Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử pgs ts vũ quý điềm, 473 trang

PGS Vũ Quý Điềm (Chủ biên) Phạm Văn Tuân Đỗ Lê Phú Cơ sở kỹ thuật Đo lờng điện tử Nhà xuất khoa học kỹ thuật Mục lục Lời nói đầu Chơng Giới thiệu chung kỹ thuật Đo lờng điện tử 1.1 Đối tợng Đo lờng điện tử 1.1.1 Các đặc tính thông số tín hiệu 1.1.2 Các tham số đặc tính mạch điện tử 1.2 Các khái niệm Đo lờng điện tử 1.2.1 Khái niệm đo lờng 1.2.2 Các phơng pháp biện pháp đo lờng 6 17 21 21 22 Chơng Định giá sai số Đo lờng 2.1 Nguyên nhân phân loại sai số Đo lờng 2.1.1 Nguyên nhân gây sai số 2.1.2 Phân loại sai số 2.1.3 Các biểu thức diễn đạt sai số 28 28 29 30 2.2 ứng dụng phơng pháp phân bố chuẩn để định giá sai số 31 2.2.1 Hàm mật độ phân bố sai số 2.2.2 Hệ nghiên cứu hàm mật độ phân bố sai số 2.2.3 Sử dụng đặc số phân bố để định giá kết qu đo sai số đo 2.3 Cách xác định kết đo 2.3.1 Sai số d 2.3.2 Độ tin cậy khoảng xác 2.3.3 Cách xác định kết đo thực đo nhiều lần 2.3.4 Tính sai số trờng hợp đo gián tiếp 2.3.6 Tính sai số đo vị trí thị cực trị 2.3.7 Lu đồ thực trình xử lý, định giá sai số xác định kết đo 32 33 36 39 39 42 45 48 51 54 Chơng Quan sát Đo lờng dạng tín hiệu 3.1 Khái niệm chung 3.2 Cấu tạo ôxilô 3.2.1 Cấu tạo ống tia điện tử 55 57 57 3.2.2 Bộ tạo điện áp quét 3.2.3 Bộ khuếch đại dao động ký 3.3 Công dụng dao động ký (ôxilô) 3.3.1 Đo biên độ điện áp tín hiệu 3.3.2 Đặc tuyến vôn-ampe đặc tuyến tần số 3.4 Cấu tạo dao động ký (ôxilô) nhiều kênh 3.4.1 Cấu tạo dao động ký (ôxilô) hai tia 3.4.2 Phơng pháp biến đổi luân phiên-chuyển mạch điện tử 3.5 Cấu tạo dao động ký (ôxilô) quan sát tín hiệu siêu cao tần 3.5.1 Đặc điểm 3.5.2 Phơng pháp quan sát lấy mẫu 3.6 Cấu tạo dao động ký (ôxilô) có nhớ loại tơng tự 3.6.1 Cấu tạo 3.6.2 Nguyên lý hoạt động ôxilô có nhớ 63 69 73 73 75 80 81 82 89 89 91 94 94 95 3.7 ôxilô điện tử số 96 3.7.1 Cấu trúc khả ôxilô số 96 3.7.2 Ôxilô có cài đặt vi xử lý (micropocessor-PP) 98 Chơng Đo tần số, khoảng thời gian đo độ di pha 4.1 Khái niệm chung 4.2 Đo tần số mạch điện có thông số phụ thuộc tần số 4.2.1 Phơng pháp cầu 4.2.2 Phơng pháp cộng hởng 4.3 Đo tần số phơng pháp dùng thiết bị so sánh 4.3.1 Phơng pháp dùng dao động đồ ôxilô 4.3.2 So sánh phơng pháp ngoai sai 4.3.3 Đo tần số phơng pháp đếm xung 4.4 Đo khoảng thời gian 4.4.1 Máy đếm điện tử 4.4.2 Bộ đếm thiết bị đo số 4.4.3 Bộ gii mã thiết bị đo số 4.4.4 Bộ thị số 4.4.5 Máy đếm điện tử có cài đặt vi xử lý (PP) 4.5 Tổ hợp tần số (Frequency synthesizer) 111 113 113 115 123 123 125 134 134 139 149 159 175 179 4.5.1 Tổ hợp mạng tần số tích cực dùng kỹ thuật mạch số 180 4.5.2 Tổ hợp tần số có cấu tạo vi xử lý (PP) 181 4.6 Đo độ di pha 4.6.1 Các phơng pháp đo di pha 4.6.2 Pha mét thị số 4.6.3 Pha-mét số có cài đặt micropocesor 186 188 195 198 Chơng Đo điện áp 5.1 Đặc điểm yêu cầu phép đo tín hiệu điện áp 5.1.1 Các trị số điện áp đo 5.1.2 Cấu tạo phân loại vôn-mét điện tử 5.2 Vôn-mét điện tử loại tơng tự-dùng điện kế thị kim 5.2.1 Các đặc tính tách sóng 5.2.2 Khối khuếch đại vôn-mét điện tử 5.2.3 Khối thị kim 5.2.4 Vôn-mét đo điện áp xung 5.3 Cấu tạo vôn-mét điện tử số 5.3.1 Bộ biến đổi tơng tự - số (the analog to digital converter) 201 201 204 205 206 215 217 217 222 222 5.3.2 Ví dụ giải mã để thực ký tự số ả-rập 234 5.3.3 Vôn-mét điện tử số có cài đặt PP 236 Chơng Đo công suất 6.1 Các khái niệm phơng pháp đo công suất 6.1.1 Khái niệm 6.1.2 Phơng pháp đo công suất 6.1.3 Đo công suất tần số thấp tần số cao 6.1.4 Đo công suất siêu cao tần dùng nhiệt điện trở 6.2 Đo công suất hấp thụ 6.2.1 Phơng pháp vôn-mét (và ampe-mét) 6.2.2 Phơng pháp đo cờng độ ánh sáng 6.2.3 Phơng pháp nhiệt lợng mét 6.3 Đo công suất truyền thông 6.4 Oát-mét dùng kỹ thuật số 6.4.1 Oát-mét số (Digital Wattmeter) 6.4.2 Oát-mét cài đặt vi xử lý 243 243 245 247 252 258 258 259 260 263 268 268 271 Chơng Đo tham số điều chế đặc tính phổ tín hiệu 7.1 Đo hệ số điều chế 7.1.1 Đo hệ số điều chế biên độ 7.1.2 Đo thông số điều tần 7.1.3 Đo thông số điều chế xung 7.2 Đo méo không đờng thẳng 7.3 Phân tích phổ tín hiệu 7.3.1 Phơng pháp phân tích 7.3.2 Cấu trúc thiết bị phân tích phổ theo phơng pháp số 7.3.3 Máy phân tích phổ dùng vi xử lý với thuật toán biến đổi nhanh Fourrier 274 277 282 286 289 292 293 300 309 Chơng Đo thông số đặc tính phần tử mạch điện 8.1 Đo thông số mạch điện có phần tử tập trung 8.1.1 Đo thông số linh kiện đờng thẳng 8.1.2 Đo thử thông số đèn bán dẫn 8.2 Đo thông số mạch điện có phần tử phân bố 8.2.1 Khái niệm 8.2.2 Các linh kiện đo lờng siêu cao tần 8.2.3 Công dụng đo lờng dây đo 8.2.4 Đo trở kháng dây đo có đầu dò cố định 8.2.5 Đo trở kháng phản xạ mét cầu đo 317 317 333 337 337 340 353 379 382 Chơng Đo lờng, kiểm nghiệm mạch điện tử số vi xử lý 9.1 Khái niệm đặc tính chung mạch số 9.2 Các phơng pháp phân tích 9.2.1 Phơng pháp phân tích logic 9.2.2 Phơng pháp phân tích nhận dạng mã địa (Signature Analysis) 9.3 Các nguyên lý tự kiểm tra (Principles of self - testing) 9.3.1 Phơng pháp LSSD (Level - Sensitive Scan Design) 9.3.2 Phơng pháp BILBO (Built-In Logic Block Observer) 9.3.3 Phơng pháp MICROBIT 388 390 390 398 409 409 410 411 Chơng 10 Đo lờng tự động 10.1 Các khuynh hớng 414 10.1.1 Tự động hoá phần trình đo lờng 10.1.2 Tự động hoá hoàn toàn trình đo lờng 10.2 Hệ thống giao diện số đo lờng (Interface for measurement system) 10.2.1 Giới thiệu chung 10.2.2 Thiết kế mạch kiểu mảng khối modun 10.2.3 Giao diện IEC (The International Electrotechnical Commission) Tài liệu tham khảo 420 435 448 448 449 452 462 Lời nói đầu Giáo trình "Cơ sở kỹ thuật đo lờng điện tử" đợc biên soạn nhằm phục vụ cho việc học tập sinh viên đại học thuộc ngành kỹ thuật điện tử- viễn thông Cuốn sách dùng làm tài liệu tham khảo cho ngành kỹ thuật khác có sử dụng kỹ thuật đo lờng điện tử nh phơng pháp để nghiên cứu khoa học, sử dụng khai thác kỹ thuật ngành So với Cơ sở kỹ thuật Đo lờng Vô tuyến điện đợc xuất trớc đây, mà chơng mục tập sách đợc xếp theo đề cơng chơng trình môn học Đo lờng Vô tuyến điện, đợc sử dụng làm giáo trình trờng Đại học Bách khoa Hà nội hai thập niên trớc, kỹ thuật đo lờng điện tử có phát triển vợt bậc, nhiều thiết bị đo biến đổi hoàn toàn Ngày nay, Điện tử trở thành lĩnh vực đa dạng có phát triển vợt bậc, ta coi Vô tuyến điện tử (Radio-Electronics) hớng phát triển Điện tử Do tên gọi môn học nh tên giáo trình phải có thay đổi theo hớng phát triển thích hợp Nói phát triển kỹ thuật Đo lờng điện tử, trớc hết phải nói thay đổi thiết bị đo có sử dụng vi xử lý (microprocessors) Vi xử lý trở thành phận chủ yếu cấu thành thiết bị đo Việc áp dụng vi xử lý vào kỹ thuật đo lờng làm tăng tính năng, thông số thiết bị đo lên nhiều; mở cách giải vấn đề mà trớc cha đợc đặt Có Vi xử lý làm cho thiết bị đo đa chức năng, đơn giản hoá việc điều khiển, tự động điều chỉnh, tự động lấy chuẩn, tự động kiểm tra, làm tăng thêm độ tin cậy thông số phép đo, thực tính toán, xử lý thống kê kết quả; tức tạo đợc thiết bị đo lờng lập trình tự động Một phần sách đợc dùng để trình bày nguyên tắc khả thiết bị đo có vi xử lý Tuy vậy, thực tế nhiều cần thiết bị đo đơn giản hơn, nên nhiều thiết bị đo dùng kỹ thuật tơng tự kỹ thuật số có sơ đồ lô-gích đợc sử dụng đợc sản xuất tiếp tục Trong sách đề cập đến nguyên tắc truyền thống kỹ thuật Đo lờng điện tử Kỹ thuật Đo lờng điện tử ngành kỹ thuật có phạm vi rộng, đối tợng đo, môi trờng điều kiện đo, nh dải tần đo, lợng trình đo cấu tạo mạch đo Tham vọng tác giả làm để gói gọn đợc phạm vi rộng lớn nói vào vấn để cách trình bày phải thể đợc nguyên tắc truyền thống nh cập nhật đợc nguyên tắc hoàn toàn sách Mặc dù cố gắng để sách đạt đợc ý tởng nói trên, song không tránh khỏi sai sót, tác giả mong đợc góp ý, dẫn bạn đọc Các ý kiến xin gửi Khoa Điện tử- Viễn thông, trờng Đại học Bách khoa Hà nội, điện thoại 8692242 Ngày tháng năm 2001 PGS Vũ Quý Điềm Chơng I Giới thiệu chung kỹ thuật đo lờng điện tử Mở đầu Trong trình phát triển khoa học kỹ thuật mà toàn giới chứng kiến, điện tử ngành phát triển mũi nhọn ứng dụng điện tử, tin học, viễn thông ngày lớn ảnh hởng sâu sắc đến sống cách thức làm việc toàn xã hội Để phát triển đợc lĩnh vực tổng thể chung ngành điện tử, vấn đề đo lờng vấn đề cần đợc quan tâm phát triển Nội dung giáo trình Đo lờng điện tử đợc giới thiệu tập sách nói cách tóm tắt là: nghiên cứu phơng pháp đo lờng điện tử bản, biện pháp kỹ thuật để thực phơng pháp đo thao tác kỹ thuật đo lờng để đạt đợc yêu cầu cần thiết phép đo Cụ thể, nội dung bao gồm vấn đề phơng pháp đo lờng thông số tín hiệu mạch điện, biện pháp cấu tạo mạch đo nh cấu trúc tính máy đo, cách nâng cao độ xác phép đo nh cách xác định, hạn chế sai số kết đo Đo lờng thông số đặc tính tín hiệu nh đo thông số cờng độ tín hiệu (Ví dụ nh thông số dòng điện, điện áp, công suất ), nh quan sát dạng tín hiệu, đo tần số, đo di pha, phân tích phổ tín hiệu Đo thông số mạch điện nh thông số linh kiện đờng thẳng, linh kiện không đờng thẳng (các linh kiện sở nh điện trở, tụ điện, đèn điện tử, đèn bán dẫn đến linh kiện nh IC, loại mạch tích hợp ), mạch điện có phần tử tập trung, thông số linh kiện đờng thẳng mạch siêu cao tần Đặc điểm kỹ thuật đo lờng điện tử phép đo đợc thực dải phổ rộng, từ 0Hz (tín hiệu không biến đổi) đến 3.1015 Hz (sóng quang) Do phơng pháp đo, cấu trúc máy đo độ xác phép đo tuỳ thuộc vào dải tần đối tợng đo lờng Ví dụ tần số thấp dễ dàng đo đợc dòng điện điện áp, nhng siêu cao tần thông số cần xác định dòng điện, điện áp trở nên vô nghĩa cần định lợng thông số mạch, mà phải xác định chúng thông qua công suất Hay ví dụ, đại lợng cần đo trở kháng mạch, mà tần số thấp dùng thiết bị đo loại cầu bốn nhánh, tần số cao thiết bị đo cầu cộng hởng điện áp hay dòng điện, tần số siêu cao tần thiết bị đo phải dùng dây đo đo ống dẫn sóng hay dây đồng trục Độ xác phép đo thờng phụ thuộc nhiều vào khử bỏ ảnh hởng ghép ký sinh thông số thân máy đo tới mạch cần đo, ví dụ nh điện dung, điện cảm, điện trở máy đo ảnh hởng tăng tần số tăng cao Do đo đại lợng mà tần số khác cần có phơng pháp khác mà máy đo đợc dùng để đo phải có cấu tạo khác Khi chọn phơng pháp đo máy đo thích hợp cần phải ý tới thao tác cần thiết, cách mắc đo để nâng cao độ xác phép đo Ví dụ nh cần giảm tới mức tối thiểu điện áp tạp tán, điện dung ký sinh dây nối, máy đo Các ảnh hởng thờng trở nên đáng kể lĩnh vực đo lờng điện tử, phép đo thờng đợc thực tần số cao, công suất bé hay đợc tiến hành trạng thái cộng hởng Lợng trình đại lợng cần đo kỹ thuật điện tử rộng đa dạng Ví dụ nh với việc đo tần số phải thực phép đo có lợng trình từ 0Hz đến 1015Hz Đo công suất từ thiết bị có công suất lớn tới 108 W, dới phơng thức điều chế tín hiệu khác nh: điều biên, điều tần, điều pha điều xung, với độ rộng xung tới 10-9s Sự cần thiết đo lờng kỹ thuật điện tử lớn, hầu nh phải sử dụng lúc, chỗ Khi nghiên cứu thiết kế, điều chỉnh khai thác, lắp đặt vận hành hệ thống điện tử, viễn thông, máy đo Cho hệ thống làm việc, hay điều chỉnh thiết bị điện tử, trình đo lờng chế độ công tác, lấy đặc tính khối, khâu riêng biệt hay toàn Do vậy, với máy đo có độ xác cần thiết điều chỉnh đợc thiết bị đạt đợc yêu cầu mong muốn Khi lắp ráp, chế tạo thiết bị điện tử, thiết bị viễn thông, cần đo lờng Vì tính toán thiết kế cho đợc số liệu sơ bộ, muốn có đợc chế độ công tác thực tế thông số thích hợp sở thực nghiệm có Với công tác nghiên cứu việc xây dựng phơng pháp đo kiện toàn thiết bị đo lại quan trọng Không phải có số lợng kết quả, mà phân tích chất lợng có ích lợi cho công việc liên quan tới lĩnh vực nghiên cứu Khi khai thác hệ thống điện tử, cần phải luôn kiểm tra phát h hỏng, thực trình công tác, giữ đợc tiêu kỹ thuật cao trình làm việc, xác định nhanh chóng nguyên nhân làm tiêu chuẩn công tác Tất điều không thực đợc tổ hợp phép đo máy đo Hai tự động hoá toàn trình đo lờng Khi máy đo hệ tự động hoàn chỉnh, xây dựng theo nguyên tắc vòng kín Về mặt sử dụng, tất nhiên máy đo loại tiện lợi loại nhiều nhng kết cấu nguyên lý lại phức tạp nhiều, điều tất nhiên Trong nhiều trờng hợp, tự động hoá toàn không cần thiết Vì vậy, hai hớng phát triển song song ngày tới hoàn chỉnh Dới đây, ta lần lợt xem qua vài nét tiêu biểu cho hai hớng Cũng nh chơng trớc vấn để khảo sát để tiện diễn giải, đợc thông qua ví dụ với thiết bị cụ thể 10.1.1 Tự động hoá phần trình đo lờng Thay phép đo gián tiếp phép đo trực tiếp Bảng dụng cụ đo thông thờng nh vôn-mét, ampe-mét, ôm-mét ta đọc đợc trực tiếp trị giá nhiều đại lợng cần đo Tuy nhiên nhiều kết đo đợc dụng cụ cha phải đại lợng cần biết Chẳng hạn, khai thác, kiểm tra điều chỉnh thiết bị điện tử thờng phải đo đợc tỷ số điện áp hai tín hiệu: tỷ số cho ta khái niệm đặc tính truyền đạt mạng bốn cực, độ suy giảm đờng dây, hệ số sóng đứng, hệ số phản xạ Nếu nh dùng vôn mét ta phải làm hai thao tác: đo tính tỷ số nh nhiều thời gian công sức Tỷ số hai điện áp tín hiệu có đợc nhờ cách đo gián tiếp Tự động hoá phần đo lờng giải vấn đề thời gian lao động cách tạo dụng cụ đo theo phơng pháp trực tiếp Ví dụ loại dụng cụ máy đo tỷ số biên độ hai tín hiệu Thang đo khắc độ không thứ nguyên theo đêxiben Những phơng pháp đo tỷ số sau đợc thực nhiều nhất: Thực chia trực tiếp Biến đổi tỷ số biên độ thành di pha dùng pha mét để đo Dùng khâu biến đổi thời gian- xung để chia Dùng tuỳ động đồng hồ Logarit hoá trừ ( lg 420 u1 u2 lg u  lg u ) Ta xem phơng pháp thực chia trực tiếp thông qua sau đây: dùng phân áp gồm điện trở tuyến tính R điện trở phi tuyến Rf để đo tỷ số hai điện áp biến đổi U1 (hình 10-2) U2 Từ số thấy điện áp U0 đo vôn mét điện tử là: U0 U1 Rf R  Rf (1) R>Rf : U0 Hình 10-2 U1 Rf R (2) Nếu nh chọn điện trở phi tuyến Rf cho trị giá phụ thuộc điện áp U2 theo quy luật hyperbol: Rf a U2 (2) trở thành : U0 | k U1 U2 (3) đó: k a hệ số tỷ lệ R Điện trở phi tuyến dùng điện trở mặt ghép emitto-bazơ tranzixto tiếp mặt Nh ta biết, điện áp bé, đặc tuyến vôn-ampe mặt ghép biểu diễn gần cách xác quan hệ: I EU Do đoạn mạch đặc tuyến, điện trở mặt ghép điện trở phi tuyến: R be U I EU (4) 421 Xem hình 10-3, điện áp U1 trớc đặt vào phận áp đợc đa qua tầng khuyếch đại phụ tải catốt để giảm ảnh hởng ngợc đến nguồn tín hiệu Còn điện áp U2 ta không đặt trực tiếp vào R1 (mặt ghép bazơ-emitơ) nh vậy, vôn mét đo U2 Hình 10-3 tỷ số U1 Để tránh tợng đó, ta thực nh sau Điện áp U2 sau U2 khuyếch đại đợc chỉnh lu lấy thành phần trung bình đa đến điều khiển trị giá điện trở Rf Trong công thức (4) thành phần trung bình U mẫu số vế phải Rf Rbe vế trái Thành phần trung bình (một chiều) U2 đợc ngăn lại tụ C3 mắc trớc vôn-mét điện tử Khi vôn-mét đo tỷ số U1 U2 Điện áp đặt vào Rf (trong sơ đồ hình 10-3) U=mU2 (5) Thay vào (4) ý Rbe Rf ta có: Rf E mU a U2 Công thức (6) cho thấy yêu cầu đề đợc thực 422 (6) Những máy đo theo kiểu biến đổi tỷ số biên độ thành dịch pha đảm bảo độ xác cao dải động lớn nhng sơ đồ phức tạp nên không xét đến Nhìn chung máy đo cho phép đo theo phơng pháp trực tiếp nh bao gồm phận thực đợc vài phép toán đơn giản Ngoài đo tỷ số, phơng pháp đề cập tới việc đo số quan hệ khác Máy đo nhiều chức Tác dụng loại máy đo thấy rõ vị trí thí nghiệm kỹ thuật điện tử, vật lý thờng yêu cầu xác định nhiều thông số: điện áp, dòng điện, tần số, dải thông tần, đặc tuyến tần số Và máy đo nhiều chức thông thờng gặp phòng thí nghiệm vô tuyến, điện tử nào: ampe-vôn-mét, ampe-mét, ômmét Máy đo nhiều chức cho phép rút ngắn thời gian thực nghiệm, đơn giản hoá thao tác đo lờng, thu gọn kích thớc thiết bị chọn dùng phòng thí nghiệm Ta xem sơ đồ khối máy đo nhiều chức tơng đối phức tạp, máy để đo thử nh hình 10-4 Nó thực đợc chức sau đây: phát tín hiệu chuẩn; đo công suất; đo tần số; phân tích phổ; đo đặc tuyến tần số; xem dạng sóng (nh ôxilô) Ngoài khả đo trực tiếp, dùng để đo phơng pháp so sánh hệ số tạp âm máy thu độ nhạy; dải thông tần khuyếch đại trung gian Dải tần số làm việc thiết bị bao gồm dải sóng dm nửa dải sóng cm Khi tổ hợp khối đo lờng vài khối siêu cao tần thay Dới ta lần lợt xem sơ đồ khối phần máy đo lấy làm ví dụ Phát tín hiệu: tạo tín hiệu tín hiệu chuẩn Chủ sóng tạo dao động dùng đèn Klistrôn ( xem hình 10-5) Dao động tạo đa vào phân nhánh siêu cao tần mạng có lối vào bốn lối (hình 10-4) Để nhận đợc tín hiệu chuẩn, ta đo mức công suất ban đầu đầu chủ sóng camera tecmitsto 12 cầu đo 11, tín hiệu lấy cho thông qua suy giảm chuẩn Căn vào kết đo 11 giá trị nấc suy giảm 8, biết đợc mức tín hiệu Rõ ràng nói tín hiệu chuẩn chuẩn biên độ Phần phát tín hiệu làm việc ba chế độ: phát liên tục, điều tần điều chế xung chế độ phát liên tục, lấy điện áp âm từ nguồn cung cấp (khối 20 hình 10-4) đa vào cực phản xạ Klistrôn 423 Hình 10-4 Muốn điều chế xung, sử dụng khối 21, 2, 3, Khối 21 có hai chế độ làm việc: tự kích truyền đa Khi muốn điều chế cho 21 làm việc chế độ tự kích Xung xúc phát tạo xung có độ rộng điều chỉnh đợc Có thể đa xung có cực tính từ đầu vào đến 21, cho xung có cực tính xác định phát cho 424 Hình 10-5 Chế độ điều tần: tín hiệu điều chế điện áp ca lấy từ 23 đa đến cực phản xạ Klistrôn Lúc tầng chủ sóng Klistrôn trở thành tạo sóng có tần số thay đổi theo qui luật tăng giảm tuyến tính dùng với dạng ca Phần đo tần số: gồm ba khối 8, 10 Tần số mét 10 dùng để đo tần số dao động tạo từ đo tần số tín hiệu từ đa vào qua đầu T.C Tần số mét dùng đồng hồ micro ampe-mét để thị Tuỳ độ lớn tính chất tín hiệu mà đồng hồ nối trực tiếp vào tách sóng qua khuyêch đại Nếu tín hiệu cần đo liên tục, yếu có tần số thấp, đa qua rung (vibror) khuyếch đại Phần đo công suất: gồm khối 10 13 (hình 10-4) Để mở rộng dải đo, có mắc thêm suy giảm Phần phân tích phổ: xem hình 10-6 Về nguyên tắc không khác máy phân tích phổ nói đến chơng trừ vài đặc điểm nhỏ Tín hiệu dao động ngoại sai (do Klistrôn tạo ra) đợc đa vào trộn qua phân nhánh Các vạch dấu tần số tần số mét 10 tạo (ta xét đến mục tiết này) Tín hiệu cần đợc phân tích phổ đa vào qua đầu R.T.C 425 ôxilô: gồm khối 14, 18, 19, 23, 24 15(hình 10-4) Tín hiệu cần quan sát đa qua đầu vào Khi muốn xem dạng tín hiệu đo chủ sóng phát ra, phải nối đầu trộn với đầu vào khuyếch đại 14 Phần đo đạc tuyến tần số: dùng phối hợp ôtxilô với phần phát tín hiệu chuẩn Khi đó, phát tín hiệu chuẩn làm việc chế độ điều tần Dạng đặc tuyến tần số quan sát đợc ôtxilô Nguyên lý làm việc phần xét kỹ mục dới Đo lờng toàn cảnh Đây phơng pháp đo lờng đặc biệt, nhằm xây dựng tranh toàn cảnh quy luật biến thiên một vài thông số khoảng phạm vi biến số biến thiên rộng Biến số thờng gặp tần số Kết nhận đợc (dới dạng đồ thị) trực tiếp quan sát ống tia điện tử ghi băng giấy Phơng pháp đo lờng nh nhanh chóng xác Hình 10-6 Để đo lờng toàn cảnh, phải dùng máy đo đặc biệt, thực tế phối hợp nhiều phần chức thành hệ thống Ví dụ, loại này: máy vẽ đặc tuyến tần số mạng bốn cực, máy đo hệ số phản xạ, hệ số sóng đứng, máy đo trở kháng toàn phần mạng bốn cực, 426 a Tự động vẽ đặc tuyến tần số mạng bốn cực Nh ta biết nghiên cứu khai thác điều chỉnh mạng bốn cực phải vẽ đặc tuyến tần số nó, tức tìm quan hệ hệ số truyền đạt mạng với tần số suốt dải tần số công tác: U2 U1 K (f ) với fmin d f d fmax Thông thờng ngời ta làm nh sau: Đầu vào mạng bốn cực cần nghiên cứu đặt nguồn tín hiệu chuẩn U1, giữ cho biên độ U1 không đổi thay đổi tần số nguồn theo quy luật chọn (tăng giảm) phạm vi fmin y fmax Đo biên độ đáp ứng đầu số điểm dải tần số đó, ta có số trị giá U2(f) (hình 10-7a) Nếu U1 =const, K(f) tỷ lệ với U2(f) Quá trình vừa mô tả tốn nhiều thời gian gặp nhiều khó khăn việc bảo đảm xác Thứ nhất, thay đổi tần số, thông số mạng bốn cực thay đổi theo ảnh hởng nguồn tín hiệu buộc ta phải luôn điều chỉnh để giữ cho U1 không đổi Thứ hai, kết xác nhng thực đo U2 số hữu hạn điểm nên đờng cong vẽ đợc gần Bằng phơng pháp sau đây, ngời ta giải đợc phần lớn thiếu sót Xem hình 10-7 Đầu vào mạng bốn cực cần vẽ đặc tuyến tín hiệu lấy từ phát điều tần số có biên độ không đổi tần số biến đổi theo qui luật đờng thẳng cách có chu kỳ Sở dĩ nh tín hiệu điều chế tín hiệu ca lấy từ tạo quét Tần số trung tâm tạo dao động qui định tần số trung bình dải thông mạng bốn cực Tín hiệu mạng bốn cực đợc tách sóng biên độ, khuyếch đại đa vào cặp phiến lệch đứng ống tia Trên sóng nhận đợc hình ảnh đờng bao Vì tín hiệu dùng để biến đổi tần số dao động đa vào mạng bốn cực tín hiệu đa vào cặp phiến lệch ngang ống tia nên hình ảnh đờng bao phản ứng đầu đợc trải theo thay đổi tuyến tính tần số Nếu nh giữ đợc biên độ dao động đầu vào không đồi đặc tuyến tần số cần vẽ Để đọc đợc giá trị tần số điểm cần thiết đặc tuyến xác định dải thông đặc tuyến này, ngời ta dùng khắc độ tần số, tạo vạch dấu tơng tự nh vạch đầu thời gian ôxilô xung thông thờng phần khắc độ tần số bao gồm khởi phát thạch anh, trộn lọc tần thấp Bộ trộn có hai đầu vào, đầu ra, thực tế so sánh theo kiểu phách Đầu vào thứ tín hiệu lấy từ dao động thạch anh có tần số F Vì phát thạch 427 anh cho dao động nhiều hài bậc cao nên tín hiệu vào trộn có phổ rộng, vạch cách khoảng F Đầu vào thứ hai tín hiệu lấy từ đầu phát điều tần, tức tín hiệu có tần số thay đổi theo qui luật đờng thẳng (Hình 10-8a) Mỗi lần tần số tín hiệu điều tần nF (n= 1, 2, ) đầu trộn lại xuất xung (do hiệu ứng phách, dao động có dạng nh hình 10-8b) Dãy xung phách qua lọc tần thấp để sửa dạng, đa vào khuếch đại lệch đứng tạo ống tia vạch tần số cách khoảng F Ngời ta tạo thêm vạch dấu hàng chục (hoặc đơn vị) Khi phải thêm khối phân tần với hệ số 10 (hoặc 5) Dãy xung phân tần đợc khuếch đại với hệ số khuếch đại lớn dãy xung dấu đơn vị Trên ống tia có dãy vạch dấu nh hình 10-8c Ngoài ra, ngời ta tạo vạch dấu tần số kiểu di động, ống tia có dạng nh hình 10-8d Lúc đó, thay cho khối phát thạch anh với tần số cố định khối tạo dao động có tần số điều chỉnh đợc sơ đồ khối có khác đôi chút Rõ ràng, đặc tuyến tần số nhận đợc theo phơng pháp xác nhanh chóng hầu nh Nhất phải điều chỉnh mạch bốn cực để có đợc đặc tuyến tần số dạng mong muốn, phơng pháp tỏ tính u việt vừa điều chỉnh vừa theo dõi kết cách liện tục đạt đợc mục đích Hình 10-7 428 Hình 10-8 b Máy đo hệ số phản xạ hệ số sóng đứng toàn cảnh Các máy đo theo phơng pháp toàn cảnh khác máy đo hệ số phản xạ hệ số sóng đứng thông thờng chỗ chúng có độ xác cao, đặc điêm sử dụng thuận lợi khả đo đợc trở kháng toàn phần biến đổi nhanh theo thời gian hàm tần số Môđun hệ số phản xạ bằng: p2 Pth Pt Pph Pt công xuất sóng phản xạ công suất sóng tới Bây giữ cho công suất sóng tới không đổi toàn dải tần môđun hệ số phản xạ hàm đơn trị công suất phản xạ từ đối tợng cần đo 429 p( f ) c Pph (f ) Từ biểu thức này, xây dựng nguyên tắc máy đo hệ số phản xạ hệ số sóng đứng toàn cảnh Dùng máy phát tần số thay đổi qua lại (theo kiểu quét ôxilô, tức tăng dần từ fmin đến fmax trở fmin để lại chu kỳ khác) dải rộng có độ ổn định công suất cao Thờng phải đảm bảo trì công suất với độ xác y 2% Sơ đồ khối máy đo toàn cảnh biểu diễn hình 10-9 Nó cho phép quan sát sóng toàn cảnh thay đổi hệ số sóng đứng suốt dải tần cho phép xác định trị giá hệ số sóng đứng tần số thuộc dải Bộ tạo sóng siêu cao tần dùng đèn sóng ngợc Dao động siêu cao tần đợc điều tần điện áp ca (quét) đợc điều biên dãy xung vuông có chu kỳ lặp lại hai lần độ rộng xung Trên đờng truyền từ máy phát đến tải (đối tợng cần đo), có đặt phận mạch định hớng để thu sóng tới sóng phản xạ Các sóng nhận đợc đa vào tách sóng (tách sóng bình phơng), khuyếch đại đa vào đo tỷ số Điện áp đo tỷ số tỷ lệ với bình phơng hệ số phản xạ tải đó, tỷ lệ với hệ số sóng đứng Sau khuếch đại, kết đợc đa vào kênh lệch đứng ống tia Hình 10-9 430 Cũng nh máy vẽ đặc tuyến số điện áp quét biến thiên đồng điệu với điện áp dùng để điều chế tần số máy phát siêu cao, sóng, ta nhận đợc toàn cảnh phụ thuộc hệ số sóng đứng vào tần số Để định lợng đợc trị số hệ số sóng đứng điểm với độ xác cao, ngời ta thực so sánh điện áp đo tỷ số khuếch đại với điện áp mẫu máy sóng Hai điện áp đa qua chuyển mạch điện tử Kết huỳnh quang, đờng biểu diễn phản xạ, có đờng sáng, vị trí phụ thuộc trí giá điện áp mẫu Điều chỉnh tay biên độ điện áp mẫu để đờng sáng chạy qua điểm ta quan tâm đờng cong Trị giá hệ số sóng đứng điểm đo dọc theo đống hồ thị trị giá điện áp mẫu Để thuận tiện, đồng hồ khắc độ theo tỷ lệ xích hệ số sóng đứng Trị giá tần số điểm đo (hay điểm bất kỳ) xác định dựa vào điểm sáng đánh dấu tần số ống tia Bộ tạo mẫu tần số tần số mét tạo điểm sáng Có thể dịch chuyển điểm sáng đánh dấu số cách điều chỉnh số mét Nh ta thấy sơ đồ hình 10-9 sóng đứng điểu chỉnh số tay đọc trị giá theo đồng hồ thị kim Nếu mắc vào hai đầu ghi X Y ghi hai toạ độ vẽ đợc đờng cong cần nghiên cứu giấy Máy đo vừa xét đo đợc suy giảm suy giảm đặc tính biên độ - tần số mạng bốn cực không nguồn Hình 10-10 Có thể xếp vào loại máy đo trở kháng toàn phần toàn cảnh, sơ đồ hình 10-10 Nó cho phép quan sát sóng đặc tính đối tợng cần nghiên cứu đồ thị vòng trở kháng toàn phần Trên đồ thị vòng này, đo đợc hệ số sóng đứng, môđun pha hệ số phản xạ Nguyên tắc nh sau 431 Trên đờng từ tạo dao động siêu cao tần đến tải (đối tợng cần nghiên cứu) đặt bốn đầu đo bố trí cách cho mức điện động có đợc đầu đo cách chênh 900 pha Điện áp đo điốt tách sóng thứ là: [ U 12 = DU 2tới (1 + p cos T) + p sin T ] p môđun hệ số phản xạ T = -M \ pha hệ số phản xạ M góc pha kể đến chênh lệch mặt phẳng đặt đầu đo mặt phẳng đầu nối tải Do cách bố trí đầu dò nh vậy, điện áp điốt tách sóng thứ ba là: [ U 32 = DU 2tới (1 - p cos T) + p sin T ] tơng tự, đầu đo thứ hai thứ t: [ [(1 + p cos T) U 22 = DU 2tới (1 - psinT) + p cos T U 24 = DU 2tới ] + p sin T ] Hiệu cặp điện áp 3; đợc khuếch đại lên đa vào hai cặp phiến lệch ngang lệch đứng ôxilô Vào cặp phiến làm lệch ngang: KU 12 - KU 32 = 4DKU 2tới p cos T Vào cặp phiến làm lệch đứng: K' U 24 - K' U 22 = 4DK' U 2tới p sin T Nh vậy, điện áp đa vào hai cặp phiến chênh 900 Nếu chỉnh cho biên độ hai điện áp tia điện tử bị lệch hai phía nh Biến đổi từ từ pha hệ số phản xạ từ đến 3600 giữ nguyên môđun tia điện tử vẽ nên vòng tròn huỳnh quang, bán kính vòng tròn tỷ lệ với E Khi tần số máy phát thay đổi qua lại, hệ số phản xạ phức đối tợng đo biến thiên, vẽ nên đặc tuyến p=)(f) Vì vậy, xác định môđun pha hệ số phản 432 Hình 10-11a xạ p=p(f) \= \(f) Độ lệch tính từ tâm tia điện tử điểm tỷ lệ với p phơng vị tơng ứng với \ Trên mặt sóng đặt đĩa suốt, vẽ đồ thị vòng Đờng cong p = )(f) quan sát đợc đồ thị vòng toàn cảnh hệ số phản xạ (hình 10-11a) Để đọc trực tiếp trị giá môđun pha hệ số phản xạ cách xác, ngời ta tạo sóng vòng tròn sáng tâm màn, bán kính thay đổi đợc đờng thẳng sáng chạy qua tâm Vòng tròn sáng có đợc nhờ chia pha tạo hai điện áp hình sin lệch 900 pha, đa vào hai cặp phiến lệch làm cho tia điện tử bị quay tròn Bằng cách điều chỉnh biên độ điện áp cung cấp cho chia pha, ta thay đổi đợc bán kính vòng tròn sáng Cơ cấu điều chỉnh đặt mặt máy gắn với thớc khắc độ theo môđun hệ số phản xạ Còn vết sáng qua tâm đợc tạo nên biến áp xenxin (biến áp quay) Khi quay rôto biến áp, vệt 433 sáng xoay tròn, lấy tâm làm tâm quay Cả hai điện áp tạo nên vòng sáng vệt sáng đợc đa vào cập phiến làm lệch thông qua chuyển mạch Hình 10-11b Cách đo nh sau: điều chỉnh số tạo sóng siêu cao tần đến tần số cần xác định trở kháng toàn phần đối tợng cần đo Lúc huỳnh quang có điểm sáng, vị trí phụ thuộc giá trị p \ Điều chỉnh bán kính vòng sáng cho vòng qua điểm sáng ấy, thang khắc độ bán kính lúc đọc đợc giá trị p Sau quay rôto xenxin đến vệt sáng qua tâm qua điểm sáng này, ta đọc đợc giá trị \ thang khắc độ cấu điều chỉnh rôto Xem hình 10-11b vẽ sóng có gắn đồ thị vòng, trình điều chỉnh vừa nói kết thúc 434 [...]... khiển là phép đo di pha rời rạc hoá và chỉ thị bằng số Để nghiên cứu giáo trình Cơ sở kỹ thuật đo lờng điện tử này, yêu cầu ngời đọc đã đợc nghiên cứu các giáo trình kỹ thuật cơ sở của ngành kỹ thuật điện tử Các giáo trình kỹ thuật cơ sở có quan hệ trực tiếp cần phải kể đến nh giáo trình điện tử và bán dẫn, lý thuyết cơ sở về tín hiệu và mạch điện vô tuyến điện, cơ sở thiết bị khuếch đại, kỹ thuật xung... kê Sở dĩ nh vậy, vì tất cả các kiến thức chung của các giáo trình trên là lý thuyết cơ sở cần thiết để xây dựng các phơng pháp đo lờng về các thông số của tín hiệu cũng nh của mạch điện tử Từ đó, nó cũng là các kỹ thuật cơ sở để xây dựng các biện pháp thực hiện các phơng pháp đo này, tức là cấu trúc cụ thể của các mạch đo và của các máy đo Cơ sở phát triển kỹ thuật điện tử là từ kỹ thuật điện, nên đo. .. thuật điện, nên đo lờng trong điện tử cũng xuất phát từ các cơ sở của kỹ thuật đo lờng điện Tuy có quan hệ gắn bó nh vậy, nhng hai môn học này có quan điểm cơ bản khác nhau Nhiệm vụ của kỹ thuật điện là tạo ra, truyền dẫn và biến đổi năng lợng điện từ Còn nhiệm vụ của kỹ thuật điện tử là truyền lan và gia công tin tức nhờ dao động điện từ Do vậy, hai ngành điện và điện tử phải đợc nghiên cứu theo hai... nghệ, kỹ thuật điện tử và kỹ thuật viễn thông là những quá trình tiến triển gắn chặt với khả năng thực hiện và hoàn thiện kỹ thuật đo lờng Ví dụ, những thành tựu của lĩnh vực nghiên cứu không gian vũ trụ nh vệ tinh của trái đất là những hệ thống rất phức tạp của các máy móc đo lờng điện tử Quá trình điều khiển và tự động bao hàm một số lớn các phép đo các loại khác nhau với độ chính xác cao Trên cơ sở. .. hiệu đo, so sánh tín hiệu đo với đơn vị đợc lấy làm chuẩn và ghi nhận kết quả so sánh 1.2.2 Các phơng pháp và biện pháp đo lờng cơ bản 1 Các phơng pháp đo Các phơng pháp cơ bản của kỹ thuật đo lờng thờng đợc chia thành: -Phơng pháp đo trực tiếp -Phơng pháp đo gián tiếp -Phơng pháp đo tơng quan Đo trực tiếp là phơng pháp dùng các máy đo hay các mẫu đo (các chuẩn) để đánh giá số lợng của đại lợng đo đợc... sai số do tính toán 22 Đo gián tiếp là phơng pháp đo mà kết quả đo đợc không phải là trị số của đại lợng cần đo, mà là các số liệu cơ sở để tính ra trị số của đại lợng này Nghĩa là ở đây, X=F(a1, a2, , an) Các ví dụ về phơng pháp đo gián tiếp nh: đo công suất bằng vôn-mét và ampemét; đo hệ số sóng chạy bằng dây đo Trong kỹ thuật đo lờng, thông thờng ngời ta muốn tránh phơng pháp đo gián tiếp, vì trớc... của mạch điện Mạch điện cần đo thông số ở đây nh mạng bốn cực, mạng hai cực, và các phần tử Hình 1-15 25 của mạch điện tử Sơ đồ khối chung của các loại máy nhóm này nh hình 1-15 Đặc điểm của nhóm này là cấu tạo của máy gồm cả nguồn tín hiệu và thiết bị chỉ thị Các loại máy đo thuộc nhóm này nh: máy đo đặc tính tần số, máy đo đặc tính quá độ, máy đo hệ số phẩm chất, đo điện cảm, điện dung, điện trở,... ngời làm kỹ thuật khi đo lờng có thể nâng cao đợc độ chính xác của phép đo, và có thể thực hiện các phép đo một cách linh hoạt Sự thông thạo không những thể hiện ở chỗ hiểu rõ các phép đo và sử dụng thành thạo các máy đo, mà còn thể hiện ở chỗ biết vận dụng để hiểu đợc các nguyên lý đo lờng ở các hệ thống điện tử hiện đại Ví dụ nh hệ thống Radar là hệ thống có yêu cầu đo khoảng thời gian, cơ sở của một... quả đo đợc chính là trị số của đại lợng cần đo, mà không phải tính toán thông qua một phơng trình vật lý nào liên quan giữa các đại lợng Nếu không tính đến sai số, thì trị số đúng của đại lợng cần đo X sẽ bằng kết quả đo đợc a: X=a Các ví dụ về phơng pháp đo trực tiếp nh: đo điện áp bằng vôn-mét; đo tần số bằng tần số-mét Đo trực tiếp thì phép đo thực hiện đơn giản về biện pháp kỹ thuật, tiến hành đo. .. vôn-mét điện tử, thiết bị đo công suất, đo hệ số điều chế, đo tần số Hình 1-16 Nguồn để cung cấp cho các bộ phận Thờng làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều của mạng lới điện thành điện một chiều có độ ổn định cao d Các linh kiện đo lờng Nhóm này bao gồm các linh kiện lẻ, phụ thêm với các máy đo để tạo nên các mạch đo cần thiết Chúng là các linh kiện có tiêu chuẩn cao để làm vật mẫu (nh điện 26 trở, điện