hợp lại thì iện trường giữa A1-A2 có tác dụng hội tụ chùm
tia (tương ương với một thấu kính iện hội tụ). lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
Cơ cấu G, A1, A2 tương tự như một hệ thống kính ược thiết kế sao cho iện trường
không ều giữa chúng có tác dụng gia tốc và hội tụ chùm tia iện tử tạo thành chùm iện tử
nhỏ gọn, mảnh bắn tới màn huỳnh quang. c. Hệ thống lái tia
Hệ thống lái tia có nhiệm vụ làm lệch chùm tia iện tử bắn tới màn hình theo chiều ứng
hoặc chiều ngang của màn hình.
Cấu tạo gồm 2 cặp phiến làm lệch ược ặt trước, sau và bao quanh trục của ống.
+ Cặp lái ứng Y1Y2: 2 phiến kim loại ặt song song với nhau theo phương nằm ngang.
+ Cặp lái ngang X1X2: 2 phiến kim loại ặt song song với nhau theo phương thẳng ứng.
Giữa các cặp phiến làm lệch tạo ra iện trường ều có tác dụng làm lệch quỹ ạo chuyển
ộng của chùm tia iện tử khi qua nó.
Xét quỹ ạo chuyện ộng của chùm tia khi qua cặp lái ứng như hình vẽ… U y Y 1 M + chùm e - A 2 y d y O Y 2 L y l y Màn hình
Hình 3.35 – Quỹ ạo chuyển ộng của chùm iện tử qua cặp lái ứng - Khi
Uy=0, tia iện tử bắn thẳng tới chính giữa màn hình tại iểm O.
- Khi Uy 0, iện trường giữa các phiến làm lệch sẽ làm lệch quỹ ạo của tia iện tử theo
chiều ứng và bắn tới màn hình tại vị trí M, lệch 1 khoảng theo chiều ứng là y so với iểm O.
Khoảng lệch ứng y tỉ lệ thuận với cường ộ iện trường trong cặp lái ứng Ey (mà Ey
[V/mm] = Uy/dy – trong ó: Uy – iện áp giữa Y1 và Y2, dy [mm] - khoảng cách giữa Y1 và
Y2) và ộ dài của phiến làm lệch ly [mm], và thời gian bay của iện tử. Thời gian bay tỉ lệ
nghịch với vận tốc của chùm tia hay tỉ lệ nghịch với iện áp gia tốc UA (phụ thuộc chủ yếu
vào UA2K) và tỉ lệ thuận với khoảng cách từ cặp lái tia tới màn hình Ly [mm]. Như vậy ộ
lệch ứng trên màn hình ược xác ịnh như sau: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
U L ly. y y. y
2dy.UA hay y S0y .U y L l.
- ược gọi là ộ nhạy của ống tia iện tử y y
S0y[mm/V] y const theo
phương ứng. S0y ặc trưng cho ặc tính của Uy 2d Uy. A CRT
và là ộ lệch ứng của tia iện tử khi bắn tới
màn hình tính theo mm khi iện áp ặt vào cặp lái ứng là 1 V. Thông thường S0y=0,1 1mm/V.
Trong nhiều trường hợp, muốn tăng ộ nhạy mà không thể tăng chiều dài ly vì không
thể tăng quá mức chiều dài của ống tia nên cặp lái tia thường ược cấu tạo loe ra ở ầu cuối
chứ không phải bản phẳng hoàn toàn.
Tương tự, ta có ộ lệch của tia iện tử theo chiều ngang. x U L l
2d Ux.x.x.Ax hay x S U 0x. x
S0x[mm/V] x
L lx. x const - ược gọi là ộ nhạy của ống tia iện U x 2d Ux. A
tử theo phương ngang. S0x ặc trưng cho ặc tính của CRT và là ộ lệch ngang của tia iện tử
khi bắn tới màn hình tính theo mm khi iện áp ặt vào cặp lái ngang là 1 V. Thông thường S0x=0,1 1mm/V.
Kết luận: Độ lệch tia iện tử trên màn hình theo phương ứng và phương ngang tỉ lệ
tuyến tính với iện áp tương ứng ặt vào cặp lái ứng và cặp lái ngang tương ứng.
Vấn ề gây méo dao ộng ồ
Độ sáng của dao ộng ồ trên màn huỳnh quang của CRT phụ thuộc vào năng lượng
của mỗi iện tử, mà cò phụ thuộc vào số lượng iện tử ược bắn tới màn hình trong một ơn vị
thời gian, (tức là phụ thuộc vào mật ộ chùm iện tử). Vì vậy, nếu thay ổi ược mật ộ của
chùm tia iện tử thì có thể thay ổi ộ sáng của dao ộng ồ. Thay ổi mật ộ chùm iện tử có thể
thực hiện dễ dàng bằng cách thay ổi iện áp trên cực iều chế G. Ta ã biết, giữa G và A1 cũng
có tạo thành iện trường không ều như A1 và A2 có tác dụng hội tụ chùm tia. Do vậy nếu
thay ổi iện áp của G thì ộ tụ của chùm tia chũng sẽ bị ảnh hưởng. Đó là lý do tại sao mà lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
khi thực hiện iều chế ộ sáng ta chỉ ược dùng iện áp biên ộ nhỏ. Vì nếu cực G có iện thế
dương lớn thì không những ộ sáng của dao ông ồ tăng mạnh mà còn gây méo dao ộng ồ
trên màn do ộ tụ giảm i. Phép o do vậy cũng có sai số.
Độ sáng của dao ộng ồ còn tăng khi tăng iện áp trên A2, nhưng khi tăng iện áp trên
A2 thì ộ nhạy giảm i. Để khắc phục mâu thuẫn này, trong CRT thường ược cấu tạo thêm
Anốt hậu A3 ở sau các phiến làm lệch. Cấu tạo của A3 là lớp than chì dẫn iện ược phủ
xung quanh thành ống ở gần sát màn hình. Điện áp trên A3, thường lớn gấp ôi iện áp UA2K.
Dưới tác dụng của iện trường này, iện tử ược gia tốc thêm nhưng ộ nhạy hầu như không bị
ảnh hưởng gì. Tuy nhiên, iện tử cũng vẫn ược tăng tốc khi i qua các cặp phiến do tác dụng
của A3, nhưng khoảng thời gian này không áng kể so với khoảng thời gian iện tử i từ cặp
phiến lái tia ến màn hình. Hơn nữa, sự giảm ộ nhạy do A3 có thể ược bù lại bằng cách giảm iện áp UA2K.
Độ nhạy và ộ tụ của CRT còn bị ảnh hưởng bởi hiệu iện thế giữa A2 và các cặp phiến
làm lệch. Để khử bỏ ảnh hưởng này, thì phải làm có iện thế của A2 bằng iện thế giữa 2 cặp
phiến (tức là iện thế trên ường trục giữa của ống tia). Để dễ dàng thực hiện iều này, người
ta thường nối ất A2 và cung cấp iện áp âm cho K. Nếu không quan tâm ến vấn ề này, mà
nối ấy một phiến trong 2 phiến làm lệch, còn phiến kia ưa iện áp xoay chiều vào thì có hiện
tượng méo dạng dao ộng ồ như hình vẽ… Thật vậy, ứng với từng thời iểm khác nhau, iện
thế tại trục giữa 2 cặp phiến là UA2+Uy/3. Như vậy khi ứng với Uy=Um có trị số dương thì
iện thế tại iểm giữa là UA2+Um/2, khi ó ộ nhạy có giá trị nhỏ nhất, ộ tụ giảm i. Ứng với Uy
=-Um có trị số âm, thì iện thế tại iểm giữa phiến là: UA2-Um/2, khi ó ộ nhạy lại có trị số cao
nhất, ộ tụ giảm i. Dao ộng ồ biểu diễn tín hiệu hình sin Uy sẽ không còn ối xứng với trị số trung bình nữa. U y U Dao ộng ồ y A 2
Hình 3.36 – Méo dao ộng ồ do cung cấp iện áp không ối xứng cho cặp lái tia
Vì ộ hội tụ phụ thuộc vào iện trường giữa các phiến và A2, trong trường hợp này là
chúng có thay ổi, nên sự hội tụ chỉ thực hiện ược tốt ứng với một thời iểm nào ó mà thôi.
Nêu nếu như ộ tụ tốt nhất khi Uy=0, thì khi ộ tụ sẽ giảm i ứng với các thời iểm iện áp Uy= Um.
Để khử hiện tượng méo dao ộng ồ này, người ta thực hiện nối ất A2 và ồng thời cung
cấp iện áp ối xứng cho các cặp lái tia (tức là iện áp trên 2 cặp phiến ồng thời lệch pha nhau
1800). Như vậy thì iện thế tại các iểm giữa các cặp phiến là không ỏi khi có iện áp ặt vào.
Để thực hiện ược iều này, thì tầng khuếch ại tín hiệu cuối trước khi ưa vào các cặp lái tia lOMoARcPSD| 36067889
Chương 3 – Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử
là các bộ khuếch ối xứng dùng kiểu khuếch ại ẩy kéo hay tự ộng ảo pha. b/ ứng dụng của CRT:
Thường làm màn hình chỉ thị cho máy hiện sóng, các máy phân tích phổ, máy vẽ ặc
tuyến biên ộ, tần số… (a) (b)
(a): CRT khống chế bằng iện trường ứng dụng cho máy o.
(b): CRT khống chế bằng từ trường ứng dụng cho màn hình máy vi tính. Hình
3.37 – Ứng dụng của ống tia iện tử - CRT
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Trong cơ cấu o chỉ thị kim, kim chỉ thị sẽ dừng lại ở vị trí cân bằng khi có sự cân
bằng của 2 mômen nào, viết phương trình cân bằng của 2 mômen ó.
2. Nêu nguyên tắc hoạt ộng của bộ chỉ thị kiểu từ iện?
3. Nêu nguyên tắc hoạt ộng của bộ chỉ thị kiểu iện từ?
4. Nêu cấu tạo, hoạt ộng và ặc iểm của cơ cấu o iện từ?
5. Nêu cấu tạo, hoạt ộng và ặc iểm của cơ cấu o từ iện?
6. Sơ ồ khối và nguyên lí hoạt ộng chung của cơ cấu chỉ thị số?
7. Các ưu iểm, nhược iểm của cơ cấu chỉ thị số?
8. Kể tên 2 lọai bộ chỉ thị số thường dùng?
9. Khái niệm LED 7 oạn sáng Katốt chung? Muốn hiển thị số 0, 5 thì phải làm gì?
10. Khái niệm LED 7 oạn sáng Anốt chung? Muốn hiển thị số 3, 6 thì phải làm gì?
11. Khái niệm LCD và các ưu, nhược iểm của LCD? (chú ý: không cần nêu nguyên lí hoạt ộng) lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
CHƯƠNG 4 - MÁY HIỆN SÓNG (Ô-XI-LÔ)
4.1 GIỚI THIỆU CHUNG
4.1.1 Khái niệm chung về quan sát dạng tín hiệu
Trong lĩnh vực Điện, Điện tử, và Viễn thông có nhiều dạng tín hiệu khác nhau, mỗi
dạng tín hiệu có một số tham số ặc trưng nào ó. Trong o lường iện tử, một trong những yêu
cầu cơ bản ể xác ịnh tín hiệu là quan sát dạng của tín hiệu. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
Hình 4.1 - Hình ảnh Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
Các tín hiệu thường ược biểu diễn theo mối quan hệ biến thiên theo thời gian hay
theo tần số. Giả sử tín hiệu ược biểu diễn theo thời gian như sau u=f(t). Nếu ta có tín hiệu
y=b.f(t) và tín hiệu x=a.t thì có thể biểu diễn y=b.f(x/a). Do vậy quan hệ giữa y và x cũng
tỉ lệ như quan hệ giữa u và t. Nếu có thiết bị vẽ ược trực tiếp ồ thị của y=b.f(x/a) thì ta cũng
nhận ược ồ thị biến thiên của tín hiệu theo thời gian. Như vậy ngoài việc quan sát ược trực
tiếp dạng tín hiệu ta còn o lường ược các thông số cường ộ (Um) và thông số thời gian (Chu kỳ T)... của tín hiệu.
Ngoài ra ta có thể xác ịnh ược tín hiệu khi biết ược phổ của nó (Theo biến ổi Fuerier
ngược). Giả sử tín hiệu có mật ộ phổ là S( ). Nếu ta tìm ược tín hiệu y=b.S( ) và tín hiệu
x=a. thì có thể biểu diễn y=b.S(x/a). Do vậy quan hệ giữa y và x cũng tỉ lệ như quan hệ
giữa S và . Nếu có thiết bị vẽ ược trực tiếp ồ thị của y=b.S(x/a) thì ta cũng nhận ược phổ
của tín hiệu và từ ó cũng xác ịnh ược các thông số khác của tín hiệu như năng lượng phổ, dải tần...
Tóm lại ta có thể biểu diễn tín hiệu theo thời gian hay theo tần số trên màng hình
phẳng. Đo lường bằng phương pháp quan sát dạng tín hiệu như vậy có nhiều hiệu quả, ta
có thể xác ịnh ịnh tính tín hiệu một cách nhanh chóng, phân biệt ược loại tín hiệu và có thể
ịnh lượng chính xác các ại lượng cần o của tín hiệu. Thiết bị quan sát dạng sóng tín hiệu
thường ược sử dụng rất phổ biến trong kỹ thuật o.
Thiết bị trực tiếp dùng ể nghiên cứu dạng của tín hiệu là Ô-xi-lô, còn gọi là máy hiện
sóng (oscillocope) hay thực tế thường gọi theo phiên âm tiếng nước ngoài là ô-xi-lô. Ô-xi-
lô thực hiện vẽ dao ộng ồ của tín hiệu trên màn hình.
4.1.2 Các ưu iểm và khả năng ứng dụng của ô-xi-lô.
Ô-xi-lô là loại thiết bị o a năng: ngoài việc cho phép quan sát dạng tín hiệu, còn có
thể o ược hầu hết các thông số của các loại tín hiệu iện. Ngoài ra còn có thể ghi lại ược trên
phim ảnh các giá trị tức thời của các tín hiệu iện biến ổi có chu kỳ hay phi chu kỳ.
Ô-xi-lô là loại máy o có nhiều tính năng tốt như: trở kháng vào lớn; ộ nhạy cao ( o
ược iện áp từ vài V tới hàng trục kV); quán tính ít, dải tần rộng (từ 0 Hz tới vài trục GHz),
màn chỉ thị (có thể dùng ống tia iện tử) khá sắc nét và màn hình rộng (từ 70150mm) máy
càng lớn chất lượng càng cao thì màn sáng hiện thị càng lớn....
Ô-xi-lô ược sử dụng rất rộng rãi và là một trong những dụng cụ o quan trọng nhất
trong quá trình kiểm tra mạch và thiết bị iện tử, chủ yếu ược dùng ể quan sát dạng tín hiệu
thay ổi theo thời gian ở ầu vào/ra, hay các vị trí khác nhau trong mạch, bên cạnh ó nó còn
cho phép o các tham số của tín hiệu như: Các trị số iện áp, chu kỳ, tần số, góc lệch pha, ộ
méo dạng, hệ số iều chế,... Ngoài ra khi kết hợp với một số thiết bị chuyển ổi dạng năng lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
lượng thì Ô-xi-lô có thể o lường ược nhiều dạng ại lượng vật lý biến ổi khác nhau như
trong cơ học, trong sinh học, trong y học...
Bên cạnh ó khi kết hợp với một số thiết bị phụ trợ khác thì Ô-xi-lô có thể trở thành
máy o các thông số của mạch iện tử. (Ví dụ vẽ ặc tuyến biên ộ tần số của mạch...).
Tóm lại Ô-xi-lô là một thiết bị o vạn năng không những ược dùng khá rộng rãi trong
lĩnh vực Điện tử - Viễn thông mà còn ược dùng nhiều trong các ngành công nghiệp khác nữa.
4.1.3 Phân loại ô-xi-lô.
Có nhiều cách phân loại ô-xi-lô khác nhau tuỳ theo ứng dụng và cấu tạo...
Phân loại theo chế ộ ồng bộ:
• Ô-xi-lô không ồng bộ dùng ể quan sát những tín hiệu phi chu kỳ.
• Ô-xi-lô ồng bộ dùng ể quan sát tín hiệu có chu kỳ.
Phân loại theo dải tần làm việc:
• Ô-xi-lô tần số thấp. • Ô-xi-lô tần số cao,
• Ô-xi-lô tần số siêu cao.
Phân loại theo cấu tạo: • Ô-xi-lô 1 kênh. • Ô-xi-lô 2 kênh.
• Ô-xi-lô hỗn hợp (2 kênh tương tự +16 kênh tín hiệu số)).
Ô-xi-lô có nhớ kiểu tương tự hay kiểu số.
Ô-xi-lô xung ể quan sát tín hiệu có khoảng thời gian tồn tại ngắn.
4.2 Ô-XI-LÔ TƯƠNG TỰ
4.2.1 Sơ ồ khối và nguyên lý làm việc của ô-xi-lô tương tự 1 kênh.
Như ã xét ở trên, có rất nhiều loại ô-xi-lô khác nhau: ô-xi-lô số, ô-xi-lô tương tự, ô-
xi-lô 1 tia hay 2 tia... nhưng sau ây ta chỉ xét chi tiết cấu tạo và nguyên lý hoạt ộng của ô- xi-lô tương tự 1 tia. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
a. Cấu trúc chung của Ô-xi-lô tương tự dùng CRT Probe: Dây o
Trigger System: Khối kích khởi ( ồng bộ)
Vertical System: Kênh lệch ứng Y
Horizontal System: Kênh lệch ngang X
Attenuator: Bộ phân áp
Sweep Generator: Bộ tạo iện áp quét
Vertical Amplifier:Khuếch ại lệch Horizontal Amplifier: Khuếch ại lệch ứng Y ngang
Display System: Kênh iều chỉnh ộ sáng Z Hình
4.2 - Cấu trúc chung của Ô-xi-lô tương tự 1 kênh
Cấu trúc chung của Ô-xi-lô tương tự 1 kênh dùng CRT gồm:
+ CRT: Màn chỉ thị ống tia iện tử khống chế bằng iện trường. Có nhiệm vụ hiển thị
dạng sóng trên màn hình. Đây bộ phận trung tâm của Ô-xi-lô. Và là ối tượng iều khiển chính trong ô-xi-lô.
Về cấu tạo ống tia iện tử là một ống chân không vỏ thuỷ tinh, bên trong có chứa các
iện cực. Đầu ống hình trụ có chứa súng iện tử và 2 cặp phiến làm lệch. Đầu cuối ống loe
to hình nón cụt, áy ống là màn huỳnh quang có tác dụng phát sáng khi có tia e- ập vào. Ống
iện tử có nhiệm vụ tạo ra tia e- xuất phát từ Catot ến màn hình tạo ra vệt sáng có dạng phụ
thuộc vào quy luật của tín hiệu ưa ến các phiến làm lệch Y1Y2 và X1X2 của ống tia. Các
khối khác của Ô-xi-lô Điện áp iều khiển cặp lái ứng UY1Y2 và cặp lái ngang UX1X2. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
+ Kênh lệch ứng Y (Vertical System): Có nhiệm vụ nhận tín hiệu cần quan sát Uth
ược ưa vào từ dây o (Probe) thực hiện các chức năng biến ổi tín hiệu và tạo ra tín hiệu phù
hợp (dạng iện áp ối xứng) ưa tới cặp lái ứng Y1Y2 của CRT.
+ Khối ồng bộ (Triger System): hay còn ược gọi là Khối kích khởi, có nhiệm vụ
nhận tín hiệu ồng bộ (tín hiệu kích khởi) Ub tạo ra xung ồng bộ Ux b ể iều khiển kênh lêch ngang X.
+ Kênh lệch ngang X (Horizontal System): Tạo ra iện áp quét răng cưa hay nhận
tín hiệu quét từ bên ngoài (qua ầu vào Ext) ể tạo ra iện áp quét ngang ưa tới cặp lái ngang X1X2 của CRT.
Tùy theo dạng iện áp quét mà hình ảnh sáng trên CRT có dạng khác nhau:
+ Nếu Uq là iện áp răng cưa tuyến tính thì dao ộng ồ là dạng tín hiệu theo thời gian.
+ Uq giống dạng tín hiệu vào thì dao ộng ồ là các hình ảnh phức tạp dạng cánh hoa,...
ược gọi là dao ộng ồ Lissajous. b. Nguyên lý và các phương pháp quét
Đưa iện áp của tín hiệu cần nghiên cứu lên cặp phiến lệch Y, và iện áp quét răng cưa
lên cặp phiến lệch X. Do tác dụng ồng thời của cả hai iện trường lên 2 cặp phiến mà tia iện
tử dịch chuyển cả theo phương trục X và Y. Quỹ ạo của tia iện tử dịch chuyển trên màn sẽ
vạch nên hình dáng của iện áp nghiên cứu biến thiên theo thời gian. Nếu iện áp quét là hàm
liên tục theo thời gian thì ược gọi là quét liên tục, nếu iện áp quét là hàm gián oạn theo thời
gian thì ược gọi là quét ợi.
b.1. Nguyên lý quét tuyến tính liên tục
Điện áp quét tuyến tính liên tục có tác dụng lái tia iện tử dịch chuyển lặp i lặp lại 1
cách liên tục theo phương ngang tỷ lệ bậc nhất với thời gian. Để quét tuyến tính liên tục
cần phải dùng iện áp biến ổi tuyến tính liên tục (tăng tuyến tính hay giảm tuyến tính). Giả sử:
+ Uth Um sin .t ưa vào kênh Y và ưa tới cặp lái ứng Y1Y2
+ Uq at. ưa tới cặp lái ngang X1X2 -> iện áp trên các cặp lái tia như sau:
Uy Uy y1 2 UthSy Ux Ux x1 2 UqSx Trong ó: S S
+ y Ky oy : ộ nhạy của kênh Y
+ Sx KxSox: ộ nhạy của kênh X
+ KX và KY là hệ số khuyếch ại tổng cộng của kênh Y và X.
Như vậy ộ lệch tia trên màn hình theo chiều chiều ứng và chiều ngang lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô) y U ySoy UthK ySoy
K ySoy.Um sin .t x UxSox UqKxSox KxSox. .at x
y Ym sin .t Ym sin KxS ox.a y Ym sin mx(1)
Ym KySoy.Um Trong ó: m KxSox.a
Biểu thức (1) chính là ồ thị của dao ộng ồ trên màn hình, nó có dạng giống dạngUth
ần quan sát. Như vậy khi iện áp quét ược ưa vào cặp lái ngang X1X2 là iện áp tuyến tính
thì dạng dao ộng ồ trên màn hình chính là dạng tín hiệu cần nghiên cứu theo thời gian.
Minh họa nguyên lý quét tuyến tính như Hình 4.3 Y Y 2 Y 1 Y 7 1 3 X t 0 1 4 8 5 7 6 0 1 X 8 t
Hình 4.3 –Minh họa nguyên lý quét tuyến tính
Nếu t thì tia iện tử vượt quá giới hạn màn hình iện áp quét ược sử dụng phải là
dạng iện áp quét răng cưa tuyến tính. Điện áp quét răng cưa lý tưởng thời gian quyét ngược
ng=0 trường hợp này sẽ không có tia quét ngược. Tuy nhiên trong thực tế lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô) ng#0. Tq
th ng Do tồn tại thời gian quét nguợc nên iểm sáng trên màn hình sẽ chuyển
ngược từ trái qua phải tạo nên 1 ường quét ngược không mong muốn, ể loại trừ thì chọn Tth
>> ng. Để loại trừ hoàn toàn, trong thời gian quét ngược người ta tạo ra 1 xung âm ưa tới cực
iều chế G của CRT ể xoá tia quét ngược ó.
Nếu tần số quét ủ cao, màn huỳnh quang có ộ dư huy ủ mức cần thiết thì khi mới chỉ
có Uq ặt vào cặp phiến X1X2 ã có một ường sáng theo phương ngang. Khi có cả Uth ặt
vào cặp phiến Y và nếu Tq = nTth thì trên màn xuất hiện dao ộng ồ của một hay vài chu kì
của iện áp nghiên cứu (Uth). lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô) U q t th ng T q U G t Xung xóa tia quét ngược
Hình 4.4 –Minh họa nguyên lý tạo ảnh trên màn hình
Để có ảnh quan sát với chất lượng cao cần chọn: ng << th hay Tq th
Điều kiện ồng bộ phải thoả mãn: Tq = nTth
b.2. Nguyên lí quét ợi
Quét ợi là chế ộ quét tuyến tính mà iện áp quét không xuất hiện liên tục, tuần hoàn
mà chỉ xuất hiện khi tín hiệu vào cần quan sát ược ưa tới kênh Y của của Ô-xi-lô ạt ược lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
biên ộ và cực tính nhất ịnh. Chế ộ này thường dung ể quan sát các dạng xung có ộ xốp lớn
(hệ số lấp ầy /T bé), hoặc tín hiệu xung không tuần hoàn. Ví dụ minh họa nguyên lý quét ợi như
Hình 4.5 - Minh họa chế ộ quét ợi
Giả sử tín hiệu xung Uth có hệ số lấp ầy nhỏ <các trường hợp khác nhau của iện áp quét như Hình 4.5.
(a): Uq liên lục và Tq = Tth: xung chỉ xuất hiện trong một thời gian rất bé ( << Tth) nên
rất khó quan sát và o lường ược.
(b): Uq liên lục và Tq : Hình dáng xung ã ược khuếch ại ra, tuy nhiên xung mờ
so với ường nền ở dưới nên cũng khó quan sát và o lường, mặt khác khó thực hiện ồng bộ
nên dao ộng ồ không ổn ịnh, không quan sát ược ầy ủ dạng xung (sườn xung, ỉnh xung,...).
(c): Uq dạng iện áp quét ợi: chỉ có iện áp quét khi có xung, như vậy hình dáng xung
ã ược khuếch ại ra, dễ dàng quan sát hơn, ể quan sát toàn bộ xung nghiên cứu thì nên iều
chỉnh ể q > một chút.
c. Nguyên lý ồng bộ và các phương pháp kích khởi
+ Hiện tượng mất ồng bộ:
Trong các trường hợp khi chúng ta quan sát trên ô-xi-lô ở chế ộ tuyến tính liên tục thì
thấy có xảy ra hiện tượng dao ộng ồ không ứng yên mà có cảm giác như là chuyển ộng trên lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
màn hình, hoặc hình ảnh dao ồng ồ không phản ánh trung thục dạng tín hiệu. Hiện tượng ó
gọi là hiện tượng mất ồng bộ. Để dao ộng ồ ứng yên ta phải thực hiện nguyên lý ồng bộ.
+ Điều kiện ồng bộ:
Để rút ra iều kiện ồng bộ, ta xét dao ộng ồ khi của tín hiệu Uth là dạng iện áp hình sin
trong các trường hợp chu kỳ iện áp quét tuyến tính liên tục khác nhau sau: 3 6 a ( ) T T q th (b) T T (c) 2 q th q TT th 5
Hình 4.6 - Hình ảnh dao ộng ồ với các trường hợp Tq khác nhau 3 (a): Tq
Tth : Hình ảnh dao ộng ồ ứng yên và lặp lại sau 2 chu kỳ iện áp 2
quét, nhưng không phản ánh úng dạng tín hiệu -> Ô-xi-lô mất ồng bộ. 6 (b) Tq
Tth : Ứng với 5 chu kỳ quét liên tiếp dao ộng ồ xuất hiện ở các vị trí 5
khác nhau I, II, III, IV, V, như vậy dao ộng ồ lặp lại sau khoảng thời gian rất lớn, bằng 6
chu kỳ iện áp quét, do ó khi quan sát dao ộng ồ sẽ chuyển ộng trên màn hình -> Ô-xi-lô mất ồng bộ. (c) T T q
th : Qua mỗi chu kỳ quét dao ộng ồ dao ồng ồ xuất hiện trên màn hình trên
một ường duy nhất, như vậy dao ộng ồ quan sát ược ổn ịnh, rõ nét, như vậy Ô-xi-lô ạt iều kiện ồng bộ.
Tóm lại iều kiện ồng bộ ối với chế ộ quét tuyến tính liên tục như sau:
Tq = n.Tth (n: nguyên dương)
Như vậy ể thỏa mãn iền kiện ồng bộ, chu kỳ iện áp quét tuyến tính liên tục phải bằng
số nguyên lần chu kỳ tín hiệu cần quan sát.
Quá trình thiết lập và duy trì iều kiện này là quá trình ồng bộ của Ô-xi-lô. Quá trình này
ược thực hiện theo sơ ồ ồng bộ.
+ Các chế ộ ồng bộ: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
- Đồng bộ trong: tín hiệu ồng bộ lấy từ kênh Y của Ô-XI-LÔ - Đồng bộ ngoài (EXT)
- Đồng bộ iện lưới (LINE)
d. Sơ ồ khối chi tiết của ô-xi-lô tương tự.
Sơ ồ khối iển hình của một Ô-xi-lô tương tự (có ống tia iện tử khống chế bằng iện trường) như Hình 4.7: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
Hình 4.7 – Sơ ồ iển hình của Ô-xi-lô tương tự 1 kênh dùng CRT +
Chức năng các khối trong sơ ồ cấu tạo của ô-xi-lô tương tự.
Màn hình ống tia CRT: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
Kênh lệch ứng y (Kênh tín hiệu):
Có nhiệm vụ biến ổi iện áp tín hiệu cần nghiên cứu phù hợp với ộ lệch tia theo chiều
ứng. Kênh lệch ứng y bao gồm:
+ Khối suy giảm hay bộ phân áp vào có nhiệm vụ phối hợp trở kháng và phân áp tín
hiệu vào ể tăng khả năng o iện áp cao. Thường dùng các khâu phân áp R-C mắc liên tiếp
nhau, hệ số phân áp không phụ thuộc vào tần số. Chuyển mạch của bộ phân áp ược ghi ra
ngoài mặt máy ký hiệu là Volts/Div (Div ộ chia dọc).
Ví dụ sơ ồ tương tương khâu suy giảm R-C như hình vẽ (a): R1 U1 U2 C1 (a) (b)
Hình 4.8 – Chuyển mạch phân áp
Hệ số chia áp của khâu phân áp RC là: H U 1 Z1 Z2 U2 Z2
Trong ó Z1, Z2 là trở kháng tương ương của mỗi khâu phân áp. Z 1
1 j R C R1 1 1 và Z2 1 j R C R2 2 2
Để hệ số phân áp không phụ thuộc tần số, chọn R1C1=R2C2, khi ó: R H R1
2 - không phụ thuộc vào tần số . R2
+ Khối mạch vào và tiền khuếch ại Yy: Tăng Zv của kênh Y (hay chính của ô-xilô) và ể
phối hợp trở kháng vào của kênh Y với trở kháng sóng của cáp dẫn tín hiệu ến.
Tiền khuếch ại Y ể làm tăng ộ nhạy kênh y: (Ktổng=Ktiền KĐy +KKĐ ối xứng) Mạch này còn
tham gia vào dải thông tần của kênh Y. (Mạch vào thường là tầng khuếch ại dùng Dalinhtor lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
mắc CC, JFET, MOSFET, KĐTT mắc vi sai). Triết áp iều chỉnh ưa ra mặt máy ể biến ổi
Ktiền KĐ ể dao ộng ồ biến thiên theo chiều y.
+ Khối dây trễ : thường là chuỗi các phần tử LC dùng khi tín hiệu Uy là dạng xung,
ể tạo trễ giữa xung vào ưa ến phiến làm lệch ứng với iện áp ưa ến phiến lệch ngang ể khi
quan sát tín hiệu không bị mất sườn trước của xung, và sử dụng trong trương hợp quét ợi.
+ Bộ khuếch ại Y ối xứng : khuếch ại làm tăng ộ nhạy chung của kênh y, ồng thời tạo
ra iện áp ối xứng cung cấp cho cặp lái ứng Y1-Y2 ể không làm méo dạng ồ thị dao ộng do
cách cung cấp tín hiệu không ối xứng gây nên.
+ Khối tạo dao ộng có biên ộ chuẩn Upp: tạo ra iện áp chuẩn có dạng biên ộ, tần số biết
trước, dùng ể kiểm chuẩn lại các hệ số lệch tia của Ô-xi-lô. Kênh lệch ngang x.
Có nhiệm vụ tạo ra iện áp quét phù hợp về dạng và ồng bộ về pha so với UY1, Y2 ể cung
cấp cho cặp lái ngang X1X2. Trong kênh lệch ngang gồm có:
+ Trường hợp quét trong thì có : Bộ tạo iện áp quét răng cưa (quét nội ) tăng hay giảm
tuyến tính (có thể là iện áp răng cưa quét liên tục hay quét ợi) .
+ Trường hợp quét ngoài thì cần có :
- Mạch vào và tiền khuếch ại thường là bộ phối hợp trở kháng và suy giảm ể giảm nhỏ
biên ộ iện áp quét ngoài ến mức cần thiết.
+ Bộ khuếch ại ối xứng kênh X ể khuếch ại iện áp quét trong hay quét ngoài ến mức phù
hợp và tạo ra iện áp ối xứng cung cấp cho cặp lái ngang X1X2. Khối ồng bộ
Giải quyết vấn ề pha của tín hiệu cần quan sát Uth với tín hiệu quét ngang Uq, ể ược
dao ộng ồ cố ịnh và trung thực, rõ ràng. Có 3 loại tín hiệu ồng bộ ưa ến chuyển mạch S2:
- Tự ồng bộ ( ồng bộ trong)- S2 tại CH : Lấy một phần tín hiệu Uth cần quan sát từ khối
tiền Khuếch ại Y ưa xuống ồng bộ, trường hợp này dùng ể quan sát tín hiệu Uth tuần hoàn
trong dải tần số thấp, cao. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
- Đồng bộ ngoài – S2 tại EXT: Tín hiệu ồng bộ ược ưa qua ầu vào EXT. Tín hiệu ồng
bộ ngoài ược cho qua bộ ảo cực tính, sau ó tới khuếch ại và tạo dạng xung ồng bộ, tiếp ó qua
bộ tạo xung kích phát quét, xoá, chiếu sáng, và tiếp ó tới bộ tạo quét (liên tục hay ợi) và cuối
cùng ưa tới bộ khuếch ại X ối xứng. Trường hợp này dùng khi quan sát tín hiệu xung có ộ
rộng hẹp, tần số xung lớn.
- Đồng bộ 50 Hz xoay chiều – S2 tại Line : Lấy một phần tín hiệu iện áp xoay chiều
nguồi nuôi 50Hz ưa vào chuyển mạch ồng bộ. Dùng ể quan sát tín hiệu ở phạm vi tần số thấp,
tần số công nghiệp dạng sin...
Kênh khuếch ại z :
Có nhiệm vụ nhận tín hiệu iều chế ộ sáng UZ vào, thực hiện chọn cực tính và khuếch
ại phù hợp rồi ưa tới lưới iều chế G của CRT thay ổi ộ sáng của dao ộng ồ trên màn.
Khối nguồn nuôi :
Đảm bảo cấp nguồn cho toàn bộ máy hiện sóng.
Một số chế ộ làm việc:
- Quét liên tục ồng bộ trong (ngoài): Dùng ể quan sát ảnh của tín hiệu liên tục theo thời
gian và o các tham số của chúng. S2 ở vị trí CH (hoặc EXT nếu là ồng bộ ngoài), S3 ở vị trí
2. Tín hiệu từ lối vào kênh Y, qua Mạch vào và bộ phân áp Y ược khuếch ại tới một mức nhất
ịnh, sau ó ược giữ chậm lại rồi ưa qua Bộ Khuếch ại Y ối xứng ể tạo 2 tín hiệu có biên ộ ủ
lớn, ảo pha nhau ưa tới 2 phiến ứng
- Quét ợi ồng bộ trong: Dùng ể quan sát và o tham số của dãy xung không tuần hoàn
hoặc dãy xung tuần hoàn có ộ hổng lớn. S2 ở vị trí CH, S3 ở vị trí 1. Quá trình hoạt ộng: giống chế ộ 1
- Chế ộ khuếch ại (chế ộ quét lissajous, chế ộ quét Y-X): Dùng ể o tần số, góc lệch pha,
ộ sâu iều chế, vẽ ặc tính Vôn-Ampe của iốt hoặc dùng làm thiết bị so sánh. Hình nhận ược
trên màn Ô-XI-LÔ gọi là hình Lissajous. S3 ở vị trí 3. Bộ tạo quét trong ược ngắt ra khỏi
quá trình hoạt ộng. Ô-XI-LÔ làm việc theo 2 kênh ộc lập X,Y và ầu vào X cũng là ầu vào tín hiệu.
4.2.2 Ô-xi-lô nhiều kênh.
Trong những trường hợp cần so sánh nhiều tín hiệu cần o, ta phải khảo sát hai hay nhiều
quá trình trên một Ô-xi-lô. Vấn ề này ược giải quyết bằng các biện pháp:
- Mỗi quá trình nghiên cứu ược dùng một tia iện tử riêng biệt.
- Chỉ dùng một tia iện tử ể ghi cả hai quá trình nhưng làm cho tia iện tử thay ổi có chu
kỳ ể ghi từ quá trình này sang qúa trình khác.
Phương pháp thứ nhất phải dùng nhiều Ô-xi-lô khác nhau, mỗi Ô-xi-lô nghiên cứu
một quá trình riêng biệt. Cách thực hiện như vậy thì rất tốn kém, vì phải dùng nhiều Ôxi- lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
lô. Hơn nữa, vì ộ nhạy của các ống tia iện tử khác nhau, tỷ lệ xích về thời gian không giống
nhau, nên phương pháp này ít dùng.
Trên thực tế, người ta dùng Ô-xi-lô nhiều tia, mà phổ biến là loại hai tia. Trong các loại
Ô-xi-lô này, ống tia iện tử ược cấu tạo theo hai cách.
- Loại ống tia có ngăn ôi (hoặc nhiều hơn), hệ thống súng iện tử. Những hệ thống này
tạo nên hai tia iện tử (hay nhiều tia) tác dụng lên cùng một màn hình.
- Loại ống có tia iện tử phát ra từ cùng một catốt ra một số tia.
Cả hai loại ống trên ều có khó khăn trong chế tạo là làm sao ể khử bỏ ược tác dụng
ảnh hưởng lẫn nhau của các tia iện tử. Khó khăn này càng lớn khi số tia iện tử càng nhiều.
Vì vậy, thông thường chỉ có loại ống có hai tia. Trong một số quá trình có cùng tần số, có
thể khảo sát ồng thời trên màn của một Ô-xi-lô có ống tia iện tử có một tia. Cách này ược
thực hiện theo biện pháp thứ hai ã nói ở trên; nó ược kèm theo một bộ phận phụ của Ô-xi-
lô nữa là chuyển mạch iện tử.
Chuyển mạch iện tử là thiết bị dùng èn iện tử hoặc èn bán dẫn, ầu vào ược ưa tới cả
hai quá trình iện áp cần nghiên cứu. Đầu ra của nó ưa tới cặp phiến lệch Y (hay bộ khuyếch ại y) của Ô-xi-lô.
Tác dụng của chuyển mạch iện tử là làm cho tia iện tử chuyển ổi thời gian quét ể ghi
quá trình cần nghiên cứu này sang quá trình cần nghiên cứu khác. Sự chuyển mạch trên
ược thực hiện do sự khống chế dao ộng xung vuông ối xứng ược tạo ra từ một bộ a hài.
Điện áp chuyển mạch cần yêu cầu dạng xung của nó gần vuông góc, có như vậy thì sự
chuyển trạng thái mới tức thời, không gây mờ rối dao ộng ồ cần quan sát. Xung iện áp này
cần phải ối xứng, tức thời gian hai khoảng chu kỳ dương và âm phải bằng nhau, có như
vậy thì ộ sáng của hai dao ộng ồ mới bằng nhau. a. Ô-xi-lô 2 kênh dùng CRT 2 tia
Cấu tạo của Ô-xi-lô hai tia ược minh họa như ở Hình 4.9
Hình 4.9 - CRT 2 tia lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
Cấu tạo cơ bản của Ô-xi-lô iện tử hai tia giống như Ô-xi-lô một tia, nhưng ở Ô-xilô
hai tia cần chú ý rằng trong một ống tia iện tử có hai súng phóng tia iện tử riêng biệt, tức
là ngăn ôi hệ thống súng iện tử, ta có hai súng phóng tia iện tử riêng biệt. Mỗi chùm tia iện
tử cho một vết dạng sóng. Mỗi tia iện tử ược súng iện tử tạo ra từ catốt qua các iện cực ến
màn huỳnh quang ược qua các cặp phiến làm lệch riêng của nó (Y11; Y12 và Y21; Y22) ể
lái tia iện tử (1) và (2) theo chiều ứng. Dạng sóng quét răng cưa từ bộ tạo gốc thời gian ưa
vào cặp phiến lệch ngang và cả hai chùm tia iện tử này ược làm lệch ngang màn hình một
cách ồng thời. Ô-xi-lô sử dụng CRT 2 tia có lối vào cặp phiến lệch ứng tách biệt hoàn toàn,
kênh A và kênh B. Mỗi kênh ều có các mạch khuếch ại làm lệch riêng biệt của nó ể tới một
cặp phiến làm lệch ứng. Bộ tạo gốc thời gian iều khiển một bộ duy nhất các tấm lái tia ngang.
b. Ô-xi-lô 2 kênh dùng CRT 1 tia kết hợp chuyển mạch iện tử
Hình 4.10 - Hình ảnh của Ô-xi-lô tương tự 2 kênh dùng CRT 1 tia
Sơ ồ nguyên lý của Ô-xi-lô 2 kênh dùng CRT 1 tia kết hợp chuyển mạch iện tử như
Hình 4.11. Trong ó hai tín hiệu cần quan sát (U1(t), U2(t)) sẽ ược ưa vào 2 kênh lệch ứng
riêng biệt giống nhau rồi ưa tới chuyển mạch iện tử. Chuyển mạch iện tử sẽ ược iều khiển
ể tại 1 thời iểm chỉ có 1 tín hiệu qua nó và ưa tới khuyếch ại Y ối xứng ể ưa tới cặp lái ứng
Y1Y2 và tín hiệu ó sẽ ược hiển thị trên màn hình.Hai tín hiệu sẽ ược lần lượt hiển thị trên
màn hình theo 2 chế ộ quét: quét tuần tự và quét xen kẽ.
+Chế ộ quét tuần tự (Alt Mode): Nguyên lý: lần lượt qua mỗi chu kỳ quét, các tín
hiệu U1(t) (giả sử là dạng iện áp hình sin) và U2(t) (giả sử là dạng iện áp tam giác) ược ưa
qua chuyển mạch iện tử và ưa qua khuếch ại Y ối xứng ể lần lượt hiển thị trên màn hình.
Giả sử trong các chu kỳ quét lẻ U1 ượng hiển thị còn trong các chu kỳ quét chẵn U2 ược
hiển thị. Minh họa chế ộ quét tuần tự như Error! Reference source not found.. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
Ưu iểm của chế ộ quét tuần tự là tốc ộ chuyển mạch không cần lớn, rất phù hợp ể
quan sát nhưng tín hiệu có tần số cao, nhược iểm iểm là khi tần số tín hiệu quan sát nhỏ,
Tq lớn dao ộng ồ quan sát không ổn ịnh
Hình 4.11 - Sơ ồ nguyên lý ô-xi-lô 2 kênh
+ Chế ộ quét xen kẽ (Chop Mode): Trong 1 chu kỳ Tq, người ta chia làm nhiều
khoảng thời gian bằng nhau . Lần lượt qua mỗi khoảng thời gian này các tín hiệu U1, U2
ược ưa qua chuyển mạch iện tử và ưa tới k/ ại Y ối xứng ể hiển thị lên màn hình. Giả sử
trong khoảng thời gian lẻ U1 ược hiển thị, trong khoảng thời gian chẵn U2 ược hiển thị.
Như vậy, trong 1 chu kỳ Tq, cả 2 tín hiệu ều ược hiển thị trên màn hình ưới dạng các oạn
sáng ứt nét xuất hiện xen kẽ nhau. Tuy nhiên những chỗ ứt nét ở dạng sóng ã tạo ra ngắn
tới mức không thể nhận ra chúng khi tần số chuyển mạch là cao. Khi tín hiệu nghiên cứu
ở tần số thấp thì tín hiệu hiện hình trên màn máy xem sóng gần như liên tục. Khi tín hiệu
nghiên cứu ở tần số cao, thực hiện không ồng bộ (chọn Tq ) thì oạn ngắt bị lấp do ộ dư
huy của ống và ộ lưu ảnh của mắt. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
Để khắc phục nhược iểm này của kiểu luân phiên ối với tần số thấp ta sử dụng chuyển
mạch ngắt quãng. Bởi vì những chỗ ứt quãng trong từng vết ngắn tới mức không thể nhìn
thấy ược, khiến cả hai dạng sóng tín hiệu ều ược hiện hình một cách liên tục, dễ dàng cho việc quan sát so sánh.
Ưu iểm của chế ộ quét xen kẽ là dao ộng ồ ổn ịnh khi quan sát những tín hiệu có tần
số nhỏ, nhưng nhược iểm là tốc ộ chuyển mạch làm việc phải lớn, do ó không phù hợp khi
quan sát những tín hiệu có tần số lớn. U 1
Chế ộ quét tuần tự ( Alt ) Chế ộ quét xen kẽ ( Chop ) t U U 1 1 U 2 t U 2 U 2 U q t
Hình 4.12 - Minh họa các chế ộ quét
4.3 ĐÂY ĐO DÙNG CHO Ô-XI-LÔ
Dây o (Probe) ược sử dụng ể ưa các tín hiệu vào máy o nói chung hay Ô-xilô nói
riêng. Dây o thường ược cấu tạo gồm ầu dò (thường là ầu móc vào iểm o trong mạch), các
phân tiền xử lý (phân áp, hoặc khuếch ại,…), cáp dẫn ồng trục, và connector chuẩn BNC.
Dây o cũng có vai trò quan trọng và ảnh hưởng lớn ến sai số của phép ó. Có 2 dạng dây o chính: + Dây o thụ ộng. + Dây o tích cực.
4.3.1 Đây o thụ ộng trở kháng cao lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
Hình 4.13 - Hình ảnh của dây o thụ ộng
Dây o thụ ộng trở kháng cao thường có 2 chế ộ làm việc: Không suy giảm (vị trị x1)
và có suy giảm (vị trí x10 – làm suy giảm tín hiệu vào 10 lần). Sơ ồ tương tương của dây
o loại này trong các trường hợp như Hình 4.14.
(a) Dây o không suy giảm (vị trí x1)
(b)- Dây o có suy giảm (vi trí x10)
Hình 4.14 - Sơ ồ tương tương dây o thụ ộng có khâu suy giảm (x1|x10)
Sơ ồ tương ương của dây o thụ ộng có suy giảm x10 có cấu trúc như 2 khâu phân áp
(xem Hình 4.14-(c)). Hệ số phân áp ược xác ịnh như sau: H U i Z1 Z2 Uth Z2
Nếu chọn R1.C1=Ri.C2 thì: H R1 Ri 10 => R1=9.Ri Ri 1 lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
4.3.2 Dây o tích cực
Dây o tích cực thường ược tích hợp thêm các bộ khuếch ại tín hiệu, hay bộ biến dòng
vào ầu o iện áp. Các dạng dây o dòng như Hình 4.15 và Hình 4.16. Đầu vào máy hiện sóng i u R V in R in R in 50
Hình 4.15 – Dây o dòng dùng iện trở Shun
Một bộ chuyển ổi tạo ra iện thế ầu vào tỷ lệ với dòng trong mạch iện sử dụng thì ược
gọi là "Đầu dò dòng iện". Một iện trở và một ầu dò iện thế 1:1 như Hình 4.15 và chúng là
phương thức sử dụng ở trạng thái chắc chắn. Tuy thế việc xen iện trở vào mạch iện sử dụng
có một vài bất lợi. Sự tạo ra sụt áp ủ lớn trước iện trở tương ứng trong Ô-xi-lô sẽ có bất lợi
ảnh hởng ến sự vận hành mạch iện và phải kết nối ầu ra ất của máy dò tới mạch iện ở iểm
dòng iện ược giám sát. Sử dụng ầu dò vi sai sẽ cho phép o dòng vào và ra của nút mà nó không ược nối ất.
Đầu dò dòng iện thực hiện ược nếu sử dụng biến áp có hiệu quả, cho iện trở nhỏ vào
mạch iện sử dụng Hình 4.16, ặt úng vào ầu dò một biến áp có cuộn dây thứ cấp ns vòng
cáp iều khiển ầu dò 50 mà ầu cuối ví dụ iện trở 50 nối tới ầu vào Ô-xi-lô. Dòng iện ược
o trong mạch sử dụng ược dẫn qua cuộn dây sơ cấp 1 vòng, khi nó phụ thuộc vào biến áp,
phương pháp này không ược o dòng iện DC, i, e... nó bị ghép AC. Phương trình cho biến
áp ược trình bày rõ ràng như sau: (1) is = iu/ns
(2) Độ nhạy của ầu dò là Rin/ns V/A.
(3) Điện trở của cuộn sơ cấp dĩ nhiên là Rin/ns
Khi biến áp ầu dò dòng iện sử dụng chiều mạch iện trên dây nối trong mạch iện sử dụng, iên trở R 2
in/ns ược biểu diễn thêm vào dây mà ảnh hưởng tải của dòng iện o không thể là cuối cùng.
Đáng tiếc là ầu dò chế tạo thường xuyên gặp tình trạng số các vòng quấn của cuộn
thứ cấp máy biến áp là không rõ ràng, nhưng có thể ưa lại iện trở ầu cuối và ộ nhậy, số
vòng cuộn thứ cấp có thể tính toán dễ dàng. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
Đầu dò dòng iện thực hiện với việc sử dụng "hiệu ứng lớn" hoặc một "bộ tự dao ộng
lớn", lấy tức thời cường ộ qua nam châm trong lõi biến áp phát sinh ra một tín hiệu iện thế,
ược khuếch ại và ưa tới ầu vào Ô-xi-lô. Phương pháp này ể o dòng DC nhưng nó có hạn
chế khi o tín hiệu tần số tương ối thấp.
Đầu dò dòng iện ghép phối hợp với một biến áp và một bộ tạo ộng lớn ưa vào một
khối tích phân và phối hợp các ầu ra ể cung cấp những ặc trưng nhất của hai kiểu ó. Độ
rộng băng o ược có giá trị xấp xỉ 50MHz. Trong kiểu này dò dòng iện biến áp có một oạn
dây ngắn qua lõi biến áp và dây này ược xen vào nhánh của mạch iện sử dụng cần o. Có
kiểu sắp ặt lõi biến áp ưa vào hai phần di chuyển ược song biến áp có thể có phạm vi xung
quanh các vòng dây, nó ược tách rời ầu kia. Tỷ số vòng dây biến áp và ộ nhạy ầu dò có thể
thay ổi bởi hai vòng hoặc nhiều vòng của dây mang dòng iện qua biến áp. Cộng hoặc trừ
dòng iện trong các nhánh khác nhau của mạch iện sử dụng có thể thực hiện bằng sự liên
kết các dòng iện ồng thời qua ầu dò dòng iện, nhưng sẽ có vài phép o cặp chéo giữa các nhánh. Đầu vào máy hiện sóng i s i u V in R in R in 50 n s
Hình 4.16 - Đầu dò biến ổi dòng 4.4 Ô-XI-LÔ SỐ
4.4.1 Khả năng của ôxilô số
Ôxilô iện tử số có các ưu iểm là:
- Duy trì hình ảnh dạng của tín hiệu trên màn hình với khoảng thời gian không hạn chế.
- Tốc ộ ọc có thể thay ổi trong giới hạn rộng.
- Các oạn hình ảnh lưu giữ có thể xem lại ược ở tốc ộ thấp hơn nhiều, tốc ộ quét có thể tới 1cm/1h.
- Tạo ược hình ảnh dao ộng ồ tốt hơn, tương phản hơn loại ôxilô tương tự. - Đơn giản
hơn trong sử dụng, vận hành.
- Có thể truyền trực tiếp số liệu của tín hiệu cần quan sát dưới dạng số, ghép trực tiếp
với máy tính hay ược xử lý trong ôxilô. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
4.4.2 Cấu trúc ô-xi-lô số
Sơ ồ khối cấu tạo của ôxilô (có nhớ) số, ược vẽ cơ bản như Hình 4.17.
Hình 4.17 - Sơ ồ khối nguyên lý cấu tạo Ô-xi-lô số
Khi chuyển mạch S ( ồng trục) có vị trí 1 thì ôxilô làm việc như một ôxilô a năng thông thường.
Khi chuyển mạch S ặt ở vị trí 2 thì ôxilô làm việc là một ôxilô có nhớ số. Điện áp tín
hiệu cần quan sát ược ưa vào ầu vào Y, tới bộ biến ổi tương tự - số ADC. Tại thời iểm ó
(t1), khối iều khiển gửi một lệnh tới ầu vào iều khiển của bộ ADC và khởi ộng quá trình
biến ổi. Kết quả là iện áp tín hiệu ược số hóa, có nghĩa là bộ biến ổi lấy mẫu dạng tín hệu
ở nhiều iểm và biến ổi giá trị tức thời của biên ộ tại mỗi iểm thành giá trị mã nhị phân tỷ
lệ với biên ộ ó. Tại thời iểm kết thúc quá trình biến ổi, bộ ADC gửi tín hiệu kết thúc tới bộ iều khiển.
Mỗi số nhị phân ược chuyển tới bộ nhớ và ược nhớ ở vị trí ô nhớ riêng biệt. Bởi vì
ây là bộ nhớ không linh hoạt (cố ịnh – nonvolatile memory) nên nó có thể lưu trữ lượng
lưu trữ lớn các số nhị phân với bất kỳ ộ dài thời gian nào. Khi cần thiết, một lệnh từ khối
iều khiển có thể làm cho các số nhị phân này ược sắp xếp theo chuỗi lại theo thứ tự ã xác
ịnh và ược ưa tới bộ biến ổi DAC. Bộ biến ổi số - tương tự sẽ biến các giá trị nhị phân lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
thành iện áp tương tự, và iện áp này ược ưa qua bộ khuếch ại Y và tới cặp phiến làm lệch Y của ống tia iện tử.
Do bộ nhớ ược liên tiếp quét nhiều lần trong một giây nên màn hình ược sáng liên tục
và hiện lên dạng sóng là hình vẽ các iểm sáng, biểu thị dạng sóng cần quan sát.
Để ạt ược một ường sáng liên tục, còn có thể có thêm một mạch nội suy (làm mượt) giữa
bộ DAC và bộ khuếch ại Y.
Một iểm hạn chế của ôxilô có nhớ số vừa mô tả trên là dải tần bị hạn chế, do tốc ộ
của bộ biến ổi ADC thấp (thông thường hiện nay, ôxilô có nhớ số có dải tần 1-10 MHz).
Gần ây, các ôxilô có nhớ số có dải tần rộng ược phát triển nhờ có cài ặt
microprocessor, các bộ biến ổi ADC có tốc ộ biến ổi nhanh hơn, kỹ thuật số hóa mới hơn,
cách nội suy và phương pháp thể hiện tín hiệu.
Một loại ôxilô có nhớ khác ược trình bày như Hình 4.18.
Hình 4.18 - - Sơ ồ khối nguyên lý cấu tạo Ô-xi-lô số sử dụng Vi xử lý
Sơ ồ Hình 4.18 khác với sơ ồ Hình 4.18 ở chỗ bộ dao ộng quét thực sự là bộ biến ổi
DAC kênh X, ược iều khiển từ số liệu của Vi xử lý. Đầu ra bộ DAC tạo ra iện áp nhảy bậc,
sao cho sự nhảy bậc thang không khác biệt qúa nhiều so với iện áp bậc thang ược tạo từ bộ dao ộng quét tương tự.
Với ADC loại 10 bit, số bước nhảy là 210=1024. Toàn bộ oạn iện áp ra ược chia thành
1023 bước riêng biệt, và sự lệch ngang của tia iện tử thực tế là tỷ lệ theo thời gian. Tốc ộ
biến ổi DAC và bộ iều khiển quét quyết ịnh tốc ộ quét cực ại. Tốc ộ quét có thể iều chỉnh
ược bằng việc thay ổi số ến ầu vào số của bộ DAC.
Còn tổ hợp các bộ phận phía trên, gồm: ADC, bộ nhớ, và DAC của kênh Y cho phép
khả năng thay ổi trễ của tín hiệu vào hệ thống làm lệch Y trong một giới hạn rộng, ồng thời
nó có thể kết hợp ược với DAC của kênh X, như vậy ảm bảo sự ộng bộ chính xác.
4.5 ỨNG DỤNG ĐO LƯỜNG DÙNG Ô-XI-LÔ
Ô-xi-lô là một loại thiết bị o rất thông dụng và a năng, ngoài chức năng hiển thị dạng
tín hiệu trên màn hình còn cho phép o các tham số của nó. Mỗi loại Ô-xi-lô khác nhau có
cách iều chỉnh khác nhau ể thực hiện phép o, tuy nhiên về cơ bản chúng ều có những lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
nguyên lý o giống nhau. Để hiểu rõ hơn các phép o dùng Ô-xi-lô bài giảng có giới thiệu
một loại Ô-xi-lô tương tự cụ thể và hướng dẫn cách thực hiện phép o theo Ô-xi-lô ó.
+ Giới thiệu về 1 loại ô-xi-lô tương tự 2 kênh dùng CRT 1 tia CRT
- Núm INTENSITY: iều chỉnh ộ sáng của dao ộng ồ trên màn hình.
- Núm FOCUS: iều chỉnh ộ hội tụ của chùm tia iện tử, thay ổi ộ nét của dao ộng ồ.
KÊNH LỆCH ĐỨNG Y (CH1 và CH2)
- Vert. Mode: Thay ổi chế ộ hiển thị
- Chuyển mạch kết nối ầu vào: gồm AC, GND, DC.
• Khi chuyển mạch ặt ở AC: chỉ có thanh phần xoay chiều của tín hiệu ược hiển thi trên màn.
• Khi chuyển mạch ặt ở DC: cả thành phần xoay chiều và 1 chiều của tín hiệu ược hiển thị trên màn.
• Khi chuyển mạch ặt ở GND: tín hiệu GND ược ưa vào lối vào của MHS.
- Núm VOLTS/DIV thay ổ hệ số phân áp của kênh Y.
- VAR: Thay ổi hệ số khuếch ại của mạch tiền KĐ
Chú ý: khi tính biên ộ của tín hiệu dựa vào số ô tương ứng với biên ộ của tín hiệu
cần tính và hệ số volts/div, cần iều chỉnh núm VAR (màu ỏ nằm phía trên núm volts/div
về vị trí chuẩn (CAL) của nó (xoay theo chiều kim ồng hồ về vị trí tận cùng).
- Núm X-Y: ấn nút này ể chuyển sang chế ộ khuếch ại, ảnh trên màn hình là hình
Lixazu. Chú ý: thông thường trong chế ộ này thì chuyển mạch SOURCE lựa chọn tín
hiệu ưa vào kênh X, chuyển mạch VERTICAL MODE lựa chọn tín hiệu ưa vào kênh Y.
- Núm POS↕ ể dịch ảnh trên màn theo chiều dọc. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô) KÊNH LỆCH NGANG X
- Núm Time/Div: thay ổi chu kỳ quét thích hợp.
- VAR SWEEP: Thay ổi liên lục thời gian quét thuận
Chú ý: khi tính chu kỳ của tín hiệu dựa vào số ô trong 1 chu kỳ và hệ số time/div,
cần iều chỉnh núm VARWSEEP về vị trí chuẩn (CAL) của nó (xoay theo chiều kim ồng
hồ về vị trí tận cùng).
- Núm POS←→ Khi chuyển mạch ặt ở ể dịch ảnh trên màn theo chiều ngang.
- Núm HOLD OFF: kết hợp với việc iêu chỉnh chuyển mạch SOURCE ể iều chỉnh ồng bộ.
ĐỒNG BỘ VÀ KÍCH KHỞI
- Núm TRIG LEVEL: Điều chỉnh mức kích khởi
- Chuyển mạch COUPLING: lựa chọn chế ộ kích khởi.
• AUTO: chế ộ kích khởi ộng tự ộng. Tín hiệu quét ược tạo ra khi không có tín hiệu kích
khởi phù hợp và tự ộng trở lại hoạt ộng quét có kích khởi khi có tín hiệu kích khởi phù hợp.
• NORM: chế ộ kích khởi bình thường, tín hiệu quét chỉ ược tạo ra khi có tín hiệu kích khởi phù hợp.
• TV-V: phạm vi băng thông kích khởi là DC-1khz
• TV-H: phạm vi băng thông kích khởi là 1khz-100khz
- Chuyển mạch SOURCE: Nguồn tín hiệu ồng bộ
• CH1: tín hiệu từ kênh CH1 trở thành nguồn kích khởi không quan tâm ến việc lựa chọn
ở chuyển mạch VERTICAL MODE.
• CH2: tín hiệu từ kênh CH2 trở thành nguồn kích khởi.
• Khi CM ở vị trí CH1 hoặc CH2 ta có ồng bộ trong (tự ồng bộ).
• LINE: tín hiệu xoay chiều từ lưới iện dược dùng làm nguồn kích khởi ( ồng bộ với lưới iện, tần số 50Hz).
• EXIT: tín hiệu kích khởi lấy từ ầu nối EXIT TRIG ( ồng bộ ngoài). lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
4.5.1 Đo tham số tín hiệu iện áp L Ô-xi-lô H U(t) + Ch1 - + Ch2 - ( ) a (b)
Hình 4.19 - Đo tham số của tín hiệu iện áp U(t)
Giả sử sử dụng Ô-xi-lô tương tự 2 kênh ể o tham số của tín hiệu iện áp. Đưa tín hiệu
iện áp cần o U(t) (giả sử là dạng iện áp hình sin) vào ầu vào kênh CH1 hoặc CH2 của Ô-
xi-lô. Điều chỉnh Ô-xi-lô ở chế ộ quét trong tuyến tính liên tục và ồng bộ sao cho có ít nhất
một chu kỳ tín hiệu hiển thị trên màn hình với biên ộ ủ lớn và nằm trong giới hạn màn hình
(ví dụ hình ảnh dao ộng ồ như hình Hình 4.19-b). Giả sử các hệ số lệch ứng và ngang của
Ô-xi-lô là: Volts/div = 2mV/div, Time/div=1ms.
+ Đo iện áp ỉnh – ỉnh Upp: Dựa vào dao ộng ồ, xác ịnh ộ lệch theo chiều ứng giữa ỉnh
và ỉnh dưới H(div) như hình vẽ. Upp=H(div) x [Volts/div]
=> Upp= 7 div x (2mV/div) = 14 mV Với U(t) là dạng
iện áp hình sin: =>Biên
ộ Um=Upp/2; giá trị hiệu dụng U pp URMS . 2 2
+ Đo chu kỳ T: Dựa vào dao ộng ồ, xác ịnh ộ lệch theo chiều ngang của 1 chu kỳ tín
hiệu L (div) (ví dụ ộ lệch giữa 2 ỉnh liên tiếp. T=L(div)x[Time/div] => f=1/T
+ Đo thành phần 1 chiều UDC: có thể thực hiện theo 2 cách sau ây:
- Cách 1: Xác ịnh ví trí ường iện áp 0V (GND) bằng cách ưa chuyển mạch (AC-
GND-DC)->GND, sau ó ưa lại chuyển mạch về vị trí DC, thành phần một chiều chính là
khoảng iện áp giữa ường 0V và ường trung bình của dạng iện áp hiển thị trên màn hình ở chế ộ DC. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
- Cách 2: Đưa chuyển mạch (AC-GND-DC)->AC, ánh dấu một ỉnh bất kỳ của dao
ộng ồ, sau ó ưa chuyển mạch về vị trí DC, xác ịnh ộ dịch chuyển của ỉnh ó H(div). H div Volts div( ). /
- Nếu ỉnh dịch chuyển lên trên U DC H div Volts div( ). /
- Nếu ỉnh dịch chuyển xuống dưới
4.5.2 Đo tần số bằng phương pháp Lissajous
Đo chu kỳ hay tần số bằng phương pháp quét tuyến tính có ộ chính xác không cao
nhất là khi tín hiệu có tần số lớn. Mặt khác phương pháp ó bị hạn chế bởi giới hạn của tần
số quét của Ô-xi-lô, o ó với những yêu cầu phép o tần số lớn với yêu cầu ộ chính xác cao
người ta phải chuyển sang o bằng phương pháp Lissajous (phương pháp quét XY, hay
phương pháp khuếch ại).
Bản chất của o tần số bằng phương pháp là phương pháp so sánh tần số của tín hiệu
chưa biết với một tần số chuẩn ã biết có ộ chính xác cao thông qua hình ảnh của dao ộng
ồ Lissajous. Sơ ồ o của phương pháp này như Hình 4.20. Ô-xi-lô + Ch1 - +Ch2 - U fx U fch
(a)- Sơ ồ o (b)- Kết quả o
Hình 4.20 - Đo tần số bằng phương pháp Lissajous
Giả sử ta o bằng Lissajous Ô-xi-lô 2 kênh, ta phải iều chỉnh:
+ Tín hiệu cần o tần số:Ufx Kênh CH1 Kênh Y +
Điện áp chuẩn Ufch Kênh CH2 Kênh X.
+ Điều chỉnh Oxilo làm việc ở chế ộ quét Lissajous (Ufx Y1-Y2; Ufch X1-X2).
• Chọn chuyển mạch X-Y
• Vert.Mode  CH1  UCH1Kênh Y
• Source  CH2  UCH2Kênh X lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
+Điều chỉnh các chuyển mạch Volts/div (CH1 và CH2);POS-Y (CH1);POS-X ể
nhận ược dao ộng ồ Lissajous nằm chính giữa và trong giới hạn màn hình.
+Thay ổi tần số chuẩn fch ể nhận ược dao ộng ồ Lissajous ổn ịnh trên màn hình. Xác ịnh fx:
• Xác ịnh số iểm cắt dao ộng ồ của một cắt tuyến nằm ngang (phương X) bất kỳ : nX
• Xác ịnh số iểm cắt dao ộng ồ của một cắt tuyến thẳng ứng (phương Y) bất kỳ : nY
• Tỷ số giữa tần số của tín hiệu dưa vào kênh X và tần số của tín hiệu ưa vào kênh
Y sẽ lệ nghịch với tỷ số của số iểm cắt dao ộng ồ của cát tuyến theo phương X và phương Y tương ứng: f X nY fY nX
Giả sử kết quả o như Hình 4.20-b, ta có: f x fCH1 fY nX fch fCH2 fX nY n 4 => f X x fch 100. 200MHz nY 2
Phép o tần số bằng phương pháp Lissajous có ộ chính xác bằng với ộ chính xác của tần
số fch, và giới hạn tần số o ược lớn, bằng giới hạn tần số của kênh lệch ứng.
Để việc số iểm cắt dễ dàng, thường iều chỉnh fch sao dao ộng ồ không quá
phức tạp và số iểm cắt dao ông ồ không quá lớn.
4.5.3 Đo góc lệch pha
Giả thiết o ộ di pha của tín hiệu qua 1 mạng 4 cực (M4C) sử dụng Ô-xi-lô 2 kênh.
a. Sử dụng phương pháp quét tuyến tính
Sơ ồ o như Hình 4.21: Điện áp vào hình sin U1(t) ược ưa vào kênh CH1, Điện áp ra
U2(t) ược ưa vào kênh CH2.
+ Điều chỉnh Ô-xi-lô ở chế ộ hiển thị 2 kênh, quét trong tuyến tính liên tục. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
+ Điều chỉnh các hệ số lệch tia và vị trí sao cho nhận ược ít nhất một chu kỳ của các
tín hiệu, biên ộ ủ lớn và nằm trong giới hạn màn hình. Giả sử kết quả hiển thị như Hình 4.22-a. 0 360 t T
Hình 4.21 -
Sơ ồ o ộ di pha của mạng 4 cực
(a)- Đo bằng phương pháp quét tuyến tính (b) – Đo bằng phương pháp Lissajous
Hình 4.22 - Kết quả o góc lệch pha
b. Sử dụng phương pháp quét lissajous
Sơ ồ o như Hình 4.21: Điện áp vào hình sin U1(t) ược ưa vào kênh CH1, Điện áp ra
U2(t) ược ưa vào kênh CH2. Điều chỉnh Ô-xi-lô ở chế ộ quét Lissajous sao cho:
• U1(t) kênh CH1  kênh Y
• U2(t) kênh CH2  kênh X
Điều chỉnh các chuyển mạch như sau:
• Chọn chuyển mạch X-Y (chuyển sang chế ộ quét lissajous)
• Vert.Mode  CH1  UCH1Kênh Y
• Source  CH2  UCH2Kênh X lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
+ Điều chỉnh các hệ số Volts/div (CH1 và CH2), POS-Y (CH1), POS-X ể nhận ược
dao ộng ồ Lissajous nằm chính giữa và trong giới hạn màn hình. Dao ộng ồ sẽ có ường
thẳng hoặc ường Elip hay ường tròn.
+ Xác ịnh gốc trung tâm của dao ộng ồ: ưa các chuyển mạch kết nối ầu vào của cả 2
kênh về vị trí GND, trên màn hình sẽ là 1 iểm sáng, dịch chuyển iểm sáng ó về chính giữa màn hình ( iểm O).
+ Đưa các chuyển mạch kết nối ầu vào về vị trí AC, khi ó sẽ nhận ược dao ộng ồ có dạng
ường thẳng hoặc Elip. Giả sử kết quả là ường Elip như Hình 4.22-b.
+Xác ịnh góc lệch pha: Xác ịnh các khoảng lệch không và cực ại (Y0 và Ym) hoặc (X0 và Xm): Y 0 X 0 sin Ym Xm Y 0 X 0 => arcsin arcsin Ym Xm 0 0 0 0 90 0 90 180 0 180 0 90
Hình 4.23 – Các cách tính góc lệch pha
Tuỳ theo từng dạng dao ộng ồ mà cách ịnh giá trị
khác nhau. Phương pháp này
không xác ịnh ược dấu của góc lệch pha. Muốn xác ịnh ược dấu của hay muốn biết tín
hiệu nào sớm pha hay chậm pha hơn, ta sẽ chuyển sang quan sát rất nhanh ở chế ộ quét
tuyết tính. Các tính góc lệch pha theo dạng dao ồng ồ như Hình 4.23. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
4.5.4 . Vẽ ặc tuyến Vôn - Ampe của iốt Ô-xi-lô + Ch1 - +Ch2 -
Hình 4.24 – Sơ ồ mạch vẽ ặc tuyến Vôn - Ampe của Điốt
(a) – Đặc tuyến của Điốt chỉnh lưu (b)- Đặc tuyến của Điốt ổn áp
Hình 4.25 – Kết quả o
Sơ ồ o mạch o ể vẽ ặc tuyến Vôn-Ampe của Điốt như Hình 4.24. + Chọn R1=100 hoặc 1k .
+ Điều chỉnh máy tạo sóng phát ra xung tam giác, iều chỉnh biên ộ xung (khoảng
10V) và mức iện áp một chiều của xung (phím OFFSET) bằng 0V, tần số của xung khoảng 200-500 Hz.
+ Điện áp UR ược ưa vào kênh CH1, Điện áp ra –UD ược ưa vào kênh CH2.
+ Điều chỉnh Ô-xi-lô ở chế ộ quét Lissajous sao cho:
• UR kênh CH1  kênh Y
• -UD kênh CH2  kênh X
Điều chỉnh các chuyển mạch như sau:
• Chọn chuyển mạch X-Y (chuyển sang chế ộ quét lissajous)
• Vert.Mode  CH1  UCH1Kênh Y
• Source  CH2  UCH2Kênh X lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
+ Điều chỉnh các hệ số Volts/div (CH1 và CH2), POS-Y (CH1), POS-X ể nhận ược
dao ộng ồ Lissajous nằm chính giữa và trong giới hạn màn hình. Dao ộng ồ sẽ có ường
thẳng hoặc ường Elip hay ường tròn.
+ Xác ịnh gốc trung tâm của dao ộng ồ: ưa các chuyển mạch kết nối ầu vào
AC_GND_DC của cả 2 kênh về vị trí GND, trên màn hình sẽ là 1 iểm sáng, dịch chuyển
iểm sáng ó về chính giữa màn hình - iểm (0,0).
+ Đưa các chuyển mạch kết nối ầu vào AC_GND_DC của cả 2 kênh về vị trí DC,
khi ó sẽ nhận ược dao ộng ồ chính là dạng ặc tuyến Vôn-Ampe của Điốt. Giả sử kết quả là
Hình 4.25. Từ dạng ặc tuyến xác ịnh loại Điốt chỉnh lưu hay Điốt ổn áp.
+ Vẽ hoặc chụp ảnh lại dạng ặc tuyến. Dựa vào ặc tuyến xác ịnh ược iện áp thông UT
của iôt và iện áp ánh thủng UBr của Điốt ổn áp ( ó chính là iện áp ổn áp của loại Điốt này).
4.5.5. Vẽ ặc tuyến ra của BJT
Mắc mạch o ể vẽ ặc tuyến ra của BJT như Error! Reference source not found.-a.
(a)- Sơ ồ o (b)- Kết quả o
Hình 4.26 - Vẽ ặc tuyến ra của BJT + Chọn Rc=100 hoặc 1k .
+ Điều chỉnh máy tạo sóng phát ra xung tam giác, iều chỉnh biên ộ xung (khoảng
20V) và mức iện áp một chiều của xung (phím OFFSET) bằng 0V, tần số của xung khoảng 200-500 Hz.
+ Điện áp URc ược ưa vào kênh CH1, Điện áp ra –UCE ược ưa vào kênh CH2.
+ Điều chỉnh Ô-xi-lô ở chế ộ quét Lissajous sao cho: • URc kênh CH1  kênh Y • -UCE kênh CH2  kênh X
Điều chỉnh các chuyển mạch như sau: •
Chọn chuyển mạch X-Y (chuyển sang chế ộ quét lissajous) Vert.Mode  CH1  UCH1Kênh Y lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô) •
Source  CH2  UCH2Kênh X
+ Điều chỉnh các hệ số Volts/div (CH1 và CH2), POS-Y (CH1), POS-X ể nhận ược
dao ộng ồ Lissajous nằm chính giữa và trong giới hạn màn hình. Dao ộng ồ sẽ có ường
thẳng hoặc ường Elip hay ường tròn.
+ Xác ịnh gốc trung tâm của dao ộng ồ: ưa các chuyển mạch kết nối ầu vào
AC_GND_DC của cả 2 kênh về vị trí GND, trên màn hình sẽ là 1 iểm sáng, dịch chuyển
iểm sáng ó về chính giữa màn hình - iểm (0,0).
+ Đưa các chuyển mạch kết nối ầu vào AC_GND_DC của cả 2 kênh về vị trí DC,
khi ó sẽ nhận ược dao ộng ồ chính là dạng ặc tuyến ra của BJT. Giả sử kết quả là Error!
Reference source not found.-b.
+ Thay ổi biến trở VR ể vẽ ặc tuyến ra ứng với các giá trị dòng IB khác nhau.
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
1. Nêu các tính năng cơ bản của ôxilô?
2. Độ nhạy (hệ số lái tia theo chiều dọc) của một MHS là 20mV/cm cho ta biết iều gì?
3. Độ nhạy (hệ số lái tia theo chiều dọc) của một MHS là 500mm/V cho ta biết iều gì?
4. Có nhận xét gì khi quan sát dao ộng ồ trên màn MHS nếu có T q nTth (n nguyên dương)?
5. Khi MHS làm việc ở chế ộ khuếch ại, bộ tạo quét trong hoạt ộng ở chế ộ quét liên tục hay quét ợi?
6. Ở MHS 2 kênh dùng ống tia iện tử 1 tia và chuyển mạch iện tử thì khi cần quan
sát tín hiệu cao tần ta nên dùng chuyển mạch iện tử kiểu ngắt quãng hay chuyển
mạch iện tử kiểu luân phiên?
7. Các yêu cầu ể ảnh quan sát có chất lượng cao?
8. Khi nào thì quét ợi ược sử dụng? Nêu vắn tắt khái niệm quét ợi?
9. Khi quan sát tín hiệu trên MHS ôi khi ảnh bị trôi, nháy là do nguyên nhân gì? Cách khắc phục?
10. Có nhận xét gì khi quan sát dao ộng ồ trên màn MHS nếu có T a q Tth b (a,b nguyên dương)
11. Trong MHS, kênh Z có nhiệm vụ gì?
12. Trong MHS, kênh Y có nhiệm vụ gì? lOMoARcPSD| 36067889
Chương 4 – Máy hiện sóng (Ô-xi-lô)
13. Trong MHS, kênh X có nhiệm vụ gì?
14. Nêu các chế ộ ồng bộ ở MHS?
15. Vẽ sơ ồ khối kênh Y và trình bày nhiệm vụ kênh Y, chức năng của các thành
phần cấu tạo nên kênh Y?
16. Vẽ sơ ồ khối kênh X và trình bày nhiệm vụ kênh X, chức năng của các thành
phần cấu tạo nên kênh X?
17. Nêu tên 3 bộ phận cơ bản cấu tạo nên ống tia iện tử?
18. Nêu nhiệm vụ và cấu tạo của súng iện tử trong ống tia iện tử?
19. Nêu một số ưu iểm của ôxilô iện tử số?
20. Cấu tạo và hoạt ộng của ôxilô iện tử số? lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
CHƯƠNG 5 – CÁC PHÉP ĐO ĐIỆN CƠ BẢN
5.1 GIỚI THIỆU CHUNG
Đo iện áp, o cường ộ dòng iện, o iện trở là những phép o cơ bản ược sử dụng nhiều
không chỉ trong kỹ thuật mà trong cả cuộc sống hàng ngày. Các tham số này có thể ược o
trực tiếp, gián tiếp và so sánh.
Phương pháp o trực tiếp: dùng các dụng cụ o tương ứng như Vôn mét ( ể o iện áp),
Ampe mét ( ể o dòng iện), Ôm mét ( ể o iện trở), kết quả ọc trực tiếp trên dụng cụ o. Dụng
cụ o ơn chức năng ược chế tạo tương ứng với mỗi ại lượng, tên của dụng cụ o thường ược
ạt theo tên của ơn vị o của ại lương o. Hiện nay ể tối ưu việc o cũng như tăng ộ chính xác
cũng như giới hạn o mà người ta có ta chế tạo những dụng cụ o ơn chức năng như vậy ví
dụ; picoampe mét, Megaohm mét, Microohm mét…
Phương pháp gián tiếp: Theo ịnh luật ôm U=I.R, như vậy có thể thực hiện o gián tiếp
các 3 ại lượng iện áp, dòng iện, iện trở thông qua o giá trị của một ại lượng kia trên một ại
lượng mẫu và áp dụng công thức tính toán ể xác ịnh ại lượng cần o còn lại. Ví dụ o dòng
trên một iện trở mẫu sẽ xác ịnh ược iện áp ặt trên iện trở Ucần o=Io ược.Rmẫu. Nhờ tính chất
này mà hiện nay người ta thường chế tạo các loại dụng cụ o vạn năng cho phép o ược cả 3
ại lượng cơ bản nói trên (Multimeters).
Phương pháp so sánh: Đo iện áp, dòng iện, iện trở bằng cách so sánh với iện áp, dòng
iện, iện trở mẫu tương ứng thông qua các thiết bị so sánh. Ở trạng thái cân bằng, ại lượng
cần o thường bằng với ại lượng mẫu.
Có nhiều phương pháp o iện áp, dòng iện, iện trở khác nhau, phần này sẽ trình bày
tổng quan về các phương pháp và kỹ thuật o iện áp, dòng iện, iện trở.
5.2 ĐO DÒNG ĐIỆN
Phép o dòng iện có phạm vi o rộng (từ vài pA ến và vài MA), dải tần rộng (từ o dòng
1 chiều ến o dòng xoay chiều tần số tới hàng GHz). Tùy phạm vi o và dải tần o lại sử dụng
các phương pháp o khác nhau. Tuy nhiên trong thực tế phép o dòng iện thường chỉ ược
thực hiện ở dải tần tới hàng trăm MHz, còn ở dải tần số siêu cao người ta thường o công suất.
Dụng cụ o dòng iện ược gọi là Ampe mét (Ampe kế), với ồng hồ vạn năng khi ể chức
năng o dòng thì cũng ược gọi là Ampe mét. Ký hiệu của Ampe mét trong sơ ồ là một vòng
tròn có chữ A ở giữa và có thể thêm ký hiệu các cực dương và âm hai bên cho dòng iện một chiều: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản A
Có 2 dạng Ampe mét khác nhau: Ampe mét can thiệp và Ampe mét không can thiệp.
5.2.1 Ampe mét can thiệp
Khi o dòng iện chạy trong một dây iện Ampe mét phải ược mắc nối tiếp với dây iện,
nó sẽ tiêu thụ một hiệu iện thế nhỏ nối tiếp trong mạch iện.
Để giảm ảnh hưởng ến mạch iện cần o, hiệu iện thế tiêu thụ trong mạch của ampe kế
phải càng nhỏ càng tốt. Điều này nghĩa là trở kháng tương ương của ampe mét trong mạch
iện phải rất nhỏ so với iện trở của mạch.
Khi mắc ampe mét vào mạch iện một chiều, chú ý nối các cực iện theo úng chiều
dòng iện. Luôn chọn thang o phù hợp trước khi o: chọn thang lớn nhất trước, rồi hạ dần
cho ến khi thu ược kết quả nằm trong thang o.
Mỗi Ampe mét ều có trong kháng trong, khi do dòng một chiều và xoay chiều tần số
thấp, có thể coi trở kháng của ampe mét là thuần trở Ra (Hình 5.1-b). Nhưng tần số cao trở
kháng tương ương của ampe mét còn cần phải tính ến các các thành phần iện dung và iện
cảm ký sinh, sơ ồ tương ương như Hình 5.1-a (trong ó: La- iện cảm của cuộn dây, Ca- iện
dung giữa 2 ầu ampe mét, Cd- iện dung giữa 2 ầu ampe mét với ất). Ca La Ra Cd Cd Z n Zt E n Ra A (a) (b) (c)
Hình 5.1 - Trở kháng tương ương của ampe mét.
Để giảm sai số do iện dung ký sinh ở tần số cao người ta mắc ampe mét vào vị trí
nào có iện thế thấp nhất so với ất. Ví dụ như cách mắc ở Hình 5.1-c, trong ó Zn – trở kháng
của nguồn, Zt – trở kháng phụ tải. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
Khi mắc ampe mét vào mạch o bao giờ cũng làm cho dòng iện qua mạch thay
ổi so với giá trị thực Ix I x En Zn Zt
Sau khi mắc ampe mét vào mạch dòng iện mà ampe mét chỉ thị là: I o EZtn Z A Zn
Sai số tương ối do ảnh hưởng của trở kháng trong ampe mét ược xác ịnh như sau: I I 1 x o I Ix .100 1 Zt Z0 .100 % Zn Za
Để giảm nhỏ sai số tương ối cần chọn ampe mét có trở kháng trong nhỏ.
Để mở rộng thang o dòng iện cho ampe mét ở mạch một chiều và tần số thấp người
ta mắc ampe mét song song với iện trở Shunt với tác dụng phân chia dòng iện. Ở tần số
cao do ảnh hưởng của hiệu ứng bề mặt, Shunt iện trở ược thay bằng Shunt iện cảm, Shunt
iện dung hay biến dòng o lường cao tần.
Các phương pháp cơ bản do dòng iện theo kiểu can thiệp như sau:
- Đo dòng iện dùng cơ cấu o từ iện
- Do dòng bằng phương pháp nhiệt iện
- Đo dòng bằng phương pháp quang iện, …
a. Đo dòng iện dùng cơ cấu o từ iện
a.1 Đo dòng iện một chiều DC dùng cơ cấu từ iện
Cơ cấu o từ iện làm việc với dòng một chiều, nhưng dòng toàn thang Itt khá nhỏ, do
ó phải mở rộng thang o cho phù hợp bằng cách mắc CCĐ song song với iện trở Shunt Rs. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
(a) – Sơ ồ một thang o (b) – Sơ ồ nhiều thang o kiểu Shunt Ayrton
Hình 5.2 – Sơ ồ thang o dòng một chiều dùng CCĐ từ iện
Sơ ồ thang o dòng một chiều dùng CCĐ từ iện như Hình 5.2-a. Dòng iện o: Ix = Im + Is
Dòng iện o ược lớn nhất của thang o là Imax. Khi Ix = Imax thì Im=Itt, dó ó iện trở Shunt ược xác ịnh như sau: R x s
nR m1 , với n ImaItt - hệ số mở rộng thang o.
Với Ampe mét có nhiều thang o thì dùng nhiều iện trở Shunt, thông thương các iện
trở Shunt ược mắc nối tiếp theo kiểu Shunt Ayrton như Hình 5.2-b với 3 thang o là I1, I2,
I3, hệ số mở rộng của mỗi thang o là nk (k=1,2,3). R Sk
nRk mk 1 , với nk IIttk
+ Thang o I1: Rs1=R1, Rm1=Rm+R2+R3. +
Thang o I2: Rs2=R1+R2, Rm2=Rm+R3.
+ Thang o I3: Rs3=R1+R2+R3, Rm3=Rm.
a.2 Đo dòng iện xoay chiều AC dùng cơ cấu từ iện
Cơ cấu o từ iện chỉ làm việc với dòng một chiều, do o khi o dòng xoay chiều AC
phải biến ổi dòng AC thành dòng DC khi qua CCĐ theo các cách khác nhau như: Dùng
phương pháp chỉnh lưu bằng Điốt, Dùng phương pháp biến ổi nhiệt iện.
Hình 5.1 Dùng phương pháp chỉnh lưu bằng Điốt: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
Ví dụ thang o dòng AC dùng mạch chỉnh lưu ½ chu kỳ như Hình 5.3-a, và dùng
mạch chỉnh lưu cầu như Hình 5.3-b. Xây dựng thang o trị số hiệu dụng của dòng iện xoay
chiều hình sin cho các thang o này. Giả sử dòng iện AC là iac=Imsin t.
Nếu giới hạn của thang o là Imax, thì khi dòng iện AC có giá trị hiệu dụng IRMS=Imax
thì dòng iện trung bình qua CCĐ là imtb=Itt.
Hình 5.3 – Thang o dòng xoay chiều i ac D im Rm, IttAM2 i A R M4 m, Itt i dc m + + i s Rs i ac i s Rs (a) ( b) t i ac t i ac I m I m t i dc t I m i m I’ m t i m I’ m (c)
- Tính tại vị trí toàn thang: (d)
- Tính tại vị trí toàn thang: Im Imax 2 Im' Itt => Im' .Itt imtb Im Imax 2 2I m' Itt => Im' .Itt i I R mtb m m' UD 2 => R S ' Im Im I Rm'm lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản => R S ' I m Im
5.2.2. Ampe mét không can thiệp
Ampe mét can thiệp có nhược iểm là cần phải ược lắp ặt như một thành phần trong
mạch iện. Chúng không dùng ược cho các mạch iện ã ược chế tạo khó thay ổi. Đối với các
mạch iện này, người ta có thể o ạc từ trường sinh ra bởi dòng iện ể suy ra cường ộ dòng
iện. Phương pháp o như vậy không gây ảnh hưởng ến mạch iện, an toàn, nhưng ôi khi ộ
chính xác không cao bằng phương pháp can thiệp. a. Đo dòng iện bằng hiệu ứng Hall
Hiệu ứng Hall là một hiệu ứng vật lý ược thực hiện khi áp dụng một từ trường vuông
góc lên một bản làm bằng kim loại hay chất bán dẫn hay chất dẫn iện nói chung (thanh
Hall) ang có dòng iện chạy qua. Lúc ó người ta nhận ược hiệu iện thế (hiệu thế Hall) sinh
ra tại hai mặt ối diện của thanh Hall. Tỷ số giữa hiệu thế Hall và dòng iện chạy qua thanh
Hall gọi là iện trở Hall, ặc trưng cho vật liệu làm nên thanh Hall. Hiệu ứng này ược khám
phá bởi Edwin Herbert Hall vào năm 1879.
Hiệu ứng Hall ược giải thích dựa vào bản chất của dòng iện chạy trong vật dẫn iện.
Dòng iện này chính là sự chuyển ộng của các iện tích (ví dụ như electron trong kim loại).
Khi chạy qua từ trường, các iện tích chịu lực Lorentz bị ẩy về một trong hai phía của thanh
Hall, tùy theo iện tích chuyển ộng ó âm hay dương. Sự tập trung các iện tích về một phía
tạo nên sự tích iện trái dầu ở 2 mặt của thanh Hall, gây ra hiệu iện thế Hall. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
Công thức liên hệ giữa hiệu thế Hall, dòng iện và từ trường là: VH = (I.B)/(d.e.n),
trong ó VH là hiệu thế Hall, I là cường ộ dòng iện, B là cường ộ từ trường, d là ộ dày của
thanh Hall, e là iện tích của hạt mang iện chuyển ộng trong thanh Hall, và n mật ộ các hạt này trong thanh Hall.
Phương pháp o này sử dụng hiệu ứng Hall tạo ra một hiệu iện thế tỷ lệ thuận (với hệ
số tỷ lệ biết trước) với cường ộ dòng iện cần o.
Hiệu iện thế Hall V gần như tỷ lệ thuận với cường ộ từ trường sinh ra bởi dòng iện,
do ó tỷ lệ thuận với cường ộ của dòng iện ó. Chỉ cần cuốn một hoặc vài vòng dây mang
dòng iện cần o quanh một lõi sắt từ của ầu o là ta có ược từ trường ủ ể kích thích hoạt
ộng của ầu o. Thậm chí ôi khi chỉ cần kẹp lõi sắt cạnh ường dây là ủ.
Hình 5.4 – Sơ ồ o dòng xoay chiều dung hiệu ứng Hall
Sơ ồ mạch iện của một ầu o cường ộ dòng iện sử dụng hiệu ứng Hall. Sử dụng lõi sắt
từ, thanh Hall, bộ khuyếch ại iện, iện trở. Điện thế ra vM tỷ lệ với cường ộ dòng iện vào ip.
Tuy nhiên hiện tượng từ trễ không tuyến tính trong sắt từ có thể làm giảm ộ chính
xác của phép o. Trên thực tế người ta có thể sử dụng một mạch iện hồi tiếp ể giữ cho từ
thông trong lõi sắt luôn xấp xỉ không, giảm thiểu hiệu ứng từ trễ và tăng ộ nhạy của ầu o,
như trong hình vẽ. Dòng iện hồi tiếp iS ược chuyển hóa thành hiệu iện thế ra vS nhờ bộ
khuyếch ại iện. Tỷ lệ giữa số vòng cuốn trên lõi sắt từ m (thường trong khoảng từ 1000 ến
10000) cho phép liên hệ giữa dòng cần o và dòng hồi tiếp: iS = 1/m.iP.
Các ưu iểm:
Hiệu iện thế tiêu thụ trên oạn dây cuốn vào ầu o chỉ chừng vài mV.
Hệ thống rất an toàn do ược cách iện với mạch iện.
Hệ thống có thể o dòng iện xoay chiều có tần số từ 0 (tức là iện một chiều) ến 100kHz
Hệ thống này cũng ược ứng dụng trong ồng hồ vạn năng iện tử, hay thậm chí trong máy hiện sóng. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
b. Đầu dò biến ổi dòng – iện áp dùng biến thế Ido I
Khi o dòng iện xoay chiều, nhất là o dòng iện lớn, có A
thể dùng ầu dò biến ổi dòng – iện áp dùng biến thế theo W 1
nguyên lý như hình vẽ bên: A W 2 I o
W2 n, W1- số vòng dây của cuộn sơ cấp. I A W1
W2- số vòng dây của cuộn thứ cấp. I
, n ược gọi là hệ số biến dòng. o nI. A
* Ampe mét không can thiệp sử dụng ầu dò dòng hiệu hứng hall hoặc ầu dò biến ổi
dòng - iện áp dùng biến thế thường ược chế tạo dưới dạng Ampe kìm (clamp Ampemeter). I x (a) (b)
(c): Đầu dò dòng dùng biến áp (d) Đầu dò dòng dùng hiệu ứng Hall Hình
5.5 – Ampe mét kìm (clamp Ampemeter) 5.3. ĐO ĐIỆN ÁP lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
Phép o iện áp có phạm vi o rộng (từ vài V ến và vài kV), dải tần rộng (từ o dòng 1
chiều ến o dòng xoay chiều tần số tới hàng GHz). Tùy phạm vi o và dải tần o lại sử dụng
các phương pháp o khác nhau. Tuy nhiên trong thực tế phép o iện áp thường chỉ ược thực
hiện ở dải tần tới hàng trăm MHz, còn ở dải tần số siêu cao người ta thường o công suất.
5.3.1. Các trị số iện áp
Trong thực tế tín hiệu iện áp biến thiên có nhiều dạng nhau, do ó các trị số iện áp của
nó cũng khác nhau. Phép o iện áp là phép o ể xác ịnh các trị số iện áp này. Giả sử tín hiệu
iện áp tuần hoàn theo chu kỳ T, ví dụ dạng iện áp như Hình 5.6. u(t) T U m+ t 0 U m-
Hình 5.6 – Đồ thị tín hiệu iện áp + Biên ộ iện áp:
- Biên ộ iện áp dương: Um+
- Biên ộ iện áp âm: Um-
Nếu iện áp có Um+=-Um-=Um, thì chỉ cần o biện ộ iện áp Um.
+ Thành phần iện áp một chiều UDC hay U0 T t 0 U DC U0 u t( )dt to
+ Trị số iện áp trung bình Utb hay U T t 0 U tb U u t( )dt to
+ Trị số iện áp hiệu dụng Uhd hay URMS T t 0 lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản U RMS Uhd T1 t o u t2( )dt + Hệ số biên ộ k b Um URMS + Hệ số dạng k d URMS Utb
Ví dụ iện áp iều hòa hình sin: u(t)=Umsin t(V). Các trị số iện áp là: Um+=-Um-=Um UDC=0 V m URMS U ( )V 2 2 U m Utb ( )V 2 Um 1,11 kb kd 2 2
Trong khi ó iện áp dạng xung vuông chuẩn có kb=kd=1.
5.3.2. Giới thiệu về dụng cụ o iện áp
Dụng cụ o dòng iện ược gọi là Vôn mét (Vôn kế), với ồng hồ vạn năng khi ể chức
năng o iện áp thì cũng ược gọi là Vôn mét. Ký hiệu của Vôn Ampe mét trong sơ ồ là một
vòng tròn có chữ V ở giữa và có thể thêm ký hiệu các cực dương và âm hai bên cho dòng iện một chiều: V
Khi o iện áp phải ược mắc song song Vôn met với oạn mạch cần o iện áp. Để giảm
ảnh hưởng ến mạch iện cần o, dòng iện trong mạch của Vôn mét phải càng nhỏ càng tốt. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
Điều này nghĩa là trở kháng tương ương của Vôn mét ZV trong mạch iện phải lớn hơn rất
nhiều trở kháng tương ương của oạn mạch cần o iện áp.
Khi mắc Vôn mét vào mạch iện một chiều, chú ý nối các cực iện theo úng chiều iện
áp. Luôn chọn thang o phù hợp trước khi o: chọn thang lớn nhất trước, rồi hạ dần cho ến
khi thu ược kết quả nằm trong thang o.
Mỗi Vôn mét ều có trở kháng trong hữu hạn, khi do iện áp một chiều và xoay chiều
tần số thấp, có thể coi trở kháng của Vôn mét là thuần trở RV (Hình 5.7-b). Nhưng tần số
cao trở kháng tương ương của ampe mét còn cần phải tính ến các các thành phần iện dung
và iện cảm ký sinh, sơ ồ tương ương như Hình 5.7- a (trong ó: LV- iện cảm của cuộn dây,
CV- iện dung giữa 2 ầu Vôn mét, Cd- iện dung giữa 2 ầu Vôn mét với ất). (a) (b) (c)
Hình 5.7 - Trở kháng tương ương của Vôn mét
Ví dụ như cách mắc Vôn mét o iện áp trên tải Zt như Hình 5.7–c, trong ó Z0 – trở
kháng của nguồn, Zt – trở kháng phụ tải.
Khi mắc Vôn mét vào mạch o bao giờ cũng làm cho iện áp trên tải thay ổi so C V Z n L Z V t R V Z V V E Cd Cd R V với giá trị thực Ux U x EZ. t t Z Zn
Sau khi mắc Vôn mét vào mạch iện áp mà Vôn mét chỉ thị là: U o
Z ZEZ. t trong ó Zt Z ZZ Zt V V n t t
Sai số tương ối do ảnh hưởng của trở kháng trong ampe mét ược xác ịnh như sau: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản U U x o I .100 1 .100 % U x1 ZV ZV Zn Zt
Để giảm nhỏ sai số tương ối cần chọn Vôn mét có trở kháng trong càng lớn càng tốt.
Các Vôn mét dùng trong o lường iện tử ược phân loại căn cứ vào các tính năng sau ây:
- Dạng chỉ thị: Vôn mét chỉ thị kim hay Vôn mét chỉ thị số.
- Thông số của iện áp o: Vôn mét o iện áp ỉnh, iện áp trung binh hay iện áp hiệu dụng.
- Dải trị số iện áp o: Micro Vôn mét, Mili Vôn mét hay Kilô Vôn mét.
- Mục ích sử dụng: Vôn mét mẫu ( ể làm chuẩn), Vôn mét xoay chiều, Vôn
mét một chiều, Vôn mét xung hay Vôn mét có tính năng ặc biệt (Vôn mét nhạy pha, Vôn mét chọn lọc...).
Các phương pháp cơ bản o iện áp:
- Đo iện áp dùng cơ cấu o.
- Do dòng dùng Vôn mét iện tử tương tự, Vôn mét iện tử số. …
5.3.3. Đo iện áp sử dụng cơ cấu o từ iện
a. Đo iện áp một chiều DC
Cơ cấu o từ iện làm việc với iện áp một chiều, nhưng iện áp toàn thang khá nhỏ
Utt=Rm.Itt, nên do ó phải mở rộng thang o iện áp cho phù hợp bằng cách mắc CCĐ nối tiếp với iện trở phụ Rp. R3 R2 R1 Rm, Itt Rp Rm, Itt + + U U 2 1 U x U x U 3
(a) – Sơ ồ một thang o (b) – Sơ ồ nhiều thang iện áp lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
Hình 5.8 – Sơ ồ thang o iện áp một chiều dùng CCĐ từ iện
Sơ ồ thang o iện áp một chiều dùng CCĐ từ iện như Hình 5.8-a. Điện áp o: Ux = URp + Um
Điện áp o ược lớn nhất của thang o là Umax. Khi Ux = Umax thì Im=Itt, dó ó iện trở phụ ược xác ịnh như sau: R p
R nm ( 1), với n UUmatt x
UI Rttmamx - hệ số mở rộng thang o.
Với Vôn mét có nhiều thang o thì dùng nhiều iện trở phụ, thông thương các iện trở
phụ ược mắc theo kiểu nối tiếp như Hình 5.8-b với 3 thang o là U1, U2, U3, hệ số mở rộng
của mỗi thang o là nk (k=1,2,3). R pk
nRk m1, với nk UUttk I RUtt km + Thang o U1: Rp1=R1. + Thang o U2: Rp2=R1+R2. + Thang o U3: Rp3=R1+R2+R3.
Chú ý: Trong trường hợp Itt nhỏ, có thể mắc thêm iện trở Shunt Rs song song với
CCĐ ể tăng dòng toàn thang tổng trước khi mắc nối tiếp với các iện trở phụ. b. Đo iện áp
xoay chiều AC dùng cơ cấu từ iện
Cơ cấu o từ iện chỉ làm việc với iện áp một chiều, do o khi o iện áp xoay chiều AC
phải biến ổi iện áp AC thành iện áp DC ặt vào CCĐ theo các cách khác nhau như: Dùng
phương pháp chỉnh lưu bằng Điốt, Dùng phương pháp biến ổi nhiệt iện.
Dùng phương pháp chỉnh lưu bằng Điốt:
Ví dụ thang o dòng AC dùng mạch chỉnh lưu ½ chu kỳ như Hình 5.9-a, và dùng
mạch chỉnh lưu cầu như Hình 5.9-b. Xây dựng thang o trị số hiệu dụng của iện áp xoay
chiều hình sin cho các thang o này. Giả sử dòng iện AC là uac=Umsin t.
Nếu giới hạn của thang o là Umax, thì khi iện áp AC có giá trị hiệu dụng URMS=Umax
thì dòng iện trung bình qua CCĐ là imtb=Itt. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
Hình 5.9 – Thang o dòng xoay chiều Rp Rp D1 i m Rm, Itt + i AM5 u u m ac Rm, Itt ac + (a) (b) u ac u ac U m U m t t i i m m I m t I m t (c) (d)
- Tính tại vị trí toàn thang:
- Tính tại vị trí toàn thang: U U m Umax 2 m Umax 2 i mtb 2Im Itt => Im .Itt i mtb Im Itt => Im .Itt 2 => Rp Um 2UD => Rp Um UD Im Im
5.3.4. Vôn mét iện tử
Khi o iện áp xoay chiều cao tần, thì thiết bị o ược sử dụng nhiều hơn cả là Vôn mét
iện tử, vì vôn-mét iện tử có một số ưu iểm cơ bản như: trở kháng vào lớn, ộ nhạy cao, tiêu
thụ ít năng lượng của mạch iện ược o, và chịu ược quá tải.
Tuy nhiên vôn-mét iện tử cũng có những nhược iểm là cần yêu cầu có nguồn cung
cấp, nguồn cung cấp cần phải ổn ịnh, và ộ chính xác của thang ộ chỉ thị phụ thuộc nhiều lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
vào ặc tính thông số của phần tử tích cực như Điốt, BJT, KĐTT,… nên khi thay thế phần
tử này thì thiết bị o có thể bị ảnh hưởng.
Vôn-mét iện tử có nhiều loại, tuỳ theo cấu tạo mà nó có thể dùng ể o iện áp một
chiều, iện áp xoay chiều hay o cả hai loại iện áp này. Cũng tuỳ theo cấu tạo mà kết quả o
ược chỉ thị bằng kim hay chỉ thị bằng số.
a. Vôn mét iện tử chỉ thị kim
Sơ ồ khối rút gọn của Vôn mét iện tử chỉ thị kim như Hình 5.10. Cũng như các máy
o thông số tín hiệu khác, thiết bị vào ở ây thường gồm các phần tử ể biến ổi iện áp o ở ầu
vào, như bộ phân áp, suy giảm và mạch khuếch ại ệm vào ể tăng trở kháng vào của vôn- mét.
Chức năng o iện áp sau khuếch ại một chiều DC sẽ ược thực hiện ở mạch o và chỉ
thị bằng cơ cấu o chỉ thị kim, CCĐ từ iện ược sử dụng phổ biến nhất trong trường hợp này. DC u x Mạch Khuếch Tách Khuếch vào ại AC sóng ại DC AC U x- Mạch CCĐ o
Hình 5.10 – Sơ ồ khối rút gọn của Vôn mét iện tử chỉ thị kim
Khối tách sóng có nhiệm vụ biến ổi iện áp xoay chiều thành iện áp 1 chiều trị số
trung bình tỉ lệ với trị số iện áp nào ó của iện áp xoay chiều. Có các cách phân loại mạch Tách sóng như sau:
- Theo trị số iện áp hay theo dòng iện ra của bộ tách sóng: Tách sóng ỉnh (biên ộ),
Tách sóng hiệu dụng hay Tách sóng trung bình.
- Theo chế ộ tách sóng: chế ộ A, chế ộ B hay chế ộ C.
- Theo mạch iện tách sóng: Tách sóng mạch Điốt, Tách sóng dùng Transistor,… -
Theo cấu tạo mạch vào tách sóng: Tách sóng mạch vào óng hay tách sóng mạch vào mở.
- Theo ặc tuyến tách sóng: Tách sóng ường thẳng hay tách sóng bậc hai.
Trong phần này, ta sẽ xét bộ tách sóng của vôn-mét theo cách phân loại ầu tiên, vì
nó tương ối tổng quát và phù hợp với cách phân loại các loại vôn-mét hơn. b. Vôn mét
iện tử chỉ thị số
Sơ ồ khối rút gọn của Vôn mét iện tử số như Hình 5.11. Về cơ bản Vôn mét iện tử
số cũng có khác khối chức năng như Vôn mét iện tử chỉ thị kim, chúng chỉ khác nhau ở lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
phần o iện áp Ux- sau khuếch ại một chiều. Trong Vôn mét iện tử số iện áp một chiều này
ược biến ổi sang tín hiệu số nhờ ADC và ược tính toán và giải mã bằng mạch số hoặc sử
dụng vi xử lý/ vi iều khiển ( P) rồi kết quả o ược hiển thị số sử dụng các cơ cấu chỉ thị số. DC Hiển thị u x Mạch Khuếch Tách Khuếch số vào ại AC sóng ại DC AC U x- Tính toán ADC và giải mã ( P)
Hình 5.11 – Sơ ồ khối rút gọn của Vôn mét iện tử số
Bộ biến ổi ADC (biến ổi tương tự - số) là một bộ phận quan trọng của Vôn mét iện
tử số, nó thực hiện tất cả mọi thao tác ể biến ổi một tín hiệu biến ổi liên tục theo thời gian
thành một số hữu hạn trong một hệ thống ã cho. Thường là khâu nối giữa bộ phận nguồn
tin và xử lý tin trong hệ thống o lường số nói chung.
Thông thường, quá trình biến ổi của ADC là quá trình:
- Tạo iện áp chuẩn: Điện áp chuẩn ví dụ như là tập hợp các giá trị khác nhau
của một iện áp ổn ịnh, hay iện áp biến ổi tuyến tính theo thời gian.
- Thực hiện so sánh: Điện áp tương tự cần biến ổi với iện áp chuẩn.
- Tạo mã số: Thực hiện do bộ ếm xung hay trực tiếp do các khối thuật toán thực hiện.
Các thông số của bộ biến ổi ADC:
- Tốc ộ biến ổi.
- Độ chính xác biến ổi: Có sai số do nguyên lý biến ổi và sai số do dụng cụ biến ổi.
- Dải biến ổi: Biên ộ tín hiệu vào từ cực tiểu ến cực ại.
Ngoài ra còn có: ộ nhạy, ộ tin cậy, khả năng biến ổi nhiều kênh, iện trở vào, kích thước...
Phân loại các bộ biến ổi ADC
Có nhiều cách phân loại, ở ây chúng ta sẽ chủ yếu hai cách:
- Theo ại lượng tương tự: Thời gian -số, iện áp - số...,
- Theo thuật toán biến ổi: Đếm nối tiếp, mã theo từng bít, ếm song song.
Nói chung, khi phân tích mạch cụ thể thì thường phân loại theo ại lượng biến ổi và
kết cấu mạch. Khi tổng hợp mạch một cách tổng quát thì theo thuật toán hay phương pháp biến ổi. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
Trong o lường thường sử dụng loại ADC tuyến tính, ộ phân giải cao, iển hình nhất
là loại ADC thời gian xung hay còn gọi là ADC tích phân: ADC tích phân 1 sườn dốc và
ADC tích phân 2 sườn dốc. Do ộ phân giải cao, khả năng chống nhiễu tốt nên ADC tích
phân 2 sườn dốc ược sử dụng phổ biến nhất trong Vôn mét iện tử số.
Vôn mét số một chiều thời gian xung
Ví dụ sơ ồ khối của Vôn mét số một chiều thời gian xung (Nguyên lý của ADC tích
phân 2 sườn dốc (Dual-slope ADC) Hình 5.12.
+ Nguyên lý làm việc:
- Khi chưa o, khoá S hở (không ở vị trí nạp n hoặc phóng p).
- Quá trình biến ổi ược thực hiện theo 2 bước tích phân sau:
* Bước 1: Tại thời iểm t1, bộ iều khiển ưa ra xung iều khiển ĐK1 ưa khoá S về vị trí
n, iện áp Ux qua mạch vào qua R nạp cho C, nên UC tăng.
* Bước 2: Đến thời iểm t2, bộ iều khiển ưa ra xung iều khiển ĐK2 ưa S về vị trí p và
kết thúc quá trình nạp, C sẽ phóng iện qua nguồn iện áp mẫu (nguồn iện áp không ổi, 1
chiều E0), uC giảm ến thời iểm t3 thì uC= 0, bộ so sánh ưa ra xung so sánh USS, xung ĐK2
và xung USS này sẽ ược ưa vào ầu vào thiết lập (S) và xoá (R) của Trigger, kết quả ầu ra
của Trigger là xung vuông có ộ rộng Tx tỉ lệ với Ux-, xung này sẽ iều khiển óng mớ khoá ể
cho phép xung ếm chuẩn qua khoá kích thích cho bộ ếm xung. Giả sử trong thời gian Tx
có Nx xung qua khoá, số xung ếm ược trong khoảng thời gian này cũng tỉ lệ với iện áp một
chiều vào Ux-. Như vậy số xung Nx ược ưa qua mạch giải mã và chỉ thị ể biểu thị kết quả
là iện áp một chiều cần o.
Hình 5.12 – Sơ ồ khối Vôn mét số một chiều thời gian xung Xác ịnh Ux=f(Nx)? lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản - Quá trình C nạp: u C u tc ( )1 RC1 t
t12 K Uv. x.dt
Kv: hệ số truyền ạt của mạch vào.
Giả sử trong thời gian biến ổi, Ux=const: U n uC( )t2 0
1 .K Uv. x(t2 t1)
K U Tv. x. 1 với T1=t2- t1 RC RC - Quá trình C phóng: t3 u 1 C ( )t3 U tc ( )2 E0.dt RC t 2 1 Un .E t0 3( t2) RC u t c ( )3
K U Tv. x. 1 1 .E T0. x với Tx=t3-t2 RC RC U t c( )3 0 Tx
K U Tv. x. 1 N Tx. ch với Tch là chu kỳ của xung ếm chuẩn. E0 U x
T Ech. 0 .N S Nx 0. x K Tv. 1 lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản S T E . với ch 0 0
const , (thường chọn S0=10k với k=0, 1...) K Tv. 1
Ux 10k.Nx
+ Giản ồ thời gian:
+ Đánh giá sai số: Kết quả o bị ảnh hưởng bởi các sai như như sau: - Sai số Tch, Kv, E0, T1.
- Sai số lượng tử (do xấp xỉ Tx =TchNx).
- Sai số do ộ trễ của các Trigger.
- Sai số do nhiễu tác ộng từ ầu vào. Tuy nhiên, với phương pháp tích phân 2
lần, có thể loại trừ hoàn toàn nhiễu chu kỳ nếu chọn T1=n.Tnh với Tnh là chu kỳ của nhiễu.
5.4. ĐO ĐIỆN TRỞ
Đo iện trở cũng là một phép o iện cơ bản thường ược thực hiện cùng với các phép o
iện áp và o dòng iện. Các phương pháp o trở kháng nói chung, o iện trở nói riêng sẽ ược lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
trình bày trong chương 9, nên trong phần này chỉ tập trung trình bày một ứng dụng của
phương pháp Vôn-ampe ể xây dựng thang o iện trở sử dụng cơ cấu o từ iện - một thang o
ược sử dụng khá phổ biến trong các dụng cụ o vạn năng (MultiMeter). U
Theo ịnh luật Ôm: R x x
Ix , nếu Ux=const thì o Ix sẽ xác ịnh ược Rx, như vậy
có thể xây dựng ược thang o iện trở trên cơ sở sử dụng thang o dòng iện sử dụng CCĐ từ
iện, và thang o ược khắc ộ theo ơn vị o iện trở . Thang o iện trở theo phương pháp này
có thể ược xây dựng theo sơ ồ mắc nối tiếp hoặc song song, trong phần này chỉ trình bày
sơ ồ mắc nối tiếp như Hình 5.13. IA R ,I A max R x 0 0 I A I max 0 R c R x
Hình 5.13 – Sơ ồ một thang o iện trở kiểu nối tiếp
Sơ ồ thang o có sử dụng thang o dòng mA có nội trở RA, giới hạn thang o Imax, nguồn
pin En=const, có nội trở Rn, biến trở iều chỉnh Rc.
+ Khi chưa o, ể hở 2 ầu que o a và b, tương ứng với Rx= , dòng iện qua mA bằng
không, góc quay của kim chỉ thị 0 A, vị trí này ược khắc ộ . lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
+ Khi bắt ầu o, nối tắt 2 que o a và b, ứng với Rx=0 , dòng qua mA ạt giá trị cực ại
Imax và góc quay của kim chỉ thị ạt giá trị cực ại, vị trí này khắc ộ 0 . Do ó nếu kim chỉ thị
lệch khỏi vị trí 0 trên thang khắc ộ thì ta phải iều chỉnh biến trở Rc ể kim chỉ úng 0 , khi ó: I n A Imax R REA Rc n => (R n RA Rc) En I max
+ Khi o nối Rx vào 2 ầu que o a và b, lúc này dòng qua mA là IA: E E E R n n n x Rn RA Rc
- Phương trình khắc ộ thang o I A I A Imax
Như vậy có thể khắc ộ thang o theo ơn vị o iện trở tương ứng từ thang o dòng iện với
phương trình khắc ộ thang o như trên. Tuy nhiên thang o iện trở theo phương pháp o dòng
là thang o phi tuyến. Để xây dựng thang o iện trở tuyến tính thì phải sử dụng nguồn dòng
Ix=const, o iện áp Ux ể xác ịnh iện trở Rx: Ux=Rx.Ix.
Trong thực tế thang o iện trở trong các dụng cụ o vạn năng sử dụng CCĐ từ iện ược
xây dựng theo nguyên lý o dòng có thể ược mắc theo cách trình bày ở trên hay theo các
cách mắc khác như: Rc như một iện trở Shunt ược mắc song song với CCĐ hay mắc nối
tiếp với CCĐ rồi mới mắc song song với iện trở Shunt.
5.5. THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ VẠN NĂNG (MULTIMETERS)
Thiết bị o iện tử vạn năng hay còn gọi là Đồng hồ vạn năng (Multimeters) là một lại
dụng cụ o iện cơ bản a chức năng ược dùng khá phổ biến, có các chức năng cơ bản là o
dòng iện, o iện áp, và o iện trở ngoài ra có một số ồng hồ còn có thể o tần số dòng iện, iện
dung tụ iện, kiểm tra iốt, kiểm tra Transistor lưỡng cực... Đồng hồ vạn năng ược thiết kế
trên cơ sở chức năng o cơ bản là o dòng iện hoặc o iện áp, và từ ó xây dựng thêm các chức
năng o khác. Có 2 loại ồng hồ vạn năng ó là: Đồng hồ vạn năng tương tự (hay còn ược gọi
tắt là VOM – Volt-Ohm-Milliammeter), và ồng hồ vạn năng số (DMM – Digital
Multimeter). 5.5.1. Đồng hồ vạn năng tương tự - VOM
a. Chức năng
Đồng hồ vạn năng tương tự thường có các chức năng o như sau: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
• Đo iện áp một chiều: DCV
• Đo giá trị hiệu dụng của iện áp xoay chiều: ACV.
• Đo cường ồ dòng iện một chiều: DCA • Đo iện trở:
Ngoài ra có một số ồng hồ còn có thêm chức năng khác như: • Đo iện dung tụ iện
• Kiểm tra iốt, kiểm tra Transistor lưỡng cực…
VOM thường ược cấu tạo từ 1 cơ cấu o từ iện, và sử dụng các mạch o khác nhau sẽ
tạo thành chức năng o và thang o khác nhau, sử dụng chuyển mạch ể chọn chức năng o và
thang o, và thang chỉ thị của CCĐ ược khắc ộ phù hợp với mỗi chức năng và thang o tương ứng.
VOM trong thực thế rất a dạng, Hình – là ví dụ về hình ảnh của các các VOM có trong thực tế.
Sơ ồ khối tổng quát của một VOM ơn giản như hình vẽ,
Hình 5.14 - Đồng hồ vạn năng tương tự - VOM
b. Sơ ồ cấu tạo
5.5.2. Đồng hồ vạn năng số - DMM. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
a. Chức năng
Hình 5.15 – Đồng hồ vạn năng số cầm tay (Handheld DMM)
Hình 5.16 – Đồng hồ vạn năng số ể bàn (Bench DMM)
Đồng hồ vạn năng số DMM có nhiều tính tính năng o nổi bật hơn ồng hồ vạn năng
tương tự, cũng có các chức năng o cơ bản như của VOM như:
• Đo iện áp một chiều
• Đo giá trị hiệu dụng (trị số ỉnh hoặc trung bình) của iện áp xoay chiều.
• Đo cường ồ dòng iện một chiều
• Đo trị số hiệu dụng (trị số ỉnh hoặc trung bình) cùng dòng iện xoay chiều Đo iện trở lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
Ngoài ra có một số ồng hồ còn có thêm chức năng nổi bật khác như:
• Đo tần số dòng iện.
• Kiểm tra iốt, kiểm tra Transistor lưỡng cực..
• Kiểm tra nối mạch: máy kêu "bíp" khi iện trở giữa 2 ầu o (gần) bằng 0.
• Hiển thị số thay cho kim chỉ trên thước.
• Có thêm các bộ khuyếch ại iện ể o hiệu iện thế hay cường ộ dòng iện nhỏ, và iện trở lớn.
• Đo ộ tự cảm của cuộn cảm và iện dung của tụ iện. Có ích khi kiểm tra và lắp ặt mạch iện.
• Hỗ trợ cho o nhiệt ộ bằng cặp nhiệt.
• Đo tần số trung bình, khuyếch ại âm thanh, ể iều chỉnh mạch iện của radio.
Nó cho phép nghe tín hiệu thay cho nhìn thấy tín hiệu (như trong máy hiện sóng).
• Dao ộng kế cho tần số thấp. Xuất hiện ở DMM có giao tiếp với máy tính.
• Bộ kiểm tra iện thoại.
• Bộ kiểm tra mạch iện ô-tô.
• Lưu giữ số liệu o ạc và tính toán kết quả.
Trong thực tế có 2 loại DMM ó là DMM cầm tay (Handheld DMM) và loại DMM ể
bàn (Bench DMM). Loại ể DMM bàn thường có tính năng, dải trình o, ộ chính xác, giá
thành cao hơn loại DMM cầm tay. b. Sơ ồ cấu tạo
Hình 5.17 – Sơ ồ khối rút gọn của DMM số. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
Hình 5.18 – Sơ ồ rút gọn của chức năng o iện áp
Hình 5.19 – Sơ ồ rút gọn của chức năng o dòng
Hình 5.20 – Sơ ồ rút gọn của chức năng o iện trở lOMoARcPSD| 36067889
Chương 5 – Các phép o iện cơ bản
Hình 5.21 – Sơ ồ cấu tạo của một DMM trong thực tế lOMoARcPSD| 36067889
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha
CHƯƠNG 6 - ĐO TẦN SỐ, KHOẢNG THỜI GIAN VÀ GÓC LỆCH PHA
6.0. GIỚI THIỆU CHUNG
Tần số, chu kỳ, các khoảng thời gian, góc pha là các tham số quan trọng của tín hiệu.
Trong kỹ thuật iện tử, thường hay dùng các tín hiệu có phổ tần số rât rộng. Dải phổ tần số
này bắt ầu từ các tần số bằng một vài phần trăm Hz ến hàng trăm GHz. Toàn bộ tần phổ
này có thể chia làm nhiều dải tần số có tính chất khác nhau: Dải tần thấp: < 16Hz •
Dải tần số âm thanh: 16 Hz < f < 20 KHz •
Dải tần số siêu âm: 20 KHz < f < 200 KHz •
Dải tần số cao: 200 KHz < f < 30 MHz •
Dải tần số siêu cao: 30 MHz < f < 3000 MHz •
Dải tần số quang học: > 3GHz
Các dải tần số khác nhau có các phương pháp o tần số khác nhau. Giới hạn dùng và
kỹ thuật o lường các tần số cao tần tăng lên cùng với sự phát triển của kỹ thuật iện tử và
ngày nay ã xác ịnh ược các tần số hàng trăm G Hz.
Các tham số về tần số:
Xét tín hiệu xoay chiều iều hòa biến thiên theo thời gian: u(t)=Umsin( t+ 0), -
Pha của tín hiệu (t)= t+ 0 d -
Tần số góc - biểu thị tốc ộ thay ổi pha của dao ộng: = 2. . f dt -
Tần số f – là số dao ộng toàn phần (số chu kỳ) của dao ộng trong 1 ơn vị thời gian. -
Chu kỳ T – khoảng thời gian nhỏ nhất mà giá trị của tín hiệu lặp lại ộ
lớn của nó (u(t+T)=u(t)), T=1/f. -
Bước sóng - là khoảng không gian của môi trường truyền dẫn dao
ộng ược truyền i trong một chu kỳ: vT. v lOMoARcPSD| 36067889
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha f
Trong ó v là vận tốc truyền sóng của môi trường. Sóng iện từ lan truyền trong chân
không bằng vận tốc ánh sáng c=3.108m/s. Với môi trường truyền sóng có hệ số iện
môi tương ối là thì: v c
Như vậy f không phụ thuộc vào iều kiện lan truyền, còn phụ thuộc vào vận tốc truyền
sóng trong môi trường truyền dẫn.
Đơn vị o tần số f: Hz, kHz, MHz, GHz, THz,…
Đơn vị o chu kỳ T: s, ms, s, ns, ps,…
Đơn vị o bước sóng : m, mm, m, nm, pm, …
Việc o , f, T, có ý nghĩa như nhau, tuy nhiên ở tần thấp và cao tần thường o , T,
f, ở dải siêu cao tần thường o .
Trong kỹ thuật iện tử, truyền thông phép o tần số ược thực hiện trong các trường hợp sau:
- Cần khắc ộ và chuẩn lại các máy tạo tín hiệu o lường, phát phát, máy thu,..
- Xác ịnh tần số cộng hưởng của mạch dao ộng.
- Xác ịnh dải thông của bộ lọc, mạng 2 cực,…
- Kiểm tra ộ lệch tần số của các thiết bị ang hoạt ộng,.. - …
Ngoài các tham số , f, T, , góc pha cũng là tham số cơ bản của tín hiệu, nó gắn
liền với dao ộng iều hòa: (t)= t+ 0, trong ó 0 là pha ban ầu tại thời iểm t=0. Thực tế
góc pha của tín hiệu biến thiên theo thời gian và pha ban ầu cũng thay ổi khi thay ổi gốc
thời gian, do ó phép o pha thường ược thực hiện là phép o góc lệch pha của 2 tín hiệu cùng tần số. Giả sử: u1(t)=Um1sin( 1t+ 1) u2(t)=Um2sin( 2t+ 2)
Góc lệch pha giữa u2 và u1 là = 2- 1=( 2- 1)t+ 2- 1 Nếu 2= 1 thì = 2- 1=const. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha
Với tín hiệu tuần hoàn dạng bất kỳ, thì phép o tần số là phép o tần số của thành phần
sóng hai bậc nhất (thành phần tần số cơ bản) của tín hiệu và phép o góc lệch pha cũng là
góc lệch pha của các thành phần hài bậc nhất, nhưng phổ biến là phép o chu kỳ và ộ lệch thời gian.
6.1. ĐO TẦN SỐ
Các phương pháp o tần số thông dụng trong kỹ thuật iện tử là:
- Phương pháp so sánh: Dùng ô-xi-lô, Phương pháp ếm xung.
- Phương pháp dùng mạch iện có tham số phụ thuộc tần số: Mạch cầu cân bằng, Mạch cộng hưởng.
- Phương pháp o tần số bằng phương pháp phóng nạp iện cho tụ.
6.1.1. Đo tần số bằng phương pháp ếm xung
Đặt vấn ề : Một phương pháp khác ể o tần số là phương pháp ếm xung dựa trên cơ
sở các bộ ếm xung. Giả sử nếu ưa 1 sóng xung tới ầu vào của một bộ ếm xung trong một
chu kỳ úng bằng 1s thì bộ ếm sẽ chỉ thị tần số của dạng xung. Phương pháp này hiện ược
sử dụng rất phổ biến ể o tần số. Tần số mét cấu tạo theo phương pháp này còn ược gọi là
máy ếm tần (frequency counter). Sử dụng thiết bị này ể o tần số rất thuận tiện, nhanh chóng,
ộ chính xác cao, ộ nhạy lớn, tốc ộ o lớn, tự ộng hoàn toàn quá trình o, kết quả o hiển thị dưới dạng số...
a. Máy ếm tần theo phương pháp xác ịnh nhiều chu kỳ
Nguyên lý chung của Máy ếm tần theo phương pháp xác ịnh nhiều chu kỳ là thực
hiện quá trình ếm xung có chu kỳ bằng chu kỳ của tín hiệu cần o tần số trong một ơn vị
thời gian. Sơ ồ khối rút gọn của máy ếm tần này như Hình 6.1.
Hình 6.1 - Sơ ồ khối của máy ếm theo phương pháp xác ịnh nhiều chu kỳ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha
Hình 6.2 – Giải ồ thời gian minh họa hoạt ộng của máy ếm tần
Tín hiệu cần o tần số Ufx ược ưa vào Mạch vào.
- Mạch vào: Có trở kháng lớn ể không ảnh hưởng ến mạch ra của nguồn tín hiệu và
có khuếch ại dải rộng ể tăng dải tần công tác của máy ếm tần, và có mạch phân áp ể tạo ra
tín hiệu phù hợp ưa vào mạch tạo xung (thông thường là tín hiệu iều hoà có chu kỳ bằng
chu kỳ tín hiệu cần o Tx và có biên ộ ổn ịnh không phụ thuộc vào biên ộ và tần số tín hiệu
vào)... hoặc biến ổi tín hiệu tuần hoàn dạng bất kỳ ở ầu vào thành hình sin hoặc xung chuẩn
cùng chu kỳ với tín hiệu cần o.
- Mạch tạo dạng xung: Có nhiệm vụ biến ổi tín hiệu iện áp iều hoà (hay tín hiệu
xung chuẩn có chu kỳ) thành tín hiệu xung ếm ơn cực tính Ux (xung nhọn hoặc xung vuông)
có chu kỳ bằng chu kỳ tín hiệu vào Tx và có biên ộ, ộ rộng xung, sườn xung phù hợp cho
hoạt ộng của bộ ếm (ví dụ yêu cầu xung vào bộ ếm xung có mức TTL, CMOS...). Khối
này thường ược xây dựng dựa vào mạch Triger Schmitt.
- Bộ tạo xung chuẩn: Tạo ra các xung vuông chuẩn, ơn cực tính có tần số chuẩn fch
lớn với ộ chính xác cao, nó thường dùng bộ tạo xung dùng thạch anh, bộ tổ hợp tần số...
- Bộ chia tần: chia tần xung chuẩn fch ể ược các tần số thích hợp ể ưa vào khối tạo
dạng o, thông thường các tần số chia fct=fch/n=10k Hz (k=0,1,-1,2, -2...), ví dụ tần số lOMoARcPSD| 36067889
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha
10kHz, 1kHz, 100Hz, 10Hz, 1Hz, 0.1 Hz,... tương ứng với các tần số này là các chu kỳ
chuẩn: 0,1ms; 1ms; 10ms, 100ms, 1s, 10s, …
- Khối tạo dạng o: Tạo xung iều khiển quá trình o cụ thể là tạo xung vuông gốc thời
gian ể iều khiển khóa K có ộ rộng t=1/fct=10-k s - ây là khoảng thời gian xung ếm Ux quá
khóa K kích thích cho Bộ ếm. Khối này còn tạo ra xung xóa bộ ếm trước khi bắt ầu quá
trình ếm, và xung chốt ể chốt giữ liệu vào mạch giải mã ngay sau khi kết thúc quá trình ếm
ể giữ lại kết quả cho ến khi có kết quả o mới của lần o tiếp theo.
Nguyên lý hoạt ộng của máy ếm tần này còn ược minh họa qua giản ồ thời gian dưới Hình 6.2.
Trong thời gian có xung o Uo, khóa K sẽ ược mở, khi ó chuỗi xung ếm chu kỳ Tx qua
khóa ể kích thích cho bộ ếm, giả sử trong khoảng thời gian gốc thời gian t này số xung ếm ược là Nx: t T Nx x f X NX NX.
n NX.10k Hz t fch
Như vậy số xung ếm ược NX tỉ lệ với tần tần số tín hiệu vào, số xung này ược ưa qua
bộ giải mã và kết quả là tần số cần o fx ược hiện thị dưới dạng số thập phân bằng cơ cấu
chỉ thị số sử dụng LED7 oạn hay LCD.
Phương pháp trên có ộ chính xác khá cao, tiệm cận ược tới ộ chính xác của tần số
chuẩn fch và thường dùng ể chế tạo tần số mét cao tần.
Các nguyên nhân gây sai số và cách khắc phục.
Có các nguyên nhân gây sai số chủ yếu của máy ếm tần như sau: f
+ Sai số của xung chuẩn . fch
Khắc phục: Sử dụng bộ tạo dao ộng có ộ ổn ịnh cao như dùng bộ tạo dao ộng thạch
anh, thường xuyên kiểm chuẩn, hiệu chỉnh thiết bị.
+ Sai số do ộ trễ của các mạch Tạo dạng xung, Khối tạo xung o, Khóa K, ngoài ra
còn do nhiễu xung tác ộng nên tại thời iểm mà các khối mạch này chuyển trạng thái sẽ bị
xê dịch thời iểm của iện áp tín hiệu khi vượt qua mức không, do ó ộ dài của xung ược tạo
ra sẽ khác với yêu cầu nên gây ra sai số trong quá trình ếm xung. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha
Khắc phục: Chống nhiễu, bọc kim tạo lồng Fara ây ể tránh tác ộng của iện từ trường ngoài...
+ Sai số do sự không ồng bộ giữa xung mở cổng và chuỗi xung ếm trong khoảng thời
gian bằng ộ rộng xung cửa có thể làm cho số lượng xung ếm ược lớn hơn hay bé hơn 1
xung ếm so với giá trị thực, phụ thuộc vào thời iểm óng mở cổng, sai số của t là TX. Sai
số này còn ược gọi là sai số 1 xung, sai số này còn gọi là sai số lượng tử, sai số này càng
có ảnh hưởng lớn khi tần số o càng thấp, nghĩa là số lượng xung ếm 1
Nx giảm do ó sai số tương ối tăng, Khi o tần số cao NX tăng do ó sai số tương N X 1
ối giảm, ây là loại sai số này ặc biệt riêng cho thiết bị o số. N X
Sai số này là sai số do phương pháp o và phương pháp số hoá gây ra có tính chất
ngẫu nhiên, ta không thể loại bỏ hoàn toàn mà chỉ có khả năng nghiên cứu làm giảm tối thiểu nó.
Khắc phục sai số lượng tử:
- Tăng thời gian o t ể tăng NX nhưng khi o ở tần số thấp thì thời gian o sẽ kéo dài,
do ó ở tần số thấp chủ yếu dùng phương pháp o xác ịnh một chu kỳ như trình bày ở phần sau.
b. Máy ếm tần theo phương pháp xác ịnh một chu kỳ
Nguyên lý chung của máy ếm tần theo phương pháp xác ịnh một chu kỳ (phương
pháp xác ịnh theo chu kỳ) là thực hiện ếm số xung chuẩn tần số xác ịnh fch trong khoảng
thời gian tỉ lệ với chu kỳ Tx của tín hiệu cần o. Sơ ồ khối rút gọn của máy ếm tần này như Hình 6.3. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha
Hình 6.3 - Máy ếm tần theo phương pháp xác ịnh một chu kỳ.
Hình 6.4 – Giản ồ thời gian minh họa hoạt ộng của máy ếm tần
Phương pháp xác ịnh một chu kỳ ngược với cách o tần số theo phương pháp xác ịnh
nhiều chu kỳ ở trên. Về nguyên tắc cấu tạo của các khối trong sơ ồ của máy ếm tần này
cũng tương tự như ở máy ếm tần theo phương pháp xác ịnh nhiều chu kỳ. Khác nhau ở ây
là xung ếm là dãy xung chuẩn Tch. Thời gian o t thường lấy bằng n.Tx. Nguyên lý hoạt
ộng của máy ếm tần theo phương pháp o này ược minh hoạ rõ hơn qua giản ồ thời gian sau ở Hình 6.4.
Tín hiệu Ufx ưa qua Mạch vào tới Bộ tạo dạng xung ể tạo ra xung nhọn có chu kỳ
Tx. Xung này sẽ iều khiển Bộ tạo dạng xung o ể tạo ra xung o iều khiển óng mở khóa K
có ộ rộng t = n.Tx (ví dụ n = 1).
Trong thời gian có xung o t, xung ếm chuẩn Uch qua khoá kích thích cho bộ ếm
xung. Giả sử ếm ược Nx xung thì số xung Nx này sẽ ược ưa qua mạch giải mã và chỉ thị ể
ạt ược kết quả là chu kỳ cần o hoặc tần số cần o (nếu máy ếm tần có sử dụng Vi xử lý). Ta có:
t nT. x T Nch x , với Tch là chu kỳ xung ếm chuẩn lOMoARcPSD| 36067889
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha
=> Tx Tch N x n
Tch 10 k s với k = 0, 1, 2,...=> .T x 10 k.N sx Nếu chọn n Hoặc n : f x
fch , việc giải mã kết quả là tần số cần o là khá phức tạp do ó sử Nx
dụng các bộ vi xử lý hay vi iều khiển nếu muốn hiển thị kết quả là tần số cần o.
Đánh giá sai số: Có các nguyên nhân gây sai số chủ yếu của máy ếm tần này như sau: f
+ Sai số của xung ếm. Sai số của nguồn tín hiệu tần số chuẩn . fch
+ Sai số do ộ trễ của các mạch tạo dạng xung, mạch tạo xung o, khóa. 1
+ Sai số lượng tử . Sai số do sự không ồng bộ của xung cửa và xung ếm. N X
Trong khoảng thời gian bằng ộ rộng xung cửa có thể làm cho số lượng xung ếm ược lớn
hơn hay bé hơn 1 xung ếm so với trị số trước, nó tùy thuộc vào thời iểm óng mở cửa xung. Sai số này bằng: t=±Tch
Để giảm sai số lượng tử có thể tăng thời gian o n.TX.
Một phương pháp khắc phục sai số lượng tử là tăng tần số fch nhưng lại bị hạn chế
bởi giới hạn tần số cao của mạch khóa, mạch ễm. Để mở rộng phạm vi o tần số người ta
sử dụng các bộ chia tần của tín hiệu cần o và tăng thời gian xung mở cổng.
Để thực hiện ược các phương pháp hay sử dụng ể giảm nhỏ sai số 1 hay nâng cao
ộ chính xác là sử dụng máy êm tần cài ặt vi xử lý và sử dụng phương pháp ếm nội suy, sẽ ược xét trong phần sau.
c. Máy ếm tần cài ặt vi xử lý (Microprocessor).
Trong nhiều thiết bị o số có sử dụng Vi xử lý ể nâng cao tốc ộ, ộ chính xác cũng như
tăng sự linh hoạt, mềm dẻo của thiết bị o... Nguyên lý máy ếm tần có cài ặt Vi xử lý có thể
ược thực hiện như sau, minh hoạ bằng giản ồ thời gian như Hình 6.5.
Tín hiệu cần o tần số fX ược biến ổi thành chuỗi xung nhọn có chu kỳ TX. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha
Hình 6.5 – Giản ồ thời gian minh hoạt hoạt ộng của máy ếm tần cài ặt Vi xử lý
Tín hiệu iều khiển cổng thứ nhất t1 ược tạo ra từ phần tạo xung iều khiển khóa,
trong khoảng thời gian này ếm ược n xung TX và ghi giữ giá trị này trong bộ nhớ. Như vậy f ’ x =n/
t1 fx cần o, do có sai số 1.
Cùng ồng thời tiến hành với quá trình trên, 1 xung iều khiển cổng thứ 2 ược tạo ra
nhưng sườn trước của xung này trùng với xung ếm thứ nhất trong thời gian t1 và sườn
sau của nó trùng úng với xung Tx ầu tiên xuất hiện ngay sau sườn sau của xung iều khiển
t1. Độ rộng của xung iều khiển thứ 2 này là t2=n.TX, xung này iều khiển mở khóa ể xung
ếm có chu kỳ chuẩn Tch qua cổng kích thích cho bộ ếm thứ 2, kết quả là trong thời gian t2
ếm ược N xung Tch, giá trị này cũng ược ghi giữ lại trong bộ nhớ. t 2 nT. x
n f. ch do ó f x n .fch Như vậy: N lOMoARcPSD| 36067889
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha Tch Tch fx N
Thực tế cũng còn sai số 1 khi o khoảng thời gian n.TX bằng chu kỳ xung chuẩn Tch,
và sai số tuyệt ối 1 trong trường hợp này là: 2= Tch, sai số tương ối là: T ch Tch fx .Tch . t2= t2 nT. X n
Theo nguyên tắc tính sai số trong trường hợp o gián tiếp, sai số o fx là: 1 f t2
f . t1 , sai số này chỉ phụ thuộc vào sai số của fch và t1 và ộc lập ch
với tần số của tín hiệu cần o fx, nó cũng là hằng số trên toàn bộ các thang o tần số. Trên cơ
sở nguyên lý o như trên sơ ồ khối của máy ếm tần có cài ặt vi xử lý như Hình 6.6.
Sơ ồ khối của máy ếm tần có cài ặt vi xử lý f X Mạch Bộ Tạo dạng Mạch ếm 1 vào xung khóa1 t 1 n Microp- Thiết bị rocessor hiển thị NOT AND1 AND1 N 1 2 Mạc t h cổng t kiểm tra t 2 Tạo xung Mạch Bộ ếm 2 ếm khóa 2
Hình 6.6 - Sơ ồ máy ếm tần có cài ặt vi xử lý. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha
Tín hiệu cần o tần số fx ược ưa qua các mạch vào và tạo dạng xung ể tại ra dãy xung
nhọn ưa vào mạch cổng 1. Xung iều khiển cổng t1 (=1s) ược ưa ra từ Vi xử lý ể iều khiển
mở cổng 1 cho xung ếm Tx kích thích cho bộ ếm 1, kết quả ếm ược n xung và giá trị n này
ược ghi giữ lại trong bộ nhớ.
Mạch cổng kiểm tra tạo ra xung iều khiển cổng t2, xung này xuất hiện khi có xung
nhọn ầu tiên vào chân 1 và kết thúc xung khi có xung nhọn ầu tiên xuất hiện ở chân 2.
Xung này iều khiển mở cổng 2 cho xung ếm chuẩn TC ược tạo ra từ bộ tạo xung ếm qua
cổng kích thích cho bộ ếm 2, kết quả ếm ược N xung, giá trị này cũng ược lưu vào bộ nhớ.
Vi xử lý thực hiện phép tính f X
n .fch , kết quả ược hiện thị số trên màn hình N
hiển thị sử dụng màn tinh thể lỏng LCD hay LED 7 oạn...
Ngoài ra Vi xử lý còn cho phép tự ộng chọn thang o, ịnh vị trí dấu phảy, ơn vị o...
hay mở rộng phạm vi o, chức năng o lường của thiết bị (chu kỳ, tần số, khoảng thời gian...).
6.1.2. Đo tần số bằng phương pháp dùng mạch cộng hưởng
Phương pháp này chủ yếu dùng ể o tần số cao và siêu cao.
Nguyên tắc chung: dựa vào nguyên lý chọn lọc tần số của mạch cộng hưởng. Sơ ồ
nguyên lý o của phương pháp này như Hình 6.7. Khối cơ bản của tần số mét theo phương
pháp này là Mạch cộng hưởng. Mạch này ược kích thích bằng nguồn tín hiệu cần o tần số
cần o thông qua Khối ghép tín hiệu. Việc iều chỉnh ể thiết lập trạng thái cộng hưởng nhờ
dùng Khối iều chuẩn. Hiện tượng cộng hưởng ược phát hiện bằng Khối chỉ thị cộng hưởng.
Khối này thường dùng Vôn mét tách sóng ỉnh. Thang o tần số có thể ược khắc ộ trên thang
chia ộ của khối iều chuẩn.
Tuỳ theo dải tần số mà cấu tạo của mạch cộng hưởng khác nhau. Có 3 loại mạch cộng hưởng:
- Mạch cộng hưởng có L, C tập trung.
- Mạch cộng hưởng có L, C phân bố.
- Mạch cộng hưởng có L phân bố, C tập trung. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha Mạc h Chỉ thị U fx Khối ghép tín hiệu cộng cộng hưởng hưởng Chỉ thị Điều kết quả chuẩn
Hình 6.7 – Sơ ồ nguyên lý phương pháp o tần số dùng mạch cộng hưởng
a. Tần số mét cộng hưởng có tham số tập trung
Sử dụng mạch cộng hưởng L-C, trong ó C và L ều là các linh kiện có thông số tập
trung. Bộ phận iều chỉnh cộng hưởng chính là tụ biến ổi C có thang khắc ộ theo ợn vị tần số.
Tín hiệu cần o tần số Ufx ược ghép vào mạch cộng hưởng thông qua cuộn ghép Lg.
Mạch chỉ thị cộng hưởng là mạch ghép hỗ cảm giữa cuộn dây L2 và L và sử dụng mạch
tách sóng bằng Điốt kết hợp với Vôn mét một chiều dùng CCĐ từ iện ể xác ịnh biên ộ iện áp trên cuộn L2..
Khi o ta ưa Ufx vào và iều chỉnh tụ C ể mạch cộng hưởng. Khi ó cơ cấu o sẽ chỉ thị cực ại. f x 1 2 LC
Tần số mét loại này thường dùng trong dải sóng: 10 kHz 500 MHz, sai số khoảng từ 0,25% ến 3%. U fx Lg L Tụ iều C chỉnh D Chỉ thị cộng L 2 hưởng
Hình 6.8 – Tần mét sử dụng mạch cộng hưởng có tham số tập trung lOMoARcPSD| 36067889
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha
b. Tần số mét cộng hưởng có tham số phân bố dùng ống dẫn sóng
Mạch cộng hưởng là một oạn ống dẫn sóng, có thể là loại ống dẫn sóng chữ nhật hay
ống dẫn sóng tròn, một ầu ược ngắn mạch, ầu kia ược ngắn mạch bởi Piston P có thể iều
chỉnh dọc theo ống bởi hệ thống róng cưa xoắn ốc ược khắc ộ o tần số. Cơ cấu như vậy tạo
ra hốc cộng hưởng. Tín hiệu siêu cao tần cần o bước sóng ược ghép vào hốc cộng hưởng
thông qua vòng ghép Vg. Còn vòng ghép V ghép tín hiệu ra mạch chỉ thị cộng hưởng sử
dụng Vôn mét tách sóng sử dụng CCĐ từ iện. Ví trí các vòng ghép ở gần vị trí nối tắt cố
ịnh ể sao cho các vị trí này gần với vị trí bụng sóng trong quá trình iều chỉnh.
Điều chỉnh Piston ể CCĐ chỉ thị cực ại, như vậy sẽ nhận ược nhiều ví trí khác nhau
của Piston mà khi ó tại Vg có cộng hưởng, tại ví trí của Vg là bụng sóng. Khi dịch chuyển
Piston với ộ dịch chuyển bằng bội số nguyên lần /2 sẽ ạt các iểm cộng hưởng liên tiếp.
Có thể xác ịnh bước sóng bằng xác ịnh ộ dịch chuyển của Piston tại 2 iểm cộng hưởng lân cận: li+1-li= /2
Như vậy có thể khắc ộ thang o bước sóng hoặc tần số trực tiếp trên hệ thống iều chỉnh của Piston.
Tần số mét với hốc cộng hưởng nay thích hợp với dải sóng nhỏ hơn 3cm.
Do có hệ số phẩm chất cao (khoảng 30000) nên sai số của nó nhỏ khoảng (0,01 0,05)%.
Hình 6.9 – Tần mét cộng hưởng dùng ống dẫn sóng lOMoARcPSD| 36067889
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha
6.2. ĐO GÓC LỆCH PHA
6.2.1. Khái quát các phương pháp o góc lệch pha
Các phương pháp cơ bản ược sử dụng ể o góc lệch pha giữa 2 tín hiệu cùng tần số:
Phương pháp o dựa vào ồ thị dạng sóng của tín hiệu, Phương pháp biến ổi góc lệch pha
thành iện áp, Phương biến ổi góc lệch pha thành khoảng thời gian.
a. Phương pháp o dựa vào ồ thị dạng sóng của tín hiệu
Phương pháp này thường sử dụng ô-xi-lô ể quan sát ồng thời 2 tín hiệu và dựa vào
dạng sóng này ể xác ịnh góc lệch pha của chúng, hoặc sử dụng chế ộ quét lissajous, dựa
vào dạng dao ộng ồ lissajous ể xác ịnh góc lệch pha. Các cách o này ã ược trình bày trong chương 4.
b. Phương pháp biến ổi góc lệch pha thành iện áp U U t m2 U m1 U h - U
Giả sử cần o góc lệch pha của 2 tín hiệu u m2 1 và u 2 . u1(t)=Um1sin( t+ 1)
u2(t)=Um2sin( t+ 2) Góc lệch pha giữa u2 và u1 là: = 2- 1
Xét iện áp tổng ut=u1+u2 và iện áp hiệu uh=u1-u2.
Tổng hợp bằng giản ồ Vector ta có biểu thức tính biên ộ của iện áp tổng và hiệu như sau: U t2 Um21 Um22 2U Um1 m2 cos
Uh2 Um21 Um22 2U Um1 m2 cos Uh
Chọn Um1 Um2 Um ta có: tg 2 Ut lOMoARcPSD| 36067889
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha U 2.arctg h Ut
Như vậy nếu o ược biên ộ của iện áp tổng và iện áp hiệu là Ut và Uh thì sẽ xác ịnh ược
ộ lớn góc lệch pha giữa 2 iện áp .
c. Phương biến ổi góc lệch pha thành khoảng thời gian Nguyên lí chung:
Biến ổi các iện áp u1 và u2 có dạng hình sin thành các xung nhọn ơn cực tính tương
ứng Ux1 và Ux2 với các thời iểm mà iện áp biến ổi qua giá trị 0 với giá trị ạo hàm cùng dấu,
nhờ mạch tạo dạng xung.
Xác ịnh khoảng thời gian giữa 2 xung gần nhau của 2 iện áp xung, khoảng thời gian
này tỉ lệ với góc lệch pha của chúng: 0 2 (rad) hay 360 T T u 1 Mạch Tạo dạng vào 1 xung 1 U x1 S U T Triger R u 2 Mạch Tạo dạng U x2 vào 2 xung 2 U th u 1 u 2 t U x1 t U x2 t U T T U m t lOMoARcPSD| 36067889
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha
Hình 6.10 – Sơ ồ và giản ồ thời gian minh họa phương pháp biến ổi góc lệch pha thành khoảng thời gian
Để việc xác ịnh tỉ số
thuận lợi, ưa xung Ux1, Ux2 vào các ầu vào thiết lập S T
và xóa R của Triger ể tạo ra xung vuông UT có ộ rộng xung , chu kỳ T=T1=T2, biên ộ
Um=const. Dựa vào xung UT có thể dùng phương pháp tương tự hoặc phương pháp số ể o tỉ số ó.
+ Phương pháp tương tự:
Sử dụng Vôn mét trung bình ể o trị số iện áp trung bình của UT, khi ó: U T Um T 0 UT => 360 U m
Như vậy có thể khắc ộ thang o góc lệch pha trên thang o của Vôn mét trung bình.
+ Phương pháp số: Đo bằng phương pháp ếm xung, nguyên lý o này thường T
ược sử dụng cho Pha mét số. 6.2.2. Pha mét số
Pha mét số thường ược thiết kế theo phương pháp biến ổi góc lệch pha thành khoảng
thời gian, và các khoảng thời gian này ược o băng phương pháp ếm xung. Sơ ồ khối rút
gọn của Pha mét số theo nguyên lý này như Hình 6.11. Chức năng chính của các khối trong sơ ồ như sau:
+ Mạch vào: thực hiện tiền xử lý tín hiệu vào, lọc nhiễu, phân áp, tiền khuếch ại,..
+ Tạo dạng xung: biến ổi tín hiệu vào tạo ra các xung nhọn ơn cực tính Ux1, Ux2 tại
các thời iểm mà iện áp biến ổi qua giá trị 0 với giá trị ạo hàm cùng dấu, chu kỳ xung
T=T1=T2 - chu kỳ tín hiệu vào.
+ Trigger: tạo ra xung vuông có ộ rộng và chu kỳ T chính là nhờ Ux1, Ux2 (Ux1 ược
ưa vào ầu thiết lập S của Trigger, Ux2 ược ưa vào ầu xoá R của Trigger).
+ Tạo xung chuẩn: Tạo xung dùng thạch anh, tạo xung vuông có tần số lớn, ộ chính xác cao, chu kỳ là Tch lOMoARcPSD| 36067889
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha
+ Tạo dạng xung o: Tạo xung o có ộ rộng To iều khiển óng mở khóa K2, và tạo ra xung
xóa bộ ếm, xung chốt mạch giải mã.
Giản ồ thời gian minh họa hoạt ộng của nó như Hình 6.12.
Xung UT từ Trigger sẽ iều khiển óng mở Khoá 1. Mỗi khi có xung, xung ếm Uch từ
bộ tạo xung chuẩn sẽ ược ưa qua Khoá 1 và ầu ra của khoá 1 là xung Un - là 1 chuỗi gồm
nhiều nhóm xung chuẩn và ược ưa vào Khoá 2.
Xung o U iều khiển óng mở Khoá 2 trong thời gian có xung o To. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha
Hình 6.12 – Giản ồ thời gian minh họa hoạt ộng của Pha mét số
Giả sử có h nhóm xung ược ưa qua Khoá 2 vào kích thích cho bộ ếm xung, tổng số
xung ếm ược là Nx, số xung Nx này ược ưa qua mạch giải mã và mạch chỉ thị ể hiển thị kết
quả là góc lệch pha cần o.
Ta có góc lệch pha giữa 2 tín hiệu u1(t) và u2(t) là: 0 360 T
(n là số xung của 1 nhóm xung, Tch là chu kỳ xung chuẩn). lOMoARcPSD| 36067889
Chương 6 – Đo tần số, khoảng thời gian và góc lệch pha Nx =>
nTch và T=To/h với n h T
360 ch .Nx Tdo
Đánh giá sai số: Sai số của máy o do các nguyên nhân sau: - Do sai số của fch. 1 1
- Do sai số lượng tử: và h n
- Sai số do ộ không ồng nhất của kênh 1, kênh 2 là Khắc phục:
+ Đưa tín hiệu u1(t) hoặc u2(t) vào cả 2 kênh, giả sử Phamét chỉ thị giá trị là 0 thì
kết quả o ược hiệu chỉnh lại như sau: o 0
+ Quá trình hiệu chỉnh này có thể ược thực hiện nhờ bộ ếm xung thuận nghịch.
CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Nêu khái niệm tần số và tần số góc?
2. Nêu tên các nhóm phương pháp o tần số?
3. Nêu một số ứng dụng của phép o tần số?
4. Nêu tên 2 phương pháp o tần số bằng các mạch iện có các thông số phụ thuộc tần số?
5. Kể tên 3 thiết bị o tần số bằng phương pháp cộng hưởng?
6. Kể tên 2 phương pháp o tần số bằng phương pháp số?
7. Vẽ sơ ồ khối, nêu chức năng các khối, giản ồ thời gian và nguyên lí làm việc, sai
số của Tần số mét số theo phương pháp xác ịnh nhiều chu kì.
8. Vẽ sơ ồ khối, nêu chức năng các khối, giản ồ thời gian và nguyên lí làm việc, sai
số của Tần số mét số theo phương pháp xác ịnh một chu kì.
9. Trình bày nguyên lí o di pha bằng phương pháp o khoảng thời gian?
Vẽ sơ ồ khối, nêu chức năng các khối, giản ồ thời gian và nguyên lí làm việc, sai số của pha mét số. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 7 – Đo công suất
CHƯƠNG 7 – ĐO CÔNG SUẤT
7.1. KHÁI NIỆM VỀ ĐO CÔNG SUẤT
Công suất và năng lượng là các ại lượng cơ bản của phần lớn các ối tượng quá trình
và hiện tượng vật lý. Vì vậy việc xác ịnh công suất và năng lượng là một phép o rất phổ
biến. Trong giới hạn của bài giảng này chỉ tập chung vào o công suất tác dụng của tín hiệu
iện tử trên tải hay truyền qua vật dẫn.
7.1.1 Các thành phần công suất
Khái niệm: Công suất là năng lượng iện từ truyền giữa các hệ thống hay giữa các phần
tử của hệ thống trong một ơn vị thời gian.
Công suất tác dụng là năng lượng iện từ trường tiêu thụ trên tải trong một ơn vị thời
gian. Nếu tín hiệu trên tải là tuần hoàn với chu kỳ T, công suất tác dụng ược xác ịnh như sau: P 1 t 0 T 0 T 0 pdt 1 t0
u t i t( ). ( ).dt 1
t0 n T. u t i t( ). ( ).dt T t T t nT. t0
Trong, công suất tức thời p=u(t).i(t), với u(t) và i(t) là trị số tức thời của iện áp và dòng iện trên tải.
a. Tín hiệu một chiều
+ Công suất tác dụng một chiều trên tải thuần trở: P=U.I=I2.R=U2/R Trong
ó U, I là iện áp và òng iện một chiều trên tải R. b. Tín
hiệu xoay chiều iều hòa một pha + Công suất tác dụng: P=URMS.IRMS.cos
Trong ó URMS và IRMS là trị số hiệu dụng, còn là góc lệch pha giữa iện áp và dòng iện.
Trị số cos ược gọi là hệ số công suất, biểu thị ặc tính của tải: cos Rt Zt Z 2 2 t R
X là trở kháng tương ương, R t t
t , Xt là iện trở và iện kháng của lOMoARcPSD| 36067889
Chương 7 – Đo công suất tải.
+ Công suất toàn phần: S= URMS.IRMS
+ Công suất phản kháng: Q= URMS.IRMS.sin c.
Tín hiệu xung
Khi mạch iện công tác ở chế ộ xung, thì cần xác ịnh trị số công suất xung. Trị số công
suất xung là trị số công suất trung bình trong khoảng thời gian tồn tại của xung. 1 P T p Pxg 0 uidt.
Trị số công suất trung bình thì bằng trị trung bình trong khoảng chu kỳ lặp lại của xung: 1 P T avg T 0 uidt.
Quan hệ giữa Pp và Pavg là: P avg Pp T
Trong ó: ược gọi là hệ số tải, hay hệ số lấp ầy (Duty Cycle) T
d. Công suất siêu cao tần
Trong dải siêu cao tần phép o công suất ược sử dụng chủ yếu ể ánh giá năng lượng
của tín hiệu. Trong ó công suất tác dụng chung bình ược sử dụng phổ biến cho các tín hiệu
RF và siêu cao tần, còn khái niệm công suất xung, công suất ường bao ỉnh ược sử dụng
hiệu quả hơn cho các dạng tín hiệu xung của các hệ thống Rada hay hệ thống ịnh vị.
Trong kỹ thuật iện tử, thông tin, giới hạn lượng trình o công suất khá rộng. Từ các
thiết bị có công suất lớn như máy phát, ến các thiết bị có công suất nhỏ như máy thu, máy lOMoARcPSD| 36067889
Chương 7 – Đo công suất
o… . Các thiết bị này có công suất từ 10-6W ến 107W, ở các chế ộ công tác khác nhau, như
chế ộ công tác liên tục hay chế ộ xung.
7.1.2. Đơn vị công suất
Về ơn vị o công suất, ơn vị tuyệt ối là Oát (W); kể cả các ơn vị ước số và bội số của
oát, từ micro oát ( W) tới mêga oát (MW). Ngoài ra trong o lường còn ược dùng các ơn
vị công suất tương ối như êxiben oát, êxiben mili oát… (dbW, dbm …) Đơn vị công suất tương ối: dB 10log10 P 10log10 P W[ ] Pref 1W
Trong ó, P là trị số công suất tính bằng W; Pref là trị số công suất ban ầu, và thường bằng 1W. dBm 10log10 P 10log10 P[mW] Pref 1mW
Trong ó, P là trị số công suất tính bằng mW; Pref là trị số công suất ban ầu, và thường bằng 1mW.
Với các ơn vị công suất tương ối này, cho ta khái niệm về so sánh các mức công suất
ở các vị trí khác nhau một cách thuận tiện, nhất là trong kỹ thuật thông tin. Ví dụ nói dải
công suất từ +63dB ến -153dB ngắn gọn hơn là nói dải công suất từ 2x106W ến 0,5x10- 15W.
7.1.3 Các nguyên lý o công suất
Việc o công suất trong kỹ thuật iện tử, ngoài iều phải thực hiện với một dải lượng
trình o lớn, ta còn phải thực hiện với một dải tần số o rất rộng. Do ó có nhiều phương pháp
o khác nhau thích ứng với các trường hợp cụ thể ể ạt ược sai số cho phép. Thường thì các
phương pháp o cơ bản tùy thuộc vào khả năng chế tạo thiết bị nên chỉ thích hợp cho sử
dụng trong từng tần oạn. Tuy nhiên, cũng có các phương pháp có thể áp dụng với mọi tần
oạn tùy theo yêu cầu cụ thể của phép o với một mức ộ nào ó.
Ở các mạch iện một chiều, mạch xoay chiều tần số công nghiệp (50Hz, 60Hz), âm
tần, và cả tần số cao tần, thì phép o công suất ược thực hiện bằng phương pháp o trực tiếp
hay o gián tiếp. Đo trực tiếp công suất có thể thực hiện bằng oát-mét. Oát-mét có ộ biến ổi
các ại lượng iện là một thiết bị “nhân” iện áp, và dòng iện trên tải ể sao cho nó ầu ra ược
trực tiếp chỉ thị ại lượng o là: P=URMSIRMScos . Thiết bị nhân này ví dụ như dụng cụ iện
ộng, loại oát-mét dùng bộ biến ổi “Hôn” và loại dùng các bộ nhân iện tử. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 7 – Đo công suất
Đo gián tiếp công suất thì ược thực hiện bằng phép o dòng iện, iện áp và trở kháng.
Phép o công suất bằng vôn-mét và ampe-mét thì ơn giản, song trong nhiều trường hợp,
không thể ược thuận lợi như phương pháp o trực tiếp.
Ở siêu cao tần, o công suất là một trong những phép o cơ bản, chủ yếu ể xác ịnh
thông số ặc tính của tín hiệu. Phép o ược thực hiện bằng các phương pháp biến ổi năng
lượng iện từ thành các dạng năng lượng khác ể o. Các dạng năng lượng khác ví dụ như
quang năng (phương pháp dùng tế bào quang iện), nhiệt năng (phương pháp dùng nhiệt
lượng-mét, iện trở), hay cơ năng (phương pháp dùng tác dụng cơ học của sóng iện tử). Các
phần tiếp theo sau ây sẽ xét tới các phương pháp cơ bản ể o công suất siêu cao tần.
Hiện nay, có một phương pháp o công suất ược dùng nhiều ở tất cả các tần oạn trong
dải tần số trong iện tử là phương pháp dùng hiệu ứng “Hôn” trong chất bán dẫn. Ta cũng
sẽ xét tới phương pháp này.
Độ chính xác của các phép o công suất ở kỹ thuật iện tử, ược coi là cao nếu như sai số
không quá 5%, và là trung bình nếu sai số không quá 25%.
Về mức ộ, thì công suất của thiết bị ược coi là lớn khi có trị số lớn hơn 10W; là trung
bình khi có trị số từ 10W ến 0,1W; và ược coi là bé khi trị số từ 0,1W ên 106W.
Về cơ bản có hai nguyên lý chung ược sử dụng chủ yếu ể công suất ó là:
+ Nguyên lý o công suất kiểu truyền dẫn (Transmission Type): Thiết bị o công suất
sẽ xác ịnh công suất truyền từ nguồn ến tải thông qua thiết bị o. Bản thân thiết bị o công
suất không hấp thụ hoặc hấp thụ một phần rất nhỏ công suất từ nguồn truyền tới tải. Thiết
bị o công suất ở tần thấp và cao tần thường ược xây dựng theo nguyên lý này.
+ Nguyên lý o công suất kiểu hấp thụ (Absorption Type): Thiết bị o công suất hấp
thụ hoàn toàn hay một phần công suất cần o, nó như một tải hấp thụ công suất của nguồn
công suất cần o. Thiết bị o công suất trong dải siêu cao tần thường ược xây dựng theo nguyên lý này.
7.2. ĐO CÔNG SUẤT Ở TẦN SỐ THẤP VÀ TẦN SỐ CAO
Vấn ề o công suất ở âm tần và cao tần ít ược quan tâm. Vì khi cần khảo sát mạch iện
hay thiết bị ở âm tần và cao tần, ta có thể thực hiện các phép o lường ơn giản hơn qua các
thông số ặc tính của trường hợp khác như dòng iện hay iện áp. Song cũng có những trường
hợp o trực tiếp công suất thì tiện lợi hơn. Ta sẽ xét tới những phương pháp o công suất ở
âm tần và cao tần hay dùng, ồng thời nó cũng là cơ sở cấu tạo của Oát-mét ở tần oạn này.
Đo công suất ở tần thấp thường sử dụng phương pháp o công suất kiểu truyền dẫn
(Transmision-type), mà ở ó Oát mét ược thiết kế ể ược kết nối giữa tải và nguồn. Nguyên
lý cơ bản ể xây dựng Oát mét tần thấp là sử dụng các phần tử thu nhận dòng (I sense) và
iện áp (V Sense) trên tải và thực hiện các phép xử lý ể xác ịnh công suất tác dụng theo lOMoARcPSD| 36067889
Chương 7 – Đo công suất
công thức tổng quát ã ịnh nghĩa. Nguyên lý này ược minh họa như Error! Reference source not found.. I sense U sense
Xử lý và hiển thị Oát mét
Hình 7.1 - Nguyên lý cơ bản của Oát-mét tần số thấp Các
phương pháp o công suất tần thấp cơ bản như sau: -
Phương pháp cơ iện: phép nhân ược dựa trên cơ cấu chỉ thị như iện ộng, sắt
iện ộng, tĩnh iện và cảm ứng, trong ó góc quay α của phần ộng là hàm của công suất cần o. -
Phương pháp iện: phép nhân ược thực hiện bởi các mạch nhân tương tự cũng
như nhân số iện tử, tín hiệu ra của nó là hàm của công suất cần o. -
Phương pháp nhiệt iện: sử dụng phương pháp biến ổi thẳng công suất iện
thành nhiệt. Phương pháp này thường ược ứng dụng khi cần o công suất và năng lượng
trong mạch tần số cao cũng như của nguồn laze. -
Phương pháp so sánh: là phương pháp chính xác vì thế nó thường ược sử
dụng ể o công suất trong mạch xoay chiều tần số cao.
7.2.1. Phương pháp cơ iện
Phương pháp này sử dụng cơ cấu o iện ộng hoặc sắt iện ộng ể xây dựng Oát met o
công suất tiêu thụ trên tải một chiều hoặc xoay chiều một pha tần số công nghiệp cũng như
tần số siêu âm ến 15kHz.
Với Oát met iện ộng có thể ạt tới cấp chính xác là 0,01÷0,1 với tần số dưới 200Hz
và trong mạch một chiều, ở tần số từ 200Hz ÷ 400Hz thì sai số o là 0,1% và hơn nữa. Với
Oát met sắt iện ộng với tần số dưới 200Hz sai số o là 0,1 ÷ 0,5 % còn với tần số từ 200Hz
÷ 400Hz thì sai số o là 0,2 % và hơn nữa.
Sơ ồ mạch o công suất trên tải RL sử dụng cơ cấu o iện ộng như Error! Reference
source not found.. Trong ó ở mạch nối tiếp cuộn tĩnh a ược nối tiếp với phụ tải RL. ở
mạch song song cuộn ộng b ược nối tiếp với iện trở phụ Rp. Cuộn tĩnh và cuộn ộng ược
nối với nhau ở hai ầu có ánh dấu *.
Phương trình ặc tính tổng quát của cơ cấu iện ộng: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 7 – Đo công suất 1 Kq ii1 2dt D T 0 Trong ó: i 1 ia iL ( và i 2 ib u t( ) Rp K => q 1 T iL (t). u t( ) dt Kq .PL S PP. L D T 0 Rp D R. p
Như vậy có thể khắc ộ thang o theo công suất tác dụng trên tải. Hình 7.2
- Đo công suất bằng Oát met iện ộng
7.2.2. Phương pháp iện
Đo công suất theo phương pháp iện thì phép nhân ược thực hiện bởi mạch nhân iện tử
tương tự và số. Tín hiệu ra của chúng là hàm của công suất cần o.
Các phương pháp o công suất bằng phương pháp iện phổ biến gồm:
- Phương pháp sử dụng mạch nhân tương tự
- Phương pháp dùng chuyển ổi Hall
-Phương pháp iều chế tín hiệu
a. Phương pháp sử dụng mạch nhân tương tự
Như ã trình bày ở trên, nếu muốn o công suất tác dụng trên tải trong trường hợp dòng
iện là iều hòa P=URMSIRMScos . Việc o công suất trên tải có thể thực hiện trực tiếp phép
nhân iện áp và dòng iện trên tải bằng một thiết bị nhân. Một thiết bị mạch
nhân có nhiều ưu iểm và ược phổ biến dùng là thiết bị nhân ược xây dựng từ mạch tính
toán số học ơn giản. Oát met theo phương pháp này có sơ ồ khối như Error!
Reference source not found.. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 7 – Đo công suất
( x 1 + x 2 ) 2 x x 4 x 1 B ộ
1 + x 2
B ộ bình B ộ 1 x 2
Đồ ng h ồ t ổ ng phương t ổ ng
t ừ iệ n x 2 - x ( 1 x
- 2 ) 2 x 1
B ộ ả o B ộ
x 1 - x 2
B ộ bình x
( 1 - x 2 ) 2 B ộ ả o c ự c t ổ ng phương c ự c x 2 x - 2 Hình 7.3
- Sơ ồ khối Oát mét sử dụng mạch nhân tương tự Nguyên
lý của mạch nhân ược xây dựng dựa vào thuật toán sau: x x 1 2 1 x1 x2 2 x1 x2 2 4
Nếu ở ầu vào mạch iện mà có: x 1
Um sin t; và x2 Im sin
t , tức là các thành
phần iện áp và dòng iện trên tải, thì ở ầu ra sẽ có iện áp: 4x x 1 2 4U Im m sin tsin t
Biến ổi lượng giác tích số trên, ta có: 4x x 1 2 2U Im m cos
2U Im m cos 2 t => x x 1 1 2 U Imm cos
1U Imm cos 2 t 2 2
x x1 2 U RMS IRMS cos
1U Imm cos 2 t 2
Ở ây, iện áp ược o bằng ồng hồ từ iện, song song với ồng hồ có ược mắc tụ iện, nên
trị số chỉ thị của kim ồng hồ là chỉ tương ứng với thành phần một chiều chính là công suất
tác dụng cần o trên tải.
Để có ược phần tử có ặc tuyến bậc hai thì có thể dùng nhiều cách như các phần tử
tách sóng hiệu dụng. Ví dụ như phần ầu của ặc tuyến dòng iện-iện áp của i-ốt hoặc của
tranzito. Nhược iểm của các oát-mét dùng phương pháp nhân bằng ặc tuyến bậc hai là yêu
cầu èn phải có ặc tuyến ồng nhất. Vì vậy nó thường có sai số khi èn có biến ổi ặc tuyến,
như khi èn bị già i, khi èn bị thay thế hay khi có sự thay ổi iện áp cung cấp. Để nâng cao ộ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 7 – Đo công suất
chính xác thì iện áp cung cấp cho mạch phải ổn ịnh; nên thường hay thực hiện hồi tiếp dòng iện.
Sai số của các loại oát-mét này thường vào khoảng 5 10%. b.
Phương pháp o công suất bằng hiệu ứng “Hall”
Đo công suất bằng phương pháp hiệu ứng “Hall” là dùng oát-mét cấu tạo bằng bộ biến ổi Hall.
Bộ biến ổi Hall là bộ biến ổi dùng hiệu ứng Hall, ó là thiết bị có thể thực hiện ược
phép nhân hai ại lượng. Kết quả biến ổi ược cho dưới dạng iện áp, và là một trị số tỷ lệ với
tích số của hai ại lượng ưa vào bộ biến ổi. Hình 7.4
- Sơ ồ nguyên lý Oát met dùng biến ổi Hall
Hiệu ứng Hall thực hiện bằng vật liệu bán dẫn thì cho dòng linh ộng lớn. Vì vậy các bộ
biến ổi Hall thường ược cấu tạo bằng các chất bán dẫn (Ge, Si, Se…).
Nguyên lý Oát met dùng biến ổi Hall như Error! Reference source not found..
Cấu tạo của bộ biến ổi Hall gồm một bản mỏng bằng chất bán dẫn ơn tinh thể, có hai cặp
iện cực: cặp dòng iện T-T ược mắc vào nguồn iện một chiều hoặc xoay chiều. Cặp iện áp
X–X. Khi ặt vuông góc với bề mặt chuyển ổi một từ trường thì xuất hiện ở hai ầu X-X một
thế iện ộng gọi là thế iện ộng Hall ược tính như sau: e x k Bix . x Trong ó:
+ kx: là hệ số mà giá trị của nó phụ thuộc vào vật liệu, kích thước và hình dáng của
chuyển ổi, ngoài ra còn phụ thuộc vào nhiệt ộ của môi trường xung quanh và giá trị của từ trường.
+ B: là ộ từ cảm của từ trường.
Thực hiện một Oát met bằng chuyển ổi Hall bằng cách ặt chuyển ổi vào khe hở của
một nam châm iện. Dòng iện i qua cuộn hút L của nó chính là dòng iện i qua phụ tải ZL.Còn lOMoARcPSD| 36067889
Chương 7 – Đo công suất
ở hai cực T-T có dòng iện tỉ lệ với iện áp ặt lên phụ tải ZL. Điện trở phụ RL ể hạn chế dòng.
Hướng của từ trường ược minh họa bởi ường chấm chấm như
trong hình vẽ. Nam châm iện ược cấu tạo sao cho quan hệ giữa dòng iện iL và B là tuyến tính: B k i i . L k uu L
Thế iện ộng Hall lúc ó sẽ ược tính: e x
k k u ix u . L. x
k P. Như vậy ex ược o bằng milivônmet và tỉ lệ với công suất cần o.
Đặc iểm của Oát met sử dụng chuyển ổi Hall: cho phép o công suất xoay chiều với tần số ến hàng trăm MHz.
Ưu iểm: không có quán tính, có cấu tạo ơn giản, bền, tin cậy. Nhược
iểm: có sai số do nhiệt ộ lớn.
c. Đo công suất bằng phương pháp iều chế tín hiệu
(a) – Sơ ồ khối (b) – Giản ồ thời gian
Hình 7.5 - Oát met theo phương pháp iều chế ộ rộng xung với iều chế biên dộ xung
Phương pháp iều chế tín hiệu dựa trên việc nhân các tín hiệu uu (tỉ lệ với iện áp trên tải cần o) và
ui (tỉ lệ với dòng iện trên tải cần o) trên cơ sở iều chế hai lần tín
hiệu xung. Các tín hiệu tương tự uu và ui ược biến ổi thành tần số, chu kì, biên ộ, ộ
rộng của tín hiệu xung sau ó lấy tích phân.
Thông dụng nhất là kết hợp giữa các loại iều chế sau ây:
+ Điều chế ộ rộng xung với iều chế biên ộ xung: (ĐRX-BĐX). lOMoARcPSD| 36067889
Chương 7 – Đo công suất
+ Điều chế ộ rộng xung với tần số xung : (ĐRX-TSX).
+ Điều chế tần số xung và biên ộ xung: TSX-BĐX.
Xét Oát met trên phương pháp ĐRX–BĐX: có sơ ồ cấu trúc như Error! Reference
source not found.-a và nguyên lý như Error! Reference source not found.b.
Tín hiệu vào ui ược iều chế thành ộ rộng t của xung (ĐRX) ược phát ra từ máy phát
tần số chuẩn f0=1/T0. Ở ầu ra của iều chế ĐRX có các xung với ộ rộng ti = k.ui, tín hiệu
này sẽ ược ặt vào bộ iều chế biên ộ xung BĐX và ược iều chế biên ộ bằng tín hiệu uu(t).
Khi T0 → 0 thì diện tích của mỗi xung ở ầu ra của bộ iều chế biên ộ tỉ lệ với công suất tức thời: S(t) = uuti = k.uuui
Như vậy iện áp ra của bộ tích phân (TP) sẽ có giá trị tỉ lệ với công suất trung bình P.
Sai số của các Oát met sử dụng các cặp iều chế là ở chỗ ộ dài của chu kỳ iều chế bị hạn
chế. Điều này làm cho dải tần bị hạn chế.
Ví dụ: với T0 = 5μs và tần số của các tín hiệu vào là 10kHz thì sai số của Oát met iều chế
ĐRX–BĐX cỡ khoảng 0,1%.
Ở Nhật Bản phương pháp iều chế ã ược sử dụng ể chế tạo chuẩn ơn vị công suất iện
trong khoảng tần số từ 40Hz ến 1000Hz có ộ chính xác cao, với sai số hệ thống từ 0,01÷0,2%.
d. Máy o công suất số vạn năng
Máy o công suất vạn năng cho phép o ược ầy ủ 8 ại lưọng iện năng: dòng iện hiệu
dụng (Irms), iện áp hiệu dụng (Urms), công suất hiệu dụng (Watt), công suất phản kháng
(VAR), công suất toàn phần (VA), hệ số công suất (cos ), tần số (f), iện năng. Sơ ồ cấu
trúc của một loại máy o công suất vạn năng ã ược thiết kế chế tạo thử nghiệm ở Việt Nam
như Error! Reference source not found.-b. Máy o công suất vạn năng PMM100 ó cho
phép giao tiếp với người sử dụng qua một màn hình LCD (2x16) và các phím bấm và có
ầy ủ các chức năng o cơ bản của máy o công suất vạn năng như trình bày ở trên. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 7 – Đo công suất
(a) – Cấu trúc máy chung của máy o công suất số vạn năng
(b) - Sơ ồ cấu trúc máy o công suất vạn năng PMM100 Hình 7.6
- Máy o công suất số vạn năng
Thiết bị o công suất PMM100 sử dụng một ADC tích hợp với DSP của hãng Analog
Device. Các số liệu ược thu thập bởi một vi xử lý. Thiết bị giao tiếp với người sử dụng qua
một màn hình LCD và các phím chức năng. Mạch ệm trước khi vào ADC là một Shunt
dòng o dòng iện và một mạch phân áp ể o iện áp. ADC ược sử dụng là ADE7753 của hãng
Analog Device, ây là một IC o iện chuyên dụng ộ chính xác cao, giao tiếp ơn giản với vi
xử lý qua cổng truyền thông SPI và các thanh ghi truyền thông, không cần cách ly iện với
nguồn iện o. Vi xử lý sử dụng là CY8C26443 của hãng Cypress Micro. Đây là một họ vi
xử lý PsoC (Programmable System on Chip) có tính linh hoạt cao, lập trình ơn giản, công
cụ phát triển giá thành thấp.
ADE7753 có ộ chính xác cao, tuân theo tiêu chuẩn IEC61036 và IEC1268. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 7 – Đo công suất
- Có 2 ADC cấu trúc sigma-delta và DSP cho dữ liệu với ộ chính xác cao trong iều
kiện môi trường và thời gian biến ộng mạnh.
- Tích hợp bộ tích phân số nối trực tiếp ược với các sensor dòng ầu ra tỉ lệ với di/dt.
- Tính các giá trị công suất tiêu thụ, công phản kháng, công suất biểu kiến, giá trị
hiệu dụng của dòng iện, iện áp, Sampled Waveform, với ộ chính xác nhỏ hơn 0,1%.
- Chế ộ chỉ tích luỹ năng lượng dương. Cho phép người dùng ặt mềm ngưỡng sụt
áp, quá iện áp, có khối quản lý nguồn nuôi.
- Cho phép chỉnh ịnh pha và ộ lệch ầu vào.
- Có Sensor o nhiệt ộ trên chip (±30 C).
- Chế ộ truyền thông nối tiếp SPI.
- Chân yêu cầu ngắt và thanh ghi trạng thái ngắt.
- Điện áp chuẩn 2,4V, cho ưa từ ngoài.
- Nguồn nuôi 5V, công suất thấp (25mW).
7.2.3. Phương pháp so sánh
Đo công suất của một nguồn iện ở cao tần, có thể bằng cách so sánh nó với nguồn công
suất dòng iện một chiều hay nguồn dòng iện có tần số thấp.
Ta ã biết phương pháp o công suất dòng iện một chiều hay dòng iện tần số công
nghiệp (50Hz-60Hz); các phương pháp o này thường dễ thực hiện và có ộ chính xác cao.
Ví dụ như o công suất bằng oát-mét iện ộng thì sai số có thể ạt tới (0,1%0,2%).
Phép o so sánh nguồn công suất có thể ược thực hiện bằng nhiều cách. Một trong
các cách này ược dùng thông dụng là so sánh cường ộ sáng của hai èn. Trong hai èn này,
một èn ược nối với nguồn công suất cần o, èn thứ hai ược nối với một nguồn công suất
một chiều hay tần số thấp. Khi ộ sáng của hai èn bằng nhau, iều này có thể xác ịnh ược
nhờ một thiết bị o ánh sáng (quang ộ-mét), hay bằng tế bào quang iện. Khi ã xác ịnh ược
nguồn có công suất dòng iện một chiều, có thể biết ược công suất của nguồn công suất cao tần cần o.
7.3. ĐO CÔNG SUẤT Ở DẢI SIÊU CAO TẦN
Trong o công suất, ở siêu cao tần, thường có hai nhiệm vụ phải giải quyết:
1. Đo công suất trên tải có phối hợp trở kháng, hay o công suất cực ại ược hấp thụ,
của năng lượng từ một nguồn có công suất cần o. Trong phép o này, tải ược xác ịnh, có trị
số bằng trở kháng ặc tính của ường dây và tải là thuần iện trở. Sơ ồ khối của phép o này
như Error! Reference source not found.. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 7 – Đo công suất
Khi o, Oát-mét ược mắc với nguồn công suất cao tần cần o thông qua dây truyền tải.
Như vậy công suất hấp thụ trên iện trở tải của oát-mét phụ thuộc vào sự phối hợp của
nguồn công suất cần o không những chỉ phụ thuộc vào cấp chính xác của oátmét mà còn
phụ thuộc cả vào mức ộ phối hợp của ường dây với nguồn và với tải. Nguồn công P Tải hấp suất cần o thụ Oát mét Biến ổi năng Xử lý và lượng chỉ thị Sensor Meter Hình 7.7
- Đo công suất hấp thụ Nguồn Bộ phận công suất Tải cần o ghép thực P Tải hấp thụ Oát mét Biến ổi năng Xử lý và lượng chỉ thị Sensor Meter Hình 7.8
- Đo công suất truyền thông
2. Đo công suất ược hấp thụ trên tải bất kỳ hay o công suất truyền thông. Trong phép
o này, công suất o ược là một phần của nguồn công suất cần o. Ví dụ cần o công suất bức
xạ trên anten từ nguồn công suất phát ra của một máy phát; hay công suất ưa tới tầng công
suất cuối của tầng trước cuối của một máy phát… Sơ ồ khối của phép o này như Error!
Reference source not found..
Đo công suất trong dải siêu cao tần thường ược thực hiện theo nguyên lý hấp thụ. Oát
met theo nguyên lý này về cơ bản gồm 2 thành phần ó là:
+ Cảm biến công suất (Power Sensor): Hấp thụ toàn bộ hay một phần tỉ lệ công suất
cần o và biến ổi năng lượng ó thành tín hiệu một chiều hoặc tần thấp tỉ lệ với công suất ã lOMoARcPSD| 36067889
Chương 7 – Đo công suất
hấp thụ. Có thể coi thiết bị này gồm 2 thành phần chính ó là tải hấp thụ và thiết bị biển ổi năng lượng.
+ Thiết bị xử lý và chỉ thị (Power Meter): Bao gồm mạch khuếch ại, mạch xử lý cho
phép ánh giá công suất o ược và hiển thị kết quả. Thiết bị này có thể sử dụng chung cho
nhiều loại cảm biến công suất ở các dải tần và dải trình o khác nhau. Thiết bị này có thể
chỉ ơn giản là các máy o tương tự iều chỉnh bằng tay, nhưng hiện nay nó là máy o số nhiều
kênh sử dụng vi xử lý. Hình 7.9
- Hình ảnh của Oát met ở dải siêu cao tần
Tùy theo phương pháp o mà người ta có các biện pháp biến ổi năng lượng thích hợp và
trực tiếp hay gián tiếp chỉ thị. Đó cũng chính là cơ sở cấu tạo của các loại oát-mét.
Hiện nay trong dải siêu cao tần có 3 loại cảm biến công suất trung bình ược sử dụng
phổ biến ó là: Điện trở nhiệt (Thermistor), Cặp nhiệt iện (Thermocouple), và Bộ tách sóng
bằng iốt (Diode Detector). Mỗi loại cảm biến sử dụng các khác nhau ể biến ổi công suất
sóng RF và siêu cao tần thành tín hiệu một chiều hay tần thấp.
7.3.1. Oát met sử dụng cảm biến iện trở nhiệt a/
Cấu tạo của iện trở nhiệt:
Cấu tạo của Bôlômét: là 1 sợi dây iện trở rất mảnh làm bằng bạch kim hay vônfram,
ược ặt trong bình thuỷ tinh.
Trong bình có chứa khí trơ hay có ộ chân không cao ể giảm sự truyền nhiệt ra môi trường
và tăng tốc ộ ốt nóng dây iện trở. Chiều dài của sợi dây iện trở phải thoả min 1,
ể sự phân bố dẫn iện trên sợi dây ược ồng ều, ở ây min là ộ dài mãn k: 8 lOMoARcPSD| 36067889
Chương 7 – Đo công suất
cực tiểu của bước sóng iện từ của nguồn công suất cần o.
+ Quan hệ giữa iện trở của Bôlômét và công suất cần o Rb=R0 + a.Pb
R0 : iện trở của Bôlômét khi P = 0; a,b : hệ số tỉ lệ, phụ
thuộc kích thước, vật liệu của bôlômét
+ Dải iện trở của bôlômét: hàng chục ến vài trăm ôm với ộ nhạy (3 12) /mW
Hình 7.10 - Quan hệ giữa iện trở của Bôlômét và công suất cần o Cấu tạo
của Tesmitor: là iện trở cân bằng bán dẫn có hệ số nhiệt âm .
Hai dây bạch kim hoặc iridian có ường kính (20-> 30) c nối với nhau tại hạt cầu
làm bằng bán dẫn, tất cả ược ặt trong bình thuỷ tinh. Điện trở của Tesmitor khoảng (100- > 3000) .
+ Quan hệ giữa iện trở của Bôlômét và công suất cần o (hình 7.9) lOMoARcPSD| 36067889
Chương 7 – Đo công suất
* So sánh giữa bôlômét và tesmitor:
+ Bôlômét có ưu iểm là dễ chế tạo, ặc tính ít phụ thuộc nhiệt ộ môi trường; nhược
iểm: dễ bị quá tải, kích thước lớn nên hạn chế sử dụng ở oạn sóng cm, Zvào nhỏ nên khó
thực hiện phối hợp trở kháng với ường truyền.
+ Tesmitor có ưu iểm là ộ nhạy cao, ít bị quá tải, trị số R lớn, trị số L,C bản thân nhỏ,
kích thước nhỏ, ộ bền cao; nhược iểm: khó chế tạo, ặc tính phụ thuộc t0 môi trường.
b/ Sơ ồ Oátmét dùng iện trở nhiệt xây dựng trên mạch cầu ơn không cân bằng và
hoạt ộng của nó: P x R R 1 t A R R 2 3 R c Hình 7.11
- Mạch cầu ơn không cân bằng
Sơ ồ Oátmét ược nuôi bằng nguồn iện áp 1 chiều với chiết áp Rc dùng ể iều chỉnh
dòng qua các nhánh cầu, với MicroAmpemet chỉ dòng mất cân bằng trong nhánh chỉ thị.
Ở 1 nhánh cầu ta mắc iện trở nhiệt, Trước khi do cần thay ổi iện trở Tesmitor bằng nhiệt
năng của dòng iện qua chuyển ổi (Điều chỉnh chiết áp Rc) ể cầu cân bằng. Lúc này MicroAmpemet chỉ "0".
Khi có nguồn công suất cao tần tác ộng lên Rt làm cho nó giảm R, dẫn tới mất cân
bằng cầu. Lúc này xuất hiện dòng iện qua MicroAmpemet với thang o khắc ộ trực tiếp qua
công suất. Sai số của Oátmét loại này khoảng 10% phụ thuộc chủ yếu vào sự thay ổi nhiệt
ộ môi trường, sự không phối hợp trở kháng của Oátmét với ường truyền và sai số của thiết bị chỉ thị.
c/ Sơ ồ và hoạt ộng của oát mét xây dựng trên mạch cầu ơn cân bằng. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 7 – Đo công suất P x R 1 R t A R R 2 3 R c mA I 0 Hình 7.12
- Cầu ơn cân bằng
Trong sơ ồ, A chỉ thị cân bằng cầu, mA cho biết trị số của công suất. Rt mắc vào 1
nhánh cầu ta lựa chọn R1=R2= R3=Rt Px=0=R.
Khi chưa có nguồn công suất tác ộng lên Rt, tương tự như trường hợp trên ta iều
chỉnh Rc trong mạch ể thay ổi Rt và thiết lập cân bằng cầu. Ở thời iểm cầu cân bằng, A
chỉ "0", còn mA chỉ dòng iện I0 khi có nguồn công suất tác ộng lên Rt làm cho Rt giảm,
cầu mất cân bằng. Để cầu cân bằng ta phải tăng iện trở bằng cách giảm dòng iện trong
mạch. Ở thời iểm cân bằng mA chỉ I0.
Qua hai bước iều chỉnh cân bằng cầu, iện trở của Tesmitor không ổi nên công suất tiêu
thụ trên Tesmitor trong 2 bước như nhau do ó: P t I R02 t (I 0' )2 Rt Px 4 4
Từ ây ta x ược công suất cao tần Px thông qua 2 trị số dòng iện: P x
Rt (I 02 I 0' 2 ) 4
Ưu iểm cơ bản của mạch cầu cân bằng ã xét ảm bảo ược sự phối hợp trở kháng vì
iện trở Tesmitor Rt không thay ổi dưới tác ộng của công suất Px ở các thời iểm cân bằng
cầu. Tuy nhiên thang o của mA không khắc ộ trực tiếp theo công suất vì dòng I0 luôn thay
ổi theo nhiệt ộ môi trường khi Px=0. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 7 – Đo công suất
d. Oát mét số dùng iện trở nhiệt
7.3.2. Oát met sử dụng cảm biến cặp nhiệt iện
7.3.3. Oát mét sử dụng cảm biến tách sóng dùng Điốt lOMoARcPSD| 36067889
Chương 8 – Phân tích tín hiệu
CHƯƠNG 8 – PHÂN TÍCH PHỔ TÍN HIỆU
8.1. GIỚI THIỆU CHUNG PHÂN TÍCH TÍN HIỆU
8.1.1 Giới thiệu chung về máy phân tích tín hiệu
Các máy phân tích tín hiệu (Signal Analyzers) là những máy o cho phép xác ịnh ặc
tính tần số, thời gian, biên ộ ( iện áp hoặc công suất), hay ặc tính logic của tín hiệu. Như
vậy Ô-xi-lô, máy phân tích logic cũng là máy phân tích tín hiệu. Tuy nhiên trong chương
này chỉ tập trung vào trình bày máy phân tích tín hiệu trong miền tần số bao gồm máy phân
tích phổ (Spectrum Analyzer), máy phân tích dạng sóng (Wave Analyzer), và máy phân
tích méo dạng (Distortion Analyzer). Hình 8.1
- Hình ảnh máy phân tích phổ trong thực tế
- Máy phân tích phổ là thiết bị o biểu diễn ồ thị phổ của tín hiệu ( ồ thị biên ộ theo
tần số) của tín hiệu trên màn hình.
- Máy phân tích dạng sóng bản chất là Vôn mét chọn lọc tần số với dải thông hẹp ược
iều chỉnh ược cho phép chọn lọc theo một thành phần tần số của tín hiệu trong khi loại bỏ
các thành phần tần số còn lại.
- Máy phân tích méo dạng, ngược với máy phân tích dạng sóng, cho phép xác ịnh
năng lượng trong khoảng tần số ngoài dải tần xác ịnh của tín hiệu.
Trong chương này chủ yếu trình bày về phương pháp xây dựng máy phân tích phổ
cũng như ứng dụng o lường của nó.
8.1.2. Đồ thị phổ của tín hiệu
Từ hơn một trăm năm trước Baron Jean Baptiste Fourier ã chỉ ra rằng bất kỳ dạng tín
hiệu này tồn tại trong thế giới thực có thể ược tạo ra bằng cách cộng những dạng sóng hình lOMoARcPSD| 36067889
Chương 8 – Phân tích tín hiệu
sin. Hay về biểu diễn toán học biếu ổi Fourier là minh chứng của vấn ề này. Ví dụ dưới dây
minh họa dạng sóng ược tổ hợp từ 2 sóng sin . Hình 8.2
– Cộng hai tín hiệu hình sin
Như vậy chúng ta có thể biểu diễn bất kỳ dạng tín hiệu trong thế giới thực nào bằng
một tổ hợp duy nhất của các dạng tín hiệu hình sin. Đồ thị biểu diễn biên ộ của các tín hiệu
hình sin ó theo tần số chính là phổ biên ộ của tín hiệu hay gọi tắt là phổ của tín hiệu. Hình
8.1 biểu diễn mối quan hệ giữa biểu diễn tín hiệu trong miền thời gian và miền tần số. Trong
ó hình (a) là ồ thị 3 chiều của biên ộ, thời gian, tần số biểu diễn riêng biệt các tín hiệu hình
sin theo thời gian ở các tần số khác nhau, hình (b) là dạng tín hiệu ược tổ hợp từ các dạng
tín hiệu hình sin ó, hình (c) biểu diễn biên ộ của các tín hiệu hình sin tổ hợp nên tín hiệu
theo tần số - hay ây chính là ồ thị phổ của tín hiệu, mỗi ường biểu diễn tín hiệu hình sin
trên ó ược gọi là một thành phần tần số của tín hiệu tổng. Hình 8.1
– Mối quan hệ giữa biều diễn tín hiệu ở miền thời gian và miền tần số lOMoARcPSD| 36067889
Chương 8 – Phân tích tín hiệu Hình 8.3
– Phổ của một số dạng tín hiệu
Hình 8.3 là ví dụ ồ thị thời gian và ồ thị phổ của một số loại tín hiệu phổ biến.
Trong nhiều trường hợp biên ộ của tín hiệu quá nhỏ, khó biểu diễn và quan sát trên ồ
thị biểu diễn tuyến tính, trong trường hợp này ồ thị phổ có thể ược chuyển sang biểu diễn
theo thang logarit (thang dB) như minh họa trong Hình 8.4, công thức chuyển ổi như sau: dB=10 lg(P[W]) = 20 lg (U[V]) Hình 8.4
– Biểu diễn ồ thị phổ theo thang tuyến tính và thang logarit (thang dB) lOMoARcPSD| 36067889
Chương 8 – Phân tích tín hiệu
8.2. MÁY PHÂN TÍCH PHỔ
8.2.1. Ứng dụng o lường của máy phân tích phổ
- Máy phân tích phổ cho phép quan sát toàn cảnh phổ biên ộ của tín hiệu, quan sát ồ
thị phổ theo quan hệ bình phương của biên ộ ối với tần số (phổ công suất) rất hiệu quả trong
việc nghiên cứu các tín hiệu tạp âm.
- Máy phân tích phổ còn cho phép o lường các ặc tính và tham số của tính hiệu như:
+ Đánh giá biên ộ, tần số của các thành phần tần số của tín hiệu
+ Đánh giá ộ rộng phổ tín hiệu, sự phân bố năng lượng của tín hiệu theo tần số.
+ Đánh giá ược các thành phần nhiễu, hệ số S/N, ộ méo dạng của tín hiệu,..
+ Đánh giá ược các ặc tính tần số của tín hiệu iều chế: hệ số iều chế, chất lượng iều
chế, EVM, Độ không cân bằng IQ,…
+ Sử dụng như thiết bị chỉ thị, ví dụ như chỉ thị ộ chọn lọc tần số, chỉ thị ộ suy giảm,
chỉ thị ộ di tần của tín hiệu iều chế.
8.2.2. Các nguyên lý máy phân tích phổ
Có một số nguyên lý khác nhau ể xây dựng Máy phân tích phổ.
Nguyên lý 1: Dựa vào phép biến ổi Fourier, tín hiệu liên tục ược số hóa và sử dụng
kỹ thuật xử lý tín hiệu số (DSP) ể thực hiện biến ổi Fourier nhanh FFT và hiển thị tín hiệu trong miền tần số. Hình 8.5
– Sơ ồ nguyên lý máy phân tích phổ dùng biến ổi Fourier
Ưu iểm của nguyên lý là khả năng của nó ể mô tả hiện tượng ơn lẻ, Có thể ánh giá
ược cả pha và biên ộ của các thành phần tần số.
Tuy nhiên, phân tích phổ dùng biến ổi Fourier có một số hạn chế về dải tần số, ộ nhạy,
và dải trình, và thường ược chỉ sử dụng trong các ứng dụng phân tích phổ tín hiệu ở băng
gốc giới hạn tới 40 MHz.
Nguyên lý 2: Kiểu phân tích tín hiệu vector (Vector Signal Analyzer - VSA), dựa vào
nguyên lý 1 nhưng mở rộng cho phép phân tích tín hiệu tần số vô tuyến RF. Sử dụng kỹ
thuật ổi tần ể ưa dải tần tín hiệu xuống dải tần thấp và thực hiện số hóa rồi và sử dụng FFT.
Máy phân tích phổ kiểu VSA này có dải tần tới 6GHz.
Ưu iểm của máy phân tích phổ theo nguyên lý VSA là nhanh, ộ phân giải cao, và ặc
biệt hữu ích cho phân tích ặc tính của các dạng tín hiệu phức tạp như tín hiệu iều chế sử
dụng trong các ứng dụng truyền thông, quảng bá, video, siêu âm,.. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 8 – Phân tích tín hiệu
Nguyên lý 3: Phân tích phổ dựa vào tính chất chọn lọc tần số của các mạch cộng
hưởng. Như ta ã biết, các mạch cộng hưởng có dải thông tần hẹp (có hệ số phẩm chế khá
cao), thì biên ộ của dao ộng cưỡng bức sẽ cực ại nếu như tần số tác ộng trùng với tần số
cộng hưởng của mạch và biên ộ ó có trị số rất nhỏ khi có lệch cộng hưởng. Như vậy, mạch
cộng hưởng ở ây có tác dụng như một bộ lọc, bộ lọc này có khả năng tách riêng ược các
thành phần tần số khác nhau của tín hiệu trùng với tần số cộng hưởng của mạch và vẽ lại
biên ộ của các thành phần tần số ó trên màn hình tạo thành ồ thị phổ của tín hiệu. Nguyên
lý này cho phép xây dựng các máy phân tích phổ có dải tần làm việc rất cao, hiên nay lên
tới hàng chục GHz. Trong bài giảng này chỉ trình bày máy phân tích phổ ược xây dựng theo
nguyên lý này. Máy phân tích phổ theo nguyên lý này có thể ược xây dựng theo kiểu song
song hoặc nối tiếp. 8.2.3. Máy phân tích phổ song song
a. Nguyên lý chung
Theo nguyên lý phân tích phổ song song sử dụng các bộ lọc cộng hưởng như Hình 8.6.
Giả sử có một hệ thống bộ lọc dải hẹp ược sắp xếp liên tiếp kề sát nhau theo thang
tần số trong dải tần từ fmin fmax. Mỗi ường cong cộng hưởng của bộ lọc ược biểu thị ơn giản
bằng một hình CN, dải thông tần của bộ lọc là f (Hình 8.6-a). Trong dải tần của máy phân tích phổ có n bộ lọc. n fmax f fmin
Nếu tín hiệu ược phân tích có phổ nằm trong dải tần số công tác của bộ lọc trên (Hình
8.6-b) thì khi có tín hiệu vào, mỗi bộ lọc sẽ ược tác ộng ối với riêng từng thành phần phổ
mà tần số của thành phần phổ này tương ứng với tần số của bản thân bộ lọc. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 8 – Phân tích tín hiệu Hình 8.6
– Nguyên lý máy phân tích phổ song song
Điện áp ở ầu ra của mỗi bộ lọc sẽ tỷ lệ với biên ộ của thành phần phổ tương ứng.
Các iện áp này ược o bởi các Vôn mét (Hình 8.6-c). Từ trị số chỉ thị của các vôn mét và
tần số cộng hưởng của mỗi bộ lọc có thể vẽ lại ồ thị phổ của tín hiệu iện áp nghiên cứu.
Máy phân tích phổ theo nguyên lý này có tốc ộ cao, ộ phân giải thấp, giá thành tăng
cao do cần một số lượng rất lớn bộ lọc nếu dải tần tín hiệu phân tích lớn, nên nó không
thích hợp cho máy phân tích phổ ở tần số cao và siêu cao tần. 8.2.4. Máy phân tích phổ nối tiếp
a. Nguyên lý chung (a) (b) Hình 8.7
– Sơ ồ nguyên lý máy phân tích phổ nối tiếp
Nguyên lý phân tích phổ nối tiếp (hay còn gọi là phân tích phổ kiểu quét) chỉ sử dụng
một bộ lọc cộng hưởng duy nhất và thay ổi tần số cộng hưởng của nó liên tục trong dải tần
làm việc cần quan tâm ể lần lượt tách ược từng thành phần tần số của tín hiệu vào và hiển
thị trên màn hình (ví dụ sử dụng CRT). Hình 8.7 mô tả sơ ồ nguyên lý của máy phân tích
phổ nối tiếp, biểu diễn biên ộ tín hiệu ra của bộ lọc theo tần số cộng hưởng của nó sẽ nhận
ược phổ của tín hiệu vào. Nguyên lý này ược sử dụng phổ biến cho máy phân tích phổ tần số RF và siêu cao tần.
Máy phân tích phổ theo nguyên lý này có ộ phân giải cao, giá thành thấp nhưng thời
gian o lớn ( ặc biệt là ở máy có ộ phân giải cao) do thời gian áp ứng của bộ lọc lớn, tốc ộ
quét không ược quá nhanh. Như vậy nguyên lý này chỉ thích hợp cho phân tích tín hiệu có
phổ không thay ổi theo thời gian một chu kỳ quét, nhưng không thích hợp phân tích tín
hiệu có thời gian tồn tại ngắn hoặc có phổ thay ổi theo thời gian. b. Máy phân tích phổ nối
tiếp dùng màn hiển thị CRT
Trong thực tế thường sử dụng bộ lọc cộng hưởng có tần số cộng hưởng cố ịnh và sử
dụng nguyên lý ổi tần ể dịch chuyển phổ của tín hiệu vào lần lượt i qua dải thông của bộ
lọc, do ó từng thành phần tần số cũng sẽ ược tách ra và ược hiển thị trên màn hình. Trong
trường hợp này tín hiệu vào thường ược trộn tần với tín hiệu quét tần số. Sơ ồ rút gọn của
máy phân tích phổ nối tiếp theo nguyên lý nay và sử dụng màn hiển thị CRT như Hình 8.8. lOMoARcPSD| 36067889
Chương 8 – Phân tích tín hiệu
Có thể coi cấu tạo của máy phân tích phổ này gồm 2 phần: Mạch chọn lọc tần số và Điều
khiển hiển thị sử dụng ống tia iện tử CRT (giống như một ô-xilô).
Mạch chọn lọc tần số: có nhiệm vụ lần lượt tách từng biên ộ thành phần tần số của
tín hiệu vào Uth và ưa tới kênh lệch ứng Y của khối iều khiển hiển thị, phần này bao gồm các khối sau:
- Khối mạch vào và phân áp: Nhận tín hiệu cần phân tích phổ vào, thực hiện các phép
tiền xử lý như phối hợp trở kháng, phân áp, tiền khuếch ại,…
- Khối tạo iện áp quét: tạo ra iện áp quét răng cưa tuyến tính liên tục có chu kỳ Tq
vừa ược ưa tới Khuếch ại X ối xứng của khối iều khiển hiển thị CRT vừa ưa tới khối tạo tín hiệu iều tần FM.
- Khối tạo tín hiệu iều tần FM: thực hiện iều tần tín hiệu cao tần tự bộ tạo sóng chuẩn
f0 theo iện áp quét răng cưa tuyến tính Uq tạo ra tín hiệu iều tần uFM có dạng quét tần số:
fq=f0+Kf.Uq=(fmin fmax), biên ổi không ổi.
- Bộ lọc cộng hưởng IF: Bộ lọc có chọn lọc tần số cao, cộng hưởng tại tần số trung
tần fIF, có dải thông hẹp ( f nhỏ), áp ứng biên ộ tần số này có dạng như Hình 8.9-a.
- Khối trộn tần: trộn tần tín hiệu vào có tần số fth và tín hiệu quét tần số uFM, tạo ra
tần số phách, sao cho tần số phách bậc nhất fp=fq-fth lần lượt i qua dải thông của bộ lọc cộng hưởng.
- Mạch tách sóng ỉnh: Mạch tách sóng ỉnh tín hiệu ra của bộ lọc cộng hưởng, dạng
ường bao biên ộ Uy ược ưa tới khối khuếch ại Y ối xứng ể tạo ra iện áp iều khiển cặp lái
ứng Y1Y2 của CRT. Hình ảnh dao ộng ồ có dạng như iện áp này. Trộn tần Mạch Mạch U Bộ lọc (f th ( f ) ( f th p ) IF ) U y Y1 vào và cộng tách sóng phân áp hưởng IF ỉnh Y2 f ( q ) u FM 1 Tạo tín ( f U q U q 0 ) Tạo iện X1 hiệu iều áp quét tần FM X2
Mạch chọn lọc tần số lOMoARcPSD| 36067889
Chương 8 – Phân tích tín hiệu Hình 8.8
– Sơ ồ khối rút gọn của máy phân tích phổ nối tiếp dùng CRT U q t 0 T f q q f f max f f q3 U IF 3 f 3 f q2 U f IF 2 f 2 f q1 U f Đồ thị phổ của tín 1 IF U f 1 th f t hiệu trên màn hình min 0 0 t 1 t 2 t 3 T q
Đáp ứng tần số của bộ lọc U U 1 y U 2 cộng hưởng IF |K IF | U 3 f U q f t f 1 f 2 f 3 f IF t 1 t 2 t 3 ( a ) ( b ) ( c ) Hình 8.9
– Giản ồ thời gian minh họa hoạt ộng của máy phân tích phổ nối tiếp
Giả sử phổ của tín hiệu vào Uth gồm có các thành phần tần số f1, f2,… fn với biên ộ
tương ứng là U1, U2,…Un, ví dụ n=3, giản ồ thời gian minh họa hoạt ộng của máy phần tích
phổ nối tiếp như Hình 8.9. n uth( )t
Ui sin( it i ) i 1
Như vậy tại ầu ra của khối trộn tần cũng gồm có n tần số phách bậc nhất: fpi=fq-fi có
biên ộ tỉ lệ với thành phần tần số fi.
Trong 1 chu kỳ quét hiển thị Tq, giả sử tại các thời iểm ti có: fpi=fqi-fi=fIF, thì thành
phần phách này sẽ chọn lọc bởi bộ lọc cộng hưởng và ược ưa tới Mạch tách sóng ỉnh ể tách
ược ường bao biên ộ của thành phần phách này và ược vẽ trên màn hình CRT, dạng của
ường bao biên ộ phụ thuộc vào áp ứng biên ộ - tần số của Bộ lọc cộng hưởng và giá trị lớn
nhất của ường bao biên ộ biên ộ ó cũng tỉ lệ với biên ộ của thành phần tần số fi của tín hiệu
vào, như vậy có thể nói rằng thành phần tấn số fi ược riêng và vẽ lên màn hình tại thời iểm ti.
Nếu fq ược iều chỉnh thích hợp thì trong thời gian Tq lần lượt từng thành phần tần số
của tín hiệu sẽ ược vẽ trên màn hình CRT, ví dụ như Hình 8.9-c.
+ Đặc tính của máy phần tích phổ nối tiếp: lOMoARcPSD| 36067889
Chương 8 – Phân tích tín hiệu
- Để dạng ồ thị phổ trên màn hình trung thực thì ặc tuyến của mạch tạo tín hiệu iều
tần uFM phải tuyến tính.
- Dải thông của Bộ lọc cộng hưởng f ược lựa chọn tùy theo mục ích vẽ phổ:
o Nếu khoảnh cách giữa các thành phần tần số của tín hiệu vào ủ lớn thì
phải chọn f ủ nhỏ ể trên ồ thị phổ phân biệt ược 2 thành phần tần số lân cận.
o Khi phân tích phổ của tín hiệu có băng tần rộng, các thành phần tần số gần
nhau, thì nên chọn f ủ lớn ể nhận ược ường bao biên ộ của phổ này. U th U th f f f min f max f min f max U p U p f f f pi f q - f max f q f min f - q f q f q - f min |K IF |
Phổ ảnh f f f IF
Hình 8.10 – Hiện tượng phổ ảnh
- Tốc ộ biến ổi của Uq phải phù hợp với tốc ộ áp ứng của các khối tạo tín hiệu iều
tần, khối trộn tần, bộ lọc cộng hưởng, mạch tách sóng ỉnh…
- Các mạch vào, mạch khuếch ại, phân áp không ược gây méo dạng tín hiệu vào,
tránh làm phát sinh các tần số không mong muốn.
- Tần số fq phải ược lựa chọn thích hợp ể tránh phổ ảnh làm sai lệch ồ thì phổ vẽ
ược trên màn hình, như minh họa trong Hình 8.10:
fqmax- fmin fIF và fqmin- fmax fIF
- Các tham số của fq (fqmin, fqmax), fIF cần phải iều chỉnh phù hợp ể máy có thể phân
tích ược toàn bộ dải phổ của tín hiệu (fmin fmax): fmin-fqmin b. Máy phân tích phổ nối tiếp dùng màn hiển thị ồ họa
Về cơ bản sơ ồ khối máy phân tích phổ nối tiếp dùng màn hiển thị ồ họa tượng tự như
sơ ồ khối của máy phân tích phổ nối tiếp dùng màn hiển thị CRT, chỉ khác nhau ở phần xử lOMoARcPSD| 36067889
Chương 8 – Phân tích tín hiệu
lý và hiển thị hình ảnh phổ trên màn hình, tín hiệu phản ánh hình ảnh ồ thị phổ sau bộ tách
sóng ỉnh ược số hóa, ược xử lý số, tính toán tạo ra hình ảnh biểu diễn phổ của tín hiệu và
biễu diễn trên các màn hình ồ họa ví dụ như màn hình LCD. Ví dụ sơ ồ khối của một loại
máy phân tích phổ nối tiếp sử dụng màn hiển thị ồ họa trong thực tế như Hình 8.11. Hình 8.11
– Sơ ồ khối rút gọn máy phân tích phổ dùng màn hiển thị ồ họa lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
CHƯƠNG 9 - ĐO THAM SỐ CỦA MẠCH ĐIỆN TỬ
• Giới thiệu chung
• Đo và kiểm tra các phần tử và mạch iện có tham số tập trung
• Đo các phần tử của mạch iện có tham số phân bố
• Máy o và kiểm tra linh kiện bán dẫn
• Máy phân tích mạng mạch iện (Network Analyzer)
• Máy o theo phương pháp phản xạ mét TDR • Máy phân tích logic
9.0. GIỚI THIỆU CHUNG
Tuỳ thuộc vào tính chất của các phần tử ược sử dụng trong mạch iện có thể chia
thành mạch tuyến tính và mạch phi tuyến. Bản chất của chúng khác nhau nên các thông số
và ặc tính của chúng cũng khác nhau.
Mạch tuyến tính tạo thành từ phần tử có giá trị không phụ thuộc vào dòng iện qua
nó (có thể áp dụng nguyên lý xếp chồng). Đặc tuyến Vôn-ampe của phần tử, của mạch là
ường thẳng. Nguyên lý máy o, phương pháp o dựa vào các tính chất trên. Các phần tử của
mạch tuyến tính thường là iện trở, tụ iện, iện cảm không có lõi sắt, èn iện tử, èn bán dẫn,
các phần tử khuyếch ại khác... làm việc ở oạn ường thẳng của ặc tuyến Vôn-ampe.
Tuỳ theo dải tần công tác của mạch mà cấu tạo các phần tử cũng khác nhau do ó
mạch tuyến tính phân thành 2 loại: Mạch có các phần tử tập chung và mạch iện có phần tử phân bố.
Mạch phi tuyến trong ó giá trị của các linh kiện của mạch phụ thuộc vào cường ộ
dòng iện chảy qua nó, nên không dùng thông số của bản thân nó. Ví dụ iôt, transistor... làm
việc ở phần ặc tuyến không tuyến tính.
9.1. CÁC THAM SỐ VÀ ĐẶC TÍNH MẠCH ĐIỆN
9.1.1. Các tham số, ặc tính của mạch iện có các phần tử tập chung.
Mạch có các phần tử tập chung dùng ở dải tần nhỏ hơn vài chục MHz. Giá trị của
các phần tử tuyến tính không phụ thuộc vào dòng chảy qua nó, người ta lấy các giá trị này
làm thông số ặc trưng cho các phần tử của mạch. Các phần tử thụ ộng: iện trở R thuần tuý
tiêu hao năng lượng, các phần tử iện cảm L và iện dung C có thể tích luỹ năng lượng. Tổ
hợp của chúng tạo thành mạng 2 cực và mạng 4 cực tuyến tính. \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
Bản thân mỗi phần tử R, L, C riêng biệt xem như là mạng 2 cực nên các thông số của
mạng 2 cực là giá trị iện trở R, iện cảm L và iện dung C.
Mạng 4 cực thường bao gồm các phần tử R, L, C mắc nối tiếp, song song hay hỗn hợp 2 cách mắc ó.
Tham số trở kháng
Đặc trưng của mạch, linh kiện là tham số trở kháng trở kháng tương ương toàn phần
Z( ) – mô hình tương ương nối tiếp, và dẫn nạp tương ương toàn phần Y( ) – mô hình
tương ương song song như minh họa trong Hình 9.1. G R X B Z=R+j.X Y=G+j.B
(a) – Sơ ồ tương ương nối tiếp (b) – Sơ ồ tương ương song song
Y 1 G 1 B 1 Z R X Hình 9.1
– Sơ ồ tương ương của mạch, linh kiện iện tử
+ Trở kháng tương ương: Z=R+j.X
Trong ó R, X là iện trở và iện kháng tương ương của mạch.
+ Dẫn nạp tương ương : Y=G+j.B
Trong ó G, B là iện dẫn và iện nạp của mạch. \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử Y=1/Z 2 j + D U T |Y| Y G jB Y
Điệ n d ẫ n 2 B Y G B Real Axis G Y cos Hình 9.2 – Mặt
Y: D ẫ n n ạ p(S, Siemen)
phẳng o lường trở kháng B Y sin
G: Đi ệ n d ẫ n và dẫn nạp
B: Đi ệ n n ạ p argtg Đối với mạch cộng j - G hưởng (mạch dao ộng),
các linh kiện tụ iện, cuộn cảm,... loại mạch hay linh liện này có thêm các thông số khác là
hệ số phẩm chất Q, hệ số tổn hao D, trở kháng ặc tính, tần số cộng hưởng fch. Q 1 P pk 1 X L XC BL BC D Pth tg R R G G
Các thông số kể trên của mạch có phần tử tập chung ược o bằng các máy o: Máy o
iện trở (Ôm mét), máy o iện cảm iện dung, máy o trở kháng toàn phần, máy o hệ số phẩm
chất... Thực tế thường sử dụng các thiết bị o vạn năng o ược nhiều các tham số trên. Hai
loại thiết bị vạn năng phổ biến thường ược sử dụng là máy o RLC và máy phân tích trở
kháng, chúng có thể o các tham số sau: |Z|, θ, |Y|, R, X, G, B, Q hay D.
Đặc tính của mạch iện tử
+ Đặc tính thời gian: ặc trưng cho áp ứng của mạch ối với những tác ộng ột biến
người ta còn dùng ặc tính thời gian ( ặc tính quá ộ), ặc tính thời gian có thể quan sát trực
tiếp trên màn hình ôxilô của máy o ặc biệt hay máy o ặc tính thời gian, từ ặc tính thời gian
có thể xác ịnh các thông số như: Hằng số thời gian, hệ số phẩm chất, và tần số cộng hưởng...
+ Đặc tính tần số: ặc trưng cho phản ứng của mạch ối với những tác ộng iều hoà, ặc tính tần số bao gồm:
- Đặc tính biên ộ tần số A( )=|Ura|/|Uvào| (cho tần số biến ổi;
- Đặc tính pha tần số- quan hệ giữa pha của tín hiệu ra so với tín hiệu vào khi tần số biến ổi ( )= ra/ vào.
Để vẽ các ặc tính tần số này sử dụng bộ tạo dao ộng iều hoà mà tần số có thể biến ổi
ược trong dải rộng và dùng Vôn mét, pha mét o biên ộ iện áp vào và ra góc lệch pha của
chúng, ghi lại kết quả và vẽ từng iểm sẽ ược ặc tính tần số. Thiết bị ặc biệt có thể quan sát \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
trực tiếp ặc tính biên ộ tần số trên màn hình gọi là máy tự ộng vẽ ặc tuyến biên ộ - tần số hay máy Vobulator.
Đối với mạch phi tuyến giá trị của các linh kiện của mạch phụ thuộc vào cường ộ
dòng iện chảy qua nó, nên không dùng thông số của bản thân nó. Điện áp rơi trên các phần
tử phi tuyến không tỷ lệ thuận với dòng iện chảy qua. Tuy khó khăn về tính toán và sử
dụng nhưng phần tử phi tuyến không thể thiếu trong kỹ thuật iện tử – viễn thông. Khi sử
dụng thiết kế mạch cần phải biết chính xác dạng ặc tuyến Vôn-Ampe của các phần tử và
mạch phi tuyến. Cần phải có máy vẽ ặc tuyến này ngay sau khi dây truyền sản xuất phần
tử phi tuyền và in vào sổ tay kèm theo linh kiện.
9.1.2. Các tham số và ặc tính của mạch iện có phần tử phân bố
Như ã biết, mạch có phần tử tập chung là mạch có thể phân tích bằng các lý thuyết
mạch iện thông thường với giả ịnh là khi có một iện áp ặt vào mạch thì tức khắc nó gây tác
dụng ồng thời trên mọi iểm của mạch, và dòng iện trên một mạch vòng khép kín nào ó của
mạch sẽ có trị số về biên ộ và pha như nhau. Do vậy, các phương pháp o thông số của mạch
là có thể dựa theo các ịnh luật cơ bản như ịnh luật Ôm, Kirchoff...
Tuy nhiên. khi kích thước của mạch, nghĩa là chiều dài các dây dẫn và các linh kiện
của mạch bằng một tỷ số áng kể nào ó so với bước sóng của năng lượng truyền lan dọc
theo dây dẫn, lúc ó nếu có một iện áp ặt vào mạch, thì dòng iện có trị số pha khác nhau tại
các iểm khác nhau trong mạch. Khi ó, dùng phương pháp phân tích mạch, các phương pháp
o các thông số như trên sẽ không hoàn toàn chính xác nữa và ngay cả từ các khái niệm về
các thông số như iện cảm, iện dung... như mạch có phần tử tập trung cũng không còn úng
nữa. Với loại mạch như vậy, tức mạch mà sự truyền năng lượng phải mất một thời gian
áng kể, không thể bỏ qua ược thì là loại mạch có phần tử phân bố. Do vậy, các thông số
của mạch cũng ược ặc trưng một cách khác. Ví dụ như ở dây có hiện tượng xuất hiện sóng
ứng của dòng iện và iện áp trên ường dây truyền và trở kháng vào của một oạn mạch là ại
lượng thay ổi theo tần số. Các phương pháp o các thông số cũng khác, mà cơ sở của nó là
lý thuyết truyền sóng trên ường dây (dây ồng trục, ống dẫn sóng).
Để biểu thị tính chất và mức ộ phối hợp trở kháng của ường dây truyền sóng hai
thông số thường ược dùng nhiều hơn cả là: hệ số phản xạ (gamma hoa) và hệ số sóng
ứng SWR (standing wave ratio).
+ Hệ số phản xạ : là tỷ số của iện áp phản xạ (tức iện áp của sóng phản xạ Vr) và iện
áp tới (tức iện áp của sóng tới Vi) tại tải: V r \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử Vi
Nói chung là một số phức, úng ra phải gọi là “hệ số phản xạ iện áp tại tải”, ể phân
biệt với hệ số phản xạ dòng iện, và ể lưu ý là hệ số phản xạ thay ổi theo ví trí trên ường dây truyền.
Hệ số phản xạ khi ược tính theo trị số trở kháng của tải Zt và trở kháng ặc tính của ường
dây truyền sóng W thì công thức như sau: Z Wt Z Wt
Với W Umax Umin Imax Imin U U max U min l Hình 9.3
– Ví dụ phân bố iện áp trên ường dây truyền sóng
Như vậy, hệ số phản xạ có thể dùng ể biểu thị chế ộ công tác của ường dây truyền
sóng. Song trong thực tế o lường thì việc xác ịnh trị số phản xạ thường phức tạp hơn vì cần
phải o ược riêng rẽ mô un của iện áp sóng tới và của iện áp sóng phản xạ. Nên có một
thông số thường còn ược dùng hơn là hệ số sóng ứng, ký hiệu là SWR. Hệ số sóng ứng là
tỷ số iện áp tại iểm cực ại U
và iện áp tại iểm cực tiểu U max min trên ường dây: SWR Umax Umin
Quan hệ giữa hệ số phản xạ và hệ số sóng ứng là: 1 SWR 1 hay: SWR 1 SWR 1 \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
Về phương pháp o, khi o hệ số sóng ứng, và o mô un của hệ số phản xạ, thì cần phải
hoặc là o biên ộ iện áp tại các iểm cực ại và cực tiểu hoặc o riêng rẽ ược biên ộ của iện áp
sóng tới và của sóng phản xạ. Muốn o trở kháng thì còn phải xác ịnh ược thêm vị trí iện
trường cực tiểu, hay xác ịnh ược góc lệch pha giữa sóng tới và sóng phản xạ. Vì vậy, các
thiết bị dùng ể o các thông số này có thể phân chia thành các loại sau:
+ Loại thiết bị dùng ể o ược tỷ số iện áp tại iểm có iện trường cực ại và cực tiểu, hay
xác ịnh vị trí của iện trường cực tiểu (hay cực ại) tính từ một iểm cuối nào ó... Các thiết bị
này ví dụ như các loại dây o, loại dây o có ầu o di ộng ược, và loại dây o có ầu o ặt cố ịnh
có thêm bộ biến ổi pha hay bộ nối tắt biến ổi ược.
+ Loại thiết bị o thứ hai là loại dùng ể o ược tỷ số biên ộ của iện áp sóng tới và sóng
phản xạ. Các thiết bị của loại này ví dụ như phản xạ mét cấu tạo bằng các bộ phân mạch ịnh hướng.
+ Loại thiết bị o thứ ba là các loại cầu o bằng dây ồng trục hay ống dẫn sóng, dùng ể
o trở kháng. Các cầu này dùng phương pháp o so sánh trở kháng cần o với trở kháng mẫu.
9.2 ĐO TRỞ KHÁNG CỦA MẠCH VÀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ
9.2.1 Sai số của phép o trở kháng
Phép o trở kháng thường có sai số khá lớn, và thường có sự khác nhau khá áng kể
giữa các kết quả o cùng một ối tượng với các máy o khác nhau. Nguyên nhân chính xảy ra
sự không ồng nhất này là: - Thành phần ký sinh.
- Mô hình giá trị tham số của linh kiện.
- Các yếu tố ảnh hưởng ến giá trị o.
- Sai số của kỹ thuật o. - Mô hình mạch.
a. Thành phần ký sinh
Các thuộc tính cơ bản của phần tử R, L, C thường ược biểu diễn bởi giá trị danh ịnh
của chúng trong iều kiện tiêu chuẩn hay iều kiện cụ thể nào ó. Tuy nhiên tất cả các phần
tử của mạch thường có tham số và áp ứng không lý tưởng, chúng có các tham số ký sinh:
Điện trở có iện cảm ký sinh, Tụ iện có iện trở ký sinh, Cuộn cảm có iện dung ký sinh,...
Do có các tham số ký sinh nên một phần tử giống như một mạch phức tạp. Ví dụ sơ ồ
tương ương của tụ iện như Hình 9.4. \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử Hình 9.4
– Tụ iện và sơ ồ tương ương của nó
Do các tham số ký sinh ảnh hưởng ển ặc tính của các phần tử, giá trị của các tham số
R, L, C, D, Q và các tham số trở kháng khác liên quan khác phụ thuộc vào iều kiện hoạt
ộng của các phần tử. Những sự phụ thuộc này sẽ ược trình bày trong các phần sau.
b. Các mô hình giá trị tham số của linh kiện
Khi xác ịnh tham số trở kháng của một phần tử ( iện trở, tụ iện, hay cuộn cảm) cần
phải hiểu rõ giá trị ược xác ịnh trong thực tế. Có 3 loại giá trị tham số của linh kiện: Giá
trị lý tưởng, Giá trị thực, Giá trị ược o.
- Giá trị lý tưởng: là giá trị tham số của linh kiện không tính ến ảnh hưởng của các
tham số ký sinh. Mô hình của các phần tử là các phần tử thụ ộng lý tưởng, tham số thuần
không phụ thuộc vào tần số. Trong trường hợp này, giá trị lý tưởng có thể ược xác ịnh bằng
các quan hệ toán học liên quan ến cấu trúc vật lý của linh kiện, ví dụ mô hình lý tưởng của
tụ iện như Hình 9.5-a. Mô hình lý tưởng chủ yếu ược dùng trong môi trường học thuật. C K 0
(a)-Giá trị lý tưởng (b)-Giá trị thực (c)-Giá trị o ược Hình 9.5
– Các loại mô hình giá trị tham số của linh kiện
- Giá trị thực (còn gọi là giá trị hiệu dụng): Mô hình giá trị tham số của kiện tính
ển cả những ảnh hưởng của các tham số ký sinh, ví dụ mô hình tham số thực của tụ iện
như Hình 9.5-b. Giá trị thực là tổng ại số các vector iện trở và phản kháng của phần tử, do
ó nó phụ thuộc vào tần số.
- Giá trị o ược: là giá trị ược xác ịnh và ược hiện thị bởi máy o, ví dụ như Hình 9.5-
c, nó phản ánh sự không chính xác và tổn hao liên quan ến máy ó. Giá trị o luôn có sai số
khi so sánh với giá trị thực và giá trị lý tưởng, và nó cũng khác nhau với máy o khác nhau.
Sự sai khác này phụ thuộc vào nhiều yếu tố.
c. Các yếu tố ảnh hưởng ến giá trị o trở kháng linh kiện và mạch iện tử
Giá trị trở kháng o ược của mỗi linh kiện hay mạch iện tử phụ thuộc vào một số iều
kiện o như tần số và mức tín hiệu thử. Ảnh hưởng của những yếu tố phụ phụ thuộc phần
tử này khác nhau ối với các loại vật liệu ược sử dụng cho linh kiện. Những yếu tố ó như sau: \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
+ Tần số tín hiệu thử
Tần số tín hiệu thử ảnh hưởng ến tham số của linh kiện do có các tham số ký sinh.
Không phải tất cả các tham số ký sinh ều ảnh hưởng ến kết quả o, nhưng một số tham số
ký sinh chủ yếu lại ảnh hưởng ến ặc tính tần số của linh kiện. Các tham số ký sinh ó sẽ
khác nhau khi giá trị trở kháng của phần tử ban ầu khác nhau. Các Hình 9.6 ến Hình 9.8
biểu diễn áp ứng tần số iển hình của tụ iện, cuộn cảm, iện trở thực tế.
Với tụ iện, iện cảm ký sinh là nguyên nhân chính dẫn ến áp ứng tần số có dạng như
Hình 9.6. Tại tần số tự cộng hưởng SRF dung kháng của tụ C và cảm kháng của iện cảm
ký sinh nối tiếp Ls bằng nhau, áp pha của tụ iện là 00, ở dải tần lớn hơn tần số này áp ứng
pha của tụ iện là 900, iện cảm ký sinh lại chiếm ưu thế và trở kháng của tụ iện lại có tính chất cảm kháng.
(a)- Tụ iện thông thường
(b)- Tụ iện có iện trở ký sinh nối tiếp lớn Hình 9.6
– Đáp ứng tần số của Tụ iện \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
(a)- Cuộn cảm thông thường (b)- Cuộn cảm có tổn hao lõi lớn Hình 9.7
– Đáp ứng tần số của Cuộn cảm
(a)- Điện trở có trị số lớn (b)- Điện trở có trị số nhỏ Hình 9.8
– Đáp ứng tần số của iện trở
+ Mức tín hiệu thử
Tín hiệu thử xoay chiều (AC) có thể ảnh hưởng ến kết quả o của một số linh kiện. Ví
dụ kết quả o tụ iện ceramic phụ thuộc vào mức iện áp thử có dạng như Hình 9.9-a. Sự phụ
thuộc này cũng thay ổi theo hằng số iện môi K của vật liệu. Tri số iện cảm của cuộn cảm
có lõi cũng phụ thuộc vào mức dòng iện thử do hiện tượng iện từ trễ của vật liệu chế tạo
lõi. Sự phụ thuộc này ược minh họa như Hình 9.9-b. L / % 2 High 0 K C -2 Mid K -4 Low -6 K -8 -10 -20 0 50 100 Idc (a) (b) Hình 9.9
– Điện dung và iện cảm phụ thuộc và mức tín hiệu thử
+ Điện áp ịnh thiên DC
Điện áp ịnh thiên DC của tín hiệu thử ảnh hưởng rất phổ biến ến các linh kiện tích
cực như Điốt, BJT, FET,... Các loại linh kiện như tụ iện Ceramic có hằng số iện môi cao \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
cũng phụ thuộc vào thành phần một chiều DC của iện áp thử. Cuộn cảm loại có lõi cũng
có trị số iện cảm phụ thuộc vào thành phần một chiều DC của dòng iện thử, do ặc tính bão
hoà từ của vật liệu lõi. + Nhiệt ộ
Hầu hết trị số của các linh kiện ều phụ thuộc vào nhiệt ộ. Hệ số nhiệt là một tham số
quan trọng của iện trở, tụ iện, cuộn cảm. Hình 9.10 là ộ thị biểu diễn sự thay ổi của iện
dung với hằng số iện môi khác nhau theo nhiệt ộ. Hình 9.10
– Điện dung phụ thuộc nhiệt ộ
+ Các yếu tố khác
Một số yếu tố môi trường vật lý và iện khác cũng ảnh hưởng ến kết quả o trở kháng
của linh kiện như: ộ ẩm, trường iện từ trường ngoài, ánh sáng, áp suất, thời gian,...
9.2.2. Mô hình mạch tương ương của các linh kiện
Mặc dù mô hình mạch tương ương của các linh kiện có các tham số ký sinh khá phức
tạp, nó có thể ược rút gọn bằng mô hình mạch song song hoặc nối tiếp ơn giản, trở kháng
tương ương ược biểu diễn thành phần thực ( iện trở tương ương) và thành phần ảo ( iện
kháng tương ương). Ví dụ trong Hình 9.11-a biểu diễn mô hình tương ương tổng quát của
tụ iện gồm: Điện dung C, các tham số ký sinh như iện trở nối tiếp Rs, iện cảm nối tiếp Ls,
iện trở song song Rp. Khảo sát ặc tuyến tần số của tụ iện này, khi tụ làm việc ở vùng tần
số thấp hơn nhiều tần số tự cộng hưởng SRF, có thể bỏ qua thành phần iện cảm ký sinh Ls.
Trong dải tần thấp này tụ iện C có dung kháng lớn, iện trở ký sinh song song Rp càng có
ảnh hưởng lớn, còn iện trở ký sinh nối tiếp Rs không áng kể có thể bỏ qua. Như vậy có thể
thay thế sơ ồ mạch tương tương tổng quát của tụ bằng mạch tương tương song song gồm
có C và Rp. Còn ở tần số cao thì dung kháng của tụ iện C nhỏ, nên có thể bỏ qua Rp và iện
trở Rs là khá áng kể. Như vậy có thể thay thế sơ ồ tương tổng quát của tụ bằng sơ ồ tương
ương nối tiếp gồm C và Rs.
Tóm lại tụ iện làm việc ở tần số thấp có thể thay thế bằng sơ ồ tương ương song song,
còn tụ iện làm việc ở tần số cao thì thay thế bằng sơ ồ tương ương nối tiếp. \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
Phân tích tương tự với cuộn cảm có sơ ồ tương ương tổng quát như Hình 9.11-b, với
cuộn cảm làm việc ở tần số thấp có thể thay thế bằng sơ ồ tương ương nối tiếp, còn cuộn
cảm làm việc ở tần số cao thì thay thế bằng sơ ồ tương ương song song. Hình 9.11
– Mô hình mạch tương ương của linh kiện
9.2.3. Tổng quan các phương pháp o trở kháng
Có nhiều phương pháp o trở kháng của mạch và linh kiện iện tử. Mỗi phương pháp
có những ưu nhược iểm riêng. Không có một phương pháp o nào áp ứng ược tất cả các khả
năng và yêu cầu o. Do ó tùy theo dải tần, dải trình o, các yêu cầu và iều kiện o mà lựa chọn
các phương pháp o phù hợp. Trong phần này sẽ giới thiệu tổng quan các phương pháp o
và nêu ra những ưu và nhược iểm của chúng. \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
1. Phương pháp cầu 4 nhánh cân bằng -
Sử dụng cầu 4 nhánh cân bằng như hình
vẽ bên. Trong ó trở kháng cần o Zx ược mắc vào
một nhánh cầu, 3 nhánh cầu còn lại mắc các trở kháng mẫu Z1, Z2, Z3. -
Nguồn tín hiệu hình sin OSC ược iều
chỉnh ở tần số làm việc của Zx. -
Thiết bị chỉ thị cần bằng D (có thể sử
dụng iện kế, Vôn met, Ampe mét, Ô-xi-lô, Tai
nghe... Khi D chỉ thị 0 nghĩa là không có dòng
qua D thì cầu ạt trạng thái cân bằng. -
Điều chỉnh một hoặc một số trở kháng
mẫu ể cầu cân bằng, khi ó Zx ược tính theo tham
số của các trở kháng mẫu dựa vào iều kiện cầu cân bằng: Z1.Z3=Zx.Z2 => Zx Z1. 3Z Z2
2. Phương pháp cộng hưởng -
Ứng dụng nguyên lý cộng hưởng của
mạch LC. Nguyên lý o này thường ược sử dụng
ể xác ịnh hệ số phẩm chất Q. -
Mắc nối tiếp trở kháng cần o với trở
kháng mẫu. Sử dụng trở kháng mẫu ( iện dung
hoặc iện cảm mẫu) có tính chất ngược với trở
kháng cần ó. Ví dụ Trở kháng cần o Zx có tính
chất cảm kháng và mô hình tương ương nối tiếp
(Lx và Rx) thì sơ ồ nguyên lý mạch o như hình
bên và tụ iện mẫu C ược sử dụng. \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử -
Nguồn tín hiệu hình sin OSC có biên ộ E
không ổi và thường ược iều chỉnh tại tần số làm việc của Zx. -
Sử dụng Vôn met Q ( o trị số hiệu dụng
hoặc ỉnh) ể o iện áp trên C. Có thể khắc ộ thang o Q trên vôn met này. -
Khi o iều chỉnh tụ iện mẫu C ể mạch chỉ
thị trên Q lớn nhất, khi ó mạch cộng hưởng: X C U C R U I E X C . C X X L C U C R R QX E X X
3. Phương pháp I-V tần thấp -
Trở kháng cần o Zx có thể ược xác ịnh
từ giá trị iện áp và dòng iện qua nó. Trong ó
dòng iện có thể ược tính thông qua o iện áp
trên iện trở R mắc nối tiếp với Zx. Zx V 1 V1 .R I V2 -
Thang o iện trở trong ồng hồ vạn năng
là một ứng dụng của phương pháp này, với -
Thường sử dụng ầu rò dòng
V1=const, dùng Ampe met ể o dòng. R V 2 V 1 I 2 DUT \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
4. Phương pháp FR I-V Sơ ồ o trở kháng thấp
- Phương pháp o này có cùng nguyên tắc với phương pháp I
-V ở trên, nhưng cấu hình mạch o
khác nhau nhờ sử dụng mạch o ược phối hợp trở
kháng (50 ) và cổng o nối với cáp
ồng trục ộ chính xác cao. Có hai cách mắc Vôn
mét và Ampe mét khác nhau ể phù hợp với phép
o trở kháng thấp và trở kháng cao. -
Nguồn tín hiệu hình sin OSC iều chỉnh ở tần số radio. -
Dòng iện qua Zx ược xác ịnh thông qua o
iện áp trên iện trở R xác ịnh. Trong thực tế biến
áp cao tần suy hao thấp ược sử dụng ể thay thế R.
Tuy nhiên nhược iểm của biến áp là suy hao lớn ở oạn tần thấp.
+ Theo sơ o o trở kháng thấp: Sơ ồ o trở kháng cao
Zx V 2R I V2 1 V1
+ Theo sơ ồ o trở kháng cao: V Zx V R V 12 1 I 2 \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
5. Phương pháp phân tích mạch iện -
Phương pháp này chủ yếu dùng trong dải siêu cao tần. -
Hệ số phản xạ ược là tỉ số giữa tín
hiệu phản xạ và tín hiệu tới. Sử dụng kết
nối hoặc cầu ịnh hướng ể thu tín hiệu phản xạ từ nguồn: V R ZX ZO VINC ZX ZO
(Z0: trở kháng sóng của ường truyền) -
Bộ phân tích mạch iện vừa chó nhiệm vụ
tạo ra tín hiệu truyền tới tải vừa có nhiệm
vụ thu tín hiệu phản xạ cũng như tính toán và o hệ số phản xạ. -
Phương pháp này còn ược sử dụng
ể chế tạo máy o phản xạ miền thời gian TDR
6. Phương pháp cầu tự cân bằng Virtual ground
- Sơ ồ mạch o theo phương pháp
này như hình vẽ. Trong ó sử dụng H L R 2 DUT
mạch Khuếch ại thuật toán làm
phần tử tạo ra sự cân bằng giữa I I 2 V 1 I = I 2
dòng I trên Zx (DUT) và dòng I2 - trên R2. + V V 2 I R2 2 2 Z (DUT ) V1 VR12 I2 V2
Ngoài 6 phương pháp tống quát kể trên, khi o iện trở, tụ iện thuần còn có thể sử dụng
phương pháp biến ổi thời gian – xung. Nguyên lý chung của phương pháp này là biến ổi
các tham số mạch về các ại lượng như iện áp, tần số, thời gian... nhờ các khâu biến ổi thẳng
hay tạo ra các ại lượng mẫu thay ổi theo quy luật nào ó, so sánh với các ại lượng cần o \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
trong các mạch biến ổi cân bằng, và các ại lượng ó ược o bằng phương pháp ếm xung và hiển thị số.
9.2.2. So sánh các phương pháp o Phương pháp Ưu iểm Nhược iểm Dải tần Ứng dụng o ứng dụng lường Phương pháp - Độ chính - Cần phải iều DC Sử dụng cho
cầu 4 nhánh xác cao (0.1%). chỉnh cầu cân bằng. 300MHz các phòng thí cân bằng - Dải tần - Dải tần hẹp nghiệm về
rộng nếu sử dụng nếu chỉ sử dụng một chuẩn o nhiều loại cầu loại cầu. lường khác nhau. - Giá thành thấp.
Phương pháp - Có ộ chính xác - Phải iều chỉnh 10kHz - Phép o hệ số cộng hưởng
cao cho phép o o cộng hưởng. 100 kHz. phẩm chất và Q cao và D nhỏ. Hệ số tổn hao - Độ chính xác của linh kiện của phép o trở kháng thấp Phương pháp - Dễ
sử - Dải tần bị giới hạn 10 kHz - Đo mạch và I-V dụng.
bởi biến áp sử dụng 100 MHz linh kiện có nối cho ầu rò dòng. ất - Phép o linh kiện ã ược nối ất. - Phù hớp với nhu cầu o kiểu sử dụng ầu rò dòng. Phương pháp -
Độ chính - Dải tần số làm việc 1Mhz - Đo các linh RF I-V xác cao (1%) bị giới hạn bởi các kiện ở dải RF 3 GHz
biến áp ược sử dụng ở và siêu cao tần - Dải trình o
trở kháng rộng ở các ầu o. tần số cao. \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử Phương pháp - Dải tần o -
Phải thực hiện Lớn hơn - Đo các linh phân tích cao
quá trình iều chuẩn 300 kHz kiện ở dải RF mạch iện và siêu cao tần - Độ chính mỗi khi thực hiện xác cao khi trở phép o. kháng cần o gần - Dải trình o trở bằng với trở kháng nhỏ. kháng ặc tính của ường truyền. Phương pháp -
Có ộ chính - Không sử dụng ở 20 Hz - Thường ược cầu tự cân xác cao nhất tần số cao 110MHz sử dụng cho bằng (0.05%), các máy o - Dải tần o RLC, xác ịnh thấp các tham số C, L, D, Q, R, X, - Dễ sử dụng G, B, Z, Y,...
Phương ph áp phân tích m ạch iệ n 100KHz RF I-V 1 MHz 1.8 GHz I-V 10KHz 110MHz
Phương pháp cộng hưởng 22KHz 30MHz 70MHz
Phương pháp cầu tựcân bằng 5HZ 40MHz 1 10 100 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G 10G Tần số (Hz) Hình 9.12
– Phương pháp o và dải tần ứng dụng \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử Hình 9.13
– Phương pháp o và dải trình o
Ví dụ máy o của hãng Agilent (HP) theo các phương pháp o khác nhau: Phương pháp o Máy o
Phương pháp cộng hưởng HP 42851A Q Adapter (with HP 4285A) Phương pháp I-V HP 41941A Impedance Probe
HP 4193A Vector Impedance Meter Phương pháp RF I-V HP 4286A RF LCR Meter
HP 4291A Impedance/Material Analyzer
Phương pháp phân tích HP 4195A Network/Spectrum Analyzer mạch iện
with HP 41951A Impedance Test Set HP
4396A Network/Spectrum Analyzer
with HP 43961A Impedance Test Kit HP 8751A Network Analyzer
HP 8752C/8753D RF Network Analyzers HP 8510B Network Analyzer
HP 8719C/8720C Network Analyzers \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
Phương pháp cầu tự cân HP 4263A LCR Meter bằng HP 427xA LCR Meters HP 4284A Precision LCR Meter HP 4285A Precision LCR Meter
HP 4192A LF Impedance Analyzer
HP 4194A Impedance/Gain-Phase Analyzer TDR
HP 54121T Digitizing Oscilloscope and TDR
HP 8752C/8753D RF Network Analyzers HP 8510B Network Analyzer
HP 8719C/8720C Network Analyzers
9.3. ỨNG DỤNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TRỞ KHÁNG
Có thể sử dụng các phương pháp khác nhau ể o trở kháng của linh kiện hoặc mạch
iện tử. Mỗi phương pháp có những ưu nhược iểm riêng và thường ược ứng dụng o khác
nhau ể phát huy những ưu iểm của chúng. Với các phương pháp này có ứng dụng ể chế tạo
các máy o trở kháng (máy o RLC, hay máy phân tích trở kháng,...) Ngoại trừ phương pháp
cầu 4 nhánh cân bằng, các phương pháp còn lại ều có thể xây dựng các máy o trở kháng
hiển thị số nhờ sử dụng các loại Vôn mét số.
9.3.1. Phương pháp cầu 4 nhánh cân bằng
Phương pháp cầu 4 nhánh cân bằng ược sử dụng rộng rãi trong ể o iện trở, iện cảm,
iện dung, góc tổn hao của tụ, hệ số phẩm chất của cuộn cảm. Nguyên lý chung của cầu 4
nhánh là mỗi nhánh cầu có thể mắc hỗn hợp các iện trở, iện dung, iện cảm hay chỉ một
loại..., Zx cần o thường ược mắc ở một nhánh và iều chỉnh tham số ở các nhánh cầu còn lại
ể mạch cân bằng, thông thường người ta chỉ iều chỉnh tham số của một nhánh cầu Zm, 2
nhánh còn lại giữ không ổi. Như vậy có thể có 2 loại cầu o là cầu tỷ số và cầu tích số.
Yêu cầu nguồn cung cấp OSC cho mạch cầu o phải là iện áp iều hoà vì iều kiện cân
bằng chỉ thực hiện với một trị số tần số ã ược xác ịnh, thông thường sử dụng thêm bộ
khuếch ại chọn lọc tần số ở mạch chỉ thị ể làm giảm ảnh hưởng của các thành phần hài và
tăng ộ chính xác của phép o. Ngoài ra cũng phải kể ến ảnh hưởng do hiện tượng ghép tạp
tán giữa các linh kiện, phải dùng các phần tử có kích thước bé và có bọc kim. \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
(a) – Cầu tích số (b) – Cầu tỉ số Hình 9.14
– Cầu o 4 nhánh cân bằng
+ Cầu tích số (Hình 9.14-a)
Với cầu tích số Zm mắc ở nhánh cầu ối xứng với Zx, iều chỉnh trở kháng Zm (thường có
khắc ộ) ể cầu cân bằng, khi ó iện kế D chỉ 0.
- Điều kiện cần bằng cầu là: Z1.Z2=Zm.Zx
 |Z1|.exp(j 1).|Z2|. exp(j 2)=|Zm|. exp(j m).|Zx|. exp(j x)
 |Z1|.|Z2|.exp(j( 1+ 2))=|Zm|.|Zx|.exp(j( m+ x))
=> |Z1|.|Z2|=|Zm|.|Zx| - Điều kiện cân bằng biên ộ.
=> 1+ 2= m+ x - Điều kiện cân bằng pha.
Vậy phải iều chỉnh ồng thời cân bằng pha và cân bằng biên ộ. Thông thường Z1 và
Z2 là các iện trở thuần có trị số cố ịnh nên 1= 2=0, do ó m+ x=0 => m=- x. Nếu Zm và
Zx là 2 iện kháng thì chúng phải khác tính chất ể ảm bảo cân bằng pha.
Thường chọn biểu thức Zm ồng dạng với biểu thức của Yx hoặc biểu thức Ym ồng dạng với biểu thức của Zx.
+ Cầu tỷ số (Hình 9.14- b) .
Với cầu tỉ số Zm mắc ở nhánh cầu kề với Zx, iều chỉnh trở kháng Zm (thường có khắc
ộ) ể cầu cân bằng, khi ó iện kế D chỉ 0.
- Điều kiện cần bằng cầu là: Z1.Zx=Z2.Zm
 |Z1|.|Zx|.exp(j( 1+ x))=|Z2|.|Zm|.exp(j( 2+ m))
=> |Z1|.|Zx|=|Z2|.|Zm| - Điều kiện cân bằng biên ộ.
=> 1+ x= 2+ m - Điều kiện cân bằng pha.
Vậy phải iều chỉnh ồng thời cân bằng pha và cân bằng biên ộ. Thông thường Z1 và
Z2 là các iện trở thuần có trị số cố ịnh nên 1= 2=0, do ó m= x. Nếu Zm và Zx là 2 iện
kháng thì chúng phải cùng tính chất ể ảm bảo cân bằng pha. Thường chọn biểu thức Zm
ồng dạng với biểu thức của Zx hoặc biểu thức Ym ồng dạng với biểu thức của Yx. \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
a. Cầu o iện trở
Để o iện trở ta có thể dùng cầu tỷ số hoặc cầu tích số ều thuận lợi như nhau. Ví dụ sử dụng cầu tỷ số. Hình 9.15
– Cầu o iện trở (cầu Weatstone) R
Khi cầu cân bằng ta có R 2 x Rm R1
Vậy ể iều chỉnh cầu cân bằng thay ổi tỷ số R2/R1 và iều chỉnh Rm ể cầu cân bằng.
Độ nhạy của cầu bằng tích ộ nhạy của mạch cầu và ộ nhạy của thiết bị chỉ thị. Độ nhạy
của mạch cầu là tỷ số giữa sự thay ổi iện áp trên ường chéo chỉ thị và sự thay ổi iện trở nhánh
Rx, có thể chứng minh ược rằng mạch cầu có ộ nhạy cực ại khi các iện trở tất cả các nhánh cầu bằng nhau.
Biểu thức xác ịnh sai số tương ối của mạch cầu o như sau: Rx % R1 % R2 % Rm %
Sai số do hạn chế về ộ nhạy của thiết bị chỉ thị tính bằng tỷ số giữa ngưỡng ộ nhạy và
ộ nhạy của thiết bị chỉ thị.
Ngoài ra còn phải kể ến sai số lượng tử bằng 1 ơn vị ề các nhỏ nhât của thang khắc ộ
trên các hộp iện trở mẫu.
Phép o iện trở dùng cầu có ộ chính xác cao, các iện trở mẫu dùng trong các nhánh
cầu thường ược làm băng manganin có hệ số nhiệt nhỏ, ộ ổn ịnh cao theo thời gian.
b. Cầu o iện dung
Tụ iện lý tưởng không tiêu thụ công suất, nhưng thực tế trong tụ có tổn hao công suất
ược ặc trưng bằng iện trở tổn hao rx.
- Với tụ iện làm việc ở tần số cao sử dụng sơ ồ tương tương nối tiếp (tụ iện lý tưởng
Cx mắc nối tiếp với iện trở tổn hao rx). \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
- Với tụ iện tổn làm việc ở tần số thấp sử dụng sơ ồ tương ương song song (tụ iện lý
tưởng Cx mắc song song với iện trở tổn hao rx.
Thường sử dụng tụ iện mẫu do ó ể o iện dung ta dùng cầu tỷ số là thuận lợi hơn cả. Do
sử dụng cách mắc Zm như sơ ồ tương ương của tụ iện.
(a) – Cầu o tụ iện ở tần số cao (b)- Cầu o tụ iện ở tần số thấp Hình 9.16
– Cầu tỉ số o iện dung
+ Cầu o tụ iện ở tần số cao: Mắc sơ ồ o như Hình 9.16-a. Sử dụng Cm và Rm là
các iện dung và iện trở thuần iều chỉnh ược, và có khắc ộ và mắc nối tiếp với nhau. Ban ầu
iều chỉnh Rm ể D chỉ nhỏ nhất, sau ó iều chỉnh Cm ể D chỉ thị 0, khi ó cầu cân bằng: Z1.Zm=Z2.Zx  R R 1 m j. C1 m R2 rx j. C1 x r RRRR1212.R Cmm x  Cx
Hệ số tổn hao của tụ ở tần số cao: D nt Pth tg rx C rx x C Rm m Ppk X C
+ Cầu o tụ iện ở tần số thấp: Mắc sơ ồ o như Hình 9.16-b. Sử dụng Cm và Rm là
các iện dung và iện trở thuần iều chỉnh ược và có khắc ộ và mắc song song với nhau. Ban
ầu iều chỉnh Rm ể D chỉ nhỏ nhất, sau ó iều chỉnh Cm ể D chỉ thị 0, khi ó cầu cân bằng: \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử Z1.Zm=Z2.Zx Z1.Yx=Z2.Ym  R 1 r1x j. . C x R2 R1m j. . Cm r R1 .R x R2 m  R 2 C m C x R1
Hệ số tổn hao của tụ ở tần số thấp: D // Pth tg X C Ppk rx
c. Cầu o iện cảm C r1x x C R1m m
Cuộn cảm lý tưởng không tiêu thụ công suất, nhưng thực tế trong cuộn cảm có tổn
hao công suất và ược ặc trưng bằng iện trở tổn hao rx. Các thông số của một cuộn cảm là
iện cảm Lx, iện trở tổn hao rx và hệ số phẩm chất của cuộn dây Q.
Để o iện cảm ở tần số cao và ể việc iều chỉnh thuận lợi người ta thường dùng các iện
dung mẫu, muốn vậy ta phải mắc theo sơ ồ cầu tích số (Nếu dùng iện cảm mẫu ể o thì 2
cuộn cảm gây nhiễu ảnh hưởng ến nhau khó iều chỉnh cân bằng).
Khi tần số làm việc lớn coi sơ ồ tương ương cuộn cảm gồm Lx và rx mắc song song
còn (Cuộn cảm có tổn hao nhỏ), còn ở dải tần số thấp coi sơ ồ tương ương cuộn cảm gồm
Lx và Rx mắc nối tiếp. (Cuộn cảm có tổn hao lớn). \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
(a) – Cầu Maxwell (b) Cầu Hay Hình 9.17
– Cầu tích số o iện cảm
+ Cầu o cuộn cảm ở tần số thấp: Mắc sơ ồ o như Hình 9.17-a. Sử dụng Cm và Rm
là các iện dung và iện trở thuần iều chỉnh ược, và có khắc ộ và mắc song song với nhau
(biểu thức của Ym và Zx ồng dạng). Ban ầu iều chỉnh Rm ể D chỉ nhỏ nhất, sau ó iều chỉnh
Cm ể D chỉ thị 0, khi ó cầu cân bằng: Zx.Zm=Z1.Z2  Zx=Z1.Z2.Ym j L x R R1 2 R1m j C m rx R R1 2 rx  Rm L x R R C1 2 m
Hệ số tổn hao của cuộn cảm có tổn hao nhỏ: Q nt Ppk X L Lx C Rm m Pth rx rx
+ Cầu o cuộn cảm ở tần số cao: Mắc sơ ồ o như Hình 9.17-b. Sử dụng Cm và Rm là
các iện dung và iện trở thuần iều chỉnh ược, và có khắc ộ và mắc nối tiếp với nhau (biểu
thức của Zm và Zx ồng dạng). Ban ầu iều chỉnh Rm ể D chỉ nhỏ nhất, sau ó iều chỉnh Cm ể
D chỉ thị 0, khi ó cầu cân bằng: Zx.Zm=Z1.Z2 \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử  Zm=Z1.Z2.Yx R m j C1m R R1 2 r1x j 1Lx
R R1 2 rx  Rm L x R R C1 2 m
Hệ số tổn hao của cuộn cảm có tổn hao lớn: P pk rx rx 1 Q // Pth X L Lx C Rmm
Các sơ ồ cầu o iện trở, tụ iện có thể sử dụng ể o trở iện trở, iện dung của các ôi dây
trong cáp iện thoại, hay cáp iện lực.
9.3.2. Phương pháp cộng hưởng
Nguyên lý của phương pháp o thông số mạch iện bằng phương pháp cộng hưởng là
lợi dụng hiện tượng cộng hưởng của mạch dao ộng, phương pháp này có ộ chính xác khá
cao và dùng ược ở các dải tần sử dụng trong iện tử – viễn thông.
Các nguyên nhân chủ yếu gây sai số của phương pháp này là sự không chính xác vị
trí iểm cộng hưởng của mạch iện; do sự không ổn ịnh của tần số bộ tạo dao ộng; do ảnh
hưởng các thông số iện kháng tạp tán của mạch o, sai số của phương pháp này khoảng 25%.
So với phương pháp cầu, thì phương pháp cộng hưởng có ưu iểm là o ược trị số các
thông số của phần tử cần o tại tần số công tác của phần tử ó, có thể o ược các trị số rất nhỏ
do tần số của nguồn o cũng lớn tới hàng trăm MHz.
Phương pháp cộng hưởng thường ược sử dụng ể chế tạo máy o hệ số phẩm chất Q
với ộ chính xác khá cao. Bên cạnh ó có thể sử dụng phương pháp này ể o iện dung, iện
cảm và iện trở của linh kiện cũng như mạch iện. Sinh viên tự tìm hiểu các sơ ồ o này.
9.3.3. Phương pháp cầu tự cân bằng
9.3.4. Phương pháp biến ổi thời gian - xung \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
Phương pháp này ược sử dụng khá phổ biến ễ xây dựng các thiết bị o iện trở, iện
dung hiển thị số. Ưu iểm của máy o theo phương pháp này là dễ ọc kết quả o, có ộ chính
xác khá cao, tuy nhiên cấu tạo thiết bị o phức tạp hơn. Sau ây ta sẽ xét một phương pháp o
iện trở và iện dung thông qua biến ổi thời gian – xung. Hình 9.18
– Sơ ồ khối máy o iện dung theo phương pháp thời gian – xung \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử Hình 9.19
– Giản ồ thời gian minh họa hoạt ộng của máy o iện dung Phương
pháp biến ổi thời gian – xung này thực hiện iều khiển việc sử dụng nguồn mẫu việc
nạp cho tụ iện mẫu Cm (nếu o iện trở) hay tụ iện cần o Cx (nếu là o iện dung) và
phóng iện qua iện trở cần o Rx hay iện trở mẫu Cm. Thời gian phóng của tụ sẽ tỉ lệ
với iện dung và iện trở, o thời khoảng thời gian này bằng phương pháp ếm xung.
Sơ ồ khối của máy o iện dung Cx chỉ thị số dựa trên nguyên lý biến ổi thời gian –
xung như Hình 9.18 và giản ồ thời gian minh họa hoạt ộng như Hình 9.19.
Nguyên lý hoạt ộng của máy o như sau: -
Khi máy không hoạt ộng chuyển mạch iện tử S ở trạng thái mở, UC=0V. -
Khi bắt ầu o tại thời iểm t1 bộ iều khiển phát ra xung xoá bộ ếm và iều khiển
ĐK1 ưa chuyển mạch S về vị trí nạp N, tụ cần o Cx nhanh chóng ược nạp tới iện áp của nguồn E. \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử -
Đến thời iểm t2, Bộ iều khiển phát ra xung ĐK2 ưa chuyển mạch về vị trí
phóng P, tụ iện Cx phóng iện qua iện trở mẫu Rm, ồng thời xung ĐK2 cũng ược ưa tới
ầu vào S thiết lập Trigger lên trạng thái cao ‘1’, lúc này khoá K mở, xung ếm chuẩn qua khoá kích thích bộ ếm. R - Điện áp trên tụ u 2
C giảm ến thời iểm t3 khi ó u tC( )3 U0 E R R2 thì ầu 1 ra của bộ so
sánh có 1 xung ra tác ộng vào ầu vào xóa R làm Triger, xóa trạng thái thấp ‘0’, khoá K sẽ
óng, kết thúc quá trình ếm, giả sử tổng số xung ếm ược là Nx. Thời iểm nay Bộ iều khiển
phát ra xung chốt ể ưa số xung Nx này ưa qua mạch giải mã và ưa tới màn hiển thị số là
kết quả của iện dung cần o Cx.
Tụ Cx phóng iện qua iện trở mẫu Rm với hằng số phóng là p=RmCx, biểu thức iện
áp của tụ trong quá trình phóng là: (t t2) (t t2) u t C ( )
E e. p E e. R Cm x
(t3 2t ) Tx => uC ( )t3 Ee. R Cm x Ee. R Cm x U0 Tx Chọn U 0 ER RR 2 2
Ee => Ee. R Cm x Ee. 1 1 Tx=RmCx =Nx.Tch  C 1 x Nx R fmch
1 const , vậy Cx tỷ lệ với số xung ếm ược Nx. Chọn R fm ch \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
Ví dụ fch=1MHz, Rm=1M => Cx=Nx (pF)
Thay ổi Rm thì có thể chuyển mạch thang o iện dùng từ 1000pF ến 100 F .
Cũng phương pháp o như trên nếu thay các iện trở mẫu bằng các iện dung mẫu thì
có thể o ược iện trở bằng các thiết bị chỉ thị số.
Ngoài nguyên tắc hoạt ộng ở trên, máy o theo iện dung, iện trở có thể ược xây dựng
theo nguyên tắc ếm xung trong khoảng thời gian nạp iện tích của tụ từ iện áp nạp bằng 0 ến iện áp bằng E/e.
Đánh giá sai số của máy o: Sai số của kết quả o Cx bao gồm các thành phần sai số chính như sau: 1
- Sai số lượng tử Nx , ví dụ nếu o iện dung 1000pF thì ứng với 1000 xung
ếm, sai số ếm xung là 1, sai số tương ối là 0,1%. f
- Sai số của tần số xung ếm chuẩn fch
- Sai số do ộ trễ của bộ so sánh và Triger.
- Sai số của iện trở mẫu.
9.4. ĐO THAM SỐ VÀ ĐẶC TÍNH CỦA LINH KIỆN VÀ MẠCH PHI TUYẾN
9.4.1. Vẽ ặc tuyến Vôn-Ampe.
Thay ổi iện áp ặt vào mạch, xác ịnh dòng iện ứng với mỗi thay ổi ó, từ o ghi lại kết
quả và vẽ ược ặc tuyến Vôn-ampe của mạch. Có thể dùng Ô-xi-lô ể tự ộng vẽ ặc tuyến
Vôn-ampe của linh kiện, mạch iện rất thuận tiện. Ví dụ sơ ồ nguyên lý mạch o ể vẽ ặc
tuyến Vôn-ampe của iốt và ặc tuyến ra của BJT dùng Ô-xi-lô ( ã trình bày trong chương 4.
9.4.2. Vẽ ặc tuyến biên ộ tần số của mạng 4 cực.
Muốn vẽ ược ặc tuyến biên ộ tần số của mạng 4 cực có thể dùng dao ộng iều hoà tác
ộng vào ầu vào, cho tần số biến ổi xác ịnh biên ộ của iện vào và ra của mạng 4 cực từ ó ghi
lại và vẽ ược ặc tuyến biên ộ tần số của mạng 4 cực ó – phương pháp lấy từng iểm. Cách
làm này thường không chính xác mất nhiều công. Thực tế thường dùng các thiết bị tự ộng
vẽ ặc tuyến biên ộ tần số – còn gọi là các máy Vobulator. Máy Vobulator có thể ược cấu
tạo theo nguyên lý sử dụng mạch tương tự hay dùng kỹ thuật số và có cài ặt vi xử lý. Trong \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
phần này chủ yếu xét máy Vobulator dùng kỹ thuật tương tự sử dụng máy phát iều tần và
màn chỉ thị CRT ể biểu dẫn ược ặc tuyến biên ộ tần số của mạng 4 cực trên màn hình.
9.5. ĐO LƯỜNG, KIỂM NGHIỆM CÁC MẠCH ĐIỆN TỬ SỐ VÀ VI XỬ LÝ
9.5.1. Khái niệm và ặc tính chung của mạch số
Các thiết bị dùng mạch iện tử số và vi xử lý cũng cần kiẻm tra ể phán oán hư hỏng
như những thiết bị khác. Song có các lý do:
- Với các thiết bị tương tự, (mạch iện dùng kỹ thuật tương tự dựa trên cơ sở hàm thời
gian và tần số), thì có thể dùng các thiết bị như ôxilô, máy phân tích phổ, vônmét iện tử ể o lường, kiểm tra.
- Thiết bị dùng kỹ thuật mạch iện tử số, có vi xử lý thì hoạt ộng trên cơ sở xử lý số
liệu, nên không thể dùng các thiết bị o thông thường như trên.
- Vấn ề kiểm tra là khá phức tạp, thậm chí việc sửa chữa còn khó khăn hơn là chế
tạo một máy mới. Do thiết bị có dùng vi xử lý là cần nhiều thủ tục phức tạp, cần người iều
hành hiểu biết sâu sắc về thiết bị.
Nếu những thủ tục kiểm tra không ược thiết kế trước, thì hầu như không kiểm soát nổi hệ thống.
Để lập bộ kiểm tra thiết bị có hệ thống vi xử lý cần chú ý các ặc iểm:
- Hệ thống vi xử lý iều khiển lưu lượng thông tin số liệu, với tổ hợp những từ, số nhị
phân có ộ dài khác nhau một cách ngẫu nhiên, và thời gian tồn tại cũng thay ổi.
- Hệ thống vi xử lý có cấu trúc rất phức tạp, có nhiều ường vận chuyển số liệu ược
iều khiển bởi chương trình. Chương trình có ược thực hiện tốt hay không là nhờ quan hệ
thời gian giữa sự thay ổi của tín hiệu ầu vào và ầu ra.
- Hệ thống vi xử lý có khác nhau cơ bản với các thiết bị a năng chỉ có kết cấu mạch
cứng. Ví dụ như muốn thay ổi một chức năng nào ó, thay vì thay ổi phần cứng mạch iện,
thì lại thay ổi chương trình thuật toán chứa trong ROM.
- Tín hiệu thông tin số không lặp lại, tồn tại trong khoảng thời gian cực ngắn. Sự
kiện xảy ra trong thiết bị có vi xử lý có tốc ộ rất cao rất nhanh.
- Hệ thống vi xử lý có sử dụng bus hai chiều, nó càng phức tạp khi cần thông dịch
xem nó là ịa chỉ hay số liệu.
- Thiết bị kiểm tra phải kiểm soát một số rất lớn các hoạt ộng cơ bản.
Trong các thiết bị dùng vi xử lý, chương trình xử lý có thể lên tới hàng ngàn bước thực hiện. \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
Những hỏng hóc liên quan tới bộ vi xử lý là rất khó phát hiện, lại càng khó hơn khi
muốn cô lập nó ra. Vì vậy, những thiết bị kỹ thuật kiểm tra truyền thống thông thường rất
dễ sai lầm khi o lường chúng.
Do những lý do trên, cùng với sự phát triển của vi xử lý, việc tìm ra phương tiện và
kỹ thuật mới mà hữu hiệu cho việc kiểm tra chúng là vấn ề rất cần ược nghiên cứu.
Những hình thức và phương pháp kiểm nghiệm ã ược sử dụng là:
- Tự ộng chuẩn oán (dự oán có chương trình).
- Kiểm nghiệm thống kê. - Phân tích logic.
- Phân tích theo nhận dạng (theo mã chỉ dẫn) Ta sẽ xét các phương pháp trên.
Phương pháp tự ộng chuẩn oán
Là phương pháp sử dụng một chương trình chuẩn oán ở ngay bên trong của thiết bị,
ể gỡ rối, kiểm tra, phát hiện iểm hỏng.
Chương trình chuẩn oán có thể tự ộng khởi ộng, hoặc ược khởi ộng bởi người sử dụng.
Trong một vài loại thiết bị, nó lần lượt kiểm tra các chức năng, phần tử của thiết bị
và ưa ra màn chỉ thị những thông báo trạng thái một cách vắn tắt và có thể tham khảo theo
hướng dẫn của tài liệu sử dụng ể phát hiện lỗi. Do vậy cũng ít cần sự phân tích về phương pháp này.
Phương pháp kiểm nghiệm thống kê
Là phương pháp dựa trên cở sở coi hoạt ộng của thiết bị giống như tổ hợp liên tiếp
các trạng thái o. Vì vậy người ta không quan tâm lắm tới quá trình hoạt ộng, mà có thể tiến
hành kiểm nghiệm hệ thống, các trạng thái khác nhau ược mô phỏng giả.
Để làm ược iều này, cần thiết ưa thiết bị bộ tạo chuyển mạch. Với sự trợ giúp của bộ
phận này, có thể tạo ra tất cả các trạng thái có thể.
Việc lựa chọn một tổ hợp nhất ịnh của các chuyển mạch cho phép ưa tín hiệu tới
kênh ịa chỉ và iều khiển tương ứng (ví dụ RAM), và kiểm tra khả năng làm việc của thiết
bị. Cũng ít cần quan tâm nhiều ến phương pháp này.
9.5.2. Các phương pháp phân tích
9.5.2.1. Phương pháp phân tích logic
Phương pháp phan tích logic sử dụng ba loại thiết bị phân tích logic là: -
Bộ phân tích trạng thái logic. \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
- Bộ phân tích biểu ồ thời gian ( ịnh thời) logic.
- Bộ phát tín hiệu ồng bộ.
a. Khái niệm
Trước khi ưa ra những nguyên tắc của thiết bị, cần xác ịnh thêm các khái niệm trạng
thái logic và biểu ồ thời gian của thiết bị iện tử số. Trạng thái logic:
Tín hiệu nhị phân dùng trong mạch iện tử số sử dụng hai mức iện áp rõ rệt: một mức
ược coi là logic “0”, mức kia là logic “1”.
Trong mạch iện thực tế, những mức này không ược ịnh nghĩa với trị số iện áp chính
xác, mà nó sẽ ở trong một khoảng giá trị iện áp nào ó. Ví dụ như ối với họ vi mạch TTL
LSI, mức logic 0 là trong khoảng iện áp nhỏ hơn 0,4v và mức iện áp lớn hơn 2,4v ược coi
là mức logic 1. Nói cách khác, logic 0 là mức thấp và logic 1 là mức cao, và cách quy ước
này coi là logic khẳng ịnh (logic dương). Nếu mức iện áp thấp ược quy ước là mức 1, thì
cách quy ước gọi mạch iện ược xây dựng trên cơ sở của logic phủ ịnh (logic âm).
Sự tổ hợp của một chuỗi các số các số logic 0 và 1 tại ầu ra của mạch số quyết ịnh trạng thái của nó.
Biểu ồ thời gian của tín hiệu logic:
Trong quá trình phân tích hệ thống, gỡ rối chương trình, kiểm tra hoặc tìm lỗi của
một hệ có vi xử lý, việc nghiên cứu và biểu diễn của dãy số liệu theo thời gian có thể nhiều
khi cho biết về hệ thống hơn hẳn so với bảng trạng thái logic.
Những nhược iểm ặc trưng cho mạch tuyến tính cũng có thể xảy ra trong mạch số,
ví dụ như méo sườn xung, sự không ổn ịnh và nhấp nháy khi chuyển mạch.
Ba dạng biểu diễn kết quả phân tích
Ta có thể biểu diễn thông tin nhận ược trong việc thử nghiệm các mạch số dưới ba dạng sau: - Bảng trạng thái. - Biểu ồ thời gian. - Các thẻ trạng thái 1.
Hiển thị bảng trạng thái ược dùng ể phân tích trạng thái logic. Nó cho phép
quan sát trạng thái logic dưới dạng bảng số: Hệ cơ số 2, Hệ cơ số 8, Hệ cơ số 10, Hệ cơ số
16. Sự hiển thị này ôi khi ược gọi là sự hiển thị phản ánh thông tin trong vùng số liệu. \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử 2.
Biểu ồ thời gian logic ược biểu diễn thông qua màn hình tương tự như màn
hình ôxilô nhiều kênh bình thường có thể quan sát ồng thời 8 biểu ồ thời gian cùng một lúc. 3.
Tấm thẻ trạng thái: Khi biểu diễn dưới dạng “tấm thẻ trạng thái”, ta không
dùng bảng bit mà dùng ma trận vạch sáng. Ở ây mỗi vạch tương ứng với một byte nhất
ịnh. Qua quan hệ giữa các vạch sáng trên màn hình, có thể quan sát quá trình xử lý số liệu trong mạch.
Tấm thẻ trạng thái cho phép dễ dàng kiểm tra trạng thái chức năng của các mạch số làm việc tuần hoàn.
Khi dùng phân tích logic theo chương trình phương pháp hiển thị tấm thẻ trạng thái
như miêu tả ở trên ể kiểm tra hoạt ộng chương trình hệ thống vi xử lý, ta có ược những
dạng ặc biệt riêng. Nếu nắm vững cách phân biệt các dạng hình ảnh ặc trưng cho từng hệ
thống vi xử lý riêng, thì có thể dễ dàng kiểm tra quá trình hoạt ộng của chương trình.
b. Thiết bị phân tích trạng thái logic (Logic State Analyzers)
Để có thể phân tích, tìm ra hỏng hóc một cách có hiệu quả. Bộ phân tích trạng thái
logic ( ôi khi còn gọi là bộ phân tích ồng bộ) phải có những yêu cầu sau: 1-
Số liệu cần phải ược ọc và hiển thị dạng nhị phân, ể dễ ọc mà không cần
bất cứ một sự thông dịch nào. 2-
Có ủ ầu vào ể trong một thời iểm có thể cùng lúc hiển thị, kiểm tra toàn bộ một từ số liệu. 3-
Một từ kích khởi phải ược yêu cầu bởi một từ số liệu riêng, duy nhất trong một chuỗi vào. 4-
Phải có một sự trễ cần thiết ể ủ thời gian chuyển số hiển thị ến từ cần tham khảo. 5-
Phải có khả năng lưu trữ ể lưu trữ các sự kiện sảy ra. 6-
Việc nối máy phân tích vào hệ thống phải ảm bảo không ảnh hưởng ến nhữg
tham số của hệ thống hoặc làm thay ổi sự hoạt ộng của chương trình. 7-
Đầu o cần ược nối với máy phân tích một cách chắc chắn nhất trong suốt
quá trình kiểm tra, o thử. 8-
Màn hiển thị phải dễ ọc dễ hiểu.
Như vậy, có nghĩa là: Số liệu phân tích ược ưa vào thể hiện dưới dạng mã nhị phân,
tức là dưới dạng tổ hợp các bít; cần có ủ số lượng các ầu vào ra song song ể có thể cho
phép kiểm tra ồng thời một từ nguyên vẹn; vấn ề iều khiển số liệu ở ầu vào và phân ịnh \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
chu kỳ trong thiết bị thử nghiệm cần ược tiến hành bằng một xung ồng bộ duy nhất; khoảng
thời gian cần thiết ể xử lý số liệu của thiết bị ể xử lý số liệu của thiết bị phân tích cần phải
rất ngắn; việc kết nối thiết bị phân tích với mạch cần khảo sát phải không làm ảnh hưởng
tới các thông số của mạch cũng như không òi hỏi phải thay ổi chế ộ hay chương trình làm
việc của mạch; ầu vào của thiết bị phải có cấu trúc sao cho có thể dễ dàng kết nối với mạch
cần khảo sát; thiết bị phải có màn hình hiển thị dễ quan sát và nhận dạng ể xử lý thông tin.
Theo yêu cầu thứ hai ã có nhà sản xuất thiết bị phân tích trạng thái có thể 8, 16, 32 hay 64 kênh.
c. Thiết bị phân tích biểu ồ thời gian Logic (Logic timing Analyzers)
Thiết bị phân tích trạng thái logic cho phép xác ịnh hiện tượng (và ôi khi ngay cả vị
trí) xuất hiện hư hỏng của mạch số ược thử nghiệm. Tuy nhiên sau ó vẫn cần òi hỏi tìm
hiểu thêm về tính chất và nguyên nhân của hư hỏng. Lỗi sai sót thường xuất hiện do xung
nhiễu trong thời gian ngắn; do ầu vào tín hiệu không ồng thời, mất ồng bộ, do câu lệnh sai.
Trong những tình huống ó, việc sử dụng thiết bị phân tích biểu ồ thời gian logic (cũng còn
có thể gọi là thiết bị phân tích lệnh ồng bộ) là rất hiệu quả. Nó cũng ặc biệt tiện lợi ể kiểm
tra các thiết bị giao diện chuẩn ối với các thông tin trên kênh truyền iều khiển, các số liệu
ược truyền quan các thiết bị vào/ra.
Khi phân tích theo thời gian, phải khảo sát tín hiệu và các quá trình có khoảng thời
gian rất nhỏ so với thời gian của một từ, vì vậy tần số làm việc, tốc ộ lấy mẫu của thiết bị
phân tích biểu ồ thời gian logic càng lớn hơn nhiều so với thiết bị trạng thá logic khi cùng
làm việc với một dạng số liệu.
Trong a số các trường hợp thì các thiết bị phân tích biểu ồ thưòi gian logic ều có khả
năng làm việc trong cả hai chế ộ; ồng bộ và dị bộ (không ồng bộ). Cách thứ hai có tốc ộ
làm việc cao hơn. Tốc ộ cực ại phụ thuộc vào yêu cầu của thiết bị phải làm việc. Người ta
ã sản xuất các thiết bị có tốc ộ nhanh với tần số trên 20, 50, 100 và 200 MHz. Thiết bị có
tốc ộ nhanh là vô cùng cần thiết ể khảo sát hệ thống vi xử lý. Ví dụ với vi xử lý Intel
8080A, mặc dù thời gian nhịp là 500ns (tần số nhịp là 2 MHz), nhưng thông tin trạng thái
ược truyền theo ường số liệu 8 bit, chỉ cho phép xử lý trong khoảng thời gian rất ngắn,
bằng chu kỳ ồng bộ của hệ thống, nghĩa là cỡ 50ns. Trong khoảng thời gian này có một từ
trạng thái (8 bit) qua và các trạng thái logic thay ổi ở hai ường ồng bộ. Để phân tích biểu
ồ thời gian tương ứng với tín hiệu nêu trên, khoảng thời gian 50ns phải ược chia thành 5
phần, ể mỗi phần là 10ns. Rõ ràng iều này chỉ thực hiện khi tốc ộ lấy mẫu (thời iểm tác
ộng) của thiết bị phân tích không nhỏ hơn 100MHz. Có thể bổ sung thêm trong ví dụ ã nêu
là kể cả với các hệ vi xử lý có tốc ộ thấp (1-2MHz), thời gian lưu giữ số liệu vào và ra
không thể vượt quá 10ns. Vì vậy, ể phân tích quan hệ thời gian giữa tín hiệu của vi xử lý \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
và các vi mạch ngoại vi nhất thiết phải có thiết bị phân tích có tốc ộ nhanh. Ưu iểm rất
quan trọng của phân tích thời gian logic mà không thể có ở phân tích trạng thái logic là
khả năg phát hiện tín hiệu giả, thường là những xung gây nhiễu có ộ rộng xung rất nhỏ
trong dòng số liệu. Nó có thể phá vỡ hoạt ộng chức năng thông thường của hệ thống số mà
trong chế ộ hoạt ộng ồng bộ khó có thể phát hiện ược. Trong một số các thiết bị phân tích
trạng thái logic, có thể thấy các mạch flip-flop ặc biệt, cho phép ghi lại các xung giả (thậm
chí có thể phát hiện các xung có ộ rộng 5 ns). Những mạch như vậy, các xung hẹp sẽ ược
mở rộng tới mức gần bằng khoảng thưòi gian lấy mẫu, iều ó cho phép phát hiện xung giả một cách ảm bảo.
Để dễ dàng quan sát số liệu, ở bộ phân tích biểu ồ thời gian, bộ hiển thị của nó có sử
dụng con trỏ. Con trỏ là một vạch thẳng ứng, có thể di chuyển con trỏ dọc theo màn hình
và dừng lại ở bất kỳ iểm mong muốn khảo sát nào. Với sự trợ giúp của con trỏ ta dễ dàng
xác ịnh sự dịch chuyển tương ối theo thời gian của một iểm trên biểu ồ thưòi gian với các
iểm khác. Ở một vài thiết bị phân tích khác, lại có hai con trỏ như vậy, nó cho phép o trực
tiếp ược khoảng thời gian giữa hai iểm giữa hai con trỏ mà không cần phải tính toán gì thêm.
Bộ phân tích thời gian logic ược thiết kế cùng với một ôxilô hay ược thiế kế phối
ghép với một ôxilô riêng, ể có thể hiển thị biểu ồ thời gian. Có loại ược thiết kế hiển thị
một bảng biểu ồ thời gian, tùy theo yêu cầu sử dụng.
9.5.2.2. Phương pháp phân tích nhận dạng mã ịa chỉ (Signature Analysis)
Như ã phân tích, việc thử nghiệm ối với hệ thống vi xử lý và các thiết bị số có dùng
vi xử lý là công việc rất khó khăn. Thiết bị phân tích trạng thái logic ã khảo sát ở phần trên
chỉ giải quyết ược một phần của vấn ề. Nó giúp sự dõi theo từng bước việc của bộ vi xử lý
thông qua các chương trình thực hiện. Tuy nhiên quá trình tìm kiếm và phát hiện nguyên
nhân hư hỏng òi hỏi nhiều công sức và khả năng có thể phân tích tốt ược những kết quả,
những hình ảnh thu ược. Ta cũng không loại trừ hoàn toàn khả năng sử dụng của các máy
o truyền thống trong lĩnh vực thời gian hay lĩnh vực tần số, như ôxilô, máy phân tích phổ,
vôn-mét iện tử,… Song ể xác ịnh ược nguyên nhân hư hỏng gây nên bởi vi xử lý hoặc các
phần mạch nối ghép với nó thông qua giao diện thì mất quá nhiều thời gian, công sức và
cũng cần có những chuyên gia trình ộ cao.
Một trong những cách hiệu quả nhất ể tìm kiếm hư hỏng trong a số các thiết bị số
và ặc biệt trong các thiết bị có dùng vi xử lý là sử dụng thiết bị phân tích mã chỉ dẫn
(Signature Analysis). Nguyên tắc và việc chế tạo các thiết bị này cũng mới ược hình thành trong thời gian gần ây. \ lOMoARcPSD| 36067889
Chương 9 – Đo tham số của mạch và linh kiện iện tử
Tên gọi phân tích “mã chỉ dẫn” ược bắt nguồn từ “chữ ký” (signature), nó có rất
nhiều nghĩa cho nhiều lĩnh vực khác nhau như âm nhạc, in ấn,… song với nghĩa ơn giản
nhất là chữ ký của người mang tên chữ ký ó. Trong vấn ề tìm kiếm hư hỏng của thiết bị số,
thì “mã chỉ dẫn” là một số ược cấu thành từ 4 ký hiệu chữ và số của hệ mã cơ số 16, ược
ặc trưng duy nhất cho từng iểm nút của thiết bị ược khảo sát.
a. Mô tả bản chất của sự phân tích
Phân tích mã chỉ dẫn là việc so sánh sự trùng hợp giữa mã chỉ dẫn thực của iểm nút
cụ thể nào ó ược phản ánh trên màn hình phân tích với mã chỉ dẫn của iểm nút này hoặc
với bảng hướng dẫn sử dụng thiết bị khảo sát. Sự không trùng hợp của mã chỉ dẫn chứng
tỏ về sự hư hỏng, hoạt ộng chức năng không bình thường của thiết bị. Ví dụ, nếu trên màn
hình xuất hiện mã chỉ dẫn F865, còn trên mạch tại iểm nút ã cho thì cần phải có mã chỉ dẫn
A953, như vậy rõ ràng là ã có hư hỏng. Để tìm hiểu nguyên nhân, ta có thể tiến hành kháo
sát tiếp các iểm nút khác. Bằng cách ó có thể kết luận bộ phận hư hỏng là bộ phận mà ở ầu
ra của nó, mã chỉ dẫn thực và mã chỉ dẫn mẫu khác nhau, trong khi ở ầu vào của nó, mã
chỉ dẫn thực và mã chỉ dẫn mẫu trùng hợp nhau
Thoạt nhìn bên ngoài, quy trình phân tích mã chỉ dẫn rất giống với quy trình phát
hiện hư hỏng trong các thiết bị tương tự. Trên sơ ồ nguyên lý của thiết bị tương tự tại các
iểm ặc trưng, người ta chỉ ra hình dạng của tín hiệu và giá trị iện áp tại iểm ó. Có thể dùng
ôxilô ể quan sát hình dạng của tín hiệu và dùng vôn-mét iện tử ể o giá trị iện áp, qua ó xác
ịnh thiết bị khảo sát có làm việc bình thường hay không.
Đối với các thiết bị có chương trình, rất tiếc không thể sử dụng hệ thống kiểm tra
dựa trên cơ sở so sánh tình trạng trên ôxilô ược vì không thể phân biệt ược dãy các giá trị
nhị phân trên màn hình. Hơn nữa trong các thiết bị dùng vi xử lý, không có sự tương ứng
ồng nhất giữa ặc tính của thiết bị với những iểm nút cụ thể.
Do ó, bộ phân tích mã chỉ dẫn là một công cụ thiết bị rất hiệu quả cho mục ích trên. \ lOMoARcPSD| 36067889
Tài liệu tham khảo
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Vũ Quý Điềm, Cơ sở kỹ thuật o lường iện tử, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, 2001.
[2]. Nguyễn Ngọc Tân, Kỹ thuật o, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, 2001.
[3]. Phạm Thượng Hàn, Kỹ thuật o lường các ại lượng vật lý, tập1, tập 2, Nhà xuất bản giáo dục, 1996.
[4]. Bùi Văn Sáng, Đo lường iện - vô tuyến iện, Học viện Kỹ thuật Quân sự, 1996.
[5]. Bob Witte, Electronic Test Instruments: Analog and Digital Measurement, Prentice Hall, 2002.
[6]. Joseph J. Carr, Elements of Electronic Instrumentation and Measurement, 1996.
[7]. Clyde F. Coombs, Electronic Instrument HandBook, McGraw-Hill, 1999.
[8]. Albert D. Helfrick, William D. Cooper, Modern Electronic Instrumentation and
Measurement Technicques, Prentice Hall, 1990.
[9]. David Buchla, Wane McLachLan, Applied Electronic Instrumentation and Measurement, Macmillan 1992. 246
Downloaded by D?a (nyeonggot7@gmail.com)

Tổng hợp bài giảng môn Cơ sở đo lường điện tử | Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Thông tin :