Chuong 12 do tan so

GIÁO ÁN_K THU T OL NG CH NG 12: OT NS CH NG 12 OT NS (2 LT) 12.1 Khái ni m chung - T n s (f: frequency): đ c xác đ nh b i s chu k l p l i c a s thay đ i tín hi u m t đ n v th i gian T n s m t thông s quan tr ng nh t c a trình dao đ ng có chu k - Chu k (Time period, Time cycle): kho ng th i gian nh nh t mà giá tr c a tín hi u l p l i đ l n c a (t c tho mãn ph ng trình u(t) = u(t + T) ) Quan h gi a t n s chu k c a tín hi u dao đ ng là: f [ Hz ] = - T n s góc t c th i ( ): đ góc pha c a tín hi u, t c là: T [ s] c xác đ nh nh vi phân theo th i gian c a ω (t ) = dϕ [ grad ] dt Quan h gi a t n s góc t c th i t n s là: ω (t ) = 2π f (t ) ⇔ f (t ) = ω (t ) 2π v i f(t) t n s t c th i i v i tín hi u dao đ ng u hịa (tín hi u hình sin) có góc pha bi n đ i theo th i gian theo quy lu t n tính nên t n s góc t c th i m t h ng s : ω (t ) = dϕ / dt = ω = const ⇒ t n s f m t đ i l ng không đ i: ω ω (t ) = f = 2π 2π Kho ng t n s đ c s d ng l nh v c khác nh : vô n n t , t đ ng hoá, v t lý thí nghi m, thơng tin liên l c v i d i t n t m t ph n Hz đ n hàng nghìn GHz - T n s k : d ng c đ đo t n s Ngồi cịn có th đo t s gi a hai t n s , t ng c a hai t n s , kho ng th i gian, đ dài xung - Các ph ng pháp đo t n s : vi c l a ch n ph ng pháp đo t n s đ c xác đ nh theo kho ng đo, theo đ xác yêu c u, theo d ng đ ng cong cơng su t ngu n tín hi u có t n s c n đo m t s y u t khác đo t n s c a tín hi u n có hai ph ng pháp: ph ng pháp bi n đ i th ng ph ng pháp so sánh: a) o t n s b ng ph ng pháp bi n đ i th ng: đ c ti n hành b ng lo i t n s k c ng h ng, t n s k c n, t n s k t n, t n s k ch th s : Các t n s k c n t ng t (t n s k n t , n đ ng, s t n đ ng): đ c s d ng đ đo t n s kho ng t 20Hz ÷ 2,5kHz m ch ngu n v i c p xác khơng cao (c p xác 0,2; 0,5; 1,5; 2,5) GV: Lê Qu c Huy_B môn T - L_Khoa i n GIÁO ÁN_K THU T OL NG CH NG 12: OT NS Các lo i t n s k nói chung h n ch s d ng tiêu th công su t l n b rung Các t n s k n dung t ng t : đ đo t n s d i t n t 10Hz ÷ 500kHz, đ c s d ng hi u ch nh, l p ráp thi t b ghi âm rađiô v.v T n s k ch th s : đ c s d ng đ đo xác t n s c a tín hi u xung tín hi u đa hài d i t n t 10Hz ÷50GHz Cịn s d ng đ đo t s t n s , chu k , đ dài xung, kho ng th i gian b) o t n s b ng ph ng pháp so sánh: đ c th c hi n nh ôxilôscôp, c u xoay chi u ph thu c t n s , t n s k đ i t n, t n s k c ng h ng : S d ng ôxilôscôp: đ c th c hi n b ng cách đ c tr c ti p hình ho c so sánh t n s c n đo v i t n s c a m t máy phát chu n n đ nh (d a đ ng cong Lítsazua) Ph ng pháp dùng đ đo t n s tín hi u xoay chi u ho c tín hi u xung d i t n t 10Hz đ n 20MHz T n s k tr n t n: s d ng đ đo t n s c a tín hi u xoay chi u, tín hi u u ch biên đ kho ng t 100kHz ÷20GHz k thu t vô n n t C u xoay chi u ph thu c t n s : đ đo t n s kho ng t 20Hz 20kHz T n s k c ng h ng: đ đo t n s xoay chi u t n s tín hi u u ch biên đ , u ch xung kho ng t 50kHz ÷ 10GHz; th ng s d ng l p thi t b thu phát vô n Trong nh ng n m g n t n s k ch th s đ c s d ng r ng rãi cịn cài đ t thêm µP đ u n s d ng k t qu đo n a D i s ti n hành xét m t s ph ng pháp d ng c đo t n s ph bi n nh t, bao g m: o t n s b ng ph ng pháp c ng h ng T n s k n t C u đo t n s T n s k ch th s 12.2 o t n s b ng ph ng pháp c ng h ng 12.2.1 T n s k c ng h ng n t : Là d ng c đo theo ph ng pháp bi n đ i th ng Th ng đ c s d ng đ đo t n s c a l i n công nghi p C u t o c a t n s k c ng h ng n t nh hình 12.1, bao g m ph n chính: m t nam châm n thép Các thép đ c g n ch t m t đ u, đ u dao đ ng t do, m i có t n s riêng b ng hai l n t n s c a ngu n n c n đo t n s riêng c a m i khác Nguyên lý ho t đ ng c a t n s k n t : d i tác d ng c a t tr ng nam châm n m t chu k c a tín hi u c n đo kim lo i s đ c hút vào nam châm hai l n dao đ ng Thanh có biên đ dao đ ng l n nh t có t n s riêng b ng hai l n t n s c n đo Trên m t d ng c đo (H 12.1b) ta th y biên đ dao đ ng c a kim lo i l n nh t ng v i t n s GV: Lê Qu c Huy_B môn T - L_Khoa i n GIÁO ÁN_K THU T OL NG CH NG 12: OT NS kh c đ m t s Hình 12.1 T n s k c ng h ng n t : a) C u t o ; b) M t ch th u m: c u t o đ n gi n, b n Nh c m: gi i h n đo h p (45 ÷ 55Hz) ho c (450 ÷ 550Hz); sai s c a phép đo th ng ± (1,5 ÷ 2,5)%; khơng s d ng đ c n i có đ rung l n thi t b di chuy n 12.2.2 T n s k c ng h ng n: Là d ng c đo theo ph ng pháp so sánh T n s k s d ng hi n t ng c ng h ng n m t h th ng dao đ ng đ c u ch nh c ng h ng v i t n s c n đo c a ngu n tín hi u S đ kh i nguyên lý nh hình 12.2: Hình 12.2 S đ kh i nguyên lý c a t n s k c ng h ng n Tr ng thái dao đ ng đ c phát hi n theo s ch cao nh t c a b ch th c ng h ng t l v i dòng áp (hay áp) h th ng dao đ ng T n s c n đo đ c kh c đ núm v n c a thi t b dị tìm dao đ ng ho c s d ng b ng s hay đ th B vào đ hoà h p gi a t n s k ngu n tín hi u c n đo Ví d : t n s có ch a h th ng dao đ ng s d ng t xoay đ tìm dao đ ng có th đo t n s đ n 200MHz Ph ng pháp c ng h ng đ n gi n, ti n l i; c p xác có th đ t t i 0,1% 12.3 T n s k n t 12.3.1 T n s k n dung dùng đ i n i n t : Là d ng c đo theo ph ng pháp bi n đ i th ng Nguyên lý ho t đ ng: d a vi c th c hi n vi c đo giá tr trung bình c a dịng phóng I c a t n t n phóng n p có chu k nh p v i t n s c n đo fX S đ nguyên lý nh hình 12.3 Khi khóa K v trí (1) t n C đ c n p t ngu n E qua R1 đ n n áp U1 (th ng n tr R1 t C đ c ch n cho h ng s th i gian n p R1C đ m b o cho t C n p đ y) Sau khóa K v trí (2) t C s phóng qua R2, qua c c u ch th t n đ n n áp U2 Khi n p n, n tích n p c a t C là: qn = C.U1 sau phóng, n tích cịn l i t C là: q cl = C.U suy l ng n tích phóng qua c c u ch th m t chu k c a khóa K là: GV: Lê Qu c Huy_B mơn T - L_Khoa i n GIÁO ÁN_K THU T OL NG CH NG 12: OT NS q = C.(U − U ) T c m t chu k n tích qua c c u ch th q, nh v y n u công t c K đ i n i fX l n m t giây (t ng ng v i fX chu k c a khóa K) giá tr trung bình c a dịng phóng I c a t qua c c u ch th (đ c tính b ng l ng n tích qua c c u ch th m t giây) là: I = q f X = C.(U1 − U ) f X suy ra: fX = I C.(U − U ) t c t n s c n đo fX t l thu n v i dòng ch y qua d ng c đo I, nh v y đo I có th suy fX N u t C U1, U2 đ i l ng không đ i b ng kh c đ c a c c u ch th t n có th kh c tr c ti p theo đ n v t n s Theo nguyên t c t n s k n dung đ c th c hi n nh b đ i n i n t (đ i n i K) v i t n s đ i n i fX c a n áp u n Hình 12.3 S đ nguyên lý c a t n s k n dung dùng đ i n i n t c tính n tính gi a I fX ch có th đ m b o đ c n u u ki n: q = C.(U − U ) = const v y m ch c a t n s k b trí h n ch cho n áp U1 t n p U2 t phóng đ u n m kho ng ng v i d i t n s c n đo m r ng thang đo t n s ph i đ m b o h ng s th i gian n p phóng c a t n s nh h n n a chu k c a t n s cao nh t i u đ t đ c b ng cách thay đ i n dung c a t n (ví d : s d ng m t b t n), n tr c a m ch n p R1 phóng R2 ln khơng đ i Gi i h n c a t n s c n đo: ( ng v i giá tr nh nh t c a t C) đ c xác đ nh b i đ nh y c a c c u ch th t n s đóng c t gi i h n c a b đ i n i K, v i đ i n i s d ng r le c khí th ng đ t đ c t n s t i h n 1kHz, mu n đ t t n s cao h n ph i s d ng b đ i n i r le n t Gi i h n d i c a t n s đo: đ c xác đ nh b i t n s mà xu t hi n dao đ ng c khí c a kim c a c c u ch th (kho ng 10Hz) Sai s c a d ng c đo lo i th ng do: sai s c a c c u ch th , ngu n c p E không n đ nh, t C không n đ nh đ c kh c đ khơng đúng… Ví d : t n s k n dung lo i υ3-7 đ c s d ng đ đo t n s tín hi u hình sin t 10Hz ÷ 500kHz v i sai s c b n ± 2%, n áp vào 0,5V ± 500V, n tr vào h n 500kΩ, n dung đ u vào không 15pF 12.3.2 T n s k n dung dùng ch nh l u: Là d ng c đo theo ph ng pháp bi n đ i th ng GV: Lê Qu c Huy_B môn T - L_Khoa i n GIÁO ÁN_K THU T OL NG CH NG 12: OT NS Nguyên lý ho t đ ng: nh m ch t o xung mà n áp có t n s c n đo fX đ c bi n thành xung vng, kho ng th i gian có xung t C đ c n p qua t D1, kho ng th i gian khơng có xung t phóng qua D2 c c u ch th t n S đ nguyên lý nh hình 12.4: Hình 12.4 S đ nguyên lý c a t n s k n dung dùng ch nh l u Góc l ch α c a c c u ch th s t l v i dịng n trung bình: α = S I I = S I q f X = S I (C.U m ) f X M t khác dịng trung bình I l i t l thu n v i t n s c n đo fx v y góc l ch α t l thu n v i t n s c n đo fx v i u ki n đ nh y c a c c u ch th SI, t C biên đ xung Um không đ i u m: t n s k n dung dùng ch nh l u có u m có kh n ng đo tr c ti p d i t n s r ng Ví d : T n s k Φ433/3 c p xác 1,5; kho ng đo t 0,1Hz ÷ 1000kHz 12.4 C u đo t n s đo t n s , có th dùng c u đo mà u ki n cân b ng c a c u ph thu c vào t n s c a ngu n dòng n cung c p Ví d hình 12.5 s đ m t m ch c u đ n gi n có m t nhánh m ch c ng h ng: R1 R2 Bộ thị cân U fx Lx R4 C R3 Hình 12.5 M ch c u đ n gi n đo t n s i u ki n cân b ng c a c u là: R1 Z = R2 R4 v i: Z = R3 + j (ωL − ) ωC nh v y n u u ch nh thông s c a nhánh cho nhánh Z3 c ng h t n s fx c n đo ta có: ωx L = ng ⇒ Z = R3 ωxC u ki n cân b ng c a c u tr thành: GV: Lê Qu c Huy_B môn T - L_Khoa i n GIÁO ÁN_K THU T OL NG CH NG 12: OT NS R1 R3 = R2 R4 Nh v y phép đo t n s fx vi c th c hi n u ch nh thông s c a nhánh RLC cho nhánh c ng h ng t i t n s c n đo fx đ đ t u ki n cân b ng c a c u V i m ch c th nhánh đ c u ch nh b ng cách u ch nh giá tr c a t n C, t giá tr c a C c u đ t cân b ng có th suy giá tr c a t n s c n đo fx: ω 1 ⇒ ωx = ⇒ fx = x C u cân b ng t i fx ⇒ Z = R3 ⇒ ω x L = 2π ω xC LC nh v y thang đ u ch nh c a t n C có th tr c ti p kh c đ theo đ n v t n s đóng vai trò ch th t n s đo đ c m r ng gi i h n thang đo có th th c hi n b ng cách thay đ i giá tr cu n c m L B ch th cân b ng có th vơnmét ch nh l u, vônmét n t Nh c m ch y u c a m ch khó ch t o cu n c m t n s th p, khó th c hi n ch th khơng có tác đ ng c a n t tr ng lên cu n n c m Lo i m ch c u ph bi n h n đ đo t n s m ch có s đ nh hình 12.6: R3 R2 C3 U fx Bộ thị cân R C4 R1 R4 Hỡnh 12.6 M ch c u đo t n s i u ki n cân b ng c a c u ( b qua n tr c a bi n tr R):  R1 R3 = R2  R4 + + jω x C R3 jω x C      R1 R3 C R = R + C  4 ⇔  =ω C R R x 3 ω x C ⇒ giá tr t n s c n đo là: ωx = R3 R4 C 3C ⇒ fx = ωx = 2π 2π R3 R4 C C N u ch n n tr t n cho: R3 = R4 = R C = C = C k t qu t n s đo đ c s là: fx = 2π RC Ngồi cịn có th dùng lo i c u ch “T kép” nh hình 12.7 GV: Lê Qu c Huy_B môn T - L_Khoa i n i u ki n cân GIÁO ÁN_K THU T OL NG CH NG 12: OT NS b ng c a c u là: ω x2 R22 C1 C =  2 2.ω x C1 R1 R2 = Khi R2 = 2.R1 ; C = 2.C1 ta có: ω x = R1C1 ⇒ f x = U fx R1C1 4π C1 C1 R2 R2 C2 R1 Bé chØ thÞ c©n b»ng Hình 12.7 C u ch “T kép” đo t n s Nh v y thay u ch nh giá tr c a t n ta có th u ch nh giá tr c a n tr R1 đ c u đ t cân b ng, thang chia đ u ch nh c a R1 có th tr c ti p kh c đ theo t n s Ph ng pháp c u dùng đ đo t n s t vài ch c Hz t i vài tr m kHz; sai s đo kho ng (0,5-1%) 12.5 T n s k ch th s Nguyên lý c a m t t n s k ch th s đ m s xung N t ng ng v i s chu k c a t n s c n đo fx kho ng th i gian g i th i gian đo Tđo Trong kho ng Tđo ta đ m đ c N xung t l v i t n s c n đo fx hình 12.8a s đ kh i c a m t t n s k ch th s - Quá trình ho t đ ng c a t n s k ch th s nh sau: ngu n tín hi u có t n s c n đo đ c đ a đ n đ u vào c a "B vào" “B vào” bao g m m t b khu ch đ i d i r ng v i t n s t 10Hz ÷ 3,5MHz m t b suy gi m tín hi u; m c đích đ hịa h p t n s k v i ngu n tín hi u có t n s c n đo, đ ng th i đ khu ch đ i hay h n ch n áp vào đ n giá tr đ đ kích thích t o xung làm vi c Ti p theo b t o xung -“B TX” có ch c n ng bi n tín hi u hình sin ho c tín hi u xung có chu k thành m t dãy xung DX có biên đ khơng đ i (không ph thu c vào biên đ c a tín hi u vào) nh ng có t n s b ng t n s c a tín hi u vào (H.12.8b) ng th i v i trình trên, máy phát t n s chu n -“MF TC chu n f0” phát t n s chu n đ c n đ nh b ng th ch anh có t n s f0 = 1MHz Tín hi u có t n s fo đ c đ a qua “B chia t n s ” theo m c v i h s 10n, t n s chu n f0 = 1MHz s đ c chia đ n 0,01Hz Ngh a đ u c a m ch u n theo 10n (n = 1, 2, , 8) t ng ng có th nh n đ c kho ng th i gian Tđo = / f = 106 ; 10-5; 10-4; 10-3; 10-2; 10-1; 1; 10; 100s GV: Lê Qu c Huy_B môn T - L_Khoa i n GIÁO ÁN_K THU T OL NG CH NG 12: OT NS Trong th i gian Tđo m ch u n “ K” cho m khố K (khố có hai đ u vào) đ cho phép dãy xung DX (có t n s t l v i fx) vào b đ m sau c c u ch th , s xung đ m đ c th i gian Tđo N Nh v y suy chu k c a dãy xung là: T k To k T x = = = v i k = 10 n N N N f suy t n s c a dãy xung là: fx = f = N Tx k N u Tđo= 1s (k = 106) s xung N (t c s chu k ) s t n s c n đo fx ngh a là: fx = N a) Hình 12.8 T n s k ch th s : a) S đ kh i ; b) Gi n đ xung M ch u n ph trách vi c u n trình đo; b o đ m th i gian bi u th k t qu đo c t 0,3÷5s ch th s ; xoá k t qu đo đ a v tr ng thái ban đ u tr c m i l n đo; u n ch đ làm vi c: t đ ng, b ng tay, hay kh i đ ng bên (external trigger); ch n d i đo t n s (cho xung m khoá K) cho xung u n máy in s B hi n s th ng có nhi u digit (hàng đ n v , hàng ch c, hàng tr m ) b o đ m ch th toàn b d i t n s c n đo - Sai s c a phép đo y u t nh h ng đ n sai s : sai s c b n c a GV: Lê Qu c Huy_B môn T - L_Khoa i n GIÁO ÁN_K THU T OL NG CH NG 12: OT NS phép đo t n s t n s sai s l ng t theo th i gian, sai s t ng t n s c n đo gi m C th sai s t ng đ i c a phép đo t n s đ c tính nh sau: ∆f ∆N ∆Tdo γf = x = + fx N Tdo Thành ph n ∆N / N : ph thu c vào t s gi a th i gian đo Tđo chu k c a tín hi u c n đo Tx = / f x Sai s l ng t theo th i gian q trình khơng trùng gi a th i m b t đ u th i gian đo Tđo th i m b t đ u chu k Tx N u Tđo Tx b i s c a (t c trùng m đ u c a hai kho ng th i gian) sai s ∆N = 0; n u nh Tđo Tx không ph i b i s c a sai s l n nh t c a q trình l ng t hố ∆N = ±1 xung thu c dãy bé nh t c a b đ m Thành ph n th hai c a sai s ∆Tdo / Tdo : đ c xác đ nh b i đ bi n đ ng c a t n s chu n f0 t máy phát th ch anh đ cho c a s Tđo Sai s c 10-7 đ c tính là: ∆Tdo ∆f = = γ f0 Tdo f0 V y sai s c a phép đo t n s s là: ∆f ∆N ∆Tdo 1 γf = x = + = + γ f0 = + γ fo fx N Tdo N f x Tdo Nh v y n u γ f = const sai s c a phép đo t n s t l ngh ch v i đ l n c a t n s đo, t c sai s nh ta đo t n s cao, sai s s l n ta đo t n s th p Ví d : v i γ f = 10 −7 n u đo t n s fx = 10MHz, Tđo = 1s, γf = 2.10-5 % n u fx = 10Hz, Tđo γf = 10% Nh v y, đo t n s cao sai s c a phép đo ch y u đ không n đ nh c a t n s máy phát chu n fo Còn đo t n s th p sai s ch y u sai s l ng t - Gi m sai s đo t n s th p: mu n gi m sai s đo t n s th p ph i t ng th i gian đo Tđo nh ng u không ph i c ng th c hi n đ c Vì v y t n s k ch th s ho c ng i ta s d ng b nhân t n s đ nhân t n s c n đo lên 10n l n ho c không c n đo t n s n a mà chuy n phép đo t n s sang đo th i gian m t chu k Tx c a tín hi u c n đo Khi đo chu k Tx ta th c hi n theo s đ nh hình 12.9 Tín hi u có t n s c n đo fx qua “B vào” qua b t o xung “TX” s t o tín hi u Tx chu k c a t n s c n đo Tín hi u Tx qua b u n s đ a vào m khoá K, nh v y th i gian Tx b ng Tđo Trong th i gian Tx khoá K m tín hi u f0 t máy phát t n s chu n s vào b đ m c c u ch th s , s xung đ m đ c N Quan h gi a N Tx là: GV: Lê Qu c Huy_B môn T - L_Khoa i n GIÁO ÁN_K THU T OL NG CH N= NG 12: OT NS Tx f = To fx suy t n s c n đo là: fx = f0 N Hình 12.9 T n s k ch th s gi m đ c sai s đo t n s th p: a) S đ kh i ; b) Gi n đ xung Sai s t ng đ i c a phép đo chu k đ  c tính là: T  γ Tx = ± γ f + .100(%) ( N T x )  GV: Lê Qu c Huy_B môn T - L_Khoa i n 10 ... ∆Tdo / Tdo : đ c xác đ nh b i đ bi n đ ng c a t n s chu n f0 t máy phát th ch anh đ cho c a s Tđo Sai s c 10-7 đ c tính là: ∆Tdo ∆f = = γ f0 Tdo f0 V y sai s c a phép đo t n s s là: ∆f ∆N ∆Tdo... OL NG CH NG 12: OT NS phép đo t n s t n s sai s l ng t theo th i gian, sai s t ng t n s c n đo gi m C th sai s t ng đ i c a phép đo t n s đ c tính nh sau: ∆f ∆N ∆Tdo γf = x = + fx N Tdo Thành ph... t d ng c đo (H 12. 1b) ta th y biên đ dao đ ng c a kim lo i l n nh t ng v i t n s GV: Lê Qu c Huy_B môn T - L_Khoa i n GIÁO ÁN_K THU T OL NG CH NG 12: OT NS kh c đ m t s Hình 12. 1 T n s k c ng