Nhiệm vụ chớnh của mỏy đo này là xỏc định đƣợc tham số và đặc tớnh của tớn hiệu điện. Cỏc tham số và và đặc tớnh của tớn hiệu điện này cú thể là đại lƣợng cần đo hoặc
đo thuộc lại này vớ dụ nhƣ: Vụn một; Ampe một; Mỏy đếm tần; Pha một; ễ-xi-lụ; Mỏy phõn tớch mộo dạng; Mỏy phõn tớch phổ; Mỏy phõn tớch luồng thụng tin (Phõn tớch giao thức)… Loại mỏy đo này đều cú cấu trỳc chung nhƣ 0.
– Cấu trỳc mỏy đo tham số và đặc tớnh của tớn hiệu.
Nhiệm vụ chớnh của mỏy đo này là xỏc định đƣợc tham số và đặc tớnh của tớn hiệu điện. Cỏc tham số và và đặc tớnh của tớn hiệu điện này cú thể là đại lƣợng cần đo hoặc chỳng lại giỏn tiếp mang thụng tin đo cho một đại lƣợng điện hay phi điện khỏc. Cỏc mỏy đo thuộc lại này vớ dụ nhƣ: Vụn một; Ampe một; Mỏy đếm tần; Pha một; ễ-xi-lụ; Mỏy phõn tớch mộo dạng; Mỏy phõn tớch phổ; Mỏy phõn tớch luồng thụng tin (Phõn tớch giao thức)… Loại mỏy đo này đều cú cấu trỳc chung nhƣ 0.
- Tớn hiệu điện x(t) mang thụng tin cần đo cần đo đƣa tới đầu vào.
- Mạch vào: (Signal Conditioning) Cú nhiệm vụ nhận tớn hiệu và truyền dẫn tớn hiệu tới Thiết bị biến đổi. Ngoài ra cũn cú chức năng thực hiện tiền xử lý tớn hiệu vào nhƣ tiền khuếch đại, suy giảm, giới hạn băng tần, lọc nhiễu, phối hợp trở khỏng,… nhƣng khụng làm mất thụng tin đo. Mạch vào thƣờng là bộ KĐ phụ tải catốt (Zvào cao), thực hiện phối hợp trở khỏng, cú cỏc bộ suy giảm, bộ dõy làm chậm… Nhiều chức năng mạch vào cú đƣợc lựa chọn bởi ngƣời sử dụng thụng qua những chuyển mạch, cụng tỏc điều chỉnh đƣa đƣa ra ngoài mặt mỏy đo. Mạch vào quyết định mức độ ảnh hƣởng của mỏy đo với chế độ cụng tỏc của đối tƣợng đo. Ở phạm vi tần số thấp và cao thỡ đặc tớnh này đƣợc biểu thị bằng trở khỏng vào của mỏy. Ở siờu cao tần thỡ đặc tớnh này đƣợc biểu thị bằng cụng suất mà mỏy đo hấp thụ đƣợc.
- Thiết bị biến đổi:Đõy là bộ phận trung tõm của mỏy đo, cú nhiệm vụ thực hiện so sỏnh, biến đổi và phõn tớch tớn hiệu theo một thuật toỏn nào đú để đỏnh giỏ đƣợc tham số và đặc tớnh cần đo mang trong tớn hiệu, xỏc định mối qua hệ giữa thang chỉ thị của thiết bị chỉ thị và đại lƣợng đo và tạo ra tớn hiệu phự hợp đƣa tới Thiết bị chỉ thị. Trong bản thõn thiết bị này cú thể tạo ra tớn hiệu cần thiết để so sỏnh tớn hiệu cần đo với tớn hiệu mẫu. Cú thể phõn tớch tớn hiệu đo về biờn độ, tần số, hay chọn lọc theo thời gian. Thƣờng
Mạch vào Thiết bị biến đổi Thiết bị chỉ thị Nguồn cung cấp Tớn hiệu mang thụng tin đo x(t)
46 lƣợng, tớn toỏn xử lý tớn hiệu tƣợng tự và số...
- Thiết bị chỉ thị: để biểu thị kết quả đo dƣới dạng sao cho thớch hợp với giỏc quan giao tiếp của sinh lớ con ngƣời, hay đƣa ra những thụng tin phự hợp để đƣa vào bộ vào bộ phận điều chỉnh, tớnh toỏn,... Vớ dụ cỏc dạng thiết bị chỉ thị nhƣ: Cỏc cơ cấu chỉ thị, Ống tia điện tử, cơ cấu chỉ thị số dựng LED 7 đoạn hay LCD 7 đoạn…
- Vớ dụ về mối qua hệ giữa cỏc phớm điều khiển và mạch vào của mỏy đo.
- Nguồn cung cấp: cung cấp năng lƣợng cho mỏy, và cũn làm nguồn tạo tớn hiệu chuẩn.
Cỏc loại mỏy đo thuộc nhúm này thỡ thực hiện theo phƣơng phỏp đo trực tiếp, kết quả đo cú thể đƣợc đọc thẳng hay thụng qua phộp đo so sỏnh với đại lƣợng mẫu.
– Cấu trỳc mỏy đo tham số và đặc tớnh của mạch
Mạch điện cần đo thụng số nhƣ: mạng 4 cực, mạng 2 cực, cỏc phần tử của mạch điện, đƣờng truyền dẫn, hệ thống, thiết bị điện tử… Cỏc loại mỏy đo thuộc nhúm này nhƣ: mỏy đo đặc tớnh tần số mạch hay thiết bị điện tử; mỏy đo đặc tớnh quỏ độ; mỏy đo hệ số phẩm chất; đo điện cảm; điện dung; điện trở; mỏy thử đốn điện tử, linh kiện bỏn dẫn, hay IC; mỏy phõn tớch đƣờng truyền; mỏy phõn tớch logic; mỏy phõn tớch mạng 4 cực…
Để đo đƣợc tham số và đặc tớnh, thỡ mạch điện cần phải hoạt động trong chế độ thực hoặc chế độ tớn hiệu thử. Mỏy đo sẽ thực hiện xử lý, phõn tớch và so sỏnh tớn hiệu ra của mạch với tớn hiệu vào mạch để đỏnh giỏ đƣợc tham số và đặc tớnh nào đú của mạch. Tớn hiệu thử mạch thƣờng đƣợc tạo hay đƣợc điều khiển bởi chớnh mỏy đo. Nguồn tớn hiệu thử này cú thể đƣợc xõy dựng kốm theo mỏy đo hoặc là cỏc thiết bị tạo tớn hiệu độc lập, nhƣ vậy cấu trỳc chung của cỏc loại mỏy đo thuộc nhúm này cú 2 dạng khỏc nhau nhƣ 0. Nguồn tớn hiệu thử Thiết bị biến đổi, xử lý tớn hiệu Thiết bị chỉ thị Nguồn cung cấp Mạch cần đo tham số, đặc tớnh
(a) – Cấu trỳc mỏy đo tham số và đặc tớnh của mạch cú nguồn tớn hiệu thử
(a) – Cấu trỳc mỏy đo tham số và đặc tớnh của mạch cú nguồn tớn hiệu thử độc lập
Mạch vào Thiết bị biến đổi, xử lý tớn hiệu Thiết bị chỉ thị Nguồn cung cấp Mạch cần đo tham số, đặc tớnh Nguồn tớn hiệu thử
48
cấu trỳc mỏy đo tham số và đặc tớnh của tớn hiệu, ngoài việc cú sử dụng thờm nguồn tớn hiệu thử. Mỏy đo tạo tớn hiệu thử phự hợp với yờu cầu đo và đƣa tới mạch cần đo, sau đú nhận tớn hiệu ra của mạch và thực hiện đo tham số của tớn hiệu này hay so sỏnh với tham số của tớn hiệu thử từ đú đỏnh giỏ đƣợc tham số và đặc tớnh nào đú của mạch điện cần đo.
2.2. CẤU TRệC CHUNG CỦA MÁY ĐO SỐ
2.2.1. Sự tiến triển trong cụng nghệ chế tạo thiết bị đo
Ngày nay cỏc cụng nghệ kỹ thuật điện tử tiến tiến nhất đều đƣợc đƣa vào việc chế tạo thiết bị đo.
Sự phỏt triển của điện tử số và cụng nghệ chế tạo vi mạch cho phộp chế tạo nhiều vi mạch tớch hợp cao nhƣ VLSI. Điển hỡnh là cỏc bộ vi xử lý với khả năng tớnh toỏn cao ra đời đó làm thay đổi quan niệm, cụng nghệ và cơ cấu, tớnh năng của thiết bị đo lƣờng điện tử.
Cỏc thiết bị đo sử dụng cụng nghệ số hiện nay khỏc với thiết bị đo tƣơng tự chỉ thị kim, ống tia điện tử… chủ yếu là ở phƣơng phỏp biến đổi và xử lý tớn hiệu mang thụng tin đo của đại lƣợng cần đo.
- Thiết bị đo tương tự: Là thiết bị đo biến đổi liờn tục cỏc đại lƣợng cần đo, để kết quả hiển thị ở đầu ra cũng biến đổi liờn tục, tƣơng tự nhƣ cỏc giỏ trị đầu vào. Việc xử lý tớn hệu và đo lƣờng đƣợc thực hiện bằng cỏc mạch điện tử tƣơng tự.
- Thiết bị đo số: Thiết bị đo biến đổi giỏ trị của đại lƣợng cần đo thành hệ cỏc giỏ trị rời rạc để thực hiện xử lý và hiển thị kết quả ở đầu ra.
Vấn đề tin học húa phƣơng phỏp đo, số hoỏ cấu trỳc thiết bị đo đó làm thay đổi chất lƣợng của quỏ trỡnh đo lƣờng, mà điều quan trọng hơn cả là nõng cao đƣợc về độ chớnh xỏc của thiết bị đo và tự động húa đƣợc quỏ trỡnh đo.
Cỏc thiết bị đo lƣờng số đang cú xu hƣớng dần thay thế cỏc thiết bị đo tƣơng tự. Tuy vậy, cỏc thiết bị đo số vẫn cũn cú những hạn chế do chớnh phƣơng phỏp đo số và cấu trỳc cơ sở của mạch đo gõy ra (vớ dụ nhƣ sai số do khụng đồng bộ, sai số do độ trễ của cỏc phần tử logic, và sai số lƣợng tử…).
2.2.1. Sơ đồ cấu trỳc chung của mỏy đo số
Mỏy đo số hiện nay thƣờng đƣợc thiết kế dựa trờn cỏc hệ vi xử lý, hay hệ vi điều khiển cú cấu trỳc nhƣ một mỏy tớnh chuyờn dụng. Sơ đồ cấu trỳc tổng quỏt của một thiết bị đo số (cả mỏy đo và thiết bị tạo tớn hiệu) nhƣ sau:
Trong số đồ trờn, tớn hiệu mang thụng tin đo hoặc tớn hiệu tạo ra đƣợc đƣa vào hoặc đƣa ra từ bộ chuyển đổi /Mạch vào(ra).
– Sơ đồ cấu trỳc thiết bị đo số
- Bộ chuyển đổi (Transducer)/Mạch vào(ra): Biến đổi cỏc đại lƣợng phi điện thành đại lƣợng điện, hoặc biến đổi cỏc dạng năng lƣợng ở đầu vào thành tớn hiệu điện… Nếu đầu vào hoặc đầu ra là tớn hiệu điện thỡ đú là khối Mạch vào, cũn nếu là thiết bị tạo tớn hiệu thỡ đú là Mạch ra. Vớ dụ cỏc bộ chuyển đổi dựng trong đo lƣờng nhƣ sau: Cặp nhiệt điện, Điện trở nhiệt, tinh thể ỏp điện (biến đổi ỏp suất thành điện ỏp), biến đổi cụng suất siờu cao tần thành tớn hiệu điện, cỏc loại bộ cảm biến sensor…
- Khối xử lý tớn hiệu tương tự: Thực hiện cỏc tiền xử lý với tớn hiệu tƣơng tự khuếch đại, lọc nhiễu, phối hợp trở khỏng, đổi tần, phõn ỏp, suy giảm, khuyếch đại cụng suất, lấy mẫu và giữ mẫu… Sử dụng những mạch riờng biệt để tỏch những đặc tớnh riờng trong dạng tớn hiệu vào và cú thể cú chức năng quan trọng nữa là so sỏnh tớn hệu tƣơng tự với một tớn hiệu chuẩn tƣơng tự, tạo ra tớn hiệu cú tỉ lệ biờn độ, tần số, dạng… phự hợp với đầu vào của tầng tiếp theo.
- ADC/DAC: Trong trƣờng hợp là thiết bị đo thỡ thực hiện chức năng ADC - biến đổi tớn hiệu tƣơng tự - tớn hiệu số. Cũn trong trƣờng hợp mỏy tạo tớn hiệu thỡ thực hiện chức năng DAC - biến đổi tớn hiệu số thành tớn hiệu tƣơng tự.
- Khối xử lý tớn hiệu: bản chất nhƣ một mỏy tớnh chuyờn dụng (gồm cú cỏc bộ vi xử lý, bộ nhớ và giao diện vào ra I/O) đƣợc thiết kế phự hợp với những yờu cầu điều khiển và tớnh toỏn trong mỏy đo. Khối này cú thể cú một hay nhiều bộ vi xử lý, bộ vi điều khiển, bộ xử lý tớn hiệu số DSP… để thực hiện việc điều khiển chung cho mỏy đo và thực hiện tớnh toỏn số liệu thụ từ ADC. Số liệu này sẽ đƣợc tớnh toỏn thành cỏc thụng tin đo lƣờng theo một thuật toỏn nào đú. Cỏc thao tỏc xử lý tớn hiệu số chủ yếu ở khối này cú thể là:
+ Chọn lọc thụng tin: vớ dụ nhƣ tớnh toỏn biờn độ, chu kỳ tớn hiệu… Bộ chuyển đổi /Mạch vào(ra) Xử lý tớn hiệu tƣơng tự Giao diện ngƣời sử dụng ADC /DAC Nguồn nuụi
RAM ROM I/O
Vi xử lý (P) vào hoặc ra Giao diện số Tớn hiệu tƣơng tự Tớn hiệu điều khiển Thụng tin Số liệu số Khối xử lý số
50
DFT biến đổi số liệu biểu diễn trong miền thời gian thành số liệu biểu diễn trong miền tần số.
+ Kết hợp với những thụng tớn thớch hợp.
+ Định dạng thụng tin cho truyền thụng qua giao diện thụng tin: giao diện ngƣời sử dụng, giao diện mỏy tớnh…, vớ dụ nhƣ số liệu 3 chiều cú thể miờu tả bằng màn hỡnh 2 chiều…
Chức năng khỏc của khối này là ứng dụng những hệ số chuẩn húa cho số liệu, thực hiệu kết hợp bự sai số, hệ số chuẩn húa với thụng tin để làm tăng độ chớnh xỏc, độ tuyến tớnh, độ tin cậy của phộp đo. Bờn cạnh đú khối này cũn thực hiện điều khiển cỏc khối khỏc.
- Giao diện người sử dụng: Thực hiện chỉ thị cỏc kết quả đo, hay nhận cỏc thao tỏc điều khiển thiết bị từ ngƣời sử dụng nhƣ điều khiển từ bàn phớm, nỳm xoay, chuột..., yờu cầu của khối này là phải hiển thị kết quả dễ dàng cho ngƣời sử dụng, trỏnh hiểu sai thụng tin đƣa ra bởi mỏy đo. Màn hỡnh chỉ thị thƣờng dựng cơ cấu chỉ thị số nhƣ màn hỡnh LCD với nhiều số và nhiều dũng văn bản, màn hỡnh ma trận, màn hỡnh ống tia điện tử…
- Giao diện số: Vớ dụ nhƣ RS232, Ethernet, USB hay một số chuẩn giao diện số đặc biệt dựng trong đo lƣờng nhƣ GPIB..., cho phộp truyền thụng tin giữa mỏy đo với mỏy tớnh hay với cỏc mỏy đo khỏc trong hệ thống thụng tin đo lƣờng. Cỏc chuẩn giao diện này quy định khuụn dạng thụng tin, ngụn ngữ điều khiển, cấu trỳc dữ liệu để thực hiện trao đổi thụng tin và điều khiển giữa mỏy đo và mỏy tớnh.
2.2.3. Ƣu điểm của mỏy đo số
+ Tăng chức năng đo cho thiết bị
Những mỏy đo nhiều chức năng khụng cú vi xử lý trƣớc đõy, phải chuyển chức năng đo bằng chuyển mạch, quy tỡnh đó đƣợc chế tạo cố định, nờn khụng thay đổi đƣợc, vỡ phần cứng và mạch logic là cố định.
Khi cú sử dụng vi xử lý, thỡ cú thể đổi thiết bị đang năng chế tạo bằng cỏc mạch logic cố định trƣớc đõy thành thiết bị đo cú chƣơng trỡnh húa, bằng cỏch cài đặt chƣơng trỡnh điều hành trong cỏc bộ nhớ ROM khỏc nhau.
Cỏc mỏy đo cú lƣu trữ chƣơng trỡnh nhƣ vậy đó làm tăng khả năng mềm dẻo của mỏy thỏa món yờu cầu đo mà khụng phải thay đổi mạch điện.
Độ chớnh xỏc của thiết bị đo phụ thuộc vào cấp chớnh xỏc của nú. Sai số của thiết bị cũn phụ thuộc vào đặc tớnh đo lƣờng của thiết bị đo đú. Cú nhiều cỏch để nõng cao độ chớnh xỏc, xong với bản thõn mỏy đo thỡ ở khả năng nhƣ:
Thực hiện tự loại bỏ sai số hệ thống, vớ dụ khả năng tự động xỏc định điểm khụng khi bắt đầu đo.
Thực hiện tự chuẩn, tử thử đƣợc chớnh xỏc. Khả năng này cũn cú sai số ngẫu nhiờn, nờn cần phải thực hiện đo nhiều lần và lấy trung bỡnh thống kờ cỏc kết quả đo.
Mỏy đo số dựng vi xử lý cú khả năng thực hiện cỏc yờu cầu trờn.
+ Mở rộng khả năng đo
Cấu trỳc của mỏy đo số cho phộp mở rộng và phỏt triển khả năng đo lƣờng của mỏy để thớch hợp với cỏc dạng yờu cầu khỏc nhau của kỹ thuật đo, vớ dụ yờu cầu đo giỏn tiếp một đại lƣợng vật lý nào đú.
Một đại lƣợngvật lý phải đo giỏn tiếp thỡ đƣợc thực hiện thụng qua tớnh toỏn bằng những quan hệ toỏn học giữa cỏc đại lƣợng đo trực tiếp, vớ dụ: Hệ số khuếch đại của một mạch đƣợc tớnh toỏn từ cỏc trị số đo của điện ỏp đầu vào và đầu ra. Tổng quat hơn, một đại lƣợng vật lý R cần đú cú mối quan hệ với cỏc đại lƣợng X1, X2,…, Xn (mà cỏc đại lƣợng này cú thể đo trực tiếp đƣợc): R=f(X1, X2,…, Xn). Với mỏy đo số cú thể thiết kế để cho phộp đo cỏc đại lƣợng khỏc nhau đú, mỗi phộp đo cú thể đƣợc chƣơng trỡnh húa và lƣu vào bộ nhớ chƣơng trỡnh, việc lƣu trữ kết quả và thực hiện tớnh toỏn cũng dễ dàng, đặc biệt là với tốc độ tớnh toỏn của Vi xử lý hiện nay.
+ Điều khiển đơn giản
Mỏy đo số cú thể thực hiện nhiều chức năng, tuy nhiờn những chức năng đú đó đƣợc chƣơng trỡnh húa và việc điều khiển đƣợc thực hiện tự động, nờn mặt mỏy cũng đó đƣợc đơn giản đi nhiều.
Một thiết bị đo càng thụng minh nếu nhƣ nú càng ớt đi sự điều khiển từ ngƣời sử dụng. Sự đơn giản điều khiển của mỏy đo cú vi xử lý rừ nột hơn cả là sự tự động chọn cấu hỡnh mỏy đo nhƣ chọn chức năng đo, chọn thang đo, chọn khoảng thời gian chuẩn, chọn cỏc điều kiện thao tỏc. Một số thiết bị đo cũn cú thiết bị bỏo lỗi khi ngƣời đo cú nhầm lẫn và cú hƣớng dẫn cỏch thực hiện đỳng trờn màn hiển thị của mỏy.
+ Thực hiện được cỏc phộp tớnh mong muốn cho kết quả đo
Nhiều trƣờng hợp ngƣời đo mong muốn thực hiện một hàm số toỏn học nào đú cho kết quả đo hơn là chỉ biết bàn thõn kết quả riờng biệt. Mỏy đo cú vi xử lý cho khả năng