Giới thiệu về nội dung Giáo trình "Cơ Sở Kỹ Thuật Đo Lường Điện Tử" đựơc biên soạn nhằm phục vụ việc học tập của sinh viên đại học thuộc các ngành kỹ thuật Điện tử - Viễn thông. Cuốn sách này cũng có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các ngành kỹ thuật khác có sử dụng kỹ thuật Đo lường điện tử như là một phương pháp để nghiên cứu khoa học, sử dụng khai thác kỹ thuật của ngành mình. Việc áp dụng kỹ thuật vi xử lý và đo lường đã làm tăng tính năng và thông số của thiết bị đo lên rất nhiều, đã mở ra cách giải quyết các vấn đề mà trước kia chưa đặt ra. Các bộ vi xử lý đã trở thành một bộ phận thiết yếu của các thiết bị đo. Có bộ vi xử lý các thiết bị đo có thể đa chức năng hơn, đơn giản hoá việc điều khiển, tự động điều chỉnh, tự động lấy chuẩn, tự động kiểm tra, làm tăng thêm độ tin cậy của các thông số phép đo, cho phép thực hiện tính toán, thống kê kết quả của phép đo nhanh chóng và đa dạng hơn, như vậy đã tạo ra được thiết bị đo lường lập trình tự động. một phần của cuốn sách này dùng để trình bày những nguyên tắc và khả năng của các thiết bị đo có bộ vi xử lý. Mục Lục: Chương 1: Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lường điện tử Chương 2: Định giá sai số Đo lường Chương 3: Quan sát và Đo lường dạng tín hiệu Chương 4: Đo tần số, khoảng thời gian và đo độ di pha Chương 5: Đo điện áp Chương 6: Đo công suất Chương 7: Đo các tham số điều chế và đặc tính phổ của tín hiệu Chương 8: Đo các thông số và đặc tính các phần tử của mạch điện Chương 9: Đo lường, kiểm nghiệm các mạch điện tử số và vi xử lý Chương 10: Đo lường tự động Chương 11: Cơ sở đo lường trong thông tin qua mạng Tài liệu tham khảo.
PGS. Vũ Quý Điềm (Chủ biên) Phạm Văn Tuân Đỗ Lê Phú C ơ sở kỹ thuật Đ o lờng điện tử Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Mục lục Lời nói đầu 1 Chơng 1 Giới thiệu chung về kỹ thuật Đo lờng điện tử 1.1 Đối tợng của Đo lờng điện tử 6 1.1.1 Các đặc tính và thông số của tín hiệu 6 1.1.2 Các tham số và đặc tính của mạch điện tử 17 1.2 Các khái niệm cơ bản về Đo lờng điện tử 21 1.2.1 Khái niệm đo lờng 21 1.2.2 Các phơng pháp và biện pháp đo lờng cơ bản 22 Chơng 2 Định giá sai số Đo lờng 2.1 Nguyên nhân và phân loại sai số trong Đo lờng 28 2.1.1 Nguyên nhân gây sai số 28 2.1.2 Phân loại sai số 29 2.1.3 Các biểu thức diễn đạt sai số 30 2.2 ứng dụng phơng 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 quả của sự nghiên cứu hàm mật độ phân bố sai số 33 2.2.3 Sử dụng các đặc số phân bố để định giá kết qu đo và sai số đo 36 2.3 Cách xác định kết quả đo 39 2.3.1 Sai số d 39 2.3.2 Độ tin cậy và khoảng chính xác 42 2.3.3 Cách xác định kết quả đo khi thực hiện đo nhiều lần 45 2.3.4 Tính sai số trong trờng hợp đo gián tiếp 48 2.3.6 Tính sai số khi đo tại vị trí chỉ thị cực trị 51 2.3.7 Lu đồ thực hiện quá trình xử lý, định giá sai số và xác định kết quả đo. 54 Chơng 3 Quan sát và Đo lờng dạng tín hiệu 3.1 Khái niệm chung 55 3.2 Cấu tạo ôxilô 57 3.2.1 Cấu tạo ống tia điện tử 57 3.2.2 Bộ tạo điện áp quét 63 3.2.3 Bộ khuếch đại của dao động ký 69 3.3 Công dụng của dao động ký (ôxilô) 73 3.3.1 Đo biên độ của điện áp tín hiệu 73 3.3.2 Đặc tuyến vôn-ampe và đặc tuyến tần số 75 3.4 Cấu tạo của dao động ký (ôxilô) nhiều kênh 80 3.4.1 Cấu tạo của dao động ký (ôxilô) hai tia 81 3.4.2 Phơng pháp biến đổi luân phiên-chuyển mạch điện tử 82 3.5 Cấu tạo dao động ký (ôxilô) quan sát tín hiệu siêu cao tần 89 3.5.1 Đặc điểm 89 3.5.2 Phơng pháp quan sát lấy mẫu 91 3.6 Cấu tạo của dao động ký (ôxilô) có nhớ loại tơng tự 94 3.6.1 Cấu tạo 94 3.6.2 Nguyên lý hoạt động của ôxilô có nhớ 95 3.7 ôxilô điện tử số 96 3.7.1 Cấu trúc và khả năng của ôxilô số 96 3.7.2 Ôxilô có cài đặt vi xử lý (micropocessor-PP) 98 Chơng 4 Đo tần số, khoảng thời gian và đo độ di pha 4.1 Khái niệm chung 111 4.2 Đo tần số bằng các mạch điện có thông số phụ thuộc tần số 113 4.2.1 Phơng pháp cầu 113 4.2.2 Phơng pháp cộng hởng 115 4.3 Đo tần số bằng phơng pháp dùng thiết bị so sánh 123 4.3.1 Phơng pháp dùng dao động đồ của ôxilô 123 4.3.2 So sánh bằng phơng pháp ngoai sai 125 4.3.3 Đo tần số bằng phơng pháp đếm xung 4.4 Đo khoảng thời gian 134 4.4.1 Máy đếm điện tử 134 4.4.2 Bộ đếm trong thiết bị đo số 139 4.4.3 Bộ gii mã trong thiết bị đo số 149 4.4.4 Bộ chỉ thị số 159 4.4.5 Máy đếm điện tử có cài đặt vi xử lý (PP) 175 4.5 Tổ hợp tần số (Frequency synthesizer) 179 4.5.1. Tổ hợp mạng tần số tích cực dùng kỹ thuật mạch số 180 4.5.2 Tổ hợp tần số có cấu tạo vi xử lý (PP) 181 4.6 Đo độ di pha 186 4.6.1 Các phơng pháp đo di pha 188 4.6.2 Pha mét chỉ thị số 195 4.6.3 Pha-mét số có cài đặt micropocesor 198 Chơng 5 Đo điện áp 5.1 Đặc điểm và yêu cầu của phép đo tín hiệu điện áp 201 5.1.1 Các trị số điện áp đo 201 5.1.2 Cấu tạo và phân loại các vôn-mét điện tử 204 5.2 Vôn-mét điện tử loại tơng tự-dùng điện kế chỉ thị kim 205 5.2.1 Các đặc tính tách sóng 206 5.2.2 Khối khuếch đại trong vôn-mét điện tử 215 5.2.3 Khối chỉ thị bằng 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 tơng tự - số (the analog to digital converter) 222 5.3.2 Ví dụ về bộ giải mã để thực hiện ký tự số ả-rập 234 5.3.3 Vôn-mét điện tử số có cài đặt PP 236 Chơng 6 Đo công suất 6.1 Các khái niệm và 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 ở tần số thấp và tần số cao 247 6.1.4 Đo công suất ở 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 Phơng pháp đo cờng 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 thuật số 268 6.4.1. Oát-mét số (Digital Wattmeter) 268 6.4.2. Oát-mét cài đặt vi xử lý 271 Chơng 7 Đo các tham số điều chế và đặc tính phổ của 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 các thông số điều tần 282 7.1.3 Đo các 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 dùng bộ vi xử lý với thuật toán biến đổi nhanh Fourrier 309 Chơng 8 Đo các thông số và đặc tính các phần tử của mạch điện 8.1 Đo các thông số của mạch điện có các phần tử tập trung 317 8.1.1 Đo các thông số của các linh kiện đờng thẳng 317 8.1.2 Đo thử các thông số của đèn bán dẫn 333 8.2 Đo các thông số của mạch điện có phần tử phân bố 337 8.2.1 Khái niệm 337 8.2.2 Các linh kiện đo lờng ở siêu cao tần 340 8.2.3 Công dụng đo lờng của dây đo 353 8.2.4 Đo trở kháng bằng các dây đo có đầu dò cố định 379 8.2.5 Đo trở kháng bằng phản xạ mét và bằng các cầu đo 382 Chơng 9 Đo lờng, kiểm nghiệm các mạch điện tử số và vi xử lý 9.1 Khái niệm và đặc tính chung của mạch số 388 9.2 Các phơng pháp phân tích 390 9.2.1 Phơng pháp phân tích logic 390 9.2.2 Phơng pháp phân tích nhận dạng mã địa chỉ (Signature Analysis) 398 9.3 Các nguyên lý tự kiểm tra (Principles of self - testing) 409 9.3.1 Phơng pháp LSSD (Level - Sensitive Scan Design) 409 9.3.2 Phơng pháp BILBO (Built-In Logic Block Observer) 410 9.3.3 Phơng pháp MICROBIT 411 Chơng 10 Đo lờng tự động 10.1 Các khuynh hớng cơ bản 414 10.1.1 Tù ®éng ho¸ tõng phÇn qu¸ tr×nh ®o lêng 420 10.1.2 Tù ®éng ho¸ hoµn toµn qu¸ tr×nh ®o lêng 435 10.2 HÖ thèng giao diÖn sè trong ®o lêng (Interface for measurement system) 448 10.2.1 Giíi thiÖu chung 448 10.2.2. ThiÕt kÕ m¹ch kiÓu m¶ng khèi modun 449 10.2.3 Giao diÖn IEC (The International Electrotechnical Commission) 452 Tµi liÖu tham kh¶o 462 Lời nói đầu Giáo trình "Cơ sở kỹ thuật đo lờng điện tử" đợc biên soạn nhằm phục vụ cho việc học tập của sinh viên đại học thuộc các ngành kỹ thuật điện tử- viễn thông. Cuốn sách cũng có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các ngành kỹ thuật khác có sử dụng kỹ thuật đo lờng điện tử nh là một phơng pháp để nghiên cứu khoa học, sử dụng khai thác kỹ thuật của ngành mình. So với cuốn Cơ sở kỹ thuật Đo lờng Vô tuyến điện đã đợc xuất bản trớc đây, mà các chơng mục của tập sách đó đã đợc sắp xếp theo đề cơng của chơng trình môn học Đo lờng Vô tuyến điện, đã đợc sử dụng làm giáo trình ở trờng Đại học Bách khoa Hà nội trong hai thập niên trớc, thì kỹ thuật đo lờng điện tử cũng đã có sự phát triển vợt bậc, nhiều thiết bị đo đã biến đổi hoàn toàn. Ngày nay, Điện tử đã trở thành một lĩnh vực đa dạng và có sự phát triển vợt bậc, đến nỗi ta đã có thể coi Vô tuyến điện tử (Radio-Electronics) chỉ còn là một hớng phát triển của Điện tử. Do vậy tên gọi của môn học cũng nh tên giáo trình cũng phải có sự thay đổi theo hớng phát triển thích hợp. Nói về sự phát triển của kỹ thuật Đo lờng điện tử, trớc hết phải nói về những thay đổi cơ bản của các thiết bị đo có sử dụng các bộ vi xử lý (microprocessors). Vi xử lý đã trở thành bộ phận chủ yếu cấu thành của các thiết bị đo. Việc áp dụng bộ vi xử lý vào kỹ thuật đo lờng đã làm tăng tính năng, thông số của các thiết bị đo lên rất nhiều; đã mở ra cách giải quyết các vấn đề mà trớc kia cha đợc đặt ra. Có bộ 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 của các thông số phép đo, thực hiện tính toán, xử lý thống kê kết quả; tức đã tạo đợc thiết bị đo lờng lập trình tự động. Một phần của cuốn sách này đợc dùng để trình bày những nguyên tắc và các khả năng của các thiết bị đo có bộ vi xử lý. Tuy vậy, trong thực tế nhiều khi chỉ cần các thiết bị đo đơn giản hơn, nên rất nhiều các thiết bị đo dùng kỹ thuật tơng tự và kỹ thuật số có sơ đồ lô-gích đang đợc sử dụng và vẫn đang đợc sản xuất tiếp tục. Trong cuốn sách còn đề cập đến các nguyên tắc truyền thống của kỹ thuật Đo lờng điện tử. Kỹ thuật Đo lờng điện tử là một ngành kỹ thuật có phạm vi rất rộng, cả về đối tợng đo, môi trờng và điều kiện đo, cũng nh dải tần đo, lợng trình đo và cấu tạo mạch đo. Tham vọng của tác giả là làm thế nào để có thể gói gọn đợc cả phạm vi rộng lớn nói trên vào những vấn để rất cơ bản và cách trình bày phải thể hiện đợc các nguyên tắc truyền thống cũng nh cập nhật đợc các nguyên tắc hoàn toàn mới trong cuốn sách của mình. Mặc dù đã cố gắng để cuốn sách đạt đợc ý tởng nói trên, song 1 chắc không tránh khỏi còn sai sót, tác giả mong đợc sự góp ý, chỉ dẫn của bạn đọc. Các ý kiến xin gửi về Khoa Điện tử- Viễn thông, trờng Đại học Bách khoa Hà nội, điện thoại 8692242. Ngày 4 tháng 6 năm 2001 PGS. Vũ Quý Điềm 2 Chơng I Giới thiệu chung về kỹ thuật đo lờng điện tử Mở đầu Trong quá trình phát triển của khoa học kỹ thuật mà toàn bộ thế giới đang chứng kiến, điện tử là một trong những ngành phát triển mũi nhọn. ứng dụng của điện tử, tin học, viễn thông đang ngày một lớn và ảnh hởng sâu sắc đến cuộc sống và cách thức làm việc của toàn xã hội. Để phát triển đợc các lĩnh vực trong một tổng thể chung là ngành điện tử, thì vấn đề đo lờng là một vấn đề cần đợc quan tâm và phát triển. Nội dung của giáo trình Đo lờng điện tử đợc giới thiệu trong tập sách này có thể nói một cách tóm tắt là: nghiên cứu các phơng pháp đo lờng điện tử cơ bản, các biện pháp kỹ thuật để thực hiện các phơng pháp đo và các thao tác kỹ thuật đo lờng để đạt đợc những yêu cầu cần thiết của phép đo. Cụ thể, nội dung này bao gồm các vấn đề về các phơng pháp đo lờng các thông số của tín hiệu và mạch điện, các biện pháp cấu tạo các mạch đo cũng nh cấu trúc tính năng của máy đo, cách nâng cao độ chính xác của phép đo cũng nh cách xác định, hạn chế sai số của kết quả đo. Đo lờng các thông số đặc tính của tín hiệu nh là đo các thông số cờng độ của tín hiệu (Ví dụ nh các thông số dòng điện, điện áp, công suất .), nh quan sát dạng của tín hiệu, đo tần số, đo di pha, phân tích phổ của tín hiệu. Đo các thông số của mạch điện nh các thông số các linh kiện đờng thẳng, linh kiện không đờng thẳng (các linh kiện cơ sở nh điện trở, tụ điện, đèn điện tử, đèn bán dẫn . đến các linh kiện nh IC, các loại mạch tích hợp .), trong các mạch điện có phần tử tập trung, các thông số của các linh kiện đờng thẳng trong mạch siêu cao tần. Đặc điểm cơ bản của kỹ thuật đo lờng điện tử là các phép đo đợc thực hiện trong một dải phổ rất rộng, từ 0Hz (tín hiệu không biến đổi) đến 3.10 15 Hz (sóng quang). Do vậy các phơng pháp đo, cấu trúc của máy đo và cả độ chính xác của phép đo cũng đều tuỳ thuộc vào dải tần của đối tợng đo lờng. Ví dụ ở tần số thấp thì dễ dàng đo đợc dòng điện và điện áp, nhng ở siêu cao tần thì các thông số cần xác định là dòng 3