BÀI GIẢNG CƠ SỞ ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG (PTIT)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG  Đỗ Mạnh Hà Trần Thị Thục Linh BÀI GIẢNG CƠ SỞ ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ Hà Nội 2011 LỜI NÓI ĐẦU Với phát triển khoa học kỹ thuật cơng nghệ, kỹ thuật đo lường nói chung, kỹ thuật đo lường điện tử nói riêng có vai trò quan trọng đời sống kinh tế kỹ thuật công nghệ Các máy đo lường điện tử ngày sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực Để sử dụng chúng có hiệu quả, việc nghiên cứu lý thuyết nguyên lý đo lường điện tử quan trọng, kỹ sư làm việc lĩnh vực điện, điện tử, viễn thông Bài giảng nhằm trang bị cho sinh viên kiến thức đo lường điện tử như: Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử, đánh giá sai số xử lý kết đo, phương pháp đo, nguyên lý xây dựng, cấu trúc, ứng dụng đo lường thiết bị đo tham số đặc tính tín hiệu mạch điện tử Bài giảng gồm nội dung sau: Chương - Cơ sở lý thuyết đo lường điện tử Chương - Sai số đo lường Chương - Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử Chương - Máy sóng (Ơ-xi-lơ) Chương - Các phép đo điện Chương - Đo tần số, khoảng thời gian góc lệch pha Chương - Phân tích tín hiệu Chương - Đo công suất Chương - Đo tham số đặc tính mạch điện tử Bài giảng thực thời gian ngắn, nên khó tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp đồng nghiệp để giảng hồn thiện Mọi góp ý xin vui lịng gửi Bộ mơn kỹ thuật điện tử - Khoa Kỹ thuật Điện tử 1- Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng email: hadm@ptit.edu.vn Chúng xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp đóng góp ý kiến quý báu; xin chân thành cảm ơn lãnh đạo Học viện, Phòng Đào tạo NCKH, Khoa Kỹ thuật Điện tử tạo điều kiện để chúng tơi hồn thành giảng Hà Nội, năm 2011 Tác giả Mục lục MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC 1.1 CÁC KHÁI NIỆM VỀ ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ 10 1.2 ĐỐI TƯỢNG CỦA ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ 12 1.3 PHÂN LOẠI PHÉP ĐO 12 1.4 CHỨC NĂNG VÀ PHÂN LOẠI THIẾT BỊ ĐO 15 1.5 ĐƠN VỊ ĐO LƯỜNG, CHUẨN, MẪU 16 1.5.1 Đơn vị đo lường 16 1.5.2 Cấp chuẩn hóa 17 1.6 ĐẶC TÍNH CƠ BẢN CỦA THIẾT BỊ ĐO 18 1.6.1 Đặc tính tĩnh 18 1.6.2 Đặc tính động 19 1.7 ĐẶC TÍNH ĐIỆN CỦA THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ 21 1.7.1 Các tham số giới hạn 21 1.7.2 Ảnh hưởng tải 22 1.7.3 Can nhiễu phép đo 23 1.7.4 Vỏ bảo vệ 25 1.7.5 Nối đất 25 1.8 SO SÁNH THIẾT BỊ ĐO TƯƠNG TỰ VÀ THIẾT BỊ ĐO SỐ 26 1.9 CHỌN KHOẢNG ĐO TỰ ĐỘNG VÀ ĐO TỰ ĐỘNG 27 1.10 ĐO TRONG MẠCH (ICT) 28 1.11 KỸ THUẬT SỬ DỤNG THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ 28 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 30 CHƯƠNG – ĐÁNH GIÁ SAI SỐ ĐO LƯỜNG 31 2.1 KHÁI NIÊM VỀ SAI SỐ 31 2.2 NGUYÊN NHÂN GÂY SAI SỐ 31 2.3 PHÂN LOẠI SAI SỐ 31 2.3.1 Phân loại sai số theo nguồn gốc gây sai số 32 2.3.2 Phân loại theo phụ thuộc sai số vào đại lượng đo 33 2.3.3 Phân loại theo vị trí sinh sai số 33 2.4 BIỂU THỨC BIỂU DIỄN SAI SỐ 33 2.5 PHÂN TÍCH THƠNG KÊ ĐO LƯỜNG 35 Mục lục 2.5.1 Hàm phân bố chuẩn sai số 35 2.5.2 Hệ qủa hàm phân bố chuẩn sai số 36 2.5.3 Chuẩn hóa hàm phân bố sai số 37 2.5.4 Các đặc số phân bố ứng dụng đo lường 38 2.5.5 Ứng dụng đặc số phân bố để xác định kết đo từ nhiều lần đo 42 2.6 ĐÁNH GIÁ SAI SỐ CỦA PHÉP ĐO GIÁN TIẾP 44 CÂU HỎI ÔN TẬP 46 BÀI TẬP 48 CHƯƠNG 49 CƠ SỞ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ 49 3.0 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 49 3.1 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA MÁY ĐO 49 3.1.1 Máy đo tham số đặc tính tín hiệu 50 3.1.2 Máy đo tham số đặc tính mạch điện: 52 3.1.3 Máy tạo tín hiệu đo lường 53 3.1.4 Các linh kiện đo lường 54 3.2 CẤU TRÚC CHUNG CỦA MÁY ĐO SỐ 54 3.2.1 Sự tiến triển công nghệ chế tạo thiết bị đo 54 3.2.1 Sơ đồ cấu trúc chung máy đo số 55 3.2.3 Ưu điểm máy đo số 57 3.3 THIẾT BỊ ĐO GHÉP NỐI VỚI MÁY TÍNH 59 3.4 MỘT SỐ MẠCH ĐO LƯỜNG VÀ GIA CƠNG TÍN HIỆU ĐO CƠ BẢN 64 3.5 CƠ CẤU CHỈ THỊ ĐO LƯỜNG 64 3.5.1 Cơ cấu thị kim (Cơ cấu đo điện - CCĐ) 65 3.5.2 Thiết bị thị dùng LED 75 3.5.3 Thiết bị thị dùng LCD - Liquid Crystal Display 81 3.5.4 Ống tia điện tử - CRT 90 CÂU HỎI ÔN TẬP 98 CHƯƠNG - MÁY HIỆN SĨNG (Ơ-XI-LƠ) 99 4.1 GIỚI THIỆU CHUNG 99 4.1.1 Khái niệm chung quan sát dạng tín hiệu 99 4.1.2 Các ưu điểm khả ứng dụng ô-xi-lô 100 4.1.3 Phân loại ô-xi-lô 101 Mục lục 4.2 Ô-XI-LÔ TƯƠNG TỰ 101 4.2.1 Sơ đồ khối nguyên lý làm việc ô-xi-lô tương tự kênh 101 4.2.2 Ô-xi-lô nhiều kênh 112 4.3 ĐÂY ĐO DÙNG CHO Ô-XI-LÔ 116 4.3.1 Đây đo thụ động trở kháng cao 117 4.3.2 Dây đo tích cực 118 4.4 Ô-XI-LÔ SỐ 119 4.4.1 Khả ôxilô số 119 4.4.2 Cấu trúc ô-xi-lô số 120 4.5 ỨNG DỤNG ĐO LƯỜNG DÙNG Ô-XI-LÔ 122 4.5.1 Đo tham số tín hiệu điện áp 124 4.5.2 Đo tần số phương pháp Lissajous 125 4.5.3 Đo góc lệch pha 127 4.5.4 Vẽ đặc tuyến Vôn-Ampe điốt 129 4.5.5 Vẽ đặc tuyến BJT 130 CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP 131 CHƯƠNG – CÁC PHÉP ĐO ĐIỆN CƠ BẢN 133 5.1 GIỚI THIỆU CHUNG 133 5.2 ĐO DÒNG ĐIỆN 133 5.2.1 Ampe mét can thiệp 134 5.2.2 Ampe mét không can thiệp 137 5.3 ĐO ĐIỆN ÁP 140 5.3.1 Các trị số điện áp 140 5.3.2 Giới thiệu dụng cụ đo điện áp 141 5.3.3 Đo điện áp sử dụng cấu đo từ điện 143 5.3.4 Vôn mét điện tử 145 5.4 ĐO ĐIỆN TRỞ 150 5.5 THIẾT BỊ ĐO ĐIỆN TỬ VẠN NĂNG (MULTIMETERS) 152 5.5.1 Đồng hồ vạn tương tự - VOM 152 5.5.2 Đồng hồ vạn số - DMM 153 CHƯƠNG - ĐO TẦN SỐ, KHOẢNG THỜI GIAN VÀ GÓC LỆCH PHA 158 6.0 GIỚI THIỆU CHUNG 158 6.1 ĐO TẦN SỐ 160 Mục lục 6.1.1 Đo tần số phương pháp đếm xung 160 6.1.2 Đo tần số phương pháp dùng mạch cộng hưởng 168 6.2 ĐO GÓC LỆCH PHA 170 6.2.1 Khái quát phương pháp đo góc lệch pha 170 6.2.2 Pha mét số 173 CÂU HỎI ÔN TẬP 175 CHƯƠNG – ĐO CÔNG SUẤT 177 7.1 KHÁI NIỆM VỀ ĐO CÔNG SUẤT 177 7.1.1 Các thành phần công suất 177 7.1.2 Đơn vị công suất 179 7.1.3 Các nguyên lý đo công suất 179 7.2 ĐO CÔNG SUẤT Ở TẦN SỐ THẤP VÀ TẦN SỐ CAO 180 7.2.1 Phương pháp điện 181 7.2.2 Phương pháp điện 182 7.2.3 Phương pháp so sánh 188 7.3 ĐO CÔNG SUẤT Ở DẢI SIÊU CAO TẦN 188 7.3.1 Oát met sử dụng cảm biến điện trở nhiệt 190 7.3.2 Oát met sử dụng cảm biến cặp nhiệt điện 193 7.3.3 Oát mét sử dụng cảm biến tách sóng dùng Điốt 193 CHƯƠNG – PHÂN TÍCH PHỔ TÍN HIỆU .194 8.1 GIỚI THIỆU CHUNG PHÂN TÍCH TÍN HIỆU 194 8.1.1 Giới thiệu chung máy phân tích tín hiệu 194 8.1.2 Đồ thị phổ tín hiệu 195 8.2 MÁY PHÂN TÍCH PHỔ 197 8.2.1 Ứng dụng đo lường máy phân tích phổ 197 8.2.2 Các nguyên lý máy phân tích phổ 197 8.2.3 Máy phân tích phổ song song 198 8.2.4 Máy phân tích phổ nối tiếp 199 CHƯƠNG - ĐO THAM SỐ CỦA MẠCH ĐIỆN TỬ 204 9.0 GIỚI THIỆU CHUNG 204 9.1 CÁC THAM SỐ VÀ ĐẶC TÍNH MẠCH ĐIỆN 204 9.1.1 Các tham số, đặc tính mạch điện có phần tử tập chung 204 9.1.2 Các tham số đặc tính mạch điện có phần tử phân bố 207 Mục lục 9.2 ĐO TRỞ KHÁNG CỦA MẠCH VÀ LINH KIỆN ĐIỆN TỬ 209 9.2.1 Sai số phép đo trở kháng 209 9.2.2 Mơ hình mạch tương đương linh kiện 214 9.2.3 Tổng quan phương pháp đo trở kháng 215 9.2.2 So sánh phương pháp đo 218 9.3 ỨNG DỤNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO TRỞ KHÁNG 221 9.3.1 Phương pháp cầu nhánh cân 222 9.3.2 Phương pháp cộng hưởng 227 9.3.3 Phương pháp cầu tự cân 227 9.3.4 Phương pháp biến đổi thời gian - xung 227 9.4 ĐO THAM SỐ VÀ ĐẶC TÍNH CỦA LINH KIỆN VÀ MẠCH PHI TUYẾN 230 9.4.1 Vẽ đặc tuyến Vôn-Ampe 230 9.4.2 Vẽ đặc tuyến biên độ tần số mạng cực 230 9.5 ĐO LƯỜNG, KIỂM NGHIỆM CÁC MẠCH ĐIỆN TỬ SỐ VÀ VI XỬ LÝ 231 9.5.1 Khái niệm đặc tính chung mạch số 231 9.5.2 Các phương pháp phân tích 232 TÀI LIỆU THAM KHẢO .238 Chương – Giới thiệu chung kỹ thuật đo lường điện tử CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT ĐO LƯỜNG ĐIỆN TỬ  Các khái niệm đo lường điện tử  Đối tượng đo lường điện tử  Phân loại phép đo  Chức phân loại thiết bị đo  Đơn vị đo lường, chuẩn, mẫu  Đặc tính thiết bị đo  Đặc tính điện thiết bị đo điện tử  So sánh thiết bị đo tương tự thiết bị đo số  Chọn khoảng đo tự động đo tự động  Đo mạch  Kỹ thuật sử dụng thiết bị đo 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 Các hướng nghiên cứu đo lường bao gồm: 10  Các lý thuyết chung phép đo  Các đơn vị vật lý hệ thống chúng  Các phương pháp công cụ đo  Kỹ thuật đo  Phương pháp xác định độ xác phép đo  Cơ sở bảo đảm cho việc thống phép đo nhiều cơng cụ thực  Cơng cụ đo chuẩn barem Chương – Giới thiệu chung kỹ thuật đo lường điện tử  Các phương pháp để chuyển đơn vị đo từ công cụ chuẩn gốc công cụ làm việc Ngành kĩ thuật chuyên nghiên cứu áp dụng thành đo lường học vào phục vụ sản xuất vào đời sống gọi kĩ thuật đo lường Phần trình khái niệm đo lường điện tử - 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 (Instrumentation): 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 hồn chỉnh thực theo hay vài phương pháp đo cụ thể 11 Chương – Giới thiệu chung kỹ thuật đo lường điện tử Về q trình đo lường chia thành bước khác minh họa hình vẽ sau: Đại lượng đo Thu nhận thơng tin đo Biến đổi, xử lý, đánh giá, so sánh, định lượng thông tin đo Lưu trữ, hiển thị kết 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 công việc thực đo lường, việc tìm giá trị vật lý thực nghiệm với trợ giúp công 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 12