bai giang mon co so do luong dien tu tran thuc linh 601

CƠ SỞ ĐO LƢỜNG ĐIỆN TỬ Giảng viên: Trần Thục Linh Khoa Kỹ thuật điện tử Học viện công nghệ bưu viễn thơng ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang Sách tham khảo Cơ sở kỹ thuật đo lƣờng điện tử, Vũ Quý Điềm, nhà xuất KHKT, 2001 Đo lƣờng điện-vô tuyến điện, Vũ Nhƣ Giao Bùi Văn Sáng, Học viện kỹ thuật quân sự, 1996 Electronic Test Instruments, Bob Witte, 2002 Radio Electronic Measurements, G.Mirsky, Mir Publishers, Moscow, 1978 ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang NỘI DUNG • • • • • • • • • CHƢƠNG Giới thiệu chung đo lƣờng điện tử CHƢƠNG Đánh giá sai số đo lƣờng CHƢƠNG Các cấu thị máy đo CHƢƠNG Máy sóng CHƢƠNG Đo tần số, khoảng thời gian độ di pha CHƢƠNG Đo dòng điện điện áp CHƢƠNG Đo cơng suất CHƢƠNG Phân tích phổ CHƢƠNG Đo tham số mạch điện ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang Chƣơng Giới thiệu chung đo lƣờng điện tử Định nghĩa: đo lƣờng khoa học phép đo, phƣơng pháp công cụ để đảm bảo phƣơng pháp đo đạt đƣợc độ xác mong muốn 2.1 Các phương pháp đo: Phƣơng pháp đo trực tiếp: dùng máy đo hay mẫu đo (các chuẩn) để đánh giá số lƣợng đại lƣợng cần đo Kết đo trị số đại lƣợng cần đo X a - VD: đo điện áp vôn-mét, đo tần số tần số-mét, đo cơng suất ốt-mét, - Đặc điểm: đơn giản, nhanh chóng, loại bỏ đƣợc sai số tính tốn Đo gián tiếp: kết đo khơng phải trị số đại lƣợng cần đo, mà số liệu sở để tính trị số đại lƣợng X  F a1 , a2 , , an  - VD: đo công suất vơn-mét ampe-mét, đo hệ số sóng chạy dây đo, - Đặc điểm: nhiều phép đo thƣờng không nhận biết đƣợc kết đo ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang Chƣơng Giới thiệu chung đo lƣờng điện tử Phƣơng pháp đo tương quan: dùng để đo q trình phức tạp, khơng thể thiết lập quan hệ hàm số đại lƣợng trình nghiên cứu - Phép đo tƣơng quan đƣợc thực cách xác định khoảng thời gian kết số thuật tốn có khả định đƣợc trị số đại lƣợng thích hợp - VD: đo tín hiệu đầu vào đầu hệ thống - Đặc điểm: cần hai phép đo mà thông số từ kết đo chúng khơng phụ thuộc lẫn Độ xác đƣợc xác định độ dài khoảng thời gian trình xét Các phƣơng pháp đo khác: - Phƣơng pháp đo thay - Phƣơng pháp hiệu số (phƣơng pháp vi sai, phƣơng pháp thị không, phƣơng pháp bù) - Phƣơng pháp thị số ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang Chƣơng Giới thiệu chung đo lƣờng điện tử 2.2 Phương tiện đo đặc tính Phương tiện đo phƣơng tiện kĩ thuật để thực phép đo, chúng có đặc tính đo lƣờng đƣợc qui định - Phƣơng tiện đo đơn giản: mẫu, thiết bị so sánh, chuyển đổi đo lƣờng - Phƣơng tiện đo phức tạp: máy đo (dụng cụ đo), thiết bị đo tổng hợp hệ thống thông tin đo lƣờng + Mẫu: phƣơng tiện đo dùng để lại đại lƣợng vật lí có giá trị cho trƣớc với độ xác cao Chuẩn mẫu có cấp xác cao Chuẩn phƣơng tiện đo đảm bảo việc giữ đơn vị + Thiết bị so sánh: phƣơng tiện đo dùng để so sánh đại lƣợng loại để xem chúng “ = ”, “ > ”, “ < ” + Chuyển đổi đo lường: phƣơng tiện đo dùng để biến đổi tín hiệu thơng tin đo lƣờng dạng thuận tiện cho việc truyền tiếp, biến đổi tiếp, xử lí tiếp giữ lại nhƣng ngƣời quan sát nhận biết trực tiếp đƣợc (VD: KĐ đo lƣờng; biến dòng, biến áp đo lƣờng; quang điện trở, nhiệt điện trở, ) ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang Chƣơng Giới thiệu chung đo lƣờng điện tử + Dụng cụ đo: phƣơng tiện đo dùng để biến đổi tín hiệu thơng tin đo lƣờng dạng mà ngƣời quan sát nhận biết trực tiếp đƣợc (VD: vônmét, ampe mét, ) Dụng cụ đo Mức độ tự động hóa Dụng cụ đo không tự động Dụng cụ đo tự động Dạng tín hiệu Dụng cụ đo tƣơng tự Dụng cụ đo số Phƣơng pháp biến đổi Dụng cụ đo biến đổi thẳng Các đại lƣợng đầu vào Dụng cụ đo biến đổi cân Dụng cụ đo dòng điện Dụng cụ đo tần số + Thiết bị đo tổng hợp hệ thống thông tin đo lường: phƣơng tiện đo phức tạp dùng để kiểm tra, kiểm định đo lƣờng ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang Chƣơng Giới thiệu chung đo lƣờng điện tử Các đặc tính phương tiên đo Các đặc tính tĩnh đƣợc xác định thơng qua q trình chuẩn hố thiết bị +Hàm biến đổi: tƣơng quan hàm số đại lƣợng đầu Y đại lƣợng đầu vào X phƣơng tiện đo, Y=f(X) +Độ nhạy: tỷ số độ biến thiên tín hiệu đầu Y phƣơng tiện đo với độ biến thiên đại lƣợng đo đầu vào X tƣơng ứng Ký hiệu: S  dY dX +Phạm vi đo: phạm vi thang đo bao gồm giá trị mà sai số cho phép phƣơng tiện đo giá trị đo đƣợc qui định +Phạm vị thị : phạm vi thang đo đƣợc giới hạn giá trị đầu giá trị cuối thang đo +Cấp xác: đƣợc xác định giá trị lớn sai số thiết bị đo Thƣờng đƣợc tính tốn đại số tƣơng đối quy đổi +Độ phân giải: Chính độ chia thang đo hay giá trị nhỏ phân biệt đƣợc thang đo (mà phân biệt đƣợc biến đổi thang đo) ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang Chƣơng Giới thiệu chung đo lƣờng điện tử Phân loại máy đo: a) Máy đo thông số đặc tính tín hiệu: VD: Vơn mét điện tử, tần số mét, MHS, máy phân tích phổ, Sơ đồ khối chung: Đầu vào y(t) Mạch vào Thiết bị biến đổi Thiết bị thị Nguồn cung cấp - Tín hiệu cần đo đƣa tới đầu vào máy - Mạch vào: truyền dẫn tín hiệu từ đầu vào tới Thiết bị biến đổi Mạch vào thƣờng KĐ phụ tải catốt (Zvào cao), thực phối hợp trở kháng ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang Chƣơng Giới thiệu chung đo lƣờng điện tử - Thiết bị biến đổi: thực so sánh phân tích Có thể tạo tín hiệu cần thiết để so sánh tín hiệu cần đo với tín hiệu mẫu Có thể phân tích tín hiệu đo biên độ, tần số, hay chọn lọc theo thời gian Thƣờng mạch KĐ, tách sóng, biến đổi dạng điện áp tín hiệu, chuyển đổi dạng lƣợng, - Thiết bị thị: biểu thị kết đo dƣới dạng thích hợp với giác quan giao tiếp sinh lí ngƣời hay với tin tức đƣa vào phận điều chỉnh, tính tốn, VD: đồng hồ đo thị kim, ống tia điện tử, hệ thống đèn thị số, thiết bị nhớ, Nguồn cung cấp: cung cấp lƣợng cho máy, làm nguồn tạo tín hiệu chuẩn b) Máy đo đặc tính thơng số mạch điện: Mạch điện cần đo thông số: mạng cực, mạng cực, phần tử mạch điện Sơ đồ khối chung: cấu tạo gồm nguồn tín hiệu thiết bị thị, (hvẽ) VD: máy đo đặc tính tần số, máy đo đặc tính độ, máy đo hệ số phẩm chất, đo RLC, máy thử đèn điện tử, bán dẫn IC, ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang 10 Chƣơng Giới thiệu chung đo lƣờng điện tử Nguồn tín hiệu (a) Nguồn cung cấp Đối tượng đo Thiết bị thị (b) Nguồn tín hiệu Mạch đo Đối tượng đo Thiết bị thị ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang 11 Chƣơng Giới thiệu chung đo lƣờng điện tử c) máy tạo tín hiệu đo lƣờng: Sơ đồ khối chung: Bộ tạo sóng chủ Bộ biến đổi Bộ điều chế Nguồn cung cấp Mạch x(t) Thiết bị đo Bộ tạo sóng chủ: xác định đặc tính chủ yếu tín hiệu nhƣ dạng tần số dao động, thƣờng tạo sóng hình sin hay xung loại Bộ biến đổi: nâng cao mức lƣợng tín hiệu hay tăng thêm độ xác lập dạng tín hiệu, thƣờng KĐ điện áp, KĐ công suất, điều chế, thiết bị tạo dạng xung, Các máy phát tín hiệu siêu cao tần thƣờng khơng có Bộ biến đổi đặt Bộ tạo sóng chủ đầu ra, mà dùng Bộ điều chế trực tiếp để khống chế dao động chủ ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang 12 Chƣơng Giới thiệu chung đo lƣờng điện tử Mạch ra: để điều chỉnh mức tín hiệu ra, biến đổi Zra máy Nó thƣờng mạch phân áp, biến áp phối hợp trở kháng, hay phụ tải Catốt Thiết bị đo: kiểm tra thơng số tín hiệu đầu Nó thƣờng vôn mét điện tử, thiết bị đo công suất, đo hệ số điều chế, đo tần số, Nguồn: cung cấp nguồn cho phận, thƣờng làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều mạng lƣới điện thành điện áp chiều có độ ổn định cao d) Các linh kiện đo lƣờng: gồm linh kiện lẻ, phụ thêm với máy đo để tạo nên mạch đo cần thiết Chúng điện trở, điện cảm, điện dung mẫu; hay linh kiện để ghép phận mạch đo (VD: suy giảm, dịch pha, phân mạch định hƣớng, ) ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang 13 Chƣơng Đánh giá sai số đo lƣờng 2.1 Khái niệm & nguyên nhân sai số: * Khái niệm sai số: độ chênh lệch kết đo giá trị thực đại lƣợng đo Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: thiết bị đo, phƣơng thức đo, ngƣời đo… * Nguyên nhân gây sai số: - Nguyên nhân khách quan: dụng cụ đo khơng hồn hảo, đại lƣợng đo bị can nhiễu nên khơng hồn tồn đƣợc ổn định, - Nguyên nhân chủ quan: thiếu thành thạo thao tác, phƣơng pháp tiến hành đo khơng hợp lí, 2.2 Phân loại sai số * Theo cách biểu diễn sai số: -Sai số tuyệt đối: hiệu kết đo đƣợc với giá trị thực đại lƣợng đo X  X  X thuc -Sai số tƣơng đối chân thực: giá trị tuyệt đối tỉ số sai số tuyệt đối giá trị thực đại lƣợng đo  ct  X 100% X thuc ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang 14 Chƣơng Đánh giá sai số đo lƣờng -Sai số tƣơng đối danh định:  dd  X 100% X -Sai số tƣơng đối qui đổi: giá trị tuyệt đối tỷ số sai số tuyệt đối giá trị định mức thang đo  qd  X 100%  cấp xác đại lƣợng đo X dm Xdm= Xmax -Xmin : giá trị định mức thang đo Nếu giá trị thang đo: 0Xmax Xdm=Xmax * Theo phụ thuộc sai số vào đại lượng đo: - Sai số điểm (sai số cộng) sai số không phụ thuộc vào giá trị đại lƣợng đo - Sai số độ nhạy (sai số nhân) sai số phụ thuộc vào giá trị đại lƣợng đo ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang 15 Chƣơng Đánh giá sai số đo lƣờng * Theo vị trí sinh sai số ta có sai số phương pháp sai số phương tiện đo: - Sai số phƣơng pháp sai số phƣơng pháp đo khơng hồn hảo - Sai số phƣơng tiện đo sai số phƣơng tiện đo khơng hồn hảo Gồm: sai số hệ thống, sai số ngẫu nhiên, sai số điểm 0, sai số độ nhậy, sai số bản, sai số phụ, sai số động, sai số tĩnh Sai số phƣơng tiện đo sai số phƣơng tiện đo sử dụng điều kiện tiêu chuẩn Sai số phụ phƣơng tiện đo sai số sinh sử dụng phƣơng tiện đo điều kiện không tiêu chuẩn Sai số tĩnh sai số phƣơng tiện đo đại lƣợng đo không biến đổi theo thời gian Sai số động sai số phƣơng tiện đo đại lƣợng đo biến đổi theo thời gian ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang 16 Chƣơng Đánh giá sai số đo lƣờng * Theo qui luật xuất sai số: - Sai số hệ thống - Sai số ngẫu nhiên 2.2.1 Sai số hệ thống - Do yếu tố thƣờng xuyên hay yếu tố có qui luật tác động - Kết đo có sai số lần đo lớn hay bé giá trị thực đại lƣợng cần đo VD: + Do dụng cụ, máy móc đo chế tạo khơng hồn hảo + Do chọn phƣơng pháp đo khơng hợp lí, lỗi q trình xử lí kết đo, + Do khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm, ) đo khơng giống với điều kiện khí hậu tiêu chuẩn theo qui định ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang 17 Chƣơng Đánh giá sai số đo lƣờng 2.2.2 Sai số ngẫu nhiên - Do yếu tố bất thƣờng, khơng có qui luật tác động VD: + Do điện áp cung cấp mạch đo khơng ổn định + Do biến thiên khí hậu mơi trƣờng xung quanh q trình đo Trị số đo sai: kết lần đo có giá trị sai khác đáng, thƣờng thiếu chu đáo ngƣời đo hay tác động đột ngột bên ngồi Xử lí sai số sau đo: - Đối với sai số hệ thống: xử lí cách cộng đại số giá trị sai số hệ thống vào kết đo, hiệu chỉnh lại máy móc, thiết bị đo với máy mẫu - Đối với sai số ngẫu nhiên: không xử lí đƣợc, định lƣợng đƣợc giá trị sai số ngẫu nhiên lí thuyết xác suất & thống kê ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang 18 Chƣơng Đánh giá sai số đo lƣờng 2.3 Ứng dụng phương pháp phân bố chuẩn để định giá sai số Yêu cầu: - tất lần đo phải thực với độ xác nhƣ - phải đo nhiều lần 2.3.1 Hàm mật độ phân bố sai số - Tiến hành đo n lần đại lƣợng đó, ta thu đƣợc kết đo có sai số tƣơng ứng x1, x2, ,xn - Sắp xếp sai số theo giá trị độ lớn thành nhóm riêng biệt, vd: n1 sai số có trị số từ 0÷0,01; n2 sai số có trị số từ 0,01÷0,02; n -   n1 ,   , tần suất ( hay tần số xuất hiện) lần đo có n n sai số ngẫu nhiên nằm khoảng có giá trị giới hạn - Lập biểu đồ phân bố tần suất: limn(x)=p(x) ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang 19 Chƣơng Đánh giá sai số đo lƣờng p(x) hàm số phân bố tiêu chuẩn sai số (hàm số tắc) Thực tế phần lớn trƣờng hợp sai số đo lƣờng điện tử thích hợp với qui luật h h2 x2 p ( x)  e  (hàm Gauss) (1) h : thơng số đo xác h lớn  đƣờng cong hẹp nhọn (xác suất sai số có trị số bé lớn hơn)  thiết bị đo có độ xác cao Qui tắc phân bố sai số: a Xác suất xuất sai số có trị số bé nhiều xác suất xuất sai số có trị số lớn b Xác suất xuất sai số không phụ thuộc dấu, nghĩa sai số có trị số giá trị tuyệt đối nhƣng khác dấu có xác suất xuất nhƣ ThS Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang 20 ... số tuyệt đối: hiệu kết đo đƣợc với giá trị thực đại lƣợng đo X  X  X thuc -Sai số tƣơng đối chân thực: giá trị tuyệt đối tỉ số sai số tuyệt đối giá trị thực đại lƣợng đo  ct  X 100% X thuc. .. Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang 17 Chƣơng Đánh giá sai số đo lƣờng 2.2.2 Sai số ngẫu nhiên - Do yếu tố bất thƣờng, qui luật tác động VD: + Do điện áp cung cấp mạch đo không ổn định + Do biến... Trần Thục Linh – Bộ môn KTĐT - PTIT Trang 14 Chƣơng Đánh giá sai số đo lƣờng -Sai số tƣơng đối danh định:  dd  X 100% X -Sai số tƣơng đối qui đổi: giá trị tuyệt đối tỷ số sai số tuyệt đối