Kỹ thuật đo lường điện tử - Chương 6 docx

Phép đo tần số sử dụng tần số chuẩn có thể đạt độ chính xác cao nhất so với các phép đo khác 10-13 – 10-12 + Chu kỳ Ts là khoảng thời gian nhỏ nhất mà giá trị của tín hiệu lặp lại độ lớn

Chương 6:

Đo tần số vμ góc pha

I Khái niệm chung

Tần số và góc pha là các đại lượng đặc trưng cho các quá trình dao động có chu kỳ

Phép đo tần số sử dụng tần số chuẩn có thể đạt độ chính xác cao nhất so với các phép đo khác (10-13 – 10-12)

+ Chu kỳ T(s) là khoảng thời gian nhỏ nhất mà giá trị của tín hiệu lặp lại độ lớn của nó và thoả mãn phương trình:

U(t) = U(t + T) + Tần số f(Hz) được xác định bởi số chu kỳ lặp lại của tín hiệu trong một đơn

vị thời gian

+ Tần số góc của tín hiệu được xác định bởi biểu thức: ω =2πf

Tần số, góc pha và chu kỳ liên quan với nhau theo biểu thức:

π

τ

ϕ 2

T

=

với τ là khoảng thời gian chênh lệch giữa hai tín hiệu

Do vậy việc đo tần số và góc pha được quy về đo tần số và khoảng thời gian

Dụng cụ để đo độ lệch pha giữa các tín hiệu người ta gọi là fazomet hay fazo

kế

Dụng cụ để đo tần số được gọi là tần số kế Để đo tần số ta có thể thực hiện

theo 2 phương pháp là biến đổi thẳng và phương pháp so sánh

Đo tần số bằng phương pháp biến đổi thẳng bao gồm các loại sau:

+ Tần số kế cơ điện tương tự (tần số kế điện từ, điện động, sắt điện động)

Loại tần số kế này dùng để đo tần số trong khoảng từ 20Hz – 2,5kHz với cấp chính xác không cao (0,2; 0,5; 1,5 và 2,5) và tiêu thụ điện năng khá lớn

+ Tần số kế điện dung tương tự để đo tần số trong dải từ 10Hz – 500kHz

+ Tần số kế chỉ thị số có thể đo khá chính xác tần số của tín hiệu xung và tín

hiệu đa hài trong dải tần từ 10Hz – 50GHz Ngoài ra nó còn được sử dụng để đo tỉ

số giữa các tần số, chu kỳ, độ dài xung và khoảng thời gian

Đo tần số bằng phương pháp so sánh bao gồm:

+ Tần số kế trộn tần dùng để đo tần số của các tín hiệu xoay chiều, tín hiệu

điều chế biên độ trong khoảng 100kHz – 20GHz

+ Tần số kế cộng hưởng để đo tần số trong dải tần 50kHz – 10GHz

+ Cầu xoay chiều phụ thuộc vào tần số để đo tần số trong khoảng 20Hz –

20kHz

+ Máy hiện sóng (oscilloscope) để so sánh tần số cần đo với tần số của máy

phát chuẩn, dải tần đo có thể từ 10Hz – 100MHz (loại hiện đại nhất hiện nay có thể lên tới 500MHz)

Dưới đây là một số loại tần số kế và fazomet thông dụng nhất

II Đo tần số vμ pha bằng phương pháp biến đổi thẳng

1 Tần số kế cộng hưởng điện từ

Cấu tạo:

+ Nam châm điện

74

+ Thanh rung bằng các lá thép có tần số cộng hưởng riêng Một đầu của thanh rung bị gắn chặt còn một đầu dao động tự do Tần số dao động riêng của mỗi thanh bằng 2 lần tần số cần đo

+ Thang đo khắc độ theo tần số, có thể dạng đĩa hoặc dạng thanh

Hoạt động:

Dưới tác động của từ trường tạo ra bởi nam châm điện các thanh rung bị hút vào nam châm 2 lần trong

một chu kỳ của dòng đưa

vào nam châm, do đó tạo nên

dao động với tần số gấp 2 lần

tần số của dòng đưa vào nam

châm Khi thanh rung có tần

số dao động riêng bằng 2 lần

tần số cần đo thì nó sẽ dao

động với biên độ lớn nhất

(hiện tượng cộng hưởng xảy ra) và qua đó xác định được tần số cần đo

Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, rẻ tiền và tin cậy

Nhược điểm: Dải tần đo rất hẹp (45 – 55Hz), (55 – 65Hz) 0 và (450 –

550Hz)

Sai số lớn ±1,5%ữ2,5%

Không thể sử dụng ở nơi có độ rung lớn hoặc thiết bị đang di chuyển

2 Tần số kế cơ điện

a Tần số kế vμ Fazo kế điện động

Đây là dụng cụ đo tần số dựa vào cơ cấu

logomet điện động Logomet điện động có cấu

tạo và Nguyên tắc hoạt động như sau:

Phần động gồm 2 cuộn dây B1, B2 gắn với

nhau một góc cố định γ Dòng điện I1, I2 đi vào

B1, B2

Phần tĩnh gồm 1 cuộn dây A được tách

thành 2 phần nối tiếp Dòng điện I đi vào A

Hai cuộn động sẽ quay trong từ trường B

do cuộn tĩnh tạo ra tuỳ theo lực tương tác được sinh ra giữa B và dòng chạy trong cuộn động Giả sử chiều dòng điện chạy trong các cuộn dây như hình vẽ thì lực đẩy chính là lực sinh ra momen quay M1 và lực điều khiển là lực sinh ra momen cản M2 Vì hai cuộn động được gắn cố định với nhau nên khi momen cản bằng momen quay cuộn động sẽ dừng, nghĩa là kim chỉ sẽ đạt vị trí cân bằng

+

+ +

+

M2

M1

F

F

I

I2

I1

B

) , cos(

) , cos(

(

2 1

2

1

I I

I I I

I F

=

α

vậy α tỉ lệ với tỉ số 2 dòng chạy trong 2 cuộn động (I1 / I2) và cos(I,I1); cos(I,I2)

Nhược điểm: logomet điện động có độ nhạy thấp

Để tăng độ nhạy cho cơ cấu người ta cho thêm lõi thép vào và gọi cơ cấu là chỉ thị sắt điện động

Cấu tạo của tần số kế điện động

Cuộn tĩnh A nối với cuộn động B2 nên I2

= I và góc (I, I2) = 0

(R2, L2, C2) được chọn để cộng hưởng

điện áp với tần số fxo là giá trị trung bình của

dải tần cần đo

) cos

cos (

2 2 2

1

2 1

2

1 ψ

ψ α

π

I

I F

C L fxo

=

⇒

=

với

0 )

) , ( ) 2

1 2 1

=

= 2

1 I

(I,

góc

là

I

(I,

góc

là

ψ

Với các phần tử như trong mạch ta sẽ có α =F'(f x2), nghĩa là góc lệch của dụng cụ là một hàm của tần số, do đó thang đo có thể khắc độ trực tiếp theo thứ nguyên của tần số là Hz

Tần số kế có giới hạn đo từ 45Hz – 55Hz; sai số ±1,5% và có thể chế tạo dụng

cụ đo tần số cao hơn đến 2500Hz

* Fazomet điện động

Fazomet điện động là dụng cụ đo góc pha

và hệ số công suất cosϕ sử dụng cơ cấu chỉ thị

logomet điện động

Sơ đồ Nguyên tắc như hình bên

Bằng cách chọn giá trị linh kiện phù hợp ta

sẽ có

ϕ

α = Như vậy độ lệch của dụng cụ có thể chỉ thị

góc pha ϕ hoặc hệ số cosϕ trên thang khắc độ

Nhược điểm của sơ đồ trên là chỉ dùng cho

một cấp điện áp Khi điện áp thay đổi các thông

số của mạch cũng phải thay đổi theo, hơn nữa mạch sử dụng điện cảm L nên cảm kháng phụ thuộc vào tần số và sẽ gây sai số cho kết quả đo Để khắc phục nhược

điểm trên người ta cải tiến mạch như sau:

I1

I2 A

Ux~

Tần số kế điện động

C2

L2 C1

R2

Fazomet điện động

I

*

*

Ux~

B2 B1

A

L1 R2

Zt

76

Chia cuộn B1 thành 2 cuộn song song,

một cuộn nối với L và một cuộn nối với C Giá

trị của L và C được chọn sao cho

C

L

1 ω

Khi đó nếu tần số thay đổi điện kháng

toàn mạch coi như không đổi (vì khi điện

kháng của nhánh này tăng, điện kháng của

nhánh kia sẽ giảm)

Fazomet điện động thông thường có

thông số như sau:

+ Dải tần số từ 50 – 60 Hz (dải tần số

công nghiệp)

+ Thang đo ϕ từ 0 – 3600

+ cosϕ từ 0 – 1

+ Cấp chính xác từ 0,2 – 0,5

b Tần số kế điện từ

Đây là dụng cụ đo tần số sử dụng

cơ cấu logomet điện từ với hai cuộn dây

tĩnh A, B và 2 lõi thép động được gắn

trên cùng một trục quay

Như đã biết, góc lệch của kim chỉ

thị tỉ lệ với bình phương tỉ số giữa 2

dòng điện I1 và I2 đi vào 2 cuộn dây

] ) [( 2

2

1

I

I F

=

α

Dựa trên cơ sở của logomet điện từ

người ta chế tạo tần số kế điện từ, trong đó các cuộn dây được mắc với R, L, C như sơ đồ hình bên Khi đó trở kháng của các nhánh phụ thuộc vào tần số Khi tần số thay đổi trở kháng sẽ thay đổi, do đó các dòng I1, I2 cũng thay đổi theo và kim sẽ lệch góc α thay đổi theo tỉ số

2

1

I

I

, nghĩa là tỉ lệ với tần số

Dải đo của tần số kế điện từ cũng

giống như của tần số kế cơ điện, đó là các

dải tần (45Hz – 55Hz), (55 – 65Hz) và

(450Hz – 550Hz)

Ngoài ra, người ta còn có thể sử dụng

cơ cấu đĩa dịch chuyển để đo tần số như

hình bên:

Cho cuộn dây A nối tiếp với một điện

trở còn cuộn dây B nối tiếp với một cuộn

cảm và cả hai cùng song song với nguồn

điện áp cần đo tần số Hai cuộn dây sẽ tạo

ra lực đẩy ngược chiều lên hai nửa đĩa kim

loại Cuộn A đẩy theo chiều kim đồng hồ,

cuộn B đẩy ngược chiều kim đồng hồ Kim

sẽ lệch về hướng có lực đẩy nhỏ, nghĩa là

I1 I2 Ux~

Tần số kế điện t

L2

L1

C R2

R1

R

A

Ux~

*

*

I

Fazomet điện động cải tiến

C

Zt

rời xa cuộn có dòng lớn hơn chạy qua Vì sử dụng điện trở nối tiếp với cuộn A nên dòng sẽ không thay đổi theo tần số như với dòng qua cuộn B Nghĩa là lực đẩy đĩa kim loại do cuộn A gây ra là một số xác định, góc quay cũng xác định (thông thường sẽ lấy chuẩn ở tần số 60Hz) Khi tần số vào lớn hơn thì dòng qua cuộn B sẽ nhỏ đi (do trở kháng tăng) lực tác dụng của A lên kim sẽ lớn hơn lực tác dụng của

B, do đó kim chỉ sẽ quay theo chiều kim đồng hồ Ngược lại, khi tần số nhỏ hơn kim sẽ quay ngược chiều kim đồng hồ vì lực tác dụng của B lên nửa đĩa bên phải lớn hơn lực tác dụng của A lên nửa đĩa bên trái Vị trí của kim dừng sẽ tương ứng với tần số cần đo được chỉ thị trên thang khắc độ (xem hình trên)

3 Tần số kế và Fazo kế điện tử

Tần số kế điện tử là dụng cụ để

đo tần số âm tần và cao hơn mà các

tần số kế cơ điện không đo được Đó

là sự kết hợp giữa cơ cấu từ điện và

các bộ biến đổi để biến đổi tần số

thành dòng một chiều

Nguyên tắc biến đổi được minh

hoạ ở hình bên:

Khi khoá K ở vị trí 1, tụ điện C

được nạp đến điện áp U của nguồn và

có điện tích Q = C.U

Khi K chuyển sang vị trí 2, tụ C phóng qua cơ cấu chỉ thị với dòng I = Q / t với t là thời gian phóng

Nếu khoá K được điều khiển đóng mở bằng tần số fx thì giá trị dòng qua cơ cấu là Itrb được tính bởi công thức:

Itrb = Q / Tx = Q.fx = C.U.fx

Với Tx là chu kỳ , fx là tần số cần đo

Như vậy dòng qua chỉ thị tỉ lệ với tần số cần đo và có thế khắc độ trực tiếp theo đơn vị tần số lên thang đo

Xét một sơ đồ tần số

kế điện tử thực tế: (tần số kế

điện dung dùng chỉnh lưu)

TX là bộ tạo xung để

chuyển điện áp cần đo tần

số Ufx thành các xung điều

khiển đóng mở transistor

(đóng vai trò của khoá điện

tử) Các xung này có biên

độ không đổi Um

Khi không có xung

đặt lên Bazo của transistor, transistor khoá, tụ C được nạp theo dòng đi từ Ucc qua

R, tới C, qua D1 xuống mass Tụ C khi này sẽ được nạp điện tích q = C.U

Khi có xung tác động, transistor mở thông, tụ C xả qua transistor xuống mass, qua chỉ thị tới D2 và về C

Độ lệch của kim chỉ thị khi này sẽ tỉ lệ với giá trị dòng trung bình:

fx Um C K fx q K I

K = =

= α Trên thang đo lúc này có thể khắc độ theo giá trị của tần số

Tần số kế điện tử có ưu điểm là có thể đo tần số tín hiệu hình sin trong một dải tần khá rộng từ 0,1 Hz – 1000kHz với sai số ±2%

CT

Ucc

Ufx

Tần số kế điện tử 1MHz

TX

D1

D2 C

R

Q1 NPN

fx

2

Sơ đồ nguyên lý của tần số kế điện tử

C

U

78

* Fazomet điện tử

Nguyên tắc: biến đổi góc lệch pha giữa 2 tín hiệu điện thành giá trị dòng điện hoặc điện áp, sau đó đo giá trị này bằng cơ cấu cơ điện và suy ra góc lệch pha Xét sơ đồ ở hình bên:

U1 và U2 là các tín hiệu hình

sin cần xác định độ lệch pha giữa

chúng Sau khi qua các bộ tạo xung

(TX1 và TX2) sẽ tạo thành các

xung U3, U4 được hình thành khi

tín hiệu U1, U2 đi qua 0 từ âm

sang dương

Các xung này được đưa tới

điều khiển khoá điện tử K Khoá K

đóng khi U3 vào và ngắt khi U4

vào

Như vậy độ lệch pha giữa 2 tín

hiệu đã được chuyển thành khoảng thời

gian τ

Khi khoá K thông, có dòng I qua

chỉ thị do đó dòng trung bình được tính

là:

0 0

360 Im

360 Im

Im

x x

S Itrb S

T Itrb

ϕ α

ϕ τ

=

=

⇒

=

=

với Im là giá trị biên độ của dòng

điện I

và S là độ nhạy của cơ cấu

Thang đo được khắc độ trực tiếp theo góc lệch pha với khoảng đo từ 0 – 1800 hoặc 0 – 3600, tần số từ 20Hz – 200kHz; độ chính xác 1 – 1,5

4 Tần số kế và Fazo kế chỉ thị số

Nguyên tắc: đếm số xung N tương ứng với số chu kỳ của tần số fx cần đo trong một khoảng thời gian xác định trước

Dưới đây là sơ đồ khối và biểu đồ thời gian của tần số kế chỉ thị số

U1~

U2~

K

E I CT

U3

U4

Fazomet điện tử

1MHz TX2 1MHz TX1

Biều đồ điện áp U1

U2

U3

U4

MF fo Chia tần ĐK

Tần số kế chỉ thị số

Ufx~

1MHz TX

BĐ

Mạch vào là bộ khuếch đại dải rộng với tần số từ 10Hz – 3,5MHz và một bộ

suy giảm để hoà hợp giữa nguồn cần đo và tần số kế

Bộ tạo xung (TX) có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu hình sin hoặc tín hiệu xung

thành dãy các xung có biên độ không đổi nhưng tần số bằng tần số của tín hiệu vào

Máy phát tần số chuẩn (MF fo) là bộ tạo xung chuẩn có độ ổn định cao với

tần số khoảng 1MHz (bộ dao động này thường là bộ dao động thạch anh)

Bộ chia tần để xác định Tđo tuỳ ý (thường chia theo hệ số 10) Tđo có thể từ

10-6s đến 100s, nghĩa là tần số sau bộ chia tần có thể từ 1MHz đến 0,01Hz

Thời gian Tđo để điều khiển khoá K hai đầu vào, fx theo đầu vào thứ 2 sẽ đi vào bộ đếm (BĐ) và ra cơ cấu chỉ thị

Mạch điều khiển có nhiệm vụ:

+ Đảm bảo thời gian hiển thị kết quả đo từ 0,3 – 5s trên chỉ thị số

+ Xoá kết quả về 0 trước khi tiến hành phép đo

+ Điều khiển khoá K làm việc theo chế độ tự động hoặc bằng tay

+ Chọn dải đo tần số phù hợp

Từ biều đồ điện áp (hình bên) ta thấy, số xung mà bộ đếm đếm được là N xung, N có mối quan hệ với Tđo và chu kỳ Tx của tín hiệu như sau:

fo

fx K Tx

To K Tx

T

N do

=

=

= Sai số của phép đo chủ yếu do sai số lượng tử theo thời gian, nghĩa là thời

điểm bắt đầu của chu kỳ fx không trùng với thời điểm bắt đầu thời gian đo Tđo Khi Tđo = n.Tx thì ΔN =0 nhưng khi thời gian đo không bằng một số nguyên lần chu kỳ tín hiệu cần đo thì sai số lớn nhất là 1± xung đơn vị

Sai số của phép đo được tính là:

Tdo

Tdo N

N fx

+

Δ

= Δ

Như vậy, đo tần số càng cao sai số càng nhỏ, thời gian đo Tđo càng dài thì phép đo càng chính xác

Khi tần số cần đo rất thấp người ta thường đo Tx thay cho đo fx Đo Tx bằng cách đếm số xung chuẩn fo trong khoảng thời gian Tx

t

t

t

t

Utf

TX

K BĐ

Tđo

80

Sơ đồ khối và biểu đồ thời gian như sau:

Khi đó số xung đếm được là:

N

fo fx

fx

fo To

Tx N

=

⇒

=

=

* Fazomet chỉ thị số

Nguyên tắc: biến đổi góc lệch pha cần đo giữa hai tín hiệu thành khoảng thời gian chênh lệch τ, lấp

đầy τ bằng cách xung

có tần số đã biết trước,

số xung đếm được sẽ tỉ

lệ với góc lệch pha của

2 tín hiệu

Sơ đồ khối của

fazomet số như hình

bên

U1, U2 là hai tín

hiệu điện áp cần so pha,

được đưa vào 2 bộ tạo

xung TX1 và TX2 Các

xung sau bộ tạo xung được đưa tới đầu vào S và R của trigo, đầu ra của trigo sẽ xuất hiện các xung đóng mở khoá K với khoảng thời gian τ ứng với độ lệch pha giữa hai tín hiệu

U1~

U2~

K

MF fo B CT số

Fazomet chỉ thị số

1MHz TX4 1MHz TX3

S

_

U1 TX1

TX2

Đ

Ufx~

ĐK

CT số

B

K

Mạch vào

MF fo

To

Tx

1MHz

TX1

Đ

t t

t

0

0

0

Ufx

TX

TX

Khi khoá K mở, các xung chuẩn từ máy phát tần số chuẩn MF fo được đưa tới

bộ đếm và đến chỉ thị số

Số xung đếm được là:

0

0

360

360

x

x

Tx

fo To N

ϕ τ

ϕ τ

τ τ

=

⇒

=

=

=

Tx : có

ta

mà

x fx

fo

3600

=

⇒ Vậy số xung đếm được tỉ lệ với góc lệch pha cần đo (xem biểu đồ thời gian) Phương pháp đếm trên có nhược điểm là phụ thuộc vào fo và fx Khắc phục

điều này bằng cách thêm một khoá K2 sau K1, K2 được điều khiển sao cho đóng

mở trong thời gian tu= k.To Khi đó:

x

k To Tx

tu

360

= Như vậy trong biểu thức của N không chứa fo và fx, nó chỉ phụ thuộc vào hệ

số chia tần, do đó phép đo có độ chính xác cao hơn

Fazomet chỉ thị số có thể đo trong dải tần từ vài Hz cho đến hàng MHz với độ chính xác từ ±0,1ữ0,2%

MFf0

Biều đồ điện áp

t

t

t

t t t t

U1

U2

TX1

TX2

Trg

BĐ

82

III Đo tần số bằng phương pháp so sánh

1 Tần số kế trộn tần

Sơ đồ khối:

Phương pháp trộn tần là phương pháp so sánh giữa tần số của tín hiệu khảo sát với tần số chuẩn của máy phát

Hai tần số fx và fo được trộn với nhau ở bộ trộn tần và đầu ra bộ trộn tần sẽ có dạng phức tạp vơí nhiều thành phần tần số khác nhau, trong đó có tần số hiệu (F = fx - fo )

Bộ chỉ thị có thể là cơ cấu từ điện, ống nghe hoặc oscilloscope … để biểu thị tần số hiệu

Có hai cách xác định fx là:

+ So sánh cân bằng: điều chỉnh fo để F = 0, suy ra fx = fo

+ So sánh không cân bằng: điều chỉnh fo để F đạt giá trị nào đó, suy ra fx = F + fo Tần số kế trộn tần có thể đo được tần số trong khoảng từ 100kHz đến 20GHz

2 Tần số kế cộng hưởng

Nguyên tắc: xác định tần số cần đo bằng cách so sánh nó với tần số cộng hưởng của mạch dao động

Sơ đồ khối:

Trong đó, bộ dao động được điều chỉnh cộng hưởng với tần số cần đo của nguồn tín hiệu Trạng thái cộng hưởng được phát hiện theo chỉ số cao nhất của bộ chỉ thị cộng hưởng (tỉ lệ với dòng, áp hoặc âm lượng …) Dưới đây là một số sơ đồ

sử dụng chỉ thị cộng hưởng thông dụng

Tần số cộng hưởng được khắc ngay trên thiết bị dò cộng hưởng của bộ dao

động, đó cũng chính là thang đo của tần số fx

Ưu điểm của tần số cộng hưởng điện là đơn giản với độ chính xác đạt tới 0,1%

3 Các phương pháp khác

Mạch vào

Ufx~ Bộ

dao động

CT cộng hưởng

Tần số kế cộng hưởng

fx

fo

Trộn tần K Lọc CT

Tần số kế trộn tần