Giáo trình đo lường điện tử

LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình “Đo lường điện tử” nhằm cung cấp cho học sinh kiến thức phương pháp kỹ thuật đo lường đại lượng vật lý; phương pháp kỹ thuật xây dựng hệ đo từ đơn giản đến phức tạp; xử lý kết đo lường; khảo sát thiết kế mạch đo điện, điện tử để đo đại lượng điện; Các thiết bị quan sát ghi dạng tín hiệu Khi biên soạn, nhóm biên soạn cố gắng cập nhật kiến thức có liên quan đến nội dung chương trình đào tạo phù hợp với mục tiêu đào tạo, nội dung lý thuyết thực hành biên soạn gắn với nhu cầu thực tế sản xuất đồng thời có tính thực tiển cao Nội dung giáo trình biên soạn với dung lượng thời gian đào tạo 45 gồm có: Chương 1: Đơn vị đo Chương 2: Sai số đo Chương 3: Thiết bị điện Chương 4: Đo độ tự cảm điện dung Chương 5: Đo điện trở Chương 6: Máy phát tín hiệu Chương 7: Đo lường máy sóng Trong q trình sử dụng giáo trình, tuỳ theo yêu cầu khoa học công nghệ phát triển điều chỉnh thời gian bổ sung kiên thức cho phù hợp Trong giáo trình, chúng tơi có đề nội dung thực tập để người học cố áp dụng kiến thức phù hợp với kỹ Tuy nhiên, tùy theo điều kiện sở vật chất trang thiết bị, trường có thề sử dụng cho phù hợp Mặc dù cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng mục tiêu đào tạo không tránh khiếm khuyết Rất mong nhận đóng góp ý kiến thầy, giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn hiệu chỉnh hồn thiện Các ý kiến đóng góp xin gửi Khoa Điện – Điện tử - Tin học, Trường Cao đẳng nghề số 20/QK3 Nam Định, tháng 11 năm 2016 Tham gia biên soạn Bùi Trung Kiên Trần Minh Quang CHƯƠNG ĐƠN VỊ ĐO CÁC ĐƠN VỊ CƠ HỆ SI 1.1 Các đơn vị Hệ đo lường quốc tế (viết tắt SI) hệ đo lường sử dụng rộng rãi Nó sử dụng hoạt động kinh tế, thương mại, khoa học, giáo dục công nghệ phần lớn nước giới ngoại trừ Mỹ, Liberia Myanma 1.1.1 Đơn vị đo chiều dài * Mét đơn vị đo khoảng cách, đơn vị hệ đo lường quốc tế (SI) Định nghĩa gần mét Viện Đo lường Quốc tế (Bureau International des Poids et Mesures) vào năm 1998 là: "khoảng cách mà ánh sáng truyền chân không khoảng thời gian / 299 792 458 giây" Bội số Tên Kí hiệu Bội số Tên Kí hiệu 100 mét 101 đềcamét dam 10–1 đêximét dm 102 hêctômét hm 10–2 xentimét cm 103 kilômét km 10–3 milimét mm 106 mêgamét Mm 10–6 micrơmét µm 109 gigamét Gm 10–9 nanômét nm 1012 têramét Tm 10–12 picômét pm 1015 pêtamét Pm 10–15 femtômét fm 1018 examét 10–18 atômét 1021 zêtamét Zm 10–21 zéptômét zm 1024 yôtamét Ym 10–24 ctơmét ym m Em am 1.1.2 Đơn vị đo khối lượng * Kilôgam (viết tắt kg) đơn vị đo khối lượng, bảy đơn vị đo hệ đo lường quốc tế (SI), định nghĩa "khối lượng khối kilôgam chuẩn quốc tế, làm từ hợp kim platin-iridi, tổ chức BIPM lưu giữ điều kiện miêu tả theo BIPM 1998" * Khối kilôgam tiêu chuẩn lưu giữ BIMP chế tạo từ 90% platin 10% iridi thành hình trụ trịn đường kính 39 mm, cao 39 mm 1.1.3 Đơn vị đo thời gian * Trong khoa đo lường, giây (viết tắt s)là đơn vị đo thời gian, đơn vị hệ đo lường quốc tế (SI) * Định nghĩa quen thuộc giây vốn khoảng thời gian 1/60 phút, hay 1/3600 Định nghĩa xác gần Viện Đo lường Quốc tế (Bureau International des Poids et Mesures) vào năm 1998 là: Khoảng thời gian 192 631 770 lần chu kỳ xạ điện từ phát nguyên tử Ce 133 thay đổi trạng thái hai mức lượng đáy siêu tinh vi * 1s = 103ms = 106 µs = 109ns 1.1.4 Đơn vị đo cường độ dòng điện * Đơn vị đo cường độ dòng điện A định nghĩa từ năm 1948 dịng điện cố định, chạy hai dây dẫn song song dài vơ hạn có tiết diện khơng đáng kể, đặt cách mét chân không, sinh lực hai dây 2×10−7 niutơn mét chiều dài * Ampe tương ứng với dòng chuyển động 6,24150948 · 1018 điện tử e (1 culông) giây qua diện tích dây dẫn Ampe = culơng / giây A = C/s Bội số Tên gọi Ký hiệu Ước số Tên gọi Ký hiệu 100 Ampe 101 đêca Ampe daA 10–1 đêxi Ampe dA 102 héctô Ampe hA 10–2 xenti Ampe cA 103 kilô Ampe kA 10–3 mili Ampe mA 106 mêga Ampe MA 10–6 micrô Ampe µA 109 giga Ampe GA 10–9 nanô Ampe nA 1012 têra Ampe TA 10–12 picô Ampe pA 1015 pêta Ampe PA 10–15 femtô Ampe fA 1018 êxa Ampe EA 10–18 atô Ampe 1021 zêta Ampe ZA 10–21 zeptô Ampe zA 1024 ta Ampe YA 10–24 ctơ Ampe yA A aA 1.1.5 Đơn vị đo nhiệt độ: Đơn vị đo nhiệt độ độ Celsius hay Kelvin * Độ Celsius (°C hay độ C) Đơn vị đo nhiệt độ độ bách phân hay độ Celsius (C), có nghĩa thang thủy ngân điểm đóng băng điểm sơi nước nguyên chất chia thành trăm phần Nước sơi 100 độ Celsius nước đóng băng có độ Celsius Đây đơn vị đo lường nhiệt độ hệ mét sử dụng thông thường * Độ Kelvin (°K hay độ K): Mỗi độ K nhiệt giai Kenvin (1K) độ nhiệt giai Celsius (1 °C) °C ứng với 273,15K Nhiệt độ nhiệt giai Kelvin đơi cịn gọi nhiệt độ tuyệt đối, 0K ứng với nhiệt độ nhỏ mà vật chất đạt Tại 0K, lý thuyết, chuyển động nhiệt hỗn loạn ngừng 1.1.6 Đơn vị đo lượng chất mol * Mol số chứa 6,023×1023 hạt vi mơ phân tử, ngun tử ion * Khối lượng mol nguyên tử nguyên tố khối lượng mol (6,023×1023) nguyên tử nguyên tố đó; khối lượng mol phân tử chất khối lượng mol phân tử chất đó; vân vân (Số 6,023×10 23 gọi số Avogadro.) Thí dụ: khối lượng mol nguyên tử oxi 16 g; khối lượng mol phân tử oxi 32 g; khối lượng mol ion hydro g 1.1.7 Đơn vị đo cường độ sáng candela Candela hay gọi nến (Candle), đơn vị đo cường độ chiếu sáng, cường độ chiếu sáng theo hướng cho trước nguồn phát xạ đơn sắc với tần số 540×1012 héc cường độ xạ theo hướng 1/683 ốt Steradian 1.2 Đơn vị đo lực * Newton (viết tắt N) đơn vị đo lực hệ đo lường quốc tế (SI), lấy tên nhà bác học Isaac Newton Nó đơn vị dẫn xuất SI nghĩa định nghĩa từ đơn vị đo "cơ bản" Cụ thể lực khối lượng nhân gia tốc (định luật Newton) Newton lực gây cho vật có khối lượng kilơgam gia tốc mét giây bình phương Theo phương diện đại số: Một số ví dụ - N lực gây trọng lượng so với Trái Đất vật có khối lượng xấp xỉ 102 g (1⁄9.8 kg) (tương đương táo nhỏ) - Trên bề mặt Trái Đất, khối lượng kg sinh lực cỡ 9.81 N (hướng xuống) Một khối lượng kg tương ứng với 10 N khối lượng thường dùng đời sống hàng ngày kỹ thuật - Vì Newton lực nhỏ, người ta thường dùng đơn vị khác để biểu diễn lực kilonewtons hay kN, kN = 000 N - Trong điều kiện tiêu chuẩn, (1 000 kg) gây trọng lực 9.8 kN (hay 000 kgf) 1.3 Đơn vị công : * Đại lượng đo tích số lực quãng đường dịch chuyển điểm đặt lực gọi công * Đơn vị đo lường công Jun (viết tắt J) = 1Nm 1.4 Đơn vị lượng * Electronvolt hay electronvôn, ký hiệu eV, đơn vị đo lường lượng dùng nhiều vật lý hạt nhân vật lý lượng tử * eV định nghĩa lượng tương đương với tĩnh điện mà hạt tích điện dương với điện tích giá trị tuyệt đối điện tích electron có nằm điện V so với điểm làm mốc điện Trong SI: eV = 1e.1V = 1,602.10-19 C.V = 1,602.10-19 A.s.V = 1,602.10-19 W.s = 1,602.10-19 J Các bội số thường dùng keV, MeV, GeV * Liên hệ với tốc độ ánh sáng khối lượng (từ công thức E = m.c2) là: Năng lượng E = eV tương đương với khối lượng m=1eV/c2 = 1,8.10−36 kg Liên hệ với số Boltzmann nhiệt độ: 1eV/kB = 11604,505 K 1.5 Đơn vị công suất * Đơn vị đo công suất đơn vị đo đại lượng vật lý công suất Trong hệ đo lường quốc tế, đơn vị đo công suất Watt (viết tắt W), lấy tên theo James Watt Watt=1 J/s * Ngoài ra, tiền tố thêm vào đơn vị để đo công suất nhỏ hay lớn mW, MW Một đơn vị đo công suất hay gặp khác dùng để công suất động mã lực (viết tắt HP): HP = 0,736 kW * Trong truyền tải điện, đơn vị đo công suất hay dùng KVA (kilô Volt Ampe): KVA = 1000 VA = 1000 W Volt-Ampe, viết tắt VA, đơn vị đo cơng suất dịng điện Nó tính cách nhân hiệu điện tính theo Volt với cường độ dịng điện tính theo Ampere Đơn vị thường sử dụng cho công suất biểu kiến mạch điện xoay chiều Trong mạch điện chiều (DC), VA tương đương với Watt Tuy nhiên dòng điện xoay chiều, VA thường dùng để tính cơng suất biểu kiến, cịn Watt dùng để tính cơng suất thực Trên mạch điện xoay chiều, công suất biểu kiến thường có độ lớn lớn cơng suất thực; ví dụ lưu điện (UPS), VA công suất biểu kiến tương đương với khoảng 1,6 Watt cơng suất thực (hệ số cơng suất lúc 1/1,6 = 0,625) Khi thêm tiền tố SI, có đơn vị như: kVA = 1.000 VA (tiền tố k nghĩa kilo) MVA = 1.000.000 VA (tiền tố M nghĩa mega) Đơn vị kVA thường sử dụng cơng nghiệp để tính cơng suất truyền tải điện máy biến CÁC ĐƠN VỊ ĐIỆN HỆ SI 2.1 Các đơn vị dịng điện điện tích * Cường độ dịng điện - Cường độ dòng điện qua bề mặt định nghĩa lượng điện tích di chuyển qua bề mặt đơn vị thời gian Nó thường ký hiệu chữ I Trong hệ SI, cường độ dịng điện có đơn vị ampe - Cường độ dịng điện trung bình khoảng thời gian định nghĩa thương số điện lượng chuyển qua bề mặt xét khoảng ∆𝑄 thời gian khoảng thời gian xét: 𝐼𝑡𝑏 = ∆𝑡 Trong : I tb cường độ dịng điện trung bình, đơn vị A (ampe) ΔQ điện lượng chuyển qua bề mặt xét khoảng thời gian Δt, đơn vị C (coulomb) Δt khoảng thời gian xét, đơn vị s (giây) Khi khoảng thời gian xét vơ nhỏ, ta có cường độ dòng điện tức thời: I = dQ/dt * Mật độ dòng điện - Một cách tổng quát, mật độ dòng chảy cường độ dòng qua đơn vị diện tích mặt cắt vng góc với dịng đó, với dịng dịng điện, dịng nước, Đối với dòng điện, mật độ dòng gọi mật độ dòng điện - Cường độ dòng tổng quát liên hệ với mật độ dòng tổng quát bề mặt qua công thức: ∅ = 𝑗 𝐴 với: φ cường độ dòng Nếu dịng dịng điện, đo ampe A diện tích mà dịng qua, đo mét vng j mật độ dịng Nếu dịng dịng điện, đo A/m2 * Điện tích - Coulomb hay Culơng, kí hiệu C, đơn vị đo điện tích Q hệ SI, lấy tên theo nhà vật lí người Pháp Charles Augustin de Coulomb - Một Coulomb tương ứng với lượng điện tích chạy qua diện tích dây dẫn có cường độ dịng điện Ampère vịng giây - Một proton có điện tích 1,60219.10-19 Coulomb, hay +1e Một electron có điện tích -1,60219.10-19 Coulomb, hay -1e 2.2 Sức điện động, hiệu điện điện áp * Sức điện động nguồn: đại lượng vật lý có giá trị điện áp hở mạch nguồn, đo đơn vị “vôn” ký hiệu V * Điện đặc trưng cho điện trường phương diện tạo điện tích q: VM  AM q Trong đó: VM điện điểm M AM  là công điện trường dịch chuyển điện tích q từ điểm M đến vơ * Hiệu điện (còn gọi điện áp) mức chênh lệch điện điểm Khi có chênh lệch điện điểm (hiệu điện khác 0) điểm nối với vật dẫn điện có dịng điện qua vật dẫn (hiện tượng dẫn điện) Nếu khoảng cách điểm đủ gần hiệu điện điểm đủ lớn dịng điện phóng qua điểm mà khơng cần vật dẫn (hiện tượng phóng điện) 2.3 Điện trở điện dẫn * Điện trở đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất cản trở dịng điện vật thể dẫn điện Nó định nghĩa tỉ số hiệu điện hai đầu vật thể với cường độ dịng điện qua nó: R=U/I Trong đó: U : hiệu điện hai đầu vật dẫn điện, đo vôn (V) I : cường độ dòng điện qua vật dẫn điện, đo ampe (A) R : điện trở vật dẫn điện, đo Ohm (Ω) Giá trị điện trở lớn độ dẫn điện Định nghĩa xác cho dịng điện chiều Đối với dòng điện xoay chiều, khái niệm cản trở dòng điện mở rộng thành trở kháng, điện trở phần trở kháng trở kháng tổng cộng - Điện trở dây dẫn Điện trở R dây dẫn tính sau: 𝑅 = 𝜌 L chiều dài dây dẫn, đo theo mét 𝐿 𝑆 S tiết diện (diện tích xung quanh, xem mặt cắt hình trịn), đo theo m2 ρ (tiếng Hy Lạp: rô) điện trở suất (hay gọi điện trở riêng suất điện trở) vật liệu, đo ôm·met (Ω·m) Điện trở suất thước đo khả kháng lại dòng điện vật liệu - Điện trở suất (Electrical resistivity) đại lượng đặc trưng cho khả cản trở dòng điện chất Điện trở suất nói nên tính cản trở chuyển dời có hướng hạt mang điện chất Đơn vị điện trở suất hệ đơn vị chuẩn SI Ohm.met (Ω.m) Điện trở suất (thường ký hiệu ρ) chất định nghĩa điện trở khối chất có chiều dài m tiết diện m2, hay cách tổng 𝑆 qt, cho cơng thức:𝜌 = 𝑅 𝐿 với R điện trở, S tiết diện ngang, L chiều dài khối vật dẫn Kim loại Bạc Đồng Vàng Nhơm Sắt Bạch kim Chì Mangan Constantan Điện trở suất số vật liệu: Điện trở suất (Ωm) 1,59×10−8 1,72×10−8 2,44×10−8 2,82×10−8 1,0×10−7 1,1×10−7 2,2×10−7 4,4×10−7 4,9×10−7 Hệ số nhiệt điện trở 0,0038 0,0039 0,0034 0,0039 0,005 0,00392 0,0039 0,000002 0,00001 Thủy ngân Cacbon Gecmani Silic Thủy tinh 9,8×10−7 3,5×10−5 4,6×10−1 6,40×102 1010 to 1014 0,0009 -0,0005 -0,048 -0,048 -0,075 * Điện dẫn suất: khả dẫn điện vật liệu điện hay điện dẫn suất nghịch đảo điện trở suất:   /  Trong hệ SI: σ có đơn vị chuẩn S/m (Siemens mét), đơn vị biến đổi khác S/cm, m/Ω·mm² S·m/mm² thường dùng, với S/cm = 100 S/m m/Ω·mm² = S·m/mm² = 106 S/m 2.4 Từ thông cường độ từ thông định * Từ thông thông lượng đường sức từ qua diện tích bề mặt * Từ thơng liên hệ trực tiếp với mật độ từ thơng Từ thơng tích phân phép nhân vô hướng mật độ từ thơng với véctơ thành phần diện tích, tồn diện tích Theo ký hiệu tốn học:  m   B.dS S Với:  m từ thông; B mật độ từ thông Trong hệ đo lường quốc tế, đơn vị đo từ thông Weber (Wb), đơn vị đo mật độ từ thông Weber mét vuông, hay Tesla 2.5 Độ tự cảm - Độ tự cảm hay gọi điên cảm đại lượng đặc trưng cho khả lưu giữ lượng dạng từ trường cuộn dây - Đơn vị độ tự cảm Henry (H) H =Ω.s = kg.m2.A-2.s-2 2.6 Điện dung - Để đặc trưng cho khả tích trữ lượng điện tụ điện, người ta đưa khái niệm điện dung tụ điện Điện dung cao khả tích trữ lượng tụ điện lớn ngược lại - Giá trị điện dung đo đơn vị Fara (kí hiệu F) F = Ω-1.s = A2.s4.kg-1.m-2 - Giá trị F lớn nên thông thường mạch điện tử, giá trị tụ đo giá trị nhỏ micro fara (μF), nano Fara (nF) hay picro Fara (pF) 1F=106μF=1 CHƯƠNG SAI SỐ ĐO ĐO LƯỜNG 1.1 Độ xác mức xác Độ xác mức độ gần mà giá trị đo đạt so với giá trị đại lượng cần đo 1.1.1 Độ xác độ lệch đầy thang - Thông thường, thiết bị đo điện tử tương tự thường có độ xác cho dạng phần trăm độ lệch toàn thang đo [fsd - full scale deflection] - Nếu đo điện áp đồng hồ điện áp [voltmeter], đặt thang đo 100V (fsd), với độ xác ± 4%, thị số đo điện áp 25V, số đo có độ xác khoảng 25V ± 4% phép đo, hay (25 - 4)V đến (25 + 4)V, tức khoảng 21V đến 29V Đây độ xác ± 16% 25V Điều gọi sai số giới hạn 1.1.2 Độ xác động thời gian đáp ứng - Một số thiết bị đo, công nghiệp dùng để đo đại lượng biến thiên theo thời gian Hoạt động thiết bị đo điều kiện gọi điều kiện làm việc động Do vậy, độ xác động độ gần mà giá trị đo giá trị mà dao động theo thời gian, khơng tính sai số tĩnh - Khi thiết bị đo dùng để đo đại lượng thay đổi, thuật ngữ khác gọi đáp ứng thời gian dùng để khoảng thời gian mà thiết bị đo đáp ứng thay đổi đại lượng đo Độ trì hỗn đáp ứng thiết bị đo gọi độ trễ [lag] 1.2 Các tiêu chuẩn * Khái niệm: Để thống quản lý đo lường, đảm bảo đo lường cho công nghiệp, thương mại, đời sống quốc gia tổ chức hệ thống mẫu chuẩn truyền chuẩn quốc gia Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) 6165-1996 chuẩn đo lường định nghĩa sau: “ Chuẩn vật đo, phương tiện đo, mẫu chuẩn hệ thống đo để định nghĩa, thể hiện, trì tái tạo đơn vị hay nhiều giá trị đại lượng dùng để làm mốc so sánh” * Phân loại: - Chuẩn đầu (Primary standard): chuẩn định hay thừa nhận rộng rãi có chất lượng mặt đo lường cao giá trị chấp nhận không dựa vào chuẩn khác đại lượng - Chuẩn thứ (Secondary standard): chuẩn mà giá trị ấn định 10 Hình 7.2: sơ đồ khối Ocsilloscope Sơ đồ cấu tạo dao động ký bao gồm khối chính: Ống tia điện tử, khối lệch đứng Y, khối lệch ngang đồng X, kênh khống chế độ sáng (kênh Z) 1.2.Nguyên lý hoạt động * Ống tia điện tử: Là phận trung tâm máy sóng (MHS), sử dụng loại ống tia khống chế điện trường Có nhiệm vụ hiển thị dạng sóng hình đối tượng điều khiển (Uy, Ux, Ug) * Kênh lệch đứng Y: Có nhiệm vụ nhận tín hiệu vào cần quan sát, biến đổi tạo điện áp phù hợp cung cấp cho cặp lái đứng Y1, Y2 Gồm khối chức sau: hiệu - Chuyển mạch kết nối đầu vào S1: Cho phép chọn chế độ hiển thị tín + S1 AC: Chỉ hiển thị thành phần xoay chiều Uth + S1 DC: Chỉ hiển thị thành phần chiều xoay chiều Uth + S1 GND: Chỉ quan sát tín hiệu nối đất (0V) - Mạch vào phân áp Y: Có nhiệm vụ phối hợp trở kháng phân áp tín hiệu vào để tăng khả đo điện áp cao Thường dùng khâu phân áp R – C mắc nối tiếp nhau, hệ số phân áp không phụ thuộc vào tần số, chuyển mạch phân áp đưa mặt máy ký hiệu Volts/Div 67 - Tiền khuếch đại: Có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu, làm tăng độ nhạy chung kênh Y Thường dùng mạch khuếch đại có trở kháng vào lớn có hệ số khuyếch đại lớn - Tạo trễ: Có nhiệm vụ giữ chậm tín hiệu trước đưa tới khuyếch đại (KĐ) Y đối xứng, thường dùng chế độ quyét đợi để tránh phần sườn trước tín hiệu quan sát Thường dùng chân L – C mắc nối tiếp - Khuếch đại Y đối xứng: Có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu, làm tăng độ nhạy chung kênh Y, đồng thời tạo điện áp đối xứng để cung cấp cho cặp lái đứng Y1, Y2 trước, - Tạo điện áp chuẩn: Tạo điện áp chuẩn có dạng biên độ, tần số biết dùng để kiểm chuẩn lại hệ số lệch tia MHS * Khối lệch ngang X đồng bộ: Có nhiệm vụ tạo điện áp quét phù hợp dạng đồng pha so với Y1,Y2 để cung cấp cho mạch lái ngang X1X2 - Chuyển mạch đồng S2: Cho phép chọn tín hiệu đồng khác + S2 CH: Tự đồng (Uđb = Uth) + S2 EXT: Đồng ngồi (Uđb = UEXT), tín hiệu đồng đưa qua đầu vào EXT + S2 LINE: Đồng với lưới điện AC 50Hz (Uđb = UAC50HZ) lấy từ nguồn nuôi - Khuếch đại đồng tạo dạng: khuếch đại tín hiệu đồng Uđb phù hợp tạo dạng xung nhọn đơn cực có chu kỳ: Tx = Tđb - Tạo xung đồng bộ: Chia tần Ux tạo xung đồng có chu kỳ: Txđb = nTx = nTđb Xung điều khiển tạo điện áp quét để tạo Uq cưa tuyến tính theo chế độ quét đợi quét liên tục có chu kỳ Tq = Txđb - Khuếch đại X đối xứng: khuếch đại điện áp quét tạo điện áp đối xứng để đưa tới cặp lái ngang X1X2 - Mạch vào khuếch đại X: Nhận tín hiệu Ux khuếch đại, phân áp phù hợp đợi) - Chuyển mạch S3: Chuyển mạch lựa chọn chế độ quét (quét liên tục, quét - Bộ tạo điện áp quét: Tạo điện áp quét liên tục (hoặc quét đợi) đưa đến cặp phiến X 68 * Kênh điều khiển chế độ sáng Z: Có nhiệm vụ nhận tín hiệu điều chế độ sáng Uz vào, thực chọn cực tính khuếch đại phù hợp đưa tới lưới điều chế G CRT 1.3 Các chức điều khiển mặt máy sóng - Điều khiển cường độ tia [Intensity control] dùng để điều chỉnh độ sáng vệt - Điều khiển độ hội tụ [Focus control] dùng để điều khiển độ sắc nét vệt sáng - Điều khiển định thời Điều chỉnh khoảng thời gian / vạch chia mạch dao động quét (gốc thời gian) - Điều khiển hệ số khuyếch đại dọc (Y) dùng để điều chỉnh biên độ dạng sóng hiển thị theo chiều dọc, khoảng từ 5mV/div đến 20V/div - Điều khiển hệ số khuyếch đại ngang (H) dùng để điều chỉnh độ dài vệt theo chiều ngang - Điều khiển quét dùng để chọn mạch quét hay quét - Điều khiển kích khởi [Trigger control] dùng để chọn xung kích khởi từ khuyếch đại dọc (Y), từ tín hiệu điện lưới hay tín hiệu ngồi (đối với loại máy sóng có thêm chức điều khiển đồng bộ) - Điều khiển mức kích khởi, dùng để điều chỉnh mức xung kích khởi - Điều khiển vị trí ngang, dùng để điều chỉnh vị trí dạng sóng hiển thị theo chiều ngang - Điều khiển vị trí dọc dùng để điều chỉnh vị trí dạng sóng hiển thị theo chiều dọc 1.4 Ứng dụng Máy sóng thiết bị đo có độ nhạy cao, xác khơng gây q tải cho hệ thống cần đo, khơng có cấu đo kiểu quay Máy sóng hiển thị dạng sóng thực tế tín hiệu vào, nên biết mạch có khuyếch đại méo dạng hay khơng cách dễ dàng Máy sóng dùng để đo mức điện áp dc, khảo sát tín hiệu xung, tín hiệu cưa, tam giác, sóng sin tín hiệu có dạng phức tạp khác Máy sóng đo tần số dao động tạo xung nhịp Máy sóng vệt kép kiểm tra hai tín hiệu vào (trong trường hợp mạch op - amp cổng), kiểm tra tín hiệu đầu vào đầu mạch điện tử Do vậy, máy sóng sử dụng phổ biến việc đo thử, sửa chữa mạch khuyếch đại, mạch dao động, máy phát, máy thu hệ thống mạch số 69 1.5 Sử dụng máy sóng Khi chưa bật chuyển mạch nguồn cung cấp, đặt núm chức điều khiển độ hội tụ [focus], cường độ chùm tia [intensity] điều khiển hệ số khuyếch đại [V/div] vị trí thấp (tận bên trái), chức điều khiển vị trí dọc ngang vị trí gần điểm Tiếp theo bật chuyển mạch nguồn cung cấp máy sóng Sau khoảng thời gian khởi động máy sóng cathode cần phải đốt nóng hồn tồn, tạo cường độ chùm tia yêu cầu Điều chỉnh chức điều khiển cường độ chùm tia để có vệt sáng rõ ràng xuất hình Điều chỉnh chức điều khiển vị trí dọc ngang cần (Đơi hệ số khuyếch đại ngang biểu thành vệt sáng điểm sáng bắt đầu ngồi khung hình) Khi điểm sáng nhìn thấy, di chuyển điểm sáng vào trung tâm điều chỉnh độ hội tụ, độ nhoè để làm cho điểm sáng gọn Chức điều khiển cường độ tia cần phải điều chỉnh để điểm sáng khơng q chói, không mờ Đặt chế độ quét theo vị trí quét [Int.], điều chỉnh hệ số khuyếch đại ngang để mở rộng điểm sáng thành đường sáng đầy đủ ngang hình Kiểm tra di chuyển theo chiều dọc đường sáng ngang Mạch khuyếch đại dọc định chuẩn có sẵn thiết bị đo Đặt đầu que đo vào hệ thống cần đo Chuyển mạch nguồn hệ thống cần đo bật [ON] Điều chỉnh chức điều khiển hệ số khuyếch đại dọc để có độ cao dạng sóng u cầu hình Điều chỉnh dao động quét (gốc thời gian) để có số chu kỳ cần thiết hình Đối với máy sóng kích khởi, chu kỳ cần phải ổn định 10 Khảo sát dạng sóng, đo biên độ kiểm tra đặc tính tín hiệu 11 Để có mẫu hình Lissajous, đưa tín hiệu ngồi cung cấp từ máy tạo sóng đến đầu vào qt ngồi, dùng cho phép đo tần số pha 1.6 Các phép đo với máy sóng Đo điện áp tín hiệu vào: Giá trị đỉnh - đỉnh điện áp đo cách đếm số vạch chia theo chiều dọc hai đỉnh Chẳng hạn, biên độ đỉnh - đỉnh dạng sóng chiếm vạch chia thang độ nhạy 500mV/div, trị số đỉnh - đỉnh 500mV/div x 4div = 2V, biên độ đỉnh 1V 70 Đo khoảng thời gian chu kỳ: Chu kỳ tín hiệu đo cách tính số chu kỳ gốc thời gian Giá trị gốc thời gian có chu kỳ chu kỳ tín hiệu Ví dụ:Trên thang đo 50µs/div, có chu kỳ tín hiệu chiếm vạch chia, số vạch chia chiếm chu kỳ vạch chia, nên chu kỳ tín hiệu 100µs Tính nghịch đảo chu kỳ cho tần số tín hiệu, ví dụ tính 1/100µs = 10kHz Đo tần số theo mẫu hình Lissajous: Đo tần số tín hiệu theo mẫu hình Lissajous thực cách đưa tín hiệu có tần số cần đo vào đầu vào dọc, nối tín hiệu có tần số biết vào đầu vào quét ngoài, thu mẫu hình khác hình tuỳ thuộc vào tỷ số hai tần số độ lệch pha hai tín hiệu Các mẫu hình Lissajous hình 7.3 Khi hai tần số nhau, độ lệch pha o tạo đường thẳng nghiêng 45o so với đường ngang; với độ lệch pha 180o, đường thẳng tạo gốc 135o so với đường ngang Khi độ lệch pha 90o, tạo đường tròn Đối với độ lệch pha khác tạo hình ellipse Khi hai tần số tín hiệu khơng nhau, tỷ số tần số chưa biết (f v) tần số biết (đọc tần số máy tạo sóng) (fh) xác định tỷ số số lượng vòng theo đường ngang số lượng vòng theo đường dọc Hình 7.4: Các mẫu hình Lissajous Đo số điều chế tín hiệu AM: Khi tín hiệu điều chế áp đặt làm tín hiệu qt ngồi, tín hiệu điều chế làm tín hiệu dọc (Y) thể hình 7.5a Mẫu hình hiển thị hình 7.5b Chỉ số điều chế tính (p – q)/(p + q) 71 Hình 7.5 Đo độ méo xung: Xung vào xung hiển thị máy sóng hai vệt Độ võng độ vượt phần nằm ngang, độ tăng hay độ giảm cạnh xung quan sát hình Thời gian tăng (ứng với mức thay đổi từ 10% đến 90% biên độ xung) khoảng thời gian giảm (ứng với mức thay đổi từ 90% đến 10% biên độ xung) đo mẫu xung Độ rộng xung đo khoảng từ từ mức 50% cạnh tăng đến mức 50% cạnh giảm 1.7 Các điểm lưu ý sử dụng máy sóng Nối vỏ máy sóng với đất Cường độ chùm tia điện tử cần phải giữ mức thấp quan sát thuận lợi Điểm sáng khơng để lâu vị trí hình Trong trường hợp cần phải giữ lý đó, để mức cường độ thấp Nên bắt đầu phép đo với mức độ nhạy nhỏ mạch khuyếch đại dọc tăng dần đạt mức thiết lập thích hợp Định chuẩn độ lệch dọc trước thực phép đo Có sẳn nguồn điện áp máy sóng cho việc định chuẩn Sử dụng que đo phù hợp thực phép đo tín hiệu tần số cao, hay tín hiệu vào lớn Khi tháo máy sóng để sửa chữa, cẩn thận có điện áp cao khoảng vài kilovolt Ngay trạng thái ngắt chuyển mạch nguồn điện lưới, tụ lọc có điện áp cao gây nguy hiểm cho người sử dụng, tụ cần phải xã tiến hành cơng việc máy sóng trạng thái cắt nguồn Phải cẩn thận sử dụng ống tia, hư hỏng ngẫu nhiên dẫn đến hõng hình Màn hình phát quang phát xạ tia - x nhẹ, cần thay nên mua CRT tiêu chuẩn từ nhà sản xuất có uy tín ĐO LƯỜNG AC - Mục tiêu: Xác định đọc giá trị biên độ, điện áp thơng qua dạng tín hiệu ngõ vào 72 2.1 Đọc giá trị đỉnh biên độ Biên độ đỉnh – đỉnh dạng sóng (hình 7.5) đo dễ dàng nhờ xuất hình thơng qua kích thước đồ thị hình Trên hình 7.5 minh họa sóng sin với biên độ chu kỳ khác hình Vị trí núm điều khiển thang độ VOLT/DIV núm chọn thời gian TIME/DIV hình vẽ 7.5 Hình 7.5: Đo biên độ đỉnh – đỉnh chu kỳ sóng sin Việc tính giá trị điện áp tín hiệu đuợc thực cách đếm số ô hình nhân với giá trị VOLTS/DIV (hình7.6) Hình 7.6: Giá trị đỉnh – đỉnh tính hiệu Ví dụ: VOLTS/DIV 1V tín hiệu cho hình 7.6 có: Vp = 2,7ơ x 1V = 2,7V Vpp = 5,4ô x 1V = 5,4V Vrms = 0,707Vp = l,98V 73 Ngồi ra, với tín hiệu xung người ta cịn sử dụng máy sóng để xác định thời gian tăng sườn xung (rise time), giảm sườn xung (fall time) độ rộng xung (pulse width) với cách tính hình ( H.7.7) Hình 7.7: Giá trị biện độ xung tín hiệu Ví dụ: Như hình 7.5: biên độ đỉnh tín hiệu: A: VA = 450mV (p-p) B: VB = 200mV(p-p) Đo chu kỳ: Phụ thuộc vào nút chu kỳ tín hiệu quét cưa (đơn vị µsec / DIV) Ta thấy sóng A có biên độ 4,6 vạch chia, cịn sóng B tương ứng với vạch chia Như vậy, theo vị trí thang độ núm điều khiển VOLT/DIV 100 mV ta có biên độ đỉnh – đỉnh điện áp là: - Sóng A: VApp = 4,5 vạch x 100 mV = 450 mV - Sóng B: VBpp = vạch x 100 mV = 200 mV Hiệu số pha hai sóng hình sin ∆ đo phương pháp minh họa hình 7.8 Mỗi sóng có chu kỳ ứng với vạch ngang thời gian thời điểm bắt đầu chu trình 1,4 vạch Ta có chu trình = 3600, vậy, giá trị vạch chia là: vạch chia = 360 0/8 = 450 Hiệu số pha điện áp là: ∆ = 1,4 vạch x 450/vạch = 630 74 Hình 7.8: Đo hiệu số pha sóng sin 2.2.Quan sát đánh giá dạng sóng Khi ngắt quét máy sóng đưa sóng sin vào hai đầu vào đứng ngang hình phụ thuộc vào quan hệ hai sóng sin Những hình đơn giản xuất dạng sóng có tần số Những hình phức tạp tạo với sóng sin có tần số khác Dùng hình Lissajous để đo chênh lệch pha hai tín hiệu (H.7.6) Tín hiệu A đưa vào ngõ quét dọc, tín hiệu B đưa vào ngõ quét ngang - A, B pha: hình Lissajous đường thẳng (H.7.6c) - A, B trái pha (H.7.6d) - A, B lệch pha 900 (H.7.6e) - A, B lệch pha (H.7.6f,g) 75 Hình 7.9: Hình Lissajous hiển thị dạng sóng ĐO THỜI GIAN VÀ TẦN SỐ 3.1 Khái niệm: Là khoảng thời gian hai điểm tín hiệu tính cách đếm số theo chiều ngang hai điểm nhận với giá trị TIME/DIV Việc xác định tần số tín hiệu thực cách tính chu kỳ theo cách trên, sau nghịch đảo giá trị chu kỳ ta tính tần số Trong kỹ thuật điện tử, thường hay dùng tín hiệu có phổ tần số rộng Dải phổ tần số tần số vài phần trăm Hz đến 1015Hz.Toàn tần phổ chia làm hai dải tần số có tính chất khác nhau: dải tần số thấp (tần số âm ) dải tần số cao (tần số sóng vơ tuyến ) Dải tần số âm gồm tần số mà tai người nghe được, tần số thấp 20MHz gọi ngoại âm tần (hạ âm), tần số cao 20kHz gọi siêu âm Những tần số dao động điện cao 10kHz 76 thuộc tần số vô tuyến Giới hạn dùng kỹ thuật đo lường tần số cao tần tăng lên với phát triển kỹ thuật điện tử ngày xác định tần số chừng độ 3.1015 Hz Phổ tần số sử dụng kỹ thuật điện tử chia thành nhiều dải tần số khác nhau, tính chất dải mà yêu cầu phép đo tần số có mức độ xác khác nhau, phương pháp đo khác Các phương pháp đo tần số thông dụng kỹ thuật điện tử là: phương pháp cầu,phương pháp so sánh phương pháp đếm Tuỳ theo tần đoạn khác mà phương pháp đo dùng nhiều hay khác đặc tính tần số Trong kỹ thuật điện tử, đo tần số dùng nhiều trường hợp như: cần khắc độ chuẩn lại máy tạo tín hiệu đo lường, máy phát, máy thu; cần xác định tần số cộng hưởng mạch dao động; cần xác định dải thông lọc, mạng bốn cực, cần kiểm tra mức độ lệch tần số thiết bị làm việc 3.2 Cách tính đo thời gian tần số Khoảng thời gian hai điểm tín hiệu tính cách đếm số ô theo chiều ngang hai điểm nhân với giá trị TIME/DIV Chu kỳ sóng sin xác định cách đo số vạch ngang ứng với chu kỳ nhân với giá trị ô đặt núm điều khiển TIME/DIV Theo số liệu hình 7.2, ta có chu kỳ tần số sóng là: 8,8 vach x 0,5ms  2,2ms 2chutrinh 1    455 Hz 2,2 TA TA  - Sóng A: fA 8,8 vach x 0,5ms  0,73ms 6chutrinh 1    1,36kHz 0,73 TB TB  - Sóng B: fB Việc xác định tần số tín hiệu thực cách tính chu kỳ theo cách Sau nghịch đảo giá trị chu kỳ ta tính tần số Ví dụ: Ở hình s/div 1ms Chu kỳ tín hiệu dài 16 ơ, chu kỳ 16ms => f = 1/16ms = 62,5Hz 77 Bài Tập: KHẢO SÁT SÓNG BẰNG DAO ĐỘNG KÝ I Phần lý thuyết: Các núm chức điều khiển dao động ký: Model GOS-652G Vị trí tên núm Chức Mở tắt dao động ký Thay đổi độ chiếu sáng tọa độ hình Đèn Led sáng núm [POWER] bật Điều chỉnh cường độ sáng tia sáng hình hiển thị [ TRACE ROT ] Điều chỉnh tia sáng nằm ngang hình [ FOCUS ] Điều chỉnh độ rọi tia sáng cho hiển thị sắc nét [ GND ] Nối đất vỏ máy [ CAL 2VP-P ] Cho tín hiệu sóng vng, tần số 1KHz, tiện ích cho hiệu chỉnh tần số đầu dò hay kiểm tra độ lợi mạch khuếch đại [ BEAM FIND ] Ấn vào để dị tìm tia sáng đưa tia sáng trung tâm hình hiển thị 11 [ POSITION ] Điều chỉnh vị trí tia sáng theo trục đứng hình hiển thị cho kênh [A/B], lưu ý điều khiển không làm việc chế độ [X-Y] 12 [ VOLTS/DIV ] Công tắc suy giảm cho biết điện áp đỉnh đỉnh ngõ vào tương ứng với độ chia (1cm) hình toạ độ hiển thị 13.[VARPULLx5MAG Khi núm vị trí kéo phía ngồi, dộ nhạy khuếch ] đại cột dọc tăng lên lần 14 [AC-GND-DC] Cơng tắc có vị trí [ POWER ] [ ILLUM ] [“ON” Led] [ INTENSITY] 78 Tín hiệu ngõ vào AC, có khả khuếch đại lên đại theo cột dọc tần số giới hạn khoảng 10Hz (ở -3dB), thành phần tín hiệu DC bị chốt lại [GND] Cách ly mạch ngõ vào mạch ngõ vào máy nối đất Vị trí thường dùng để chỉnh vệt sáng số [ DC ] cân chỉnh khác Cả hai thành phần AC DC tín hiệu ngõ vào áp dụng cho ngõ vào khuếch đại theo cột dọc 15 [ VERT MODE ]: Cơng tắc có vị trí [ CHA ] Hiển thị tia sáng kênh A [ CHB ] Hiển thị tia sáng kênh B [ DUAL ] Hiển thị hai tia kênh A B Hai tia thường hoạt động chế độ luân phiên thay Khi chế độ rẽ mạch cách kéo núm [HOLD OFF], tia sáng hiển thị hai ngõ vào kênh A kênh B với tốc độ [ ADD ] [500KHz] để tăng cường tầm nhìn tín hiệu với tốc độ quét thấp Hiển thị tổng đại số hai tín hiệu kênh A kênh B 16 [ TRIG LEVEL ] Điều chỉnh cho tin hiệu ổn định [AC] 17 [ COUPLING ] [ AUTO ] [ NORM ] [ TV-V ] [ TV-H ] 18 [ SOURCE ] [ CHA ] [ CHB ] [ LINE ] [ EXIT ] 19 [HOLD –OFF] [ PULL CHOP ] Chọn chế độ kích Đối với mạch kích tự động, tia sáng chạy tự chưa có tín hiệu kích đầy đủ Đối với mạch kích bình thường, khơng có tia qt xuất tín hiệu kích khơng gặp biên độ [TRI LEVEL] ấn định độ dốc Loại bỏ tín hiệu DC tín hiệu đồng tần số cao tín hiệu hình ảnh kết hợp Loại bỏ tín hiệu DC tín hiệu đồng tần số thấp tín hiệu hình ảnh kết hợp Chọn tín hiệu nguồn kích sau: Tín hiệu kênh A Tín hiệu kênh B Tần số tín hiệu xoay chiều Tín hiệu áp dụng cho phần nối vào {EXT TRIG] từ ngồi Điều chỉnh sóng tín hiệu đo lường hiển thị dạng sóng phức tạp Nút thường kết hợp núm [TRIG LEVEL] để hiển thị dạng sóng ổn định đứng yên Khi núm kéo phía ngồi, dao động ký hiển thị tín hiệu hai tia bị phần lúc quét (đóng –mở cho hiển thị hai tia) Hầu hết thường sử dụng tần số quét thấp Khi núm đẩy vào trong, dao động ký 79 làm việc chế độ luân phiên Khi tia sáng kênh A nằm tia quét vệt sáng kênh B nằm tia quét lại.Hầu hết sử dụng tốc độ quét cao 20 [ EXT TRIG ] Kết nối với tín hiệu kích bên ngồi đưa đến cổng giao tiếp Để sử dụng trước tiên đặt cơng tắt [SOURCE] (24)đến vị trí [EXT] 21 [ POSITION] Đẩy vị trí tia sáng nằm ngang màng hình ống Catot, điều chỉnh làm viêc chế độ [X-Y} [ PULL x10 MAG ] Khi nùm kéo phía ngồi, tia sáng nằm ngang trải với hệ số nhân 10 22 [ TIME/DIV ] 23 [ VAR ] 24 [ X-Y ] Núm chọn mức thời gian cho chùm tia để quét độ chia chuẩn định (1cm) hình Điều chỉnh liên tục thời gian quét vùng chọn vùng thấp kế bên Chu kỳ quét chuẩn định cách xoay núm [CAR] tới vị trí [CAL’d] Khi cơng tắc đẩy vào trong, công tắc [SOURCE] đặt tới [CHA], công tắc [VERT MODE] đặt [CHB], máy hoạt động dao động ký hai tia [X-Y] 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Kỹ Thuât Đo Điện, Nguyễn Ngọc Tân - Ngô Văn Kỳ, Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh [2] Cơ Sở Kỹ Thuật Đo Lường Điện Tử, Vũ Quý Điềm, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật [3] Giáo Trình Đo Lường Điện Tử, Dư Quang Bình, Đại Học Đà Nẵng [4] Dụng cụ đo điện, Nguyễn Trọng Quế, NXB KHKT, Hà Nội [5] Đo lường điện cảm biến đo lường, Nguyễn Văn Hịa - Bùi Đăng Thanh - Hồng sỹ Hồng, NXB Giáo Dục, 2005 [6] Kỹ thuật đo lường điện điện tử, Lưu Thế Vinh, Đại học Đà Lạt [7] Các cảm biến kỹ thuật đo lường điều khiển, Lê Văn Doanh, NXB KH&KT 2001 [8] Kỹ thuật đo, Nguyễn Ngọc Tân (chủ biên) - - NXB KH&KT 2000 [9] Giáo trình cảm biến, Phan Quốc Phô (chủ biên) - - NXB KH&KT 2005 [10] Measurement Systems-Application and Design, Ernest O Doebelin, 5st edition, McGraw-Hill [11] he-si.html http://www.hieuchuan.vn/2010/10/cac-on-vi-o-luong-co-ban-theo- [12] http://lqv77.com/2009/02/15/co-ban-su-dung-dong-ho-vom/ 81 ... dẫn điện, đo vôn (V) I : cường độ dòng điện qua vật dẫn điện, đo ampe (A) R : điện trở vật dẫn điện, đo Ohm (Ω) Giá trị điện trở lớn độ dẫn điện Định nghĩa xác cho dịng điện chiều Đối với dịng điện. .. thuật đo lường * Khái niệm tín hiệu đo đại lượng đo - Tín hiệu đo lường tín hiệu mang thơng tin giá trị đại lượng đo lường - Đại lượng đo thơng số xác định q trình vật lý tín hiệu đo Do q trình. .. thị mạch đo đại lượng không điện khác + Chế tạo dụng cụ đo điện tử tương tự: vônmét điện tử, tần số kế điện tử, pha kế điện tử? ?? + Dùng với biến đổi khác chỉnh lưu, cảm biến cặp nhiệt để đo dòng,