Giáo trình Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử

Cïng víi qu¸ tr×nh ph¸t triÓn cña khoa häc c«ng nghÖ, kü thuËt ®iÖn tö vµ kü thuËt viÔn th«ng lµ nh÷ng qu¸ tr×nh tiÕn triÓn g¾n chÆt víi kh¶ n¨ng thùc hiÖn vµ hoµn thiÖn kü thuËt ®o l †[r]

PGS Vũ Quý Điềm (Chủ biên) Phạm Văn Tuân

Đỗ Lê Phú

Cơ sở kỹ thuật

Đo lờng điện tử

Mục lục

Lời nói đầu

Ch¬ng Giíi thiƯu chung vỊ kü thuật Đo lờng điện tử

1.1 i tng Đo l†ờng điện tử 1.1.1 Các đặc tính thơng số tín hiệu 1.1.2 Các tham số đặc tính mạch điện tử 17 1.2 Các khái niệm Đo l†ờng điện tử 21

1.2.1 Khái niệm đo lờng 21

1.2.2 Các phơng pháp biện pháp đo lờng 22

Chơng Định giá sai số Đo lờng

2.1 Nguyên nhân phân loại sai số Đo lờng 28

2.1.1 Nguyên nhân gây sai số 28

2.1.2 Phân loại sai số 29

2.1.3 Các biểu thức diễn đạt sai số 30 2.2 ứng dụng ph†ơng pháp phân bố chuẩn để định giá sai số 31 2.2.1 Hàm mật độ phân bố sai số 32 2.2.2 Hệ nghiên cứu hàm mật độ phân bố sai số 33 2.2.3 Sử dụng đặc số phân bố để định giá kết qu đo sai số đo 36

2.3 Cách xác định kết đo 39

2.3.1 Sai sè d† 39

2.3.2 Độ tin cậy khoảng xác 42 2.3.3 Cách xác định kết đo thực đo nhiều lần 45 2.3.4 Tính sai số tr†ờng hợp đo gián tiếp 48 2.3.6 Tính sai số đo vị trí thị cực trị 51 2.3.7 L†u đồ thực trình xử lý, định giá sai số

xác định kết đo 54

Chơng Quan sát Đo lờng dạng tín hiƯu

3.1 Kh¸i niƯm chung 55

3.2 Cấu tạo ôxilô 57

3.2.2 B tạo điện áp quét 63 3.2.3 Bộ khuếch đại dao động ký 69 3.3 Công dụng dao động ký (ôxilô) 73 3.3.1 Đo biên độ điện áp tín hiệu 73 3.3.2 Đặc tuyến vơn-ampe đặc tuyến tần số 75 3.4 Cấu tạo dao động ký (ôxilô) nhiều kênh 80 3.4.1 Cấu tạo dao động ký (ôxilô) hai tia 81 3.4.2 Ph†ơng pháp biến đổi luân phiên-chuyển mạch điện tử 82 3.5 Cấu tạo dao động ký (ơxilơ) quan sát tín hiệu siêu cao tần 89

3.5.1 Đặc điểm 89

3.5.2 Phng phỏp quan sát lấy mẫu 91 3.6 Cấu tạo dao động ký (ơxilơ) có nhớ loại t†ơng tự 94

3.6.1 CÊu t¹o 94

3.6.2 Nguyên lý hoạt động ca ụxilụ cú nh 95

3.7 ôxilô điện tö sè 96

3.7.1 Cấu trúc khả ơxilơ số 96 3.7.2 Ơxilơ có cài đặt vi xử lý (micropocessor-PP) 98

Chơng Đo tần số, khoảng thời gian đo độ di pha

4.1 Khái niệm chung 111

4.2 Đo tần số mạch điện có thông số phụ thuộc tần số 113

4.2.1 Phơng pháp cầu 113

4.2.2 Ph†ơng pháp cộng h†ởng 115 4.3 Đo tần số ph†ơng pháp dùng thiết bị so sánh 123 4.3.1 Ph†ơng pháp dùng dao động đồ ôxilô 123 4.3.2 So sánh ph†ơng pháp ngoai sai 125 4.3.3 Đo tần s bng phng phỏp m xung

4.4 Đo khoảng thêi gian 134

4.4.1 Máy đếm điện tử 134

4.4.2 Bộ đếm thiết bị đo số 139 4.4.3 Bộ gii mã thiết bị đo số 149

4.4.4 Bé chØ thÞ sè 159

4.5.1 Tổ hợp mạng tần số tích cực dùng kỹ thuật mạch số 180 4.5.2 Tổ hợp tần số cã cÊu t¹o vi xư lý (PP) 181

4.6 o di pha 186

4.6.1 Các phơng pháp ®o di pha 188

4.6.2 Pha mÐt chØ thÞ sè 195

4.6.3 Pha-mét số có cài đặt micropocesor 198

Chơng Đo điện áp

5.1 Đặc điểm yêu cầu phép đo tín hiệu điện áp 201

5.1.1 Các trị số điện áp đo 201

5.1.2 Cấu tạo phân loại vôn-mét điện tử 204 5.2 Vôn-mét điện tử loại tơng tự-dùng điện kế thị kim 205

5.2.1 Cỏc đặc tính tách sóng 206

5.2.2 Khối khuếch đại vơn-mét điện tử 215

5.2.3 Khèi chØ thÞ kim 217

5.2.4 Vôn-mét đo điện áp xung 217

5.3 Cấu tạo vôn-mét điện tử số 222

5.3.1 Bộ biến đổi t†ơng tự - số (the analog to digital converter) 222 5.3.2 Ví dụ giải mã để thực ký tự số ả-rập 234 5.3.3 Vơn-mét điện tử số có cài đặt PP 236

Chơng Đo công suất

6.1 Các khái niệm phơng pháp đo công suất 243

6.1.1 Khái niệm 243

6.1.2 Phơng pháp đo công suất 245 6.1.3 Đo công suất tần số thấp tần số cao 247 6.1.4 Đo công suất siêu cao tần dùng nhiệt điện trở 252

6.2 §o c«ng st hÊp thơ 258

6.2.1 Ph†ơng pháp vôn-mét (và ampe-mét) 258 6.2.2 Ph†ơng pháp đo c†ờng độ ánh sáng 259 6.2.3 Ph†ơng pháp nhiệt l†ợng mét 260

6.3 Đo công suất truyền thông 263

6.4 O¸t-mÐt dïng kü thuËt sè 268

Chơng Đo tham số điều chế đặc tính phổ tín hiệu

7.1 §o hƯ sè ®iỊu chÕ 274

7.1.1 Đo hệ số điều chế biên độ 277 7.1.2 Đo thông số điều tần 282 7.1.3 Đo thông số điều chế xung 286 7.2 Đo méo không đ†ờng thẳng 289

7.3 Phân tích phổ tín hiệu 292

7.3.1 Phơng pháp phân tích 293

7.3.2 Cấu trúc thiết bị phân tích phổ theo phơng pháp số 300 7.3.3 Máy phân tÝch phỉ dïng bé vi xư lý víi tht to¸n

biến đổi nhanh Fourrier 309

Chơng Đo thơng số đặc tính phần tử mạch điện

8.1 Đo thông số mạch điện có phần tử tập trung 317 8.1.1 Đo thông số linh kiện đ†ờng thẳng 317 8.1.2 Đo thử thông số đèn bán dẫn 333 8.2 Đo thông số mạch điện có phần tử phân bố 337

8.2.1 Kh¸i niƯm 337

8.2.2 Các linh kiện đo l†ờng siêu cao tần 340 8.2.3 Công dụng đo l†ờng dây đo 353 8.2.4 Đo trở kháng dây đo có đầu dị cố định 379 8.2.5 Đo trở kháng phản xạ mét cầu đo 382

Chơng Đo lờng, kiểm nghiệm mạch điện tư sè vµ vi xư lý

9.1 Khái niệm đặc tính chung mạch số 388 9.2 Các ph†ơng pháp phân tích 390 9.2.1 Ph†ơng pháp phân tích logic 390 9.2.2 Ph†ơng pháp phân tích nhận dạng mã địa (Signature Analysis) 398 9.3 Các nguyên lý tự kiểm tra (Principles of self - testing) 409 9.3.1 Ph†ơng pháp LSSD (Level - Sensitive Scan Design) 409 9.3.2 Ph†ơng pháp BILBO (Built-In Logic Block Observer) 410

9.3.3 Phơng pháp MICROBIT 411

Chng 10 o lng t động

10.1.1 Tự động hoá phần trình đo l†ờng 420 10.1.2 Tự động hố hồn tồn q trình đo l†ờng 435 10.2 Hệ thống giao diện số đo l†ờng

(Interface for measurement system) 448

10.2.1 Giíi thiƯu chung 448

10.2.2 Thiết kế mạch kiểu mảng khối modun 449 10.2.3 Giao diÖn IEC (The International Electrotechnical Commission) 452

Lời nói đầu

Giỏo trỡnh "C sở kỹ thuật đo l†ờng điện tử" đ†ợc biên soạn nhằm phục vụ cho việc học tập sinh viên đại học thuộc ngành kỹ thuật điện tử- viễn thơng Cuốn sách dùng làm tài liệu tham khảo cho ngành kỹ thuật khác có sử dụng kỹ thuật đo l†ờng điện tử nh† ph†ơng pháp để nghiên cứu khoa học, sử dụng khai thác kỹ thuật ngành

So với “Cơ sở kỹ thuật Đo l†ờng Vô tuyến điện” đ†ợc xuất tr†ớc đây, mà ch†ơng mục tập sách đ†ợc xếp theo đề c†ơng ch†ơng trình mơn học Đo l†ờng Vơ tuyến điện, đ†ợc sử dụng làm giáo trình tr†ờng Đại học Bách khoa Hà nội hai thập niên tr†ớc, kỹ thuật đo l†ờng điện tử có phát triển v†ợt bậc, nhiều thiết bị đo biến đổi hoàn toàn Ngày nay, Điện tử trở thành lĩnh vực đa dạng có phát triển v†ợt bậc, ta coi Vơ tuyến điện tử (Radio-Electronics) cịn h†ớng phát triển Điện tử Do tên gọi mơn học nh† tên giáo trình phải có thay đổi theo h†ớng phát triển thích hợp

Nói phát triển kỹ thuật Đo l†ờng điện tử, tr†ớc hết phải nói thay đổi thiết bị đo có sử dụng vi xử lý (microprocessors) Vi xử lý trở thành phận chủ yếu cấu thành thiết bị đo Việc áp dụng vi xử lý vào kỹ thuật đo l†ờng làm tăng tính năng, thông số thiết bị đo lên nhiều; mở cách giải vấn đề mà tr†ớc ch†a đ†ợc đặt Có Vi xử lý làm cho thiết bị đo đa chức năng, đơn giản hoá việc điều khiển, tự động điều chỉnh, tự động lấy chuẩn, tự động kiểm tra, làm tăng thêm độ tin cậy thông số phép đo, thực tính tốn, xử lý thống kê kết quả; tức tạo đ†ợc thiết bị đo l†ờng lập trình tự động Một phần sách đ†ợc dùng để trình bày nguyên tắc khả thiết bị đo có vi xử lý

Tuy vậy, thực tế nhiều cần thiết bị đo đơn giản hơn, nên nhiều thiết bị đo dùng kỹ thuật t†ơng tự kỹ thuật số có sơ đồ lơ-gích đ†ợc sử dụng đ†ợc sản xuất tiếp tục Trong sách đề cập đến nguyên tắc truyền thống kỹ thuật Đo l†ờng điện tử

Kỹ thuật Đo l†ờng điện tử ngành kỹ thuật có phạm vi rộng, đối t†ợng đo, môi tr†ờng điều kiện đo, nh† dải tần đo, l†ợng trình đo cấu tạo mạch đo Tham vọng tác giả làm để gói gọn đ†ợc phạm vi rộng lớn nói vào vấn để cách trình bày phải thể đ†ợc nguyên tắc truyền thống nh† cập nhật đ†ợc nguyên tắc hoàn toàn sách Mặc dù cố gắng để sách đạt đ†ợc ý t†ởng nói trên, song

chắc khơng tránh khỏi cịn sai sót, tác giả mong đ†ợc góp ý, dẫn bạn đọc Các ý kiến xin gửi Khoa Điện tử- Viễn thông, tr†ờng Đại học Bách khoa H ni, in thoi 8692242

Ngày tháng năm 2001 PGS Vũ Quý Điềm

Ch¬ng I

Giíi thiƯu chung vỊ kü tht đo lờng điện tử

Mở đầu

Trong trình phát triển khoa học kỹ thuật mà toàn giới chứng kiến, điện tử ngành phát triển mũi nhọn ứng dụng điện tử, tin học, viễn thông ngày lớn ảnh h†ởng sâu sắc đến sống cách thức làm việc toàn xã hội Để phát triển đ†ợc lĩnh vực tổng thể chung ngành điện tử, vấn đề đo l†ờng vấn đề cần đ†ợc quan tâm phát triển Nội dung giáo trình “Đo l†ờng điện tử” đ†ợc giới thiệu tập sách nói cách tóm tắt là: nghiên cứu ph†ơng pháp đo l†ờng điện tử bản, biện pháp kỹ thuật để thực ph†ơng pháp đo thao tác kỹ thuật đo l†ờng để đạt đ†ợc yêu cầu cần thiết phép đo

Cụ thể, nội dung bao gồm vấn đề ph†ơng pháp đo l†ờng thơng số tín hiệu mạch điện, biện pháp cấu tạo mạch đo nh† cấu trúc tính máy đo, cách nâng cao độ xác phép đo nh† cách xác định, hạn chế sai số kết đo

Đo l†ờng thông số đặc tính tín hiệu nh† đo thơng số c†ờng độ tín hiệu (Ví dụ nh† thơng số dịng điện, điện áp, cơng suất ), nh† quan sát dạng tín hiệu, đo tần số, đo di pha, phân tích phổ tín hiệu Đo thơng số mạch điện nh† thông số linh kiện đ†ờng thẳng, linh kiện không đ†ờng thẳng (các linh kiện sở nh† điện trở, tụ điện, đèn điện tử, đèn bán dẫn đến linh kiện nh† IC, loại mạch tích hợp ), mạch điện có phần tử tập trung, thơng số linh kiện đ†ờng thẳng mạch siêu cao tần

Đặc điểm kỹ thuật đo l†ờng điện tử phép đo đ†ợc thực dải phổ rộng, từ 0Hz (tín hiệu khơng biến đổi) đến 3.1015 Hz (sóng quang) Do ph†ơng pháp đo, cấu trúc máy đo độ xác phép đo tuỳ thuộc vào dải tần đối t†ợng đo l†ờng Ví dụ tần số thấp dễ dàng đo đ†ợc dòng điện điện áp, nh†ng siêu cao tần thơng số cần xác định dịng

điện, điện áp trở nên vô nghĩa cần định l†ợng thông số mạch, mà phải xác định chúng thơng qua cơng suất Hay ví dụ, đại l†ợng cần đo trở kháng mạch, mà tần số thấp dùng thiết bị đo loại cầu bốn nhánh, tần số cao thiết bị đo cầu cộng h†ởng điện áp hay dòng điện, tần số siêu cao tần thiết bị đo phải dùng dây đo đo ống dẫn sóng hay dây đồng trục

Độ xác phép đo th†ờng phụ thuộc nhiều vào khử bỏ ảnh h†ởng ghép ký sinh thông số thân máy đo tới mạch cần đo, ví dụ nh† điện dung, điện cảm, điện trở máy đo ảnh h†ởng tăng tần số tăng cao Do đo đại l†ợng mà tần số khác khơng cần có ph†ơng pháp khác mà máy đo đ†ợc dùng để đo phải có cấu tạo khác Khi chọn ph†ơng pháp đo máy đo thích hợp cần phải ý tới thao tác cần thiết, cách mắc đo để nâng cao độ xác phép đo Ví dụ nh† cần giảm tới mức tối thiểu điện áp tạp tán, điện dung ký sinh dây nối, máy đo Các ảnh h†ởng th†ờng trở nên đáng kể lĩnh vực đo l†ờng điện tử, phép đo th†ờng đ†ợc thực tần số cao, công suất bé hay đ†ợc tiến hành trạng thái cộng h†ởng

L†ợng trình đại l†ợng cần đo kỹ thuật điện tử rộng đa dạng Ví dụ nh† với việc đo tần số phải thực phép đo có l†ợng trình từ 0Hz đến 1015Hz Đo cơng suất từ thiết bị có công suất lớn tới 108 W, d†ới ph†ơng thức điều chế tín hiệu khác nh†: điều biên, điều tần, điều pha điều xung, với độ rộng xung tới 10-9s.

Sự cần thiết đo l†ờng kỹ thuật điện tử lớn, hầu nh† phải sử dụng lúc, chỗ Khi nghiên cứu thiết kế, điều chỉnh khai thác, lắp đặt vận hành hệ thống điện tử, viễn thơng, khơng thể khơng có máy đo Cho hệ thống làm việc, hay điều chỉnh thiết bị điện tử, trình đo l†ờng chế độ cơng tác, lấy đặc tính khối, khâu riêng biệt hay toàn Do vậy, với máy đo có độ xác cần thiết điều chỉnh đ†ợc thiết bị đạt đ†ợc yêu cầu mong muốn Khi lắp ráp, chế tạo thiết bị điện tử, thiết bị viễn thông, cần đo l†ờng Vì tính tốn thiết kế cho đ†ợc số liệu sơ bộ, muốn có đ†ợc chế độ công tác thực tế thông số thích hợp sở thực nghiệm có Với cơng tác nghiên cứu việc xây dựng ph†ơng pháp đo kiện toàn thiết bị đo lại quan trọng Khơng phải có số l†ợng kết quả, mà phân tích chất l†ợng có ích lợi cho cơng việc liên quan tới lĩnh vực nghiên cứu Khi khai thác hệ thống điện tử, cần phải luôn kiểm tra phát h† hỏng, thực q trình cơng tác, giữ đ†ợc tiêu kỹ thuật cao q trình làm việc, xác định nhanh chóng ngun nhân làm tiêu chuẩn công tác Tất điều khơng thực đ†ợc khơng có tổ hợp phép đo máy đo

Cùng với trình phát triển khoa học công nghệ, kỹ thuật điện tử kỹ thuật viễn thông trình tiến triển gắn chặt với khả thực hoàn thiện kỹ thuật đo lờng Ví dụ, thành tựu lĩnh vực nghiên cứu không gian vũ trụ nh

v tinh trái đất hệ thống phức tạp máy móc đo l†ờng điện tử Quá trình điều khiển tự động bao hàm số lớn phép đo loại khác với độ xác cao Trên sở phát đoạn tần số sóng mới, ph†ơng pháp đo xuất theo, tạo thêm yêu cầu đặc biệt chế tạo cho máy đo Ngày nay, với phát triển khoa học công nghệ ng†ời ta tự động hoá đ†ợc trình sản xuất, thành tựu đ†ợc thích ứng với ph†ơng pháp đo thiết bị đo kỹ thuật đo l†ờng tự động

Kết việc đo l†ờng đ†ợc xác hay khơng cịn tuỳ thuộc nhiều vào chủ quan ng†ời đo Muốn kết đo xác, phải chọn đ†ợc phép đo với nhiệm vụ đặt ra, thích hợp với đối t†ợng cần đo Cần phải nắm đ†ợc ph†ơng pháp đo khác nhau, biết đ†ợc tính máy đo, xử lý thích đáng đ†ợc nguồn gốc sai số đo Khơng cẩn thận q trình đo, đầy đủ đặc điểm đối t†ợng đo, đặc tính tín hiệu cần đo, khả máy đo khơng thể có kết đo xác Sự thơng thạo ng†ời làm kỹ thuật đo l†ờng nâng cao đ†ợc độ xác phép đo, thực phép đo cách linh hoạt Sự thông thạo thể chỗ hiểu rõ phép đo sử dụng thành thạo máy đo, mà thể chỗ biết vận dụng để hiểu đ†ợc nguyên lý đo l†ờng hệ thống điện tử đại Ví dụ nh† hệ thống Radar hệ thống có yêu cầu đo khoảng thời gian, sở số hệ thống điều khiển phép đo di pha rời rạc hoá thị số

Để nghiên cứu giáo trình “Cơ sở kỹ thuật đo l†ờng điện tử” này, yêu cầu ng†ời đọc đ†ợc nghiên cứu giáo trình kỹ thuật sở ngành kỹ thuật điện tử Các giáo trình kỹ thuật sở có quan hệ trực tiếp cần phải kể đến nh† giáo trình điện tử bán dẫn, lý thuyết sở tín hiệu mạch điện vô tuyến điện, sở thiết bị khuếch đại, kỹ thuật xung số, lý thuyết xác suất thống kê Sở dĩ nh† vậy, tất kiến thức chung giáo trình lý thuyết sở cần thiết để xây dựng ph†ơng pháp đo l†ờng thơng số tín hiệu nh† mạch điện tử Từ đó, kỹ thuật sở để xây dựng biện pháp thực ph†ơng pháp đo này, tức cấu trúc cụ thể mạch đo máy đo

Cơ sở phát triển kỹ thuật điện tử từ kỹ thuật điện, nên đo l†ờng điện tử xuất phát từ sở kỹ thuật đo l†ờng điện Tuy có quan hệ gắn bó nh† vậy, nh†ng hai mơn học có quan điểm khác Nhiệm vụ kỹ thuật điện tạo ra, truyền dẫn biến đổi l†ợng điện từ Còn nhiệm vụ kỹ thuật điện tử truyền lan gia công tin tức nhờ dao động điện từ Do vậy, hai ngành điện điện tử phải đ†ợc nghiên cứu theo hai quan điểm khác nhau, quan điểm l†ợng quan điểm thông tin

Nh† vậy, đo l†ờng điện tử, ng†ời ta th†ờng quan tâm tới khía cạnh l†ợng q trình Điều trọng nhiều thơng số đặc tính đặc tr†ng cho mạch tín hiệu mặt thơng tin, ví dụ nh† tần số, pha, trở kháng đặc tính, hệ số truyền đạt thơng số dạng tín hiệu

Các phần sau đây, xem xét tới đối t†ợng ph†ơng pháp đo l†ờng điện tử cách chi tiết

1.1 Đối tợng đo lờng điện tử

1.1.1 Các đặc tính thơng số tín hiệu

Tín hiệu dùng điện tử đợc mô tả biểu thức toán học sau đây: s(t)=s(t, a1, a2, ,an)

hc s(f)=s(f, b1, b2, ,bn)

Từ biểu thức đây, ta thấy rằng, tín hiệu s(t) phụ thuộc vào thời gian s(f) khơng phụ thuộc tần số mà chúng cịn phụ thuộc vào nhiều đại l†ợng khác a1, a2, , an b1, b2, ,bn Các đại l†ợng đ†ợc gọi chung thơng số tín hiệu

Tín hiệu s có nhiều dạng khác nhau, tuỳ mục đích sử dụng tức tuỳ thuộc vào loại tin tức mà tín hiệu phản ảnh

Để nghiên cứu biện pháp truyền dẫn biến đổi tín hiệu, cần phải tiến hành đo l†ờng thơng số Ng†ời ta khơng xét tới thơng số tất loại tín hiệu, rõ ràng thực tế khơng thể làm nh† đ†ợc, thực không cần thiết Số l†ợng tín hiệu đ†ợc dùng để quy định làm đối t†ợng đo l†ờng so với số l†ợng tín hiệu thực tế đ†ợc gọi tín hiệu mẫu Số tín hiệu mẫu tối thiểu nh†ng mặt đo l†ờng, chúng thoả mãn đ†ợc yêu cầu biểu diễn đ†ợc mô hình đơn giản tín hiệu thực tế

Khi đo l†ờng thơng số đặc tính mạch điện, ng†ời ta dùng tín hiệu mẫu Biết đ†ợc phản ứng mạch với dạng tín hiệu ấy, suy phản ứng mạch với dạng tín hiệu khỏc

Các tín hiệu điện tử thờng đợc biểu diễn theo hàm thời gian theo hàm theo tần số

Dạng tín hiệu đợc khảo sát thông số, bao gồm: -Tín hiệu điều hoà

-Tín hiệu tuần hoàn -TÝn hiƯu xung -TÝn hiƯu sè

1 C¸ch biĨu diƠn tÝn hiƯu theo hµm sè cđa thêi gian vµ theo hàm số tần số

a Hàm sè theo thêi gian

Hµm sè theo thêi gian hàm số dạng: s=f(t)

Ngoi tham s thời gian ra, nh† trình bày phần trên, cịn có tham số khác biểu thức f(t), nên biểu thức s đ†ợc biểu diễn thành dạng nh†

sau:

S=f(t, a1, a2, , an)

Các thông số a1, a2, , an tín hiệu xác định dạng tín hiệu, với tín hiệu khác nhau, ta có tham số khác hàm số khác Với loại tín hiệu khác đó, để đo thơng số tín hiệu chúng, ng†ời ta phải có ph†ơng pháp phù hợp nhằm đ†a kết gần với thực tế

Ví dụ sử dụng Ơ-xi-lơ để hiển thị tín hiệu theo thời gian, ta thấy đ†ợc tham số dạng tín hiệu nh† c†ờng độ, chu kỳ, độ di pha

Các thiết bị đo l†ờng đ†ợc thiết kế cho việc đo đạc vài thơng số nên tuỳ theo thông số cần đo, ta phải chọn loại máy đo thích hợp, ví dụ nh† để đo thơng số c†ờng độ ta dùng vơn-mét để đo điện áp, ampe-mét để đo dịng điện, ốt-mét để đo cơng suất Ngồi với giải l†ợng trình khác nhau, ng†ời ta phải sử dụng ph†ơng pháp thiết bị đo phù hợp, ví dụ nh† với giải tần số khác nhau, ng†ời ta phải có ph†ơng pháp thiết bị đo khác

t S 0 Z M SM 0 f T Z S H×nh 1-1

b Hàm số theo tần số

Hàm theo tần số hàm có dạng s=M(f)

Hàm số theo tần số th†ờng đ†ợc dùng để biểu diễn cho tín hiệu tuần hồn cho tín hiệu khoảng thời gian hữu hạn

Khi biểu diễn hàm số theo tần số, †u điểm ng†ời ta thấy đ†ợc dải tần tín hiệu, từ ng†ời ta có ph†ơng pháp phù hợp cho việc gia cơng tín hiệu

f-F f f+F f U

0 U

0 t

H×nh 1-2

Ví dụ cần lấy mẫu tín hiệu, ng†ời ta phải biết đ†ợc dải tần lấy mẫu khoảng thời gian phù hợp với tần số tín hiệu theo định lý lấy mẫu:

U

0 U

0 t t

H×nh 1-3

MAX lm

F

1

T d

Víi Tlm lµ chu kỳ lấy mẫu;

FMAX tần số lớn nhÊt cđa tÝn hiƯu

2 C¸c thông số dạng tín hiệu

a Tín hiệu điều hoà

Dao ng iu ho dùng để mơ tiếng nói, âm nhạc, , có biểu thức tốn học d†ới dạng hình sin (hoặc cos):

s(t)= Amsin(2Sf0t+M0) Đồ thị nh h×nh 1-4

Ngồi thời gian t cón có thơng số Am, f0, M0 tham gia vào tín hiệu Am: Biên độ dao động, có thứ nguyên vôn (V) s(t) điện áp, có thứ ngun ampe (A) s(t) dịng điện

f0: Tần số dao động, đo héc (Hz); Từ tần số f0, cịn có thơng số dẫn xuất sau đây:

H×nh 1-4

Z0: Tần số góc, đo radian/s; Z0=2Sf0

T0: Chu kỳ, đo giây ta có:

0

f T

O0: B†íc sãng, ®o b»ng mÐt vµ

0 f

c O

trong c=3.108m/s, vận tốc ánh sáng

M0: Góc pha đầu dao động, đo độ radian Góc pha đầu tính từ thời điểm đ†ợc chọn làm gốc Vì gốc thời gian tuỳ ý nên nói đo pha, khơng phải đo pha đầu dao động mà đo dịch pha hai dao động điều hoà tần số (hình 1-5)

Biên độ Am đo vôn-mét s(t) điện áp, ampe-mét s(t) dòng điện Trên thang đo dụng cụ này, ng†ời ta không khắc độ theo giá trị biên độ dao động mà khắc độ theo giá trị hiệu Hình 1-5

dụng Giữa giá trị hiệu dụng A giá trị biên độ Am có quan hệ sau: m

m 0,707A

2 A

A |

Tần số f0 b†ớc sóng O0 đo máy đo tần số (tần số-mét) hay máy đo sóng Thật ra, hai đại l†ợng cần đo đại l†ợng suy đại l†ợng

Dịch pha hai dao động điều hoà đ†ợc đo máy đo pha (pha-mét)

Trong kỹ thuật đo l†ờng điện tử, dao động điều hoà đ†ợc tạo tạo sóng (âm tần, cao tần siêu cao tần) đặc biệt Nhờ có cấu điều chỉnh hiển thị kiểm tra nên biên độ tần số dao động tạo ta biến đổi đ†ợc phạm vi đó, th†ờng rộng Trong số máy phát tín hiệu đo l†ờng, máy phát tín hiệu dao động điều hoà phổ biến

b TÝn hiệu tuần hoàn

Tớn hiu loi ny cú dạng tuỳ ý mặt đó, tổng quát tr†ờng hợp Do tính tuần hồn nên biểu diễn d†ới dạng sau:

s(t)= s(t+nT) -f < t < +f; T chu kỳ lặp lại tín hiệu (

F

T , víi F tần số lặp lại) Xét dạng mẫu tín hiệu hình 1-6

Vỡ dng nên để đặc tr†ng cho loại này, phải dùng nhiều thông số, ta lần l†ợt nêu d†ới

Trong tr†ờng hợp tổng quát, dao động có thành phần chiều (hình 1-6) ta xem nh† tổng thành phần chiều với thành phần xoay chiều (thành phần biến đổi hình 1-6):

s(t)=s_ + s ~(t) Trong thành phần chiều:

dt s(t) T

1 s_ t T

t

³

t* thời điểm tuỳ chọn, chọn t*=0

dt s(t) T

s_ T

0

³

H×nh 1-6

Từ ta thấy s_ chiều cao (biên độ) xung vng có độ rộng T đ†ợc tính phần mặt phẳng giới hạn phần đ†ờng cong s(t) nằm khoảng T trục thời gian t Nếu kể chu kỳ T phần diện tích nằm thành phần xoay chiều s~(t) mức chiều s_ đ†ợc phân bố d†ới mức

Độ lệch cực đại s(t) tính từ mức chiều hai phía Atrên Ad†ới khác nên khơng dùng khái niệm biên độ chung đ†ợc Tổng hai đại l†ợng xác định khoảng biến thiên thành phần xoay chiu:

At =Atrên+Adới

Công suất tức thời điện áp dòng điện tiêu thụ điện trë R vÉn tÝnh nh† th†êng lÖ:

R i R (t) u p(t) 2

Tuy nhiên tính toán đo lờng, ngời ta hay dùng khái niệm công suất trung bình Nếu điện trở tải R 1: công suất trung b×nh sÏ tÝnh nh† sau:

dt (t) i T dt (t) u T p(t)dt T P T T T

0 ³ ³

³ (1)

Khái niệm công suất trung bình có liên quan đến giá trị hiệu dụng dao động: (t)dt s T s T o ~

hd ³ (2)

Hình 1-6c biểu diễn đ†ờng cong s~(t) t†ơng ứng với hình 1-6a Từ đó, dễ thấy cơng suất trung bình mức chiều s2

~(t) bëi v× tõ (1) vµ (2) ta cã: P=s2

hd

Để đo l†ờng thông số kể trên, ng†ời ta dùng nhiều dụng cụ đo khác Vôn-mét (hoặc ampe-mét) chiều để đo s_ Thành phần xoay chiều tách riêng để đo thơng số cách cho tín hiệu s(t) qua tụ điện biến áp Các thông số Atrên, Ad†ới đo vôn-mét đỉnh (nếu s(t) điện áp) Thông th†ờng để đo giá trị tức thời nghiên cứu dạng tín hiệu dao động, ng†ời ta dùng dao động ký Cơng suất trung bình P đo ốt-mét

H×nh 1-7

Các giá trị đỉnh, trung bình, hiệu dụng, công suất dao động nh† giá trị tức thời th†ờng đ†ợc gọi chung “các thông số c†ờng độ”

Ngoài ph†ơng pháp đo trực tiếp dụng dụ kể trên, ng†ời ta cịn đo thơng số đặc tính loại tín hiệu dựa vào nguyên lý đ†ợc nêu sau

Mọi dao động tuần hồn có dạng phân tích thành tổng vơ số dao động điều hoà với thành phần chiều:

s(t)=s_ + A1sin(:t+M1 ) + A2sin(2:t+M2 ) + + Ansin(n:t+Mn ) (4) đó, dao động hình sin thành phần gọi sóng hài, : =2SF gọi tần số Các sóng hài có tần số bội số nguyên lần tần số bản: n:; n=1, 2, gọi bậc sóng hài Biên độ An pha ban đầu Mn phụ thuộc bậc sóng hài

Từ đây, thấy s(t) khơng biểu diễn theo thời gian dạng hình 1-6 mà cịn biểu diễn theo tần số Khi đó, tách s(t) làm hai thành phần: biên độ pha Đồ thị biểu diễn phụ thuộc biên độ hài vào tần số: A=A(Z) gọi đồ thị phổ biên độ-tần số (ví dụ nh† hình 1.8) Hình 1.8

Cịn đồ thị biểu diễn phụ thuộc pha đầu hài vào tần số M=M(Z) gọi đồ thị phổ pha-tần số (ví dụ nh† hình 1-8b)

Dùng cơng thức (4) từ hai đồ thị lập lại đ†ợc dạng s(t) ban đầu (hình 1-8c) Dạng giá trị phổ biên độ quan sát đo đ†ợc máy phân tích phổ biểu thị ống tia điện tử

Cịn thơng số liên quan đến dao động, bề rộng phổ 'f, đo Hz Đó dải tần số đo có phân bố vạch phổ dao động Việc bố trí kênh thông tin đ†ờng thông tin tính tốn dải thơng thiết bị hệ thống thông tin thiết yêu cầu phải biết bề rộng phổ tín hiệu chọn dùng Khi đồ thị phổ biên độ dao động sóng máy phân tích phổ, ta dễ dàng đo đ†ợc bề rộng phổ 'f (xem ch†ơng máy sóng)

c TÝn hiƯu xung

Tín hiệu xung đ†ợc sử dụng đặc biệt rộng rãi kỹ thuật vô tuyến: Thông tin xung, rađa, điều khiển, truyền hình vơ tuyến v.v Vì đo l†ờng thơng số xung chiếm vị trí quan trọng

Tín hiệu xung có nhiều loại với loại lại có nhóm thơng số đặc tr†ng Ng†ời ta phân biệt loại tín hiệu xung sau:

-Xung đơn -Nhóm xung -Nhóm xung cốt -Dãy xung tuần hồn

* Xung đơn: dòng điện điện áp mà giá trị khác khơng khoảng thời gian hữu hạn, so sánh đ†ợc với thời gian độ mạch điện xung tác động vào

Riêng xung đơn lại có nhiều loại phân biệt theo dạng loại gắn liền với thông số khác

Thông dụng xung vuông (đúng phải gọi xung vng góc), hình 1-9a Trong đó:

Am: Biên độ;

W: độ rộng xung ; đoạn ab s†ờn tr†ớc, đoạn bc đỉnh đoạn cd s†ờn sau