DO LUONG DIEN DIEN TU

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA VẬT LÝ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG  - BÀI GIẢNG ĐO LƯỜNG ĐIỆN ĐIỆN TỬ (3 TÍN CHỈ) (Lưu hành nội bộ) ĐÀ LẠT, NĂM 2015 MỤC LỤC CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ 1.1 ĐẠI LƯỢNG ĐO LƯỜNG .1 1.1.1 Đại lượng điện 1.1.2 Đại lượng không điện 1.2 CHỨC NĂNG VÀ ĐẶC TÍNH CỦA THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG 1.2.1 Chức thiết bị đo 1.2.2 Đặc tính thiết bị đo lường 1.3 CHUẨN HÓA TRONG ĐO LƯỜNG 1.3.1 Cấp chuẩn hóa 1.3.2 Cấp xác thiết bị đo 1.4 CHẤT LƯỢNG CỦA ĐO LƯỜNG .3 1.4.1 Đặc tính thức đo 1.4.2 Đặc tính tĩnh 1.4.3 Định nghĩa sai số đo lường 1.4.4 Các loại sai số 1.4.5 Các nguồn sai số: 1.4.6 Phân tích thống kê đo lường 1.4.7 Giới hạn sai số: 1.5 LỢI ÍCH THIẾT THỰC CỦA ĐIỆN TỬ TRONG ĐO LƯỜNG 1.6 HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG .10 1.6.1 Hệ thống đo lường dạng tương tự (Analog) 10 1.6.2 Hệ thống đo lường dạng số 11 1.7 GIỚI HẠN CỦA THIẾT BỊ ĐO 12 1.7.1 Giới hạn thang đo: 12 1.7.2 Độ mở rộng thang đo: 13 1.7.3 Giới hạn công suất: 13 1.7.4 Giới hạn tần số: 13 1.7.5 Giới hạn trở kháng: 13 1.8 CAN NHIỄU Ở PHÉP ĐO 14 1.8.1 Can nhiễu tần số thấp: 14 1.8.2 Can nhiễu tần số cao: 14 1.8.3 Các cách phòng ngừa khắc phục phép đo để loại bỏ can nhiễu cao tần……………………………………………………………………………………………… 15 1.9 VỎ BẢO VỆ 16 1.10 NỐI ĐẤT 16 1.11 SO SÁNH THIẾT BỊ ĐO TƯƠNG TỰ VÀ THIẾT BỊ ĐO SỐ 17 1.11.1 Ưu điểm đồng hồ đo số so với đồng hồ đo tương tự: 17 1.11.2 Các nhược điểm đồng hồ đo số: 17 1.12 KỸ THUẬT ĐO ĐIỆN TỬ 18 CHƯƠNG 2: ĐO ĐIỆN ÁP VÀ DÒNG ĐIỆN 21 2.1 CẤU TRÚC DỤNG CỤ ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ 21 2.2 CƠ CẤU CHỈ THỊ KIM [Cơ điện] .21 2.2.1 Cơ cấu từ điện (Cơ cấu D’ARSONVAL) 23 2.2.2 Cơ cấu điện từ 27 2.2.3 Cơ cấu điện động 29 2.3 ĐO DÒNG MỘT CHIỀU (DC) VÀ XOAY CHIỀU (AC) 30 2.3.1 Đo dòng DC 30 2.3.2 Đo dòng xoay chiều AC: 32 2.3.3 Ảnh hưởng ampe-kế mạch đo: 35 2.4 ĐO ĐIỆN ÁP MỘT CHIỀU (DC) VÀ XOAY CHIỀU (AC) 35 2.4.1 Đo điện áp chiều cấu đo từ - điện 35 2.4.2 Đo điện áp xoay chiều cấu đo từ - điện: 36 2.4.3 Ảnh hưởng vôn-kế mạch đo điện áp: 38 2.5 VÔN-KẾ ĐIỆN TỬ ĐO ĐIỆN ÁP DC 39 2.5.1 Vôn-kế điện tử đo điện áp DC transistor 39 2.5.2 Mạch đo điện áp DC dùng IC Op-amp 42 2.6 VÔN-KẾ ĐIỆN TỬ ĐO ĐIỆN ÁP AC 43 2.6.1 Tổng quát 43 2.6.2 Phương pháp trị chỉnh lưu trung bình 44 2.6.3 Phương pháp trị đỉnh 47 2.7 AMPE-KẾ ĐIỆN TỬ ĐO DÒNG AC VÀ DC 50 2.7.1 Đo dòng DC 50 2.7.2 Đo dòng AC 50 CHƯƠNG 3: ĐO ĐIỆN TRỞ 51 3.1 ĐO ĐIỆN TRỞ BẰNG VÔN-KẾ VÀ AMPE-KẾ .51 3.2 MẠCH ĐO ĐIỆN TRỞ TRONG OHM-KẾ 52 3.2.1 Mạch nguyên lý đo điện trở: 52 3.2.2 Đo điện trở cấu từ điện: 53 3.2.3 Mạch đo điện trở thực tế: 54 3.2.4 Nguyên lý đo ohm-kế tuyến tính: 56 3.2.5 Độ xác ohm-kế: 56 3.3 CẦU WHEATSTONE ĐO ĐIỆN TRỞ 56 3.3.1 Đo điện trở dùng cầu Wheatstone cân 56 3.3.2 Đo điện trở dùng cầu Wheatstone không cân 57 3.3.3 Tầm đo điện trở cầu Wheatstone 58 3.4 CẦU ĐÔI KELVIN .59 3.4.1 Điện trở bốn đầu 59 3.4.2 Cầu đôi Kelvin 59 3.5 ĐO ĐIỆN TRỞ CÓ TRỊ SỐ LỚN 61 3.5.1 Phương pháp đo điện trở lớn dùng vôn-kế microampe-kế 61 3.5.2 MegaOhm-kế chuyên dùng 63 3.5.3 Ứng dụng đo điện trở cách điện chỗ dây bị chạm đất dây điện lưới …………………………………………………………………………………………64 3.6 ĐO ĐIỆN TRỞ ĐẤT .67 3.6.1 Mạch đo điện trở đất 68 3.7 ĐO ĐIỆN TRỞ TRONG V.O.M ĐIỆN TỬ: .69 3.7.2 Mạch đo dòng điện dùng nguồn dòng khơng đổi 72 CHƯƠNG 4: ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM 75 4.1 DÙNG VÔN-KẾ, AMPE-KẾ ĐO ĐIỆN DUNG, ĐIỆN CẢM 75 4.1.1 Đo điện dung 75 4.1.2 Đo điện cảm 76 4.1.3 Đo điện dung điện cảm máy đo đa dụng (V.O.M) 77 4.2 DÙNG CẦU ĐO ĐIỆN DUNG VÀ ĐIỆN CẢM: .77 4.2.1 Cầu Wheatstone xoay chiều: 77 4.2.2 Cầu đơn giản đo điện dung điện cảm: 80 4.2.3 Cầu phổ quát (Universal Bridge) đo điện dung điện cảm: 81 CHƯƠNG 5: ĐO CÔNG SUẤT VÀ ĐIỆN NĂNG 87 5.1 ĐO CÔNG SUẤT MỘT CHIỀU 87 5.1.1 Phương pháp dùng vôn-kế ampe-kế 87 5.1.2 Phương pháp dùng watt-kế 87 5.2 ĐO CÔNG SUẤT XOAY CHIỀU MỘT PHA 89 5.2.1 Dùng vôn-kế ampe-kế 89 5.2.2 Dùng watt-kế điện động 89 5.2.3 Dùng biến dòng với watt-kế 92 5.2.4 Dùng biến dòng biến áp phối hợp với watt-kế 93 5.2.5 Đo công suất hiệu dụng tải biến đổi nhiệt - điện (cặp nhiệt điện) 93 5.3 ĐO ĐIỆN NĂNG 95 5.3.1 Điện kế pha 95 5.3.2 Đo điện tải ba pha 97 5.3.3 Điện kế ba pha hai phần tử 98 5.4 ĐO HỆ SỐ CÔNG SUẤT .98 5.4.1 Đo cosϕ dùng vôn-kế watt-kế 98 5.4.2 Cosϕ kế dùng cấu tỉ số kế điện động 100 CHƯƠNG 6: THIẾT BỊ ĐO CHỈ THỊ SỐ .102 6.1 MÁY ĐO VẠN NĂNG CHỈ THỊ SỐ 102 6.2 ĐỒNG HỒ ĐO HỆ SỐ MÉO DẠNG TÍN HIỆU 102 6.2.1 Nguyên lý: 102 6.2.2 Thực phép đo độ méo: .103 6.2.3 Sử dụng đồng hồ đo độ méo việc dò tìm hư hỏng: 103 6.3 PHƯƠNG PHÁP ĐẾM TẦN SỐ VÀ ĐO CHU KỲ 104 6.3.1 Phương pháp đếm tần số .104 6.3.2 Phương pháp đo chu kỳ 105 6.3.3 Các phép đo đếm tần 106 6.3.4 Bộ đếm tần số đa năng: 108 6.3.5 Các ưu điểm đếm tần số kiểu số: 108 6.3.6 Sử dụng máy đếm tần số dò tìm trạng thái hỏng thiết bị: 109 CHƯƠNG 7: MÁY PHÁT TÍN HIỆU 110 7.1 MÁY PHÁT XUNG 110 7.1.1 Bộ tạo xung: 110 7.1.2 Khối định thời: 110 7.1.3 Bộ phát từ số: 110 7.1.4 Bộ điều khiển dạng xung: 111 7.1.5 Các công dụng máy tạo xung: 111 7.2 MÁY PHÁT TÍN HIỆU – FUNCTION GENERATOR 111 7.2.1 Tổng quát .111 7.2.2 Nguồn phát tín hiệu tần số thấp dạng sin dạng vng 112 7.3 MÁY PHÁT TÍN HIỆU DẠNG HÀM SỐ 116 7.3.1 Giới thiệu chung: 116 7.3.2 Mạch tạo tín hiệu có dạng tam giác, vng 117 7.3.3 Tạo tín hiệu có dạng tam giác thành dạng sin 118 7.3.4 Nguồn phát tín hiệu dạng xung vuông (Relaxation oscillator) 119 7.3.5 Tổng kết: 120 7.4 MÁY PHÁT TÍN HIỆU CAO TẦN (RF) 121 7.4.1 Sử dụng máy phát tín hiệu RF: 121 7.4.2 Điều biên (AM) 123 7.4.3 Điều tần (FM) 123 7.4.4 Sử dụng máy tạo tín hiệu việc chẩn đoán hỏng: 124 7.5 MÁY TẠO TÍN HIỆU ÂM TẦN 124 7.5.1 Sử dụng máy tạo sóng âm tần để chẩn đốn tình trạng hỏng mạch khuếch đại: .125 CHƯƠNG 8: THIẾT BỊ ĐO VÀ QUAN SÁT TÍN HIỆU 126 8.1 GIỚI THIỆU CHUNG .126 8.1.1 Định nghĩa: 126 8.1.2 Công dụng: 126 8.1.3 Phân loại: .126 8.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA MÁY HIỆN SÓNG TƯƠNG TỰ 127 8.2.1 Sơ đồ khối 127 8.2.2 Ống tia cathode CRT: .128 8.2.3 Khối khuếch đại quét dọc 132 8.2.4 Khối khuếch đại quét ngang 133 8.2.5 Hiển thị tín hiệu ảnh 133 8.2.6 Máy sóng tia vệt đơn: 135 8.2.7 Quét lặp lại: 136 8.2.8 Quét trễ: .137 8.2.9 Máy sóng tia vệt kép: 137 8.2.10 Máy sóng hai tia: 138 8.2.11 Dây que đo máy sóng: 139 8.3 MÁY HIỆN SÓNG SỐ .141 8.4 ỨNG DỤNG ĐO BẰNG MÁY HIỆN SÓNG 142 8.4.1 Sử dụng máy sóng để phát sai hỏng: 142 8.4.2 Các chức điều khiển mặt máy sóng: 142 8.4.3 Sử dụng máy sóng: 143 8.4.4 Các phép đo với máy sóng: .144 8.4.5 Các điểm lưu ý sử dụng máy sóng: 148 CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ 1.1 ĐẠI LƯỢNG ĐO LƯỜNG Trong lĩnh vực đo lường, dựa vào tính chất đại lượng đo, phân làm đại lượng bản: - Đại lượng điện - Đại lượng không điện (non electrical) đại lượng vật lý, hoa học, sinh học… không mang đặc trưng đại lượng điện Tùy thuộc vào tính chất cụ thể đại lượng đo, đặt phương pháp cách thức đo để từ thiết kế chế tạo thiết bị đo 1.1.1 Đại lượng điện Được chia làm đại lượng điện tác động (active) thụ động (passive) 1.1.1.1 Đại lượng điện tác động: - Đại lượng điện tác động đại lượng mang lượng điện Khi đo đại lượng này, thân lượng cung cấp cho mạch đo Ví dụ: dòng điện, điện áp, cơng suất - Trong trường hợp lượng lớn phải giảm bớt cho phù hợp với mạch đo Ví dụ giảm áp, phân dòng, … thiết bị suy hao - Ngược lại, trường hợp lượng nhỏ khuếch đại lên Vấn đề quan trọng khuếch đại phải chuẩn hóa tránh gây méo tín hiệu 1.1.1.2 Đại lượng điện thụ động: - Đại lượng điện thụ động đại lượng không mang lượng, đo phải cung cấp lượng cho mạch đo như: điện trở, điện dung , điện cảm … - Trong trường hợp đại lượng phần tử mạch điện hoạt động, phải quan tâm đến cách thức đo theo yêu cầu - Có cách đo: đo nóng đo nguội  Đo nóng thao tác đo phần tử hoạt động mạch  Đo nguội thao tác đo phần tử ngưng hoạt động hay lấy khỏi mạch điện 1.1.2 Đại lượng không điện Đây đại lượng hữu đời sống (nhiệt độ, áp suất, trọng lượng, độ ẩm, độ pH, nồng độ, tốc độ, gia tốc ) Trong hệ thống tự động hóa cơng nghiệp ngày nay, để đo lường điều khiển tự động hóa đại lượng khơng điện nói trên, cần chuyển đổi đại lượng nói sang đại lượng điện chuyển đổi cảm biến hoàn chỉnh, thuận lợi, xác, tin cậy lĩnh vực đo lường điều khiển tự động 1.2 CHỨC NĂNG VÀ ĐẶC TÍNH CỦA THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG 1.2.1 Chức thiết bị đo Thiết bị đo có chức cung cấp cho kết đo đại lượng khảo sát Kết thị ghi lại suốt trình đo Kết 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 laị 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 động điều khiển, nghĩa đo lường q trình cơng nghiệp (industrial process measurements) Đây môn học ngành tự động hóa 1.2.2 Đặc tính thiết bị đo lường Với nhiều cách thức đo đa dạng khác cho nhiều đại lượng có đặc tính riêng biệt, phân biệt hai dạng thiết bị đo phụ thuộc vào đặc tính cách tổng quát Ví dụ: Để đo độ dẫn điệnchúng ta 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 phải biến đổi dòng điện đo thành điện áp đo Sau mạch đo điện tử đo dòng điện dạng điện áp Như thiết bị đo điện thiết bị đo điện tử có đặc tính khác Có loại thiết bị đo, kết thị kim thị(thiết bị đo dạng analog), có loại số (thiết bị đo dạng digital) Hiện loại sau thông dụng 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 nhập cao, độ nhạy cao, hệ số khuếch 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 Trang 1.3 CHUẨN HÓA TRONG ĐO LƯỜNG 1.3.1 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 lườngchuẩn (standard) Việc chuẩn hóa thiết bị đo lường xác định theo bốn cấp sau: - Cấp 1: Cấp quốc tế (International standard) thực định chuẩn Trung tâm đo lường quốc tế (Paris) - Cấp 2: Chuẩn quốc gia, thiết bị đo lường viện định chuẩn quốc gia khác giới, thiết bị chuẩn hoá theo chuẩn quốc tế - Cấp 3: Chuẩn khu vực Trong quốc gia có nhiều trung tâm định chuẩn cho khu vực (standard zone center) Các thiết bị đo phải chuẩn theo quốc gia - Cấp 4: Chuẩn phòng thí nghiệm 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 Ngồi theo định kỳ đặt phải kiểm tra chuẩn hóa lại thiết bị đo lường 1.3.2 Cấp xác thiết bị đo Sau xuất xưởng, thiết bị đo lường kiểm nghiệm chất lượng, chuẩn hóa theo cấp tương ứng phòng kiểm nghiệm định cho cấp xác sau xác định sai số cho tầm đo thiết bị Khi sử dụng thiết bị đo lường, cần quan tâm đến cấp xác thiết bị đo ghi thiết bị đo sổ tay kỹ thuật thiết bị Từ cấp xác đánh giá sai số kết đo Ví dụ: vơn-kế có cấp xác có nghĩa giới hạn sai số cho tầm đo 1% 1.4 CHẤT LƯỢNG CỦA ĐO LƯỜNG 1.4.1 Đặc tính thức đo Sự hiểu biết đặc tính cách thức đo cần thiết cho phần lớn việc chọn lựa thiết bị đo thích hợp cho cơng việc đo lường Nó bao gồm hai đặc tính bản: Trang - Đặc tính tĩnh (static) - Đặc tính động (dynamic) 1.4.2 Đặc tính tĩnh Tổng quát, đặc tính tĩnh thiết bị đo đặc tính có thiết bị đo sử dụng đo đại lượng có điều kiện khơng thay đổi q trình đo Tất đặc tính tĩnh cách thức đo có nhờ q trình định chuẩn Một số đặc tính diễn tả sau: - Mức độ xác (sai số) - Độ phân giải: khoảng chia nhỏ để thiết bị đo đáp ứng - Độ nhạy - Độ sai biệt trị số đo với trị số tin cậy - Trị số đo chấp nhận qua xác suất trị số đo 1.4.3 Định nghĩa sai số đo lường Đo lường so sánh đại lượng chưa biết (đại lượng đo) với đại lượng chuẩn hóa (đại lượng mẫu đại lượng chuẩn) Như công việc đolường nối thiết bị đo vào hệ thống khảo sát, kết đo đại lượng cần thiết thu thiết bị đo 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 đo bị ảnh hưởng nhiều thông số Do kết đo phản ảnh 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 1.4.4 Các loại sai số Sai số tuyệt đối: e = Y n – Xn e – sai số tuyệt đối Yn – trị số tin cậy Xn – trị số đo Sai số tương đối (tính theo %): er = Yn – Xn Yn 100% Độ xác tương đối: Trang A=1- Yn - Xn Yn Độ xác tính theo %: a = 100% - er = (A x 100%) Ví dụ: điện áp đo hai đầu điện trở có trị số tin cậy 50V Dùng vônkế đo kết 49V? - Sai số tuyệt đối: e = 50 – 49 = 1V - Sai số tương đối: er = 1/50 * 100% = 2% - Độ xác: A = – 0,02 = 0.98 - Độ xác (tính theo %): a = 100% - 2% = 98% Tính xác (precision): 1- Xn - Xn Xn Trong đó: Xn trị số trung bình n lần đo Ví dụ: cho trị số đo Xn = 97 giá trị trung bình 10 lần đo - Tính xác cách đo: - | 97-101,1 101.1 = 101,1 | = 96% Sai số chủ quan: Một cách tổng quát sai số lỗi lầm người sử dụng thiết bị đo phụ thuộc vào việc đọc sai kết quả, ghi sai, sử dụng sai khơng theo qui trình hoạt động Sai số hệ thống (systematic error): Phụ thuộc vào thiết bị đo điều kiện môi trường Sai số thiết bị đo: Các phần tử thiết bị đo, có sai số cơng nghệ chế tạo, lão hóa sử dụng Giảm sai số cần phải 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, điện trường từ trường tăng ảnh hưởng đến sai số thiết bị đo lường Giảm sai số cách giữ cho điều kiện mơi 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 chịu ảnh hưởng khác trạng thái tĩnh trạng thái động: Trang khác phép đo biên độ Tín hiệu sau khuếch đại mạch khuếch đại dọc (khuếch đại - Y ) cung cấp đến cặp lệch dọc để làm lệch theo chiều dọc Mạch dao động quét tạo tín hiệu cưa khuếch cung cấp đến cặp lệch ngang Khoảng thời gian tín hiệu quét điều khiển mạch điều khiển gốc thời gian nên giá trị khoảng thời gian theo vạch chia chuyển mạch điều khiển định thời mặt máy sóng Hình 8-12: Sơ đồ khối máy sóng vệt đơn Đối với số ứng dụng đo (chẳng hạn mẫu hình Lissajous hay phép đo độ điều chế), cần phải đặt theo vị trí qt ngồi chuyển mạch S2 cung cấp tín hiệu qt hay qt ngồi đến mạch khuếch đại tín hiệu quét theo yêu cầu Để giữ ổn định dạng sóng hiển thị, cần phải có thời điểm khởi đầu quét vị trí chu kỳ tín hiệu vào, tức đảm bảo đồng bộ, tín hiệu vệt ngang tạo xung kích khởi lấy từ mạch khuếch đại dọc (khuếch đại - Y) kích khởi mạch dao động quét đa hài đơn ổn Khi cần kích khởi ngồi, hay kích khởi tín hiệu điện ac 50Hz (gắn bên máy sóng) sử dụng chuyển mạch S1 Dây trễ dùng để bù độ trễ gây khởi động mạch qt sau kích khởi Vì vậy, dây trễ làm cho tín hiệu đo tín hiệu quét đến cặp lệch ống tia cách đồng thời 8.2.7 Quét lặp lại: Máy sóng sử dụng mạch đa hài chạy tự nên không cần tín hiệu kích khởi Mạch quét nhận tín hiệu lặp lại theo chu kỳ mạch dao động đa hài Để dạng sóng ổn định, cần phải có đồng tần số quét tần số tín hiệu cần đo Điều thực cách thay đổi tần số quét nhờ việc điều khiển định thời Trang 136 Sự khác quét lặp lại quét kích khởi Tần số pha tín hiệu quét lặp lại cần phải đồng với tín hiệu vào để tạo dạng sóng hiển thị ổn định Nếu tần số sai lệch, hiển thị dạng sóng khơng ổn định Quét kích khởi hiển thị vệt theo chu kỳ thời gian quy định ổn định mà khơng liên quan đến tần số tín hiệu vào 8.2.8 Quét trễ: Do xung kích khởi, khởi đầu quét bị trễ nên quan sát vệt sáng hình khoảng thời gian Tín hiệu lệch dọc liên tục, nên phần tín hiệu cần đo bị Do vậy, cần phải làm trễ tín hiệu Vì tín hiệu khơng đặt trực tiếp vào cặp lệch dọc mà phải truyền qua mạch dây trễ, để tạo khoảng thời gian cần thiết cho mạch quét khởi đầu cặp lệch ngang trước tín hiệu cần đo đến cặp lệch dọc Nếu độ trễ tín hiệu 200ns sóng qt bị trễ khoảng 80ns, tín hiệu cần quan sát hiển thị theo tín hiệu quét bắt đầu quét, thể hình Hình 8-13: Tác dụng mạch làm trễ tín hiệu 8.2.9 Máy sóng tia vệt kép: Ở máy sóng vệt kép hay hai vệt, mạch quét đơn hiển thị hai vị trí dọc khác hình theo chu kỳ cưa luân phiên Sơ đồ khối máy sóng hai vệt hình 8-14 Chuyển mạch điện tử S3 chọn tín hiệu vào dọc (Y1), đưa đến mạch khuếch đại dọc (Y) khoảng thời gian đó, tín hiệu Y2 cung cấp đến mạch khuếch đại dọc khoảng thời gian Chuyển mạch S1 cho phép kích khởi tín hiệu Y1 tín hiệu Y2, hay tín hiệu ngồi, hay kích khởi tín hiệu mạng điện 50Hz Cấu trúc mạch máy sóng vệt đơn Chuyển mạch tự động có tốc độ đủ nhanh để hai tín hiệu quan sát cách rõ ràng hình (do độ lưu sáng chất huỳnh quang độ lưu sáng võng mạc mắt) Ở máy sóng hai vệt, có mạch quét nên chu kỳ tín hiệu quét điều khiển làm lệch dọc dạng sóng vào chu kỳ quét tiếp Trang 137 theo mạch quét, tín hiệu quét điều khiển làm lệch dọc tín hiệu vào thứ hai Hình 8-14: Sơ đồ khối máy sóng hai vệt Vậy hai dạng sóng hai tín hiệu vào riêng hiển thị, không hiển thị đồng thời Do khơng thể so sánh độ lệch pha hai dạng sóng Để so sánh quan hệ pha, cần phải có hai dạng sóng hiển thị đồng thời thời điểm, tức thực máy sóng hai chùm tia 8.2.10 Máy sóng hai tia: Ở máy sóng tia kép hay hai tia có hai súng điện tử, hai cặp lệch dọc hai cặp lệch ngang Hai cặp lệch ngang đặt song song điều khiển một quét ngang (mạch gốc thời gian), tức tín hiệu quét xuất đồng thời hai cặp lệch ngang Sơ đồ khối máy sóng hai tia hình, có mạch dao động qt có hình vẽ, máy sóng đắt tiền có hai mạch tạo sóng quét Hình 8-15: Sơ đồ khối máy sóng hai tia đơn giản Trang 138 8.2.11 Dây que đo máy sóng: Dây que đo đầu nối máy sóng đến thiết bị hay mạch điện tử cần đo thử Ngoài chức dây que đo đơn giản cáp đồng trục thơng thường, cần phải có dây que đo dùng riêng cho máy sóng để đảm bảo tín hiệu đo trung thực 8.2.11.1 Dây que đo DC 10:1 Mạch khuếch đại dọc (Y) có trở kháng vào khoảng 1MΩ mắc song song với tụ khoảng 50pF Cáp đồng trục có điện dung ký sinh khoảng 50pF Điều gây tải lớn mạch điện tử cần đo có trở kháng cao Giải pháp để hạn chế tải mắc điện trở 9MΩ nối tiếp hình 8-16 Mạch cần đo xem điện trở vào máy sóng 10MΩ thay cho 1MΩ, tín hiệu đầu vào máy sóng phần mười tín hiệu đặt vào Độ suy giảm bù mạch khuếch đại dọc Hình 8-16: Dây que đo dc máy sóng Ví dụ: cho dây que đo có tỉ lệ 10:1 hình Biết R1 = 9MΩ; Ri = 2MΩ, Cc (không biết); Ci = 10pF; CS tụ điện thay đổi (có trị số lớn 100pF), suy muốn cho mạch đo có độ giảm 10:1 khơng phụ thuộc vào tần số tín hiệu thì: Hình 8-17: Thanh đo có giảm áp 10:1 R1C1 = RiC2 C2 = Cc + CS + Ci = (R1C1)/Ri = (9MΩ/1MΩ)*10pF = CS + CC + 10pF = 90pF Suy ra: CS + CC = 80pF Khi CC khoảng từ 1pF đến 80pF thay đổi CS thỏa điều kiện Trong trường hợp CC > 80pF phải thay đổi C1 cho phù hợp Giả sử CC = 100pF C1 phải thay trị số lớn (ví dụ C1 = 15pF) Khi đó: CS + 100pF = 135pF – 10pF ; điều chỉnh: CS = 25pF Trang 139 8.2.11.2 Dây que đo 10:1 tần số cao: Vấn đề dung kháng thấp tụ 100pF tín hiệu đo dãi tần số cao giải cách sử dụng tụ điện nhỏ có trị số C = 1/10 so với tụ điện song song mạch hình 8-18 Trimmer (tụ xoay) 10pF mắc nối tiếp với điện dung 100pF để có điện dung thực tế vào khoảng 9pF tương đối thấp nên không gây tải cho mạch hệ thống có tần số cao, làm giảm mức tín hiệu ac vào khoảng phần mười Các ảnh hưởng que đo kiểm tra cách cung cấp xung vuông vào que đo để quan sát dạng xung vng máy sóng, cho tín hiệu tần số thấp (phần phẳng) tín hiệu tần số cao (các cạnh) 8.2.11.3 Dây que đo tích cực: Đầu đo tích cực gồm mạch FET lặp lại cực nguồn theo kiểu mạch lặp lại emitter BJT, để có điện trở vào cao điện trở thấp nên loại bỏ tải cho mạch cần đo nối que đo máy sóng vào mạch Đầu đo cho mức điện dung nhỏ, cải thiện đáp ứng tần số cao (khi cần đo xung tăng nhanh) Ngồi ra, đầu đo tích cực có độ suy giảm thấp nhiều so với đầu đo 10:1 Do đầu đo tích cực sử dụng hiệu để đo tín hiệu nhỏ Tuy nhiên, đầu đo tích cực có giá thành cao nên sử dụng Đầu đo 10:1 sử dụng phổ biến Hình 8-18: Dây que đo 10:1 dùng đo tín hiệu tần số cao 8.2.11.4 Dây que đo kiểu tách sóng: Đầu đo sử dụng mạch tách sóng diode để tách tín hiệu điều chế khỏi tín hiệu cao tần (RF) điều chế, chỉnh lưu tín hiệu sóng mang cao tần (RF) thành chiều (dc) Biên độ đỉnh sóng mang hiển thị theo dạng sóng chồng chập tín hiệu dc Như vậy, đầu đo làm việc mạch phát tín hiệu máy thu máy thu thơng tin, tín hiệu dãi vài MHz Khi dùng đầu đo kiểu tách sóng biến đổi tín hiệu tần số cao thành dãi âm tần, nên sử dụng máy sóng có độ rộng băng tần thấp 8.2.11.5 Dây que đo cảm ứng dòng: Đầu đo cảm ứng dòng gồm vòng lõi từ kẹp dây dẫn để đo dòng điện mạch hình Dây dẫn có dòng điện chảy qua cần đo đóng vai trò cuộn dây sơ cấp tín hiệu xoay chiều Cuộn dây quấn lõi từ làm cuộn thứ cấp Khi có dòng dc chảy Trang 140 qua, dòng điện tử cấu kiện hiệu ứng Hall giảm xuống, tức làm tăng mức chênh lệch điện khuếch cung cấp đến máy sóng Hình 8-19: Dây que đo dòng điện cảm ứng dùng cho máy sóng 8.3 MÁY HIỆN SĨNG SỐ Máy sóng số có chức nhớ - DSO [Digital Storage Oscilloscope], thiết bị đo có giá thành cao phức tạp, máy sóng có chức xử lý tín hiệu, cho khả tính tốn giá trị trung bình, hiệu dụng [r.m.s], biến đổi Fourier phân tích phổ Kiểu máy sóng sử dụng vi xử lý khơng cần thiết dịch vụ sửa chữa, mà thông dụng kiểu máy sóng khơng có vi xử lý, để xác định hư hỏng xung chập chờn Hình 8-20: Sơ đồ khối máy sóng số có chức nhớ Máy sóng nhớ - số sử dụng ống tia cathode thông thường (không phải kiểu ống tia có chức nhớ) Các mẫu dạng sóng lưu trữ nhớ, hiển thị hình máy sóng thơng thường Sơ đồ khối máy sóng nhớ - số kiểu khơng xử lý tín hiệu cho hình Tín hiệu cần đo đặt vào máy sóng lấy mẫu theo khoảng thời gian đặn Mỗi mức mẫu chuyển đến biến đổi tương tự sang số (ADC) để tạo tín hiệu logic nhị phân tương ứng với mức biên độ tín hiệu lấy mẫu Tín hiệu nhị phân lưu trữ nhớ nên sử dụng cần thiết Trang 141 Khi cần quan sát, tín hiệu nhị phân đưa đến biến đổi số - tương tự, để biến đổi tín hiệu nhị phân thành dạng tín hiệu tương tự ban đầu cung cấp cho ống tia cathode Các tín hiệu điều khiển định thời kích hoạt nhớ lúc yêu cầu ghi đọc liệu Ngoài ra, mạch điều khiển định thời cung cấp tín hiệu nhị phân cho gốc thời gian để biến đổi thành tín hiệu gốc thời gian tương tự đưa đến cặp làm lệch ngang (H), để tạo vệt sáng hình 8.4 ỨNG DỤNG ĐO BẰNG MÁY HIỆN SÓNG 8.4.1 Sử dụng máy sóng để phát sai hỏng: 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 khuếch 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 khuếch đại, mạch dao động, máy phát, máy thu hệ thống mạch số 8.4.2 Các chức điều khiển mặt máy sóng: Các chức điều khiển mặt máy sóng thơng thường gồm: - 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 khuếch 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 khuếch đại ngang (H) dùng để điều chỉnh độ dài vệt theo chiều ngang - Điều khiển quét dùng để chọn mạch quét hay qt ngồi - Điều khiển kích khởi [Trigger control] dùng để chọn xung kích khởi từ khuếch 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 Trang 142 Điều khiển vị trí dọc dùng để điều chỉnh vị trí dạng sóng hiển thị theo chiều dọc - Định chuẩn cung cấp tín hiệu tần số 1kHz, biên độ không đổi (thường 2Vpp), để kiểm tra việc định chuẩn que đo 8.4.3 Sử dụng máy sóng: 8.4.3.1 Điều chỉnh sơ chưa có tín hiệu: - Bật công tắc nguồn điện - Đặt nút chọn chế độ điện áp đầu vào kênh vị trí GND-nối đất - Điều chỉnh nút INTENSITY cho tia qt có độ sáng vừa phải, khơng điều chỉnh sáng để đảm bảo tuổi thọ hình - Điều chỉnh nút FOCUS để tia quét mảnh - Nếu không xuất tia quét hình điều chỉnh nút POSITION (thường phải điều chỉnh vào giữa) đặt nút MODE khối đồng (TRIGGERING) vị trí AUTO 8.4.3.2 Điều chỉnh máy có tín hiệu: - Đưa tín hiệu vào kênh điều chỉnh núm nút khối đầu vào kênh đặt vị trí nút: MODE khối quét dọc (VERTICAL), SOURCE khối đồng (TRIGGERING) - vị trí kênh - Điều chỉnh nút suy giảm tín hiệu đầu vào (VOLT/DIV) cho tín hiệu hình có chiều cao (biên độ) vài chia độ (vài cm) Nếu biên độ tín hiệu hình q nhỏ việc đồng khó khiến hình bị trôi trái/ phải - Điều chỉnh nút SWEEP TIME/DIV cho ta quan sát vài chu kỳ tín hiệu hình - Nếu tín hiệu hình bị trơi điều chỉnh nút LEVEL khối đồng (TRIGGERING)-thông thường nút vị trí Hoặc đặt nút MODE khối đồng vị trí FIX 8.4.3.3 Kiểm tra chuẩn: Để xem máy sóng đo đạc xác khơng ta phải so sánh kết đo đạc với tín hiệu chuẩn máy phát Bước thường phải làm để kiểm tra tình trạng máy la sau sửa chữa Cách làm sau: - Đưa tín hiệu từ chốt tín hiệu chuẩn CAL 1Vp-p 1kHz vào kênh cần điều chỉnh chuẩn - Điều chỉnh máy bước cho quan sát dạng tín hiệu rõ ràng hình - Điều chỉnh lại nút VARIABLE cho kết nhận (biên độ tần số) máy sóng với tín hiệu chuẩn - Trang 143 8.4.4 Các phép đo với máy sóng: 8.4.4.1 Đo điện áp tín hiệu vào: Trước đo điện áp máy sóng cần phải đặt nút chọn chế độ điện áp đầu vào vị trí GND-nối đất, sau điều chỉnh nút POSITION để chọn điểm Đo điện áp chiều đặt nút chọn điện áp đầu vào DC đo điện áp xoay chiều đặt nút chọn điện áp đầu vào AC Nút VARIABLE khối đầu vào phải điều chỉnh vị trí chuẩn (CAL)-thường vị trí cuối theo chiều quay kim đồng hồ Điện áp tín hiệu xác định số ô theo chiều cao tia quét nhân với số nút suy giảm tín hiệu (VOLT/DIV) Cách tính biên độ tín hiệu sau: - Đọc giá trị thang VOLT/DIV - Đếm số ô theo chiều dọc (Vpp Vp Vrms) - Tính biên độ tín hiệu = Số x giá trị thang VOLT/DIV Hình 8-21: Xác định biên độ tín hiệu Ví dụ: VOLTS/DIV 1V tín hiệu cho hình bên ta có: Vp = 2,7ơ x 1V = 2,8V Vp-p = 5,4ô x 1V = 5,4V Vrms = 0,707Vp = 1,98V 8.4.4.2 Đo khoảng thời gian chu kỳ: Nút VARIABLE khối quét ngang (HORIZONTAL) phải điều chỉnh vị trí chuẩn (CAL) - thường vị trí cuối theo chiều quay kim đồng hồ Tần số tín hiệu đo thơng qua chu kỳ (f = 1/T) Chu kỳ tín hiệu xác định số ô theo chiều ngang chu kỳ tín hiệu nhân với số nút chọn khoảng tần số quét (SWEEP TIME/DIV) Cách tính tần số tín hiệu sau: - Đọc giá trị thang SWEEP TIME/DIV - Đếm số ô theo chiều ngang chu kì - Chu kì tín hiệu T = Số ô x giá trị thang SWEEP TIME/DIV - Tần số tín hiệu f = 1/T Trang 144 Hình 8-22: Xác định tần số tín hiệu Ví dụ: hình bên SWEEP TIME/DIV 1ms Chu kỳ tín hiệu dài ô, chu kỳ 4ms ⇒ f = 1/4ms = 250Hz Ví dụ: xem hình ta có Hình 8-23: Cách tính biện độ chu kỳ tín hiệu quan sát A: VA = 450mV (p-p) B: VB = 200mV (p-p) Đo chu kỳ : phụ thuộc vào nút chu kỳ tín hiệu qt cưa (µs/div) - Chu kỳ tín hiệu A: 2TA = 8,8div * 0,5ms/div = 4,4ms suy TA = 2,2ms - Chu kỳ tín hiệu B : VA = (4,5Div) * 100mV/Div ; VB = (2Div) * 100mV/Div 2TA = (8,8Div) * 0,5ms/Div ; 6TA = (8,8Div) * 0,5ms/Div 8.4.4.3 Đo tần số độ lệch pha phương pháp so sánh: Ngoài cách đo tần số thông qua việc đo chu kỳ trên, đo tần số máy sóng cách so sánh tần số tín hiệu cần đo fx với tần số chuẩn f0 Trang 145 - - Tín hiệu cần đo fx đưa vào cực CH1- Y, tín hiệu tần số chuẩn f0 đưa vào cực CH2X Chế độ làm việc này, khối quét dọc Vertical chọn ấn nút X-Y mode sóng có dạng hình sin Khi hình đường cong phức tạp gọi đường cong Lissajou Điều chỉnh tần số chuẩn tới tần số cần đo bội ước nguyên tần số chuẩn hình có đường Lissajou đứng yên hình Hình dáng đường Lissajou khác tuỳ thuộc vào tỉ số tần số hai tín hiệu độ lệch pha chúng Hình 8-24: Các mẫu hình Lissajous Phương pháp hình Lissajou cho phép đo tần số khoảng từ 10Hz tới tần số giới hạn máy Nhược điểm phương pháp khơng xác định dấu góc pha sai số phép đo lớn (5 – 10%) Hình 8-25: Cách tính lệch pha hai tín hiệu A B Trang 146 Khi hai tần số nhau, độ lệch pha 0o tạo đường thẳng nghiêng 45o so với đường ngang; với độ lệch pha 180o, đường thẳng tạo gốc 135o so với đường ngang Hình 8-26: Dùng hình Lissajous để đo lệch pha hai tín hiệu Khi độ lệch pha 90o, tạo đường tròn Đối với độ lệch pha khác tạo hình elipse Khi hai tần số tín hiệu khơng nhau, tỷ số tần số chưa biết (fv) 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 Ví dụ: tín hiệu A B có lệch pha tính theo trục thời gian Trang 147 t/T = 1,4div/8div = 0,7/4 mà T = 2 rad = 360o suy góc lệch pha α tương ứng với t: α = (t/T)*360o = 360o * (0,7/4) = 63o Ví dụ: dùng hình Lissajous để đo chênh lệch pha hai tín hiệu hình Tín hiệu A đưa vào ngõ qt dọc, tín hiệu B đưa vào ngõ quét ngang - A, B pha: hình Lissajous đường thẳng (Hình c) - A, B trái pha (Hình d) - A, B lệch pha 90o (Hình e) - A, B lệch pha hình elip (Hình f, g) 8.4.4.4 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 a Mẫu hình hiển thị hình b Chỉ số điều chế tính (p – q)/(p + q) 8.4.4.5 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 a) Tín hiệu điều chế; b) Hiển thị mẫu số điều chế 8.4.5 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 không 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 khuếch đại dọc tăng dần đạt mức thiết lập thích hợp Định chuẩn độ lệch dọc trước thực phép đo Có sẵn 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 kV Ngay trạng thái ngắt chuyển mạch nguồn điện lưới, tụ lọc có điện áp cao Trang 148 gây nguy hiểm cho người sử dụng, tụ cần phải xã tiến hành công việc máy sóng trạng thái cắt nguồn Phải cẩn thận sử dụng ống tia, hư hỏng ngẫu nhiên dẫn đến hỏng hình Màn hình phát quang phát xạ tia - x nhẹ, cần thay nên mua CRT tiêu chuẩn từ nhà sản xuất có uy tín Trang 149 TÀI LIỆU THAM KHẢO  Nguyễn Ngọc Tân, Ngô Văn Ky Kỹ thuật đo, Tập 1: Đo điện Nhà xuất khoa học kỹ thuật  Nguyễn Ngọc Tân, Ngô Tấn Nhơn Kỹ thuật đo, Tập 2: Đo điện tử Nhà xuất Đại học Quốc gia TP HCM  Dư Quang Bình Đo lường điện tử Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, 2003  Nguyễn Hữu Công Kỹ thuật đo lường Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội [4] ... không kết nối với đất (do áp lực hay mối hàn bị nứt), tín hiệu tần số cao có điểm A đưa đến đầu vào mạch khuếch đại transistor, nên khuếch đại chỉnh lưu (phần phi tuyến đặc tuyến) có đầu dạng điện... – mơmen cản lò xo kiểm sốt dây xoắn Để có đệm mức D phải có điều kiện : D = DO = 2√J.Tc = Nếu D > DO: đệm mức D < DO: đệm yếu Người ta chứng minh rằng hằng số đệm: D= Với: K'D R R = R + RD... đo Như độ xác thiết bị đo diễn tả hình thức sai số 1.4.4 Các loại sai số Sai số tuyệt đối: e = Y n – Xn e – sai số tuyệt đối Yn – trị số tin cậy Xn – trị số đo Sai số tương đối (tính theo %): er