Bài giảng Cơ sở đo lường điện tử: Phần 2

Nối tiếp phần 1, phần 2 tiếp tục trình bày các nội dung chính sau: Máy đo và phương pháp đo điện tử cơ bản; Một số loại máy đo dùng trong viễn thông. Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THƠNG  Nguyễn Trung Hiếu Đỗ Mạnh Hà Trần Thị Thục Linh BÀI GIẢNG CƠ SỞ ĐO LƢỜNG ĐIỆN TỬ Hà Nội 2014 Chương – Máy đo phương pháp đo điện tử CHƢƠNG MÁY ĐO VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐIỆN TỬ CƠ BẢN 3.1 THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ VẠN NĂNG (MULTIMETERS) Thiết bị đo điện tử vạn hay gọi Đồng hồ vạn (Multimeters) lại dụng cụ đo điện đa chức đƣợc dùng phổ biến, có chức đo dòng điện, đo điện áp, đo điện trở ngồi có số đồng hồ cịn đo tần số dịng điện, điện dung tụ điện, kiểm tra điốt, kiểm tra Transistor lƣỡng cực Đồng hồ vạn đƣợc thiết kế sở chức đo đo dòng điện đo điện áp, từ xây dựng thêm chức đo khác Có loại đồng hồ vạn là: Đồng hồ vạn tƣơng tự (hay đƣợc gọi tắt VOM – Volt-Ohm-Milliammeter), đồng hồ vạn số (DMM – Digital Multimeter) 3.1.1 Thiết bị đo điện tử vạn tƣơng tự số a Đồng hồ vạn tƣơng tự Đồng hồ vạn tƣơng tự thƣờng có chức đo nhƣ sau:  Đo điện áp chiều: DCV  Đo giá trị hiệu dụng điện áp xoay chiều: ACV  Đo cƣờng đồ dòng điện chiều: DCA  Đo điện trở:  Ngồi có số đồng hồ cịn có thêm chức khác nhƣ:  Đo điện dung tụ điện  Kiểm tra điốt, kiểm tra Transistor lƣỡng cực… VOM thƣờng đƣợc cấu tạo từ cấu đo từ điện, sử dụng mạch đo khác tạo thành chức đo thang đo khác nhau, sử dụng chuyển mạch để chọn chức đo thang đo, thang thị CCĐ đƣợc khắc độ phù hợp với chức thang đo tƣơng ứng VOM thực đa dạng, Hình 3.1 ví dụ hình ảnh các VOM có thực tế Sơ đồ khối tổng quát VOM đơn giản nhƣ hình vẽ 87 Chương – Máy đo phương pháp đo điện tử Hình 3.1 - Đồng hồ vạn tương tự - VOM b Đồng hồ vạn số - DMM Hình 3.2 – Đồng hồ vạn số cầm tay (Handheld DMM) 88 Chương – Máy đo phương pháp đo điện tử Hình 3.3 – Đồng hồ vạn số để bàn (Bench DMM) Đồng hồ vạn số DMM có nhiều tính tính đo bật đồng hồ vạn tƣơng tự, có chức đo nhƣ VOM là:  Đo điện áp chiều  Đo giá trị hiệu dụng (trị số đỉnh trung bình) điện áp xoay chiều  Đo cƣờng đồ dòng điện chiều  Đo trị số hiệu dụng (trị số đỉnh trung bình) dịng điện xoay chiều  Đo điện trở Ngồi có số đồng hồ cịn có thêm chức bật khác nhƣ:  Đo tần số dòng điện  Kiểm tra điốt, kiểm tra Transistor lƣỡng cực  Kiểm tra nối mạch: máy kêu "bíp" điện trở đầu đo (gần)  Hiển thị số thay cho kim thƣớc  Có thêm khuyếch đại điện để đo hiệu điện hay cƣờng độ dòng điện nhỏ, điện trở lớn  Đo độ tự cảm cuộn cảm điện dung tụ điện Có ích kiểm tra lắp đặt mạch điện  Hỗ trợ cho đo nhiệt độ cặp nhiệt  Đo tần số trung bình, khuyếch đại âm thanh, để điều chỉnh mạch điện radio Nó cho phép nghe tín hiệu thay cho nhìn thấy tín hiệu (nhƣ máy sóng)  Dao động kế cho tần số thấp Xuất DMM có giao tiếp với máy tính 89 Chương – Máy đo phương pháp đo điện tử  Bộ kiểm tra điện thoại  Bộ kiểm tra mạch điện ô-tô  Lƣu giữ số liệu đo đạc tính tốn kết Trong thực tế có loại DMM DMM cầm tay (Handheld DMM) loại DMM để bàn (Bench DMM) Loại để DMM bàn thƣờng có tính năng, dải trình đo, độ xác, giá thành cao loại DMM cầm tay Sơ đồ cấu tạo đồng hồ vạn số Hình 3.4 – Sơ đồ khối rút gọn DMM số Hình 3.5 – Sơ đồ rút gọn chức đo điện áp 90 Chương – Máy đo phương pháp đo điện tử Hình 3.6 – Sơ đồ rút gọn chức đo dòng Hình 3.7 – Sơ đồ rút gọn chức đo điện trở 91 Chương – Máy đo phương pháp đo điện tử Hình 3.8 – Sơ đồ cấu tạo DMM thực tế 3.1.2 Đo dịng điện Phép đo dịng điện có phạm vi đo rộng (từ vài pA đến vài MA), dải tần rộng (từ đo dòng chiều đến đo dòng xoay chiều tần số tới hàng GHz) Tùy phạm vi đo dải tần đo lại sử dụng phƣơng pháp đo khác Tuy nhiên thực tế phép đo dòng điện thƣờng đƣợc thực dải tần tới hàng trăm MHz, dải tần số siêu cao ngƣời ta thƣờng đo công suất Dụng cụ đo dòng điện đƣợc gọi Ampe mét (Ampe kế), với đồng hồ vạn để chức đo dịng đƣợc gọi Ampe mét Ký hiệu Ampe mét sơ đồ vòng trịn có chữ A thêm ký hiệu cực dƣơng âm hai bên cho dịng điện chiều: + A Có dạng Ampe mét khác nhau: Ampe mét can thiệp Ampe mét không can thiệp 92 Chương – Máy đo phương pháp đo điện tử  Ampe mét can thiệp Khi đo dòng điện chạy dây điện Ampe mét phải đƣợc mắc nối tiếp với dây điện, tiêu thụ hiệu điện nhỏ nối tiếp mạch điện Để giảm ảnh hƣởng đến mạch điện cần đo, hiệu điện tiêu thụ mạch ampe kế phải nhỏ tốt Điều nghĩa trở kháng tƣơng đƣơng ampe mét mạch điện phải nhỏ so với điện trở mạch Khi mắc ampe mét vào mạch điện chiều, ý nối cực điện theo chiều dịng điện Ln chọn thang đo phù hợp trƣớc đo: chọn thang lớn trƣớc, hạ dần thu đƣợc kết nằm thang đo Mỗi Ampe mét có kháng trong, dịng chiều xoay chiều tần số thấp, coi trở kháng ampe mét trở Ra (Hình 3.9-b) Nhƣng tần số cao trở kháng tƣơng đƣơng ampe mét cịn cần phải tính đến các thành phần điện dung điện cảm ký sinh, sơ đồ tƣơng đƣơng nhƣ Hình 3.9-a (trong đó: La- điện cảm cuộn dây, Ca- điện dung đầu ampe mét, Cd- điện dung đầu ampe mét với đất) Ca Zn La Cd Ra Zt Cd En Ra (a) A (b) (c) Hình 3.9 - Trở kháng tương đương ampe mét Để giảm sai số điện dung ký sinh tần số cao ngƣời ta mắc ampe mét vào vị trí có điện thấp so với đất Ví dụ nhƣ cách mắc Hình 3.9-c, Zn – trở kháng nguồn, Zt – trở kháng phụ tải Khi mắc ampe mét vào mạch đo làm cho dòng điện qua mạch thay đổi so với giá trị thực Ix Ix  En Zn  Zt Sau mắc ampe mét vào mạch dòng điện mà ampe mét thị là: I đo  En Z n  Zt  Z A 93 Chương – Máy đo phương pháp đo điện tử Sai số tƣơng đối ảnh hƣởng trở kháng ampe mét đƣợc xác định nhƣ sau: I  I x  I đo 100  Ix Z Z 1 t  Zn Za % 100 Để giảm nhỏ sai số tƣơng đối cần chọn ampe mét có trở kháng nhỏ Để mở rộng thang đo dòng điện cho ampe mét mạch chiều tần số thấp ngƣời ta mắc ampe mét song song với điện trở Shunt với tác dụng phân chia dòng điện Ở tần số cao ảnh hƣởng hiệu ứng bề mặt, Shunt điện trở đƣợc thay Shunt điện cảm, Shunt điện dung hay biến dòng đo lƣờng cao tần Các phƣơng pháp dòng điện theo kiểu can thiệp nhƣ sau: - Đo dòng điện dùng cấu đo từ điện - Do dòng phƣơng pháp nhiệt điện - Đo dòng phƣơng pháp quang điện, … a Đo dòng điện chiều DC dùng cấu từ điện Cơ cấu đo từ điện làm việc với dịng chiều, nhƣng dịng tồn thang Itt nhỏ, phải mở rộng thang đo cho phù hợp cách mắc CCĐ song song với điện trở Shunt Rs Rm, Itt AM1 + Rm, Itt Im Ix R1 R2 R3 I3 + I2 Ix Is I1 Rs (a) – Sơ đồ thang đo (b) – Sơ đồ nhiều thang đo kiểu Shunt Ayrton Hình 3.10 – Sơ đồ thang đo dòng chiều dùng CCĐ từ điện Sơ đồ thang đo dòng chiều dùng CCĐ từ điện nhƣ Hình 3.10-a Dịng điện đo: Ix = Im + Is 94 Chương – Máy đo phương pháp đo điện tử Dòng điện đo đƣợc lớn thang đo Imax Khi Ix = Imax Im=Itt, dó điện trở Shunt đƣợc xác định nhƣ sau: Rs  Rm , với n  n 1 I max I tt - hệ số mở rộng thang đo Với Ampe mét có nhiều thang đo dùng nhiều điện trở Shunt, thơng thƣơng điện trở Shunt đƣợc mắc nối kiểu Shunt Ayrton nhƣ Hình 3.10-b với thang đo I1, I2, I3, hệ số mở rộng thang đo nk (k=1,2,3) RSk  Rmk , với nk  nk  Ik I tt + Thang đo I1: Rs1=R1, Rm1=Rm+R2+R3 + Thang đo I2: Rs2=R1+R2, Rm2=Rm+R3 + Thang đo I3: Rs3=R1+R2+R3, Rm3=Rm b Đo dòng điện xoay chiều AC dùng cấu từ điện Cơ cấu đo từ điện làm việc với dòng chiều, đo đo dòng xoay chiều AC phải biến đổi dòng AC thành dòng DC qua CCĐ theo cách khác nhƣ: Dùng phƣơng pháp chỉnh lƣu Điốt, Dùng phƣơng pháp biến đổi nhiệt điện Hình 5.1 Dùng phương pháp chỉnh lưu Điốt: Ví dụ thang đo dịng AC dùng mạch chỉnh lƣu ½ chu kỳ nhƣ Hình 3.11-a, dùng mạch chỉnh lƣu cầu nhƣ Hình 3.11-b Xây dựng thang đo trị số hiệu dụng dịng điện xoay chiều hình sin cho thang đo Giả sử dòng điện AC iac=Imsint Nếu giới hạn thang đo Imax, dịng điện AC có giá trị hiệu dụng IRMS=Imax dịng điện trung bình qua CCĐ imtb=Itt Hình 3.11 – Thang đo dòng xoay chiều iac is + D2 AM4Itt idc im Rm, + Rs (a) is (b) 95 Rs D3 iac Rm, Itt AM2 im D4 D D1 Xem lại vị trí Diode Chương – Một số loại máy đo dùng viễn thông - Độ phân giải: khoảng cách/450 - Tổn thất: - 60dB Đo công suất: - Độ xác:10% - Kiểu đầu nối: N - Kiểu sensor: cơng suất trung bình - Dải tần: 20 - 3000MHz - Dải động: - 30dB - Kiểu sensor: Công suất Đỉnh - Dải tần: 20 - 4000MHz - Dải động: - 40dB - Kích thƣớc: 260x190x60mm - Trọng lƣơng: ≤2.5kg - Nguồn nuôi: Li-Ion (3hr) - Nhiệt độ làm việc: 0-50°C - Độ ẩm:95% không đọng sƣơng Tham khảo http://instec.vn/vn/detail/product/may-do-cap ang-ten/761 c) Máy đo công suất cao tần (RF Power Meter) - Xuất xứ: Mỹ Thông số kỹ thuật: - Dải tần: 25Mhz ~ 1000Mhz (1GHz) - Dải công suất: 15, 50, 150, 500, 1500 W (Full scale ) 500W Max dải tần từ 800 ~ 1000MHz - Độ xác: 25~100Mhz: ± % 100~512Mhz: ± % 512~1000Mhz: ± % - Tổn thất chèn vào (Insertion Loss) ( Đầu nối UHF-Female) 0.10dB Max, dải tần 25~512MHz 227 Chương – Một số loại máy đo dùng viễn thông 0.15dB Max, dải tần 512~1000MHz - Hệ số sóng đứng VSWR (Đầu nối UHF-Female) 1.08 Max, dải tần 25~512MHz 1.12 Max, dải tần 25~512MHz - Sensor đo (Đầu đo hay phần tử đo): 25MHz ~ 1000Mhz: 1500 W Max, xoay nút phía đo cơng suất truyền qua hay phản hồi (Không cần mua thêm đầu đo) Tham meter/539 khảo http://instec.vn/vn/detail/product/may-do-cong-suat-rf-rf-power- 4.3 Máy kiểm tra trạm gốc Máy Đo Kiểm Cáp Và Anten, Trạm Gốc Bts 2g/3g/4g - Sage Uctt-8901 Máy đo kiểm trạm gốc BTS model UCTT- 8901 đáp ứng công nghệ 2G/3G/4G đƣợc thiết kế chuyên dụng cho việc đo kiểm cáp Feeder anten, kiểm tra chất lƣợng tín hiệu cho trạm gốc BTS (đo RL, DTF, VSWR, phân tích phổ, đo cơng suất, GSM, WCDMA/HSDPA, /GPRS/EDGE, WIMAX, LTE ) phục vụ công tác nghiên cứu, quản lý chất lƣợng, lắp đặt, bảo dƣỡng, ứng cứu, sửa chữa mạng điện thoại di động Máy đƣợc trang bị hình màu LCD TFT 10.4 inch cảm ứng, trọng lƣợng nhẹ 5, kg, dải tần hoạt động từ 698MHz đến 2, 7GHz Máy đƣợc sản xuất hãng Sage Instruments – Mỹ Tham khảo sản phẩm tại: www.escom.com.vn www.sageinst.com 4.4 Máy phân tích phổ Máy phân tích phổ phân tích phổ tín hiệu điện, tần số chính, cơng suất, biến dạng, hài, băng thông thành phần khác tín hiệu Những tham số có ích cho việc phân tích đặc tính thiết bị điện tử nhƣ máy phát Wireless Máy đƣợc sử dụng rộng rãi việc đo đạc đặc tính đáp ứng tần số, nhiễu, méo dạng mạch RF việc so sánh phổ tín hiệu vào Trong viễn thông máy đƣợc dùng để xác định độ rộng băng thông bị lấn chiếm theo dõi nguồn nhiễu Máy phân tích phổ đƣợc dùng để phát wireless làm việc theo tiêu chuẩn liên quan đến phát xạ tinh khiết Nó giao tiếp với thiết bị kết nối với nhận wireless hay máy tính cá nhân phép phát hình ảnh phân tích tín hiệu qua xác định tần số Nó dùng để xác định tần số nguồn giao tiếp với thiết bị mạng wireless, nhƣ Wi-fi router wireless 228 Chương – Một số loại máy đo dùng viễn thông a) Máy phân tích phổ kỹ thuật số AT5010B Hãng sản xuất: Lodestar Đài Loan Thông số kỹ thuật: Dải tần số: 0.15 to 500MHz Độ hiển thị xác tần số trung tâm: ±100KHz Độ xác tạo: 0.1% span + 100KHz Độ phân giải hình hiển thị số: 100KHz (4.5 digit LED) Độ xác tần số quét ±10% Ổn định tần số: tốt 150KHz / hour Băng thông trung tần IF (-3dB): 400KHz và20KHz Video-Filter (on): 4KHz Sweep rate: 43Hz Dải khuếch đại: -100dBm to +13dBm Khoảng hiển thị hình: 80dB (10dB / DIV.) Mức chuẩn: -27dBm to + 13dBm (in 10dB steps) Mức độ xác chuẩn: ±2dB Mức nhiễu trung bình: -90dB (20KHz băng thông) Biến dạng: < -55dBc hài thứ Third order intermod: -70dBc (two signals > 3MHz apart) Độ nhạy: tốt - 90dBm Log scale fidelity: ±2dB (without attn.) 500MHz Suy hao đầu vào: to 40dB (4 x 10dB steps) Đọ xác suy hao đầu vào: ±1dB / 10dB 229 Chương – Một số loại máy đo dùng viễn thông Max input level: +10dBm, ±25V DC (0dB attn.), +20dBm (40dB attn.) Tần số quét: 100KHz / div to 100MHz / div in 1-2-5 steps and 0Hz / div (zero scan) b) Máy phân tích phổ GW instek GSP-730 (150kHz ~ 3Ghz) Thông số kỹ thuật: Model : GSP-730 Hãng : GW Instek Xuất xứ : Đài Loan Bảo hành : 12 tháng Giải tần : 150kHz ~ 3Ghz Tần số trung tâm (Độ phân giải) : 0.1Mhz / +-50kHz Tần số (Span) : 1Mhz ~ 3Ghz / +-3% Độ phân giải BW : 30KHz, 100KHz, 300KHz,1MHz Nhiễu pha (SSB) : -85dBc / Hz Biên độ : +20 to -40dBm Cấp độ nhiễu : ≤ -100dBm Trở kháng đầu vào : 50 Ohm Sweep time : 300ms to 8.4s / +-2% Hiện thị : LCD , 640 x 480 Giao tiếp : RS-232C, USB VGA : Sub - D 15 pin Nguồn : 100-240V, 50/60Hz Khối lƣợng : 2.2Kg 230 Chương – Một số loại máy đo dùng viễn thông Phụ kiện kèm theo : HDSD, CD, Đầu nguồn c) Máy phân tích phổ cầm tay BK Precision 2652A (3.3 GHz, with Tracking Generator) Thông số kỹ thuật: Hãng sản xuất: BK Precision – USA Model:2652A Giải tần: 50 kHz đến 3.3 GHz Biên độ: +10 to -60 dBm (1dB step) Đầu phát tín hiệu (Tracking Generator): MHz - 3.3 GHz Cổng RF vào: kiểu N(J) Hiển thị: Màn hình 5.7 inch màu TFT LCD, độ phân giải 640 x 480 AC adaptor: VDC/2.6 A Pin Lithium-ion : 7.4 V/5000 mAh Li-Ion Kích thƣớc: 162(W) x 71(H) x 265(D) mm Trọng lƣợng: 1.8 kg d) Máy phân tích phổ 6.2Ghz MƠ TẢ SẢN PHẨM Máy phân tích phổ thị số hình màu TFT LCD, độ xác cao, tần số 9KHz ~ 6.2GHz Đặc tính: - Phƣơng pháp tổng hợp tín hiệu số hồn hảo - Dải tần rộng: 9Khz ~ 6.2Ghz - Phân giải: Nhỏ 1Hz - Nhỏ gọn & dễ vận chuyển - Dải động đầu vào rộng: -105 ~ 20dBm - Các phím bấm sử dụng dễ dàng 231 Chương – Một số loại máy đo dùng viễn thông - Đo lƣờng CDMA: ARCP, ACLR, OCBW, công suất kênh - Giao diện đa kiẻu: USB, LAN - Độ xác tham chiếu: 0.5ppm - Màn hình thị số màu LCD, TFT 6,4 inch Thông số kỹ thuật: * Tần số: - Dải tần: kHz ~ 6.2Ghz - Độ phân giải: nhỏ Hz - Dải Span: 100 Hz/div tới 600 MHz/div lựa chọn bƣớc 1,2,5 (hoặc tự động), ZERO Span, FULL Span (9kHz tới 6.2GHz) - Sự lựa chọn tần số: Thiết lập Span Bắt đầu, Kết thúc cài đặt trung tâm - Độ xác Span: ± 3% độ rộng Span đƣợc thị - Độ nhiều pha: -90dBc/Hz @10kHz offset * Biên độ: - Dải: +20dBm ~ -105dBm - Mức nhiễu trung bình (1 kHz RBW, 10 Hz VBW):< -105 dBm: 150 kHz ~ GHz < -100 dBm: 1GHz ~ 2.4GHz, 50kHz ~ 150kHz < -95dBm: 2.4GHz ~ 6.2GHz - Đơn vị hiển thị: dBm, dBmV, dBMicroV, V, mV, MỉccoV, W, mW, MicroW - Tần số phản hồi (nền 0dB): -3.5 ~ 1.5dB (10Khz ~ 10Mhz); ±1.5dB (10MHz ~ 6.2Ghz) - Mức tham chiếu: + Dải: 20 dBm ~ -90 dBm + Độ phân giải: 0.1 dB + Độ xác: ± 1.5 dB - Độ rộng băng tần Video: 10Hz ~ 3MHz bƣớc 1-3-10 232 Chương – Một số loại máy đo dùng viễn thông * Quét: - Tốc độ: 100 ms ~ 1000 sec, 40 ms ~ 1000 sec (Zero Span) - Độ xác: < ± 20% - Nguồn Triger: ngoại, Video, chạy tự do, Line - Chế độ Triger: Liên tục, đơn - Mức Triger: mức TTL * Bộ nhớ: - Nhớ kiện: 900 dạng sóng - Nhớ thiết lập: 3000 trạng thái * Màn hình hiển thị: - Kiểu: 6.4" màu TFT LCD - Độ phân giải: 640 X 480 - Đánh dấu: Peak Search, Delta Marker, Marker to Center Marker to References (8 markers maximum) * Đầu vào: - Kiểu đầu vào RF: N, 50 ohm - VSWR: 150KHz ~ 3.0Ghz, VSWR: