Tài liệu Giáo trình kỹ thuật đo lường P12 docx

GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 12: O TN S GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in 1 C C H H     N N G G 1 1 2 2 . .   O O T T   N N S S   ( ( 2 2 L L T T ) ) 12.1. Khái nim chung. - Tn s (f: frequency): đc xác đnh bi s các chu k lp li ca s thay đi tín hiu trong mt đn v thi gian. Tn s là mt trong các thông s quan trng nht ca quá trình dao đng có chu k. - Chu k (Time period, Time cycle): là khong thi gian nh nht mà giá tr ca tín hiu lp li đ ln ca nó (tc là tho mãn phng trình u(t) = u(t + T) ). Quan h gia tn s và chu k ca tín hiu dao đng là: ][ 1 ][ sT Hzf = - Tn s góc tc thi (): đc xác đnh nh là vi phân theo thi gian ca góc pha ca tín hiu, tc là: ][)( grad dt d t ϕ ω = Quan h gia tn s góc tc thi và tn s là: )(. 2 1 )()(.2)( ttftft ω π πω =⇔= vi f(t) là tn s tc thi. i vi tín hiu dao đng điu hòa (tín hiu hình sin) vì có góc pha bin đi theo thi gian theo quy lut tuyn tính nên tn s góc tc thi là mt hng s: constdtdt === 0 /)( ωϕω ⇒ tn s f là mt đi lng không đi: π ω ω π 2 )(. 2 1 0 == tf Khong tn s đc s dng trong các lnh vc khác nhau nh: vô tuyn đin t, t đng hoá, vt lý thí nghim, thông tin liên lc .vi di tn t mt phn Hz đn hàng nghìn GHz. - Tn s k: là dng c đ đo tn s. Ngoài ra còn có th đo t s gia hai tn s, tng ca hai tn s, khong thi gian, đ dài các xung . - Các phng pháp đo tn s: vic la chn phng pháp đo tn s đc xác đnh theo khong đo, theo đ chính xác yêu cu, theo dng đng cong và công sut ngun tín hiu có tn s cn đo và mt s yu t khác.  đo tn s ca tín hiu đin có hai phng pháp: phng pháp bin đi thng và phng pháp so sánh: a) o tn s bng phng pháp bin đi thng: đc tin hành bng các loi tn s k cng hng, tn s k c đin, tn s k t đin, tn s k ch th s: ̇ Các tn s k c đin tng t (tn s k đin t, đin đng, st đin đng): đc s dng đ đo tn s trong khong t 20Hz ÷ 2,5kHz trong các mch ngun vi cp chính xác không cao (cp chính xác 0,2; 0,5; 1,5; 2,5). GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 12: O TN S GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in 2 Các loi tn s k này nói chung hn ch s dng vì tiêu th công sut khá ln và b rung. ̇ Các tn s k đin dung tng t: đ đo tn s trong di tn t 10Hz ÷ 500kHz, đc s dng khi hiu chnh, lp ráp các thit b ghi âm và rađiô v.v . ̇ Tn s k ch th s: đc s dng đ đo chính xác tn s ca tín hiu xung và tín hiu đa hài trong di tn t 10Hz ÷50GHz. Còn s dng đ đo t s các tn s, chu k, đ dài các xung, khong thi gian. b) o tn s bng phng pháp so sánh: đc thc hin nh ôxilôscôp, cu xoay chiu ph thuc tn s, tn s k đi tn, tn s k cng hng .: ̇ S dng ôxilôscôp: đc thc hin bng cách đc trc tip trên màn hình hoc so sánh tn s cn đo vi tn s ca mt máy phát chun n đnh (da trên đng cong Lítsazua). Phng pháp này dùng đ đo tn s các tín hiu xoay chiu hoc tín hiu xung trong di tn t 10Hz đn 20MHz. ̇ Tn s k trn tn: s dng đ đo tn s ca các tín hiu xoay chiu, tín hiu điu ch biên đ trong khong t 100kHz ÷20GHz trong k thut vô tuyn đin t. ̇ Cu xoay chiu ph thuc tn s: đ đo tn s trong khong t 20Hz - 20kHz. ̇ Tn s k cng hng: đ đo tn s xoay chiu tn s tín hiu điu ch biên đ, điu ch xung trong khong t 50kHz ÷ 10GHz; thng s dng khi lp thit b thu phát vô tuyn. Trong nhng nm gn đây tn s k ch th s đc s dng rng rãi và còn cài đt thêm µP đ điu khin và s dng kt qu đo na . Di đây s tin hành xét mt s phng pháp và dng c đo tn s ph bin nht, bao gm: ̇ o tn s bng phng pháp cng hng ̇ Tn s k đin t ̇ Cu đo tn s ̇ Tn s k ch th s 12.2. o tn s bng phng pháp cng hng. 12.2.1. Tn s k cng hng đin t: Là dng c đo theo phng pháp bin đi thng. Thng đc s dng đ đo tn s ca li đin công nghip. Cu to ca tn s k cng hng đin t nh hình 12.1, bao gm 2 phn chính: mt nam châm đin và các thanh thép. Các thanh thép đc gn cht mt đu, còn đu kia dao đng t do, mi thanh có tn s riêng bng hai ln tn s ca ngun đin cn đo và tn s riêng ca mi thanh khác nhau. Nguyên lý hot đng ca tn s k đin t: di tác dng ca t trng nam châm đin trong mt chu k ca tín hiu cn đo các thanh kim loi s đc hút vào nam châm hai ln và do đó dao đng. Thanh nào có biên đ dao đng ln nht thì thanh đó có tn s riêng bng hai ln tn s cn đo. Trên mt dng c đo (H .12.1b) ta thy biên đ dao đng ca thanh kim loi ln nht ng vi tn s đã GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 12: O TN S GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in 3 khc đ trên mt s. Hình 12.1. Tn s k cng hng đin t: a) Cu to ; b) Mt ch th u đim: cu to đn gin, bn. Nhc đim: gii hn đo hp (45 ÷ 55Hz) hoc (450 ÷ 550Hz); sai s ca phép đo thng là ± (1,5 ÷ 2,5)%; không s dng đc  ni có đ rung ln và thit b di chuyn. 12.2.2. Tn s k cng hng đin: Là dng c đo theo phng pháp so sánh. Tn s k s dng hin tng cng hng đin là mt h thng dao đng đc điu chnh cng hng vi tn s cn đo ca ngun tín hiu. S đ khi nguyên lý nh hình 12.2: Hình 12.2. S đ khi nguyên lý ca tn s k cng hng đin Trng thái dao đng đc phát hin theo s ch cao nht ca b ch th cng hng t l vi dòng áp (hay áp) trong h thng dao đng. Tn s cn đo đc khc đ ngay trên núm vn ca thit b dò tìm dao đng hoc s dng bng s hay đ th. B vào đ hoà hp gia tn s k và ngun tín hiu cn đo. Ví d: tn s có cha h thng dao đng s dng t xoay đ tìm dao đng có th đo tn s đn 200MHz. Phng pháp cng hng đn gin, tin li; cp chính xác có th đt ti 0,1%. 12.3. Tn s k đin t. 12.3.1. Tn s k đin dung dùng đi ni đin t: Là dng c đo theo phng pháp bin đi thng. Nguyên lý hot đng: da trên vic thc hin vic đo giá tr trung bình ca dòng phóng I ca t đin khi t đin này phóng np có chu k cùng nhp vi tn s cn đo f X . S đ nguyên lý nh hình 12.3. Khi khóa K  v trí (1) thì t đin C đc np t ngun E qua R 1 đn đin áp U 1 (thng đin tr R 1 và t C đc chn sao cho hng s thi gian np R 1 C đm bo cho t C np đy). Sau đó khi khóa K  v trí (2) thì t C s phóng qua R 2 , qua c cu ch th t đin đn đin áp U 2 . Khi np đin, đin tích np ca t C là: 1 .UCq n = sau khi phóng, đin tích còn li trên t C là: 2 .UCq cl = suy ra lng đin tích phóng qua c cu ch th trong mt chu k ca khóa K là: GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 12: O TN S GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in 4 ).( 21 UUCq −= Tc là trong mt chu k đin tích qua c cu ch th là q, nh vy nu công tc K đi ni f X ln trong mt giây (tng ng vi f X chu k ca khóa K) thì giá tr trung bình ca dòng phóng I ca t qua c cu ch th (đc tính bng lng đin tích đi qua c cu ch th trong mt giây) là: XX fUUCfqI ) (. 21 −== suy ra: ).( 21 UUC I f X − = tc là tn s cn đo f X t l thun vi dòng chy qua dng c đo I, nh vy đo I có th suy ra f X . Nu t C và U 1 , U 2 là các đi lng không đi thì bng khc đ ca c cu ch th t đin có th khc trc tip theo đn v tn s. Theo nguyên tc này tn s k đin dung đc thc hin nh b đi ni đin t (đi ni K) vi tn s đi ni là f X ca đin áp điu khin nó. Hình 12.3. S đ nguyên lý ca tn s k đin dung dùng đi ni đin t c tính tuyn tính gia I và f X ch có th đm bo đc nu điu kin: constUUCq =−= ).( 21 vì vy trong mch ca tn s k b trí hn ch sao cho đin áp U 1 khi t np và U 2 khi t phóng đu nm trong khong ng vi di tn s cn đo.  m rng thang đo tn s thì phi đm bo hng s thi gian np và phóng ca t đin s nh hn na chu k ca tn s cao nht. iu này đt đc bng cách thay đi đin dung ca t đin (ví d: s dng mt b t đin), còn đin tr ca mch np R 1 và phóng R 2 luôn không đi. Gii hn trên ca tn s cn đo: (ng vi giá tr nh nht ca t C) đc xác đnh bi đ nhy ca c cu ch th và tn s đóng ct gii hn ca b đi ni K, vi đi ni s dng rle c khí thng đt đc tn s ti hn 1kHz, mun đt tn s cao hn phi s dng các b đi ni là rle đin t. Gii hn di ca tn s đo: đc xác đnh bi tn s mà  đó xut hin dao đng c khí ca kim ca c cu ch th (khong 10Hz). Sai s ca dng c đo loi này thng do: sai s ca c cu ch th, do ngun cp E không n đnh, do t C không n đnh và đc khc đ không đúng… Ví d: tn s k đin dung loi υ 3-7 đc s dng đ đo tn s tín hiu hình sin t 10Hz ÷ 500kHz vi sai s c bn là ± 2%, đin áp vào 0,5V ± 500V, đin tr vào hn 500k Ω , đin dung  đu vào không quá 15pF. 12.3.2. Tn s k đin dung dùng chnh lu: Là dng c đo theo phng pháp bin đi thng. GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 12: O TN S GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in 5 Nguyên lý hot đng: nh mch to xung mà đin áp có tn s cn đo f X đc bin thành xung vuông, trong khong thi gian có xung t C đc np qua đit D 1 , trong khong thi gian không có xung t phóng qua D 2 và c cu ch th t đin. S đ nguyên lý nh hình 12.4: Hình 12.4. S đ nguyên lý ca tn s k đin dung dùng chnh lu Góc lch α ca c cu ch th s t l vi dòng đin trung bình: ( ) XmIXII fUCSfqSIS === α Mt khác dòng trung bình I li t l thun vi tn s cn đo f x do vy góc lch α t l thun vi tn s cn đo f x vi điu kin đ nhy ca c cu ch th S I , t C và biên đ xung U m không đi. u đim: tn s k đin dung dùng chnh lu có u đim là có kh nng đo trc tip  di tn s rng. Ví d : Tn s k Φ 433/3 cp chính xác 1,5; khong đo t 0,1Hz ÷ 1000kHz. 12.4. Cu đo tn s.  đo tn s, có th dùng các cu đo mà điu kin cân bng ca cu ph thuc vào tn s ca ngun dòng đin cung cp. Ví d hình 12.5 là s đ mt mch cu đn gin có mt nhánh là mch cng hng: Bé chØ thÞ c©n b»ng R 4 1 R 2 R 3 R C L x U fx Hình 12.5. Mch cu đn gin đo tn s iu kin cân bng ca cu này là: 4231 RRZR = vi: ) 1 ( 33 C LjRZ ω ω −+= nh vy nu điu chnh các thông s ca nhánh sao cho nhánh Z 3 cng hng  tn s f x cn đo thì ta có: 33 1 RZ C L x x =⇒= ω ω và điu kin cân bng ca cu tr thành: GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 12: O TN S GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in 6 4231 RRRR = Nh vy phép đo tn s f x  đây chính là vic thc hin điu chnh các thông s ca nhánh RLC sao cho nhánh này cng hng ti tn s cn đo f x đ đt điu kin cân bng ca cu. Vi mch c th trên thì nhánh 3 đc điu chnh bng cách điu chnh giá tr ca t đin C, t giá tr ca C khi cu đt cân bng có th suy ra giá tr ca tn s cn đo f x : Cu cân bng ti f x 33 RZ =⇒ π ω ω ω ω 2 11 x xx x x f LC C L =⇒=⇒=⇒ nh vy thang đ điu chnh ca t đin C có th trc tip khc đ theo đn v tn s và đóng vai trò là ch th tn s đo đc.  m rng gii hn thang đo có th thc hin bng cách thay đi giá tr cun cm L. B ch th cân bng có th là vônmét chnh lu, vônmét đin t. Nhc đim ch yu ca mch này là khó ch to cun cm  tn s thp, khó thc hin ch th không do có tác đng ca đin t trng lên cun đin cm. Loi mch cu ph bin hn đ đo tn s là mch có s đ nh hình 12.6: fx U R 4 R 2 1 R Bé chØ thÞ c©n b»ng R 4 C 3 R C 3 Hình 12.6. Mch cu đo tn s iu kin cân bng ca cu này là ( đây b qua đin tr ca bin tr R):         += + 4 42 33 31 . 1 . .1 . Cj RR RCj RR xx ωω        = += ⇔ 433 4 4 3 4 3 2 1 1 RRC C C C R R R R x x ω ω ⇒ giá tr tn s cn đo là: 43434343 .2 1 2 1 CCRR f CCRR x xx π π ω ω ==⇒= Nu chn các đin tr và t đin sao cho: RRR == 43 và CCC == 43 thì kt qu tn s đo đc s là: RC f x .2 1 π = Ngoài ra còn có th dùng loi cu ch “T kép” nh hình 12.7. iu kin cân GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 12: O TN S GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in 7 bng ca cu là:      = = 1 2 2 . 21 2 1 2 21 2 2 2 RRC CCR x x ω ω Khi 12 .2 RR = ; 12 .2 CC = thì ta có: 1111 . 4 1 . 2 1 CRfCR xx π ω =⇒= fx U Bé chØ thÞ c©n b»ng R 1 2 R C 1 1 C C 2 R 2 Hình 12.7. Cu ch “T kép” đo tn s Nh vy thay vì điu chnh giá tr ca t đin ta có th điu chnh giá tr ca đin tr R 1 đ cu đt cân bng, thang chia đ điu chnh ca R 1 có th trc tip khc đ theo tn s. Phng pháp cu dùng đ đo tn s t vài chc Hz ti vài trm kHz; sai s đo khong (0,5-1%). 12.5. Tn s k ch th s. Nguyên lý ca mt tn s k ch th s là đm s xung N tng ng vi s chu k ca tn s cn đo f x trong khong thi gian gi là thi gian đo T đo . Trong khong T đo ta đm đc N xung t l vi tn s cn đo f x .  hình 12.8a là s đ khi ca mt tn s k ch th s. - Quá trình hot đng ca tn s k ch th s nh sau: ngun tín hiu có tn s cn đo đc đa đn đu vào ca "B vào". “B vào” bao gm mt b khuch đi di rng vi tn s t 10Hz ÷ 3,5MHz và mt b suy gim tín hiu; mc đích là đ hòa hp tn s k vi ngun tín hiu có tn s cn đo, đng thi đ khuch đi hay hn ch đin áp vào đn giá tr đ đ kích thích to xung làm vic. Tip theo là b to xung -“B TX” có chc nng bin tín hiu hình sin hoc tín hiu xung có chu k thành mt dãy xung DX có biên đ không đi (không ph thuc vào biên đ ca tín hiu vào) nhng có tn s bng tn s ca tín hiu vào (H.12.8b). ng thi vi quá trình trên, máy phát tn s chun -“MF TC chun f 0 ” phát tn s chun đc n đnh bng thch anh có tn s là f 0 = 1MHz. Tín hiu có tn s f o này đc đa qua “B chia tn s” theo các mc vi h s là 10 n , tn s chun f 0 = 1MHz s đc chia đn 0,01Hz. Ngha là  đu ra ca mch điu khin theo 10 n (n = 1, 2, ., 8) tng ng có th nhn đc khong thi gian 0 /1 fT đo = = 10 - 6 ; 10 -5 ; 10 -4 ; 10 -3 ; 10 -2 ; 10 -1 ; 1; 10; 100s. GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 12: O TN S GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in 8 Trong thi gian T đo mch điu khin “K” cho m khoá K (khoá có hai đu vào) đ cho phép dãy xung DX (có tn s t l vi f x ) đi vào b đm và sau đó ra c cu ch th, s xung đm đc trong thi gian T đo này là N. Nh vy suy ra chu k ca dãy xung là: 0 . . fN k N Tk N T T odo x === vi n k 10= suy ra tn s ca dãy xung là: k f N T f x x 0 . 1 == Nu T đo = 1s (k = 10 6 ) thì s xung N (tc là s các chu k) s chính là các tn s cn đo f x ngha là: Nf x = a) Hình 12.8. Tn s k ch th s: a) S đ khi ; b) Gin đ xung Mch điu khin ph trách vic điu khin quá trình đo; bo đm thi gian biu th kt qu đo c t 0,3÷5s trên ch th s; xoá kt qu đo đa v trng thái 0 ban đu trc mi ln đo; điu khin ch đ làm vic: t đng, bng tay, hay khi đng bên ngoài (external trigger); chn di đo tn s (cho ra xung m khoá K) và cho ra xung điu khin máy in s . B hin s thng có nhiu digit (hàng đn v, hàng chc, hàng trm .) bo đm ch th toàn b di tn s cn đo. - Sai s ca phép đo và các yu t nh hng đn sai s: sai s c bn ca GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 12: O TN S GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in 9 phép đo tn s là tn s sai s lng t theo thi gian, sai s này tng khi tn s cn đo gim. C th sai s tng đi ca phép đo tn s đc tính nh sau: do do x x f T T N N f f ∆ + ∆ = ∆ = γ ̇ Thành phn NN /∆ : ph thuc vào t s gia thi gian đo T đo và chu k ca tín hiu cn đo xx fT /1= . Sai s lng t theo thi gian là do quá trình không trùng nhau gia thi đim bt đu thi gian đo T đo và thi đim bt đu chu k T x . Nu T đo và T x là bi s ca nhau (tc là trùng nhau các đim đu ca hai khong thi gian) thì sai s ∆N = 0; còn nu nh T đo và T x không phi là bi s ca nhau thì sai s ln nht ca quá trình lng t hoá là ∆N = ±1 xung thuc dãy bé nht ca b đm. ̇ Thành phn th hai ca sai s là dodo TT / ∆ : đc xác đnh bi đ bin đng ca tn s chun f 0 t máy phát thch anh đ cho ra ca s T đo . Sai s này c 10 -7 và đc tính là: 0 0 0 . f f f T T do do γ = ∆ = ∆ Vy sai s ca phép đo tn s s là: o doxdo do x x f f Tf f NT T N N f f . 1 . 1 0 γγγ +=+= ∆ + ∆ = ∆ = Nh vy nu constf = 0 . γ thì sai s ca phép đo tn s t l nghch vi đ ln ca tn s đo, tc là sai s này nh khi ta đo tn s cao, và sai s này s ln khi ta đo tn s thp. Ví d: vi 7 0 10. − =f γ nu đo tn s f x = 10MHz, T đo = 1s, thì γ f = 2.10 -5 % còn nu f x = 10Hz, T đo thì γ f = 10%. Nh vy, khi đo tn s cao sai s ca phép đo ch yu là do đ không n đnh ca tn s máy phát chun f o . Còn khi đo tn s thp sai s ch yu là sai s lng t. - Gim sai s khi đo tn s thp: mun gim sai s khi đo tn s thp thì phi tng thi gian đo T đo nhng điu này không phi khi nào cng thc hin đc. Vì vy trong tn s k ch th s hoc là ngi ta s dng b nhân tn s đ nhân tn s cn đo lên 10 n ln hoc là không cn đo tn s na mà chuyn phép đo tn s sang đo thi gian mt chu k T x ca tín hiu cn đo. Khi đo chu k T x ta thc hin theo s đ nh hình 12.9. Tín hiu có tn s cn đo f x qua “B vào” và qua b to xung “TX” s to ra tín hiu T x chính là chu k ca tn s cn đo. Tín hiu T x qua b điu khin s đa vào m khoá K, nh vy thi gian T x chính bng T đo . Trong thi gian T x khi khoá K m thì tín hiu f 0 t máy phát tn s chun s đi vào b đm và ra c cu ch th s, s xung đm đc là N. Quan h gia N và T x là: GIÁO ÁN_K THUT O LNG CHNG 12: O TN S GV: Lê Quc Huy_B môn T-L_Khoa in 10 xo x f f T T N 0 == suy ra tn s cn đo là: 0 . 1 f N f x = Hình 12.9. Tn s k ch th s gim đc sai s khi đo tn s thp: a) S đ khi ; b) Gin đ xung Sai s tng đi ca phép đo chu k đc tính là: (%)100. ).( . 0 0       +±= x Tx TN T f γγ . tn s cn đo lên 10 n ln hoc là không cn đo tn s na mà chuyn phép đo tn s sang đo thi gian mt chu k T x ca tín hiu cn đo. Khi đo chu k. khin quá trình đo; bo đm thi gian biu th kt qu đo c t 0,3÷5s trên ch th s; xoá kt qu đo đa v trng thái 0 ban đu trc mi ln đo; điu