KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG * HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰTài liệu tham khảo 1. Xử lý tín hiệu đo lường (Tập bài giảng), Mai Quốc Khánh, Nguyễn Hùng An, Bộ môn LTM-ĐL / Khoa VTĐT, 2019. 2. Kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường, Nguyễn Hùng An, Mai Quốc Khánh, Dương Đức Hà, Nhà xuất bản Khoa học kỹ thuật, năm 2019. 2Bài 9: Thiết bị đo số 3 1. Máy đo vạn năng số và bộ đếm tần 2. Máy hiện sóng số 3. Đo lường số công suất và năng lượng1. Máy đo vạn năng số và tần kế số • Máy đo vạn năng số (đồng hồ vạn năng số) • Bộ đếm tần• Thiết bị đo với hầu hết các thao tác xử lý tín hiệu được thực hiện bằng phương pháp số. • Đang dần thay thế các thiết bị đo tương tự. Khái niệm thiết bị đo số 5• Máy đo vạn năng số DMM (Digital Multimeter) điển hình cho phép đo điện áp, dòng điện, điện trở và tần số. • Ngoài ra, một số máy đo vạn năng còn cho phép đo điện dung, kiểm tra đi ốt và transistor, đo nhiệt độ ... Máy đo vạn năng số 6 Hand-held DMM Portable DMM Bench-top DMM Một số DMM còn được kết hợp với máy hiện sóng số ScopeMeter. Máy đo vạn năng số (tt) ScopeMeter 190-204 của Fluke ScopeMeter U1620 của Agilent 7• Mạch vào bao gồm các mạch điều phối: • Bộ phân áp (hoặc BKĐ) để đo điện áp trong các dải khác nhau • Các điện trở shunt để đo dòng điện • Nguồn cung cấp để đo trở kháng • Các bộ chuyển đổi DC/AC Sơ đồ khối chức năng của DMM 8 SĐK chức năng của DMM điển hình• Mạch điều khiển logic: điều khiển mọi chức năng của DMM như thay đổi tự động thang đo (trong một số DMM), đồng bộ chu trình đo, điều khiển ADC, ghi dữ liệu vào bộ nhớ ... • Mạch giao tiếp: cho phép truyền dữ liệu từ DMM tới các thiết bị ngoại vi (máy tính, máy in ...) và điều khiển DMM bằng hệ thống máy tính bên ngoài (VD, thay đổi phạm vi của các hàm). • Các DMM cao cấp được trang bị giao tiếp GPIB. • Các DMM thông thường được trang bị giao tiếp RS232, USB, RJ-45 (LAN) ... Mạch điều khiển logic và mạch giao tiếp 9Một số giao tiếp của DMM 10 Mặt trước Mặt sau Ví dụ một số giao tiếp của DM 3058 của RigolVí dụ về chất lượng của một số DMM 11 Kiểu Xách tay Thiết bị phòng Lab Độ chính xác Model 110 34401A 2002 Nhà sản xuất Fluke Agilent Keithley Số digit 3 ¾ (6000) 6 ½ 7 hoặc 7 ½ Phép đo U, I, R, C, F U, I, R, F U, I, R, F, T Độ bất định DC 0,7% 0,0035+0,0005% 0,0006+0,00008% R in trong điện áp DC 10 M >10 G >10 G Phép đo 200mV Độ bất định AC 1% 0,06+0,03% 0,02+0,01% Băng thông 50-500 Hz 10 Hz - 300 Hz 1 Hz - 2 MHz Tốc độ đọc 40/s 1000/s DC. 50/s AC 2000/s 4 ½ số Bộ nhớ 512 kết quả 30000 kết quả Giao tiếp RS232C, HPIB GPIB Chất lượng của một số DMMVí dụ về máy đo vạn năng số Chức năng: đo điện áp, dòng điện (DC,AC), điện trở, tần số. Sai số khoảng 0,004% DC và 0,1% AC. Khi đo giá trị AC, thiết bị đo làm việc như một vôn mét DC với chuyển đổi AC rms /DC. 12 Ví dụ: DMM phòng thí nghiệm 34401A của Agilent• Đo AC và DC được thực hiện riêng biệt • Khi đo DC, mạch vào được cách ly bằng tụ điện. • Khi đo AC, mạch vào mắc thêm bộ chuyển đổi AC/DC. • Nếu chuyển đổi này tính giá trị rms của tín hiệu vào AC thiết bị đo True RMS. Mạch vào của DMM 13 rms AC DC AC DC 2 2 Mạch vào của DMM điển hìnhMạch vào đo điện dung 14 • Quá trình đo được chia thành 2 chu trình: 1) Chuyển mạch ở vị trí 1: tụ điện đo được nạp điện từ điện áp nguồn Uref qua điện trở R. 2) Chuyển mạch ở vị trí 2: tụ phóng điện. Các mạch vào cho phép đo điện dungMạch vào đo điện dung (tt) 15 Điện dung đo tỷ lệ với điện tích Q tín hiệu ra của mạch tích phân tỷ lệ với điện dung cần đo T 0 ref ref idt Q C U U Mạch vào đo điện dung (tt) 16 Điện áp trên tụ điện tăng theo hàm mũ U U e c ref 1 t RC / Sau thời gian=RC điện áp đạt tới 0,632 Uref , bằng điện áp đầu vào thứ hai thì bộ so sánh đóng cổng sau thời gian . Như vậy, điện dung cần đo đã được chuyển đổi thành khoảng thời gian. Nếu bộ dao động mẫu được nối tới cổng thì bộ đếm số chỉ trực tiếp điện dung cần đo. Thay vì sử dụng các dụng cụ đo trở kháng chuyên dụng (đắt tiền) xác định trở kháng sử dụng phương pháp 3 vôn mét. Đo trở kháng 17 2 2 2 1 2 3 2 3 cos 2 U U U U U 3 3 2 x U U Z R I U cos x x R Z 2 2 x x x X Z R Có thể sử dụng 1 vôn mét (DMM) được nối tới ba nguồn tín hiệu U1, U2, U3 dùng chuyển mạch. Đo trở kháng theo phương pháp 3 vôn mét Các ADC thường dùng trong DMM: ADC kiểu tích phân (thông dụng nhất) do có khả năng khắc phục ảnh hưởng của nhiễu tần số tương ứng với thời gian tích phân (thường là nhiễu 50 Hz). ADC kiểu Delta-Sigma (một số DMM gần đây), ADC kiểu SAR (hiếm gặp hơn). ADC trong DMM 18Bộ đếm tần 19 Đo tần số Đo chu kỳ • Đối với tần số cao đo tần số • Đối với tần số thấp đo chu kỳ.Ví dụ về bộ đếm tần 20 Ví dụ về Bộ đếm tần 1823A của BK Precision2. Máy hiện sóng số Dạng sóng tương tự được chuyển đổi thành tín hiệu số. Ứng dụng: Quan sát và đo các tham số (biên độ, tần số, pha ...) của tín hiệu Ghi lại và tái tạo tín hiệu hình ảnh của nhiều tín hiệu ở cùng thời điểm (hoạt động đa kênh). Có thể có các chức năng khác: phân tích phổ, lấy trung bình, tích phân tín hiệu Máy hiện sóng số 22Máy hiện sóng số (tt) 23 Ví dụ về màn hình của máy hiện sóng sốMáy hiện sóng số (tt) 24 Ví dụ về MHS sốMáy hiện sóng số (tt) Sơ đồ khối của máy hiện sóng số điển hình 25Máy hiện sóng số (tt) 26 Tín hiệu trước và sau lấy mẫu tuần tự Tín hiệu vào Tín hiệu đồng hồ Tín hiệu được ghi/tái tạo Ngoài bộ suy hao thông thường, cần có thêm các mạch trích-giữ mẫu và bộ lọc chống chồng phổ. Tác hại của hiệu ứng chồng phổ khi tần số lấy mẫu nhỏ: bộ xử lý có thể gán một tín hiệu sai cho mẫu người quan sát sẽ thấy tín hiệu có tần số thấp hơn (đường liên tục) thay vì một tín hiệu đúng (đường đứt nét). Mạch vào của MHS số 27 Hiệu ứng chồng phổ trong máy hiện sóng số Lấy mẫu, ghi lại và tái tạo tốn thời gian Cần sử dụng ADC tốc độ cao (tần số lấy mẫu 1 GHz hoặc hơn). Cần trích-giữ mẫu (SH) hoặc áp dụng kỹ thuật lấy mẫu ngẫu nhiên đa điểm tăng số lượng mẫu (tín hiệu được lấy mẫu vài lần với các mẫu bị dịch một cách ngẫu nhiên) Lấy mẫu trong MHS số 28Lấy mẫu trong MHS số (tt) 29 Chu kỳ thứ nhất Chu kỳ thứ hai Chu kỳ thứ ba Sau ba chu kỳ Tín hiệu khảo sát Tín hiệu khôi phục Các kỹ thuật lấy mẫu a. lấy mẫu ngẫu nhiên đa điểm và b. trích-giữ mẫuLấy mẫu trong MHS số (tt) 30 Khi lấy mẫu sườn lên của xung ngắn hơn chu kỳ mẫu: Vị trí khác nhau của xung so với các xung lấy mẫu sẽ cho các kết quả khác nhau. Với xung a ta xấp xỉ sườn dốc bằng đường thẳng A, với xung b thì bởi đường thẳng B. Sai số sườn lên3. Đo lường số công suất và năng lượng • Chuyển đổi công suất-điện áp dùng bộ nhân • Chuyển đổi công suất All-Digital Hai phương pháp đo lường số công suất: Chuyển đổi công suất điện áp số. Chuyển đổi công suất số (All-Digital) Chuyển đổi công suất-điện áp dùng bộ nhân 32 Bộ chuyển đổi công suất - điện áp sử dụng bộ nhân Bộ nhân Tích phânChuyển đổi công suất-điện áp dùng TDM 33 Bộ chuyển đổi công suất sử dụng bộ nhân TDM BTP1 BTP2 Điện áp răng cưa Điện áp mẫu BSSChuyển đổi công suất-điện áp dùng TDM (tt) 34 Điện áp tổng U1 + Ur (với Ur là điện áp mẫu) được đưa tới đầu vào BTP 1 điện áp ra Ui của BTP1 tăng tuyến tính. Sau khoảng thời gian T1 , điện áp Ui = Ut (điện áp răng cưa ở đầu vào thứ hai của BSS) các chuyển mạch đảo chiều điện áp hiệu U1 - Ur được đưa tới đầu vào BTP1 điện áp ra U i của BTP1 giảm đi trong khoảng thời gian T2 và U U T U U T 1 1 1 2 r r Độ rộng xung T1 phụ thuộc vào điện áp U1. 1 2 1 2 1 1 g r r U U T T T T T U U Tg là chu kỳ của điện áp răng cưa UtChuyển đổi công suất-điện áp dùng TDM (tt) 35 Tín hiệu đầu ra của BSS chuyển mạch kết nối điện áp U2 hoặc -U2 tới của BTP2. Vì vậy, điện áp ra Uout của BTP2 là: Điện áp đầu ra Uout tỷ lệ với tích hai điện áp U1 và U2. Điện áp đầu ra Uout là dãy xung với độ rộng xung tỷ lệ với điện áp thứ nhất U1 và biên độ tỷ lệ với điện áp thứ hai U2. 1 1 2 1 2 2 2 1 2 1 2 0 T T T g out T r T U u t dt u t dt U T T U U U Chuyển đổi công suất All-Digital (tt) 36 Bộ nhân Logic điều khiển Bộ chuyển đổi số-tần số Hai tín hiệu vào chuyển đổi A/D (Delta-Sigma 160 bit 450 Hz) nhân tín hiệu ra tỷ lệ với công suất. Đầu ra tần số được điều chỉnh cho phù hợp với bộ đếm cơ điện và động cơ bước hai pha. Sai số của chuyển đổi là 0,1% về công suất và 0,10 về pha. IC đo công suất-năng lượng - Model ADE7757 của Analog DeviceChuyển đổi công suất All-Digital (tt) 37 Mạch được bổ sung 2 chuyển đổi rms và 1 bộ nhân có thể đo: Công suất và năng lượng biểu kiến Giá trị rms của dòng điện và điện áp Chu kỳ (tần số) của tín hiệu điện áp. IC đo năng lượng biểu kiến - Model ADE7763 của Analog Device Bộ nhân Chuyển đổi số - tần số Bù Bù Bộ nhân Thanh ghi và giao diện nối tiếp Mạch có 2 đầu ra: Đầu ra tần số cho các bộ đếm năng lượng Đầu ra nối tiếp để truyền thông với các hệ thống đo lường máy tính.
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ KỸ THUẬT XỬ LÝ TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG Mai Quốc Khánh Nguyễn Hùng An Học viện KTQS 06/2019 * Tài liệu tham khảo Xử lý tín hiệu đo lường (Tập giảng), Mai Quốc Khánh, Nguyễn Hùng An, Bộ môn LTM-ĐL / Khoa VTĐT, 2019 Kỹ thuật xử lý tín hiệu đo lường, Nguyễn Hùng An, Mai Quốc Khánh, Dương Đức Hà, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật, năm 2019 Bài 9: Thiết bị đo số Máy đo vạn số đếm tần Máy sóng số Đo lường số công suất lượng Máy đo vạn số tần kế số • Máy đo vạn số (đồng hồ vạn số) • Bộ đếm tần Khái niệm thiết bị đo số • Thiết bị đo với hầu hết thao tác xử lý tín hiệu thực phương pháp số • Đang dần thay thiết bị đo tương tự Máy đo vạn số • Máy đo vạn số DMM (Digital Multimeter) điển hình cho phép đo điện áp, dòng điện, điện trở tần số • Ngồi ra, số máy đo vạn cho phép đo điện dung, kiểm tra ốt transistor, đo nhiệt độ Hand-held DMM Portable DMM Bench-top DMM Máy đo vạn số (tt) Một số DMM kết hợp với máy sóng số ScopeMeter ScopeMeter 190-204 Fluke ScopeMeter U1620 Agilent Sơ đồ khối chức DMM SĐK chức DMM điển hình • Mạch vào bao gồm mạch điều phối: • • • • Bộ phân áp (hoặc BKĐ) để đo điện áp dải khác Các điện trở shunt để đo dòng điện Nguồn cung cấp để đo trở kháng Các chuyển đổi DC/AC Mạch điều khiển logic mạch giao tiếp • Mạch điều khiển logic: điều khiển chức DMM thay đổi tự động thang đo (trong số DMM), đồng chu trình đo, điều khiển ADC, ghi liệu vào nhớ • Mạch giao tiếp: cho phép truyền liệu từ DMM tới thiết bị ngoại vi (máy tính, máy in ) điều khiển DMM hệ thống máy tính bên ngồi (VD, thay đổi phạm vi hàm) • Các DMM cao cấp trang bị giao tiếp GPIB • Các DMM thơng thường trang bị giao tiếp RS232, USB, RJ-45 (LAN) Một số giao tiếp DMM Mặt trước Mặt sau Ví dụ số giao tiếp DM 3058 Rigol 10 Máy sóng số (tt) Ví dụ hình máy sóng số 23 Máy sóng số (tt) Ví dụ MHS số 24 Máy sóng số (tt) Sơ đồ khối máy sóng số điển hình 25 Máy sóng số (tt) Tín hiệu ghi/tái tạo Tín hiệu vào Tín hiệu đồng hồ Tín hiệu trước sau lấy mẫu 26 Mạch vào MHS số Ngoài suy hao thơng thường, cần có thêm mạch trích-giữ mẫu lọc chống chồng phổ Tác hại hiệu ứng chồng phổ tần số lấy mẫu nhỏ: xử lý gán tín hiệu sai cho mẫu người quan sát thấy tín hiệu có tần số thấp (đường liên tục) thay tín hiệu (đường đứt nét) Hiệu ứng chồng phổ máy sóng số 27 Lấy mẫu MHS số Lấy mẫu, ghi lại tái tạo tốn thời gian Cần sử dụng ADC tốc độ cao (tần số lấy mẫu GHz hơn) Cần trích-giữ mẫu (SH) áp dụng kỹ thuật lấy mẫu ngẫu nhiên đa điểm tăng số lượng mẫu (tín hiệu lấy mẫu vài lần với mẫu bị dịch cách ngẫu nhiên) 28 Lấy mẫu MHS số (tt) Chu kỳ thứ Chu kỳ thứ hai Tín hiệu khảo sát Chu kỳ thứ ba Sau ba chu kỳ Tín hiệu khơi phục Các kỹ thuật lấy mẫu a lấy mẫu ngẫu nhiên đa điểm b trích-giữ mẫu 29 Lấy mẫu MHS số (tt) Sai số sườn lên Khi lấy mẫu sườn lên xung ngắn chu kỳ mẫu: Vị trí khác xung so với xung lấy mẫu cho kết khác Với xung a ta xấp xỉ sườn dốc đường thẳng A, với xung b đường thẳng B 30 Đo lường số cơng suất lượng • Chuyển đổi cơng suất-điện áp dùng nhân • Chuyển đổi công suất All-Digital Chuyển đổi công suất-điện áp dùng nhân Hai phương pháp đo lường số công suất: Chuyển đổi công suất điện áp số Chuyển đổi công suất số (All-Digital) Bộ nhân Tích phân Bộ chuyển đổi cơng suất - điện áp sử dụng nhân 32 Chuyển đổi công suất-điện áp dùng TDM BTP2 BSS BTP1 Điện áp mẫu Điện áp cưa Bộ chuyển đổi công suất sử dụng nhân TDM 33 Chuyển đổi công suất-điện áp dùng TDM (tt) Điện áp tổng U1 + Ur (với Ur điện áp mẫu) đưa tới đầu vào BTP1 điện áp Ui BTP1 tăng tuyến tính Sau khoảng thời gian T1 , điện áp Ui = Ut (điện áp cưa đầu vào thứ hai BSS) chuyển mạch đảo chiều điện áp hiệu U1 - Ur đưa tới đầu vào BTP1 điện áp Ui BTP1 giảm khoảng thời gian T2 U1 U r T1 U1 U r T2 Độ rộng xung T1 phụ thuộc vào điện áp U1 U1 U1 T1 T2 T1 T2 Tg Ur Ur Tg chu kỳ điện áp cưa Ut 34 Chuyển đổi công suất-điện áp dùng TDM (tt) Tín hiệu đầu BSS chuyển mạch kết nối điện áp U2 -U2 tới BTP2 Vì vậy, điện áp Uout BTP2 là: T1 U out u2 t dt T1 T2 Tg u t dt U T T U T1 2 U1U r Điện áp đầu Uout tỷ lệ với tích hai điện áp U1 U2 Điện áp đầu Uout dãy xung với độ rộng xung tỷ lệ với điện áp thứ U1 biên độ tỷ lệ với điện áp thứ hai U2 35 Chuyển đổi công suất All-Digital (tt) IC đo công suất-năng lượng - Model ADE7757 Analog Device Bộ nhân Bộ chuyển đổi số-tần số Logic điều khiển Hai tín hiệu vào chuyển đổi A/D (Delta-Sigma 160 bit 450 Hz) nhân tín hiệu tỷ lệ với cơng suất Đầu tần số điều chỉnh cho phù hợp với đếm điện động bước hai pha Sai số chuyển đổi 0,1% công suất 0,10 pha 36 Chuyển đổi công suất All-Digital (tt) IC đo lượng biểu kiến - Model ADE7763 Analog Device Bộ nhân Chuyển đổi số - tần số Bù Bù Thanh ghi giao diện nối tiếp Mạch bổ sung chuyển đổi rms nhân đo: Công suất lượng biểu kiến Giá trị rms dòng điện điện áp Chu kỳ (tần số) tín hiệu điện áp Bộ nhân Mạch có đầu ra: Đầu tần số cho đếm lượng Đầu nối tiếp để truyền thông với hệ thống đo 37 lường máy tính ... Bài 9: Thiết bị đo số Máy đo vạn số đếm tần Máy sóng số Đo lường số công suất lượng Máy đo vạn số tần kế số • Máy đo vạn số (đồng hồ vạn số) • Bộ đếm tần Khái niệm thiết bị đo số • Thiết bị đo. .. pháp số • Đang dần thay thiết bị đo tương tự Máy đo vạn số • Máy đo vạn số DMM (Digital Multimeter) điển hình cho phép đo điện áp, dòng điện, điện trở tần số • Ngồi ra, số máy đo vạn cho phép đo. .. ADC kiểu Delta-Sigma (một số DMM gần đây), ADC kiểu SAR (hiếm gặp hơn) 18 Bộ đếm tần Đo tần số Đo chu kỳ • Đối với tần số cao đo tần số • Đối với tần số thấp đo chu kỳ 19 Ví dụ đếm tần