Nghiên cứu xây dựng hệ thống tự động kiểm tra đầu đo giám sát dòng và đầu ghép dòng tín hiệu sử dụng trong các phép thử nghiệm miễn nhiễm nhiễu dẫn và phát xạ nhiễu dẫn thuộc tiêu

Bài báo đã đề xuất được hệ thống có khả năng kiểm tra một cách tự động các đầu đo giám sát dòng và đầu ghép dòng tín hiệu với dải tần hoạt động từ 20 Hz đến 500 MHz. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu đã đưa ra được các công thức kinh nghiệm về mối quan hệ giữa tham số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi và tần số của đầu đo giám sát dòng tín hiệu và đầu ghép dòng tín hiệu nhiễu. Mời các bạn cùng tham khảo!

Nghiên cứu xây dựng hệ thống tự động kiểm tra đầu đo giám sát dịng đầu ghép dịng tín hiệu sử dụng phép thử nghiệm miễn nhiễm nhiễu dẫn phát xạ nhiễu dẫn thuộc tiêu chuẩn MIL-STD 461 F/G Nguyễn Tất Nam∗ , Nguyễn Tuấn Đạt∗ ∗ Cục Tiêu chuẩn - Đo lường - Chất lượng/Bộ Tổng Tham mưu Email: {namnguyentat}@gmail.com Tóm tắt—Để đảm bảo tính pháp lý trang bị đo lường trình sử dụng, giảm thiểu chi phí kiểm định/hiệu chuẩn, tối thiểu hóa thời gian thực tình hình thực tế đơn vị đo lường Quân đội, tác giả đưa giải pháp kiểm tra/kiểm định đầu đo giám sát dịng tín hiệu EMI đầu ghép dịng tín hiệu nhiễu sử dụng phép thử nghiệm miễn nhiễm nhiễu dẫn phát xạ nhiễu dẫn thuộc tiêu chuẩn MIL-STD 461 F/G Kết nghiên cứu báo đề xuất hệ thống có khả kiểm tra cách tự động đầu đo giám sát dịng đầu ghép dịng tín hiệu với dải tần hoạt động từ 20 Hz đến 500 MHz Ngoài ra, kết nghiên cứu đưa công thức kinh nghiệm mối quan hệ tham số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi tần số đầu đo giám sát dịng tín hiệu đầu ghép dịng tín hiệu nhiễu Ngồi ra, báo cịn đưa cơng thức kinh nghiệm mối quan hệ tham số CF tần số Từ khóa—Tương thích điện từ trường, tự động, vơ tuyến, Matlab I GIỚI THIỆU Tiêu chuẩn MIL-STD 461F/G đưa thủ tục yêu cầu thử nghiệm phát xạ nhiễu điện từ trường (EMI: Electromagnetic Interference Emission) đặc tính miễn nhiễm thiết bị điện tử điện tử sử dụng lĩnh vực quân [1], [2] Cụ thể, tiêu chuẩn có nhóm phép thử nghiệm tương thích điện từ lĩnh vực quân sự: 03 Phép thử phát xạ nhiễu dẫn (CE: Conducted Emission); 09 Phép thử miễn nhiễm nhiễu dẫn (CS: Conducted Susceptibility) MILSTD 461 F [2] 10 phép thử miễn nhiễm nhiễu dẫn MIL-STD 461G [1]; 03 Phép thử phát xạ xạ (RE: Radiated Emission); 03 phép thử miễn nhiễm xạ (RS: Radiated Susceptibility) Trong đó, đầu 113 Bảng I CÁC LOẠI ĐẦU GHÉP DỊNG TÍN HIỆU VÀ ĐẦU ĐO GIÁM SÁT DÒNG ĐƯỢC SỬ DỤNG TẠI P HÒNG THỬ NGHIỆM EMC/T RUNG TÂM G IÁM ĐỊNH C HẤT LƯỢNG TT I II Tên, kiểu Đầu ghép dịng tín hiệu Đầu ghép dịng tín hiệu 9144-1N Đầu ghép dịng tín hiệu F-120-9 Đầu ghép dịng tín hiệu 9142-1N Đầu đo giám sát dòng Đầu đo giám sát dòng F-52 Đầu đo giám sát dòng 9123-1N Đầu đo giám sát dòng 9215-1N Đặc tính kỹ thuật Dải tần: (0.01÷100) MHz Dải tần: (0.01÷220) MHz Dải tần: (2÷500) MHz Dải tần: (0.01÷500) MHz Dải tần: (0.01÷500) MHz Dải tần: 20 Hz đến 500 MHz đo giám sát dịng ghép tín hiệu sử dụng phổ biến 01 phép thử nghiệm phát xạ nhiễu dẫn đường dây nguồn CE101; 04 phép thử miễn nhiễm nhiễu dẫn: miễn nhiễm nhiễu dẫn dòng cấu trúc CS109; miễn nhiễm nhiễu dẫn trường hợp ghép nhiễu cao tần vào bó cáp CS114; miễn nhiễm nhiễu dẫn trường hợp ghép nhiễu xung kích thích vào bó cáp CS115; miễn nhiễm nhiễu dẫn trường hợp ghép nhiễu dạng hình sin tắt dần vào cáp nguồn cáp tín hiệu CS116 [1], [2] Các đầu đo giám sát dịng đầu ghép dịng tín hiệu đóng vai trị quan trọng việc ghép nhiễu vào thiết bị thử nghiệm (EUT: Equipment Under Test) giám sát mức/cường độ dòng so với qui định Tiêu chuẩn MIL-STD 461 F/G Chúng ảnh hưởng trực tiếp đến kết thử nghiệm thiết bị có đạt không đạt theo yêu cầu phép thử nghiệm Hiện nay, Phòng đo EMC thuộc Trung tâm Giám định Chất lượng sử dụng 03 loại đầu đo giám sát dòng 03 loại đầu ghép dịng tín hiệu khác thống kê Bảng Tuy nhiên theo khảo sát tác giả, sở đo lường Quân đội chưa kiểm định hiệu chuẩn thiết bị đo Để kiểm định hiệu chuẩn phải đưa thiết bị sang nước ngoài, thực việc nhiều thời gian ảnh hưởng đến nhiệm vụ Phòng thử nghiệm EMC, chưa kể đến việc tốn mặt kinh phí Để đảm bảo tính pháp lý trang bị đo lường q trình sử dụng, giảm thiểu chi phí kiểm định/hiệu chuẩn, tối thiểu hóa thời gian thực tình hình thực tế đơn vị đo lường Quân đội, tác giả đề xuất thực hiện: “Nghiên cứu xây dựng hệ thống tự động kiểm tra đầu đo giám sát dịng đầu ghép dịng tín hiệu sử dụng phép thử nghiệm miễn nhiễm nhiễu dẫn phát xạ nhiễu dẫn thuộc tiêu chuẩn MILSTD 461 F/G” Phần lại báo tổ chức sau: Giải pháp thực bao gồm giới thiệu đầu đo giám sát dòng đầu ghép dịng tín hiệu giải pháp thực hệ thống tự động kiểm tra đầu đo giám sát dòng đầu ghép dịng tín hiệu phần II; Phần III thực thử nghiệm kiểm tra thực tế đầu đo giám sát dịng đầu ghép dịng tín hiệu; Cuối cùng, Kết luận hướng nghiên cứu phần IV II GIẢI PHÁP THỰC HIỆN Để hoàn thành nghiên cứu, tác giả phải thực số cơng việc sau: tìm hiểu ngun lý hoạt động ứng dụng đầu đo giám sát dịng, đầu ghép dịng tín hiệu ứng dụng chúng phép thử nghiệm miễn nhiễm nhiễu dẫn phát xạ nhiễu dẫn; thủ tục kiểm tra Hãng sản xuất thiết bị đo Trên sở đó, vào trang thiết bị đo trang bị Trung tâm Giám định Chất lượng để đề xuất xây dựng thủ tục thực kiểm tra phù hợp với đầu đo giám sát dịng, đầu ghép dịng tín hiệu có dải tần làm việc từ 20 Hz trở lên đến 500 MHz Đồng thời tự động hóa q trình kiểm tra thiết bị để rút ngắn thời gian đo giảm thiểu sai sót người thực gây A Giới thiều đầu đo giám sát dòng Một đầu đo giám sát dòng nhiễu phát xạ điện từ trường biến áp hình xuyến dùng để đo dịng nhiễu phát xạ điện từ trường mà khơng cần kết nối/tiếp xúc trực tiếp với đối tượng dẫn điện cần đo Đối tượng dẫn điện đưa qua khe hở đầu đo, phần khe hở đầu đo đóng vai trị cuộn sơ cấp biến áp Cuộn thứ cấp biến áp thiết kế phù hợp với hệ thống có trở kháng 50 Ω máy đo nhiễu EMI máy phân tích phổ [3] Sơ đồ khối đầu đo giám sát dịng Hình 114 Đầu trở kháng 50 Ohm đến cáp kết nối đến máy đo Cuộn thứ cấp Vỏ bảo vệ tĩnh điện Cuộn sơ cấp Dịng nhiễu Hình Khối biến áp cao tần đầu đo giám sát dòng nhiễu EMI Bảng II ĐỘ NHẠY CỦA MÁY THU THEO ĐẠI LƯỢNG µA Ở TRỞ KHÁNG CHUYỂN ĐỔI Ω TT Độ nhạy máy thu (µV ) 0.1 Độ nhạy máy thu (µA) 2.5 1.0 0.5 0.05 Ghi Zt Zt Zt Zt = 2Ω = 2Ω = 2Ω = 2Ω 1) Nguyên lý hoạt động đầu đo giám sát dòng: Để đo mức/cường độ dòng nhiễu chạy vật dẫn cáp dẫn đầu đo giám sát dịng kẹp qua chúng Cuộn sơ cấp Hình thực tế vật dẫn điện để dịng nhiễu đo lường Thực chất, cuộn sơ cấp vịng khép kín dịng nhiễu chạy qua vật dẫn cáp dẫn quay trở lại nguồn thông qua mặt phẳng đất chung Đầu cuộn sơ cấp đấu với tải bên đầu giám sát dòng nhiễu nhằm cung cấp trở kháng chuyển đổi cố định theo dải tần số 2) Độ nhạy đầu đo giám sát dòng: Là hàm kết hợp hai tham số: trở kháng chuyển đổi (Zt ) đầu đo giám sát dòng độ nhạy máy thu mức µV [4] Bảng II đưa độ nhạy dựa trở kháng chuyển đổi Zt = Ω ứng với độ nhạy khác máy thu theo đơn vị µV Tuy nhiên, tham số không ảnh hưởng nhiều đến kết đo dòng nhiễu đầu đo giám dịng nên khơng cần thực q trình kiểm tra 3) Trở kháng chuyển đổi cách xác định mức/cường độ dòng nhiễu: Trở kháng chuyển đổi xác định tỉ số điện áp đo tải 50 Ω dòng chạy cuộn sơ cấp [3] Đây tham số quan trọng đầu đo giám sát dịng tín hiệu nhiễu cao tần ảnh hưởng trực tiếp đến kết đo Do vậy, trình kiểm tra tập trung vào việc xác định xác giá trị trở kháng chuyển đổi đầu đo giám sát dòng Hai cách xác định mức/cường độ dòng nhiễu đo [3]: Cách 1: Do máy đo EMI đo mức tín hiệu nhiễu cao tần theo đơn vị điện áp nên dịng đo thực tế tín hiệu nhiễu chuyển đổi theo định luật Ohm IP = ES , Zt Máy phát Bộ ghép định hướng EUT Đầu đo giám sát dịng Đầu ghép dịng tín hiệu (1) Es mức EMI chạy tải 50 Ω đo máy đo có đơn vị µV , Zt trở kháng chuyển đổi (Ω) đầu đo giám sát dòng tần số cần đo, Ip mức dịng chưa xác định (đơn vị µA) nhiễu chạy cuộn sơ cấp Cách 2: Sử dụng hệ số hiệu chuẩn/hiệu trở kháng chuyển đổi (CF: Correction Factor) đầu đo giám sát dòng nhà sản xuất cơng bố xác định mức/dịng theo công thức (2): IP = ES + CF KĐ CS Máy đo cơng suất (2) Hệ số hiệu chuẩn/hiệu trở kháng chuyển đổi (CF): Theo [3], CF định nghĩa có giá trị với giá trị Zt theo đơn vị dBΩ ngược cực tính B Giới thiệu đầu ghép dịng tín hiệu Thiết bị thường sử dụng phịng nghiệm để nghiên cứu cho ứng dụng khoa học ứng dụng lĩnh vực công nghiệp Chúng thiết kế để tạo ra, điều khiển đo lường mức lượng điện từ trường Nguyên lý làm việc thiết bị cảm ứng dịng tín hiệu vơ tuyến vào cáp nguồn cáp tín hiệu thiết bị cần gây nhiễu để xác định khả miễn nhiễm tín hiệu tần số vơ tuyến Ngồi ra, đầu ghép dịng tín hiệu cịn sử dụng cảm biến (Sensor) để đo dòng EMI Vật dẫn điện cáp đưa qua khe hở đầu ghép dịng tín hiệu bao quanh vòng cuộn thứ cấp (khi đầu ghép dịng sử dụng cho mục đích ghép tín hiệu nhiễu vào cáp vật dẫn điện) bao quanh vòng cuộn sơ cấp (trong trường hợp sử dụng đầu ghép dịng tín hiệu cho mục đích đo dịng nhiễu) Do vừa sử dụng để ghép dịng tín hiệu nhiễu vào cáp vật dẫn điện sử dụng để đo dòng EMI nên đầu ghép dịng tín hiệu có hai tham số quan 115 Suy hao Máy phân tích tín hiệu/Máy phân tích phổ Hình Một cấu hình thử nghiệm khả miễn nhiễm nhiễu tín hiệu nhiễu từ đường cáp tín hiệu EUT cần phải thực kiểm tra hiệu chuẩn sau thời gian sử dụng: Hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi Suy hao đặt vào (IL: Insertion Loss) Sở dĩ, tham số suy hao đặt vào cần kiểm tra đầu ghép dịng tín hiệu chúng sử dụng trường hợp muốn tính mức dịng ghép tín hiệu nhiễu vào cáp vật dẫn điện Ví dụ, trường hợp có sơ đồ thử khả miễn nhiễm tín hiệu nhiễu cao tần ghép vào cáp tín hiệu EUT Hình Để tính dịng tín hiệu nhiễu ghép đưa vào từ đầu ghép dịng tín hiệu, cần phải có thơng tin tham số suy hao đặt vào đầu ghép dịng tín hiệu Khi đó, mức dịng tín hiệu nhiễu ghép vào xác định theo cơng thức (3): IInjected [dBµA] = Imonitor [dBµA] + IL[dB] + CL[dB], (3) Imonitor dịng tín hiệu nhiễu đưa vào EUT xác định công thức (2), IL suy hao đặt vào đầu ghép dịng tín hiệu, CL suy hao đoạn cáp nối từ đầu đo giám sát dịng đến đầu ghép dịng tín hiệu C Giải pháp xây dựng, thực hệ thống tự động kiểm tra đầu đo giám sát tín hiệu đầu ghép dịng tín hiệu Từ nội dung trình bày phần II-A II-B cho thấy hai thiết bị có 02 tham số cần kiểm tra: Hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi (CF) trở kháng chuyển đổi (Zt ) suy hao đặt vào Do phần này, tác giả tập trung vào việc phân tích sở lý thuyết đưa giải pháp kiểm tra hai tham số với trang thiết bị đo lường có Phịng thử nghiệm EMC/Trung tâm Giám định Chất lượng Hiện tại, Phòng thử nghiệm EMC có trang thiết bị đo lường: Máy phân tích mạng vec-tơ N9927A dải tần từ 30 kHz đến 18 GHz; Máy thu đo N9030A dải tần từ Hz đến 26,5 GHz; Máy phát tín hiệu 33210A tần số thấp từ mHz đến 10 MHz; Tải hấp thụ 50 Ω dải tần từ DC đến 18 GHz; Bộ gá hiệu chuẩn đầu ghép tín hiệu 9125-1N dải tần từ 20 Hz đến 500 MHz 1) Hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi đầu đo giám sát dịng đầu ghép dịng tín hiệu: Do đầu đo giám sát dịng có dải tần từ 20 Hz đến 500 MHz nên phải sử dụng hai sơ đồ để kiểm tra hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi Sơ đồ thứ sử dụng máy phát tín hiệu tần số thấp 33210A máy thu N9030A để kiểm tra cho dải tần làm việc từ 20 Hz đến MHz; Sơ đồ thứ hai sử dụng máy phân tích mạng vec-tơ N9927A để thực kiểm tra cho dải tần từ MHz đến 500 MHz 1.1 Thực kiểm tra hệ số hiệu chuẩn chuyển đổi trở kháng dải tần từ 20 Hz đến MHz: Hình mơ tả chi tiết sơ đồ thực tự động việc điều khiển mát phát tín hiệu máy thu tín hiệu để tính hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi Trong sơ đồ này, trở kháng chuyển đổi Zt đầu đo giám sát dòng đầu ghép dịng tín hiệu mối quan hệ điện áp Vmo đầu đo giám sát dòng đầu ghép dịng tín hiệu dịng điện I chạy dây dẫn đặt đầu đo giám sát dịng/đầu ghép dịng tín hiệu Theo định luật Ohm: Vmo , (4) Zt = I Trong Hình 3, ta có I = Zt = Vin 50 nên (4) viết lại: Vmo × 50 Vin (5) Do Zt thường biểu diễn đơn vị dBΩ để thuận lợi q trình tính tốn cơng thức (2) (3) nên lấy 20×log số 10 hai vế (5) Khi đó, ta có: 20 × log(Zt ) = 20 × log( Vmo × 50) Vin (6) Khai triển vế phải (6), ta có: 20 × log(Zt ) = 20 × log(Vmo ) − 20 × log(Vin ) +20 × log(50) = 20 × log(Vmo ) − 20 × log(Vin ) + 33.98 GPIB USB Máy tính Phần mềm điều khiển hệ thống Máy phát 33210A Vin 116 Đầu đo giám sát dịng/ Đầu ghép dịng tín hiệu Vmo Máy thu N9030A Giá hiệu chuẩn Solar 9125-1N Hình Sơ đồ kiểm tra hệ số hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi dải tần từ 20 Hz đến MHz Từ (7), ta dễ dàng tính Zt tần số khảo sát biết giá trị Vin (là mức máy phát tần số thấp 33210A), Vmo giá trị đo máy thu N9030A tần số kiểm tra Cứ vậy, xác định Zt tồn dải tần từ 20 Hz đến MHz Mặt khác, từ [3] ta có hệ số hiệu hiệu chuẩn trở kháng chuyển đổi xác định: CF = −20 × log(Zt ) (8) hoặc: CF = 20 × log(Vin ) − 20 × log(Vmo ) − 33.98 (9) Chú ý: Trước thực tính giá trị CF dải tần 20 Hz đến MHz theo sơ đồ Hình 3, để đảm bảo CF có sai số nhỏ Chúng ta phải tiến hành loại bỏ sai số mức phát máy phát tín hiệu 33210A suy hao cáp nối từ máy phát tín hiệu tần số thấp đến đầu vào giá hiệu chuẩn Solar 9125-1N cáp nối từ máy thu tín hiệu N9030A đến đầu đầu đo giám sát dòng/đầu ghép dòng tín hiệu cách thực sơ đồ tiền kiểm tra hay hiệu chuẩn hệ thống trước đo Hình Khi Vin (7) thay V˜in (là giá trị máy thu tín hiệu N9030A đo máy phát 33210A phát mức Vin Hình 4) Thuật tốn thực hiện: - Đối với với trình tiền kiểm tra hiệu chuẩn hệ thống trước đo Hình 4, thuật toán thực Bảng III - Đối với trình kiểm tra Hình 3, thuật toán thực Bảng III, khác giá trị mức đo Vmo Sau đó, để tính Zt CF ta có thêm bước 13 tính: Zt = Vmo − A˜0 + 33.98 (7) Tải 50 Ohm I CF = −Zt Máy phân tích mạng N9927A dịng tín hiệu Vmo Port (50 Ohm) Giá hiệu chuẩn Solar 9125-1N GPIB Máy tính Bảng III THUẬT GPIB mềm điều TOÁN TỰ ĐỘNG THỰC HIỆN TIỀN KIỂM TRAPhần Ở MỨC PHÁT USB A0 CỦA DẢI TẦN TỪ 20 HZ ĐẾN MHZkhiển hệ thống Khai báo tham số Tính tốn tham số Kết nối thiết bị 10 11 Thực trình đo 12 Tần số bắt đầu fstart tần số kết thúc fstop ; Số điểm lấy mẫu tần từ fstart đến fstop ; Máydải phát Mức kiểm tra, A0 ; 33210A Độ phân giải băng thông, RBW ; Độ phân giải video, V BW ; Khoảng thời gian quan sát tín hiệu máy đo, Span; Thời gian quét MáyTrace, thu T ; Số lần đo, T 1, T 2; N9038A Bước tần số thay đổi theo hàm tuyến tính, cần tính: GPIB F reqcenter =(fstop +fstart )./2; Máy tính F reqspan =(fstop -fstart ); USB Phần mềm điều khiển hệ thống Kết nối với máy phát tín hiệu tần số thấp 33210A qua cổng USB thiết lập dạng tín hiệu phát SINE, mức phát A0 có đơn vị dBm; Vinlập Kết nối máy thu tín hiệu N9030A thiết Máy phát tham số máy33210A đo: Span; RBW; VBW; Thời gian quét T , mức tham chiếu: (A0 +10); Đặt tách sóng: POS PEAK; Kích hoạt Marker; Đặt chế độ: MAX HOLD Máy thu Vin for n=0:L-1 N9038A % Thiết lập tần số phát máy phát: f(n+1,1)=F reqcenter +F reqspan ×(n/(L-1)-0.5); B=[’FREQ ’,num2str(f(n+1,:)), ’ kHz’]; fprintf(obj2,B); % obj2 biến máy phát 33210A fprintf(obj2, ’Output ON’); % Chọn cổng vào tín hiệu N9030A (obj3 biến máy N9030A) if f(n+1,1)