Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử

Hµm sè theo tÇn sè th − êng ® − îc dïng ®Ó biÓu diÔn cho c¸c tÝn hiÖu tuÇn hoµn hoÆc cho mét tÝn hiÖu trong mét kho¶ng thêi gian h÷u h¹n... Mäi dao ®éng tuÇn hoµn cã d¹ng bÊt kú ®Òu cã [r]

mercury@Updatesofts.com

PGS Vũ Quý Điềm (Chủ biên) Phạm Văn Tuân

Đỗ Lê Phú

Cơ sở kỹ thuật

Đo lờng điện tử

Môc lôc

Lêi nãi đầu

Chơng Giới thiệu chung kỹ thuật Đo lờng điện tử

1.1 Đối tợng Đo lờng điện tử

1.1.1 Cỏc đặc tính thơng số tín hiệu

1.1.2 Các tham số đặc tính mạch điện tử 17 1.2 Các khái niệm Đo lng in t 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 sè 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 hiệu

3.1 Kh¸i niƯm chung 55

3.2 CÊu tạo ôxilô 57

3.2.2 Bộ tạo ®iƯn ¸p qt 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 siờu cao tn 89

3.5.1 Đặc điểm 89

3.5.2 Phơng pháp 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 Ngun lý hoạt động ơxilơ có nhớ 95

3.7 ôxilô điện tử số 96

3.7.1 Cấu trúc khả ôxilô số 96

3.7.2 Ơxilơ có cài đặt vi xử lý (micropocessor-àP) 98

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

4.1 Kh¸i niƯm 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 Phơng pháp céng h−ëng 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 phơng pháp ngoai sai 125

4.3.3 o tần số ph−ơng pháp đếm xung

4.4 §o kho¶ng 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 mà thiết bị đo sè 149

4.4.4 Bé chØ thÞ sè 159

4.4.5 Máy đếm điện tử có cài đặt vi xử lý (àP) 175

4.5.1 Tỉ hỵp mạng tần số tích cực dùng kỹ thuật mạch số 180 4.5.2 Tổ hợp tần số có cấu tạo vi xư lý (µP) 181

4.6 Đo độ di pha 186

4.6.1 Các phơng pháp đo di pha 188

4.6.2 Pha mÐt chØ thÞ sè 195

4.6.3 Pha-mét số có cài đặt micropocesor 198

Ch−¬ng 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 kÕ chØ thÞ kim 205

5.2.1 Các đặc tính tách sóng 206

5.2.2 Khối khuếch đại vơn-mét điện tử 215

5.2.3 Khèi chØ thÞ b»ng 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 àP 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 Đo công suất hấp thụ 258

6.2.1 Phơng pháp vôn-mét (và ampe-mét) 258

6.2.2 Ph−ơng pháp đo c−ờng độ ánh sáng 259

6.2.3 Phơng pháp nhiệt lợng mét 260

6.3 Đo công suất truyền thông 263

6.4 Oát-mét dùng kỹ thuËt sè 268

6.4.1 O¸t-mÐt sè (Digital Wattmeter) 268

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

7.1 Đo hệ số điều chế 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 đờng 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 tích phổ dïng bé vi xư lý víi tht to¸n

biến đổi nhanh Fourrier 309

Ch−ơng Đo thông 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 thơng số mạch điện có phần tử phân bố 337

8.2.1 Kh¸i niƯm 337

8.2.2 Các linh kiện đo lờng siêu cao tần 340

8.2.3 Công dụng đo lờng 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 phơng pháp phân tích 390

9.2.1 Phơng pháp phân tích logic 390

9.2.2 Phng 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

Ch−ơng 10 Đo l−ờng tự động

10.1.1 Tự động hố phần q 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 ThiÕt kế mạch kiểu mảng khối modun 449 10.2.3 Giao diện IEC (The International Electrotechnical Commission) 452

Lời nói đầu

Giỏo trỡnh "C s k 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 thông 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) h−ớng phát triển Điện tử Do tên gọi môn 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, thơng 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 thơng số phép đo, thực tính toán, 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

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 Hà nội, điện thoại 8692242

Ch−¬ng I Giíi thiƯu chung vỊ kü tht

®o l−êng ®iƯn tư

Mở đầu

Trong quỏ trỡnh phỏt 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 thơng 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, thông số linh kiện đ−ờng thẳng mạch siêu cao tần

điện, điện áp trở nên vô nghĩa cần định l−ợng thông số mạch, mà phải xác định chúng thông 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 cơng 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

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

vệ 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 cơng nghệ ng−ời ta tự động hố 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 Không cẩn thận trình đo, khơng biết 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

Nh− vậy, đo l−ờng điện tử, ng−ời ta th−ờng quan tâm tới khía cạnh l−ợng q trình Điều trọng nhiều thông 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 tit

1.1 Đối tợng đo lờng điện tử

1.1.1 Các đặc tính thơng số tín hiệu

TÝn hiƯu dïng ®iƯn tư đợc mô tả biểu thức toán học sau đây: s(t)=s(t, a1, a2, ,an)

hoặc s(f)=s(f, b1, b2, ,bn)

Từ biểu thức đây, ta thấy rằng, tín hiệu s(t) khơng phụ thuộc vào thời gian s(f) không phụ thuộc tần số mà chúng 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 không xét tới thông số tất loại tín hiệu, rõ ràng thực tế làm nh− đ−ợc, thực khơng 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 mơ hình đơn giản tín hiệu thực tế

Khi đo l−ờng thông 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 tớn hiu khỏc

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

-Tín hiệu tuần hoàn -Tín hiệu xung -Tín hiệu số

1 Cách biểu diễn tín hiệu theo hàm số thời gian theo hàm số tần số

a Hµm sè theo thêi gian

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

Ngồi tham số 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 thông số nên tuỳ theo thơng số cần đo, ta phải chọn loại máy đo thích hợp, ví dụ nh− để đo thông 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

0

ω ϕ

SM

0 0

2 f

1 T

= =

Hình 1-1

b Hàm số theo tần số

Hàm theo tần số hàm có dạng

Hm s 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 ≤

Víi Tlm lµ chu kú lÊy mÉu;

2 Các thông số dạng tín hiệu

a Tín hiệu điều hoà

Dao động điều hồ dùng để mơ tiếng nói, âm nhạc, , có biểu thức tốn học d−ới dạng hình sin (hoặc cos):

s(t)= Amsin(2f0t+0)

Đồ thị nh hình 1-4

Ngồi thời gian t cón có thơng số Am, f0, ϕ0 tham gia vào tín hiệu Am: Biên độ dao động, có thứ nguyên vơn (V) s(t) điện áp, có thứ nguyên ampe (A) s(t) dòng điện

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

Hình 1-4

0: Tần số gãc, ®o b»ng radian/s; ω0=2πf0

T0: Chu kú, ®o giây ta có:

0

f T =

λ0: B−íc sãng, ®o b»ng mÐt vµ

0

f c

= λ

trong c=3.108m/s, vận tốc ánh sáng

ϕ0: 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)

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

m m

0,707A

A

A = ≈

Tần số f0 b−ớc sóng λ0 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 Tín hiệu tuần hoàn

Tớn hiu loi có 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) -∞ < t < +∞;

trong T chu kỳ lặp lại tín hiệu ( F

T = , với F tần số lặp lại)

Xét dạng mẫu tín hiệu hình 1-6

Vì dạng 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

∫∗∗+

t* thời điểm tuỳ chọn, chän t*=0 th×

dt s(t) T s_ T

0

∫

=

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 không dùng khái niệm biên độ chung đ−ợc Tổng hai đại l−ợng xác định khoảng biến thiên thành phần xoay chiều:

At =Atrªn+Ad−íi

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 công suất trung bình tính nh sau:

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

0 ∫ ∫

∫ = =

= (1)

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

hd = ∫ (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 thông 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 thơng số c−ờng độ”

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

s(t)=s_ + A1sin(Ωt+ϕ1 ) + A2sin(2Ωt+ϕ2 ) + + Ansin(nΩt+ϕn ) (4) đó, dao động hình sin thành phần gọi sóng hài, Ω =2πF gọi tần số Các sóng hài có tần số bội số nguyên lần tần số bản: nΩ; n=1, 2, gọi bậc sóng hài Biên độ An pha ban đầu ϕn 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(ω) gọi đồ thị phổ biên độ-tần số (ví dụ nh− hình 1.8) Hình 1.8

Còn đồ thị biểu diễn phụ thuộc pha đầu hài vào tần số ϕ=ϕ(ω) gọi đồ thị phổ pha-tần số (ví dụ nh− hình 1-8b)

Dùng công 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

c TÝn hiƯu xung

Tín hiệu xung đ−ợc sử dụng đặc biệt rộng rãi kỹ thuật vơ tuyến: Thơng 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: dịng 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;

cđa xung

Xung c−a (hình 1-9b) đ−ợc đặc tr−ng hành trình thuận (đoạn ab) hành trình ng−ợc (đoạn bc) Hình chiếu đoạn trục thời gian, t−ơng ứng thời hạn (độ rộng) hành trình thuận τ th thời gian (độ rộng) hành trình ng−ợc τng Giá trị đỉnh xung gọi biên độ, ký hiệu Am

Xung hình thang (1-9c) có s−ờn tr−ớc đoạn ab, đ−ợc chiếu lên trục thời gian đ−ợc độ rộng s−ờn tr−ớc τ 1; s−ờn sau cd chiếu lên trục thời gian đ−ợc độ rộng s−ờn sau τ 2 Biên độ Am tính từ đỉnh xung Độ rộng xung τ khoảng thời gian hai điểm s−ờn tr−ớc s−ờn sau đạt tới

2

Am

Do đó:

2 d τ + τ + τ = τ

Nếu giảm τ1 τ2 tới khơng xung hình thang trở thành xung vng Nếu τ1= τ2= τ0 τđ=0 xung hình thang trở thành xung tam giác (hình 1-9c) với độ rộng τ = τ0 Thật ra, tr−ờng hợp riêng xung c−a hành trình thuận hành trình ng−ợc

Xung hàm số mũ (hình 1-9e) có s−ờn tr−ớc thẳng đứng sau giảm theo hàm số mũ, tức là: ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ≥ < = τ − 0 t khi e 0 t khi 0 t m A s(t)

Trong đó, Am biên độ, cịn τ số thời gian xung

τ tính cách kẻ tiếp tuyến với đ−ờng cong điểm bất kỳ, hồnh độ ký hiệu t1, tiếp tuyến cắt trục hoành điểm t2, ta có :

τ =t2 - t1

Ngồi năm dạng trên, ng−ời ta cịn dùng xung đơn có dạng khác nữa, nh− xung hình chng, xung hình sin bình ph−ơng Tuy nhiên, dạng xung khơng điển hình

*Nhóm xung: tập hợp số xác định xung đơn dạng cách Các thông số loại là: số xung k, chu kỳ lặp T, thời hạn nhóm xung Tn Nhóm xung vẽ hình 1-10, với giả thiết xung thuộc nhóm xung vng, có độ rộng τ Từ hình vẽ ta thấy:

H×nh 1-10

*Nhóm xung cốt: khác với nhóm xung chỗ xung nhóm không dạng khoảng cách chúng tuỳ ý Tuy nhiên, số xung nhóm, dạng giá trị thông số xung biết cách xác Khi tính khoảng cách hai xung nhóm, ng−ời ta tính từ điểm s−ờn tr−ớc đạt tới nửa biên độ (hình1-11)

H×nh 1-11

*D∙y xung tuần hoàn: lặp lại cách đặn (với chu kỳ T) xung đơn có dạng Đối với loại tín hiệu này, thông số độ rộng xung τ, tỷ số T =q

τ gäi

là độ trống (độ rỗng) dãy xung, cịn nghịch đảo

T q

d= = τ gäi lµ hƯ số lấp

đầy

ụi cũn dựng c nhóm xung tuần hồn nhóm cốt xung tuần hồn Để đo l−ờng thơng số xung, ng−ời ta dùng vôn-mét đỉnh (vôn-mét xung), máy đo thời gian, máy đo tần số lặp lại Nh−ng đo l−ờng xung, thông th−ờng dùng dao động ký xung có trang bị khối chuẩn thời gian, chuẩn biên độ theo hai trục X Y

d TÝn hiÖu sè

Tín hiệu số có chất tín hiệu mang thơng tin dạng số nhị phân bao gồm tín hiệu biểu thị cho số số Để định nghĩa bit 1, ng−ời ta sử dụng nhiều cách Ví dụ nh− ng−ời ta dùng mức điện áp, cụ thể thơng th−ờng ng−ời ta th−ờng định nghĩa bit ứng với mức điện áp 0V (0-0,5V) bit ứng với mức điện áp 5V (4,5-5,5V) Ngoài ng−ời ta quy định ng−ợc lại, mức điện áp thấp ứng với bit mức điện áp cao ứng với bit Ta xét cụ thể theo dạng định nghĩa tr−ớc

Tín hiệu số th−ờng đ−ợc biểu thị d−ới dạng chuỗi xung vng Nếu tín hiệu bit 1, ta có xung vng có mức điện áp cao, tín hiệu bit điện áp mức thấp Do đó, tín hiệu điện áp dù mức cao hay mức thấp có ý nghĩa mang tin tức Khoảng cách bit cách độ rộng bit tín hiệu hồn tồn phụ thuộc vào việc ng−ời dùng định nghĩa tín hiệu Hình 1-12 ví dụ tín hiệu số

t

U

0 H×nh 1-12

Khi tín hiệu số đ−ợc truyền đi, ng−ời ta dùng ph−ơng pháp mã hoá khác Tuỳ theo ph−ơng pháp mã hoá tín hiệu mà dạng tín hiệu số đ−ợc điều chế khác

1.1.2 Các tham số đặc tính mạch điện tử

Trong q trình thơng tin, điều khiển điện tử , tín hiệu ln ln đ−ợc biến đổi từ dạng sang dạng khác Tổ hợp linh kiện theo cách nhằm thực việc biến đổi nói gọi mạch điện Các linh kiện mạch điện bao gồm điện trở, tụ điện, điện cảm, loại đèn điện tử bán dẫn, IC phụ kiện khác

1 M¹ch tun tÝnh

Mạch tuyến tính tạo thành từ phần tử có giá trị khơng phụ thuộc vào dịng điện chảy qua Một thuộc tính quan trọng mạch tuyến tính nó, áp dụng nguyên lý xếp chồng

Ph−ơng pháp đo l−ờng nh− thiết kế cấu tạo máy đo thơng số đặc tính mạch tuyến tính dựa vào hai đặc điểm Việc đo l−ờng thơng số đặc tính mạch tuyến tính phổ biến kỹ thuật điện tử, lý thuyết mạch tuyến tính đ−ợc phát triển mạnh đ−ợc sử dụng đặc biệt rộng rãi

Các phần tử mạch tuyến tính th−ờng là: điện trở, tụ điện, cuộn cảm không lõi sắt; đèn điện tử bán dẫn làm việc đoạn đ−ờng thẳng đặc tuyến Tuỳ theo tần số tín hiệu cần thông qua mạch, mà cấu tạo phần tử mạch có khác mạch tuyến tính lại cịn đ−ợc chia thành hai nhóm: mạch có phần tử tập trung mạch có phần tử phân bố

Mạch có phần tử tập trung dùng để biến đổi tín hiệu có tần số khơng lớn (nhỏ vài chục mêgaHéc) Nh− nói trên, giá trị phần tử tuyến tính khơng phụ thuộc vào dịng chảy qua nó, đó, xem số Ng−ời ta lấy giá trị làm thông số đặc tr−ng cho phần tử mạch Bản thân phần tử R, C L riêng biệt xem nh− mạng hai cực, thông số mạng hai cực giá trị điện trở R, điện dung tụ điện C điện cảm cuộn dây L

NÕu nh− m¾c nèi tiếp song song phần tử R, C L hỗn hợp hai cách mắc ấy, ta đợc mạng bốn cực

Vỡ mng bn cực gồm điện trở R tiêu thụ l−ợng thành phần cảm kháng C L nên để đặc tr−ng cho mạng bốn cực, ng−ời ta dùng thơng số trở kháng tồn phần Z Dung kháng XC cảm kháng XL phụ thuộc tần số tín hiệu thơng qua mạch, nên trở kháng tồn phần Z hàm tần số:

Z(ω) = Rt® +jXt®

Trong Rtđ Xtđ điện trở điện kháng t−ơng đ−ơng, giá trị chúng phụ thuộc cách nối phần tử mạch (tất nhiên Xtđ phụ thuộc vào tần số)

Một tr−ờng hợp đặc biệt mạng bốn cực mạch dao động (còn gọi mạch cộng h−ởng) Với mạch này, cịn có hai thơng số nữa, là: hệ số phẩm chất Q trở kháng đặc tính ρ:

C L vµ

R

Để đo thông số vừa kể mạch có phần tử tập trung, ngời ta dùng: máy đo điện trở (ôm-mét), máy đo điện cảm điện dung, máy đo trở kháng toàn phần máy đo hệ số phẩm chất (Q-mÐt)

Ngồi thơng số trên, để đặc tr−ng cho phản ứng mạch với tác động đột biến ng−ời ta cịn dùng đặc tính thời gian (đặc tính độ) cho phản ứng mạch tác động điều hồ (hình sin), dùng đặc tính tần số

Khi tìm đặc tính thời gian, ng−ời ta cho tác động vào mạch hàm đơn vị 1(t) nh− hình 1-13 Hàm 1(t) đ−ợc biểu diễn toán học nh− sau:

⎩ ⎨ ⎧ ≥ < = t t 1(t)

Đặc tính quan sát trực tiếp ống tia điện tử thiết bị đặc biệt: máy đo đặc tính thời gian Với vài loại mạng bốn cực đơn giản, dạng đặc tính độ bảng 1.1 Từ đặc tính q độ này, xác định vài thơng số mạch nh− số thời gian, hệ số phẩm chất Q tần số cộng h−ởng mạch

H×nh 1-13

Khi tìm đặc tính số, đầu vào mạch, ng−ời ta đặt tín hiệu iu ho Vớ d:

u1(t)=Am1sin(2ft+1)

Vì mạch tuyến tính nên không sinh tần số tín hiệu đầu có dạng nh đầu vào:

u2(t)=Am2sin(2ft+2)

ngha l thụng qua mạch điện, có biên độ Am pha đầu ϕ tín hiệu bị thay đổi

LËp c¸c tØ sè A A

m1 m2 vµ

1

ϕ ϕ

Khi thay đổi tần số tín hiệu vào, giá trị

tỷ số thay đổi theo Gọi A A

m1

m2 =A(f) đặc tính biên độ-tần số,

ϕ ϕ

=ϕ(f) đặc tính pha-tần số

Bảng 1-1

2 Mạch phi tuyÕn

Ng−ợc lại với mạch tuyến tính, mạch phi tuyến giá trị linh kiện mạch phụ thuộc vào c−ờng độ dòng điện chảy qua Vì với linh kiện phi tuyến này, khơng dùng khái niệm thơng số thân

Theo định luật Ôm, điện áp rơi phần tử phi tuyến không tỷ lệ thuận với dịng điện chảy qua Tuy có khó khăn mặt tính tốn nhiều tr−ờng hợp cịn bất lợi mặt sử dụng nh−ng mạch phi tuyến thiếu đ−ợc kỹ thuật điện tử Dựa vào tính khơng đ−ờng thẳng đặc tuyến Vơn-Ampe mạch phi tuyến, ng−ời ta dùng để thực loạt biến đổi: điều chế, tách sóng, nhân chia tần số, tạo dao động hạn chế, Tuỳ mục đích biến đổi, phải chọn đoạn thích hợp đặc tuyến Vơn-Ampe, chọn xác hiệu biến đổi cao Trong hai tr−ờng hợp, rõ ràng phải biết đ−ợc xác dạng đặc tuyến Vôn-Ampe phần tử mạch Quan sát nghiên cứu đặc tuyến Vôn-Vôn-Ampe phần tử phi tuyến đ−ợc thực nhờ máy vẽ đặc tuyến, ví dụ thơng dụng loại máy vẽ đặc tuyến đèn điện tử bán dẫn (ở ch−ơng quan sát đo l−ờng dạng tín hiệu có đề cập đến vấn đề này)

1.2 Các khái niệm đo lờng điện tử

1.2.1 Khái niệm đo lờng

Đo l−ờng khoa học phép đo, ph−ơng pháp công cụ đảm bảo cho chúng, ph−ơng pháp để đạt đ−ợc độ xác mong mun

Các hớng nghiên cứu đo lờng bao gồm: -Các lý thuyết chung phép đo

-Các đơn vị vật lý hệ thống chúng -Các ph−ơng pháp công cụ đo

-Ph−ơng pháp xác định độ xác phép đo

-Cơ sở bảo đảm cho việc thống phép đo nhiều cơng cụ thực

-C«ng cụ đo chuẩn barem

Phộp đo cơng việc thực đo l−ờng, việc tìm giá trị vật lý cách thí nghiệm với trợ giúp cơng cụ kỹ thuật đặc biệt Giá trị tìm đ−ợc gọi kết phép đo Hành động thực trình đo ta kết đại l−ợng vật lý gọi trình ghi nhận kết Tuỳ thuộc vào đối t−ợng nghiên cứu, vào tính chất cơng cụ đo ng−ời ta cần thực phép đo ghi nhận lần hay nhiều lần Nếu nh− có loạt ghi nhận kết phép đo nhận đ−ợc kết xử lý kết từ ghi nhận

Phép đo có chất q trình so sánh đại l−ợng vật lý cần đo với đại l−ợng vật lý đ−ợc dùng làm đơn vị Kết phép đo đ−ợc biểu diễn số tỷ lệ đại l−ợng cần đo với đơn vị Nh− để thực phép đo, ta cần thiết lập đơn vị đo, so sánh giá trị đại l−ợng cần đo với đơn vị ghi nhận kết so sánh đ−ợc Thông th−ờng ng−ời ta th−ờng biến đổi tín hiệu đến dạng thuận tiện cho việc so sánh

Nh− vậy, ta tóm tắt lại thành bốn b−ớc phép đo là: thiết lập đơn vị vật lý, biểu diễn tín hiệu đo, so sánh tín hiệu đo với đơn vị đ−ợc lấy làm chuẩn ghi nhận kết so sánh

1.2.2 Các phơng pháp biện pháp đo lờng 1 Các phơng pháp đo

Các phơng pháp kỹ thuật đo lờng thờng đợc chia thành: -Phơng pháp đo trực tiếp

-Phơng pháp đo gián tiếp -Phơng pháp đo tơng quan

Đo trực tiếp ph−ơng pháp dùng máy đo hay mẫu đo (các chuẩn) để đánh giá số l−ợng đại l−ợng đo đ−ợc Kết đo đ−ợc trị số đại l−ợng cần đo, mà khơng phải tính tốn thơng qua ph−ơng trình vật lý liên quan đại l−ợng Nếu khơng tính đến sai số, trị số đại l−ợng cần đo X kết đo đ−ợc a:

X = a

Đo gián tiếp ph−ơng pháp đo mà kết đo đ−ợc trị số đại l−ợng cần đo, mà số liệu sở để tính trị số đại l−ợng Nghĩa đây, X=F(a1, a2, , an)

C¸c vÝ dơ phơng pháp đo gián tiếp nh: đo công suất vôn-mét ampe-mét; đo hệ số sóng chạy dây đo

Trong kỹ thuật đo lờng, thông thờng ngời ta muốn tránh phơng pháp đo gián tiếp, trớc hết yêu cầu tiến hành nhiều phép đo (ít hai phép đo) thờng không nhận biết đợc kết đo Song số trờng hợp tránh đợc phơng pháp nµy

Hiện nay, kỹ thuật đo l−ờng phát triển nhiều ph−ơng pháp đo t−ơng quan Nó ph−ơng pháp riêng, không nằm ph−ơng pháp đo trực tiếp hay ph−ơng pháp đo gián tiếp Ph−ơng pháp t−ơng quan dùng tr−ờng hợp cần đo q trình phức tạp, mà khơng thể thiết lập quan hệ hàm số đại l−ợng thơng số q trình nghiên cứu Ví dụ: tín hiệu đầu vào tín hiệu đầu hệ thống

Khi đo thơng số tín hiệu ph−ơng pháp đo t−ơng quan, cần hai phép đo mà thông số từ kết đo chúng không phụ thuộc lẫn Phép đo đ−ợc thực cách xác định khoảng thời gian kết số thuật tốn có khả định đ−ợc trị số đại l−ợng thích hợp Độ xác phép đo t−ơng quan đ−ợc xác định độ dài khoảng thời gian trình xét Khi đo trực tiếp, thật ng−ời đo phải giả thiết hệ số t−ơng quan đại l−ợng đo kết gần 1, có sai số quy luật ngẫu nhiên trỡnh bin i gõy nờn

Ngoài phơng pháp đo nói trên, số phơng pháp đo khác thờng đợc thực trình tiến hành đo lờng nh sau:

-Phng phỏp o thay thế: Phép đo đ−ợc tiến hành hai lần, lần với đại l−ợng cần đo lần với đại l−ợng đo mẫu Điều chỉnh để hai tr−ờng hợp đo có kết thị nh−

-Ph−ơng pháp hiệu số: Phép đo đ−ợc tiến hành cách đánh giá hiệu số trị số đại l−ợng cần o v i lng mu

-Phơng pháp vi sai, phơng pháp chỉ thị không, phơng pháp bù, trờng hợp riêng phơng pháp hiệu số Chúng thờng đợc dùng mạch cầu đo hay mạch bù

-Phng phỏp ri rạc hoá (chỉ thị số): Đại l−ợng cần đ−ợc đo đ−ợc biến đổi thành tin tức xung rời rạc Trị số đại l−ợng cần đo đ−ợc tính bng s xung tng ng ny

2 Phân loại tổng quát máy đo

Mỏy o phần tử mẫu ph−ơng tiện để thực yêu cầu đo l−ờng Bản thân máy đo mạch đo đ−ợc cấu trúc theo ph−ơng pháp đo, để đo l−ờng đại l−ợng Vì vậy, dựa vào đối t−ợng mà đo l−ờng điện tử cần giải quyết, máy đo phân loại tổng quát thành bốn nhóm máy lớn với chức sau

a Máy đo thơng số đặc tính tín hiệu

Nhóm bao gồm nhiều loại: Các loại máy đo thuộc nhóm nh− vơn-mét điện tử, tần số-mét, dao động ký điện tử, máy phân tích phổ, máy phân tích hàm t−ơng quan Sơ đồ khối chung hoại máy nh− hình 1-14 Tín hiệu cần đo đ−ợc đ−a tới đầu vào máy Mạch vào có nhiệm vụ truyền dẫn tín hiệu từ đầu nối vào tới biến đổi Thông th−ờng mạch vào khuếch đại tải catốt, mạch khuếch đại catốt có trở kháng vào cao, thực phối hợp trở kháng đ−ợc mạch biến đổi có trở kháng thấp với trở kháng đối t−ợng đo có trị số trở kháng cao Mạch vào th−ờng có nh− suy giảm, dây làm chậm (với máy đo xung) phân mạch định h−ớng Mạch vào định mức độ ảnh h−ởng máy đo với chế độ công tác

đối t−ợng cần đo phạm vi tần số thấp tần số cao đặc tính đ−ợc biểu thị trở kháng vào máy siêu cao tần đặc tính đ−ợc biểu thị cơng suất mà máy đo hấp thụ

H×nh 1-14

đổi sóng hài tín hiệu có chu kỳ T thành xung có chu kỳ, sau so sánh chu kỳ xung với khoảng thời gian chuẩn Biến đổi thực tr−ớc so sánh, sau so sánh hay đồng thời (ví dụ nh− tần số-mét kiểu cộng h−ởng) Với vài loại máy khác thiết bị có chức phân tích tín hiệu đo biên độ, tần số hay chọn lọc theo thời gian Thiết bị biển đổi máy nh− th−ờng mạch khuếch đại, tách sóng, biến đổi dạng điện áp tín hiệu, chuyển đổi dạng l−ợng Với vài loại máy khác biến đổi xác định thuật tốn cho tín hiệu đo (lấy trị số lơgarit, lấy trị số bình ph−ơng ) để có đ−ợc quan hệ thuật tốn mong muốn đại l−ợng đo thang độ thị thiết bị thị

Thiết bị thị để biểu thị kết đo d−ới dạng cho thích hợp với giác quan giao tiếp sinh lý ng−ời, hay với tin tức đ−a vào phận hiệu chỉnh, tính tốn Các thiết bị thị th−ờng đồng hồ đo điện thị kim (mà thông dụng loại từ điện), ống tia điện tử, hệ thống đèn thị số, ống nghe, ghi, phận ghi hình, thiết bị nhớ

Nguồn cung cấp để cung cấp l−ợng cho máy, cịn làm nguồn tạo tín hiệu chuẩn

Các loại máy thuộc nhóm thứ thực theo ph−ơng pháp đo trực tiếp, kết đo đ−ợc đọc thẳng hay thông qua phép so sánh với đại l−ợng mẫu

b Máy đo đặc tính v thụng s ca mch in

Mạch điện cần đo thông số nh mạng bốn cực, mạng hai cực, phần tử

của mạch điện tử Sơ đồ khối chung loại máy nhóm nh− hình 1-15 Đặc điểm nhóm cấu tạo máy gồm nguồn tín hiệu thiết bị thị Các loại máy đo thuộc nhóm nh−: máy đo đặc tính tần số, máy đo đặc tính độ, máy đo hệ số phẩm chất, đo điện cảm, điện dung, điện trở, máy thử đèn điện tử, bán dẫn IC

c Máy tạo tín hiệu đo lờng

Nhóm máy bao gồm nhiều loại, chúng dùng làm nguồn tín hiệu chuẩn cần đo l−ờng, để nghiên cứu điều chỉnh thiết bị Ví dụ nh− cần khắc độ máy, đo thông số tín hiệu cách so sánh, cần vẽ đặc tuyến thực nghiệm Sơ đồ khối chung nhóm máy nh− hình trang 1-16

Bộ tạo sóng chủ phận chủ yếu, xác định đặc tính chủ yếu tín hiệu nh− dạng tần số dao động Thơng th−ờng tạo sóng hình sin hay xung loại

Bộ biến đổi để nâng cao mức l−ợng tín hiệu hay tăng thêm độ xác lập dạng tín hiệu Nó th−ờng khuếch đại điện áp, khuếch đại công suất, điều chế, thiết bị tạo hình xung Các máy phát tín hiệu siêu cao tần th−ờng khơng có biến đổi đặt tạo sóng chủ đầu ra, mà hay dùng điều chế trực tiếp để khống chế dao động chủ

Mạch ra để điều chỉnh mức tín hiệu ra, biến đổi trở kháng máy Th−ờng mạch suy giảm (bộ phân áp), biến áp phối hợp trở kháng, hay phụ tải catốt

Thiết bị thị để kiểm tra thơng số tín hiệu đầu Th−ờng vôn-mét điện tử, thiết bị đo công suất, đo hệ số điều chế, đo tần số

H×nh 1-16

Nguồn để cung cấp cho phận Th−ờng làm nhiệm vụ biến đổi điện áp xoay chiều mạng l−ới điện thành điện chiều có độ n nh cao

d Các linh kiện đo lờng

Ch−¬ng II

Định giá sai số đo lờng

Mở đầu

o lng l mt phng phỏp vật lý thực nghiệm nhằm mục đích thu đ−ợc thơng tin đặc tính số l−ợng đối t−ợng hay q trình cần nghiên cứu Nó đ−ợc thực cách so sánh đại l−ợng cần đo với đại l−ợng chọn dùng làm tiêu chuẩn, làm đơn vị Kết đo đạc biểu thị số hay biểu đồ; kết đo đ−ợc giá trị gần đúng, nghĩa phép đo có sai số Ch−ơng nghiên cứu cách xử lý trị số gần tức cần đánh giá đ−ợc độ xác phép đo

2.1 Nguyên nhân phân loại sai số đo lờng

2.1.1 Nguyên nhân gây sai số

Khơng có phép đo khơng có sai số Vấn đề đo cần phải chọn dùng ph−ơng pháp thích hợp, nh− cần chu đáo, thành thạo thao tác , để hạn chế sai số kết đo mức

Các nguyên nhân gây sai số có nhiều, ngời ta phân loại nguyên nhân gây sai số yếu tố khách quan chủ quan gây nên

Các nguyên nhân khách quan ví dụ nh−: dụng cụ đo l−ờng khơng hồn hảo, đại l−ợng đo đ−ợc bị can nhiễu nên khơng hồn tồn đ−ợc ổn định

Các nguyên nhân chủ quan, ví dụ nh: thiếu thành thạo thao tác, phơng pháp tiến hành đo không hợp lý

Vỡ cú cỏc ngun nhân ta khơng thể tuyệt đối loại trừ hoàn toàn đ−ợc nh−

2.1.2 Phân loại sai số

Cỏc sai s mc phải phép đo có nhiều cách phân loại Có thể phân loại theo nguồn gốc sinh sai số, theo quy luật xuất sai số hay phân loại theo biu thc din t sai s

Phân loại theo quy luật xuất sai số đợc chia làm hai loại: sai số hệ thống sai số ngẫu nhiªn

1 Sai sè hƯ thèng

Sai số yếu tố th−ờng xuyên hay yếu tố có quy luật tác động Nó khiến cho kết đo có sai số lần đo nh− nhau, nghĩa kết lần đo lớn hay bé giá trị thực đại l−ợng cần đo

Tuú theo nguyên nhân tác dụng, mà sai số hệ thống phân thành nhóm sau đây:

-Do dụng cụ, máy móc đo chế tạo không hoàn hảo

Ví dụ: kim thị thiết bị thị khơng vị trí ban đầu, máy móc khơng đ−ợc chuẩn lại thang độ với máy chuẩn

-Do ph−ơng pháp đo, cách chọn dùng ph−ơng pháp đo không hợp lý; xử lý kết đo, tính tốn đơn giản tự ý bỏ qua số yếu tố Ví dụ nh− bỏ qua ảnh h−ởng ghép ký sinh mạch đo

-Do khí hậu, ví dụ nhiệt độ, độ ẩm tiến hành đo khác với điều kiện khí hậu tiêu chuẩn quy định quy trình sử dụng máy đo

2 Sai sè ngÉu nhiªn

Sai số ngẫu nhiên sai số yếu tố biến đổi bất th−ờng, khơng có quy luật tác động Tuy ta cố gắng thực đo l−ờng điều kiện chu đáo nh−

nhau, nh−ng nhiều yếu tố khơng biết, khơng khống chế đ−ợc, nên sinh loạt kết đo khác Ví dụ: điện áp cung cấp mạch đo khơng ổn định, biến thiên khí hậu môi tr−ờng chung quanh xảy trình đo l−ờng

Sau đo, để hiệu chỉnh đánh giá kết đo, ta loại bỏ sai số hệ thống đ−ợc Sự xử lý đ−ợc thực đơn giản phép cộng đại số (có kể dấu), mà định l−ợng đ−ợc giá trị sai số hệ thống Dù sai số hệ thống hay nhiều ngun nhân ta hiệu chỉnh đ−ợc, ví dụ nh− cách chuẩn lại máy móc thiết bị đo với máy mẫu

Với sai số ngẫu nhiên, ta khơng thể xử lý đ−ợc Vì khơng biết giá trị sai số bao nhiêu, theo chiều h−ớng nào, lớn hay bé giá trị thực tế Để “định l−ợng” đ−ợc giá trị sai số ngẫu nhiên, tức đánh giá đ−ợc độ xác kết đo, ng−ời ta dùng cơng cụ tốn học lý thuyết xác suất thống kê Vì vậy, nội dung cách xử lý kết đo xét tới tiết sau, chủ yếu để giải vấn đề

2.1.3 Các biểu thức diễn đạt sai số

Thông th−ờng sai số hay đ−ợc phân loại theo biểu thức diễn đạt Theo cách phân loại có hai loại sau: sai số tuyệt đối sai số t−ơng đối

1 Sai số tuyệt đối

Ng−ời ta định nghĩa sai số tuyệt đối trị tuyệt đối hiệu số hai giá trị đo đ−ợc giá trị thực đại l−ợng cần đo

Nếu gọi a giá trị đo đ−ợc, X trị thực đại l−ợng cần đo thì:

∆x*=⏐a-X⏐ (1) sai số tuyệt đối

Trên thực tế, ch−a biết đ−ợc X, nên không định l−ợng cụ thể đ−ợc ∆x* Nh−ng vào dụng cụ đo khả đạt đ−ợc xác phép đo, nh− thực cách đo nhiều lần, ta tìm đ−ợc giới hạn cực đại ∆x*: ∆x*≤∆x lấy ∆x sai số tuyệt đối

2 Sai số t−ơng đối

Sai số t−ơng đối tỷ số sai số tuyệt đối trị số thực đại l−ợng cần đo:

X x

∆

x

δ = (2)

Sai số t−ơng đối đ−ợc biểu thị d−ới dạng phần trăm (%) Sai số t−ơng đối nh− biểu thức (2) sai số t−ơng đối chân thực, theo định nghĩa Tuy vậy, khơng có giá trị thực tiễn tính tốn, ch−a biết đ−ợc X

a x

x ∆

δ = (3)

Sai số t−ơng đối nh− biểu thức (3) sai số t−ơng đối danh định

Cịn có loại biểu thức sai số t−ơng đối khác hay đ−ợc dùng để đánh giá phẩm chất đồng hồ đo Đó sai số t−ơng đối chiết hợp:

A x

x= ∆ (4)

ở đây, A giới hạn cực đại l−ợng trình thang đo đồng hồ để đo Sai số t−ơng đối chiết hợp cấp xác đồng hồ Nó đ−ợc ghi trực tiếp chữ số lên mặt đồng hồ đo, ký hiệu khác Ví dụ nh− hình 2-1, chữ số 1,5 ghi ở góc biểu thị cấp xác đồng hồ đo 1,5

Sai số tuyệt đối đại l−ợng có thứ nguyên Sai số t−ơng đối đại l−ợng khơng có thứ ngun Khi đánh giá phẩm chất phép đo sai số t−ơng đối biểu thị đầy đủ cịn dùng để so sánh độ xác phép đo đại l−ợng khác

H×nh 2-1

Ví dụ, đo hai tần số f1 = 100Hz, f2 = 1000Hz; hai có sai số tuyệt đối f=±1Hz Nếu nh− so sánh sai số tuyệt đối hai phép đo nh− Nh−ng hai phép đo có độ xác khác nhau; độ xác đ−ợc biểu thị sai số t−ơng đối:

0 0

1 100

100

f = =

0 0

2 1000 100 01

1

f = = ,

Nh− phép đo tần số f2 có độ xác cao phép đo f1

2.2 ứng dụng ph−ơng pháp phân bố chuẩn để định giá sai số Để đánh giá kết phép đo, ta phải giới hạn, định l−ợng đ−ợc sai số ngẫu nhiên Muốn làm đ−ợc điều này, cần tìm đ−ợc quy luật phân bố Để tìm đ−ợc, ng−ời ta dùng cơng cụ tốn học cần thiết cho việc nghiên cứu phân bố lý thuyết xác suất thống kê

khơng phụ thuộc với kết lần đo khác, lần đo riêng biệt, chịu yếu tố ảnh h−ởng tới kết đo cách ngẫu nhiên khác Với lần đo cho ta kết Nh− vậy, dùng phép tính xác suất để nghiên cứu, tính tốn sai số ngẫu nhiên, cần thực điều kiện sau:

-Tất lần đo phải tiến hành với độ xác nh− Nghĩa đo máy, điều kiện, mà với thận trọng, chu đáo nh−

-Phải đo nhiều lần Phép tính xác suất có số nhiều kiện

2.2.1 Hàm mật độ phân bố sai số

Để xây dựng hiểu đ−ợc quy luật phân bố, mà từ áp dụng đ−ợc vào phép tính tốn sai số Ta cần phải xét tới đặc tính cấu tạo hàm số phân bố sai số

Để dễ trình bày, ta giả sử tiến hành đo đại l−ợng đó, ta đo nhiều lần, đ−ợc loạt số liệu kết đo có sai số lần l−ợt x1, x2, xn

Số l−ợng lần đo n, đồng thời số l−ợng sai số Ta xếp sai số theo giá trị độ lớn thành nhóm riêng biệt Ví dụ, có n1 sai số có trị số từ 0ữ0,01; có n2 sai số x có trị giá ví dụ nh− từ 0,01ữ0,02, tiến hành xếp phía có trị giá âm: từ 0ữ-0,01, từ -0,01ữ-0,02 nh−

Ta cã c¸c tû sè:

1 n n

ν

= ; 2 n n

ν

= ., đây, ν1 ν2 gọi tần xuất (hay tần số xuất hiện) lần đo có sai số ngẫu nhiên nằm khoảng có giá trị giới hạn

H×nh 2-3 H×nh 2-2

số l−ợng xuất sai số ngẫu nhiên có trị giá nằm khoảng khắc độ t−ơng ứng trục hoành theo tỷ lệ

Giản đồ cho ta hình ảnh đơn giản phân bố sai số, nghĩa quan hệ số l−ợng xuất sai số theo giá trị độ lớn sai số

Nếu tiến hành đo nhiều lần, nhiều lần, tức số lần đo n→∞, theo quy luật phân bố tiêu chuẩn lý thuyết xác suất, giản đồ ν theo x tiến đến đ−ờng cong trung bình p(x) nh− hình vẽ 2-3:

limn→∞ν(x)=p(x)

Hàm số p(x) hàm số phân bố tiêu chuẩn sai số, (cịn gọi hàm số tắc) Gọi hàm số phân bố tiêu chuẩn biểu thị theo quy luật phân bố tiêu chuẩn Trong phần lớn tr−ờng hợp sai số đo l−ờng điện tử thực tế thích hợp với quy luật Rất có tr−ờng hợp sử dụng quy luật phân bố đồng đều, quy luật phân bố cung sin hay quy luật phân bố tam giác, , nên ta không đề cập đến quy luật

Hình 2-4

Hàm số p(x) gọi hµm sè “Gèt” (Gauss) Nã cã biĨu thøc sau:

2 2x

h e h p(x) −

π

= (5)

ở có thông số h, ứng với trị số h khác đ−ờng cong có dạng khác Hình 2-4 biểu thị vài đ−ờng cong phân bố sai số ứng với thơng số h khác ứng với đ−ờng có h lớn đ−ờng đ−ờng cong hẹp nhọn, có nghĩa xác suất sai số có trị số bé lớn hơn Thiết bị đo l−ờng ứng với đ−ờng cong có h lớn có độ xác cao; dùng thiết bị để đo, sai số hay gặp phải sai số có trị số bé Với ý nghĩa nh− ng−ời ta gọi h thơng số đo xác

2.2.2 Hệ nghiên cứu hàm mật độ phõn b sai s

Từ hàm phân bố cđa sai sè, ta rót hai nhËn xÐt vỊ quy tắc phân bố:

b Xỏc suất xuất sai số khơng phụ thuộc vào dấu, nghĩa sai số có trị số trị số tuyệt đối nh−ng khác dấu nhau, có xác suất xuất nh−

nhau Đ−ờng biểu diễn tr−ờng hợp đối xứng qua trục tung.

Với hàm số phân bố p(x), ta tính đ−ợc số l−ợng sai số nằm khoảng dx hai trị số x x+dx Ta biết l−ợng phải tỷ lệ với p(x), p(x) mật độ phân bố sai số; phải tỷ lệ với n tổng số sai số (hay lần đo); phải tỷ lệ với dx khoảng trị số độ lớn sai số cần tính:

dn =p(x).n.dx (6)

Chia hai vÕ cđa (6) cho n, th× ta cã biĨu thức vi phân xác suất phân bố sai số: p(x).dx

n dn

dp= = (7)

Thay p(x) lµ biĨu thøc (5), ta cã:

dx e

h

dp −h2x2

π

= (8)

Có biểu thức vi phân này, ta tìm đ−ợc xác suất sai số nằm khoảng có trị số cho tr−ớc Ví dụ, xác suất xuất sai số khoảng x1ữx2 bằng:

dx h

1 ∫ −

π = < < 2 x x x h

2) e

x x

P(x (9)

Trị số diện tích giới hạn đ−ờng cong trục hồnh với hai đ−ờng có hồnh độ x1 x2 (nh− gạch chéo hình 2-5)

X¸c st cđa sai số có trị số không vợt trị số xi dó cho trớc, đợc biểu thị diện tích gạch chéo hình 2-6:

dx 2h

dx h

x i i

i

i ∫− − ∫ −

π = π

=

< x x hx x

x

h2 2

e e

) x

P( (10)

Còn xác suất sai số có trị số vợt trị số xi cho trớc, phần diện tích không đợc gạch chéo hình 2-6

dx h

i i ∫∞ −

π = >

x x h2 e ) x x P( dx 2h dx 2h i 0 ∫ ∫∞ − − π − π

= h2x2 x h2x2 e

Phân tích phần đầu vế phải (11) trị số xác suất sai số khoảng từ -∞ đến +∞ Nó kiện tất yếu, có trị số Phần tích phân thứ hai biểu thức (10) Do viết:

) x x P( )

x x

P( > i =1− < i

BiÓu thøc (10) hay đợc biểu diễn dới dạng khác, cách thay biến số tích phân

2 h

t

x= :

dt

2

t i

2 t

2 t

i ∫

−

π =

Φ( ) e (12)

Khi x=xi th× ti = xih

BiĨu thøc (12) chÝnh lµ biĨu thøc tÝch phân xác suất Bảng trị số hàm số thờng đợc cho sẵn sổ tay tra cứu toán học Nó hàm Laplace

Hình 2-5 Hình 2-6

2.2.3 Sử dụng đặc số phân bố để định giá kết đo sai số đo 1 Sai số trung bình bình ph−ơng

Giả sử đo nhiều lần đại l−ợng X, kết nhận đ−ợc n trị số sai số, có trị số nằm khoảng giới hạn từ x1ữx2

H×nh 2-7

Tuỳ theo trị giá h, mà xác suất chúng khác Trên hình 2-7 ta có xác suất cực đại ứng với h2, h2 đ−ợc gọi trị giá cực đại h

Với loại trị số đo coi h khơng đổi Khi xác suất sai số xuất trị giá x1 lân cận x1 là:

1 x h

1 e dx

π

h

dp = − 12 Cũng thế, trị số khác x lµ x2, x3, xn:

2 x h

2 e dx

π

h

dp = − 22

n x h

n e dx

π

h

dp = − 2n

Xác suất n lần đo coi nh− xác suất kiện phức hợp Theo lý thuyết xác suất, xác suất kiện phức hợp tích số xác suất kiện độc lập riêng rẽ:

n

ph dp dp dp P = n x x x h n dx dx dx e h n 2 2 ) ( + + + − ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ π

= (13)

0 e x h h e h n dh dP i 2 i

2 2 h x

i n n x h n n ph = ∑ − π + ∑ π = − − [ ∑ ] − ) ( ) (

Sau đặt thừa số chung, ta có:

∑ =

−2h x

n 2i

do đó:

n x h

2

1 = ∑ 2i

(14)

Đại lợng vế bên phải (14) trị số trung bình bình phơng lần đo riêng biệt Nó đợc gọi sai số trung bình bình ph−¬ng σ:

n x n i i ∑ = =

σ (15)

NÕu biĨu thÞ hàm số phân bố tiêu chuẩn sai số dới dạng có biểu thức:

2 2 x e x

p − σ

σ π =

)

( (16)

Dùng công thức (12), tính đợc xác suất xuất sai số có trị số nhỏ σ:

dt e

2 x

P h

0 t2 ∫ σ − π = σ < ) (

V×

2 2 h = σ σ =

σ , nªn ta cã :

3 683 dt e 2 x P t2 ≈ = π = σ

< ) ∫ − , (

Trong kỹ thuật đo l−ờng điện tử, lấy σ để định giá sai số kết đo, độ tin cậy ch−a đảm bảo Do vậy, ng−ời ta th−ờng lấy giá trị sai số 3σ gọi sai số cực đại:

M=3σ

997 dt e 2 M x P t2 , ) ( = π =

< ∫ −

Nh− vậy, có nghĩa đo 1000 lần đại l−ợng đó, 1000 lần đo đó, có lần có sai số v−ợt giá trị sai số M=3σ

2 TrÞ sè trung b×nh céng

Khi đo đại l−ợng X, ta có loạt n kết đo có trị số a1, a2, an Các sai số lần đo riêng biệt lần l−ợt là:

x1=a1 - X x2=a2 - X

(17)

xn=an - X

Vì ch−a biết xi (i=1, 2, , n), nên X cần đo ch−a biết Vì vậy, thực tế ta có khả xác định đ−ợc trị số gần với giá trị thực tế cần đo, tức phải chọn cho trị số có xác suất lớn Ta ký hiệu trị số atb, dùng cho biểu thức kết đo

Dĩ nhiên, để atb có đ−ợc trị số có xác suất lớn tất sai số x1, x2, xn phải có xác suất lớn nhất:

∑x2i =cùctiĨu

Vì atb trị số gần trị số thực X, nên để tính atb thay atb cho X biểu thức xi:

2 tb n tb 2 tb

i (a a ) (a a ) (a a )

x = − + − + + −

∑

Trị số atb t−ơng ứng với ∑ cực tiểu, tìm đ−ợc cách đạo hàm theo a

2 i

x ∑x2i

tb råi cho b»ng kh«ng:

) ( ) ( )

( 1 tb 2 tb n tb

tb i a a a a a a da x d − + + − + − = ∑ n a a a

Nh− vậy, atb có trị số trung bình cộng tất lần đo, trị số có xác suất lớn nhất, tức gần trị số thực tiến hành đo nhiều lần đại l−ợng cần đo X

2.3 Cách xác định kết đo

2.3.1 Sai sè d−

Trên thực tế tính tốn, X, nên ta đ−ợc xi: xi=ai-X, (i=1,2, ,n) Ta biết đ−ợc sai số tuyệt đối giá trị lần đo ai với atb, ng−ời ta gọi sai số d−, th−ờng ký hiệu ε:

ε1= a1 -atb

ε2=a2-atb

(18)

εn=an-atb

Vì đo đúng, nên x ε có giá trị bé Quan hệ x ε nh− sau: Từ (17) (18) ta có:

(19)

∑xi =∑ai −nX

(20)

∑εi =∑ai −natb Theo định nghĩa atb, ta có:

(21)

∑ai −natb =0

do đó: ∑εi =0 (22)

Tõ (19) vµ (21) : ∑xi =natb −nX vËy:

n x X

atb = +∑ i (23)

⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ − = ε − = ε − = ε → ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ − + = ε − + = ε − + = ε → ⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ + = + = + = ∑ ∑ ∑ n x x n x x n x x a x X a x X a x X x X a x X a x X a i n n i 2 i 1 tb n n tb 2 tb 1 n n 2 1

(24)

Tõ (24) ta thấy rõ quan hệ x quan hệ đờng thẳng Từ (14) ta thấy:

∑ = 2 i x n

h (25)

Thay xi (25) b»ng εi, ta cã th«ng sè H:

∑ = 2 i ε n

H (26)

Theo (25) vµ (26):

∑∑ ε = 2 i i 2 x H h (27)

T×m εi2 theo (24):

⎪ ⎪ ⎩ ⎪ ⎪ ⎨ ⎧ + − = ε + − = ε ∑ ∑ ∑ ∑ 2 i i n n 2 i i 2 n x n x x x n x n x x x ) ( ) ( (28)

Céng hệ phơng trình (28) ta có:

∑ ∑ ∑ ∑ε = − + = − n x x n x n x x i i i i i i ) ( ) ( ) ( (29)

Khai triÓn (∑xi)2, ta cã:

, (i≠j)

∑ ∑

∑ = + i j

i

i ) x x x

Theo quy luật phân bố tiêu chuẩn, sai số có trị số tuyệt đối nh−ng trái dấu, có xác suất nh− Nh− vậy, tiến hành đo số lần đủ lớn sai số đôi triệt tiêu nhau:

Do vËy:

∑xixj →0 ∑ =∑

i

i x

x ) ( Thay kết vào (29):

∑ ∑ ⎟ = − ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − = − = ε i i i i i x n n x n 1 n x

x (30)

Biểu thức (30) xác định quan hệ ε x Thay vào (27):

n n H h 2 − = hay lµ n n h H −

= (31)

Ta cã c¸c nhËn xét từ phân tích quan hệ là:

a Vì H>h, nên thay x ε mà khơng tính đến biểu thức (31) độ xác phép đo không chân thực

b H khơng hàm số h, mà cịn tuỳ thuộc vào số lần đo n, độ xác H biến đổi phép đo có số lần đo n khác

c Khi tăng số lần đo, cho có 1 n

n

H ặh

Hình 2-8 biểu thị quan hệ 1 n

n

n Trị số n 1 n −

− biểu thị độ sai khỏc

giữa x

Vớ d, vi n=5 độ sai khác 12%; n=100 độ sai khác 0,5%, lúc coi h H

d Từ phơng trình (30), công thức tính d theo là:

1 n i − ε =

σ ∑ (32)

) (n

n

d i

− ε

= ∑ (33)

d lµ sai số trung bình

2.3.2 Độ tin cậy khoảng xác

Ta ó coi X ath đánh giá kết phép đo Vậy độ xác, độ tin cậy gần nh− nào, vấn đề cần phải xét đến

Theo biểu thức (12), xác suất sai số có trị số khơng v−ợt q giá trị cho tr−ớc đó, bằng:

) ( )

( / e dt t

2 X

a

P atb

2

0

2 t

tb =Φ

π = µ <

− ∫µ σ − (34)

ở đây, tb a i t =

Nh− vậy, nh− cho tr−ớc trị số xác suất P đó, dựa vào bảng hàm số Φ(t) cho sổ tay tra cứu tốn, ta tìm đ−ợc giá trị

tb a t σ = Do đó: tb a

tb X t

hay:

tb

tb tb a

a

tb t X a t

a − σ < < + σ (35)

Đây ph−ơng pháp đánh giá theo cách cổ điển, có nghĩa khoảng từ đến

tb a

tb t

a − σ

tb a

tb t

a + σ có xác suất chứa đựng trị số thực đại l−ợng cần đo X P=Φ(t)

Nh− vậy, P gọi độ tin cậy phép đánh giá, khoảng , khoảng tin cậy

tb a

tb t

a − σ

tb a

tb t

a + σ

Nh− phần trình bày (về giá trị sai số cực đại), kỹ thuật điện tử, để đảm bảo độ tin cậy P=0,997; t=3 biểu thức (35) biểu thị khoảng tin cậy với độ tin cậy 0,997 là:

tb

tb tb a

a

tb X a

a − σ < < + σ (36)

hay lµ:

tb a

tb

a

X= ± σ (37)

Nh−ợc điểm ph−ơng pháp đánh giá theo cách cổ điển

n

tb a

σ =

σ ch−a biÕt,

vì tất lý luận với ngụ ý σ có trị số tổng qt, đ−ợc tính từ quy luật phân bố biết Song thực tế quy luật phân bố ch−a biết đầy đủ; ta có n số liệu cụ thể đo đ−ợc thơi Nh− vậy, trị số sai số trung bình bình ph−ơng tìm đ−ợc thực nghiệm đo l−ờng có phụ thuộc vào số l−ợng lần đo n Nên thay đổi biểu thức (35) trị số sai số trung bình bình ph−ơng có trị số tổng qt trị số tìm đ−ơc thực nghiệm đo l−ờng nh− cơng thức (32) độ tin cậy đánh giá có thay đổi

Theo lý thuyết xác suất, đánh giá độ tin cậy lấy σtb trị số từ thực nghiệm đo l−ờng, có biểu thức kết đo cịn phụ thuộc thơng số thơng số t, có dạng là:

tb

a tb t

a

X= + (38)

ở đây, n tb a =

, mà tính nh công thức (32) Sư dơng c«ng thøc (38) ta

cịn cần phải ý tới quan hệ thông số t độ tin cậy P theo số lần đo n

B¶ng 2-1: Khi t=3

n 10 15 20 ∞

P 0,796 0,904 0,942 0,960 0,976 0,985 0,991 0,993 0,997

Từ bảng 2-1 ta có nhận xét là: Khi số lần đo ít, độ tin cậy phép đánh giá giảm

Bảng 2-2 biểu diễn biến đổi t phụ thuộc theo số lần đo n, độ tin cậy cho P=0,997

B¶ng 2-2: Khi P=0,997

n 10 15 20 ∞

t 5,2 4,6 4,2 3,6 3,2 3,1

Từ bảng 2-2 ta có nhận xét là: số lần đo n giảm cần thiết phải lấy trị giá thơng số t lớn để đảm bảo có độ tin cậy P=0,997

Cách giảm tối thiểu trị số sai số ngẫu nhiên

Nh− ta biết, sai số ngẫu nhiên khơng thể xác định tr−ớc loại bỏ nh− loại bỏ sai số hệ thống đ−ợc Điều làm giảm tối thiểu cách xử lý kết đo cách thích hợp sở nghiên cứu lý thuyết sai số đo l−ờng cách sử dụng quy luật phân bố ngẫu nhiên cơng cụ tính tốn phép tính thống kê, xác sut

Nh vậy, sai số ngẫu nhiên đợc tính toán với số hữu hạn n lần đo, có trình tự nh sau:

-Tính trị số trung bình cộng n lần đo:

=

= n

i i

a n a

ở ai kết đo thứ i, mà loại bỏ sai số hệ thống -Tính sai số trung bình bình ph−ơng:

( )2

n

i i

a a n

1 ∑

=

− −

Nếu tiến hành đo nhiều lần, coi nh− số liệu kết đo đ−ợc, để lại xét phân bố ngẫu nhiên tập hợp n kết đo a, ta có giá trị trung bình bình ph−ơng a là:

( ) ∑ = − − = σ = σ n i i

a a a

1 n n

1

n ( )

Để đảm bảo độ tin cậy phép đo, th−ờng lấy P=0,997, trị số sai số cực đại M=3σa Kết đo là:

a a

X = ± σ

2.3.3 Cách xác định kết đo thực đo nhiều lần

Qua phần nói trên, ta xét tới nguyên nhân, đặc tính phân bố nh−

cách tính tốn sai số đo l−ờng Một điều cần rút là, để đo xác đại l−ợng, ta cần phải tiến hành đo đo lại nhiều lần với tính chu đáo nh− Kết cuối rút từ kết lần đo thông qua tính tốn để xác định Trình tự xác định đ−ợc thực theo b−ớc nh− ví dụ cụ thể d−ới

Ví dụ: Khi đo điện cảm cuộn dây, ta tiến hành đo 10 lần; kết đo đ−ợc xếp thành bảng để dễ tính tốn, (bảng 2-3)

Trình tự hiệu chỉnh nh sau: Tính trị sè trung b×nh céng:

n a

a i

tb = ∑ =275.2mH

Tr−ờng hợp số liệu đo có trị số lớn, ta xác định atb cách khác, để tránh phải cộng dãy trị số lớn gây sai lầm Ta tự −ớc định chọn số liệu kết đo trị số trung bình cho dãy Trị số a'tb Lập cột (ai-a'tb), phép tính đơn giản, hầu nh− chúng sai khác từ đến hai số cuối Và atb

đợc tính bằng: 275,2mH

10 , , 275 n ) a a ( a a ' tb i ' tb

tb = + =

− +

B¶ng 2-3

Số thứ tự lần đo

Kết lần đo: ai (mH)

(aj-a'

tb) εi= ai-atb (εi)

1 275,3 +0,3 +,01 0,01

2 274,5 -0,5 -0,7 0,49

3 273,4 -1,6 -1,8 3,24

4 276,8 +1,8 +1,6 2,56

5 275,0 -0,2 0,04

6 276,1 +1,1 +0,9 0,81

7 274,8 -0,2 -0,4 0,16

8 275,0 -0,2 0,04

9 276,2 +1,2 +1,0 1,00

10 274,9 -0,1 -0,3 0,09

LÊy a'tb=275,0 ∑(ai -a'tb)= 4,4-2,4=2,0

∑(ai -atb)= 7,2

2 i

(ε ) =8,44

2 Tính sai số d−εi= (ai-atb) Lập thành cột, cộng riêng trị số εi có dấu "+" εi có dấu "-", tổng trị số tuyệt đối ∑(ai -atb):

=3,6

∑(ak -atb)

-∑(as-atb)=3,6 =7,2

∑(ai -atb)

Để kiểm tra lại phép tính ta thực cách thử tổng đại số sai số d− không:

- =3,6-3,6=0

∑(ak -atb) ∑(as-atb)

3 TÝnh sai sè trung b×nh

76 90

2 n n

a a

d i tb , ,

)

( − = =

Kiểm tra lại sai số d− εi, εi có trị số thoả mãn ⎢εi⎢>6d, kết lần đo t−ơng ứng với εi sai Nếu có một, hai tr−ờng hợp nh− vậy, ta loại bỏ phải tiến hành tính tốn lại từ đầu Nếu nhiều tr−ờng hợp nh− phép đo có vấn đề, phải tiến hành đo lại

4 TÝnh sai sè trung b×nh b×nh phơng Lập cột i2 tính theo công thức:

( ) 93 10 44 n i , , = − = − ε = σ ∑

TÝnh sai sè trung b×nh b×nh phơng trị số trung bình cộng atb:

30 10 93 n tb a , , ≈ = σ = σ

5 Xác định kết đo:

tb a

tb t

a

X= + σ :

trÞ sè t lÊy theo bảng 2-2 n=10, t=3,6 X=275,2(3,6.0,3)=275,21,1mH

Cuối cùng, ta phải ý tới cách viết hàng chữ số kết cuối cách tÝnh tíi sai sè ®o cho catalog sư dơng máy đo

a Cách viết hàng chữ số kết đo:

Khi lấy cần lấy với hai số, thân

tb

a tσ

tb

a

tσ đại l−ợng gần có trị số bé, có nghĩa tất sai số với độ tin cậy 0,997 nhỏ Do lấy số số có nghĩa lớn 2, việc làm kỹ l−ỡng trở nên vơ nghĩa

Khi lấy atb, phải ý lấy chữ số cho bậc số cuối nó, không đợc thấp bậc hai số

tb

a

tσ

VÝ dô, nÕu nh kết ví dụ lại : X=275,241,08 ta phải viết lại là: X=275,21,1

b Cách xử lý sai số máy đo:

số ngẫu nhiên cực đại Các xử lý coi nh− sai số ngẫu nhiên khác Khi ta khơng thể cộng gộp lại theo quy luật cộng đại số, nh− sai hệ thống, mà phải cộng theo quy luật cộng trung bình bình phng

2.3.4 Tính sai số trờng hợp đo gi¸n tiÕp

Trong nhiều tr−ờng hợp, đại l−ợng cần đo đ−ợc biểu thị trực tiếp ngay, mà phải tính tốn gián tiếp cơng thức thơng qua đại l−ợng đo trực tiếp khác Ví dụ, đo hệ số phẩm chất Q mạch điện, ta thực cách đo hai lần tần số giới hạn mức 0,707 mức điện áp cực đại:

) f f ( f f Q 2 − + =

Xét tr−ờng hợp tổng quát, đại l−ợng cần đo là: )

B , B (

R =ϕ 1 2

B1, B2 đại l−ợng độc lập với nhau, đ−ợc đo phép đo trực tiếp

Khi đo B1, ta tiến hành đo n1 lần có sai số là: x'1, x'2, ,

n x'

Khi ®o B2, ta ®o n2 lần có sai số là: x''1, x''2, , n ' x'

Còn đại l−ợng cần đo R đ−ợc biểu thị n sai số: x1, x2, , xn

Nh− vậy, sai số trung bình bình ph−ơng đại l−ợng đo trực tiếp gián tiếp là: i n x ∑ = σ ( ' ) 2 i n x ∑ =

σ ( '' ) (39)

n x i ∑ = σ

Để tính sai số cho kết cần đo, ta phải xét quan hệ sai số Vì sai số có trị số bé so với kết đo, nên tiện tính tốn, ta thay gia số, tìm quan hệ gia số này:

Ph©n tÝch vÕ phải phơng trình theo chuỗi Taylo:

R+R=(B1, B2)+ ∆ +

∂ ϕ ∂ + ∆ ∂ ϕ ∂ + ∆ ∂ ϕ ∂ 2 2

1 1

B B B B B B + ∆ ∆ ∂ ∂ ϕ ∂ + ∆ ∂ ϕ ∂

+ 1 2

2 2 2 2 B B B B B B Do đó:

∆R= ∆ +

∂ ϕ ∂ + ∆ ∂ ϕ ∂ + ∆ ∂ ϕ ∂ 2 2 1 1 B B B B B B + ∆ ∆ ∂ ∂ ϕ ∂ + ∆ ∂ ϕ ∂

+ 1 2

2 2 2 2 B B B B B B

Với giả thiết trên, B1, B2 trị số bé, nên biểu thức phân tích cần lấy thành phần đầu thôi:

R= 2

2 1 B B B

B ∂ ∆

ϕ ∂ + ∆ ∂ ϕ ∂

Vì dãy sai số độc lập với nhau, nh− sai số dãy độc lập; nên sai số x'i t−ơng ứng với sai số x''i ta áp dụng kết Các sai số đại l−ợng cần đo R dãy n sai số sau:

1 1 ' x' B x' B ∂ ϕ ∂ + ∂ ϕ ∂

; 2

2 1 ' x' B x' B ∂ ϕ ∂ + ∂ ϕ ∂ n 1 ' x' B x' B ∂ ϕ ∂ + ∂ ϕ ∂ ; 2 ' x' B x' B ∂ ϕ ∂ + ∂ ϕ ∂

; 2

2 ' x' B x' B ∂ ϕ ∂ + ∂ ϕ ∂ n 2 ' x' B x' B ∂ ϕ ∂ + ∂ ϕ ∂ ; n ' x' B x'

B ∂

ϕ ∂ + ∂ ϕ ∂

; 2

2 n ' x' B x'

B ∂

ϕ ∂ + ∂ ϕ ∂ n n ' x' B x' B ∂ ϕ ∂ + ∂ ϕ ∂ ;

Ta có n1 dòng n2 cột sai sè, nh− vËy: n=n1.n2

( ) ∑( ) ∑

∑

∑ = ⎛⎝⎜⎜∂∂ϕ ⎟⎟⎞⎠ + ⎛⎝⎜⎜∂∂ϕ ⎞⎠⎟⎟ + ⎛⎝⎜⎜∂∂ϕ ⎠⎟⎟⎞⎛⎝⎜⎜∂∂ϕ ⎟⎟⎞⎠ i i 2 i 2 i 2

i x x

B B x B n x B n

x ' '' ' '' (40)

Nh− biết, theo quy tắc phân bố đối xứng hàm số phân bố sai số, số lần đo lớn coi:

0 '' x ' xi i ≈ ∑ Do đó: ( ) ∑( ) ∑ ∑ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ϕ ∂ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ϕ ∂ = i 2 i 2 i x B n x B n

x ' ''

Chia c¶ hai vÕ cho n=n1.n2:

( ) ( ) 2 i 2 i 2 i n x B n x B n

x ∑ ∑

∑ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ϕ ∂ + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ϕ ∂ = ' ''

Thay theo (39), ta cã:

2 2 21 2 σ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ϕ ∂ + σ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ϕ ∂ = σ B

B (41)

Cơng thức (41) cho phép tính đ−ợc sai số đại l−ợng đo cách tính gián sai số đại l−ợng đo trực tiếp:

R=ϕ(B1, B2, Bm) Ta còng cã:

2 i m i i R

B ⎟⎟⎠ σ

⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ∂ ϕ ∂ = σ ∑ = (42)

Nh− vậy, sai số đại l−ợng phải đo gián tiếp trị số trung bình bình ph−ơng sai số đại l−ợng cục đo trực tiếp

2.3.6 Tính sai số đo vÞ trÝ chØ thÞ cùc trÞ

Trong kỹ thuật đo l−ờng điện tử, có nhiều tr−ờng hợp cần xác định vị trí có mức cực trị điện áp tín hiệu, ta biến đổi đại l−ợng cần đo hay biến đổi mạch đo Những tr−ờng hợp đo ví dụ nh− đo tần số tần số-mét cộng h−ởng; đo thông số mạch điện Q-mét hay dây đo

Cũng cịn có tr−ờng hợp đo mà để nâng cao độ xác, ng−ời ta cịn tiến hành đo cách đo hai vị trí mức hai phía vị trí thị cực đại hay cực tiểu điện áp tín hiệu Mức độ th−ờng mức chọn cách hợp lý tuỳ theo khả thiết bị đo; phần trị số mức cực đại hay gấp khoảng vài lần trị số mức cực tiểu

Những trờng hợp nh thờng gặp đo, nên ta cần tính sai số đo trờng hợp chung nµy

Sai số đo để xác định vị trí cực trị phép đo tiến hành lần đo, tuỳ thuộc vào mức khả phân biệt thang độ thị thiết bị thị Khả phân biệt thang độ thị đ−ợc biểu thị hình 2-9 trị số ∆x mà đại l−ợng cần đo β có trị số nằm khoảng từ β1 đến β2

Để xác định sai số, cần phải tìm đ−ợc giá trị độ lệch cực đại ∆β, ứng với mức ∆α cho Muốn vậy, ta phân tích hàm số α=f(β) thành chuỗi Taylo vị trí cực đại hàm số, nghĩa β=βcđ hình 2-9 Sau bỏ thành phần có đạo hàm lớn bậc hai, ta có:

( ) ( ) ( ) c® c®

c® ''

2 + '

+

=f β f β ∆β f β ∆β

α (43)

Từ hình 2-9 ta có: f(βcđ)=αđ : f'(βcđ)=0 Do đó:

2 c ∆ ( ' f'

1 β β

α

α= ® + ®)

Khi: α-α® =∆α (44)

th× ta cã:

2 c ∆ ( ' f'

H×nh 2-10 H×nh 2-9

Giải ph−ơng trình (45) để tìm ∆β, ta có:

( )β β

α ∆ β

∆ M

f

c = '

' =

®

(46)

Cơng thức (46) cơng thức để tính sai số cực đại đo vị trí thị cực đại hay cực tiểu

Khi đo vị trí thị mức định đó, ví dụ nh− điểm uốn, sai số phép đo tuỳ thuộc vào mức khả phân biệt thị thang độ ∆α thiết bị thị Hình 2-10 biểu thị trị số sai số cực đại δβ mắc phải t−ơng ứng với giá trị

∆α Ta cần tìm quan hệ δβ ∆α Muốn vậy, phân tích hàm số α=f(β) theo chuỗi Taylo nh− biểu thức (43), cần thay β=βđ nh− hình 2-10 Thơng th−ờng ng−ời ta chọn mức thị tuỳ ý t−ơng ứng với vị trí điểm uốn đ−ờng biểu diễn điện áp tr−ờng hợp đo, hàm số có độ dốc cực đại Nh− vậy, tr−ờng hợp đạo hàm bậc hai khơng, nghĩa ta có:

δβ β β

α=f( ®)+f'( ®)

Ta đặt:

2 f β = ∆α −

α ( ® ) (48)

th× ta cã

δβ β α ∆

) ( ' =f ®

) ( ' =

®

β α ∆ δβ

f

2 (49)

Cơng thức (49) cơng thức để tính sai số cực đại đo mức điện áp tín hiệu, đ−ợc tính theo khả phân biệt thang độ chị thị thiết bị đo

2.3.7 L−u đồ thực trình xử lý, định giá sai số xác định kết qu o

Bắt đầu

Kiểm tra có sai sè hƯ thèng?

KÕt thóc

Ghi n sè liƯu ®o: a1, a2, , an

0 n

1 i

i =

ε

∑

=

? Có

Không

Loại bá sai sè hƯ thèng

TÝnh trÞ sè trung bình cộng a

Tính n trị số sai số: εi=ai- a

TÝnh: εi

=(ai- a)

Tính sai số trung bình bình phơng

Tính σa

KÕt qu¶: X = a ± 3σa

Chơng III

Quan sát đo lờng dạng tín hiệu

3.1 Khái niÖm chung

Trong kỹ thuật đo l−ờng điện tử, yêu cầu để xác định tín hiệu quan sát dạng tín hiệu Các tín hiệu kỹ thuật điện tử th−ờng đ−ợc biểu diễn theo quan hệ biến thiên theo thời gian hay theo quan hệ tần số Do vậy, cần phải có thiết bị để vẽ đ−ợc trực tiếp đồ thị biến thiên tín hiệu (ví dụ u=f(t)) để quan sát dạng đo l−ờng đ−ợc thông số c−ờng độ thời gian tín hiệu Đo l−ờng ph−ơng pháp quan sát dạng nh− có −u điểm tận dụng đ−ợc giác quan nhạy cảm ng−ời thị giác Phép đo nh− cho phép định tính cách nhanh chóng, phân biệt đ−ợc cụ thể loại tín hiệu, cịn định l−ợng đ−ợc xác đại l−ợng cần đo Cũng mà loại thiết bị th−ờng đ−ợc dùng phổ biến kỹ thuật đo

Thiết bị trực tiếp dùng để nghiên cứu dạng tín hiệu dao động ký Dao động ký điện tử thực vẽ đồ thị dao động tín hiệu ống tia điện tử Nó loại máy đo có nhiều tính tốt nh−: trở kháng vào lớn, độ nhạy cao, quán tính ít, thị ống tia điện tử , nên có nhiều khả đo l−ờng, số máy đo nhất, đ−ợc sử dụng phổ biến lĩnh vực đo l−ờng điện tử

Dao động ký cịn có tên gọi “máy sóng”; thực tế, ta hay gọi theo phiên âm “ơ-xi-lơ” Nó loại máy đo để xem nh− để ghi lại phim ảnh giá trị tức thời điện áp biến đổi có chu kỳ hay khơng có chu kỳ

Trong kỹ thuật điện tử, muốn quan sát, đo l−ờng tín hiệu sóng điện từ, ví dụ nh−: dạng tín hiệu cao tần điều chế, dạng tín hiệu xung; xác định thành phần phổ tín hiệu; đo l−ờng biên độ, tần số, độ di pha , tín hiệu, dao động ký loại thiết bị đo l−ờng hiệu tiện dụng

Ngồi ra, cịn đ−ợc dùng để đo l−ờng nhiều đại l−ợng biến đổi khác, nh−

Vì vậy, dao động ký coi máy đo vạn đ−ợc dùng rộng rãi ngành điện tử, mà đ−ợc dùng nhiều ngành cơng nghiệp khác

Trong giáo trình đo l−ờng điện, tần số thấp, ta xét đến loại dao động ký từ điện, có khung dây quay Nó loại dao động ký có quán tính, nghĩa điện áp hay dịng điện cần nghiên cứu đ−ợc tác dụng lên hệ thống có quán tính dao động ký Do đó, dao động ký đ−ợc dùng phạm vi số thấp, chừng khoảng đến 10kHz

Khi đặt vấn đề chọn dùng ơxilơ, có nghĩa chọn đ−ợc loại ơxilơ mà tính kỹ thuật phù hợp với yêu cầu đặt toán đo l−ờng, nghiên cứu, với đặc tính thơng số tín hiệu hay mạch điện tử

Khi quan sát tín hiệu biến đổi liên tục hay tín hiệu xung, với tần số lặp lại t−ơng đối cao, cần thơng số chúng biên độ, độ rộng dùng loại ơxilơ t−ơng t (analog) nng thụng dng

Mạch vào Y

Tạo trễ Khuếch đại Y

Khuếch đại đồng b

Tạo quét

Đợi Liên

tục

Khuếch đại X

Suy gi¶m

Suy gi¶m

chän cùc tÝnh

Khuếch đại Z Kênh khống chế độ sáng

Khối lệch ngang Khối lệch đứng

50Hz

Thiết bị hỗ trợ Đầu vào

Y

Đầu vào đồng Đầu vào

X

Đầu vào Z

Hình 3-1

hai, ơxilơ có kèm theo thiết bị chuyển mạch điện tử trợ giúp Với kèm theo chuyển mạch điện tử, đồng thời vẽ hình từ 2,4,6 đến 12,14 dao động đồ để so sánh, quan sát Cách thức “chuyển mạch” thông dụng “chuyển mạch phân kênh theo thời gian” “chuyển mạch phân kênh theo biên độ (theo mức)”

Khi cần nghiên cứu, đo l−ờng tín hiệu độc lập, (khơng lặp lại, tín hiệu phi chu kỳ) ta dùng loại ơxilơ khơng đồng bộ Tuỳ theo yêu cầu nghiên cứu, tuỳ thuộc vào tần số tín hiệu nghiên cứu, mà với tín hiệu phi chu kỳ ta cịn dùng loại ơxilơ có nhớ Có loại ơxilơ có nhớ kiểu t−ơng tự loại ơxilơ có nhớ kiểu số.

Khi cần nghiên cứu tín hiệu nh− tín hiệu xung có độ rộng nhỏ hay tín hiệu có chu kỳ với tần số cao (tín hiệu siêu cao tần) dùng ôxilô hoạt nghiệm, loại ôxilô đ−ợc thực theo ph−ơng pháp quan sát lấy mẫu (ơxilơ stroboscop)

Khi có yêu cầu nghiên cứu chi tiết, cụ thể thơng số, đặc tính tín hiệu, muốn đo thơng số khác nó, muốn xử lý đựơc kết quan sát, muốn so sánh chúng với giá trị chuẩn mà đ−ợc cho tr−ớc, sử dụng ôxilô nh− phần hệ đo l−ờng tự động ta cần chọn dùng ơxilơ có cấu tạo cài đặt vi xử lý (microprocessor).

Trong kỹ thuật điện tử, tần đoạn đ−ợc sử dụng nhiều cao tần nên dao động ký đ−ợc dùng loại hầu nh− khơng có quán tính Loại dao động ký dao động ký điện tử Tuy nhiên, dao động ký điện tử phân loại tuỳ theo tia điện tử bị khống chế điện tr−ờng hay từ tr−ờng Nh−ng đây, ta xét tới loại dao động ký điện tử dùng điện tr−ờng để khống chế tia điện tử Nó loại đ−ợc dùng nhiều đo l−ờng

Sơ đồ khối dao động ký điện tử tiêu biểu bao gồm phận nh− hình 3-1 Ta nghiên cứu lần l−ợt tính năng, tác dụng khối riêng rẽ sơ đồ c bn ny

3.2 Cấu tạo ôxilô

3.2.1 Cấu tạo ống tia điện tử

st tõ hai cỈp phiÕn lƯch tíi gần huỳnh quang Hình dạng bổ dọc ống tia nh

hình 3-2

1 Cấu tạo sóng ®iƯn tư

Súng điện tử gồm có: sợi đốt F, catốt K, l−ới điều chế M, anốt A1 A2 (hình 3-2) Nhiệm vụ súng điện tử tạo nên chùm tia điện tử nhỏ, gọn, bắn tới

màn huỳnh quang để gây tác dụng phát sáng Do tính chất nên ng−ời ta đặt tên cho tập hợp điện cực súng điện tử

H×nh 3-2

Chùm tia điện tử đ−ợc phát xạ từ catốt K, đ−ợc nung nóng nhờ sợi đốt F, qua số lỗ tròn nhỏ điện cực M, A1, A2, tạo thành chùm tia có hình dạng nhọn bắn tới huỳnh quang

Sở dĩ tạo nên đ−ợc chùm tia nhọn điện cực M, A1 A2 có điện khác tạo thành điện tr−ờng không tác động tới chùm tia làm hội tụ chùm tia lại huỳnh quang

động dọc theo ph−ơng trục ống; đồng thời co ép lại (hội tụ) với theo ph−ơng bán kính chùm tia Sang tới vị trí điểm B thành phần lực theo ph−ơng bán kính lại đổi chiều Nh− vậy, chùm tia điện tử lại có khuynh h−ớng tản (phân kỳ) khỏi tâm theo ph−ơng bán kính, song cấu tạo điện cực, phân bố đ−ờng sức điểm B bị cong phần vị trí điểm A Do phân l−ợng vận tốc theo ph−ơng bán kính điểm B có trị số bé điểm A Khuynh h−ớng hội tụ chùm tia điện tử nhiều khuynh h−ớng phân kỳ Tác dụng anốt A1 A2 nh− thấu kính điện tử để hội tụ tia điện tử Nếu biến đổi điện áp cung cấp điện cực này, tức thay đổi hiệu điện chúng, (thông th−ờng cách thay đổi điện áp A1), điều chỉnh đ−ợc độ hội tụ chùm tia điện tử huỳnh quang (vì vậy, anốt A1 cịn đ−ợc gọi anốt tiờu t)

Tác dụng điện trờng A1 M hình thành thấu kính điện tử tơng tự Nó hội tụ sơ tia điện tử vị trí trục vào khoảng cực A1

Điện áp anốt A2 đ−ợc chọn cho điện tử có đ−ợc vận tốc đủ để bắn tới huỳnh quang gây phát sáng với độ sáng cần thiết huỳnh quang Điện áp tăng điện tử đ−ợc tăng tốc phát sáng sáng Vì anốt A

2 A

U

2 đợc gọi anốt tăng tốc

V hỡnh dng ca điện cực đ−ợc cấu tạo điện cực bên trái có vành hẹp, điện cực bên phải có vành rộng (hình 3-2) anốt có hay hai vách ngăn Tác dụng vách ngăn lại điện tử xa trục ống, tác dụng hội tụ dễ tạo nên điện tr−ờng đặc biệt theo ý muốn, để tạo nên khả hội tụ lơn phân kỳ Nh− cầu tạo hình dạng điện cực điện áp đặt lên điện cực, mà đ−ợc súng điện tử có khả phát chùm tia điện tử tiêu tụ đ−ợc chùm tia huỳnh quang

2 Hệ thống cặp phiến làm lệch tia điện tö

Chùm tia điện tử nhỏ gọn đ−ợc súng điện tử tạo nên, tr−ớc tới huỳnh quang có qua hệ thống cặp phiến làm lệch Hệ thống gồm hai cặp phiến làm lệch đặt lần l−ợt tr−ớc sau vng góc với bao quanh trục ống (hình 3-2) Một cặp theo ph−ơng vng góc, cặp theo ph−ơng nằm ngang; mà ta th−ờng gọi cặp phiến làm lệch Y cặp phiến làm lệch X (vì vào ph−ơng hệ toạ độ vng góc mà xác định)

C−ờng độ điện tr−ờng lớn, nh− thời gian bay lâu độ lệch quỹ đạo tăng C−ờng độ điện tr−ờng tỷ lệ với điện áp Uy đặt lên cặp phiến lệch (hình 3-4), tỷ lệ nghịch với khoảng cách hai phiến d Thời gian bay điện tử qua khoảng hai phiến tỷ lệ với độ dài phiến l tỷ lệ nghịch với tốc độ điện tử Tốc độ điện tử lại tỷ lệ với điện áp anốt A2 Nh− vậy, tăng điện áp độ sáng tăng, nh−ng đồng thời làm giảm độ lệch tia điện tử; hay nói cách khác, làm giảm độ nhạy ống tia

2 A

U

Từ hình 3-1 cịn thấy độ lệch tia điện tử tỷ lệ với khoảng cách L khoảng cách từ điểm phiến lệch đến huỳnh quang

Nh− vậy, ta có quan hệ biểu thị độ lệch:

2 2

l

A y dU

L U

y= (1)

H×nh 3-5 H×nh 3-4

Trong đó, y độ lệch tia sáng hình, đ−ợc tính theo mm; l chiều dài phiến, tính mm; Uy hiệu điện đặt cặp phiến, tính vơn; L khoảng cách từ tâm phiến đến màn, tính theo mm; d khoảng cách hai phiến cặp, tính mm; điện áp anốt A

2 A

U tÝnh v«n

Nếu chia (1) cho Uy đ−ợc đại l−ợng đặc tr−ng cho đặc tính ống tia, gọi độ nhạy ống Nó độ lệch tia sáng tính mm đặt cặp phiến lệch hiệu điện vôn Với dao động ký nay, th−ờng dùng ống tia có độ nhạy khoảng 0,2-1mm/V

3 Mµn huúnh quang

Trên phía ống tia điện tử đ−ợc quét vài lớp mỏng chất huỳnh quang Khi có điện tử bắn vào, vị trí bị bắn phá, chất huỳnh quang phát sáng Sau tác dụng bắn phá điện tử, nơi bắn phá, ánh sáng đ−ợc giữ lại thời gian ngắn Thời gian gọi độ d− huy hình Với cấu tạo chất huỳnh quang khác nhau, có độ d− huy khác Và tuỳ theo cơng dụng quan sát tín hiệu biến đổi nhanh hay chậm khác nhau, mà dao động ký đ−ợc dùng ống tia có độ d− huy lớn hay bé

Về màu sắc ánh sáng, tuỳ theo chất huỳnh quang mà dao động ký có màu tia sáng khác Để dễ quan sát, ánh sáng th−ờng dùng màu xanh cây, màu xanh th−ờng thích nghi với sinh lý mắt Với dao động ký cần dùng để chụp ảnh lại, màu tia sáng hay dùng màu tím, màu tím bắt nhạy với phim ảnh Với dao động ký để quan sát trình biến đổi chậm dùng ống tia có độ d−

huy cao

4 Vấn đề gây méo đồ thị dao động

Độ sáng dao động đồ dao động ký khơng phụ thuộc vào l−ợng điện tử, mà vào tất số l−ợng điện tử đ−ợc bắn tới hình đơn vị thời gian, (tức phụ thuộc vào mật độ điện tử) Vì thế, thay đổi đ−ợc mật độ tín hiệu điện tử thay đổi đ−ợc độ sáng dao động đồ sóng Thay đổi mật độ điện tử thực cách dễ dàng cách thay đổi điện áp cực điều chế M (hình 3-2) Ta biết, M A1 có cấu tạo điện tr−ờng nh− A1 A2, để hội tụ tia điện tử Do vậy, thay đổi điện áp M độ tiêu tụ tia điên tử bị ảnh h−ởng Đó lý mà thực điều chế độ sáng, ta dùng đ−ợc điện áp có biên độ bé thơi Vì cực M có điện d−ơng lớn khơng độ sáng dao động đồ tăng mà gây méo dao động đồ tiêu tụ bị giảm Phép đo sai

dụng điện tr−ờng này, điện tử đ−ợc gia tốc thêm nh−ng độ nhạy hầu nh− khơng bị ảnh h−ởng Tuy nhiên, điện tử đ−ợc tăng tốc qua cặp phiến lệch tác dụng , nh−ng khoảng thời gian không đáng kể so với khoảng thời gian điện tử từ cặp phiến lệch đến hình Hơn nữa, giảm độ nhạy bù lại cách giảm điện áp

3

A

U

3

A

U

2

A U

Độ nhạy độ tiêu tụ dao động ký bị ảnh h−ởng hiệu điện A2 với cặp phiến làm lệch Để khử bỏ ảnh h−ởng này, phải làm cho điện A2 điện hai cặp phiến (tức điện đ−ờng trục ống) Giữa K A2 có điện áp khoảng 1,5ữ2kV; để dễ dàng thực đ−ợc điện A2 điện hai phiến lệch th−ờng nối đất điện cực A2 mà không nối đất K Nếu lại không trọng cách đầy đủ đến vấn đề trên, mà nối đất phiến hai phiến cặp, cịn phiến đ−a vào điện áp xoay chiều cần quan sát (hình 3-6) có t−ợng méo dao động đồ Thật vậy, ứng với thời điểm khác nhau, điện hai cặp phiến đ−ợc phụ thêm đại l−ợng nửa điện áp xoay chiều cần quan sát Uy Nó trở thành điện biến thiên tuỳ theo Uy Ví dụ ứng với Uy có trị số d−ơng điện điểm phiến

2 U

UA y

2 + ; độ nhạy nhỏ Khi ứng với Uy có trị số âm, điện điểm phiến :

2 U

UA y

2 − ; đó, độ nhạy lại có trị số lớn Dao động đồ Uy (ví dụ Uy điện áp hình sin), khơng cịn đối xứng trị số trung bình (hình 3-7)

H×nh 3-7

Vì độ hội tụ phụ thuộc vào điện tr−ờng phiến A2, tr−ờng hợp chúng có thay đổi, nên tiêu tụ thực đ−ợc tốt ứng với thời điểm thơi Nên nh− thực tiêu tụ tốt ứng với điện hai phiến điện áp phụ thêm, tiêu tụ ứng với thời điểm có phụ thêm

2

y U

± (h×nh 3-7)

phiến lệch Để thực nh− vậy, tầng khuếch đại điện áp tín hiệu cần quan sát tr−ớc đ−a vào cặp phiến làm lệch th−ờng dùng kiểu khuếch đại đẩy kéo hay tự động đảo pha

Kênh Z hình 3-1 kênh khống chế c−ờng độ sáng, để thay đổi độ sáng vết tia điện tử hình Tín hiệu điều khiển c−ờng độ sáng đ−ợc đ−a tới cực điều chế M ống tia điện tử CRT

3.2.2 Bộ tạo điện áp quét

1 Nguyờn lý quét đ−ờng thẳng dao động ký

Để có đ−ợc hình dạng tín hiệu dao động biến thiên theo thời gian dao động ký ng−ời ta phải đ−a điện áp tín hiệu cần nghiên cứu lên cặp phiến làm lệch Y, cặp phiến lệch X điện áp quét c−a Điện áp quét c−a điện áp có hình dạng biến thiên bậc theo thời gian nh− hình c−a Nh− vậy, tác dụng đồng thời hai điện tr−ờng lên hai cặp phiến, mà tia điện tử dịch chuyển theo ph−ơng trục x ph−ơng trục y Quỹ đạo tia điện tử dịch chuyển vạch hình dạng điện áp nghiên cứu biến thiên theo thời gian Để minh hoạ đơn giản hơn, ta dùng giản đồ vẽ điểm t−ơng ứng theo thời gian nh− hình 3-8

Dạng lý tởng điện áp quét ca nh−

hình 3-9 Với điện áp quét nh− vậy, tia điện tử quét đ−ợc với vận tốc theo ph−ơng trục ngang ứng với Uquét=Um điểm sáng (tức vị trí tia điện tử huỳnh quang) đầu giới hạn cuối đ−ờng quét màn, so với điểm giới hạn đầu điện áp quét không, (điểm điểm hình 3-8) Sau hết chu kỳ tia điện tử đ−ợc trở vị trí cũ Sau đó, với chu kỳ tiếp theo, lại đ−ợc quét quét lại quỹ đạo huỳnh quang Nếu tần số quét đủ cao, huỳnh quang có độ d− huy đủ mức cần thiết, có điện áp qt đặt vào cặp phiến X, ta có đ−ờng sáng theo ph−ơng nằm

ngang Khi lại có điện áp cần nghiên cứu đặt vào phiến Y, chu kỳ điện áp quét c−a hay số nguyên lần chu kỳ điện áp nghiên cứu, hình xuất dao động đồ hay vài chu kỳ điện áp nghiên cứu (hình 3-8 ứng với Tqt=Ttín hiệu ) Nếu khơng thoả mãn hình đứng n mà hình ln di động rối loạn làm ta không quan sát đ−ợc Hiện t−ợng nh− gọi không đồng bộ (tức không đồng pha điện áp quét điện áp tín hiệu nghiên cứu)

H×nh 3-9

Để có đ−ợc điện áp quét c−a, dùng cách lấy điện áp nạp hay phóng tụ điện Vì vậy, dạng điện áp c−a đạt đ−ợc thực tế bị cong đi, chúng biến thiên theo quy luật hàm số mũ:

∫

= idt

C uc

Muốn cho dạng tín hiệu điện áp quét gần giống nh− dạng lý t−ởng, th−ờng ng−ời ta lấy phần nhỏ đầu đ−ờng cong điện áp Phần điện áp c−a có tốc độ biến đổi điện áp chậm phần thời gian quét thuận (tth) Phần để vẽ dao động đồ Vì phóng điện tụ điện khơng thể tức thời, mà phải có thời gian Thời gian khoảng quét ng−ợc (tng), cần thiết tia điện tử dịch chuyển trở lại vị trí ban đầu để lại tiếp tục quét quỹ đạo cũ

Vì tth >>tng, nên đ−ờng sáng mà tia điện tử vạch lên hình khoảng tth sáng so với đ−ờng sáng thời gian quét ng−ợc tng Trên dao động đồ điện

áp nghiên cứu bị phần chu kỳ để tia điện tử quay trở vị trí ban đầu, khoảng tng Tuy có mờ hơn, nh−ng dù đ−ờng vạch sáng tia điện tử thời gian quét ng−ợc gây rắc rối cho quan sát dao động đồ Hầu hết dao động ký, đ−ợc xố cách ứng với lúc tng thì tạo nên xung điện áp âm có độ rộng tng, đ−a tới cực điều chế ống tia điện tử, nên tia điện tử bị khoảng thời gian

độ quét không nên dao động bị dày sít dãn th−a khác vị trí khác theo ph−ơng X Vì vậy, cần cố gắng cải tiến mạch điện để có đ−ợc điện áp quét c−a có dạng gần nh− lý t−ởng

Để định l−ợng sai khác điện áp quét thực tế (hình 3-10) với điện áp quét c−a lý t−ởng (hình 3-9), ng−ời ta đánh giá hệ số không đ−ờng thẳng γ Hệ số

không đ−ờng thẳng tỷ số khoảng biến thiên tốc độ điện áp quét thời gian quét thuận trị số tốc độ trung bình:

tb dt dU dt dU dt dU ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ =

γ max (2)

Giá trị tốc độ quét trung bình đ−ợc lấy trị số trung bình cộng giá trị tốc độ cực đại cực tiểu Nên:

min max max ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = γ dt dU dt dU dt dU dt dU

2 (3)

đợc tính theo phần trăm (%) 2 Bộ tạo điện áp quét ca cã chu kú

Trong dao động ký th−ờng dùng hai chế độ điện áp quét c−a chế độ tạo quét liên tục chế độ tạo quét đợi

Chế độ quét liên tục dùng để quan sát điện áp tín hiệu có chu kỳ, có hệ số

T

τ

lớn (τ độ rộng thời gian trì tín hiệu, T chu kỳ tín hiệu) Có nhiều loại mạch tạo điện áp quét c−a đ−ợc dùng dao động ký, đó, để nắm đ−ợc nguyên lý tính kỹ thuật, ta xét tới vài loại hay gặp dao động ký thông th−ờng Mạch tạo quét liên tục bao phần tạo dao động liên tục phần tạo điện áp quét

3 Mạch tạo điện áp quét làm việc chế độ đợi

H×nh 3-11

Sở dĩ phải thực quét chế độ đợi, cần quan sát tín hiệu có hệ số T

τ bé, khơng thể dùng cách qt liên tục có chu kỳ đ−ợc Các hình vẽ 3-11 minh hoạ tr−ờng hợp đồ thị dao động có đ−ợc thực quét liên tục quét đợi

Hình 3-11a tr−ờng hợp lấy chu kỳ quét chu kỳ lặp lại tín hiệu (Tq=T) Khi đó, dao động đồ có hình dạng xung bé, tiến hành quan sát đo l−ờng đ−ợc Nếu chọn cho chu kỳ quét −ớc số nguyên chu kỳ tín hiệu (nTq=T), nh− hình 3-11b; dao động đồ hình dạng xung đ−ợc khuếch đại ra, tận dụng đ−ợc kích th−ớc huỳnh quang, nh−ng đ−ờng sáng vẽ dạng tín hiệu lại mờ so với độ sáng đ−ờng quét ngang Sở dĩ nh− vậy, n lần xuất hiệu điện áp quét, có lần xuất xung tín hiệu dao động ký Hơn nữa, dao động đồ khơng ổn định, khó thực đồng (xung đồng đồng có lần n chu kỳ điện áp quét) Do vậy, phải thực quét đợi nh− hình 3-11c Quá trình quét đợi có nghĩa "đợi" đến có tín hiệu nghiên cứu mạch qt tạo điện áp c−a) Nếu nh− dao động đồ đ−ợc nh− ý mốn ta

Cũng nh− mạch tạo điện áp quét làm việc chế độ liên tục, mạch tạo điện áp chế độ đợi có nhiều kiểu đây, chúng tơi trình bày mạch làm ví dụ minh hoạ, để diễn giải đ−ợc nguyên lý chế độ quét đợi, mạch BOOSTRAP (hình 3-12)

H×nh 3-12

Từ sơ đồ mạch ta sơ đ−a nhận xét sơ nh− sau: Khi đi-ốt thơng tầng T1 đóng vai trị nh− mạch TF đơn giản, T1 làm nhiệm vụ khoá điện tử

Điện áp tụ C đ−ợc đ−a tầng tải C chung T2 thơng qua tụ C* Do điện áp bù để đ−a điểm X để bù méo giảm dòng điện điện trở R tích phân gây

Ta phân tích chi tit hot ng ca mch ny

1 Trạng thái ban đầu: (t1 t 0)

-i-t D thụng Khi : Ux=EC - UD ≈ EC -T1 thơng bão hoà: UC = UCbh ≈ 0V -T2 khuếch đại C chung nờn:

URE=Uq 0V Điện áp C* : =U

* C

U R-Uq≈ EC

2 Trạng thái tạo điện áp quét Uq (t3 t ≥ t1)

Tại thời điểm t=t1 ta có điện áp điều khiển Udk, có độ rộng τ=t3 - t2 Lúc T1 tắt nên tụ C nạp điện theo hai giai đoạn

Giai đoạn 2: t=t2 UX tăng lớn EC UX tăng theo quy luật tuyến tính khi UC tăng Uq tăng C* >>C nên UX tăng t−ơng ứng Trên điện trở R có điện áp khơng thay đổi UR = UX - UC không đổi (do UC tăng UX tăng nhiêu Do UR khơng đổi nên IR khơng đổi dịng nạp cho tụ C không

đổi, với thời gian nạp tq=t3 - t2

H×nh 3-13

Khi D thông, tụ C* đợc nạp bổ xung, tới tụ C* đợc nạp đầy kết thúc thêi gian håi phơc

NhËn xÐt: Ta cã thĨ đa ba nhận xét sau

S dĩ giai đoạn tạo quét tq, điện áp tụ điện C tăng tuyến tính nhờ có nguồn nạp C* có trị số cực lớn để tích điện làm nhiệm vụ giốn nh− nguồn chiều để nạp cho tụ C

Để giảm méo phi tuyến tầng khuếch đại T2 phải đ−ợc điều chỉnh cho hệ số khuyếch đại kU→1 nghĩa R đủ lớn

Tụ C* phải lớn nh−ng không lớn lớn làm tăng thời gian hồi phục mạch Tụ C phải nhỏ nh−ng khơng đ−ợc chọn q nhỏ q nhỏ có giá trị t−ơng đ−ơng nh− tụ ký sinh, mạch khơng làm việc ổn định

3.2.3 Bộ khuếch đại dao động ký

Hầu hết dao động ký có khuếch đại điện áp cặp phiến lệch dọc Y Bộ khuếch đại khuếch đại dải rộng Độ rộng dải thơng tần tuỳ thuộc vào yêu cầu quan sát phổ tín hiệu nghiên cứu

Với dao động ký đơn giản, khuếch đại có dải thơng tần khoảng chừng 150-200kHz (tính với mức 0,7) Với dao động ký dùng để quan sát đo l−ờng xung có độ rộng đến 1às, chúng có dải thơng tần khoảng từ 3-5MHz Với dao động ký để quan sát xung có độ rộng nhỏ (<1às), dải tần 1-30MHz Đặc biệt với dao động ký để ghi tín hiệu có tốc độ biến thiên nhanh, dải thơng tần khuếch đại tới 90MHz

Hệ số khuếch đại khuếch đại tuỳ thuộc vào dải thông tần, chúng khác với loại dao động ký khác Đặc điểm chất l−ợng khuếch đại dao động ký cịn khác chỗ chúng có hay khơng tầng sau: tầng khuếch đại catốt đầu vào, tầng khuếch đại đẩy kéo hay tự động đảo pha đầu Sở dĩ vậy, khuếch đại phụ tải catốt có điện trở vào lớn, điện dung vào nhỏ, nh− quan sát dao động ký không gây nên tác dụng ghép trở lại với mạch điện đ−ợc quan sát tín hiệu Có thực đảo pha tín hiệu để cung cấp đối xứng cặp phiến lệch, độ tiêu tụ chùm tia tốt, độ nhạy đối xứng trục X, không gây nên méo đồ thị dao động cách cung cấp tín hiệu khơng đối xứng gây nên

răng c−a Mạch điện khuếch đại X nh− Y, có phận để điều chỉnh độ khuếch đại

Khi khơng có khuếch đại X, mà cần khuếch đại tín hiệu theo cặp phiến X dùng khuếch đại đồng

Trong dao động ký có qt đợi, khuếch đại đồng (để khuếch đại tín hiệu đồng bộ) nh− khuếch đại X, cần dải thơng tần hẹp, hệ số khuếch đại nhỏ không thực đảo pha đầu

ở vài loại dao động ký cịn thêm khuếch đại tín hiệu điều chế (khuếch đại đơi cịn gọi khuếch đại Z), để điều chế độ sáng đồ thị dao động huỳnh quang

Ngoài ra, cần xét riêng phận chi tiết khuếch đại nh−: phân áp, chuyển cực, tạo trễ, dịch chuyển chùm tia điện t

1 Bộ phân áp

Hình 3-14

ở đầu vào khuếch đại có phân áp Phân áp th−ờng mạch điện dung-điện trở, có đặc điểm có hệ số phân áp không đổi dải tần số rộng

Hình 3-14 mắt phân áp Hệ số phân áp là:

2 r v Z Z Z U U

k= = + (4)

Trong đó, Uv điện áp đầu vào, Ur điện áp đầu ra, và:

1 1 R C j R Z ω + = H×nh 3-15 2 2 R C j R Z ω + =

Nh− vËy, tõ biĨu thøc (4) ta thÊy tr−êng hỵp chung hệ số phân áp tuỳ thuộc vào tần số, (k hàm số )

Nếu chọn linh kiện cho thoả mÃn điều kiện:

thì: ωτ + = j R Z 1 1 1 ωτ + = j R Z 1 2 2 đó: 2 R R Z Z = ; nghĩa là: 2 R R R + =

k số, không phụ thuộc vào tần số

2 Bộ chuyển cực

Đầu khuếch đại đồng dao động ký có quét đợi th−ờng có chuyển cực xung tín hiệu đồng Một ví dụ mạch chuyển cực đơn giản nh− hình 3-15 Cơng dụng chuyển cực để biến đổi xung có cực tính thành xung có cực tính định, biên độ yêu cầu để đ−a tới kích thích cho tạo điện áp quét xung âm, xung tín hiệu nghiên cứu có cực tính d−ơng đ−ợc đ−a vào cực l−ới chuyển cực hình 3-15 Nếu xung tín hiệu có cực tính âm lại cần đ−a vào ca-tốt đèn Nh− vậy, đầu ta luôn có tín hiệu có cực tính theo u cầu 3 Bộ tạo trễ

Thông th−ờng hầu hết quét đợi đ−ợc kích thích thân tín hiệu điện áp cần nghiên cứu Do vậy, thời điểm bắt đầu điện áp quét chậm thời điểm bắt đầu xung tín hiệu cần quan sát khoảng thời gian đó, nên s−ờn tr−ớc xung tín hiệu cần quan sát dễ bị đi, không đ−ợc vẽ đầy đủ huỳnh quang dao động ký Để khắc phục điều này, dao động ký khuếch đại Y có mắc thêm đ−ờng dây làm chậm

Nh− vậy, xung nghiên cứu tới đ−ợc cặp phiến làm lệch Y làm chậm thời gian sau tạo điện áp quét bắt đầu cho điện áp qt c−a Do đó, xung tín hiệu đ−ợc lên hình cách đầy đủ mà không bị nh− tr−ớc

Tất q trình qt đợi mà có làm chậm tín hiệu nghiên cứu nh− trên, cịn đ−ợc gọi trình quét trễ

Mét vÝ dụ mạch tạo trễ nh đờng dây giả Đờng dây làm chậm pha tín hiệu đờng dây giả (vì "dây thực"

thì kÝch th−íc sÏ cång kỊnh) Nã bao gåm mét sè mắt điện cảm điện dung nh hình 3-16

Thời gian làm trễ điện áp tín hiệu đầu so với đầu vào đờng dây có n mắt là:

LC n

t= (5)

Với L C trị số điện cảm điện dung mắt đờng dây

Trờn thực tế cấu tạo, dao động ký th−ờng có mức trễ tín hiệu khoảng 0,2-0,3às

4 Bé dÞch chun tia ®iƯn tư

Bộ dịch chuyển tia điện tử hay dao động đồ theo trục X Y đ−ợc thực cách biến đổi điện áp chiều đặt hai phiến cặp phiến lệch

Về mạch điện cấu tạo có nhiều cách khác Có dao động ký thực cách biến đổi điện áp chiều cung cấp cho tầng khuếch đại đẩy kéo cuối khuếch đại Y hay X Vì điện áp đối xứng đất, nên phiến có gia tăng d−ơng phiến lại có trị số giảm âm

Hình 3-17 ví dụ loại mạch để dịch chuyển tia điện tử Mạch có hai biến trở thống điều chỉnh R1 R2 Khi điều chỉnh biến trở thị điện hai phiến biến thiên điện hai phiến biến thiên l−ợng điện áp hai lần ∆U điện áp biến thiên R1 R2 Với loại có độ dịch chuyển tia điện tử nhạy gấp đôi so với loại dùng biến trở

H×nh 3-17

3.3 Công dụng Dao Động ký (ô-xi-lô)

Các ph−ơng pháp đo l−ờng dao động ký đ−ợc dùng thơng dụng, phép đo th−ờng đơn giản, thực dễ dàng xác Kỹ thuật đo l−ờng dao động ký ngày đ−ợc phong phú thêm theo yêu cầu đo l−ờng kỹ thuật điện tử, đóng vai trị quan trọng (ở đây, ta xét tới ph−ơng pháp đo mà ch−a đề cập tới ch−ơng khác)

3.3.1 Đo biên độ điện áp tín hiệu

Đo biên độ điện áp thực cách so sánh dao động đồ điện áp cần đo với dao động đồ điện áp chuẩn biết trị số Cách thực đo nh− hình 3-18, biên độ điện áp tín hiệu cần đo (hình 3-18b) đ−ợc so sánh với biên độ tín hiệu điện áp chuẩn (hình 3-18a) kích th−ớc dao động đồ chúng sóng có kẻ ô ly

Phép đo biên độ điện áp dao động ký có độ xác khơng thật cao nh−ng có −u điểm vừa quan sát đ−ợc dạng lại vừa định l−ợng đ−ợc nhanh chóng trị số biên độ tín hiệu cần nghiên cứu Nó có −u điểm đo biên độ tín hiệu có dạng bất kỳ, khác với dạng hình sin th−ờng khó đo đ−ợc vơn-mét Hình 3-18

Để nâng cao độ xác phép đo, ng−ời ta th−ờng dùng điện áp chuẩn tạo dao động tần số thấp có biên độ ổn định

Cách đo tiến hành nh− sau: đầu tiên, đo chiều dài dao động đồ lx tín hiệu điện áp nghiên cứu trị số độ dài hình học kẻ ly dao động ký Sau đó, thay điện áp cần nghiên cứu điện áp có dạng hình sin tạo dao động điện áp chuẩn, mà tần số dao động tần số tín hiệu nghiên cứu Sở dĩ nh− vậy, để tín hiệu tạo dao động điện áp chuẩn có dải tần phổ gần nh− tín hiệu nghiên cứu cần đo biên độ Đo độ dài dao động đồ lch tín hiệu điện áp hình sin chuẩn Khoảng lch đ−ợc tính từ đỉnh cực đại đến đỉnh cực tiểu điện áp Dùng vơn-mét để đo Uch điện áp tín hiệu chuẩn Vì ta có quan hệ Umx lx nh− 2Uch lch nên ta có:

ch x ch

mx U

U

l l

2 2

Để tính sai số phép đo này, dùng cách tính sai số phép đo gián tiếp Trong đó, sai số t−ơng đối cực đại là:

(7) t t ch

x m m x mch

m = + +

Trong c«ng thøc (7):

mch sai số t−ơng đối cực đại vôn-mét

x

t

m sai số t−ơng đối cực đại đo độ dài dao động đồ điện áp cần đo

ch

t

m sai số t−ơng đối đo độ dài dao động đồ điện áp hình sin chuẩn Muốn cho

x

t m

ch

t

m bé cần tạo dao động đồ có kích th−ớc lớn, bề dày tia điện tử (đ−ờng kính điểm sáng màn) phải thật mảnh (nét) Trên thực tế, kích th−ớc dao động đồ th−ờng lấy khoảng hai phần ba đ−ờng kính Nếu lấy q lớn khó hội tụ phần rìa dao động đồ có sai số lớn

Để dễ đo, th−ờng điều chỉnh để có lx=lch, độ sáng đ−ợc điều chỉnh với mức độ vừa phải để đảm bảo tia điện tử có độ tiêu tụ tốt

Khi đó, cơng thức (6) (7) t−ơng đ−ơng với:

ch mx 2U

U = H×nh 3-19 2 ch

x m m

m = +

Nếu thực đ−ợc chu đáo b−ớc nói trên, độ xác phép đo đạt đ−ợc cao, so sánh đ−ợc với độ xác đo vơn-mét

Với số dao động ký, điện áp phận chuẩn điện áp đ−ợc đo vôn-mét lắp đặt dao động ký Với dao động ký đơn giản khơng có vơn-mét, trị số điện áp đ−ợc xác định thang độ điện trở biến đổi đ−ợc trực tiếp khắc độ vôn hay đơn vị theo biểu đồ khắc độ

RK; chiết áp đ−ợc khắc độ Điện trở không đ−ờng thẳng RĐ dùng để ổn định điện áp RK điện áp nguồn điện có thay đổi Ví dụ, điện áp mạch cung cấp tăng, điện áp RK tăng lên giá trị xác định Song tác dụng đèn, nên điện áp cung cấp cho mạch tăng dịng điện qua đèn tăng, nội trở đèn tăng theo Vì RĐ<R nên tác dụng việc tăng RĐ dù bé, làm cho cầu tiến nhanh trạng thái cân Do đó, điện áp RK lại giảm Sự giảm bù lại đ−ợc cho tăng điện áp RK điện áp nguồn cung cấp tăng (Khi điện áp nguồn cung cấp biến đổi khoảng 10% điện áp RK biến đổi khoảng 3%)

3.3.2 Đặc tuyến vôn-ampe đặc tuyến tần số 1 Đặc tuyến vôn-ampe

Dùng dao động ký để vẽ đặc tuyến vôn-ampe mạch thuận tiện Ta xét ví dụ cụ thể vẽ đặc tuyến vôn-ampe tranzito Nếu nh− dùng ph−ơng pháp lấy điểm để vẽ đặc tuyến vơn-ampe ta nhiều thời gian không thực đ−ợc Khi đặt điện áp lên điện cực tranzito, chế độ mức thời gian lâu làm hỏng đèn Trong đó, dùng dao động ký để vẽ đặc tuyến vơn-ampe vẽ đ−ợc hình tồn đặc tuyến vơn-ampe tranzito mà khơng làm hỏng

Sơ đồ ngun lý ph−ơng pháp vẽ nh− hình 3-20 Trong đó, điện áp đ−ợc đ−a vào cực điều khiển cần vẽ đặc tuyến điện áp c−a điện áp chiều làm thiên áp âm, để định cho đèn có chế độ làm việc với góc cắt 900 Đồng thời, điện áp c−a đ−ợc đ−a tới cặp phiến làm lệch X ống tia điện tử Điện áp đ−ợc đ−a tới cặp phiến X ống tia điện tử điện áp tải E đèn điện tử cần vẽ; điện áp biến thiên tỷ lệ với dòng điện E đèn

H×nh 3-20

2 Đặc tuyến biên độ - tần số

Trong kỹ thuật điện tử, cần nghiên cứu mạng bốn cực thông số cần biết đặc tuyến biên độ-tần số mạng Thông số biểu thị

quan hệ điện áp đầu (hay hệ số khuếch đại) theo tần số, điện áp đầu vào khơng đổi Ví dụ nh− điều chỉnh khuếch đại cao tần, khuếch đại trung tần máy thu hay máy thu hình; khảo sát lọc, mạch cộng h−ởng cần biết dải thơng, tính chọn lọc, độ khuếch đại Muốn vẽ đặc tuyến tần số dùng ph−ơng pháp lấy điểm Cách làm nh− th−ờng nhiều cơng sức Ta dùng dao động ký để vẽ đặc tuyến thông số cách kết hợp với máy phát điều tần Sơ đồ khối ph−ơng pháp nh− hình 3-21

Điện áp từ phát sóng quét đ−a tới phiến lệch X dao động ký, đồng thời, đ−ợc đ−a tới điều chế tần số tạo dao động, để thực điều tần đ−ợc Nh− vậy, độ lệch tia điện tử theo cặp phiến ngang đồng với biến đổi tần số phát sóng điều tần đ−a tới đầu vào mạng bốn cực cần nghiên cứu Do đó, trục hồnh dao động ký khơng phải trục thời gian mà trục tần số Điện áp mạng bốn cực đ−ợc tách sóng đ−a tới cặp phiến lệch Y Nên dao động đồ vẽ đ−ợc dao động ký biểu thị quan hệ điện áp đầu mạng bốn cực tần số Nó đặc tuyến tần số mạng bốn cực cần nghiên cứu

Một thiết bị đ−ợc cấu tạo để thực ph−ơng pháp đo máy vẽ đặc tuyến biên độ - tần số Để nghiên cứu nguyên lý loại máy này, ta xét sơ đồ khối máy cụ thể nh− hình 3-22 (Cần l−u ý tiêu, số liệu cấu tạo cụ thể khối đ−a ví dụ, để tiện diễn giải nguyên lý, tính ph−ơng pháp đo này)

Sơ đồ khối máy gồm hai phần: phận dao động ký, phận phát sóng điều tần Nên thực loại máy kết hợp dao động ký phận phụ để lấy đặc tuyến tần số Bộ phận dao động ký đ−ợc cấu tạo đơn giản, có: ống tia điện tử, khuếch đại Y, khuếch đại X phát sóng quét Bộ phận phát sóng điều tần gồm có: chủ sóng có mạch khống chế tần số, điều chế, tạo dao động cao tần, trộn tần, lọc tần thấp, suy giảm tạo dao động khắc độ

Bộ chủ sóng dao động cao tần (ví dụ phát tần số f0), dùng để điều chế tần số Để điều chế tần số có nhiều cách: ví dụ đ−ợc thực mạch khống chế tần số dùng cách điều chỉnh độ từ hoá lõi cuộn dây điện cảm mạch cộng h−ởng anốt Ví dụ cuộn dây có lõi đ−ợc cấu tạo nh− hình 3-23a, biến đổi từ thẩm lõi, biến đổi đ−ợc trị số điện cảm cuộn dây (hình 3-23b), vậy, tần số tạo dao động thay đổi Trong hình vẽ 3-23a, cuộn L1 có điện áp cố định, để xác định điểm công tác; độ ổn định định độ ổn định tần số trung tâm phát- điều tần Cuộn L2 có điện áp điện áp tần số điều chế, đ−ợc lấy từ tạo dao động quét Điện áp biến đổi làm thay đổi từ thẩm lõi cuộn L làm cho tần số chủ sóng thay đổi theo Bộ phát sóng qt cịn tạo dao động hình sin, có tần số cố định

Bộ điều chế khuếch đại công suất, để đảm bảo cho dịng điện từ hố, có tần số tạo quét, có đ−ợc trị số cần thiết Biên độ điện áp điều chế lấy đ−ợc từ dao động qt cịn điều chỉnh đ−ợc, điều chỉnh đ−ợc độ di tần, ví dụ nh−

độ di tần cực đại ±∆fmax, độ di tần cực tiểu ±∆fmin

Bộ điều chế biên độ để điều chế tầng chủ sóng, mục đích tầng chủ sóng khơng làm việc phần chu kỳ quét ng−ợc; nh− vậy, dao động đồ dao động ký không đ−ợc vẽ khoảng thời gian quét ng−ợc

Điện áp từ chủ sóng phát cao tần đ−ợc đ−a chung vào trộn tần Mục đích để lấy đ−ợc tần số điều tần có trị số tuỳ ý, thích hợp với dải thơng tần mạng bốn cực cần vẽ đặc tuyến tần số Ví dụ nh− phát sóng cao tần phát tần số điều chỉnh đ−ợc khoảng từ f1 đến f2 Qua trộn tần ta có tần số hiệu :

(f0−f1 ÷f0 −f2)=(∆fmin −∆fmax)

Sau trộn tần, điện áp đ−ợc đ−a qua lọc tần thấp, nên cho qua đ−ợc phân l−ợng sóng có tần số thấp tần số hiệu, mà sóng tổng hợp bị ngăn lại Qua suy giảm đầu ra, điện áp đ−ợc đ−a vào mạng bốn cực cần nghiên cứu đặc tuyến tần số Đầu mạng bốn cực có tách sóng, sau điện áp đ−ợc đ−a tới khuếch đại Y dao động ký (trên hình 3-22, đầu vào ứng với hai tr−ờng hợp mạng bốn cực có hay khơng có tách sóng)

Điện áp tr−ớc đ−a vào tách sóng có dạng nh− hình 3-24a, tức tín hiệu vừa bị điều chế tần số điều chế biên độ Sau tách sóng, tải tách sóng cịn lại hình bao điện áp tín hiệu nh− hình 3-24b

Dao động nh− hình 3-24b đặc tuyến tần số mạng bốn cực cần nghiên cứu

Để đo l−ờng đ−ợc tần số cộng h−ởng, độ rộng dải thông tần độ chọn lọc mạng bốn cực, cần phải khắc độ trục X cuả dao động đồ theo thang độ tần số Bộ tạo sóng khắc độ phải làm nhiệm vụ Bộ tạo sóng khắc độ phát tần số thach anh chuẩn, (ví dụ nh− thạch anh có tần số ft.a1 ft.a2).Nh− vậy, đầu tách sóng có thành phần tần số thấp tần số phách tần số tín hiệu điện áp điều tần phân l−ợng tần số hài phát sóng thạch anh chuẩn Kết dao động đồ, đ−ờng cong đặc tuyến tần số mạng bốn cực cần nghiên cứu có xuất dao động đánh dấu khoảng tần số (bằng ft.a1 hay ft.a2) nh− hình 3-25

Khi xác định tần số cộng h−ởng sai số chủ yếu sai số khắc độ phát sóng cao tần

Khi xác định bề rộng dải thơng tần, bề rộng đ−ợc xác định số l−ợng điểm khắc độ đ−ờng đặc tuyến tần số tính từ mức 0,7 mức điện áp cực đại

H×nh 3-25

Để nâng cao độ xác phép đo bề rộng dải thơng tần cịn thực cách đ−a trực tiếp điện áp từ đầu suy giảm vào tách sóng máy (đầu vào mạch hình 3-22) Trên hình dao động ký lúc có dao động đồ đặc tuyến tần số thân phát sóng khắc độ trùng với thang độ kẻ ly hình cách biến đổi độ di tần phát sóng điều tần, để dễ đọc (hình 3-26) Sau đó, để nguyên không thay đổi độ di tần, đ−a điện áp tín hiệu tới mạng bốn cực nghiên cứu bỏ phận khắc độ tần số Độ rộng dải thông tần đ−ợc xác định ô kẻ ly dao động ký đ−ợc lấy chuẩn từ tr−ớc

tình trạng điện áp tín hiệu khơng đạt tới đ−ợc trị số cực đại nó, tốc độ biến đổi tần số phát sóng điều tần

3.4 CÊu t¹o dao Động ký (ôxilô) nhiều kênh

Trong tr−ờng hợp cần so sánh nhiều tín hiệu cần đo, ta phải khảo sát hai hay nhiều trình dao động ký Vấn đề đ−ợc giải quyt bng cỏc bin phỏp:

-Mỗi trình nghiên cứu đợc dùng tia điện tử riêng biệt

-Chỉ dùng tia điện tử để ghi hai trình nh−ng làm cho tia điện tử thay đổi có chu kỳ để ghi từ q trình sang trình khác

Ph−ơng pháp thứ phải dùng nhiều dao động ký khác nhau, dao động ký nghiên cứu trình riêng biệt Cách thực nh− tốn kém, phải dùng nhiều dao động ký Hơn nữa, độ nhạy ống tia điện tử khác nhau, tỷ lệ xích thời gian khơng giống nhau, nên ph−ơng pháp dùng

Trên thực tế, ng−ời ta dùng dao động ký nhiều tia, mà phổ biến loại hai tia Trong loại dao động ký này, ống tia điện tử đ−ợc cấu tạo theo hai cách

-Loại ống tia có ngăn đơi (hoặc nhiều hơn), hệ thống súng điện tử Những hệ thống tạo nên hai tia điện tử (hay nhiều tia) tác dụng lên mn hỡnh

-Loại ống có chia điện tử phát tõ cïng mét catèt mét sè tia

Cả hai loại ống có khó khăn chế tạo để khử bỏ đ−ợc tác dụng ảnh h−ởng lẫn tia điện tử Khó khăn lớn số tia điện tử nhiều Vì vậy, thơng th−ờng có loại ống có hai tia Trong số q trình có tần số, khảo sát đồng thời dao động ký có ống tia điện tử có tia Cách đ−ợc thực theo biện pháp thứ hai nói trên; đ−ợc kèm thêm phận phụ dao động ký chuyển mạch điện tử

Chuyển mạch điện tử thiết bị dùng đèn điện tử đèn bán dẫn, đầu vào đ−ợc đ−a tới hai trình điện áp cần nghiên cứu Đầu đ−a tới cặp phiến lệch Y (hay khuếch đại y) dao động ký

sát Xung điện áp cần phải đối xứng, tức thời gian hai khoảng chu kỳ d−ơng âm phải nhau, có nh− độ sáng hai dao động đồ

3.4.1 Cấu tạo dao động ký (ôxilô) hai tia

CÊu tạo máy sóng hai tia đợc minh hoạ nh− ë h×nh 3-27

Cấu tạo máy sóng điện tử hai tia giống nh− máy sóng tia, nh−ng máy sóng hai tia cần ý ống tia điện tử có hai súng phóng tia điện tử riêng biệt, tức ngăn đôi hệ thống súng điện tử, ta có hai súng phóng tia điện tử riêng biệt Mỗi chùm tia điện tử cho vết dạng sóng Mỗi tia điện tử đ−ợc súng điện tử tạo từ catốt qua điện cực đến huỳnh quang đ−ợc qua cặp phiến làm lệch riêng (Y11; Y12 Y21; Y22 ) để lái tia điện tử (1) (2) theo chiều đứng Dạng sóng quét c−a từ tạo gốc thời gian đ−a vào cặp phiến lệch ngang hai chùm tia điện tử đ−ợc làm lệch ngang hình cách đồng thời

Trong hình 3-27, điện cực: F: Sợi đốt

K: Catèt

A1: Anèt1 (tiªu tơ) A2: Anốt2 (tăng tốc) M: Cực điều chế

Để hiểu rõ cấu tạo máy sóng hai tia, nghiên cứu hình 3-28

Hình 3-28a cho ta thấy máy sóng hai chùm tia có lối vào cặp phiến lệch đứng tách biệt hoàn toàn, kênh A kênh B Mỗi kênh có mạch khuếch đại làm lệch riêng biệt để tới cặp phiến làm lệch đứng Bộ tạo gốc thời gian điều khiển lái tia ngang

H×nh 3-28

Hình 3-28b CRT chùm tia với lái tia đứng Hai khuếch đại tín hiệu vào riêng kênh A kênh B đ−ợc sử dụng khuếch đại lệch đứng để tới lái tia đứng Tín hiệu vào khuếch đại đ−ợc chuyển mạch luân phiên kênh A kênh B với tần số chuyển mạch đ−ợc điểu khiển mạch tạo gốc thời gian

3.4.2 Ph−ơng pháp biến đổi luân phiên-chuyển mạch điện tử 1 Ph−ơng pháp chuyển đổi luân phiên

Quá trình luân phiên đ−ợc thể nh− hình 3-29 Đầu tiên sóng vào, sau sóng khác vào hay nói khác ta việc thay đổi thời gian cho tín hiệu vào kênh A đ−ợc chuyển sang khuếch đại lái tia đứng tạo thành vết sóng thời gian từ đến t1 Sau đó, tín hiệu vào kênh B nối tạo vết sóng thời gian từ t1 đến t2

Khi tín hiệu vào kênh A sóng hình sin có chu kỳ T; tín hiệu vào kênh B sóng tam giác có chu kỳ T, hai sóng đ−ợc đồng với Nh−ng tín hiệu vào kênh A có chuyển dịch điện áp chiều đ−a tín hiệu lên mức đất khiến cho sóng kênh A tạo vết nửa máy sóng Trong tín hiệu vào kênh B nửa d−ới máy sóng Trong chu kỳ tạo gốc thời gian, tín hiệu vào kênh A lại tạo vết hình, tín hiệu kênh B tạo vết nửa d−ới hình Nh− hai tín hiệu đ−ợc vạch hình cách luân phiên lặp lặp lại Tần số lặp cao đến mức mà dạng sóng nh− đ−ợc cách đồng thời

H×nh 3-29

Khi sử dụng ph−ơng pháp để hình hai dạng sóng máy sóng đ−ợc coi hoạt động theo chế độ luân phiên

2 Phơng pháp chuyển mạch điện tử

B đ−ợc tạo vết thời gian T2, lại đến tín hiệu kênh A thời gian T3, sau lại đến kênh B khoảng thời gian T4 luân phiên cho kênh A kênh B Ng−ời ta gọi chế độ chuyển mạch ngắt quãng (chop mode switching)

Các dạng sóng kênh A kênh B đ−ợc hình nh− đ−ờng đứt nét Tuy nhiên chỗ đứt nét dạng sóng tạo ngắn tới mức nhận chúng tần số chuyển mạch cao tần Khi tín hiệu nghiên cứu tần số thấp tín hiệu hình máy xem sóng gần nh− liên tục Khi tín hiệu nghiên cứu tần số cao, thực khơng đồng nfcm≠mfth đoạn ngắt bị lấp độ d− huy ống độ l−u ảnh mắt Trong fcm là tần số chuyển mạch, fth tần số tín hiệu Khi dao động ký có dùng chuyển mạch điện tử th−ờng cho phép lựa chọn cách hoạt động kiểu luân phiên kiểu đứt quãng (ngắt quãng) Đối với tín hiệu cao tần kiểu luân phiên tốt nhất, vết dạng sóng liên tục bị đứt quãng Khi sử dụng kiểu luân phiên tín hiệu tần số thấp hai dạng sóng khơng đ−ợc hình liên tục, làm khó cho việc quan sát so sánh

Để khắc phục nh−ợc điểm kiểu luân phiên tần số thấp ta sử dụng chuyển mạch ngắt quãng Bởi chỗ đứt quãng vết ngắn tới mức khơng thể nhìn thấy đ−ợc, khiến hai dạng sóng tín hiệu đ−ợc hình cách liên tục, dễ dàng cho việc quan sát so sánh

Chuyển mạch điện tử phân đờng theo thời gian

Cấu trúc máy sóng (ôxilô) nhiều kênh phân đờng theo thời gian nh

hỡnh 3-31 Cỏc giá trị điện áp cần quan sát kênh đ−a vào khuếch đại đứng máy xem sóng tia

từ phát sóng chuyển mạch Tín hiệu xung vng có thời gian xuất xen kẽ lần l−ợt cho cửa

Nhờ thời điểm cho số cửa đ−ợc mở cho tín hiệu kênh qua, khơng có tr−ờng hợp hai cửa mở đóng đồng thời

Các tín hiệu đầu cửa đ−ợc cộng lại với mạch tổng Tín hiệu đầu mạch tổng Uy có dạng xung mà biên độ tỷ lệ với giá trị tín hiệu cần quan sát thời điểm có xung mở c−ả t−ơng ứng với kênh Nh− sau khuếch đại Y, máy sóng có đ−ợc hình biểu diễn tín hiệu kênh d−ới dạng đ−ờng nét

đứt (hình 3-32)

H×nh 3-32

Nếu làm cho chu kỳ tín hiệu mở cửa khơng đồng với tín hiệu nghiên cứu tín hiệu qt vạch sáng biểu thị cho tín hiệu kênh qua chu kỳ quét khác bị thay đổi vị trí Kết qủa sóng, ta khơng thấy đ−ờng biểu diễn bị đứt nét nữa, tức cần thực khơng đồng tín hiệu qt tín hiệu mở cửa Để thực đ−ợc điều máy xem sóng phải làm việc chế độ đồng với chu kỳ tín hiệu cần quan sát khơng đồng với tín hiệu chuyển mạch

phân từ xung mở cửa đ−a vào điều chế độ sáng ống tia

Các xung hẹp xoá tia sáng vào thời gian chuyển tiếp kênh Thông th−ờng loại chia kênh theo thời gian có từ đến kênh Nếu số kênh nhiều độ dài đoạn sáng đoạn tối giảm làm cho hình biểu diễn bị sáng, cảm giác bị đứt nét th hin rừ hn

Chuyển mạch điện tử phân ®−êng theo møc

Chuyển mạch điện tử loại th−ờng có khả làm việc với nhiều kênh tín hiệu Hiện th−ờng dùng loại 6, 8, 12 kênh, dùng máy xem sóng tia có ảnh rộng để đổi chỗ cho nhiều kênh Phần hiển thị ống truyền hình làm lệch từ tr−ờng

của ống hình Tại thời điểm có xung hình xuất chấm sáng bình thờng tối Vết chấm sáng hình cho hình điện áp tín hiệu cần khảo sát

Hình 3-34

3.5 Cấu tạo Dao động ký (ơxilơ) quan sát tín hiệu siêu cao tần

3.5.1 Đặc điểm

Nu dựng cỏc loi dao động ký cao tần thơng th−ờng nh− trình bày để quan sát tín hiệu siêu cao tần hay tín hiệu xung có độ rộng hẹp (ví dụ khoảng nanơ giây), khơng quan sát đ−ợc, có nhiều hạn chế cấu tạo thân dao động ký nh− ph−ơng pháp quan sát

Nh− biết, đặt điện áp xoay chiều vào cặp phiến làm lệch ống tia điện tử, điểm sáng ống tia dịch chuyển tỷ lệ với điện áp đặt vào Tất nhiên, tỷ lệ mà thời gian bay điện tử qua hệ thống cặp phiến lệch đ−ợc coi bé nhiều so với chu kỳ dao động điện áp đặt vào cặp phiến lệch Song thời gian bay điện tử trị số so sánh đ−ợc với chu kỳ dao động, ống tia điện tử chẳng cịn phần tử khơng có qn tính Với loại ống thơng th−ờng, thời gian bay điện tử qua hệ thông cặp phiến lệch vào khoảng 1-10 nanô giây, tức trị số so sánh đ−ợc với chu kỳ dao động siêu cao tần, hay với loại xung cỡ nanô giây (ví dụ dao động có b−ớc sóng 30cm có chu kỳ nanơ giây) Khi đó, chu kỳ dao động xấp xỉ thời gian bay điện tử qua hệ thống cặp phiến làm lệch, nên tia điện tử không bị dịch chuyển dao động ký có tín hiệu đặt vào cặp phiến làm lệch

khống chế để dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu Ng−ợc lại, độ nhạy ống tia có trị số cực đại chiều dài l số lẻ m nửa b−ớc sóng tín hiệu cần quan sát, hai góc lệch tia điện tử α1 α2 có trị số khơng bù trừ hết cho đ−ợc

Những điều giải thích với tr−ờng hợp đ−ợc minh hoạ nh− hình vẽ, tức với giả thiết là: điện áp nghiên cứu đ−ợc cung cấp từ đầu cặp phiến, tia điện tử có tiết diện mảnh, coi nh− điện tử, chúng cách hai phiến lệch

Muốn tần số tín hiệu cần quan sát không ảnh h−ởng tới độ nhạy ống dải tần số rộng, cần phải làm cho thời gian bay điện tử qua hệ thống cặp phiến làm lệch nhỏ Muốn vậy, cần phải giảm kích th−ớc cặp phiến làm lệch tăng điện áp tăng tốc UA2. Tất nhiên UA2 tăng độ nhạy ống lại bị giảm Kích th−ớc hệ thống cặp phiến làm lệch tần số cao gây ảnh h−ởng tới dao động cần quan sát điện dung thân Ví dụ nh− với xung cỡ nanơ giây, gây nên t−ợng méo s−ờn xung

ở tần số siêu cao tần, dao động đồ bị méo dạng lệch pha hai điện áp đ−a vào cặp phiến lệch X Y tác dụng khôngđồng thời lên tia điện tử Sở dĩ vậy, cấu tạo hai cặp phiến lệch khơng thể bố trí tiết diện, mà phải đặt lần l−ợt tr−ớc sau theo ph−ơng ống

Hơn nữa, khả sử dụng ống tia điện tử siêu cao tần bị hạn chế tác dụng cộng h−ởng thân hệ thống cặp phiến làm lệch Mạch cộng h−ởng hình thành bao gồm điện dung thân cặp phiến điện cảm thân vật dẫn Để nâng cao trị số tần số cộng h−ởng thân hệ thống cặp phiến, cho có trị số lớn nhiều thành phần hài bậc cao điện áp tín hiệu cần nghiên cứu, cần giảm điện cảm thân vật dẫn Vì vậy, cấu tạo, đ−ờng dây vào cặp phiến th−ờng đ−ợc đ−a trực tiếp từ thân ống thuỷ tinh mà không đ−a vào qua chân đế ống

Ngoài ra, dao động ký dùng siêu cao tần bị hạn chế thân khuếch đại Y, cần có dải thơng tần rộng, phải từ vài trăm tới vài nghìn MHz Nó cịn bị hạn chế yêu cầu tạo điện áp quét phải có tần số cao Ngay dao động đồ dao động ký dùng siêu cao tần khơng đ−ợc thật rõ tốc độ dịch chuyển tia điện tử nhanh

3.5.2 Phơng pháp quan sát lấy mẫu

Để nghiên cứu xung cỡ nanơ giây, có biên độ không lớn trực tiếp dùng dao động ký có tốc độ ghi nhanh đ−ợc, lý chủ yếu loại có độ nhạy Muốn quan sát đ−ợc tốt, nên dùng ph−ơng pháp quan sát hoạt nghiệm

Sử dụng dao động ký để quan sát theo ph−ơng pháp hoạt nghiệm quan sát đ−ợc tín hiệu có tần số đến vài nghìn MHz, dải thơng tần khuếch đại Y thực tế có vài MHz, hay chí vài kHz

Nguyên lý ph−ơng pháp quan sát hoạt nghiệm dao động ký ví nh− ph−ơng pháp hoạt nghiệm dùng học để đo tốc độ quay xác định độ rung cách quan sát Nguyên lý đo tốc độ quay học ph−ơng pháp hoạt nghiệm dùng đĩa có chia độ thành miền đen trắng cách biệt nhau, số l−ợng miền chia đ−ợc xác định Đĩa đ−ợc chiếu sáng cách đứt quãng, thời gian đ−ợc chiếu sáng ngắn trình đ−ợc lặp lặp lại với chu kỳ định Khi gắn đĩa vào đối t−ợng quay cần đo, với quan hệ tần số quay tần số chiếu sáng, ta thấy đĩa nh− không quay, hay quay với tốc độ chậm Khi tần số chiếu sáng hay −ớc số chẵn với tần số quay thấy đĩa đứng yên Khi tần số chiếu sáng có chênh lệch nhiều với tần số quay đĩa thấy đĩa quay với tốc độ chậm Còn quan hệ chúng khác với quan hệ thấy đĩa quay mà miền đen trắng nhồ với khơng phân biệt rõ rệt đ−ợc

Nh− vậy, ph−ơng pháp đo hoạt nghiệm biến công việc đo đối t−ợng quay có tốc độ cao thành việc đo đối t−ợng có tốc độ thấp mà ta đo trực tiếp đ−ợc dễ dàng

Cũng t−ơng tự nh− vậy, quan sát tín hiệu biến đổi nhanh dao động ký theo ph−ơng pháp hoạt nghiệm đ−ợc thực t−ơng đ−ơng nh− qúa trình nói Nghĩa làm cho trình nh− biến đổi chậm lại cách làm chậm thang độ thời gian mà không gây ảnh h−ởng tới dạng tín hiệu cần nghiên cứu

Do đó, với ph−ơng pháp quan sát này, dao động ký giảm đ−ợc tốc độ quét tạo điện áp quét giảm đ−ợc độ rộng dải thông tần khuếch đại phiến làm lệch Y

Nguyên lý ph−ơng pháp dùng cách phân tích biên độ- thời gian tín hiệu cần quan sát xung đánh dấu có độ rộng hẹp Với xung đánh dấu dạng tín hiệu nghiên cứu đ−ợc vẽ khơng phải đ−ờng cong liên tục, mà d−ới dạng điểm hay đoạn thẳng nhỏ rời rạc nhau, t−ơng ứng với thời điểm có tác động xung đánh dấu

biến đổi, xuất hiện t−ợng điều chế biên độ xung Tại đầu biến đổi có xung đánh dấu mà biên độ tỷ lệ với trị số tức thời tín hiệu nghiên cứu Nếu chu kỳ hai điện áp đầu vào biến đổi xung đầu biến đổi có biên độ không đổi Nếu chu kỳ hai điện áp khác trị số không đổi ∆t, xung đầu biến đổi có biên độ thay đổi Hình bao xung có dạng t−ơng ứng với tín hiệu nghiên cứu tín hiệu có thang độ thời gian đ−ợc khuếch đại rộng (hình 3-36c)

Nếu chu kỳ T tín hiệu nghiên cứu bội số n ∆t, có nghĩa hình bao xung đầu biến đổi đ−ợc mở rộng n lần Do đó, tốc độ quét dao động ký dùng để quan sát tín hiệu bao giảm n lần

Để cho dao động đồ có đủ độ sáng cần thiết, xung đầu biến đổi đ−ợc khuếch đại độ rộng mở rộng xung Điều cịn có tác dụng làm cho dải thông khuếch đại Y hẹp bớt lại đ−ợc (hình 3-36d)

H×nh 3-36

Nếu xung cần nghiên cứu có độ rộng τ =10ns có tần số lặp lại f=100kHz (tức T=10às), lấy ∆t=1ns, hệ số biến đổi thang độ thời gian là:

000 10 10 10 10 t T n 9 = = ∆ = −−

Nếu dùng loại dao động ký có tốc độ quét cao để quan sát xung này, dao động đồ mở rộng đ−ợc khắp diện tích hiệu dụng ống tia, ví dụ diện tích (10x15)mm2 chẳng hạn, tốc độ quét phải bằng:

ns / mm , 10 15 = = ν

Nh−ng dùng ph−ơng pháp quan sát hoạt nghiệm, tốc độ quét cần bằng:

s / mm 15 , ns / mm 000 10 , µ = = ν

Nh− vậy, ta dùng loại dao động ký cao tần để quan sát đ−ợc xung cần nghiên cứu Hình 3-37 trình bày sơ đồ ngun lý quan sát tín hiệu xung

H×nh 3-37

Với mạch này, dùng để quan sát tín hiệu với chu kỳ có phổ tần số khoảng chừng 50-70MHz Nguyên lý công tác mạch nh− sau:

điện áp cần nghiên cứu, có tần số hiệu hai tần số điện áp xung đánh dấu điện áp tín hiệu cần nghiên cứu

H×nh 3-38

3.6 Cấu tạo dao động ký (ơxilơ) có nhớ loại t−ơng tự

3.6.1 CÊu t¹o

Ơxilơ có nhớ loại t−ơng tự ơxilơ dùng ống tia điện tử đặc biệt, gọi "ống tia có nhớ" Cấu tạo ống tia có nhớ loại t−ơng tự nh− hình 3-39 Nó có cấu tạo nh− ống tia điện tử thơng th−ờng, có "súng điện tử" hệ thống cặp phiến lệch X Y

Bộ phận đặc biệt cần nghiên cứu cấu tạo hình Màn hình bao gồm "lớp nhớ", cấu tạo phốt-pho có nhiều khả phát xạ thứ cấp, màng kim loại thuỷ tinh ống

"Lớp nhớ" đ−ợc cấu tạo đặc biệt, thành hạt nhỏ có độ cách điện cao hạt, làm loại phốt-pho có khả phát xạ thứ cấp cao

Mµng kim loại màng mỏng dẫn điện đợc cấu tạo kết tủa thuỷ tinh lớp nhớ

ống chuẩn trực, màng mỏng kim loại khác bao quanh cỉ èng

H×nh 3-39

Hai súng điện tử phun tràn (flood gun), hai catốt đ−ợc nung nóng để tạo nguồn phát electron có l−ợng thấp Có thể có loại có l−ới điều khiển hệ thống này, để làm thay đổi đ−ợc độ l−u sáng

Điện catốt phun tràn ống chuẩn trực điện "đất" hay d−ơng chút Điện màng kim loại có điện khoảng 1Vữ3V so với điện "đất"

3.6.2 Nguyên lý hoạt động ơxilơ có nhớ

Khi súng điện tử vẽ ch−a hoạt động, điện tử "súng phun tràn" phát đ−ợc hút phía kim loại, song điện tử có l−ợng thấp, khơng xuyên qua đ−ợc lớp phốt-pho bị ống chuẩn trực gom lại, hình khơng có xuất Khi súng điện tử vẽ đ−ợc kích thích, có tín hiệu cần quan sát đ−a vào ơxilơ, điện tử từ súng điện tử có l−ợng cao, đủ để tạo phát xạ thứ cấp cho lớp nhớ, điện tử thứ cấp đ−ợc ống chuẩn trực gom lại Tại điểm có phát xạ thứ cấp hình trở thành có điện tích d−ơng hơn, điện tử bớt điểm Nh− dao động đồ có điện tích d−ơng đ−ợc vạch lớp nhớ

Vì phần tử điểm lớp nhớ có độ cách điện cao, nên đ−ờng vẽ dao động đồ có điện tích d−ơng l−u lại hàng Các điện tử có l−ợng thấp tạo từ súng điện tử phun tràn bị hút phía đ−ờng điện tích d−ơng để xun qua tới màng kim loại có điện d−ơng Khi qua lớp nhớ, điện tử làm cho phốt-pho tiếp tục phát sáng dạng dao động tín hiệu đ−ợc lại liên tục Nếu muốn xoá dạng dao động nhớ cần phải làm cho màng kim loại có điện âm, đẩy điện tử từ súng phun tràn quay trở lại lớp nhớ, tích tụ lại, làm cho vùng đ−ợc vẽ trở mức điện nh− phần tử xung quanh

3.7 ôxilô điện tử số

3.7.1 Cấu trúc khả ôxilô số Ôxilô điện tử số có u điểm là:

- Duy trì hình ảnh dạng tín hiệu hình với khoảng thời gian không hạn chế

- Tc c cú thể thay đổi giới hạn rộng

- Các đoạn hình ảnh l−u giữ xem lại đ−ợc tốc độ thấp nhiều, tốc độ quét tới 1cm/ 1h

- Tạo đ−ợc hình ảnh dao động đồ tốt hơn, t−ơng phản loại ôxilô t−ơng tự - Đơn giản sử dụng, vận hành

H×nh 3-40

- Cã thĨ trun trùc tiÕp sè liƯu cđa tÝn hiƯu cần quan sát dới dạng số, ghép trực tiếp với máy tính hay đợc xử lý ôxilô

S đồ khối cấu tạo ơxilơ (có nhớ) số, đ−ợc vẽ nh− hình 3-40

Khi chuyển mạch S (đồng trục) vị trí ơxilơ làm việc nh− ôxilô đa thông th−ờng

biến đổi lấy mẫu dạng tín hiệu nhiều điểm biến đổi giá trị tức thời biên độ điểm thành giá trị mã nhị phân tỷ lệ với biên độ Tại thời điểm kết thúc q trình biến đổi, ADC gửi tín hiệu kết thúc tới điều khiển

Mỗi số nhị phân đ−ợc chuyển tới nhớ đ−ợc nhớ vị trí nhớ riêng biệt Bởi nhớ không linh hoạt (cố định - nonvolatile memory) nên l−u trữ l−ợng l−u trữ lớn số nhị phân với độ dài thời gian Khi cần thiết, lệnh từ khối điều khiển làm cho số nhị phân đ−ợc xếp theo chuỗi lại theo thứ tự xác định đ−ợc đ−a tới biến đổi DAC Bộ biến đổi số-t−ơng tự biến giá trị nhị phân thành điện áp t−ơng tự, điện áp đ−ợc đ−a qua khuếch đại Y tới cặp phiến làm lệch Y ống tia in t

Do nhớ đợc liên tiếp quét nhiều lần giây nên hình đợc sáng liên tục lên dạng sóng hình vẽ điểm sáng, biểu thị dạng sóng cần quan s¸t

Để đạt đ−ợc đ−ờng sáng liên tục, cịn có thêm mạch nội suy (làm m−ợt) DAC khuếch đại Y

Một điểm hạn chế ơxilơ có nhớ số vừa mô tả dải tần bị hạn chế, tốc độ biến đổi ADC thấp (thơng th−ờng nay, ơxilơ có nhớ số có dải tần 1-10 MHz)

Gần đây, ơxilơ có nhớ số có dải tần rộng đ−ợc phát triển nhờ có cài đặt microprocessor, biến đổi ADC có tốc độ biến đổi nhanh hơn, kỹ thuật số hoá hơn, cách nội suy ph−ơng pháp thể tớn hiu

Một loại ôxilô có nhớ khác đợc trình bày hình 3-41

Hình 3-41

Với DAC loại 10 bit, số b−ớc nhảy 210=1024 Toàn đoạn điện áp đ−ợc chia thành 1023 b−ớc riêng biệt,và lệch ngang tia điện tử thực tế tỷ lệ theo thời gian Tốc độ biến đổi DAC điều khiển quét định tốc độ quét cực đại Tốc độ quét điều chỉnh đ−ợc việc thay đổi số đến đầu vào số DAC

Cịn tổ hợp phận phía trên, gồm: ADC, nhớ, DAC kênh Y cho phép khả thay đổi trễ tín hiệu vào hệ thống làm lệch Y giới hạn rộng, đồng thời kết hợp đ−ợc với DAC kênh X, nh− đảm bảo đồng xác

3.7.2 Ơxilơ có cài đặt vi xử lý (micropocessor-àP)

Ơxilơ có cài đặt vi xử lý loại ơxilơ việc điều khiển ơxilơ đ−ợc ch−ơng trình hóa, điều cho phép thay đổi cách trình xử lý ơxilơ Ví dụ, có ơxilơ mà tồn giá trị cần thiết nh− đo biên độ, độ dài tín hiệu, đ−ợc thay chuyển mạch Các chức điều khiển đ−ợc nhóm lại theo yêu cầu nguyên tắc logic, việc lựa chọn chức cần thiết theo yêu cầu, đ−ợc đơn giản việc nhấn nút t−ơng ứng Điều làm thay đổi hồn tồn cấu tạo mặt tr−ớc ơxilơ Việc điều khiển khơng đ−ợc đơn giản hóa mà cịn tiện lợi Nó đ−ợc thực theo ch−ơng trình làm việc kiểm tra đặt bên hay trợ giúp kiểm tra hệ thống giao diện (interface) mà thiết bị đ−ợc nối vào Nh−

thế xuất khả tự động hóa hồn tồn q trình điều khiển chế độ làm việc ống tia điện tử, mà thông th−ờng đ−ợc thiết lập từ ban đầu giữ đ−ợc suốt trình đo l−ờng, quan sát Nó cịn đ−a đ−ợc kết đo đ−ợc qua giao diện đến thiết bị hay thiết bị xử lý khác

Các khả khác ôxilô có xử dụng àP đơn giản hố thao tác đo: giảm bớt khối l−ợng công việc qúa trình đo; tăng cao độ xác; mở rộng đ−ợc khả đo thơng số tín hiệu; thực đ−ợc phép tính tốn học

Ví dụ, muốn đo biên độ xung vuông, cần đặt mặt hiển thị biên độ hai dấu sáng: dấu mức không, dấu đỉnh biên độ xung bấm nút t−ơng ứng Kết đo hiển thị hình d−ới dạng số thập phân với đơn vị đo

Việc thực tính giá trị trung bình tín hiệu đ−ợc nghiên cứu thời gian dài, làm giảm xuống đáng kể ảnh h−ởng đo nhiễu tăng đáng kể chất l−ợng biểu đồ đ−ợc vẽ ôxilô

Việc tăng khả đo thơng số tín hiệu đ−ợc nghiên cứu, ví dụ nh−: đo tần số tín hiệu có chu kỳ; đo giá trị trung bình bình ph−ơng điện áp; đo diện tích, độ rộng xung; đo l−ợng Việc thông số cần nhấn nút t−ơng ứng, mà khơng địi hỏi phải tính tốn thêm để có đ−ợc kết

Việc sử dụng ơxilơ có cài đặt vi xử lý cịn làm tăng hiệu qủa việc làm thực nghiệm hiệu chỉnh sơ đồ mạch điện trình thiết kế Các thông số sơ đồ mạch hoàn hảo, kết phản ứng toàn mạch hay riêng phần mạch cho tín hiệu thử, tín hiệu chuẩn vào nhớ vi xử lý Các giá trị đ−ợc so sánh với giá trị thu đ−ợc thực nghiệm mạch mới, từ hiệu chỉnh hay điều chỉnh thêm, bổ xung đạt hoàn chỉnh Việc thử thử lại so sánh với giá trị l−u cho phép đánh giá đ−ợc vai trò mắt, khâu mạch thiết kế chọn lựa đ−ợc tối −u thành phần cho phù hợp với tiêu chọn tr−ớc

Một khả đáng kể ơxilơ có cài đặt àP việc nhanh chóng hiệu chỉnh thiết lập đơn vị chuẩn

Đây việc phải làm định kỳ trình sử dụng theo dẫn, cơng việc đ−ợc đơn giản hố nh− khơng cần phải mở vỏ máy ôxilô nh− tr−ớc để can thiệp vào bên trong, mà việc cần thực mặt điều khiển Theo ch−ơng trình đặt tr−ớc giá trị chuẩn đ−ợc tính tốn, sau đ−ợc ghi vào nhớ khơng xố Trong nhớ ghi h−ớng dẫn để đặt giá trị chuẩn đ−ợc thơng báo hình b−ớc cho ng−ời đặt giá trị chuẩn, Mặc dù đòi hỏi tham gia ng−ời, nh−ng đơn giản nhiều so với cách sử dụng ơxilơ thơng th−ờng Trong q trình thí nghiệm, việc xác định giá trị chuẩn đ−ợc thực tự động ng−ời sử dụng bấm vào nút t−ơng ứng

1 Ơxylơ t−ơng tự có cài đặt vi xử lý

Một ơxilơ “thơng minh”, có nghĩa đ−ợc ch−ơng trình hố Nó “ơxilơ t−ơng tự” loại thơng th−ờng cộng thêm với thiết bị xử lý số có dùng vi xử lý

Tất cả, đ−ợc đặt chung vào khối, ơxilơ có đ−ợc số khả nói loại ơxilơ có cài đặt microprocessor

Hình 3-42 sơ đồ khối đơn giản ơxilơ loại

H×nh 3-42

Với sơ đồ khối này, chia thành ba phần Phần giống nh− ôxilô t−ơng tự (ở đây, để khơng rối hình nên hình vẽ khơng vẽ kênh Z nh− thiết bị đo hiển thị thơng số tín hiệu) Phần có biến đổi t−ơng tự số (ADC) biến đổi số t−ơng tự (DAC) với mô đun để nhớ hệ vi xử lý với chức kiểm tra; coi phần nh− ơxilơ có nhớ Phần d−ới vi xử lý để phục vụ cho việc điều khiển ch−ơng trình xử lý tín hiệu số Card giao diện dùng để nối ôxilô với giao diện hệ thống

việc nh− ôxilô t−ơng tự thơng th−ờng Khi đổi số khối chuẩn (bộ khuếch đại Y, X, máy phát chuẩn ) nh− số ôxilô thông th−ờng mà cấu tạo đ−ợc thiết kế thay khối hay nối thêm khối Xu h−ớng chia thiết bị hai phần: phần t−ơng tự phần số đ−ợc thể chỗ phân bố vị trí phần thuộc hệ điều khiển Những để điều khiển thông th−ờng, hay gặp ôxilô thơng th−ờng đ−ợc giữ ngun vị trí “ngun thuỷ” đ−ợc cách riêng với bàn phím

Vi xử lý làm cho ơxilơ có thêm đặc điểm Nó có chứa tất mơ đun mà hệ thống nh− phải có Mắt xích nối hệ thống vi xử lý phần t−ơng tự ôxilô biến đổi t−ơng tự-số (ADC) Chúng ta cần phải khảo sát đặc điểm ADC

Ơxylơ dùng hệ vi xử lý đ−ợc mơ tả loại có dải tần số rộng Dải tần số kênh lệch dọc đạt 400 MHz (hệ số phân giải thấp điện áp quét 0,5ns/độ chia) Sự cần thiết phải nhớ tín hiệu tần số cao phải giữ nguyên khả cho phép phản ánh đ−ợc tín hiệu nghiên cứu đ−ợc xác định đặc tr−ng biến đổi ADC

Sự rời rạc hố cách lấy mẫu tín hiệu t−ơng tự với quãng ngắn (tần số cao) l−ợng tử hóa tín hiệu theo số l−ợng lớn mức; hai phép tính đ−ợc thực với sai số t−ơng đối khơng v−ợt q 2-10, có nghĩa khả cho phép theo hai trục X Y ảnh 1/1024 (0,1%) Để đạt đ−ợc mức cao nh− địi hỏi phải có 10 hàng nhị phân (10 bít), rời rạc hố với tần số khơng d−ới 1GHz (trong dải tần 400 MHz) Các ADC đại hoạt động với tác động nhanh nh− Bởi vậy, tín hiệu phản ánh ôxilô phải áp dụng ph−ơng pháp lấy mẫu quét ngẫu nhiên (khơng lặp lại có chu kỳ) Ph−ơng pháp cho phép làm biến đổi ADC với 10 bít, mà thời gian biến đổi đặc tr−ng cho loi ny l 1s

Bản chất phơng pháp (xem hình 3-43):

Màn ảnh ống tia phóng tia điện tử CRT gồm m.n ô nhỏ, n=1024, số ô theo chiều dọc; m=n (hay n/2; n/4; n/8) số ô theo hàng ngang

Giá trị i (tính theo hàng ngang địa đ−ờng cong tín hiệu xác định, cịn k giá trị (tính theo hàng dọc, giá trị t−ờng ứng i)

H×nh 3-43

Giá trị k kết biến đổi t−ơng tự-số tín hiệu quan sát ôxilô, đ−ợc truyền từ kênh lệch dọc đến ADC kênh Y Số đầu đ−ợc truyền qua bus liệu vào nhớ có địa i đ−ợc l−u giữ

Những thời điểm chọn lấy mẫu tín hiệu xuất từ kênh lệch dọc kênh lệch ngang t−ơng ứng với mạch chọn nhớ đ−ợc xác định xung Các xung máy phát tín hiệu đồng tạo có độ rộng hẹp (chúng giống xung dùng để lấy mẫu tín hiệu ơxilơ quan sát tín hiệu ngẫu nhiên)

Điện áp điểm chọn đ−ợc tạo lại tụ chứa mạch chọn nhớ khoảng thời gian đủ để có biến đổi với trợ giúp ADC, tr−ờng hợp cỡ nhỏ 1às Khoảng cách liên tiếp xung chọn thay đổi ngẫu nhiên, chọn ngẫu nhiên tín hiệu t−ơng tự đ−ợc biến đổi Sự chọn lấy mẫu xảy điểm khác tín hiệu lặp lại theo chu kỳ

Sau lấp đầy ô nhớ theo số liệu đầu ADC kênh X theo địa xuất tín hiệu báo đầy Kết lần lấy mẫu sau đ−ợc đ−a vào ô nhớ khác, nh− tiếp tục lấp đầy đ−ợc 99% tổng số mà nhớ dành để nhằm phục vụ cho việc số tín hiệu qua ơxilơ Nh−

vậy, giá trị tín hiệu ghi đ−ợc vào nhớ, cần thiết để phản ảnh lại dạng tín hiệu lên hình ơxilơ

th−ờng dùng microprocessor 16 bit Điều giá trị t−ơng đ−ơng sau qua ADC (có nghĩa từ liệu) phải chia làm bytes nhớ nối tiếp, đ−ợc xử lý nối tiếp Nh− làm tăng đáng kể thời gian biến đổi t−ơng tự-số, tính tốn hiển thị

Microprocessor dùng ơxilơ có 16 vector ngắt, vector ngắt quan trọng chế độ làm việc đặc tr−ng cho ôxilô đ−ợc nối với giao diện hệ thống Nó cho phép đơn giản hố tăng tốc độ tính tốn, xử lý liệu

ROM dùng để chứa ch−ơng trình điều khiển có dung l−ợng 32 Kbyte RAM đ−ợc thiết kế cho 4K từ byte; tr−ờng hợp cần thiết dung l−ợng RAM tăng lên

Bàn phím điều khiển ôxilô th−ờng chia làm hai phần Phần thứ gồm tập hợp phím gắn trực tiếp vào mặt tr−ớc ôxilô dùng để thực số chức “kinh điển” ôxilô nh−: đo giá trị max, điện áp; giá trị trung bình bình ph−ơng; độ rộng s−ờn đỉnh xung Có thể giảm số l−ợng phép chọn xuống, thông th−ờng 1024 đặt 512, 256 hay 128 phép chọn Điều cho phép tăng số l−ợng lớn tín hiệu nhớ đ−ợc song lại làm giảm khả phân biệt

Phần thứ hai gồm phím có chức mở rộng thiết bị cho phép điều khiển đ−ợc từ xa Để tiện sử dụng, th−ờng phím đ−ợc ghi ký hiệu t−ơng tự nh− máy tính nhỏ (calculator) thơng th−ờng Mỗi phép tính cụ thể đ−ợc thực cách nhấn phím t−ơng ứng Mỗi phép tính (do ng−ời sử dụng thiết lập) đ−ợc thực độc lập với phép tính khác, kết đ−ợc nhận biểu diễn hình ơxilơ

Một nhóm phím dùng để chọn chế độ ghi dạng tín hiệu theo tỷ lệ thời gian thực tế, có nhớ, đồng thời hai chế độ

Một nhóm phím khác dùng để chọn đặc điểm hình (các chấm điểm hay đ−ờng liền nét), dùng chế độ ghi dạng sóng theo hệ qui chiếu: tín hiệu-thời gian hay tín hiệu-tín hiệu xố bỏ hình ảnh (một phần hay tồn bộ) dạng tín hiệu; để điều khiển dạng sóng chế độ nhớ

Một số phím dùng để thay đổi tỷ lệ hai trục hồnh tung, di chuyển dạng sóng dọc theo Có phím để đ−a số vào, thay đổi số l−ợng vị trí mức chuẩn dùng đo

Một số phím dùng để thực phép tính số học, phép tính logarit, số mũ, thực phép tính vi phân, tích phân, trung bình bình ph−ơng, trung bình cộng, phép nội suy tuyến tính hố phép khơi phục lại dạng đ−ờng cong tín hiệu từ số điểm riêng cách biệt

Đó cấu trúc nh− khả năng, chức ơxilơ t−ơng tự có cài đặt microprocessor.

2 Ôxylô đợc lập trình điều khiển hoàn toàn (the Software - Based Oscilloscope)

a Các đặc tớnh chung

Đợc thiết kế sở ôxilô dùng vi xử lý, ôxilô đợc lập trình điều khiển hoàn toàn có khác biệt với ôxilô khác từ bên ngoài; cấu trúc bên điều khiển

Thông thờng mặt trớc thiết bị đợc chia làm hai phần gần nh nhau: phần (ví dụ bên trái) hình lớn dùng ống phóng tia điện tử, phần khác (ví dụ bên phải) phận điều khiển (núm chuyển mạch bàn phím) phận thị LED

Cấu trúc bên ôxilô hoàn toàn giống cấu trúc máy điện toán dùng microprocessor Do vậy, toàn hệ thông tin có dạng số, nh số liệu đợc đa vào microprocessor thông qua sử dụng bàn phím hay thông tin đợc chuyển qua bus giao diện điều khiển xa (remote control)

Việc có thêm vi xử lý vào ôxilô làm cho vấn đề trao đổi thông tin ng−ời sử dụng thiết bị (chế độ đối thoại) trở lên tích cực Thiết bị tự động hoàn toàn tiếp nhận, xử lý cho thông báo tất số liệu thời gian tức thời

b Cấu tạo sơ đồ khối

Sơ đồ khối nh− hình 3-44

Theo cấu tạo sơ đồ phận đặc tr−ng cho ôxilô điện tử chiếm phần khiêm tốn so với hệ thống mô đun hệ vi xử lý

H×nh

Điều đặc biệt sơ đồ khối đ−ờng phản hồi, nối từ tạo quét với đầu vào vi xử lý qua giao diện đầu riêng Theo đ−ờng này, microprocessor

nhận đ−ợc thông tin phát tín hiệu vào (chế độ tự động q trình ghi vẽ dao động đồ)

Sự điều khiển ch−ơng trình phần mềm giản −ớc công việc nh− hiệu chuẩn, thiết lập chế độ làm việc ôxilô cho ng−ời sử dụng Ta xem xét kỹ công việc để hiểu rõ chế độ làm việc tự động hoá qua trình ghi vẽ giản đồ dao động tín hiu

b.1 Hiệu chuẩn ban đầu

Để thực hiệu chuẩn, không cần phải mở vỏ máy ôxilô kiểm tra máy đo số điểm định mạch Tất thao tác đ−ợc thực bấm nút mặt tiền thiết bị

Theo ch−ơng trình h−ớng dẫn hiệu chuẩn microprocessor tính hệ số hiệu chỉnh đ−a kết vào nhớ RAM Trong nhớ có l−u giữ dẫn hiệu chuẩn Bộ tạo phát tín hiệu giúp đ−a lần l−ợt dẫn xuất hình ơxilơ Theo dẫn đó, ng−ời sử dụng quay nút chuyển mạch nằm panen mặt tr−ớc máy, có tiếng “pip” sinh tín hiệu hiệu chuẩn (lấy từ bên hay bên ngồi ơxilơ) chiếm vị trí định hình Sau đó, ng−ời sử dụng ấn nút, ch−ơng trình đ−ợc thông báo liệu điểm hiệu chuẩn đ−ợc l−u lại Thủ tục đ−ợc lặp lặp lại nhiều lần cho điểm hiệu chuẩn nhớ l−u giữ đủ số liệu điểm đ−ợc hiệu chuẩn microprocessor tính hệ số hiệu chuẩn (mỗi hệ số đ−ợc sử dụng cho loại hiệu chuẩn riêng) hệ số đ−ợc ghi vào nhớ RAM không phụ thuộc l−ợng (nonvolatile RAM)

Mỗi chức phận điều khiển bố trí mặt tr−ớc thiết bị t−ơng ứng với tập hợp biến số Mỗi tập hợp đ−ợc l−u giữ vùng riêng nhớ RAM Các giá trị số tín hiệu vào đ−a tới ghi đệm số liệu biến đổi số-t−ơng tự nhiều kênh (hình 3-45)

b.2 Thiết đặt trình ghi vẽ dao động đồ

Công việc đ−ợc tiến hành tự động sau ng−ời sử dụng nhấn phím gọi “auto adjust ” hay sau xuất tín hiệu từ điều khiển giao diện hệ thống, nối ôxilô với hệ thống microprocessor điều khiển theo liệu chứa nhớ RAM

Hãy xem xét ví dụ: Thiết đặt kênh lệch dọc Y nh− nào? (xem hình 3-45)

Trong vùng đánh dấu đ−ờng nét rời vùng nhớ không phụ thuộc l−ợng RAM l−u giữ thơng tin trạng thái kênh Y

Trạng thái kênh đ−ợc định hai số: số có chữ số (ví dụ a,b,c) thể hệ số lệch kênh mong muốn Cịn có chữ số (ví dụ -3), thứ tự dải có hệ số

tới ghi đệm biến đổi dải Giá trị số đ−ợc đ−a vào ghi xác định b−ớc mà giá trị cách biệt hệ số chia suy giảm, hệ số khuếch đại tiền khuếch đại kênh Y, phải thay đổi Sau đó, theo thứ tự dải, microprocessor xác định giá trị để đ−a vào biến đổi số-t−ơng tự, cho đầu biến đổi tạo đ−ợc điện áp mong muốn để làm cân tiền khuếch đại Cũng từ số thứ tự dải (ví dụ: -3), microprocessor đọc từ nhớ RAM số liệu đ−ợc ghi vào hiệu chuẩn (những hệ số hiệu chuẩn) Những số liệu xác định hệ số khuếch đại kênh số xác định dịch chuyển ban đầu tia Tất giá trị tìm đ−ợc gửi vào nhớ giá trị đ−ợc điều khiển gọi giải toán khác Khi điều khiển tự gửi giá trị vào biến đổi số-t−ơng tự Trên đầu biến đổi số-t−ơng tự nhiều kênh xuất cách điện áp để hiệu chuẩn mạch khác kênh lệch dọc Y

Thông tin trạng thái kênh nhận đ−ợc microprocessor đ−ợc gửi tới ghi đệm liệu thị LED Từ ghi đ−ợc khơi phục lại điều khiển biến đổi số-t−ơng tự (DAC), truyền tới giải mã để điều khiển hình thị LED Lúc ng−ời sử dụng tắt máy phát tín hiệu để hình ảnh khơng bị trùng lặp hình ống phóng tia điện tử

b.3 Chế độ tự động trình ghi vẽ dao động đồ

Trong chế độ này, bấm phím t−ơng ứng việc điều khiển

Microprocessor đảm nhận Mạch đồng xác lập giá trị mức phát (trigger level) mong muốn tốc độ phát (trigger rate) (hình 3-46a)

Khi tín hiệu nghiên cứu àx từ kênh lệch dọc tín hiệu đồng ngồi đ−ợc đ−a vao, thời điểm t1 (hình 46a) mạch đồng tạo xung: xung (hình 3-46b) Xung phát kích phát qt để tạo điện áp qt có dạng c−a: Urc (hình 3-46c) kích cho tạo quét chậm Khi cách quãng thời gian chậm đ−ợc đặt tr−ớc quét chậm bắt đầu hoạt động (hình 3-46d) Hai tạo xung qt chậm đ−ợc tạo theo sơ đồ mạch tích phân Điện áp có dạng c−a đầu tạo quét chậm t−ơng ứng với xung hình chữ nhật đầu vào tích phân (hình 3-46c)

Khi tÝn hiƯu nghiªn cøu lại cắt mức phát lần thứ hai thời điểm t2, có tín hiệu xung phát: xung đợc tạo (hình 3-46b) Nếu nh xuất thời gian có xung cửa (hình 3-46b 13-46e), xung phát tạo chuyển trạng thái flip-flop cho đầu có mức điện cao, nã øng víi møc logic Møc cao nµy cờ phát (trigger flag) đợc chuyển từ tạo gốc thời gian qua đờng thông tin phản hồi tới

về việc có tín hiệu nghiên cứu đ−ợc đặt đầu vào kênh lệch dọc Y, hay tín hiệu đồng ngồi đ−ợc cung cấp tới mạch đồng

Sau microprocessor nhận đ−ợc tín hiệu cờ phát có nhóm phép tính đ−ợc thực cách tự động: thiết đặt thơng số ban đầu; tìm kiếm theo chiều dọc; tìm kiếm theo chiều ngang; thiết đặt thơng số cuối

Mục tiêu q trình thiết đặt thông số ban đầu điều chuẩn giá trị thông số kênh cho chúng vào tình trạng bình th−ờng Trong kể nh− có lỗi ng−ời sử dụng tạo ra, sửa lại Ví dụ nh− ng−ời sử dụng đặt khoảng thời gian chậm tạo quét quét chậm lớn quá, làm khó khơng quan sát đ−ợc, máy tự động thiết đặt lại chế độ bình th−ờng Ngồi cịn chọn đ−ợc trạng thái kênh cho xác suất chọn đ−ợc hình ảnh có chất l−ợng cao dạng sóng tín hiệu lớn

H×nh 3-46

bị qua tải Bản chất việc tìm kiếm theo chiều dọc xác định đ−ợc độ nhạy kênh, đạt đ−ợc cách tự động chọn đ−ợc giá trị hệ số truyền suy giảm Điều có nghĩa hệ số lệch có dải nhỏ chỉnh liên tục đ−ợc độ nhạy dải nhỏ chọn

Việc tìm kiếm theo chiều dọc diễn với thời gian đợi 42 ms, cần thiết để phát tín hiệu có tần số 50 Hz (chu kỳ 20 ms) Do ch−ơng trình tìm kiếm đ−ợc thực lần với việc microprocessor nhận đ−ợc cờ phát, nên tín hiệu tần số cao thời gian tìm kiếm giảm Cờ phát tạo phát đ−ợc tín hiệu kênh, đ−ợc ghi vào nhớ đ−ợc sử dụng trình thiết đặt thơng số cuối

Việc tìm kiếm theo hàng ngang đ−ợc thực sau nhận đ−ợc biên độ cần thiết tín hiệu Theo ch−ơng trình, tạo xung phát tạo quét đ−ợc nối vào kênh lệch dọc, mà kênh tiến hành việc tìm kiếm tín hiệu Mức phát sóng mạch đồng đ−ợc đặt mức ba lần biên độ tín hiệu điều chỉnh, cịn dấu lấy từ nhớ Q trình tự động tìm kiếm tốc độ quét cần thiết đ−ợc bắt đầu

Việc tìm kiếm tín hiệu nhanh thời gian chờ phát không v−ợt hai lần chu kỳ tín hiệu Khi nghiên cứu tín hiệu tần số thấp (ví dụ 50 Hz) tụ đ−ợc thay lần l−ợt nối vào mạch, số RC mạch tíh phân tăng tới nhận đ−ợc độ dài điện áp quét mong muốn (42 ms)

Chơng IV Đo tần số, khoảng thời gian

v o độ di pha

4.1 Kh¸i niƯm chung

Trong kỹ thuật điện tử , th−ờng hay dùng tín hiệu có phổ tần số rộng Dải phổ tần số tần số vài phần trăm Hz đến 1015Hz Toàn tần phổ chia làm hai dải tần số có tính chất khác nhau: dải tần số thấp (tần số âm ) dải tần số cao (tần số sóng vơ tuyến ) Tất nhiên phân chia t−ơng đối Dải tần số âm gồm tần số mà tai ng−ời nghe đ−ợc, tần số thấp 20MHz gọi ngoại âm tần (hạ âm); tần số cao 20kHz gọi siêu âm Những tần số dao động điện cao 10kHz thuộc tần số vô tuyến Giới hạn dùng kỹ thuật đo l−ờng tần số cao tần tăng lên với phát triển kỹ thuật điện tử ngày xác định đ−ợc tần số chừng độ 3.1015 Hz

Phổ tần số sử dụng kỹ thuật điện tử chia thành nhiều dải tần số khác nhau, tính chất dải mà yêu cầu phép đo tần số có mức độ xác khác nhau, nh− ph−ơng pháp đo khác

Các ph−ơng pháp đo tần số thông dụng kỹ thuật điện tử là: ph−ơng pháp cầu, ph−ơng pháp so sánh ph−ơng pháp đếm Tuỳ theo tần đoạn khác mà ph−ơng pháp đo đ−ợc dùng nhiều hay khác đặc tính tần số Ta xét ch−ơng theo ph−ơng pháp đo nói trên, không xét theo tần đoạn

Về trị số so sánh phép đo tần số, đ−ợc cho d−ới dạng tuyệt đối, song phổ biến d−ới dạng t−ơng đối

f f

∆

Đo tần số phép đo thơng số đặc tính quan trọng tín hiệu sử dụng kỹ thuật điện tử

Một cách chung hơn, tần số đ−ợc xác định theo tần số góc, biểu thị tốc độ biến đổi pha dao động Tần số góc ω(t) đạo hàm góc pha theo thời gian:

dt d ) t

( = ϕ

(1)

hay (t) đợc biểu thị theo c«ng thøc: )

( )

(t =2πf t

(t) f(t) trị số tần số góc tần số tức thời

Vi dao động điều hồ, góc pha biến đổi, tỷ lệ với thời gian, đạo hàm góc pha theo thời gian có trị số khơng thay đổi : ω0=2πf0 Nên cần l−u ý nói danh từ “tần số”, hiểu f0, nghĩa trị giá trung bình tần số

Quan hƯ tần số bớc sóng là:

=

f (2)

ở đây, f tần số tính Héc (Hz); λ chiều dài b−ớc sóng, tính m, ν tốc độ pha dao động điện từ truyền lan môi tr−ờng, tính m/s

Tốc độ pha truyền lan dao động điện từ tuỳ thuộc vào môi tr−ờng vào cách thức truyền l−ợng Với môi tr−ờng có hệ số điện mơi t−ơng đối εr>1 tốc độ pha bằng:

r

c ε =

ν (3)

ở đây, c tốc độ ánh sáng truyền lan tự Chiều dài b−ớc sóng tr−ờng hợp bằng:

r

ε λ =

(4)

0 chiều dµi b−íc sãng trun lan tù

Do đó, tốc độ pha thay đổi, chiều dài b−ớc sóng thay đổi, cịn tần số khơng phụ thuộc vào điều kiện truyền lan Đó điều cần l−u ý phân biệt quan hệ tần số b−ớc sóng

T

f = (5)

trong đó, T chu kỳ dao động, tính giây Do đó, đo tần số cịn thơng qua phép đo thời gian, nghĩa đo chu kỳ dao động

Nh− vậy, để xác định đặc tính tín hiệu dao động điện từ, th−ờng đo tần số f, chu kỳ T, hay chiều dài b−ớc sóng λ Tại tần số âm tần cao tần đo tần số chu kỳ; cịn siêu cao tần, chiều dài b−ớc sóng đại l−ợng so sánh đ−ợc với kích th−ớc hệ thống đ−ờng dây truyền, nên vấn đề đo tần số f đ−ợc đổi thành phép đo trực tiếp đại l−ợng chiều dài b−ớc sóng λ

Trong kỹ thuật điện tử, đo tần số đ−ợc dùng nhiều tr−ờng hợp nh−: cần khắc độ chuẩn lại máy tạo tín hiệu đo l−ờng, máy phát, máy thu; cần xác định tần số cộng h−ởng mạch dao động; cần xác định dải thông lọc, mạng bốn cực, cần kiểm tra mức độ lệch tần số thiết bị làm việc

4.2 §o tần số mạch điện có thông số phụ thuộc tần số

4.2.1 Phơng pháp cầu

Để đo tần số, dùng cầu đo mà điều kiện cân cầu phụ thuộc vào tần số nguồn điện cung cấp Ví dụ nh− hình 4-1 sơ đồ mạch cầu đơn giản có nhánh mạch cộng h−ởng

Điều kiện cân cầu là:

(6)

4

1Z R R

R & =

H×nh 4-2 H×nh 4-1

Một loại sơ đồ mạch cần đo tần số đ−ợc dùng phổ biến nh− hình 4-2 Điều kiện cần mạch đo là:

⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ω + = ω

+ x 4

3 x C j R R R C j R R (7)

(ở đây, ta bá qua ®iƯn trë cđa biÕn trë R)

Tõ (7), phân tích riêng biệt phần thực phần ảo, ta cã:

4 C C R R R R +

= (8)

4 3 x x R R C C ω =

ω (9)

Tõ ph−¬ng trình (9), tìm đợc trị số tần số cần đo:

4 x x C C R R f

2π = =

ω

Nếu chọn điện trở tụ điện cho có: R3=R4=R5, C3=C4=C kết thu đ−ợc đơn giản hơn:

RC fx =

Để đo tần số, dùng loại kiểu cầu kiểu chữ T kép nh hình 4-3 Điều kiện cân cầu là:

(10)

2 C C R22 1 2

2

x =

vµ:

(11)

1 R R C

2ω2x 12 1 2 = Khi R2 = 2R1 vµ C2 = 2C1, th× ta cã:

1

x R C

2 = ω

H×nh 4-3

hay:

1

x R C

4 f = π

Thang độ R1 trực tiếp khắc độ theo đơn vị tần số

Ph−ơng pháp cầu dùng để đo tần số từ vài chục Hz tới vài trăm kHz, sai số đo khoảng (0,5% 1%)

4.2.2 Phơng pháp cộng hởng

Đo tần số ph−ơng pháp cộng h−ởng dựa nguyên lý dùng tác dụng chọn lọc tần số mạch cộng h−ởng Sơ đồ khối phép đo nh− hình 4-4

Bộ phận sơ đồ mạch cộng h−ởng Mạch đ−ợc kích thích dao động lấy từ nguồn cần đo tần số thơng qua phận ghép Q trình điều chỉnh đạt tới tần số cần đo đ−ợc thực phận điều chuẩn Cấu tạo phận điều chuẩn tuỳ thuộc vào cấu tạo mạch cộng h−ởng Khi mạch cộng h−ởng có gây t−ợng cộng h−ởng tần số đo t−ợng đ−ợc phát phận thị Bộ phận thị th−ờng vơn-mét tách sóng (ví dụ nh− điốt tách sóng mắc nối tiếp với micrơ ampe-mét điện tử)

H×nh 4-4

1 Mạch cộng h−ởng có điện dung điện cảm linh kiện có thơng số tập trung

2 Mạch cộng hởng có pha trộn linh kiện có thông số tập trung điện dung, linh kiện có thông số phân bố điện cảm

3 Mạch cộng h−ởng có điện dung điện cảm linh kiện có thơng số phân bố

Hình 4-5 sơ đồ loại mạch thứ Trong đó, điện dung điện cảm linh kiện có thơng số tập trung L C Bộ phận điều chuẩn tụ điện biến đổi C, có thang độ đ−ợc khắc độ theo đơn vị tần số Vì tụ C có hệ số biến đổi ⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜⎜

⎝ ⎛

min max

C C

kh«ng

lớn lắm, nên muốn mở rộng dải tần số tần số mét th−ờng phải thay đổi cuộn L Mạch cộng h−ởng đ−ợc kích thích dao động lấy từ nguồn cần đo thông qua cuộn dây ghép Lg Sự thị cộng h−ởng mạch điện tần số đo đ−ợc thực

tách sóng đồng hồ từ điện đo dòng điện chiều Khi mạch cộng h−ởng trị số đồng hồ cực đại Để giảm nhỏ tác dụng mắc song song mạch thị, đây, đ−ợc ghép phần tử cuộn L

H×nh 4-6 H×nh 4-5

Tần số mét loại có l−ợng trình từ 10kHz đến 500MHz Sai số đạt khoảng 0,25%ữ3%

Hình 4-6 mạch điện tần số-mét mà mạch cộng h−ởng có pha trộn linh kiện có thơng số tập trung linh kiện có thơng số phân bố Mạch cộng h−ởng gồm có tụ xoay kiểu hình b−ớm Bộ phận tĩnh điện tụ đ−ợc nối với vòng kim loại V, vịng đóng vai trị điện cảm phân bố mạch

điện có trị số điện dung cực tiểu Khi đó, khơng biến đổi đ−ợc trị số điện dung mà đồng thời biến đổi trị số điện cảm nữa; hai phận T Đ đ−a khỏi từ tr−ờng vịng dây V bị bọc kim phận động Đ tụ điện, lúc trị số điện cảm bé Còn ứng với hai phận T Đ tụ lồng vào nhau, vịng V có trị số điện cảm lớn Nh− vậy, trị số điện dung điện cảm mạch đồng thời thay đổi trị số, tăng giảm làm cho hệ số thay đổi tần số khoảng tần số đo ⎟⎟

⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛

min max

f f

lớn Tại tần đoạn tõ 200-1000MHz, v× kÝch th−íc

hình học mạch nhỏ nhiều (đ−ờng kính tụ điện khoảng>10cm); nên kích th−ớc tần số-mét đ−ợc thu nhỏ Vịng dây Vg để ghép điện áp kích thích lấy từ nguồn đo; vòng dây Vd để ghép với mạch thị cộng h−ởng

Sai sè cđa lo¹i khoảng 0,1%ữ1%

Hỡnh 4-7 l s cu tạo loại tần số-mét dùng siêu cao tần Trong đó, tần số-mét đ−ợc kết cấu đoạn dây đồng trục có nối tắt Một đầu dây đ−ợc nối tắt pittơng P dịch chuyển dọc theo dây hệ thống c−a xoắn ốc có khắc độ B Vòng Vg để ghép tần số mét với nguồn dao động cao tần; vòng Vđ để ghép đ−ờng dây với mạch thị Các chỗ ghép gần vị trí nối tắt cố định, để gần đ−ợc vị trí bụng dịng điện phân bố có chiều dài

2 td

λ =

l Khi thiết bị thị cực đại Hình 4-7

Các tần số-mét có cấu tạo đoạn dây đồng trục đ−ợc dùng đoạn sóng từ 3cm đến 20cm Nhờ có hệ số phẩm chất mạch cao (khoảng 5000) nên sai số đo loại khoảng 0,5%

Hình 4-8 sơ đồ tần số-mét dùng dây đồng trục có nối tắt đầu, đầu điện dung C Trở kháng vào đoạn dây chiều dài t−ơng đ−ơng

4 td

λ <

đợc thực khi:

=

π =

ω

l l

2

Wtg Wtg

C

1

trong đó, W trở kháng sóng đ−ờng dây

C¸ch thøc ghép đờng dây với nguồn đo mạch thị đợc thực vòng Vg Vđ nh loại mạch

Tn s-một loi ny c dùng đoạn sóng từ 20cm đến 2m Sai số khoảng 0,5%

H×nh 4-10 H×nh 4-9

Hình 4-9 sơ đồ khác tần số-mét loại dùng dây đồng trục Trong có đầu dây nối tắt đầu để hở Chiều dài t−ơng đ−ơng ltđ nhỏ

4 λ

; đầu cuối trục dây với thành nối tắt để tạo nên điện dung mạch Các vòng ghép đặt vị trí bụng dịng điện Điều chỉnh tần số-mét cách điều chỉnh độ dài trục dây

Hình 4-10 sơ đồ tần số-mét loại dùng hốc cộng h−ởng cấu tạo ống dẫn sóng ống dẫn sóng dùng loại ống trịn hay ống vng góc Pittơng nối tắt P điều chỉnh dọc theo ống hệ thống c−a xoắn ốc Khi điều chỉnh để có

2 td

λ =

l , (λ b−ớc sóng sóng truyền lan ống) đồng hồ thị trị số cực đại Năng l−ợng kích thích hốc cộng h−ởng đ−ợc ghép qua lỗ thành nối tắt ống Vì hệ số phẩm chất hốc cộng h−ởng lớn (khoảng 30.000), nên số đo loại tần số-mét bé loại trên; vào khoảng 0,01 đến 0,05%

Các nguyên nhân gây sai số phép đo tần số ph−ơng pháp cộng h−ởng là: sai số xác định điểm cộng h−ởng khơng xác; sai số nhiệt độ, độ ẩm môi tr−ờng xung quanh sai số khắc độ

mạch thị vào mạch cộng h−ởng Về thao tác đo, để nâng cao độ xác xác định điểm cộng h−ởng, dùng cách đo hai điểm có mức thị hai phía điểm cộng h−ởng, sau lấy trị số trung bình cộng để xác định điểm cộng h−ởng có độ dốc lớn, dễ điều chỉnh dễ phát

Sai số nhiệt độ, độ ẩm nhiệt độ, độ ẩm mơi tr−ờng chung quanh làm thay đổi kích th−ớc gây h− hỏng linh kiện mạch cộng h−ởng làm thay đổi tần số cộng h−ởng Để giảm sai số cần có thiết bị bù nhiệt, có sơn tẩm chống ẩm dùng vật liệu để chế tạo linh kiện có hệ số nhiệt độ bé (ví dụ: niken hay thép khơng dãn nở )

Sai số khắc độ nh− khắc độ tần số theo trị số điện dung, khắc độ chiều dài b−ớc sóng theo trị số độ dài , khơng xác Để giảm nhỏ sai số này, th−ờng dùng cách khắc độ đặc biệt cho thang độ tần số

Để tính tốn sai số xác định khơng vị trí cộng h−ởng, ta dùng cách tính sai số xác định vị trí cực trị giới thiệu ch−ơng sai số Sai số cực đại phép đo tần số theo ph−ơng pháp cộng h−ởng đ−ợc xác định theo công thức (46) ch−ơng Để lấy đạo hàm bậc hai cơng thức tính sai số cực đại này, tr−ớc hết cần xác định ph−ơng trình đ−ờng cong mạch cộng h−ởng đơn:

2 f f Q u u ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − +

= (12)

Trong ú:

u0 điện áp mạch cộng hởng f=f0; f0 tần số cộng hởng mạch;

Q hệ số phẩm chất mạch cộng h−ëng

Nếu đặc tính tách sóng thị đ−ờng thẳng, nghĩa trị số thị bằng:

Ku

=

α (13)

thì biểu thức (12) có dạng:

2 f f Q ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + α =

α (14)

0 =Ku

α trị số thị cực đại thị cộng h−ởng Đạo hàm bậc biểu thức (14) theo tần số là:

3 2 0 f f Q f f f Q df d ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ = (15)

Đạo hàm bậc hai cđa biĨu thøc (14) cã d¹ng:

5 2 2 2 f f Q f f f Q Q df d ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − − α − = α (16)

Khi f=f0 đạo hàm bậc hai bằng:

2 0 2 f Q df

d α =− α

(17)

Dấu âm biểu thức (17) vào cơng thức tính sai số, có trị số sai số cực đại:

0 f Q f M α α ∆

= (18)

Và trị số sai số t−ơng đối cực đại bằng:

0 f f Q f M m 0 α α ∆ =

= (19)

Nếu đặc tuyến tách sóng bậc hai, tức tín hiệu đ−a vào tách sóng nhỏ dùng đồng hồ thị có độ nhạy cao Khi đó:

(20)

2

Ku

= α

2 f f Q ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − + α =

α (21)

ở đây, α0 =Ku20 trị số thị đồng hồ cộng h−ởng

Cũng tiến hành tính tốn nh− trên, lấy đạo hàm bậc hai (21) f=f0 thay vào (19), ta có kết quả:

0 f Q f M α α ∆ = f Q m α α ∆ =

Từ biểu thức sai số tuyệt đối (18) (22) ta có nhận xét là: hệ số phẩm chất mạch đo lớn, sai số xác định khơng vị trí cộng h−ởng nhỏ Cũng có nhận xét là: α0 có trị số lớn, tức trị số thị cộng h−ởng có trị số lớn, sai số mắc phải nhỏ Song cần phải ý thêm

α0 tăng công suất nguồn dao động khơng đổi phải tăng độ ghép Khi tăng độ ghép tức tăng thành phần điện kháng ghép vào mạch cộng h−ởng, nh− sinh sai số khác dịch chuyển tần số cộng hng ca mch o

Hình 4-11

Trị số sai số ghép mạch thị tạo nên, tính toán đợc

Da trờn c s lý thuyết ghép mạch, mạch đo hình 4-5 biến thành mạch t−ơng đ−ơng nh− hình 4-11 Trong đó, xg thành phần điện kháng đ−ợc ghép sang mch o

Trị số tần số cộng hởng mạch cộng hởng có kể tới ảnh hởng ghép lµ:

0 x C L g

0 + =

ω − ω

'

' (24)

Nh©n biĨu thøc (24) víi ω’0 vµ chia cho L, ta cã:

( ) x

L LC g = ω + −

ω' ' (25)

2 =ω

LC (26)

nªn

( ) g

0 2 x L ' ' = ω ω −

ω (27)

đặt ω'0=ω0 −∆ω (28)

thay vµo (27) vµ (28)

g 2 x L 2ω ∆ω−∆ω = ω −∆ω +

ω −

ω (29)

Chia hai vế (29) cho 2ω20, ta có: ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ω ω ∆ − ω = ω ω ∆ 0 g L x (30) đó: ρ + ρ = ω ω ∆ g g

0 2 x

x (31) ë ®©y: C L

0 = ω

ω =

ρ (32)

Nếu giả thiết ρ>>xg, biểu thức (31) đơn giản Trị số sai số t−ơng đối tần số-mét có kể tới ảnh h−ởng ghép thành phần điện kháng là:

ρ =

2 x

mx g (33)

4.3 Đo tần số phơng pháp dùng thiết bị so sánh

4.3.1 Ph−ơng pháp dùng dao động đồ ôxilô

Đo tần số dao động ký đ−ợc thực cách so sánh tần số cần đo với tần số tạo dao động tần số chuẩn thông qua dao động đồ “litxagiu” Muốn tạo đ−ợc hình litxagiu đ−a điện áp có tần số cần đo fch vào cặp phiến làm lệch khác, (lúc dao động ký không dùng phát sóng quét) Điều chuẩn tần số fch cho có dao động khơng dịch chuyển hình litxagiu đó, ví dụ nh− hình 4-12

Cắt dao động đồ theo trục dọc theo trục ngang hai cát tuyến nh− hình vẽ; ý chọn giao điểm đ−ờng cắt với dao động đồ không bị trùng với giao điểm thân dao động đồ hay điểm tiếp tuyến dao động đồ Sau đếm số giao điểm, ví dụ nh− giao điểm với đ−ờng cắt ngang n, giao điểm với đ−ờng cắt dọc m Nếu fx đ−ợc đ−a vào cặp phiến làm lệch ngang, fch đ−ợc đ−a vào cặp phiến lệch dọc, tỷ số giao điểm tỷ số hai tần số:

H×nh 4-12

n m f

f

ch x =

do đó:

ch

x f

n m

f = (34)

Muốn biết xem tần số lớn hơn, so sánh xem n m số lớn Nếu n (số giao điểm với đờng cắt ngang) lớn m (số giao điểm với đờng cắt dọc), có nghĩa là: khoảng thời gian, tia điện tử dịch chuyển theo trục dọc (biểu thị n điểm cắt với cát tuyến ngang), bé dịch chuyển theo trục ngang (biểu thị m điểm cắt với cát tuyến dọc) Nh vậy, tần số điện áp đa vào cặp phiến lệch dọc bé tần số điện áp đa vào cặp phiến lệch ngang

Trong hình vẽ 4-12, fx đa vào cặp phiến lệch ngang, fch đa vào cặp phiến làm lƯch däc: n=2 vµ m=4 VËy fx = 2fch

Song để tránh sai số, th−ờng ng−ời ta khơng lấy quan hệ tần số nh− vậy, tần số máy gần với tần số máy th−ờng sinh hiệu ứng lơi kéo tần số Hiện t−ợng làm cho tần số nguồn trùng với tần số nguồn kia, chúng sai khác Nh− vậy, phép đo có sai số, trị số sai số lớn dải lôi kéo tần số rộng

Ph−ơng pháp đo so sánh tần số dao động đồ litxagiu ph−ơng pháp thông dụng dao động ký dùng để đo tần số ph−ơng pháp dùng điện áp quét tia điện tử ống tia dao động ký điện áp có dạng điều hồ

H×nh 4-13

Ngồi ra, cịn có ph−ơng pháp quét tròn quét đ−ờng thẳng để đo tần số dao động ký

Khi đo so sánh ph−ơng pháp qt trịn (hay elíp), điện áp chuẩn dùng để so sánh đ−ợc đ−a qua di pha đ−a vào hai đầu dao động ký nh− hình 4-13 Hai đầu vào có điện áp lệch pha 900 Trên sóng dao động ký có dao động đồ hình trịn hay elíp Thời gian để tia điện tử quét thành vịng trịn chu kỳ điện áp mẫu Điện áp cần đo đ−ợc đ−a tới cực điều chế ống tia điện tử dao động ký, có tác dụng điều chế độ sáng ống tia Nếu tần số chuẩn tần số cần đo dao động đồ có phần nửa tối phần nửa sáng nh− hình 4-14a Nếu tần số cần đo lớn tần số mẫu dao động đồ có dạng hình đứt nét nh− hình 4-14b Số l−ợng đoạn tối hay đoạn sáng n tỷ số hai tần số

ch x

f f

n = ; (fch tần sè chuÈn)

Khi fx fch bội số nhau, dao động đồ đứng n, cịn khác với điều kiện dao động đồ khơng tạo thành đoạn đứt nét không đo l−ờng đ−ợc

Nếu tần số cần đo thấp tần số chuẩn, phải đ−a điện áp vào dao động ký ng−ợc với tr−ờng hợp Lúc ta có:

x ch

f f n =

Tr−ờng hợp đ−a điện áp cần đo vào anốt hai (tức anốt tăng tốc) ống tia điện tử, độ nhạy ống thay đổi tuỳ theo phần chu kỳ d−ơng hay phần chu kỳ âm điện áp cần đo Lúc dao động đồ có dạng nh− hình 4-14c Số l−ợng múi lồi lõm dao động đồ tỷ số hai tần số cần đo tần số mẫu

Khi đo so sánh ph−ơng pháp quét đ−ờng thẳng, điện áp cần đo đ−ợc đ−a vào đầu vào cặp phiến làm lệch đứng Tần số qt đ−ờng thẳng (khơng có đồng bộ) phát sóng qt, đ−ợc điều chỉnh biến đổi phía có điện áp đo, tần số cần đo tần số quét

Ph−ơng pháp đo tần số cách quét đ−ờng thẳng th−ờng dùng cần chuẩn lại tần số quét Ph−ơng pháp đo cịn đạt đ−ợc độ xác cao đ−a thêm điện áp khắc độ thời gian vào cực điều chế ống tia điện tử Điều chỉnh để điểm khắc độ dao động đồ (cũng tức điểm khắc độ tạo thành đ−ờng thẳng song song với trục hồnh), ta có tần số điện áp cần đo bội số tần số điện áp khắc độ (hình 4-15)

Hình 4-15

4.3.2 So sánh phơng pháp ngoai sai

Nguyên lý ph−ơng pháp so sánh tần số đo với tần số có độ ổn định cao nguồn tần số dùng làm chuẩn để so sánh (bộ tạo dao động ngoại sai)

H×nh 4-16

ngoại sai fng Đầu biến tần có tần số phách Fph, hiệu fx fng Biến đổi tần số ngoại sai đạt tới trị số fx=fng Fph=0 Khi khơng cịn tần số phách (Fph=0), đ−ợc xác định phận thị Bộ phận thị đ−ợc dùng ống nghe, đèn thị hay đồng hồ chỉnh l−u chất rắn

Hình 4-17 biểu thị quan hệ tần số Fph fng dùng phận thị ống nghe Vì sinh lý tai ng−ời, nên phát đ−ợc tần số thấp 20Hz, mà có khoảng tần số khơng nghe rõ từ fng1 đến fng2 Khi fx bằng:

2 f f

fx = ng1+ ng2

Sai số trờng hợp giảm xuèng tíi 2-4Hz

Khi tần số fx gần tần số fng, có khả xuất hiện t−ợng lơi kéo tần số; sai số lại tăng lên Để giảm bớt sai số này, th−ờng dùng ph−ơng pháp phách hai lần

Hình 4-18 sơ đồ khối tần số-mét kiểu ngoại sai có thực phách hai lần Đầu biến tần có tần số F=fng-fx nằm băng tần số ngoại sai thứ hai Đầu biến tần thứ hai có xuất tần số hiệu Fph =F-fng Biến đổi ngoại sai thứ hai Fng đạt tới cân F=Fng (Fph=0) Do đó:

H×nh 4-17

fx=fng-F

Nh−ng tr−ờng hợp cịn là: fx=fng+F đó, đầu biến tần thứ có tần số: F=fx-fng Nh− cần thiết phải đo hai trị số tần số fng (bằng cách điều chỉnh tần số fng), tức là:

fx=fng1 - F vµ:

fx=fng2 + F ±∆F Do đó:

2 F

f f

ở đây, ∆F dịch chuyển tần số không ổn định ngoại sai thứ hai q trình đo Muốn giảm ∆F, cần phải có ngoại sai thứ hai thật ổn định

Nh− nói phần trên, đo tần số ph−ơng pháp ngoại sai cần có tạo dao động điều chuẩn tần số liên tục với trị số nhỏ đ−ợc Thực đ−ợc tạo dao động điều chuẩn tần số đ−ợc nh− đồng thời lại có độ ổn định tần số cao

vấn đề khó Do đó, phần nhiều cấu tạo thiết bị th−ờng dùng hai tạo dao động Một điều chỉnh nhỏ tần số với thang khắc độ đ−ờng thẳng dùng làm ngoại sai Còn thứ hai có độ ổn định tần số cao, có phổ tần số xác định (phổ tần số bội tần số phân nhỏ tần số thạch anh chuẩn) dùng để chuẩn cho thứ Phép đo đ−ợc thực ph−ơng pháp nội suy

H×nh 4-19 H×nh 4-18

Sơ đồ khối tần số-mét ngoại sai có cấu tạo theo ph−ơng pháp nh− hình 4-19 Đầu tiên, điện áp tần số cần đo fx điện áp ngoại sai nội suy đ−ợc đ−a vào biến tần Khi đó, với phách không, ta ghi lại trị số đọc thang khắc độ ngoại sai nội suy (hình 4-20), với độ khắc αx Sau đó, tắt điện áp có tần số fx mà đ−a vào biến tần điện áp thạch anh chuẩn Tại hai phía độ khắc αx ngoại sai nội suy xác định hai lần đo với phách khơng cho sóng hài bậc n: (fn), bậc n+1: (fn+1) thạch anh chuẩn Ta lại ghi lại hai trị số đọc thang khắc độ này, αn αn+1 Nếu thang độ ngoại sai dùng để nội suy đ−ờng thẳng, lập đ−ợc đồ biểu nh− hình 4-20 Tại đó, có kẻ đ−ờng thẳng nội suy nối hai điểm đo tính đ−ợc fx theo αx Ta có tỷ số:

n n n x n n n x f f f f α − α α − α = − − + + đó: ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ α − α α − α + =

+1 n

n n x a t

x f n

f (35)

Trong đó, ft.n tần số thạch anh chuẩn Cơng thức (35) có đ−ợc với biến đổi: fn=nft.n fn+1=(n+1).ft.a Cơng thức cho phép tính đ−ợc tần số cần đo, nh− ta biết đ−ợc thứ bậc tần số đo, nh− xác định đ−ợc trị số n

Sau đây, ta ví dụ phân tích nguyên lý đo tần số-mét thực tế, đại diện cho ph−ơng pháp đo ngoại sai này, đ−ợc biểu diễn sơ đồ khối nh− hình 4-21 Các số liệu trị số cụ thể ví dụ để diễn giải q trình đo

ở mạch đo có ngoại sai điều chỉnh sơ để xác định sơ đ−ợc tần số tín hiệu cần đo Ví dụ tần số mét đo đ−ợc tần số khoảng từ 100-1000MHz; ngoại sai điều chỉnh sơ có tần số biến đổi khoảng giới hạn từ 100 đến 300MHz có độ xác ±2MHz Nh− vậy, từ 300MHz trở lên phép đo đ−ợc thực cách so sánh với thành phần sóng hài Vì dải tần ngoại sai điều chỉnh sơ bé dải tần số đo nhiều, nên đo cách so sánh trị số tần số đo với tần số ngoại sai Do đó, phép đo cần phải sơ biết tr−ớc (một cách gần đúng) trị số tần số cần đo với sai số vào khoảng 1% Điều đ−ợc thực cách dùng loại tần số-mét khác bên cạnh tần số ngoại sai, để xác định sơ đ−ợc fx Do vậy, tần số mét kiểu ngoại sai th−ờng đ−ợc dùng phép đo tổ hợp

Quá trình đo tiến hành nh− sau: Đầu tiên bật điện cho ngoại sai điều chỉnh sơ làm việc; độ ổn định tần số đạt yêu cầu rồi, ví dụ khoảng 3.10-5, điều chỉnh ghi lại tần số để xác định bậc sóng hài tần số đo Bậc sóng hài bằng:

s ng

x

f f n=

(ở đây, fng.s tần số ngoại sai ®iỊu chØnh s¬ bé)

Sau đó, đ−a tới biến tần điện áp ngoại sai điều chỉnh sơ ngoại sai điều chỉnh xác Ví dụ ngoại sai điều chỉnh xác có dải tần từ 18.5 ữ22.5MHz Do vậy, phách không nhận đ−ợc phách tần số ngoại sai điều chỉnh sơ phân l−ợng sóng hài ngoại sai điều chỉnh xác Để đo đ−ợc, phải dùng phân l−ợng sóng hài từ bậc đến bậc 15 Sau đó, xác định thứ tự bậc sóng hài ngoại sai điều chỉnh xác theo tần số ngoại sai điều chỉnh sơ Bậc thứ tự sóng hài bằng:

ch ng

s ng

f f m=

ở đây, fng.ch tần số ngoại sai điều chỉnh xác

Bộ ngoại sai điều chỉnh xác đợc chuẩn hoá phát sóng chuẩn thạch anh (Ví dụ thạch anh có tần số 1.000kHz, 100kHz 10kHz)

B iu chnh nội suy tụ điện có khắc độ để điều chỉnh nhỏ phụ thêm Điều chỉnh phận để có phách khơng, ghi lại trị số fn thang khắc độ để tính fx

Bộ thị phách không đèn thị ống nghe Nh− vậy, tần số cần đo fx đ−ợc tính theo cơng thức

fx=n.m(fnc.ch+fn)

Giả sử sơ xác định đ−ợc tần số fx 925MHz Q trình đo ta có số liệu đọc đ−ợc là: fng.s=230MHz; nh− có nghĩa là:

4 230 925 f

f n

s ng

x = ≈

=

12 25 , 19

230 f

f m

ch ng

s

ng = ≈ =

Trị số tần số đọc đ−ợc thang độ phận điều chỉnh nội suy là: fn=7,4kHz Nh− vậy, fx có trị số xác bằng:

fx=n.m(fng.ch+fn)=4.12(19,5+0,0074)=924,3552MHz

VÝ dơ, nÕu sai số cho phép máy đo 5.10-6, kết đo fx là: fx= (924,35520,005)MHz

4.3.3 o tần số ph−ơng pháp đếm xung

Tần số-mét cấu tạo theo ph−ơng pháp đếm có sơ đồ nh− hình 4-22 Nó bao gồm khối chính: mạch vào, phận tạo dạng xung, tạo xung có thời gian chuẩn, phận điều khiển, chọn xung theo thời gian đếm xung

1 Bé t¹o d¹ng xung

Tần số cần đo fx qua mạch vào đến tạo dạng xung Bộ có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu điện áp điều hồ thành dạng tín hiệu dạng xung có tiêu yêu cầu cần

thiết biên độ, độ rộng, s−ờn đỉnh Các xung có cực tính có chu kỳ lặp lại chu kỳ điện áp điều hồ cần đo fx

Hình 4-22

2 Bộ tạo xung có thêi gian chuÈn

3 Bé ®iỊu khiĨn

Thiết bị làm nhiệm vụ điều khiển trình đo Cụ thể làm hai chức năng: tạo chu trình thời gian “mở cửa” “xoá”, để đ−a đếm trạng thái ban đầu

H×nh 4-23

Mạch tạo chu trình thời gian mở cửa có cấu tạo ví dụ nh− hình 4-23 Các xung đến đầu vào 01 mạch tạo chu trình thời gian mở cửa xung lấy từ đầu phân tần tạo xung thời gian chuẩn Nếu muốn tạo chu trình thời gian mở cửa khác nhau, tần số đ−a tới khác Các xung phải có biên độ dấu định (nh− mạch 4-23 cỏc xung õm)

Nguyên lý làm việc mạch là:

Ban u T1 trng thái “1” T2 trạng thái “0” Xung âm từ phân tần đ−a tới đồng thời hai đầu vào 01 02 hai trigơ Xung khơng gây tác động lên T2 (vì T2 trạng thái “0”), nh−ng lại tác động trực tiếp lên T1, làm cho T1 chuyển sang trạng thái “0” Khi đó, đầu A11 có đột biến âm, thông qua mạch vi phân CR lại tác động tới T2 qua đầu vào 12, làm cho T2 chuyển trạng thái từ “0” sang “1” Lúc đầu A12 có đột biến d−ơng, s−ờn tr−ớc xung mở cửa, đ−ợc đ−a tới đầu vào 11 chọn xung theo thời gian (hình 4-22)

Xung âm thứ hai từ phân tần tiếp tục tới đầu vào 01 02 hai trigơ Xung không làm thay đổi trạng thái T1, nh−ng lại làm thay đổi trạng thái T2 từ “1” “0” Đầu A12 có đột biến âm, s−ờn sau xung “mở cửa” Nh− sau hai xung từ phân tần đến kích động, đầu A12 có xung “mở cửa” khoảng thời gian hai xung kích thích Lúc T1 T2 trạng thái “0”, chúng giữ nguyên trạng thái thiết bị điều khiển cho xung âm tới đầu vào 11 T1, làm cho T1 chuyển trạng thái ban đầu Quá trình lại chuẩn bị để bắt đầu hình thành chu trình thời gian mở cửa khác

Nh− vậy, nguyên lý cơng tác tần số-mét có sơ đồ khối nh− hình 4-22 nguyên lý đo tần số ph−ơng pháp đếm rời rạc Trong đó, tần số cần đo fx có dạng hình sin đ−ợc đ−a qua mạch vào đến tạo dạng xung Qua này, tín hiệu hình sin đ−ợc biến đổi thành tín hiệu dạng xung có tần số (hình 4-24) Những xung đ−ợc đ−a vào chọn xung tới đếm khoảng thời gian t−ơng ứng xung mở cửa Nghĩa là, chọn xung theo thời gian cho xung qua đếm “cửa thời gian” bắt đầu mở, ngăn xung lại không cho qua, “cửa thời gian” bắt đầu đóng, (xem hình 4-25) Nh− vậy, mạch chọn xung nh− mạch “Và”, có hai đầu vào đầu Chỉ hai đầu vào I II có tín hiệu, đầu có tín hiệu

Số xung qua chọn xung, đ−ợc đếm xung ghi lại Nh− vậy, tần số fx cần đo bằng:

ch x

T n f

∆ =

Trong đó, n s lng xung m;

Tch khoảng thời gian më cưa, cịng chÝnh b»ng chu kú cđa bé t¹o xung thêi gian chuÈn

Vì fch biết, nên kết thị số đếm trực tiếp biểu thị đại l−ợng tần số

Sai số ph−ơng pháp đo chủ yếu sai số khoảng thời gian chuẩn, tức độ ổn định tần số tạo tần số chuẩn Ngồi ra, cịn có sai số khơng đồng xung mở cửa xung đếm, nh− sai số số l−ợng xung đếm đ−ợc sai

H×nh 4-25

xung đếm đ−ợc Vì tần số cao, số l−ợng xung đếm đ−ợc nhiều, nên việc tăng hay giảm bớt xung sai số đo khơng đáng kể Song tần số thấp điều lại trở thành đáng kể

Để giảm sai số này, th−ờng dùng cách tăng thời gian đo, có nghĩa thời gian mở cửa ∆Tch phải lớn Song nh− ch−a giải đ−ợc, thời gian đo phải lâu Nên ph−ơng pháp chủ yếu dùng để đo tần số thấp đo chu kỳ tín hiệu cần đo

Nguyên lý ph−ơng pháp đo chu kỳ điện áp có tần số cần đo (cũng ph−ơng pháp đo khoảng thời gian), đ−ợc trình bày nh− sơ đồ khối hình 4-26

H×nh 4-26

Cách đo Tx ng−ợc lại với cách đo fx trình bày Trong đó, khoảng thời gian ch−a biết Tx, (hay ∆Tx); Tch chu kỳ xung chuẩn biết (hình 4-27) Nh− ta có:

Tx=nTch (37)

và đó:

n f

fx = ch (38)

ở đây, fch tần số tạo xung chuẩn Những −u điểm phép đo tần số ph−ơng pháp đếm (ph−ơng pháp rời rạc hố tín hiệu đo) là: ph−ơng pháp có độ xác cao; (về độ xác, đ−ợc xếp vào loại hàng đầu ph−ơng pháp đo tần số) Ph−ơng pháp cịn có khả đo đ−ợc tần số thấp, đến vài Hz Về giới hạn tần số cao đo đ−ợc ph−ơng pháp cịn bị hạn chế, khả chuyển biến trigơ đếm Giới hạn tần số cao đo đ−ợc

4.4 Đo khoảng thời gian

4.4.1 Máy đếm điện tử

Các thiết bị đo số dùng để đo thông số tín hiệu nh−: Tần số mét số, pha-mét số, loại máy đo số dùng để đo thông số mạch điện nh−: đo điện dung, điện trở, đo hệ số phẩm chất, đo tổn hao, hầu nh− có chung phận sở máy đếm điện tử thị số

1 Cấu tạo sơ đồ khối

H×nh 4-28

Máy đếm điện tử dùng để đo tần số nh− hình 4-28 Nguyên lý ph−ơng pháp đo nh− hình 4-29

Chu kỳ tín hiệu dạng sin cần đo Tx đ−ợc đem so sánh với chu kỳ tín hiệu chuẩn Tc, mà đ−ợc coi nh− đơn vị thời gian cần đo ch−a biết đ−ợc biến đổi thành số số l−ợng xung đếm đ−ợc m Do đó:

c c x

F m T m

T = =

Hình 4-29 2 Các nguồn gây sai số thiết bị đếm điện tử

Có ba nguồn sai số chủ yếu cần quan tâm thiết bị đếm điện tử là: sai số nguồn tín hiệu chuẩn; sai số flip-flop sai số mạch cửa tín hiệu khơng đồng

a Sai số nguồn tín hiệu tần số chuẩn, nguồn tạo dao động tần số chuẩn có tần số khơng ổn định Nó xác định tần số sau chế tạo chuẩn tần số cho thiết bị Khi đo tần số cao sai số t−ơng đối đáng kể

b Sai số flip-flop sai số tri-gơ đ−ợc sử dụng thiết bị nh− tri-gơ mạch cửa, tri-tri-gơ mạch điều khiển, tri-tri-gơ mạch đếm

Vì điện áp tín hiệu bị điện áp nhiễu tác động, nên thời điểm mà tri-gơ chuyển biến trạng thái bị xê dịch cách ngẫu nhiên, t−ơng ứng với xê dịch thời điểm điện áp tín hiệu v−ợt qua mức Do vậy, độ dài xung cửa tạo flip-flop khác với chu kỳ Tx tín hiệu cần đo, nên gây sai số đếm xung

c Bản thân tín hiệu cịn nguồn gây sai số không đồng xung cửa xung đếm Trong khoảng thời gian độ rộng xung cửa làm cho số l−ợng xung đếm đ−ợc lớn hay bé xung đếm so với trị số tr−ớc, tuỳ thuộc vào thời điểm đóng mở cửa xung Sai số bằng: ∆T=±Tc, đ−ợc gọi sai số ±1 xung

Sai số sai số ph−ơng pháp đo ph−ơng pháp số hố gây ra, sai số ph−ơng pháp, có tính chất ngẫu nhiên, ta khơng thể loại bỏ hồn tồn, mà có khả nghiên cứu để làm giảm tối thiểu đây, ta ý đến loại sai số này, đặc biệt riêng cho loại thiết bị đo số

3 Giảm nhỏ ±1 xung đếm

Để làm giảm nhỏ loại sai số ±1, không đồng xung mở cửa xung đếm, thực cách sau:

-Tăng tần số chuẩn Nh− vậy, kết đếm m ± có m>>1 Song biện pháp

lại bị giới hạn tốc độ đếm, làm cho thiết bị đo thêm phức tạp cấu tạo tăng giá thành

-Tăng chu kỳ xung tín hiệu đo q.Tx Thực biện pháp cách biến đổi tín hiệu cần đo thành dãy xung có chu kỳ Tx; sau đó, tiếp tục chia cho q chia tần, có dãy xung có chu kỳ q.Tx Tần số xung chuẩn đ−ợc giữ nguyên, nên sai số ±1 xung giống đo với chu kỳ Tx Do đó, tác dụng số ±1 xung đếm bị giảm q lần

Vấn đề tăng thời gian tác dụng kéo theo giảm cách tỷ lệ tác dụng sai số sai số tri-gơ Tuy nhiên, biện pháp bị giới hạn

Hai ph−ơng pháp đ−ợc thực sử dụng tần số-mét thị số để đo tần số tr−ờng hợp tần số cần đo tần số thấp Sự giới hạn ph−ơng pháp khả cấu tạo thiết bị đo, khả tạo tần số chuẩn

Một ph−ơng pháp để giảm nhỏ sai số ±1 “ph−ơng pháp đếm nội suy” Hình 4-30 giản đồ thời gian để minh hoạ nguyên lý ph−ơng pháp đo

ở đây, cần đo đ−ợc hai phần chu kỳ không đồng tạo nên, s−ờn xung bắt đầu tín hiệu xung cửa với xung đếm thứ xung đếm cuối với s−ờn xung kết thúc xung cửa

Hình 4-30a khoảng cách xung bắt đầu xung kết thúc, khoảng thời gian cần đo ∆Tx, độ rộng xung cửa tín hiệu

Tx=m0Tc + t1-t2

Nếu ta đo đợc khoảng thời gian t1 t2 chính xác có thĨ gi¶m tèi thiĨu ¶nh h−ëng cđa sai sè ±1

H×nh 4-30

Một cách thực để đo ∆t1 ∆t2 nh− sau:

số l−ợng xung đếm đ−ợc làm m1, hình 4-30f 4-30g; mà vẽ đ−ợc với thang độ thời gian t* khác đi, cho tiện vẽ quan sát Khoảng thời gian ∆t2 đ−ợc thực cách làm t−ơng tự trên, với số l−ợng xung đếm đ−ợc khoảng thời gian 1000 ∆t2 m2 Do đó, ta có:

c 1 T t 1000

m = ∆

c 2 T t 1000

m =

Thay vào trên, ta ®−ỵc:

c c x F 1000 ) m m m 1000 ( 1000 T ) m m m 1000 (

T = + − = + −

∆

Để đơn giản hơn, đặt

(1000m0+m1-m2) = m, vµ 1000Fc=F’c ta cã:

c x ' F m T = ∆

Từ kết này, ta thấy: sai số ±1 đ−ợc đo với chu kỳ xung đếm

1000 T '

Tx = c , nghĩa t−ơng đ−ơng với xung đếm có tần số cao gấp 1000 lần tần số tín hiệu chuẩn Fc

Để minh hoạ, ta xét ví dụ cụ thể Giả sử ta cần đo chu kỳ Tx =100às với thiết bị số có xung đếm với tần số chuẩn Fc =10MHz Nh− sai số ±1 tính theo giá

trị sai số tuyệt đối là:

∆T=±Tc = ±0,1µs

và trị số sai số t−ơng đối sai số ±1 là:

001 , m T T x c

r ⎟=

⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ± = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ± =

δ hay 1%

Nếu với xung đếm nh− trên, để đo chu kỳ Tx =1,5às sai số tuyệt đối ±1 xung đếm bằng:

Trị số sai số tuyệt đối có tính độc lập với chu kỳ xung cần đo Tx, song trị số sai số t−ơng đối lớn hơn:

δr = 0,2 = 20%

Nếu thực ph−ơng pháp đo nội suy, mà dùng xung đếm có tần số nh− trên, Fc = 10MHz, để đo chu kỳ Tx = 0,5às, sai số t−ơng đối 0,0002; nghĩa 0,02%, 20% nh− Nh− vậy, muốn đạt độ xác nh− trên, với ph−ơng pháp đo trực tiếp, ta phải dung tần số chuẩn phải có tần số đếm 10GHz, đếm phải có tốc độ đếm cao nhiều

4.4.2 Bộ đếm thiết bị đo số

Bộ đếm thiết bị đo số đ−ợc sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực khác nhau, thiết bị điều khiển, máy tính, Trong máy đo, th−ờng dùng để phân chia tần số; biến đổi tự động t−ơng tự-số số-t−ơng tự, điều khiển thiết bị làm việc theo ch−ơng trình, thực đo đếm thị số máy đo số

1 CÊu t¹o

Trong máy đo sử dụng thơng dụng tri-gơ tĩnh, tri-gơ đóng vai trò phần tử nhớ nhị phân, phần tử nhớ có hai trạng thái cân ổn định flip-flop Mỗi trạng thái biểu thị mã số hai

Ví dụ sơ đồ cấu tạo phần tử nhớ trạng thái nh− hình 4-31a, sơ đồ ký hiệu đếm nh− hình 4-31b

Sự phân loại th−ờng dựa ph−ơng pháp làm việc phần tử nhớ Nếu làm việc tuần tự, xung tác động vào phần tử nhớ thứ nhất, phần tử lại tác động đến phẩn tử nhớ thứ hai, đếm

Nếu xung vào tác động lúc tới phần tử hệ đếm song song

Còn có cách phân loại khác:

-B đếm cộng: Cứ sau xung tác động đầu vào, dung l−ợng tăng đơn vị

-Bộ đếm trừ: Cứ sau xung tác động đầu vào, dung l−ợng bị trừ đơn vị

-Bộ đếm thuận nghịch: Bộ đếm làm việc đ−ợc hai chế độ đếm cộng đếm trừ

Trong thiết bị đo số, để diễn giải đ−ợc khả hiển thị kết đo, đếm đ−ợc trình bày theo ứng dụng số đếm: Bộ đếm nhị phân đếm thập phân

a Dung l−ợng đếm: Là số xung cực đại mà đếm đếm đ−ợc Khi có K xung vào có xung ra, dung l−ợng đếm K K số trạng thái có đếm

ở đếm số 2: K=2n, n số hàng ô đếm đếm số 10: K=10n, n số hàng ô đếm 10

b Tốc độ đếm: Đ−ợc xác định tần số trung bình lớn (hay khoảng thời gian lặp lại nhỏ nhất) hệ xung đếm, mà đếm làm việc tin cậy

H×nh 4-31

Các đếm dùng thiết bị đo điện tử có tốc độ đếm cao, ≥100MHz

c Cơ số đếm: Với số liệu đ−ợc xử lý biểu thị kết đo giá trị số Một số đ−ợc biểu diễn theo cách khác cách xếp chữ số chữ

h: Cơ số đếm a: Trọng số

n: ChØ số hàng số số

Thờng cách viết số kết đo đợc thực cách bỏ h luỹ thừa dấu + nên N sÏ cã d¹ng nh− sau:

N(h)=an-1an-2 ai a1a0

a Hệ đếm nhị phân

Hệ đếm nhị phân hay gọi hệ đếm số hệ đếm thức dùng cho kỹ thuật số thiết bị đo số

Hệ đếm nhị phân dùng hai ký tự “0” “1”

Trong số, hàng số đứng bên trái gấp lần số hàng đứng bên phải kề

N(2)=an-12n-1+ a n-22

n-2+ a i2

i+ a 12

1+ a 02

0

VÝ dô:

10110= 1.24+ 0.23+ 1.22+1.21+ 0.20=21 10 11,01= 1.21+ 1.20+ 0.2-1+1.2-2=3,25

10

b Hệ đếm thập phân

Hệ đếm thập phân hệ đếm đ−ợc dùng thông th−ờng đời sống để biểu thị kết đo Hệ đếm thập phân dùng m−ời ký tự, gồm số 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, Trong số, hàng số đứng bên trái có giá trị gấp 10 lần trị số số đứng bên phải kề (cùng ký tự)

VÝ dô:

1997 = 1.103+ 9.102+ 9.101+7.100 0,195 = 1.10-1+ 9.10-2+ 5.10-3

c Hệ đếm số

Hệ đếm số cách viết chuyển từ hệ số cho tiện lợi Hệ đếm số dùng ký tự 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, Trong số, số bên trái có giá trị gấp lần số bên phải kề với

VÝ dơ

512(8)=5.82+4.81+2.80=354

Vì số hệ số 111 hệ đếm số 2, nên số trọng hệ đếm số 2, nên số hệ đếm số muốn đổi sang hệ số việc nhóm số lại, thay số hệ số

VÝ dô:

1 110 100 010 101 (2)=16425(8)

d Hệ đếm số 16

Hệ đếm số 16 sử dụng 16 ký tự : 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F Hệ đếm th−ờng đ−ợc gọi hệ hexa (Hexadecimal system)

Trong số, số đứng bên trái có giá trị gấp 16 lần giá trị số bên phải kề với Để số Hexa, ng−ời ta th−ờng dùng chữ H tr−ớc sau số

VÝ dơ

15H = 1.161+5.160 = 21 (10)

F0H=15.161+0=240

(10)

Vì chữ số 15 (chữ F) hệ số 16 1111 hệ số 2, đó, đổi số nhị phân sang số Hexa cách nhóm số lại với Ví dụ

1111 0110 1110 0011=F6E3(16)

Nh− byte chứa số Hexa, số lớn t−ơng ứng FFh =255 Thiết bị đo số không trực tiếp thị hệ số hay hệ số 16, song quan hệ chúng rút ngắn số ký hiệu, với số lớn Với thiết bị đo có cài đặt, sử dụng microprocessor, dạng số nhị phân, số 8, số hexa th−ờng dùng để xử lý bên trong, thể bên ngồi dùng hệ số đếm thập phân Do phải thực chuyển đổi mã Mã thông th−ờng đ−ợc sử dụng BCD (Binary Coded Decimal)

2 Bộ đếm nhị phân

Bộ đếm nhị phân th−ờng gồm nhiều mạch tri-gơ nối tiếp Trong thiết bị đo l−ờng số, th−ờng dùng đếm nhị phân để: chia tần, cấu tạo chia thời gian thiết bị đo nhiều kênh; thực chuẩn tỷ lệ thang đo với số (ví dụ máy đo độ di pha, cần chuẩn tần số đếm bội 360, )

a Ví dụ đếm cộng

Sơ đồ đếm cộng hình 4-32

H×nh 4-32

Dung l−ợng đếm K=24 =16 Bộ đếm có 16 trạng thái ổn định khác nhau, để biểu diễn 16 số theo mã số với từ mã bit (từ 0000 đến 1111)

b Ví dụ đếm trừ

Hình 4-33 Sơ đồ đếm trừ nh− hình 4-33

c Ví dụ đếm thuận nghịch

Sơ đồ đếm thuận nghịch nh− hình 4-34

Bộ đếm thực theo cách cộng thực theo cách trừ

Sơ đồ nh− hình 4-34 tổ hợp hai đếm phát xung chuyển song song để thực đếm cộng đếm trừ

Một ví dụ ứng dụng nh− máy đo di pha thị số Dùng đếm thuận nghịch khơng phụ thuộc gốc thời gian (pha đầu) hai dao động cần đo di pha; đồng thời có khả loại bỏ sai pha sinh hai kênh tín hiệu có di pha khơng đồng

Hình 4-34 3 Bộ đếm thập phân

Trong kỹ thuật đo l−ờng phải dùng đếm thập phân lý đơn giản từ tr−ớc tới nay, ng−ời quen với sử dụng số 10 đo đếm

Hệ đếm nhị phân có −u điểm là: thực dễ dàng phép tính logic cấu tạo dễ, khuyết điểm hệ số hàng số (độ dài từ mã) nhiều không thuận tiện cho việc đọc kết đo Do vậy, cần phải thực biến đổi kết từ việc hiển thị hệ số sang hệ 10

Có hai ph−ơng pháp thực cấu tạo đếm thập phân chủ yếu:

- Dùng phần tử có 10 trạng thái ổn định Ví dụ đèn có khí Decatron; đếm vịng 10 trạng thái,

- Dùng cách mắc nối tiếp mạch đếm nhị phân có thực phản hồi

a Bộ đếm vòng

H×nh 4-35

Mỗi xung đ−ợc đ−a vào đồng thời tất tri-gơ đếm Song có tri-gơ T0 (ví dụ dùng trạng thái logic 1) bị tác động, tất tri-gơ T1 ữT9 (ví dụ dùng trạng thái logic 0) khơng bị tác động T0 đổi trạng thái lại tạo xung tác động tới T1 làm T1 lật trạng thái Q trình đ−ợc ghi dịch nh− có xung đếm tác động vào

b Ph−ơng pháp cấu tạo đếm thập phân cách dùng chuỗi đếm nhị phân có hồi tiếp

Cách tổ hợp: Khi mắc nối tiếp n tri-gơ (ô đếm nhị phân) dung l−ợng đếm K=2n Vậy muốn xây dựng đếm có Kđ ≠2n cần giảm bớt trạng thái ổn định đếm K=2n (K

® < K =2 n)

Do vậy, số ô đếm (số bit) đếm có số đếm Kđ là: Do vậy, số ô đếm (số bit) đếm có số đếm Kđ là: n ≥ log2Kđ, n phải số nguyên

n ≥ log2Kđ, n phải số nguyên Số l−ợng trạng thái ổn định phải giảm là: Số l−ợng trạng thái ổn định phải giảm là:

m=2n - K

®

m=2n - K

®

Biểu diễn m d−ới dạng mã số nhị phân với số bit mã n sau dùng phản hồi để giảm trạng thái

Biểu diễn m d−ới dạng mã số nhị phân với số bit mã n sau dùng phản hồi để giảm trạng thái

Ví dụ: Xây dựng đếm thập phân Kđ = 10 Ví dụ: Xây dựng đếm thập phân Kđ = 10 Số l−ợng tri-gơ (ô đếm nhị phân) là:

Số l−ợng tri-gơ (ô đếm nhị phân) là:

n ≥ log210 = 3,4 Lấy số nguyên 4, n=4 n ≥ log210 = 3,4 Lấy số nguyên 4, n=4 Số l−ợng trạng thái ổn định cần phải giảm bớt

Số l−ợng trạng thái ổn định cần phải giảm bớt m=24 - 10 = 16 - 10 =6

m=24 - 10 = 16 - 10 =6

Nh− vậy, tín hiệu từ hàng bit già đ−a phản hồi phải đảm bảo ghi tr−ớc vào đếm số 0110

VÝ dơ m¹ch thùc hiƯn nh− h×nh 4-36

H×nh 4-36

Mạch đếm có thực phản hồi để thiết lập trạng thái cho T2 T3, trạng thái đầu đếm; đầu xoá đ−ợc tổ hợp để đạt đ−ợc trạng thái

Có thể giải thích đếm đồ thị trạng thái nh− bảng 4-1

Ban đầu có trạng thái 0110 Đầu tri-gơ B1, B2, B3, B4 có xung chuyển tri-gơ tơng ứng chuyển trạng thái từ →

Với cách tổ hợp mạch nh− trên, mã số ghi nhớ đếm khơng với mã số biểu thị số xung đếm đầu vào

Một ví dụ khác đếm, đ−ợc tổ hợp theo ph−ơng pháp trên, nh−ng ghép nối với đầu A đầu B tri-gơ đếm nh− hình 4-37

Hình 4-37

Trạng thái ban đầu tri-gơ cha có xung vào 000 Khi tri-gơ chuyển trạng thái từ 01 đầu A có xung chuyển ghép sang tri-gơ khác Khi tri-gơ chuyển trạng thái từ 10 đầu B có xung chuyển ghÐp ®i

Cách tổ hợp đếm loại có tình trạng mã số trạng thái tri-gơ không phù hợp với mã số viết theo số biểu thị số xung đếm đầu vào

c Ph−ơng pháp cấu tạo đếm thập phân có biến đổi trạng thái theo mã số bậc tự nhiên

Trong kỹ thuật đo l−ờng số, để thuận tiện cho việc kiểm tra, th−ờng có cách xây dựng đếm thập phân có trạng thái ghi nhớ phải t−ơng ứng với số xung đếm đ−ợc biểu diễn theo số đếm nhị phân

Thông th−ờng, ng−ời ta có hai cách tổ hợp mạch đếm loại này, cách: - Đ−a vào đếm xung, m, vào nhịp đếm cuối cùng, để đếm tràn - Cấm xung chuyển, nhịp đếm cuối

1 Ví dụ, đếm đ−ợc cấu tạo nh− cách thứ hình 4-38

Trong mạch hình vẽ 4-38, mạch “Và” thơng T4 T1 trạng thái Mạch đếm làm việc ghi nhớ trạng thái bình th−ờng từ xung đến xung thứ Trạng thái hết xung đếm thứ 1001, mạch “Và” sẵn sàng thơng

H×nh 4-38

Khi có xung thứ 10, T1 bị tác động chuyển trạng thái từ 1→0; đầu B1 có xung chuyển qua, “Hoặc1” tác động chuyển T2 từ trạng thái 0→

Tín hiệu xung 10, qua “Và” vào dây chậm (điều chế 1), qua “Hoặc 1” tác động T2 làm T2 chuyển trạng thái từ 0→1; đầu B2 có xung chuyển, tác động T3 qua “Hoặc 2” làm T3 chuyển từ trạng thái 0→1

Khi T3 xác lập trạng thái 1, tín hiệu qua điều chế 2, qua “Hoặc 2” lại chuyển T3 từ trạng thái từ 1→0; đầu B3 có xung chuyển tác động lên T4 làm T4 chuyển trạng thái từ 1→0

Nh− sau 10 xung đếm, trạng thái đếm là: 0000 Điều kiện yêu cầu để đảm bảo tin cậy là: τVA<τđảo tri-gơ<τDC

2 Ví dụ đếm đ−ợc cấu tạo cách cấm xung chuyển nhịp đếm cuối nh− hình 4-39

H×nh 4-39

4.4.3 Bộ giải mà thiết bị đo số 1 C«ng dơng

Khi thiết bị đo số làm việc, đầu đếm dãy số nhị phân Để tiện lợi cho việc quan sát đọc kết đo, cần phải chuyển đổi thành dãy số thập phân đ−ợc đ−a tới thiết bị thị để hiển thị kết đo đ−ợc Đó nhiệm vụ giải mã

Tuú theo cách hiển thị, thể chữ số hệ số 10, mà có cấu tạo giải m· kh¸c

Khi thị dùng đèn số ( đèn có khí, có 10 catốt ứng với 10 số hệ thập phân anốt), hay đèn nêon, tổ hợp điốt, tinh thể lỏng , đèn báo đ−ợc bố trí theo kiểu vị trí giải mã loại “giải mã 2-10” Bộ giải mã có cấu tạo đầu vào 10 đầu

Khi thị dùng kiểu tổ hợp hay điểm để thể chữ số: đầu 10, mà tuỳ thuộc số phần tử hay điểm dùng để tổ hợp Bộ giải mã có tính chun dụng, loại “giải mó chuyờn dng

2 Cấu tạo giải m 2- 10

a Sơ đồ logic

Sơ đồ giải mã 2-10 nh− hình 4-40

Mỗi tri-gơ có trạng thái ổn định "1" "0", đ−ợc biểu thị giá trị biến logic Nh− vậy, có biến logic (x1, x2, x3, x4), với xj=0 hay xj=1 Bộ giải mã có 10 hàm trạng thái đầu z0, z1, , z9

Khi số thập phân K đ−ợc biểu diễn đầu thứ K, hàm trạng thái zk t−ơng ứng lấy giá trị "1", số thập phân K không xuất zk lấy giá trị "0"

B¶ng quan hƯ giá trị biến hàm trạng thái giải mà ứng với mà nhị phân tự nhiên, nh bảng 4-2

Hình 4-40

Bảng 4-2

x1 x2 x3 x4 z0 z1 z2 z3 z4 z5 z6 z7 z8 z9 Sè thËp ph©n

0 0 0 0 0 0 0

0 0 1 0 0 0 0

0 0 0 0 0

0 1 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0

0 1 0 0 0 0

0 1 0 0 0 0

0 1 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0

1 0 0 0 0 0

b Ví dụ xây dựng sơ đồ logic giải mã

Bảng 4-3 Các chữ số thập phân t−ơng ứng với trạng thái đếm đ−ợc biểu diễn bảng Carnaugh nh−

b¶ng 4-3

Để rút gọn hàm trạng thái zK ( K= 0, 1, 2, , 9), sử dụng ô thừa bảng, cho việc tối thiểu hoá đạt tối thiểu Ví dụ cách thực dựa cac định

lý đại số logic, có rút gọn hàm trạng thái nh− bảng 4-4

Từ biểu thức (1) đến (10) ví dụ tối thiểu hố để xây dựng mạch điện thực chức hàm logic, với giải mã cụ thể đ−ợc tiếp tục đề cập sau

c Bộ giải mà dùng ma trận đi-ốt

Trong thiết bị đo số, loại đ−ợc dùng nhiều đơn giản linh kiện, chừng mực đó, đảm bảo đ−ợc tốc độ tác động nhanh

Sơ đồ chức giải mã dùng ma trận đi-ốt cho mã 1-2-4-8, xây dựng theo ví dụ (các biểu thức đến 10) nh− hình 4-41 Trong đó, đầu (hàm zK) tín hiệu qua mạch logic mạch "Và"

Sơ đồ logic nguyên lý mạch điện thiết lập theo sơ đồ chức trên, nh− hình 4-42 Trong đó, dùng đi-ốt để cấu tạo mạch "Và" cần đi-ốt

Với mạch điện hình 4-42, chuyển mạch T tiếp xúc 1, t−ơng ứng với điện cao; T không tiếp xúc với đ−ờng dây ngang 0, t−ơng ứng với điện thấp, đi-ốt không phân cực thuận, nên điện đầu z1 dây dọc không bị ngắn mạch xuống đất

Khi ch−a tối thiểu hoá, số đi-ốt dùng để giải mã đếm n tri-gơ đếm M=n.2n Trong M=30

Bộ giải mã t−ơng đối đơn giản, song số đầu vào mạch "Và" t−ơng đối nhiều, nên làm giảm dộ tin cậy mạch

Hình 4-42

d Bộ giải mà hình tháp

Trong thiết bị đo số hay dùng giải mà hình tháp

S logic cu to để thực chức mạch điện nh− hình 4-43

Nguyên tắc cấu tạo giải mã là: tr−ớc tiên thực giải mã hai biến đó, kết đ−ợc biến (giải mã bậc 1) Sau tiếp tục giải mã biến với biến logic thứ ba (giải mã bậc 2), tiếp tục, Nguyên tắc đ−ợc mô tả theo cách thực phép toán logic nh− sau:

z=x1 x2 x3 ⎯x4= {[(x1 x2 ) x3 ]⎯x4}

Phép tính đ−ợc thực từ ngoặc đơn cùng, tiếp tục đến móc ngoặc kép

Nh− vậy, chọn biến logic cho bậc giải mã bậc thấp quan trọng, định số phần tử logic dùng cho mạch giải mã

Ví dụ: với cách tổ hợp nh− biểu thức (1) đến (10) trên, biến x2, x3, x4 xuất nhiều biểu thức cuả dãy hàm trạng thái

Do ú, cú th chn:

Giải mà bậc 1: x3 x4 Giải mà bậc 2: tiếp tục với x2

Giải mà bậc 3: lại tiếp tục víi x1

Các mạch "Và" có hai đầu vào nên độ tin cậy cao Song nh−ợc điểm tín hiệu phải qua nhiều khâu, nên tốc độ

e Bé gi¶i m· nhiỊu bËc

Sơ đồ cấu tạo mạch điện logic nh− hỡnh 4-44

Nguyên lý thực giải mà nhiều bậc đợc tiến hành nh sau:

u tiên, thực đồng thời giải mã đơi biến Sau đó, lấy đầu hai bậc giải mã bậc thấp làm đầu vào giải mã bậc cao

Sự chọn biến để tổ hợp giải mã tr−ớc sau, có định đến số l−ợng phần tử logic mạch điện

Với ví dụ dãy biểu thức hàm trạng thái (1) ữ(10) trên, thực nh− sau: Kết hợp x1 x2; đồng thời với x3 x4

So với loại giải mã hình tháp, loại có bậc thấp nên có độ tin cậy cao

H×nh 4-44

g Bộ giải mà hỗn hợp

S đồ cấu tạo nh− hình 4-45

Trên thực tế, thiết kế cấu tạo thiết bị đo số, th−ờng dùng mạch có tính chất hỗn hợp Mạch giải mã hỗn hợp cho phép giảm đáng kể số phần tử cần thiết để thực tốn tử logic, đó, mạch điện đơn giản nhiều Vì thực chất giải mã 2-10 có thực phép tốn chọn số thập phân theo tính chẵn lẻ đầu Do vậy, cần thực đếm liên tiếp đến 5, tức tổ hợp biến để đầu giải mã có đầu t−ơng ứng; sau tiếp tục giải mã hàm đầu với biến cịn lại

H×nh 4-46

VÝ dơ nh− víi biểu thức tổ hợp logic (1)ữ(10) trên, có thĨ thùc hiƯn nh− sau:

⎭ ⎬ ⎫ = = = = A 4 A x z x x x x z x z x x x x z

zA =x1x2x3

⎭ ⎬ ⎫ = = = = B 3 B 2 x z x x x z x z x x x z

⎭ ⎬ ⎫ = = = = C C 4 x z x x x z x z x x x z

zC =x2x3

⎭ ⎬ ⎫ = = = = D D x z x x x z x z x x x z

zD =x2x3

⎭ ⎬ ⎫ = = = = E E x z x x z x z x x z

zE =x1 Sơ đồ mạch điện cấu tạo nh− hình 4-46

Bộ giải mà đầu thờng ma trận đi-ốt

Bộ giải mà thứ hai (7 đầu vào, 10 đầu ra) thực đợc b»ng ma trËn ®i-èt, b»ng tranzitor, b»ng relais,

Mạch điện hình 4-46 giải mà ma trận đi-ốt 3 Cấu tạo giải m

a Sơ đồ logic

Sơ đồ giải mã nh−

h×nh 4-47

Cấu tạo giải mã gồm có đầu vào A, B, C, D đầu a, b, c, d, e, f, g Bảy đầu đ−ợc nối với LED, số LED đ−ợc bố trí mặt phẳng để tạo nên hình dáng tất chữ số Chữ số đ−ợc bố trí sáng nh− hình 4-48

Số thập phân đ−ợc biểu thị tổ hợp Bộ giải mã có đầu vào, đầu hoạt động theo bảng trạng thái bảng 4-5

Bảng 4-5

Đầu vào Đầu

Sè thËp ph©n

A B C D A b C D e f g

0 0 0 1 1 1

1 0 1 0 0

2 0 1 1 1

3 0 1 1 1 0

4 0 1 0 1

5 1 1 1

6 1 1 1 1

7 1 1 1 0 0

8 0 1 1 1

9 0 1 1 1

H×nh 4-48

b Xây dựng mạch logic cụ thể

Việc xây dựng mạch logic cụ thể đợc thực từ bảng trạng thái thị số Từ bảng trạng thái xây dựng hệ hàm trạng thái (hàm kích), từ hàm trạng thái, xây dựng mạch logic cụ thể

Có thể xây dựng phơng trình hàm trạng thái phơng pháp Carnaugh thực rút gọn

Ví dụ xây dựng phơng trình hàm kích cho đầu a từ bảng Carnaugh Bảng 4-6 rút gọn, ta có:

00 X 01 X 11 X X X X 10 X X 00 01 11 10 CD

AB

a a = A + B D + ⎯B⎯D + C D

cũng làm tơng tự, ta có: b =⎯B +⎯C⎯D + C D c = B +⎯C+ D

d =⎯B C +⎯B⎯D + C⎯D + B⎯C D e = C⎯D +⎯B⎯D

f = B⎯C +⎯C⎯D + A + B⎯D g =C⎯D +⎯BC + A + B⎯C Bảng 4-6

4.4.4 Bộ thị số 1 Phân loại

-Trong thit b o s, tu theo thời gian mà cso loại thị số sau, loại đồng thời phân loại thiết bị thị đo số

- Chỉ thị số dùng hệ thống cơ- điện, cơ- điện - quang -Chỉ thị số dùng hệ đèn sợi nung công suất bé - Chỉ thị số dùng đèn số loại có khí

- ChØ thÞ sè dïng linh kiện hiệu ứng phát quang - Chỉ thị số dùng đi-ốt phát quang (LED) - Chỉ thị số dùng linh kiƯn lµ tinh thĨ láng

Cịn ph−ơng pháp thể ký tự chữ số dụng cụ thỉ thị số kể trên, có nhiều cách: chữ số sáng đèn đ−ợc đốt sáng, chữ số đ−ợc khắc sẵn vị trí cố định với đèn panel, hay thân catốt đèn đ−ợc uốn sẵn theo hình chữ số; chữ số đ−ợc thể cách tổ hợp đèn điểm sáng hay tổ hợp đèn sáng mà đ−ợc đốt sáng đồng thời

a Bộ thị số dùng hệ thống điện

Các đại l−ợng đo đ−ợc đ−ợc biến đổi rời rạc, đ−ợc tiếp tục biến đổi thông qua thiết bị điện nh−: động điện thừa hành, động b−ớc, rơ-le điện từ, , mà tạo lực chuyển động học làm quay trống số

Mỗi trống số đ−ợc đánh số từ 0ữ9, đóng vai trị hàng hệ đếm số

Loại thị số đ−ợc dùng đầu tiên, hay dùng để đếm số vòng quay Có loại điện cải tiến hơn, có lắp thêm hệ thống chiếu sáng chữ số, loại cơ-điện-quang Hiện dùng có nh−ợc điểm:

- Tốc độ thiết lập số thấp, có quán tính lớn, khoảng 2ữ20 xung/s - Kích th−ớc cồng kếnh

- Chữ số khó đọc

b Bộ thị số dùng hệ đèn báo (đèn sợi nung công suất bé)

Hệ thống đèn báo công suất bé đ−ợc thực thị số cách thị theo kiểu vị trí hay thị theo kiểu tổ hợp thành chữ số

Chỉ thị theo kiểu vị trí, mặt panel có lắp đèn báo tạo thành bảng tín hiệu, đèn có gắn chữ số, để đèn sáng chữ số đ−ợc sáng

Cứ 10 đèn đ−ợc xếp theo cột dọc vòng tròn, để biểu diễn chữ số từ ữ9

của hàng hệ đếm số 10

Chỉ thị theo kiểu tổ hợp chữ số điểm sáng, đèn điểm, hay tổ hợp chữ số khe sáng, đèn làm khe sáng

Với chữ số tổ hợp điểm sáng, số phần tử để tổ hợp nhiều, thiết bị điều khiển phức tạp hơn, song hình chữ số rõ ràng, dễ đọc

Với chữ số tổ hợp khe sáng, số đèn dùng giảm nhiều, mà đảm bảo kích tấc chữ số, mặt panel đục khe thủng, mặt khe có kính mờ hay lọc quang để có ánh sáng màu theo ý muốn; phía sau khe đèn báo đ−ợc ngăn cách để đèn chiếu sáng khe thơi

Sè phÇn tư khe cho chữ số thờng hay phÇn tư

Các giải mã thị dùng cho kiểu thị tổ hợp điểm sáng hay khe sán giải mã chuyên dụng Chúng có đầu vào (nh− giải mã 2-10), nh−ng số đầu số điểm sáng hay khe sáng đ−ợc dùng đẻ cấu tạo chữ số

Với loại thị số dùng hệ đèn báo cơng suất bé có −u điểm cấu tạo đơn giản; có tốc độ thiết lập số nhanh Khi dùng đèn nêông để thị đạt tốc độ cao Khuyết điểm số đèn nhiều, cồng kềnh, chữ số khó đọc

c Bộ thị số dùng đèn số

Các catốt đ−ợc nối với đầu giải mã, qua thiết bị phối hợp (để chuyển mạch thời gian thị khuyếch đại tín hiệu đầu giải mã)

H×nh 4-49

Khi đầu giải mã khơng có tín hiệu, hiệu điện A K t−ơng ứng với đầu có hiệu điện khơng đủ để trì phóng điện Khi đầu

có tín hiệu, hiệu điện UAK đủ lớn để tạo nên phóng điện khí kém, xung quanh catốt đ−ợc sáng lên, làm cho quan sát đ−ợc dáng hình chữ số catốt

Ví dụ mạch cung cấp cho đèn số nh− hình 4-50

Các tranzitor T1 ữ T9 đ−ợc tri-gơ đếm điều khiển, chúng làm nhiệm vụ khuyếch đại tín hiệu, đồng thời làm nhiệm vụ khố Khi khố thơng, điện 0V đặt vào giải mã, khố tắt, điện -Ek đặt vào giải mã, UAK=En-(-EK), có khả tạo nên phóng điện, K t−ơng ứng đ−ợc phát sáng

Loại mạch cung cấp có nh−ợc điểm tiêu thụ cơng suất lớn, phải dùng nguồn cao áp Do th−ờng đ−ợc cung cấp cho mạch thị nguồn xung, công tác chế độ xung

d Bé thị số dùng hiệu ứng quang điện

Nguyên tắc cấu tạo tụ điện huỳnh quang dựa vào t−ợng điện-huỳnh quang: d−ới tác dụng dòng điện xoay chiều, chất lân quang phát sáng Ng−ời ta chế tạo tụ điện huỳnh quang dùng để thị theo kiểu tổ hợp dải sáng

Cấu tạo tụ điện huỳnh quang dùng để thị theo kiểu tổ hợp dải sáng Cấu tạo tụ điện huỳnh quang nh− hình 4-51

H×nh 4-51

Trên thuỷ tinh có phủ lớp màng dẫn điện suốt điơxít kẽm hay điơxít cadimi, màng điện cực tụ điện Điện cực thứ hai màng không suốt, th−ờng nhơm, có tác dụng dẫn điện phản xạ tia sáng phát xạ hai điện cực chất phản quang Khi có điện áp xoay chiều đặt vào hai cực chất phát sáng

Muốn tụ điện huỳnh quang phát sáng điện áp kích thích phải có biên độ tần số thoả mãn lớn giá trị Ung−ỡng fng−ỡng tụ

H×nh 4-52

Bình th−ờng dao động nghẹt trạng thái chờ, đầu giải mã có tín hiệu, kích thích giao động nghẹt dao động tạo điện áp xoay chiều làm tụ phát sáng

Cách cung cấp cần nhiều tạo dao động nghẹt, cồng kềnh, không kinh tế

Mạch cung cấp điện áp cho tụ nguồn điện áp chung nh− hình 4-53 Mạch dùng nguồn chung đỡ tốn nguồn hơn, song cần giải mã điều khiển, đảm bảo cho chuyển mạch đúng; đầu giải mã điều khiển khố K Trên hình 40, khố K đ−ợc ví dụ nh− linh kiện có điều khiển thyristo Khi thyristo thơng, tức có tín hiệu từ giải mã, điện áp nguồn từ tạo dao động đ−ợc qua thyristo đến tụ, làm tụ phát sáng

Với loại thị dùng hiệu ứng quang điện, có −u điểm: tác động nhanh, độ sáng số biểu diễn rõ, công suất tiêu thụ nhỏ (nhỏ khoảng lần so với loại đèn số có khí 20 lần so với đèn sợi nung)

Hình 4-53

e Bộ thị số dùng đi-ốt phát quang (LED)

Do s tái hợp phần tử mang điện (điện tử lỗ) lớp tiếp xúc pn định thiên thuận ( electron v−ợt từ phía n tái hợp với lỗ trống phía p), phần tử tải điện phát l−ợng d−ới dạng nhiệt ánh sáng

NÕu vËt liệu bán dẫn suốt, ánh sáng đợc phát lớp tiếp xúc pn nguồn sáng Nó đi-ốt phát quang (LED)

Khi nh thiờn thuận, phần tử trạng thái đóng phát sáng Khi định thiên ng−ợc phần tử trạng thái ngắt

Hình 4-54 mặt cắt LED thơng th−ờng Sự tái hợp phần tử tải điện sảy vật liệu loại p, nên miền p bề mặt phần tử đi-ốt Để cso phát sáng tối đa, mang anốt kim loại đ−ợc cho kết tủa quanh mép vật liệu loại p Đầu nối catốt phần tử màng kim loại đáy miền loại n

Để có ánh sáng có màu khác nhau: đỏ, vàng hay xanh, ng−ời ta sử dụng loại bán dẫn khác nhau, dùng nhựa bọc có màu khác

C¸ch bè trí LED bảy đoạn nh hình 4-55

Hình 4-55

Các LED có tất anốt mắc chung (anốt chung), hay tất catốt mắc chung (catốt chung)

Độ sụt áp phân cực thuận 1,2V dịng điện thuận có độ chói hợp lý khoảng 20mA Dịng điện có trị số lớn khuyết điểm loại đèn Các −u điểm là: nguồn điện áp chiều thấp, khả chuyển mạch nhanh, bền, kích th−ớc bé

g Bé chØ thÞ sè dïng tinh thĨ láng

“Tinh thể lỏng” tên trạng thái vài hợp chất hữu đặc biệt nh− nématic, stématic, cholestéric, , chất nóng chảy hai trạng thái: lúc đầu trạng thái nóng chảy liên tục, sau nhiệt độ tiếp tục tăng chuyển sang chất lỏng đẳng h−ớng bình th−ờng Pha tới hạn trạng thái nóng chảy trung gian hai trạng thái trạng thái tinh thể lỏng: vừa có tính chất chất lỏng, vừa có tính chất tinh thể

Với tinh thể lỏng loại kiểu hiệu ứng tr−ờng, chất xuất vùng có phân tử bị xáo trộn nên có ánh sáng qua, chúng bị tán xạ (hình 4-56a) bị kích hoạt có đặt điện áp vào, chất trở nên khơng suốt Khi bỏ điện áp phần tử lại xếp nh− cũ, chất lại chở nên suốt (hình 4-56b) Nh− vậy, hệ số khúc xạ với ánh sáng qua hay ánh sáng phản xạ bị biến thiên

H×nh 4-56

Khi dùng tinh thể lỏng vào việc thị số, thị khơng xạ ánh sáng, nên phải có nguồn sáng định h−ớng phơng

Bé chØ thÞ dïng tinh thĨ láng đợc cấu tạo theo kiểu tổ hợp số Cấu tạo nh hình 4-57 Trên hai thuỷ tinh đợc phủ lớp kim loại dẫn điện làm hai điện cực suốt, hai lớp kim loại lớp chất lỏng tinh thể

Khi ch thị chữ số, điện áp đặt vào hai điện cực phần tử, cịn cần nguồn sáng đặt phía tr−ớc hay phía sau thị (hình 4-58)

H×nh 4-57

Nguồn sáng đặt tr−ớc: hình 4-58a, có tín hiệu hay khơng tinh thể lỏng có ánh sáng phản xạ từ g−ơng

Nguồn sáng đặt sau: hình 4-58b, có tín hiệu hay khơng tinh thể lỏng có ánh sán qua tạo nên hình số hình phơng đen

H×nh 4-59 H×nh 4-58

Đầu chung phần tử thị T.T.L nối với +E qua R Các điện cực riêng nối với đầu điều khiển Khi tranzitor T6 tắt, U6a=0, phần tử không thị Khi tranzitor T6 thông, U6a=+E, điện áp đủ kích thích để phần tử trở nên sut, cho ỏnh sỏng i qua

Ưu điểm thị tinh thể lỏng là:

-Nguồn cung cấp đơn giản, tiêu thụ công suất nhỏ, cỡ mV -Hình chữ số rõ ràng, chế tạo đơn giản

Khuyết điểm thị tinh thể lỏng là: dải nhiệt độ làm việc hẹp tuổi thọ ch−a thật cao

Tuy vậy, với −u điểm bản, loại thị ngày đ−ợc dùng nhiều, thiết bị đo y tế, màu sắc thay đổi theo nhiệt ca bnh nhõn

2 Các phơng pháp thực hiƯn chØ thÞ sè

Trong thiết bị đo số, th−ờng có hai ph−ơng pháp thực thị số: ph−ơng pháp thị tĩnh ph−ơng pháp thị động (còn gọi ph−ơng pháp dồn kênh)

a Phơng pháp thực thị số tĩnh

Ví dụ sơ đồ thực ph−ơng pháp nh− hình 4-60

H×nh 4-60

Với cách thị này, đèn số hàng thị số 10, chúng riêng rẽ nhau, có thiết bị giải mã thiết bị phối hợp riêng Các hàng số đ−ợc ghép với qua mạch đếm số 10, xung đếm vào mạch đếm hàng đơn vị, hàng chục, hàng trăm,

Sự điều khiển trình đo đếm thị chu trình đo đ−ợc thực nh− giản đồ thời gian hình 4-61

Trong thời gian thị, tất đèn đ−ợc làm việc thời gian nh− Ưu điểm ph−ơng pháp là: đèn thị số có mạch điều khiển riêng, tốc độ thị nhanh độ tin cậy cao

H×nh 4-61

b Ph−ơng pháp thực thị số động

Ph−ơng pháp gọi ph−ơng pháp “dồn kênh“, với ý nghĩa đơn giản tất đèn hàng số thị dùng chung giải mã thiết bị phối hợp; nh− tất nhiên chúng phải chia thời gian với khoảng thời gian thị máy Mỗi đèn số làm việc hơn, song lợi dụng tính chất “l−u ảnh” mắt ng−ời quan sát đo, tạo nên cảm giác tất đèn số làm việc đồng thời, phân chia kênh lần l−ợt theo thời gian

b.1 Ph−ơng pháp thị số động cách phân kênh lần l−ợt theo thời gian

Sơ đồ mạch thị nh− hình 4-62

Bộ phát xung thị phát liên tục xung thị đ−a vào mạch logic n trạng thái (n số đèn số thị); n đầu mạch logic đ−a vào n mạch Và (1 n) đ−a tới điều khiển mạch khoá cao áp t−ơng ứng Các mạch Và cịn có đầu thứ hai đầu mạch đếm

Khi thị, đầu mạch logic n trạng thái liên tiếp có xung, nên đèn số liên tiếp đ−ợc thị

b.2 Ph−ơng pháp thị số động cách đếm bổ sung

Sơ đồ mạch thị nh− hình 4-63

Hình 4-63

Đầu nèi víi catèt

5

Trigơ đảo mạch làm việc điều khiển từ ngoài, để chuyển chế độ đếm chế độ thị máy Lấy xung điều khiển từ đầu mạch logic 10 trạng thái Trigơ có hai đầu đầu Và II chế độ đếm xung ; đầu Và I chế độ thị

Nh− vậy, máy nhớ đếm số xung đếm đó; chuyển sang chế độ thị đếm đếm tiếp tục số xung từ phát xung thị Khi đếm 2-10 đếm đ−ợc 10 xung đầu đếm có xung đ−a tới kích khố cao áp, để đ−a cao áp tới anốt đèn t−ơng ứng

Giả sử đếm 2-10 đếm đ−ợc xung N, đếm cần đếm bổ sung thêm số xung N’ cho: N+N’=10, để có đ−ợc xung kích cao áp cho đèn số

Cách nối đầu mạch logic 10 trạng thái với số thứ tự catốt đèn số, thực là:

X + N’ = 10

X: số thứ tự catốt đèn số; N’ số xung t−ơng ứng với đầu mạch logic 10 trạng thái

Do vậy, có xung đầu đếm, tức N + N’ = 10 đèn t−ơng ứng với catốt X sáng, với X+N’ = 10, X = N, catốt đèn hiển thị chữ số số xung N mà đếm đếm đ−ợc

b.3 Ph−ong pháp thị số động cách so sánh

Sơ đồ ph−ơng pháp thị số động cách so sánh mã nh− hình 4-64

H×nh 4-64

Bộ so sánh so sánh trạng thái trigơ đếm 2-10 thị đếm 2-10 xung đo đếm Khi số xung phát xung đếm thị trùng với số xung đếm đầu mạch so sánh có xung kích mở khố cao áp để cung cấp cho anốt đèn số Đồng thời, đầu giải mã thị t−ơng ứng với số xung có tín hiệu đ−a tới catốt t−ơng ứng đèn số Có phóng điện khí catốt anốt để lên chữ số t−ơng ứng với số xung m

Để quan sát chữ số đợc liên tục, tợng nhấp nháy; tần số phát xung thị thờng yêu cầu:

fxung ≥ 240Hz

Sơ đồ nguyên lý ph−ơng pháp thị số động cách so sánh điện áp nh−

h×nh 4-65

H×nh 4-65

H×nh 4-66

Bộ biến đổi mã-điện áp: điện áp tỉ lệ với số xung Ni c ghi b m

Tại thời điểm ti, đầu thứ i mạch logic có tín hiƯu xung ra, víi sè xung Ni: ti= i.τ (τ : chu kú xung chØ thÞ; i: sè thø tù ®Çu ra)

Khi điện áp c−a: Ura = k.tI = k.i.τ Và điện áp từ biến đổi mã-điện áp

Ubd = m.Ni

trong đó: m : hệ số biến đổi, Ni số xung

Do vËy: m Ni = k.i.τ

NÕu chän m kτ=

th× ta cã: Ni =i

Ni số xung đếm đ−ợc,

i số thứ tự xung đếm số thứ tự K đèn số thị

4.4.5 Máy đếm điện tử có cài đặt vi xử lý (àP)

Một máy đếm điện tử mà có cấu tạo thêm àP đạt đ−ợc độ xác cao dải đo rộng Nguyên lý th−c ph−ơng pháp đo đ−ợc minh hoạ nh− giản đồ hình 4-67

Tín hiệu có dạng hình sin, có tần số fx cần đo nh− hình 4-67a Tín hiệu đ−ợc thực biến đổi dạng thành chuỗi xung nhọn, có chu kỳ Tx tạo dạng xung nh− hình 4-67b

Một ″tín hiệu xung cửa thứ ” có độ rộng ∆t1, đ−ợc tạo từ tạo cửa logic (hình 4-67c) Tín hiệu đ−ợc sinh độc lập với chuỗi xung

Trong khoảng thời gian độ rộng xung cửa ∆t1, đ−ợc chứa đầy xung tín hiệu cần đo đầu vào Số l−ợng xung n (hình 4-67d), đ−ợc đếm ghi giữ số liệu lại nhớ

Ta cã :

1

t n fx'

∆ =

Trị số fx’ khác với trị số fx cần đo có sai số ± xung đếm

Cũng đồng thời tiến hành, xung ″tín hiệu cửa thứ hai″ đ−ợc tạo nên tạo dạng loại nh− trên, s−ờn tr−ớc xung trùng với xung tín hiệu đo đ−ợc thứ thời gian mở cửa ″xung tín hiệu cửa thứ nhất″ s−ờn sau xung cửa trùng với xung tín hiệu đo xuất sau suờn sau xung ″tín hiệu cửa thứ nhất″ (hình 4-67e 4-67f)

Do độ rộng ″xung tín hiệu cửa thứ hai″ (hình 4-67f):

∆t2 = n.Tx

Nh− vậy, s−ờn mở s−ờn đóng ″xung tín hiệu thứ hai″ đồng với xung tín hiệu đo, nên sai số không đồng gây bị loại bỏ

Khi xung ″tín hiệu cửa hai″ đ−ợc chứa đầy xung tín hiệu đếm Tc (hình 4-67g), số l−ợng xung đếm đ−ợc N, đ−ợc ghi giữ lại (hình 4-67h)

Ta cã:

x c c

x

f f n T

T n

N= =

do đó:

c

x f

Thực sai số phép đo bị giới hạn sai số ± xung đếm o khong nTx

Sai số nguyên nhân sai số đo tần số:

Khi đếm khoảng thời gian ∆t2 = n.Tx sai số tuyệt đối ± xung đếm là:

∆2 = ± Tc Sai số t−ơng đối cực đại là:

x c c T n T t T ± = ∆ ± = δ 2

V× cã n.Tx = ∆t2, nªn fx =

2

t n

∆

Theo qui tắc tính sai số tr−ờng hợp đo gián tiếp, (sai số đại l−ợng phải đo gián tiếp trị số trung bình bình ph−ơng sai số đại l−ợng cục đo trực tiếp), sai số đo fx có quan hệ với sai số đo ∆t2 là: δt = δ2

Do đó: c x x c f T n f nT T ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ± = ± =

δ (39)

Khi đếm khoảng thời gian ∆t1, ta có:

1 x t n f ∆ = ' Thay thÕ n fx'

cho n fx

biÓu thøc (39), ta cã:

1 c c x x c f t F T n f nT T ∆ ± = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ± = ± =

δ ' (40)

Để minh hoạ, ví dụ tín hiệu xung đếm có tần số Fc = 10 MHz; tín hiệu xung cửa thứ

∆t1 = 1s, ta có sai số t−ơng đối cực đại sai số ±1 xung đếm : δf = 10 -7

Nếu tín hiệu nh− (Fc = 10 MHz ; ∆t1 = 1s ) ta lại đo ∆t2 =n Tx bằng ph−ơng pháp nội suy, đạt độ xác cao : δf = ± 10

-10

Cấu tạo sơ đồ khối mạch đo

H×nh 4-68

Một sơ đồ khối máy đếm điện tử có dùng àP để đo tần số nh− hình 4-68 Tín hiệu cần đo fx ( hình 4-67a) đ−ợc đ−a qua mạch vào, tạo dạng thành dãy xung nhọn (hình 4-67b) Dãy xung đ−ợc đ−a đầu vào mạch cửa Đầu vào mạch cửa đ−ợc đ−a vào xung ″tín hiệu cửa thứ nhất″ có độ rộng xung ∆t1 = 1s ( hình 4-67c) Các xung qua mạch cửa đ−ợc Bộ đếm ghi nhận với số l−ợng xung đếm đ−ợc n (hình 4-67d) Xung ″tín hiệu cửa thứ nhất″ đ−ợc àP cung cấp, đồng thời đ−a tới mạch không đầu vào mạch và mạch Các xung tới đầu vào mạch cửa kiểm tra nh−

Mạch tạo xung ″tín hiệu cửa thứ hai″ có độ rộng xung nTx là mạch cửa kiểm tra Mạch cửa kiểm tra dùng flip-flop để tạo nên đồng s−ờn tr−ớc s−ờn sau ″tín hiệu cửa thứ hai″ với xung đếm đ−ợc thứ xung không đ−ợc đếm đếm ( hình 4-67e 4-67f) Do đầu vào mạch cửa có xung với độ rộng xung ∆t2 = n.Tx Dãy xung từ tạo xung đếm (hình 4-67g) qua mạch cửa cửa mở, đ−ợc đếm ghi nhận với số l−ợng xung đếm đ−ợc N (hình 4-67h) Hệ thống àP có nhớ l−u trữ tần số xung đếm Fc, số l−ợng xung đếm đ−ợc n N; thực tính tốn fx theo công thức: fx = (n / N) fc Kết đ−ợc biểu thị hệ thống đèn số dùng tinh thể lỏng hay ống đèn tia âm cực

Ngồi việc tính tốn số liệu đo, àP cho phép tự động chọn thang đo, định vị trí dấu phẩy đơn vị đo (nh− Hz, kHz hay MHz)

àP cịn có khả mở rộng phạm vi, chức đo l−ờng thiết bị, làm cho thiết bị tự dộng chọn chế độ đo (là đo tần số, chu kì, khoảng thời gian, ) àP cịn có khả loại bỏ sai số hệ thống chậm thời điểm ″mở″ ″đóng″ xung tín hiệu cửa đo khoảng thời gian

Đó khả đo l−ờng máy đếm điện tử đ−ợc cấu tạo àP nh− phận máy đo

4.5 Tổ hợp tần số (Frequency synthesizer)

Trong kỹ thuật đo lờng nh kỹ thuật vô tuyến điện tử nói chung, cần có thiết bị tạo nguồn tín hiệu đo Nguồn tín hiệu có khả tạo nhiều tần số chuẩn thiết bị tổ hợp tÇn sè

Tổ hợp tần số trình thiết bị để tạo mạng tần số rời rạc, có độ ổn định đáng kể từ số chuẩn tần số có độ ổn định cao

Tổ hợp tần số đ−ợc tiến hành cách cộng, trừ, nhân chia tần số tạo thành hệ thống mạng tần số chuẩn Những chuẩn tần số cho tr−ớc th−ờng tạo dao động thạch anh, có độ ổn định tần số cao

Có nhiều cách phân loại tổ hợp mạng tần số Thông dụng phân loại theo ph−ơng pháp tạo mạng tần số, có tổ hợp mạng tần số tích cực tổ hợp mạng tần số thụ động

Tổ hợp mạng tần số thụ động tổ hợp mạng tần số dùng ph−ơng pháp lọc Tổ hợp mạng tần số tích cực hay thụ động xây dựng linh kiện t−ơng tự hay linh kiện số Ngày nay, tổ hợp tần số linh kiện số đ−ợc sử dụng phổ biến phát triển phù hợp với u cầu kỹ thuật đại

ở đây, ta xét tới loại tổ hợp tần số tích cực dùng kỹ thuật số có cấu tạo microprocessor để mở rộng mạng nâng cao tính nguồn tín hiệu tần số chuẩn dùng cho đo l−ờng mạng

4.5.1 Tổ hợp mạng tần số tích cực dùng kỹ thuật mạch số Sơ đồ khối tổ hợp tần số loại nh− hình 4-69

H×nh 4-69

Bộ dao động dao đông đIều chỉnh đ−ợc, cung cấp tín hiệu ta có: fra = N.f0

Dao động với tần số N.f0 đ−ợc qua mạch tạo dạng xung để tạo dãy xung tần số, qua chia tần có hệ số chia biến đổi N Bộ chia đ−ợc thực nguyên lý đếm xung; đ−ợc tạo từ dao động chuẩn 1, đ−ợc qua tạo dạng xung Bộ so pha so sánh tần số chuỗi xung vào; điện áp từ so pha đ−ợc đ−a qua lọc tần thấp tới phần tử tích cực mạch dao động điều chỉnh Nh− vậy, thơng qua mạch vịng so pha tự động điều chỉnh, ta có tần số là:

f0

N fra

=

hay

fra = N f0

fra = N1. f0ữ N2 f0 bớc tần là:

fb = f0

Nh vậy, tạo nhiều tần số chuẩn có độ ổn định nh− dao động chuẩn, dựng nhiu h s chia

Nhợc điểm tổ hợp tần số là: bớc tần mạng tÇn sè lín, nã chÝnh b»ng fo

4.5.2 Tỉ hợp tần số có cấu tạo vi xử lý (àP)

Tổ hợp tần số ph−ơng pháp tích cực dùng linh kiện số có nhiều −u điểm so với tổ hợp tần số dùng linh kiện t−ơng tự Song nh−ợc điểm đáng l−u ý muốn giảm b−ớc tần

∆ fb, phải tăng hệ số chia tần số Điều dẫn đến làm ổn định tần số, tần số lân cận gây nhiễu lẫn Muốn tăng độ ổn định tần số phải dùng nhiều mạch vịng so pha, dẫn tới việc làm cho thời gian thiết lập tần số tăng tín hiệu tạo nên xấu Hai vấn đề: giảm b−ớc tần (∆fb) rút ngắn thời gian thiết lập tần số (τ) có mâu thuẫn Đó hai yêu cầu mấu chốt cần giải tổ hợp tần số

Tổ hợp tần số có cấu tạo àP giải mâu thuẫn Đó u việt thiết bị đo lờng có sử dụng microprocessor

Sơ đồ khối tổ hợp tần số có àP nh− hình 4-70

Tổ hợp tần số àP tổ hợp tần số ph−ơng pháp tích cực, dùng linh kiện kỹ thuật số đây, hệ số chia tần số chuẩn (Y) hệ số chia tần số dao đông biến đổi (X) đ−ợc chọn tính àP trình đặt tần số

Ví dụ: Từ dao động chuẩn fo 5.000.000 Hz, tạo tổ hợp tần số có dảI tần: f = ( 10ữ15)MHz; b−ớc tần: ∆fb = 10Hz; độ xác tần số

f f

∆

≤ 3.108

Một tần số cần thiết lập tổ hợp tần số ứng với giá trị định X Y Giả sử cần thiết lập tần số tổ hợp tần số fc= 12.631.770Hz, nằm dải tần: 10 MHzữ15 MHz Nh− vậy:

0

ra f

000 000

770 631 12 f Y X f

f = = =

0 f f

f = c − =

∆

víi X=12.631.770 vµ Y=5.00.000

Với hệ số chia lớn nh− trên, theo cách đặt khơng có sai số; nh−ng thực tế, khơng dùng àP sai số tới 106 Hơn nữa, khó tạo mạch so pha làm việc tần số

Y f0

= 10Hz, tổ hợp tần số làm việc ổn định, khơng xác

Cách giải dùng àP chọn lần l−ợt giá trị X, Y để tính, thoả mãn yêu cầu ∆f ≤ 3.10-8, để giảm nhỏ giá trị hệ số chia

NÕu: X = 2; Y=1→ f = 2/1 f0 = 10.000.000 Hz

∆fb = ⏐fc - f⏐= 2.631.770 Hz ; ∆f / fc = 208 103 NÕu: X = 3; Y=1→ f = 3/1 f0 = 15.000.000 Hz

∆fb = ⏐fc - f⏐= 2.368.230 Hz ; ∆f / fc = 187 103 NÕu: X = 5; Y=2→f = 5/2 f0 = 12.500.000 Hz

∆fb = ⏐fc - f⏐= 131.770 Hz ; ∆f / fc = 104 105

NÕu : X = 3499 ; Y=1385 → f =

1385 3499

∆fb = ⏐fc - f⏐= 1,1 Hz ;

c

f f

∆

= 2,1.108

NÕu: X = 6950; Y=2751→f =

2751 6950

f0 = 12.631.770,2653 Hz

∆fb = ⏐fc - f⏐= 0,2653 Hz ;

c

f f

∆

= 2,1.108

Đến ta nhận xét với hệ số chia X = 6950; Y = 2751 nhỏ nhiều lần so với phơng án tổ hợp tần số ban đầu, không dïng µP (tøc lµ X=1.263.177 vµ Y=500.000)

Ngoµi ra, tần số so sánh so pha có dùng µP lµ: 1817Hz 751 000 000 Y f0 =

= cao

hơn nhiều không dùng àP (tức

000 500 000 000

=10Hz ) Điều cho phép dễ dàng xây dựng läc tÇn thÊp sau so pha

Hơn nữa, thực tế tạo dao động chuẩn thạch anh dùng kỹ thuật vơ tuyến điện nói chung, đạt độ ổn định tần số không cao đây, có độ ổn định

f f

∆

=3.108 cao độ ổn định tần số chuẩn Vì vậy, chọn hệ số chia phù hợp X, Y tổ hợp tần số có cấu tạo àP độ sai lệch tần số, độ ổn định tần số đạt yêu cầu đề cho tr−ớc

Ví dụ, nhiệm vụ đặt tổ hợp tần số dùng micropocessor chọn hệ số chia hợp lý, yêu cầu cho tr−ớc độ ổn định tần số

f f

∆

Nh− trình đặt tần số, àP tự động thay đổi giá trị X, Y lần l−ợt, đồng thời kiểm tra lại điều kiện

f f

∆

≤ε cho tr−íc (ε sai sè cho tr−íc)

K K K

b b

1 b

b

1 b

1 b

Y X

+ + +

+ + =

− −

Các giá trị bi đ−ợc tính tốn theo ph−ơng pháp truy hồi gài đặt sẵn, đó:

X0 = b0 ; Y0 =1 X1 = X0b1 + ; Y1 = b1

X2 = X1b2 + X0 ; Y2 = Y1 b2 + Y0 Xi = Xi-1 bi + Xi-2 ; Yi = Yi-1 bi + Yi-2

Khi kiểm tra, đồng thời với việc chọn X, Y, àP dừng q trình chọn bậc tính thoả mãn điều kiện

f f

∆ ≤ε

Sai số nhỏ, độ xác lớn định độ ổn định tần số độ xác tần số cần yêu cầu Các tần số lân cận gây nhiễu lẫn nhau, đặc biệt tr−ờng hợp b−ớc tần nhỏ

Khi cần yêu cầu tổ hợp tần số có dải tần số rộng, b−ớc tần số nhỏ, dùng nhiều mạch vòng so pha, nh− ph−ơng pháp tổ hợp tần số tích cực dùng kỹ thuật mạch số thơng th−ờng, nh−ng có cấu tạo, àP để tính tốn chn h s chia

Ví dụ tổ hợp tần số có cấu tạo àP, dùng hai mạch vòng so pha nh− h×nh 4-71

Ta biết, với tổ hợp tần số theo ph−ơng pháp tích cực dùng mạch số, Xmax = Ymax = 9999 hay xảy đột biến độ lệch tần, nên

f f

∆

≈ 10 4

Xmax=Ymax=9999 ; dải tần : f = 400 ÷ 800kHz

∆fb=0,1Hz độ xác f

f

∆

≤1.10-8

Thực tế thiết kế cho thấy, thời gian chọn X, Y àP nhỏ không ảnh h−ởng tới chất l−ợng tổ hợp tần số Thời gian thiết lập tần số tổ hợp tần số có cấu tạo àP tới nanơ giây; trọng l−ợng, kích th−ớc tổ hợp tần số nhỏ, gọn, sử dụng đ−ợc mạch tổ hợp quy chuẩn, nên dễ chế tạo giá thành khơng cao

Ngồi ra, dùng àP cịn cho phép cài đặt nhiều chức điều khiển khác, tổ hợp tần số nằm hệ thống đo l−ờng kiểm tra

4.6 Đo độ di pha

Khái niệm pha đ−ợc gắn liền với khái niệm dao động điều hoà Bất dao động điện từ có dạng:

u = Umsin(ωt + ϕ)

cũng đ−ợc biểu thị đặc tính: biên độ, tần số pha

Pha dao động là: α = (ωt + ϕ), gồm có hai thành phần: ωt trị số pha tức thời, hàm số biến đổi bậc theo thời gian; ϕ trị số pha ban đầu, số

Pha đ−ợc đo đơn vị radian hay độ

H×nh 4-72

Trị số pha ban đầu dao động thực tế chẳng có ý nghĩa đặc biệt; ta tịnh tiến gốc thời gian trị số khơng đ−ợc (ở hình 4-72, đổi gốc thời gian từ điểm O đến điểm O’, pha ban đầu dao động khơng) Với hai dao động có tần số có trị số pha ban đầu khác nh−:

u1 = Um1 sin(ωt + ϕ1)

thì vấn đề cần xét trị số sai pha hai dao động Trị số sai pha bằng:

ϕ = ϕ1 - ϕ2 (42)

Để đơn giản, ta xác định pha ban đầu dao động khơng, ví dụ ϕ2=0, cơng thức (42) bằng:

ϕ = ϕ1 (43)

Ta có khái niệm độ di pha hai dao động tần số Nó hiệu số pha ban đầu hai dao động, số, không phụ thuộc thời gian

Nh− vậy, khái niệm vấn đề đo pha tín hiệu chủ yếu đo độ di pha tín hiệu đo trị số pha ban đầu (ở cần l−u ý danh từ dùng: di pha dịch pha hai từ đồng nghĩa)

Khi có dao động điện từ đ−ợc truyền dẫn qua mạch, phản ứng mạch (của phần tử có qn tính, đèn điện tử, đèn bán dẫn ) mà làm cho tín hiệu bị di pha Sự di pha điện áp đầu so với điện áp đầu vào mạch đ−ợc xác định theo cơng thức:

ϕ = ωtch + nπ (44)

ở đây, tch thời gian làm chậm mạch; n số tầng làm cho điện áp đảo pha 1800 (ví dụ truyền đạt qua đèn điện tử)

Tất phận mạch điện nh− biến áp, lọc, khuyếch đại gây di pha Khi tính tốn điều chỉnh thiết bị cần phải đo đ−ợc độ di pha Ngày nay, kĩ thuật điện tử thông tin ng−ời ta dùng nhiều ph−ơng thức điều chế pha, vấn đề đo pha tr−ờng hợp trở thành phép đo thực điều chỉnh nh− khai thác thiết bị

Để biểu thị đặc tính thiết bị điện tử, ví dụ nh− đặc tính méo pha, số thiết bị xét tới quan hệ biến thiên pha theo tần số Quan hệ phụ thuộc gọi đặc tính pha (hay đặc tính pha-tần số) Nó quan hệ độ di pha điện áp đầu đầu vào dải tần số công tác thiết bị

Cũng cần l−u ý khái niệm di pha đ−ợc dùng với dao động điều hoà có tần số nh− dạng hàm số sin hay cosin nh− công thức (41)

Nếu hai dao động có tần số khác nhau, ví dụ ω1 ω2 thì độ di pha chúng bằng:

Từ công thức (45) ta thấy độ di pha có phụ thuộc thời gian nên vấn đề đo thông số hầu nh− vô nghĩa

Với dao động điện áp có dạng khơng sin (kể điện áp xung), độ di pha chúng đ−ợc xác định với thành phần sóng hài bậc Song thơng dụng hơn, phép đo độ di pha đ−ợc biểu thị thay độ lệch thời gian ∆T hai trình dao động Nó đ−ợc tính khoảng cách điểm có trị số khơng q trình biến đổi tính từ giá trị âm chuyển sang giá trị d−ơng (xem hình 4-73)

Muốn đo độ di pha dùng thiết bị đo pha (hay pha-mét) Bản thân thiết bị đo pha đ−ợc khắc độ xác định độ di pha Các ph−ơng pháp đo pha thiết bị đo pha phụ thuộc chủ yếu vào tần đoạn vào yêu cầu độ xác phép đo Các ph−ơng pháp đo pha là: ph−ơng pháp vẽ dao động đồ; ph−ơng pháp biến đổi độ di pha thành khoảng thời gian; ph−ơng pháp biến đổi độ di pha thành điện áp; ph−ơng pháp biến đổi tần số ph−ơng pháp bù Nh− vậy, với ph−ơng pháp đo phép đo độ di pha trở thành phép đo khoảng thời gian, đo điện áp, đo tần số nh− ta nghiên cứu ch−ơng này, ta xét với ph−ơng pháp chủ yếu thông dụng kĩ thuật điện tử

Hình 4-73

4.6.1 Các phơng pháp đo di pha

1 Đo di pha phơng pháp đo điện áp

a Phơng pháp trực tiếp đo điện áp tổng

Phơng pháp đợc sử dụng nhiều tần số thấp Ta biết tổng hai điện áp dạng điều hoà u1 = Um1 sinωt vµ u2 = Um2 sin(ωt + ϕ) có phụ thuộc vào góc di pha hai điện áp (xem hình 4-74):

2

2 2

U U

U U U cos

ar − −

=

ϕ Σ (47)

H×nh 4-75 H×nh 4-74

Từ quan hệ trên, ta xác định đ−ợc góc pha cách trực tiếp đo trị số điện áp tổng (hay cách trực tiếp đo trị số điện áp hiệu) riêng rẽ hai điện áp hiệu chúng với vôn mét

Mạch điện đo di pha theo ph−ơng pháp ví dụ nh− hình 4-75 Các điện áp đo đ−ợc U1, U2 U∑; trị số độ di pha ϕ đ−ợc tính theo cơng thức (47)

Để cho phép tính đ−ợc đơn giản hơn, điện áp U1 U2 đ−ợc chọn nhau: U = U2 = U

Lóc nµy, ta cã:

U2

∑ =2U2(1 + cosϕ ) = 4U2 cos2

2

ϕ

do đó:

ϕ = 2arccos U U

2

Σ (48)

Tr−êng hỵp không đo điện áp tổng, mà đo trị số ®iƯn ¸p hiƯu, ta cã: U2

∆ =U21 + U

2 - 2U 1U2cosϕ (49)

ϕ =2arcsin U U

2

∆

(50)

b Phơng pháp dùng mạch t¸ch sãng

Phép đo độ di pha điện áp tổng hiệu điện áp đo đ−ợc thực kết hợp mạch tách sóng cân pha nh− hình 4-76

Hai đầu vào 3-4 5-6 đ−ợc đ−a vào hai điện áp cần đo độ di pha Để đơn giản, ta th−ờng lấy u1 = u2 = u Trên đèn hai cực Đ1 có điện áp tổng: u∑ =u1 + u2 đèn hai cực Đ2 có điện áp hiệu: u∆ =

u1 - u2

Nếu hai đèn Đ1 Đ2 đồng loại có đặc tuyến tách sóng đ−ờng thẳng, thành phần điện áp chiều đ−ợc chỉnh l−u tải hai điểm 0-1 tỉ lệ với trị số điện áp tổng:

H×nh 4-76

2

ϕ =

Σ cos

U U

(51)

Cũng thế, thành phần điện áp chiều đợc chỉnh lu tải hai điểm 0-1 0-2 tỉ lệ với trị số điện áp hiệu:

2

ϕ =

∆ sin

U U

(52)

Nh vậy, điện áp hai điểm 1-2 đợc đo vôn-mét, hiệu số điện áp điểm 0-1 0-2

Hình 4-77 vẽ đờng biểu diễn điện áp Đờng a đờng biểu diễn (51), đờng b (52) đờng c đờng biểu diễn điện đo vôn-mét V

Nếu chọn đồng hồ thị vơn-mét loại có điểm thị khơng thang chia độ, đồng hồ vơn-mét trực tiếp khắc độ theo độ di pha, ta có pha-mét đọc trực tiếp

Theo nguyên lí ph−ơng pháp đo trên, cịn đ−ợc thực sơ đồ điều chế mạch vịng nh− hình 4-78

H×nh 4-78 H×nh 4-77

Hai điện áp cần đo di pha đ−ợc đ−a vào hai đầu vào1-2 3-4 Tại hai đầu vào chúng đ−ợc phân thành hai thành phần điện trở R

Giả thiết đèn tách sóng Đ1, Đ2, Đ3 Đ4 có đặc tuyến giống đ−ợc biểu diễn bằng:

i = a0 + a1u + a2u2 Trị số dòng điện tức thời qua đồng hồ thị V :

i1 = a0 + a1(-u2 - u1 ) + a2 (- u2 - u1 )2

i2 = a0 + a1(-u2+ u1 ) + a2 (- u2 + u1 )2 (53) i3 = a0 + a1( u2 - u1 ) + a2 ( u2 - u1 )

2 i4 = a0 + a1( u2 + u1 ) + a2 ( u2 + u1 )2

Vì u1 = Um1 sinωt u2 = Um2sin(ωt + ϕ) nên trị số tức thời dòng điện tổng hợp i chảy qua đồng hồ V là:

Thay −ớc l−ợng biểu thức, ta có trị số trung bình dịng điện qua đồng hồ V là:

I = 4a2 Um1 Um2 cosϕ (55)

Từ (55) thấy, giữ cho biên độ điện áp đo khơng đổi, đồng hồ V khắc độ theo đơn vị di pha ϕ

Nếu điện áp u1 đ−ợc đ−a qua dịch pha có khắc độ, thiết bị đo pha đ−ợc thuận tiện Nhờ dịch pha, ta biến đổi 2u1 dịch pha với 2u2 góc 900, theo biểu thức (55), đồng hồ thị trị số không (chỉ thị cân bằng)

Các loại pha-mét kiểu tách sóng có dải tần số cơng tác rộng hơn, tới vài trăm MHz, có độ xác khoảng chừng ± ( 2ữ3 )0

2 §o di pha b»ng phơng pháp đo khoảng thời gian

Nguyờn lý chung ph−ơng pháp đo biến đổi điện áp có dạng hình sin thành xung nhọn t−ơng ứng với thời điểm mà điện áp biến dổi qua trị số không với giá trị đạo hàm dấu Khoảng thời gian hai xung gần hai điện áp đo, tỉ lệ với góc di pha chúng ( xem hình 4-79)

Dùng biểu thức biết: ω = 2π/T ϕ = ω∆T, ta tính đ−ợc góc di pha ϕ đo đ−ợc tỉ số khoảng thời gian ∆T / T

ϕ0 = 3600(∆T / T) (56)

Ph−ơng pháp đo đ−ợc dùng t−ơng đối nhiều để đo pha Hầu hết loại pha-mét thơng dụng đ−ợc cấu tạo theo nguyên lý này, khác chúng cách thức đo khoảng thời gian Ta xét kỹ ph−ơng pháp đo