KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ

CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ 1.1 CÁC KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ Đo lường học (Metrology) lĩnh vực khoa học ứng dụng liên ngành nghiên cứu đối tượng đo, phép đo, phương pháp thực công cụ đảm bảo cho chúng, kỹ thuật đo, phương pháp để đạt độ xác mong muốn - Đo lường (Measurement) gì? Đo lường trình thực nghiệm vật lý nhằm đánh giá tham số, đặc tính đối tượng chưa biết Thơng thường đo lường q trình so sánh đối tượng chưa biết với đối tượng làm chuẩn (đối tượng chuẩn thường đơn vị đo), có kết số so với đơn vị đo + Ví dụ đo điện áp: Điện áp nguồn đo 5V nghĩa điện áp nguồn gấp lần điện áp nguồn chuẩn 1V - Đo lường điện tử (Electronic Measurement) : đo lường mà đại lượng cần đo chuyển đổi sang dạng tín hiệu điện mang thơng tin đo tín hiệu điện xử lý đo lường dụng cụ mạch điện tử + Nếu kết hợp đo lượng điện tử biến đổi phi điện - điện (sensor - cảm biến) cho phép đo lường hầu hết đại lượng vật lý thực tế - Đại lượng đo (Measurand): đại lượng vật lý chưa biết cần xác định tham số đặc tính nhờ phép đo - Tín hiệu đo (Measuring Signal: Tín hiệu điện mang thông tin đo - Phép đo (Measurement): Là q trình xác định tham số đặc tính đại lượng vật lý chưa biết phương tiện kỹ thuật đặc biệt - hay gọi thiết bị đo - Thiết bị đo (Instrument): phương tiện kĩ thuật để thực phép đo có chức biến đổi tín hiệu mang thơng đo thành dạng phù hợp cho việc sử dụng nhận kết đo, chúng có đặc tính đo lường qui định Trong thực tế Thiết bị đo thường hiểu máy đo (ví dụ: Máy sóng, Vơn mét số, Máy đếm tần …) - Kỹ thuật đo (Intrumentation): nhánh khoa học phương pháp kỹ thuật công nghệ ứng dụng đo lường điều khiển - Phương pháp đo (Measuring method) : Là cách thức thực trình đo lường để xác định tham số đặc tính đại lượng đo Phương pháp đo phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Phương pháp nhận thông tin đo từ đại lượng đo, Phương pháp xử lý thông tin đo, Phương pháp đánh giá, so sánh thông tin đo, Phương pháp hiển thị, lưu trữ kết đo … Mỗi loại máy đo coi thiết bị đo hoàn chỉnh thực theo hay vài phương pháp đo cụ thể Về q trình đo lường chia thành bước khác minh họa hình vẽ sau: Đạ i lư ợ ng đo Thu nhậ n thông tin đo Biế n đ ổ i, xử lý, đ ánh Lưu trữ, giá, so sánh, đ ị nh hiể n thị lượ ng thông tin đo kế t đo Hình 1.1 Quá trình đo lường 1.2 ĐỐI TƯỢNG CỦA ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ Đo lượng điện tử có phạm vi ứng dụng rộng rãi, đối tượng đo rộng Tuy nhiên lĩnh vực điện tử - viễn thông, đối tượng đo lường tập chủ yếu vào đối tượng: Hệ thống tham số đặc tính tín hiệu mạch điện tử - Hệ thống tham số đặc tính tín hiệu điện tử: + Tham số cường độ tín hiệu điện tử gồm: Cường độ dòng điện, Cường độ điện áp, Cơng suất tác dụng tín hiệu + Tham số thời gian gồm: Chu kỳ, tần số tín hiệu, góc lệch pha tín hiệu tần số, độ rộng phổ tín hiệu, độ rộng xung, độ rộng sườn trước, sườn sau + Đặc tính tín hiệu gồm: Phổ tín hiệu, độ méo dạng tín hiệu, hệ số điều chế tín hiệu + Tín hiệu số gồm tham số: Mức logic, tần số, chu kỳ - Hệ thống tham số đặc tính mạch điện tử: + Các tham số trở kháng: Trở kháng tương đương, dẫn nạp tương đương, điện trở, điện dung, điện kháng tương đương, trở kháng sóng, hệ số phản xạ, hệ số tổn hao, hệ số phẩm chất mạch + Đặc tính mạch: Đặc tuyến Vơn-Ampe, Đặc tuyến biến độ - tần số, đặc tuyến Pha - tần số mạch Chú ý: Tùy theo dải tần hệ thống tham số đặc tính tín hiệu mạch điện tử cần đo khác 1.3 PHÂN LOẠI PHÉP ĐO Phép đo cơng việc thực đo lường, việc tìm giá trị vật lý thí nghiệm với trợ giúp cơng cụ kỹ thuật đặc biệt Giá trị tìm gọi kết phép đo Hoạt động thực trình đo ta kết đại lượng vật lý gọi trình ghi nhận kết Tùy thuộc vào đối tượng nghiên cứu, vào tính chất cơng cụ đo người ta cần thực phép đo ghi nhận lần hay nhiều lần Nếu có loại ghi nhận kết phép đo nhận kết xử lý kết từ ghi nhận Phép đo có chất q trình so sánh đại lượng vật lý cần đo với đại lượng vật lý dùng làm đơn vị Kết phép đo biểu diễn số tỷ lệ đại lượng cần đo với đơn vị Như thể thực phép đo, ta cần thiết lập đơn vị đo, so sánh giá trị đại lượng cần đo với đơn vị ghi nhận kết so sánh Thông thường người ta thường biến đổi tín hiệu đến dạng thuận tiện cho việc so sánh Như vậy, ta tóm tắt lại thành bốn bước phép đo là: thiết lập đơn vị vật lý, biểu diễn tín hiệu đo, so sánh tín hiệu đo với đơn vị lấy làm chuẩn ghi nhận kết so sánh Có nhiều cách phân loại phương pháp đo, tùy thuộc vào phương pháp nhận kết đo, phương pháp xử lý thông tin đo, dải trình đo, điều kiện đo, sai số + Đo trực tiếp : Là phương pháp đo mà kết đo nhận trực tiếp thiết bị đo từ lần đo Thông thường dùng thiết bị đo tương ứng cho đối tượng cần đo đo - VD: đo điện áp vôn-mét, đo tần số tần số-mét, đo công suất ốtmét, Đặc điểm phép đo trực tiếp trình thực đơn giản biện pháp kỹ thuật, tiến hành đo nhanh chóng loại trừ sai số tính tốn + Đo gián tiếp : Là phương pháp đo mà kết đo nhận từ biểu thức tính tốn kết phép đo trực tiếp đại lượng vật lý khác - VD: Đo công suất chiều: P=U.I - đo điện áp dòng điện Vôn-mét Ampe-mét - Đặc điểm: nhiều phép đo thường không nhận biết kết đo Trong kỹ thuật đo lường, thông thường người ta muốn tránh phương pháp đo gián tiếp, trước hết u cầu tiến hành nhiều phép đo (ít hai phép đo) thường không nhận biết kết đo Song số trường hợp tránh phương pháp + Đo thống kê: Là phương pháp thực đo nhiều lần đại lượng đo với thiết bị đo điện kiện đo, kết đo tính giá trị trung bình thống kê của lần đo đo Đặc điểm: Phương pháp cho phép loại trừ sai số ngẫu nhiên thường dùng kiểm chuẩn thiết bị đo Hiện nay, kỹ thuật đo lường phát triển nhiều phương pháp đo tương quan Nó phương pháp riêng, khơng nằm phương pháp đo trực tiếp hay phương pháp đo gián tiếp Phương pháp tương quan dùng trường hợp cần đo trình phức tạp, mà thiết lập quan hệ hàm số đại lượng thông số q trình nghiên cứu Ví dụ: tín hiệu đầu vào tín hiệu đầu hệ thống Khi đo thơng số tín hiệu phương pháp đo tương quan, cần hai phép đo mà thông số từ kết đo chúng không phụ thuộc lẫn Phép đo thực cách xác định khoảng thời gian kết số thuật tốn có khả định trị số đại lượng thích hợp Độ xác phép đo tương quan xác định độ dài khoảng thời gian trình xét Khi đo trực tiếp thật người đo phải giả thiết hệ số tương quan đại lượng đo kết gần 1, có sai số quy luật ngẫu nhiên q trình biến đổi gây nên Ngồi phép đo nói trên, số phương pháp đo khác thường thực trình tiến hành đo lường sau: Phép đo thay thế: Phép đo tiến hành hai lần, lần với đại lượng cần đo lần với đại lượng đo mẫu Điều chỉnh để hai trường hợp đo có kết thị Phép đo hiệu số: Phép đo tiến hành cách đánh giá hiệu số trị số đại lượng cần đo đại lượng mẫu Phép đo vi sai, phương pháp thị không, phương pháp bù, trường hợp riêng phương pháp hiệu số Chúng thường dùng mạch cầu đo hay mạch bù Phép đo thẳng: kết đo định lượng trực tiếp độ thiết bị thị Tất nhiên khắc độ thang độ lấy chuẩn trước với đại lượng mẫu loại với đại lượng đo Phép đo rời rạc hóa (chỉ thị số): đại lượng cần đo biến đổi thành tin tức xung rời rạc Trị số đại lượng cần đo tính số xung tương ứng 1.4 CHỨC NĂNG VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ ĐO Hầu hết thiết bị đo có chức cung cấp cho kết qủa đo đại lượng khảo sát Kết thị ghi lại suốt trình đo, dùng để tự động điều khiển đại lượng đo Ví dụ: hệ thống điều khiển nhiệt độ, máy đo nhiệt độ có nhiệm vụ đo ghi lại kết đo hệ thống hoạt động giúp cho hệ thống xử lý điều khiển tự động theo thơng số nhiệt độ Nói chung thiết bị đo lường có chức quan trọng kiểm tra hoạt động hệ thống tự điều khiển, nghĩa đo lường q trình cơng nghiệp (Industrial process measurements) - Phân loại thiết bị đo: Gồm nhóm Thiết bị đo đơn giản: mẫu, thiết bị so sánh, chuyển đổi đo lường Thiết bị đo phức tạp: máy đo, thiết bị đo tổng hợp hệ thống thông tin đo lường + Thiết bị chuẩn: Chuẩn mẫu có cấp xác cao Chuẩn phương tiện đo đảm bảo việc giữ đơn vị đo tiêu chuẩn + Thiết bị mẫu: thiết bị đo dùng để lại đại lượng vật lí có giá trị cho trước với độ xác cao + Thiết bị so sánh: thiết bị đo dùng để so sánh đại lượng loại + Thiết bị chuyển đổi đo lường: Thiết bị đo dùng để biến đổi tín hiệu mang thơng tin đo lường dạng thuận tiện cho việc truyền tiếp, biến đổi tiếp, xử lí tiếp giữ lại, người quan sát chưa thể nhận biết trực tiếp kết đo (VD: KĐ đo lường; biến dòng, biến áp đo lường; sensor, quang điện trở, nhiệt điện trở, ADC ) + Máy đo (Instrument) : Thiết bị đo dùng để biến đổi tín hiệu mang thơng tin đo lường dạng mà người quan sát nhận biết trực tiếp (VD: vônmét, ampe mét, ) + Thiết bị đo tổng hợp: thiết bị đo phức tạp, đa dùng để kiểm tra, kiểm chuẩn đo lường, đo lường tham số phức tạp + Hệ thống thông tin đo lường: Hệ thống mạng kết nối nhiều thiết bị đo, cho phép đo lường điều khiển từ xa, đo lường phân tán Với nhiều cách thức đo đa dạng khác cho nhiều đại lượng có đặc tính riêng biệt, cách tổng quát phân biệt dạng thiết bị đo phụ thuộc vào đặc tính Ví dụ: Để đo độ dẫn điện dùng thiết bị đo dòng điện túy điện micro ampe kế mili ampe kế Nhưng dùng thiết bị đo có kết hợp mạch điện tử để đo độ dẫn điện lúc phải biến đổi dòng điện đo thành điện áp đo Sau mạch đo điện tử đo dòng điện dạng điện áp Như có đặc tính khác thiết bị đo điện thiết bị đo điện tử Hoặc có thiết bị đo thị kết kim thị (thiết bị đo dạng analog), thiết bị đo thị số (thiết bị đo dạng digital) Đây đặc tính phân biệt thiết bị đo Ngồi thiết bị đo lường mang đặc tính thiết bị điện tử (nếu thiết bị đo điện tử) như: tổng trở vào cao, độ nhạy cao, hệ số khuyếch đại ổn định có độ tin cậy đảm bảo cho kết đo Còn có thêm chức năng, truyền nhận tín hiệu đo lường từ xa (telemetry) Đây môn học quan trọng lĩnh vực đo lường điều khiển từ xa Bảng phân loại tổng quan thiết bị đo hình 1.2: Thiết bị đo Mức độ tự động hóa Thiết bị đo không tự động Thiết bị đo tự động Dạng tín hiệu Thiết bị đo tương tự Thiết bị đo số Phương pháp biến đổi Thiết bị đo biến đổi thẳng Hình 1.2- Bảng phân loại tổng quan thiết bị đo Các đại lượng đầu vào Thiết bị đo biến đổi cân Thiết bị đo dòng điện Thiết bị đo tần số 1.5 CHUẨN HÓA TRONG ĐO LƯỜNG 1.5.1 Cấp chuẩn hóa Khi sử dụng thiết bị đo lường, mong muốn thiết bị chuẩn hóa (calibzate) xuất xưởng nghĩa chuẩn hóa với thiết bị đo lường chuẩn (standard) Việc chuẩn hóa thiết bị đo lường xác định theo bốn cấp sau: Cấp 1: Chuẩn quốc tế (International standard) - thiết bị đo lường cấp chuẩn quốc tế thực định chuẩn Trung tâm đo lường quốc tế đặt Paris (Pháp), thiết bị đo lường chuẩn hóa cấp theo định kỳ đánh giá kiểm tra lại theo trị số đo tuyết đối đơn vị vật lý hội nghị quốc tế đo lường giới thiệu chấp nhận Cấp 2: Chuẩn quốc gia - thiết bị đo lường Viện định chuẩn quốc gia quốc gia khác giới chuẩn hóa theo chuẩn quốc tế chúng chuẩn hóa viện định chuẩn quốc gia Cấp 3: Chuẩn khu vực - quốc gia có nhiều trung tâm định chuẩn cho khu vực (standard zone center) Các thiết bị đo lường trung tâm đương nhiên phải mang chuẩn quốc gia (National standard) Những thiết bị đo lường định chuẩn trung tâm định chuẩn mang chuẩn khu vực (zone standard) Cấp 4: Chuẩn phòng thí nghiệm - khu vực có phòng thí nghiệm cơng nhận để chuẩn hóa thiết bị dùng sản xuất cơng nghiệp Như thiết bị chuẩn hóa phòng thí nghiệm có chuẩn hóa phòng thí nghiệm Do thiết bị đo lường sản xuất chuẩn hóa cấp mang chất lượng tiêu chuẩn đo lường cấp Còn thiết bị đo lường trung tâm đo lường, viện định chuẩn quốc gia phải chuẩn hóa mang tiêu chuẩn cấp cao Ví dụ phòng thí nghiệm phải trang bị thiết bị đo lường có tiêu chuẩn chuẩn vùng chuẩn quốc gia, thiết bị đo lường viện định chuẩn quốc gia phải có chuẩn quốc tế Ngoài theo định kỳ đặt phải kiểm tra chuẩn hóa lại thiết bị đo lường 1.5.2 Cấp xác thiết bị đo Sau xuất xưởng chế tạo, thiết bị đo lường kiểm nghiệm chất lượng, chuẩn hóa theo cấp tương ứng đề cập phòng kiểm nghiệm định cho cấp xác sau xác định sai số (như định nghĩa đây) cho tầm đo thiết bị Do sử dụng thiết bị đo lường, nên quan tâm đến cấp xác thiết bị đo ghi máy đo sổ tay kỹ thuật thiết bị đo Để từ cấp xác đánh giá sai số kết đo Ví dụ: Một vơn-kế có ghi cấp xác 1, nghĩa giới hạn sai số cho tầm đo 1% 1.6 SAI SỐ TRONG ĐO LƯỜNG Đo lường so sánh đại lượng chưa biết (đại lượng đo) với đại lượng chuẩn hóa (đại lượng mẫu đại lượng chuẩn) Quá trình so sánh có sai lệch Trong thực tế khó xác định trị số thực đại lượng đo Vì trị số đo cho thiết bị đo gọi trị số tin cậy (expected value) Bất kỳ đại lượng bị ảnh hưởng nhiều thơng số Do kết phản ánh trị số tin cậy Cho nên có nhiều hệ số (factor) ảnh hưởng đo lường liên quan đến thiết bị đo Ngồi có hệ số khác liên quan đến người sử dụng thiết bị đo Như độ xác thiết bị đo diễn tả hình thức sai số Khái niệm sai số: độ chênh lệch kết đo giá trị thực đại lượng đo Nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: thiết bị đo, phương thức đo, người đo… Sai số có ý nghĩa quan trọng khơng kết đo, cho phép đánh giá độ tin cậy kết đo 1.6.1 Nguyên nhân gây sai số Các nguyên nhân gây sai số gồm: - Nguyên nhân khách quan: dụng cụ đo khơng hồn hảo, có phần khuyết điểm hư hỏng, đại lượng đo bị can nhiễu nên khơng hồn tồn ổn định, điều kiện môi trường không tiêu chuẩn tác động lên thiết bị, lên đối tượng đo hay người đo - Nguyên nhân chủ quan: sai lầm người đo, đọc kết đo sai, thiếu thành thạo thao tác, phương pháp tiến hành đo không hợp lý, * Các nguồn sai số: Thiết bị đo khơng đo trị số xác lý sau: - Không nắm vững thông số đo điều kiện thiết kế - Thiết kế nhiều khuyết điểm - Thiết bị đo không ổn định hoạt động - Bảo trì thiết bị đo - Do người vận hành thiết bị đo không - Do giới hạn thiết kế 1.6.2 Phân loại sai số Có nhiều cách phân loại sai số khác nhau: phân loại theo nguồn gốc,nguyên nhân 1.6.2.1 Phân loại sai số theo nguồn gốc gây sai số + Sai số thơ: Các sai số thơ quy cho giới hạn thiết bị đo sai số người đo:  Sai lầm (Gross error): cách tổng quát sai số lỗi lầm người sử dụng thiết bị đo việc đọc sai kết quả, ghi sai, sử dụng sai khơng theo qui trình hoạt động  Sai số giới hạn thiết bị đo Ví dụ ảnh hưởng tải gây voltmeter có độ nhạy Voltmeter rẽ dòng đáng kể từ mạch cần đo tự làm giảm mức điện áp xác + Sai số hệ thống (Systematic error): Sai số yếu tố thường xuyên hay yếu tố có quy luật tác động, làm cho sai số lần đo giống thay đổi theo quy luật, Ngun nhân thường tính khơng hồn hảo thiết bị, điều kiện môi trường tác động Sai số thiết bị đo: Các phần tử thiết bị đo có sai số cơng nghệ chế tạo, lão hóa sử dụng Để làm giảm sai số cách bảo trì định kỳ cho thiết bị đo Sai số ảnh hưởng điều kiện môi trường: cụ thể nhiệt độ tăng cao, áp suất tăng, độ ẩm tăng, cường độ điện trường từ trường tăng ảnh hưởng đến sai số thiết bị đo lường Giảm sai số cách giữ cho điều kiện môi trường thay đổi bổ (compensation) nhiệt độ độ ẩm Và dùng biện pháp bảo vệ chống ảnh hưởng tĩnh điện từ trường nhiễu Sai số hệ thống có ảnh hưởng khác Ở trạng thái tĩnh trạng thái động: Ở trạng thái tĩnh sai số hệ thống phụ thuộc vào giới hạn thiết bị đo qui luật vật lý chi phối hoạt động 10 Ufx Tx t Ux Tx t Tct=10-k s Uct t t=Tct=10-k s Uđo t Tx Uđ t Nx Hình 6.2 – Giải đồ thời gian minh họa hoạt động máy đếm tần Tín hiệu cần đo tần số Ufx đưa vào Mạch vào - Mạch vào : Có trở kháng lớn để không ảnh hưởng đến mạch nguồn tín hiệu có khuếch đại dải rộng để tăng dải tần công tác máy đếm tần, có mạch phân áp để tạo tín hiệu phù hợp đưa vào mạch tạo xung (thơng thường tín hiệu điều hồ có chu kỳ chu kỳ tín hiệu cần đo Tx có biên độ ổn định khơng phụ thuộc vào biên độ tần số tín hiệu vào) biến đổi tín hiệu tuần hồn dạng đầu vào thành hình sin xung chuẩn chu kỳ với tín hiệu cần đo - Mạch tạo dạng xung : Có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện áp điều hồ (hay tín hiệu xung chuẩn có chu kỳ) thành tín hiệu xung đếm đơn cực tính Ux (xung nhọn xung vng) có chu kỳ chu kỳ tín hiệu vào Tx có biên độ, độ rộng xung, sườn xung phù hợp cho hoạt động đếm (ví dụ yêu cầu xung vào đếm xung có mức TTL, CMOS ) Khối thường xây dựng dựa vào mạch Triger Schmitt - Bộ tạo xung chuẩn: Tạo xung vng chuẩn, đơn cực tính có tần số chuẩn fch lớn với độ xác cao, thường dùng tạo xung dùng thạch anh, tổ hợp tần số - Bộ chia tần: chia tần xung chuẩn fch để tần số thích hợp để đưa vào khối tạo dạng đo, thông thường tần số chia fct=fch/n=10k Hz (k=0,1,-1,2, -2 ), ví dụ tần số 10kHz, 1kHz, 100Hz, 10Hz, 1Hz, 0.1 Hz, tương ứng với tần số chu kỳ chuẩn: 0,1ms; 1ms; 10ms, 100ms, 1s, 10s, … 83 - Khối tạo dạng đo: Tạo xung điều khiển trình đo cụ thể tạo xung vuông gốc thời gian để điều khiển khóa K có độ rộng t=1/fct=10-k s - khoảng thời gian xung đếm Ux khóa K kích thích cho Bộ đếm Khối tạo xung xóa đếm trước bắt đầu q trình đếm, xung chốt để chốt giữ liệu vào mạch giải mã sau kết thúc trình đếm để giữ lại kết có kết đo lần đo Nguyên lý hoạt động máy đếm tần minh họa qua giản đồ thời gian Hình 6.2 Trong thời gian có xung đo Uđo, khóa K mở, chuỗi xung đếm chu kỳ Tx qua khóa để kích thích cho đếm, giả sử khoảng thời gian gốc thời gian t số xung đếm Nx: t  Tx N x  fX  NX n  NX  N X 10 k Hz t f ch Như số xung đếm NX tỉ lệ với tần tần số tín hiệu vào, số xung đưa qua giải mã kết tần số cần đo fx thị dạng số thập phân cấu thị số sử dụng LED7 đoạn hay LCD Phương pháp có độ xác cao, tiệm cận tới độ xác tần số chuẩn fch thường dùng để chế tạo tần số mét cao tần Các nguyên nhân gây sai số cách khắc phục Có nguyên nhân gây sai số chủ yếu máy đếm tần sau: + Sai số xung chuẩn f f ch Khắc phục: Sử dụng tạo dao động có độ ổn định cao dùng tạo dao động thạch anh, thường xuyên kiểm chuẩn, hiệu chỉnh thiết bị + Sai số độ trễ mạch Tạo dạng xung, Khối tạo xung đo, Khóa K, ngồi nhiễu xung tác động nên thời điểm mà khối mạch chuyển trạng thái bị xê dịch thời điểm điện áp tín hiệu vượt qua mức khơng, độ dài xung tạo khác với yêu cầu nên gây sai số trình đếm xung Khắc phục : Chống nhiễu, bọc kim tạo lồng Farađây để tránh tác động điện từ trường 84 + Sai số không đồng xung mở cổng chuỗi xung đếm khoảng thời gian độ rộng xung cửa làm cho số lượng xung đếm lớn hay bé xung đếm so với giá trị thực, phụ thuộc vào thời điểm đóng mở cổng, sai số t TX Sai số gọi sai số 1 xung, sai số gọi sai số lượng tử, sai số có ảnh hưởng lớn tần số đo thấp, nghĩa số lượng xung đếm Nx giảm sai số tương đối NX tăng sai số tương đối 1 tăng, Khi đo tần số cao NX 1 giảm, loại sai số đặc biệt riêng cho NX thiết bị đo số Sai số sai số phương pháp đo phương pháp số hố gây có tính chất ngẫu nhiên, ta khơng thể loại bỏ hồn tồn mà có khả nghiên cứu làm giảm tối thiểu Khắc phục sai số lượng tử: - Tăng thời gian đo t để tăng NX đo tần số thấp thời gian đo kéo dài, tần số thấp chủ yếu dùng phương pháp đo xác định chu kỳ trình bày phần sau b Máy đếm tần theo phương pháp xác định chu kỳ Nguyên lý chung máy đếm tần theo phương pháp xác định chu kỳ (phương pháp xác định theo chu kỳ) thực đếm số xung chuẩn tần số xác định fch khoảng thời gian tỉ lệ với chu kỳ Tx tín hiệu cần đo Sơ đồ khối rút gọn máy đếm tần Hình 6.3 Tạ o xung chuẩ n Ufx Mạ c h vào Tạ o ng xung Uch Uđ K Uđo Ux Tạ o ng xung đo Xung xoá Bộ đế m xung (Nx) Giả i mã Xung chố t Hình 6.3 - Máy đếm tần theo phương pháp xác định chu kỳ 85 Chỉ thị số Tx Ufx t Tx Ux t t=n.T (n=1) Uđo t Uch t Tch Uđ t Nx Hình 6.4 – Giản đồ thời gian minh họa hoạt động máy đếm tần Phương pháp xác định chu kỳ ngược với cách đo tần số theo phương pháp xác định nhiều chu kỳ Về nguyên tắc cấu tạo khối sơ đồ máy đếm tần tương tự máy đếm tần theo phương pháp xác định nhiều chu kỳ Khác xung đếm dãy xung chuẩn Tch Thời gian đo t thường lấy n.Tx Nguyên lý hoạt động máy đếm tần theo phương pháp đo minh hoạ rõ qua giản đồ thời gian sau Hình 6.4 Tín hiệu Ufx đưa qua Mạch vào tới Bộ tạo dạng xung để tạo xung nhọn có chu kỳ Tx Xung điều khiển Bộ tạo dạng xung đo để tạo xung đo điều khiển đóng mở khóa K có độ rộng t = n.Tx (ví dụ n = 1) Trong thời gian có xung đo t, xung đếm chuẩn Uch qua khố kích thích cho đếm xung Giả sử đếm Nx xung số xung Nx đưa qua mạch giải mã thị để đạt kết chu kỳ cần đo tần số cần đo (nếu máy đếm tần có sử dụng Vi xử lý) Ta có: t  n.Tx  Tch N x , với Tch chu kỳ xung đếm chuẩn => Tx  Tch Nx n Nếu chọn Tch  10 k s với k = 0, 1, 2, => Tx  10  k N x s n 86 Hoặc : f x  n f ch , việc giải mã kết tần số cần đo phức tạp sử Nx dụng vi xử lý hay vi điều khiển muốn hiển thị kết tần số cần đo Đánh giá sai số: Có nguyên nhân gây sai số chủ yếu máy đếm tần sau: + Sai số xung đếm Sai số nguồn tín hiệu tần số chuẩn f f ch + Sai số độ trễ mạch tạo dạng xung, mạch tạo xung đo, khóa + Sai số lượng tử 1 Sai số không đồng xung cửa xung đếm NX Trong khoảng thời gian độ rộng xung cửa làm cho số lượng xung đếm lớn hay bé xung đếm so với trị số trước, tùy thuộc vào thời điểm đóng mở cửa xung Sai số bằng: t=±Tch Để giảm sai số lượng tử tăng thời gian đo n.TX Một phương pháp khắc phục sai số lượng tử tăng tần số fch lại bị hạn chế giới hạn tần số cao mạch khóa, mạch đễm Để mở rộng phạm vi đo tần số người ta sử dụng chia tần tín hiệu cần đo tăng thời gian xung mở cổng Để thực phương pháp hay sử dụng để giảm nhỏ sai số 1 hay nâng cao độ xác sử dụng máy đêm tần cài đặt vi xử lý sử dụng phương pháp đếm nội suy, xét phần sau c Máy đếm tần cài đặt vi xử lý (Microprocessor) Trong nhiều thiết bị đo số có sử dụng Vi xử lý để nâng cao tốc độ, độ xác tăng linh hoạt, mềm dẻo thiết bị đo Nguyên lý máy đếm tần có cài đặt Vi xử lý thực sau, minh hoạ giản đồ thời gian Hình 6.5 Tín hiệu cần đo tần số fX biến đổi thành chuỗi xung nhọn có chu kỳ TX 87 Hình 6.5 – Giản đồ thời gian minh hoạt hoạt động máy đếm tần cài đặt Vi xử lý fX t T t Tct=t1 Tx n Xung t đế m fct Tx t t2=n.Tx t2 t T2 t N Tín hiệu điều khiển cổng thứ t1 tạo từ phần tạo xung điều khiển khóa, khoảng thời gian đếm n xung TX ghi giữ giá trị nhớ Như fx’=n/t1  fx cần đo, có sai số 1 Cùng đồng thời tiến hành với trình trên, xung điều khiển cổng thứ tạo sườn trước xung trùng với xung đếm thứ thời gian t1 sườn sau trùng với xung Tx xuất sau sườn sau xung điều khiển t1 Độ rộng xung điều khiển thứ t2=n.TX, xung điều khiển mở khóa để xung đếm có chu kỳ chuẩn Tch qua cổng kích thích cho đếm thứ 2, kết thời gian t2 đếm N xung Tch, giá trị ghi giữ lại nhớ Như vậy: N  t n.Tx n f ch   Tch Tch fx f x  n f ch N Thực tế sai số 1 đo khoảng thời gian n.TX chu kỳ xung chuẩn Tch, sai số tuyệt đối 1 trường hợp là: 2=Tch, sai số tương đối là: t2= Tch T f  ch  x Tch t n.TX n 88 Theo nguyên tắc tính sai số trường hợp đo gián tiếp, sai số đo fx là:  f  t  , sai số phụ thuộc vào sai số fch t1 độc lập với f ch t1 tần số tín hiệu cần đo fx, số tồn thang đo tần số Trên sở nguyên lý đo sơ đồ khối máy đếm tần có cài đặt vi xử lý Hình 6.6 Sơ đồ khối máy đếm tần có cài đặt vi xử lý fX Mạ ch vào Bộ đế m Mạ ch khóa1 Tạ o ng xung t1 n Microprocessor NOT AND1 AND1 t Mạ ch cổ ng kiể m tra Thiế t bị hiể n thị N t t2 Tạ o xung đế m Mạ ch khóa Bộ đế m Hình 6.6 - Sơ đồ máy đếm tần có cài đặt vi xử lý Tín hiệu cần đo tần số fx đưa qua mạch vào tạo dạng xung để dãy xung nhọn đưa vào mạch cổng Xung điều khiển cổng t1 (=1s) đưa từ Vi xử lý để điều khiển mở cổng cho xung đếm Tx kích thích cho đếm 1, kết đếm n xung giá trị n ghi giữ lại nhớ Mạch cổng kiểm tra tạo xung điều khiển cổng t2, xung xuất có xung nhọn vào chân kết thúc xung có xung nhọn xuất chân Xung điều khiển mở cổng cho xung đếm chuẩn TC tạo từ tạo xung đếm qua cổng kích thích cho đếm 2, kết đếm N xung, giá trị lưu vào nhớ 89 Vi xử lý thực phép tính f X  n f ch , kết thị số hình N hiển thị sử dụng tinh thể lỏng LCD hay LED đoạn Ngoài Vi xử lý cho phép tự động chọn thang đo, định vị trí dấu phảy, đơn vị đo hay mở rộng phạm vi đo, chức đo lường thiết bị (chu kỳ, tần số, khoảng thời gian ) 6.1.2 Đo tần số phương pháp dùng mạch cộng hưởng Phương pháp chủ yếu dùng để đo tần số cao siêu cao Nguyên tắc chung: dựa vào nguyên lý chọn lọc tần số mạch cộng hưởng Sơ đồ nguyên lý đo phương pháp Hình 6.7 Khối tần số mét theo phương pháp Mạch cộng hưởng Mạch kích thích nguồn tín hiệu cần đo tần số cần đo thơng qua Khối ghép tín hiệu Việc điều chỉnh để thiết lập trạng thái cộng hưởng nhờ dùng Khối điều chuẩn Hiện tượng cộng hưởng phát Khối thị cộng hưởng Khối thường dùng Vơn mét tách sóng đỉnh Thang đo tần số khắc độ thang chia độ khối điều chuẩn Tuỳ theo dải tần số mà cấu tạo mạch cộng hưởng khác Có loại mạch cộng hưởng: - Mạch cộng hưởng có L, C tập trung - Mạch cộng hưởng có L, C phân bố - Mạch cộng hưởng có L phân bố, C tập trung Ufx Khố i ghép tín hiệ u Mạ ch cộ ng hư ng Đ iề u chuẩ n Chỉ thị cộ ng hư ng Chỉ thị kế t Hình 6.7 – Sơ đồ nguyên lý phương pháp đo tần số dùng mạch cộng hưởng a Tần số mét cộng hưởng có tham số tập trung Sử dụng mạch cộng hưởng L-C, C L linh kiện có thơng số tập trung Bộ phận điều chỉnh cộng hưởng tụ biến đổi C có thang khắc độ theo đợn vị tần số Tín hiệu cần đo tần số Ufx ghép vào mạch cộng hưởng thông qua cuộn ghép Lg Mạch thị cộng hưởng mạch ghép hỗ cảm cuộn dây L2 L sử 90 dụng mạch tách sóng Điốt kết hợp với Vơn mét chiều dùng CCĐ từ điện để xác định biên độ điện áp cuộn L2 Khi đo ta đưa Ufx vào điều chỉnh tụ C để mạch cộng hưởng Khi cấu đo thị cực đại fx  2 LC Tần số mét loại thường dùng dải sóng: 10 kHz 500 MHz, sai số khoảng từ 0,25% đến 3% Ufx Lg L C Tụ điề u nh D L2 Chỉ thị cộ ng hư ng Hình 6.8 – Tần mét sử dụng mạch cộng hưởng có tham số tập trung b Tần số mét cộng hưởng có tham số phân bố dùng ống dẫn sóng Mạch cộng hưởng đoạn ống dẫn sóng, loại ống dẫn sóng chữ nhật hay ống dẫn sóng tròn, đầu ngắn mạch, đầu ngắn mạch Piston P điều chỉnh dọc theo ống hệ thống róng cưa xoắn ốc khắc độ đo tần số Cơ cấu tạo hốc cộng hưởng Tín hiệu siêu cao tần cần đo bước sóng ghép vào hốc cộng hưởng thơng qua vòng ghép Vg Còn vòng ghép Vđ ghép tín hiệu mạch thị cộng hưởng sử dụng Vơn mét tách sóng sử dụng CCĐ từ điện Ví trí vòng ghép gần vị trí nối tắt cố định để cho vị trí gần với vị trí bụng sóng trình điều chỉnh Điều chỉnh Piston để CCĐ thị cực đại, nhận nhiều ví trí khác Piston mà Vg có cộng hưởng, ví trí Vg bụng sóng Khi dịch chuyển Piston với độ dịch chuyển bội số nguyên lần /2 đạt điểm cộng hưởng liên tiếp Có thể xác định bước sóng xác định độ dịch chuyển Piston điểm cộng hưởng lân cận: li+1-li=/2 91 Như khắc độ thang đo bước sóng tần số trực tiếp hệ thống điều chỉnh Piston Tần số mét với hốc cộng hưởng thích hợp với dải sóng nhỏ 3cm Do có hệ số phẩm chất cao (khoảng 30000) nên sai số nhỏ khoảng (0,010,05)% Bọ c kim Vđ ltđ P Ufx Vg Hình 6.9 – Tần mét cộng hưởng dùng ống dẫn sóng 6.2 ĐO GĨC LỆCH PHA 6.2.1 Khái qt phương pháp đo góc lệch pha Các phương pháp sử dụng để đo góc lệch pha tín hiệu tần số: Phương pháp đo dựa vào đồ thị dạng sóng tín hiệu, Phương pháp biến đổi góc lệch pha thành điện áp, Phương biến đổi góc lệch pha thành khoảng thời gian a Phương pháp đo dựa vào đồ thị dạng sóng tín hiệu Phương pháp thường sử dụng oscillocope để quan sát đồng thời tín hiệu dựa vào dạng sóng để xác định góc lệch pha chúng, sử dụng chế độ quét lissajous, dựa vào dạng dao động đồ lissajous để xác định góc lệch pha Các cách đo trình bày chương b Phương pháp biến đổi góc lệch pha thành điện áp Ut Um2  Giả sử cần đo góc lệch pha tín hiệu u1 u2 u1(t)=Um1sin(t+1) u2(t)=Um2sin(t+2) 92 -Um2  Um1 Uh Góc lệch pha u2 u1 là: =2-1 Xét điện áp tổng ut=u1+u2 điện áp hiệu uh=u1-u2 Tổng hợp giản đồ Vector ta có biểu thức tính biên độ điện áp tổng hiệu sau: U t2  U m21  U m2  2U m1U m cos  U h2  U m21  U m2  2U m1U m cos  Chọn U m1  U m2  U m ta có: tg   2.arctg  U h  Ut Uh Ut Như đo biên độ điện áp tổng điện áp hiệu Ut Uh xác định độ lớn góc lệch pha điện áp  c Phương biến đổi góc lệch pha thành khoảng thời gian Nguyên lí chung: Biến đổi điện áp u1 u2 có dạng hình sin thành xung nhọn đơn cực tính tương ứng Ux1 Ux2 với thời điểm mà điện áp biến đổi qua giá trị với giá trị đạo hàm dấu, nhờ mạch tạo dạng xung Xác định khoảng thời gian xung gần điện áp xung, khoảng thời gian tỉ lệ với góc lệch pha chúng:   2  T (rad) hay   360  T 93 u1 u2 Uth u1 Mạ c h vào Tạ o ng xung Mạ c h vào Ux1 Tạ o ng xung Ux2 S R Triger UT u2 t Ux1 t Ux2 t  UT Um T t Hình 6.10 – Sơ đồ giản đồ thời gian minh họa phương pháp biến đổi góc lệch pha thành khoảng thời gian Để việc xác định tỉ số  T thuận lợi, đưa xung Ux1, Ux2 vào đầu vào thiết lập S xóa R Triger để tạo xung vng UT có độ rộng xung , chu kỳ T=T1=T2, biên độ Um=const Dựa vào xung UT dùng phương pháp tương tự phương pháp số để đo tỉ số + Phương pháp tương tự: Sử dụng Vơn mét trung bình để đo trị số điện áp trung bình UT, đó: UT   T Um =>   360 UT Um Như khắc độ thang đo góc lệch pha thang đo Vơn mét trung bình + Phương pháp số: Đo  T phương pháp đếm xung, nguyên lý đo thường sử dụng cho Pha mét số 6.2.2 Pha mét số 94 Pha mét số thường thiết kế theo phương pháp biến đổi góc lệch pha thành khoảng thời gian, khoảng thời gian đo băng phương pháp đếm xung Sơ đồ khối rút gọn Pha mét số theo nguyên lý Hình 6.11 Chức khối sơ đồ sau: + Mạch vào: thực tiền xử lý tín hiệu vào, lọc nhiễu, phân áp, tiền khuếch đại, + Tạo dạng xung: biến đổi tín hiệu vào tạo xung nhọn đơn cực tính Ux1, Ux2 thời điểm mà điện áp biến đổi qua giá trị với giá trị đạo hàm dấu, chu kỳ xung T=T1=T2 - chu kỳ tín hiệu vào + Trigger: tạo xung vng có độ rộng chu kỳ T nhờ Ux1, Ux2 (Ux1 đưa vào đầu thiết lập S Trigger, Ux2 đưa vào đầu xố R Trigger) + Tạo xung chuẩn: Tạo xung dùng thạch anh, tạo xung vng có tần số lớn, độ xác cao, chu kỳ Tch + Tạo dạng xung đo: Tạo xung đo có độ rộng Tđo điều khiển đóng mở khóa K2, tạo xung xóa đếm, xung chốt mạch giải mã Giản đồ thời gian minh họa hoạt động Hình 6.12 Xung UT từ Trigger điều khiển đóng mở Khố Mỗi có xung, xung đếm Uch từ tạo xung chuẩn đưa qua Khố đầu khố xung Un - chuỗi gồm nhiều nhóm xung chuẩn đưa vào Khố Xung đo Uđ điều khiển đóng mở Khố thời gian có xung đo Tđo u1 K u2 Mạ c h vào Mạ c h vào Tạ o ng xung Tạ o ng xung Ux1 S R Triger UT K1 Un Uđo Uch Ux2 Tạ o xung chuẩ n Chia tầ n Uct Tạ o ng xung đo Uđ Bộ đế Xóa (N )m x K1 Ch ố t Gi ả i mã Chỉ thị số Hình 6.11 – Pha mét số 95 Uth u1 u2 t Ux1 t Ux2 t  UT Um T t Uch t Un t n xung Uđo t Uđ t Nx xung Hình 6.12 – Giản đồ thời gian minh họa hoạt động Pha mét số Giả sử có h nhóm xung đưa qua Khố vào kích thích cho đếm xung, tổng số xung đếm Nx, số xung Nx đưa qua mạch giải mã mạch thị để hiển thị kết góc lệch pha cần đo Ta có góc lệch pha tín hiệu u1(t) u2(t) là:   360  T (n số xung nhóm xung, Tch chu kỳ xung chuẩn) =>   nTch    360 T=Tđo/h với n  Nx h Tch N x Tdo Đánh giá sai số: Sai số máy đo nguyên nhân sau: - Do sai số fch - Do sai số lượng tử : 1  n h - Sai số độ không đồng kênh 1, kênh 96 Khắc phục: + Đưa tín hiệu u1(t) u2(t) vào kênh, giả sử Phamét thị giá trị 0 kết đo hiệu chỉnh lại sau:   đo  0 + Q trình hiệu chỉnh thực nhờ đếm xung thuận nghịch TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Quý Điềm, Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2001 [2] Nguyễn Ngọc Tân, Kỹ thuật đo, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2001 [3] Phạm Thượng Hàn, Kỹ thuật đo lường đại lượng vật lý, tập1, tập 2, Nhà xuất giáo dục, 1996 [4] Bùi Văn Sáng, Đo lường điện - vô tuyến điện, Học viện Kỹ thuật Quân sự, 1996 [5] Bob Witte, Electronic Test Instruments: Analog and Digital Measurement, Prentice Hall, 2002 [6] Joseph J Carr, Elements of Electronic Instrumentation and Measurement, 1996 [7] Clyde F Coombs, Electronic Instrument HandBook, McGraw-Hill, 1999 [8] Albert D Helfrick, William D Cooper, Modern Electronic Instrumentation and Measurement Technicques, Prentice Hall, 1990 [9] David Buchla, Wane McLachLan, Applied Electronic Instrumentation and Measurement, Macmillan 1992 97 ... đo dòng điện túy điện micro ampe kế mili ampe kế Nhưng dùng thiết bị đo có kết hợp mạch điện tử để đo độ dẫn điện lúc phải biến đổi dòng điện đo thành điện áp đo Sau mạch đo điện tử đo dòng điện. .. nhiều thiết bị đo điện (như đo dòng điện, đo điện áp, đo công suất, đo điện trở, …) tần số thấp Đây dụng cụ đo biến đổi thẳng Đại lượng điện cần đo X (dòng điện mang thông tin đối tượng đo) biến đổi... Cơ cấu đo điện động Cơ cấu đo tĩnh điện Cơ cấu đo cảm ứng Logô mét điện động Logô mét điện từ Logô mét từ điện 18 a Cơ cấu đo từ điện Cơ cấu đo từ điện hoạt động theo nguyên lý biến đổi điện thành