Hình 5.11. Sơ đồ khối của một oát-mét dùng bộ vi xử lý
Khi bật thiết bị đo, trên đầu vào của cả hai bộ biến đổi số-tương tự bằng 0 và việc cân bằng cần đo một bộ khuếch đại dòng một chiều bảo đảm. Đây là chế độ tự cân bằng của cầu. Trong đó dòng điện nuôi cầu có giá trị I (dòng đi qua điện trở RP2 không có). Sự sụt hiệu điện thế tại điện trở Rp1 được đo bằng vôn-mét số và kết quả đo được đưa vào bộ vi xử lý.
Bộ vi xử lý đưa một số vào bộ biến đổi số-tương tự II để cho ra một dòng điện I0 tương ứng tại đầu ra của bộ khuếch đại dòng thêm vào. Như vậy dòng điện đưa vào cầu được tăng lên, nó là tổng của 2 dòng. Nó sẽ làm cho bộ khuếch đại dòng một chiều nuôi cầu giảm dòng xuống còn ΔI1 = I-I0, trong đó ΔI1 <<I0. Hiệu điện thế không cân bằng của cầu qua bộ khuếch đại được đưa vào bộ biến đổi tương tựưsố, từ hiệu điện thế sang một số. Số này được đưa vào bộ vi xử lý và tại đây, giá trị I0 và ΔI1 sẽ được xác định để tương ứng với trạng thái cân bằng của cầu. Cả hai giá trị này được đưa vào bộ nhớ của bộ vi xử lý: I0 cho qua Rp2 và đo sự sụt áp tại đây, ΔI1 – sau khi đo sụt thế tại Rp1. Các đầu vào của von-met số được nối qua bộ multiplexer.
Sau khi cho công suất của sóng cao tần qua điện trở nhiệt thì cầu mất cân bằng. Để lập cân bằng, người ta giảm dòng ΔI đến giá trị ΔI2 (I0 vẫn giữ nguyên). ΔI2 được đo bằng von-met số và giá trị đo được đưa vào bộ nhớ của bộ vi xử lý.
Ta tìm công thức để tính công suất của sóng cao tần theo các giá trị dòng điện đo được khi cầu có sự cân bằng ban đầu, dòng điện đưa vào đầu AB là I1=I0+ ΔI1, khi có sự cân bằng lần sau (sau khi cho công suất của sóng cao tần qua) thì
Vậy 4 2 2 2 0 2 1 0 t s R I I I I P Hay 4 2 2 2 2 1 2 2 1 0 t s R I I I I I P
Bộ vi xử lý sẽ tính toán giá trị này và thể hiện ra ngoài màn hình. Thiết bị cho phép tiến hành nhiều lần đo và tự động xử lý các kết quả đo. Từ công thức ta thấy phép đo công suất là gián tiếp bởi vì quan hệ giữa công suất Ps, I0 và ΔI không tuyến tính, do vậy để đánh giá sai số của phép đo, ta phải dùng lý thuyết tính sai số trong trường hợp đo gián tiếp. Để rút gọn phép tính, giả sử rằng: ΔI1=0; ΔI2=ΔI<<I0. Như vậy có thể viết lại: /2
0
0 t
s I IR
P
Mở rộng giới hạn phép đo.
Giới hạn trên của công suất đo được bằng điện trở nhiệt có thể được mở rộng khi a cắm thêm ở đầu vào của thiết bị một bộ biến đổi có chia độ (bộ suy giảm). Lúc đó, công suất đo được bằng số đo trên oát-mét nhân với hệ số của bộ biến đổi (bộ suy giảm).Các thiết bị đo nêu trên là các thiết bị hấp thụ công suất, có thể sử dụng thiết bị cho công suất đi qua, muốn vậy phải có một đường dẫn công suất. Đường chính được nối từ máy phát và phần chịu công suất. Thiết bị đo được nối vào đường rẽ có một phần công suất nhỏ đi qua. Nhánh rẽ này được xác định, chia độ cho một công suất tắt dần chỉ trong một khoảng giới hạn cho trước. Công suất đi qua đường chính ở cuối đường sẽ lớn hơn công suất đo được bằng oát-mét trên nhánh rẽ là C lần: Pđi qua= Pđo .C. Trong đó, C= Pchính/Pphụ là tỷ lệ công suất trên đường chính và đường rẽ.
CHƯƠNG VI
GIỚI THIỆU ĐO LƯỜNG TỰ ĐỘNG 6.1. Các khuynh hướng cơ bản
Sự phát triển của ngành kỹ thuật điện tử số và kỹ thuật vi xử lý trong hơn một thập kỷ gần đây đã tạo những biến đổi quan trong cho kỹ thuật đo lường ứng dụng trong ngành điện tử và viễn thông.
Vấn đề tin học hoá phương pháp đo, số hoá cấu trúc thiết bị đo đã làm thay đổi chất lượng của quá trình đo lường, mà điều quan trọng hơn cả là nâng cao được về độ chính xác cho thiết bị đo và tự động hoá được quá trình đo.
Các thiết bị đo lường số đang có xu hướng dần thay thế cho các thiết bị đo lường tương tự. Tuy vậy, các thiết bị đo số vẫn còn các hạn chế do chính phương pháp đo số và cấu trúc cơ sở của mạch đo số gây ra (ví dụ như sai số ±1 do không đồng bộ, sai số do các phần tử nhị phân như flip-flop và sai số lượng tử hoá, ...).
Microprocessor (µP) đang tạo nên những biến đổi có tính cách mạng trong kỹ thuật điện tử, do vậy cũng đã góp phần tạo nên các biến đổi quan trọng trong kỹ thuật nói chung và cả trong đời sống kinh tế-xã hội.
Việc sử dụng µP trong kỹ thuật đo tới mức nào và hiệu quả của thiết bị đo có cấu tạo thêm µP đến đâu đó là điều cần khảo sát, cũng đồng thời là hướng nghiên cứu của kỹ thuật đo lường điện tử.
Các khả năng của thiết bị đo có cài đặt µP như sau:
Tăng chức năng đo cho thiết bị (Function, Multi functionality): Những máy đo nhiều chức năng không có µP trước đây, phải chuyển chức năng bằng chuyển mạch, qui trình đã được chế tạo cố định, nên không thay đổi được, vì phần cứng và mạch logic là cố định. Khi có µP tham gia vào thiết bị, thì có thể đổi thiết bị đa chức năng chế tạo bằng các mạch logic cố định thành thiết bị đo có chương trình hoá, bằng cách cài đặt chương trình điều hành trong các bộ nhớ ROM khác nhau. Các máy đo có lưu trữ chương trình như vậy đã làm tăng khả năng mềm dẻo của máy thoả mãn yêu cầu đo mà không phải thay đổi mạch điện. Đồng thời, logic chương trình hoá cũng đã làm giảm đáng kể giá thành của máy đo.
Nâng cao độ chính xác đo lường (Accuracy): Độ chính xác của thiết bị phụ thuộc vào cấp chính xác của nó. Sai số của thiết bị còn tuỳ thuộc vào đặc tính đo lường của thiết bị đó. Có nhiều cách để nâng cao độ chính xác (hay giảm sai số), song với bản thân máy đo thì ở khả năng như:
o Thực hiện tự chuẩn, tự thử được chính xác. Khả năng này còn bị sai số ngẫu nhiên, nên cần phải thực hiện đo nhiều lần và lấy trung bình thống kê các kết quả đo được. Máy đo có µP có khả năng thực hiện được các yêu cầu trên.
Mở rộng khả năng đo (Capability): µP trong thiết bị đo đã có thể mở rộng và phát triển khả năng đo lường của máy để thích hợp với các dạng yêu cầu khác nhau của kỹ thuật đo, ví dụ yêu cầu đo gián tiếp một đại lượng vật lý cần đo. Một đại lượng vật lý phải đo gián tiếp thì được thực hiện thông qua tính toán bằng một quan hệ toán học giữa các đại lượng đo trực tiếp, ví dụ: hệ số khuyếch đại của một thiết bị, được tính toán từ các trị số đo của điện áp đầu vào đầu ra. Tổng quát hơn, một đại lượng vật lý Z cần biết giá trị, nó có quan hệ với các đại lượng x1, x2,...,xq, mà các đại lượng này có thể đo trực tiếp được, có quan hệ như sau: Z = f(x1, x2,...,xq). Như vậy, kết quả đo gián tiếp là: A = f(B1, B2, ..., Bq); (B1, B2, ..., Bq là kết quả đo trực tiếp các đại lượng x1, x2,...,xq. Vì phải cần một số thiết bị khác nhau để đo đ-ợc các kết quả B1, B2, ..., Bq, phải tính toán, phải mất nhiều thời gian, phải giữ mạch thực nghiệm cần đo số liệu suốt thời gian đo và tính,... do vậy chính chúng đã là các yếu tố quan trọng gây sai số. Nhưng với thiết bị đã có àP, thì bằng các lệnh đưa vào từ bàn phím, thiết bị đo đã thực hiện phép đo đúng yêu cầu theo chương trình đã định và vì lưu trữ được các kết quả đo trực tiếp, đồng thời tính toán theo yêu cầu và hiển thị kết quả cuối cùng. Mặc dù là đại lượng cần đo là phải đo gián tiếp, song ta có thể có được kết quả trực tiếp khi nối máy đo với các mạch cần đo. Thiết bị đo có µP còn thực hiện rất hiệu quả với các phép đo tích luỹ tích (Cumulative measurement), kết quả đo được giải từ các nhóm phương trình của các kết quả đo trực tiếp của một số đại lượng vật lý đồng nhất cần đo.
Điều khiển đơn giản: Mới nhìn có thể nghĩ là máy đo có µP phải thực hiện nhiều chức năng, thao tác của một thiết bị được chương trình hoá, song ngược lại, tính ưu việt của cấu tạo phần mềm cao đã làm đơn giản mặt máy đi nhiều. Một thiết bị đo càng "thông minh" nếu như nó càng ít đi sự điều khiển. Những máy đo có µP thường có bàn phím ngoài, để riêng hay cấu tạo trên mặt máy. Ví dụ vôn-mét số có độ linh hoạt cao, có bộ phím cỡ 17 phím nhưng đã điều khiển được 44 tổ hợp các chức năng, thang độ, và chế độ công tác. Các phím điều khiển mạch và tín hiệu tương tự ghép nối qua µP, nên
nét hơn cả là sự tự động chọn thang đo, chọn khoảng thời gian chuẩn, chọn các điều kiện thao tác. Một số loại còn có thiết bị báo lỗi khi người đo có nhầm lẫn và có hướng dẫn cách thực hiện đúng ở màn hiển thị của máy. Thực hiện các phép tính mong muốn cho kết quả đo: Nhiều khi người đo
mong muốn có một hàm số toán học nào đó của kết quả đo hơn là chỉ biết bản thân kết quả riêng biệt. Máy đo có µP cho khả năng chương trình hoá để thực hiện các biến đổi kết quả này.
Có thể phân tích thống kê đại lượng cần đo: Một số vôn-mét số có cấu trúc µP có thể cho các giá trị như: Trị số trung bình cộng, kỳ vọng, Trị số trung bình bình phương, Phương sai
Có thể tiểu hình hoá thiết bị: Số linh kiện dùng ít đi vì đã có nhiều chức năng thực hiện bởi µP, nên kích thước bé đi.
Máy có giá thành ngày càng hạ: Giá hạ do rút bớt được các giá về công nghệ chế tạo và giá thao tác tính toán.
Có thể nâng cao được độ tin cậy: Do máy có µP thì dùng ít linh kiện (độ tin cậy tỷ lệ nghịch với số linh kiện được sử dụng). Do máy có đặc tính tự chuẩn, không phải dùng mạch chuẩn cho máy (ví dụ như mạch chuẩn độ khuếch đại Y của Ô-xi-lô).
Giảm nhỏ thời gian đo: Vì có thư viện mẫu, các chương trình con,... nên thao tác phần mềm đã làm dơn giản các thuật toán như bình phương, khai căn, nhân chia,... Tính thông minh của máy, do phần mềm, đã chọn chương trình thực hiện, rút ngắn được thao tác và thời gian.
Phối hợp, tổ chức được trong một hệ thống đo, mạng đo: Máy đo có µP, có thể thêm card phối ghép (interface card), thì tổ chức thành một hệ thống đo, một mạng đo của các máy đo riêng biệt. Đó là các khả năng của máy đo có cầu trúc cài đặt microprocessor, biểu thị tính cách mạng của vấn đề sử dụng vi xử lý trong kỹ thuật đo lường.
Vấn đề tự động hoá trong đo lường:
Như đã trình bày ở chương 1, một trong những đặc điểm của đo lường trong điện tử viễn thông là đối tượng đo rất rộng rãi, không chỉ bó hẹp trong phạm vi các đại lượng thuộc kỹ thuật điện tử thông tin mà bao gồm cả những đại lượng không điện nữa. Các đại lượng này hợp thành từng nhóm, có liên quan với nhau phản ảnh nhiều khía cạnh của một quá trình nào đó. Khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển các quá trình sản xuất và phục vụ đời sống ngày càng trở nên phức tạp. Điều đó không những làm cho các đại lượng cần đo tăng lên mà một điều quan trọng hơn
còn làm cho khối lượng tin tức cần đo lường và gia công trong một đơn vị thời gian tăng lên không ngừng. Trong khi đó, do những hạn chế về sinh lý, khả năng thao tác và nhận biết của con người chỉ có hạn, đã không thể đáp ứng được yêu cầu của thực tế kỹ thuật.
Để giải quyết mâu thuẫn này, người ta tìm cách hoàn thiện khả năng của kỹ thuật đo lường (về phương pháp và thiết bị) nhằm hạn chế phần tham gia của con người vào quá trình ấy. Những cố gắng trong lĩnh vực này rất đa dạng, phát triển theo nhiều hướng khác nhau. Cho đến nay, có thể thấy kỹ thuật đo lường điện tử hiện đại có xu thế đi theo hai hướng lớn sau:
Một là tự động hoá từng phần nhằm tăng nhanh tốc độ đo lường và giảm bớt khối lượng thao tác của con người . Theo hướng này, người ta thiết kế những máy đo có thể thực hiện được một vài phép toán đơn giản, những máy đo nhiều chức năng, đo được nhiều đại lượng vật lý khác nhau và những máy đo toàn cảnh cho phép quan sát trực tiếp dạng các đồ thị đặc trưng cho tính chất của hệ thống hay của một quá trình nào đó.
Hai là tự động hoá toàn bộ quá trình đo lường. Khi đó mỗi máy đo là một hệ tự động hoàn chỉnh, xây dựng theo nguyên tắc vòng kín. Về mặt sử dụng, tất nhiên máy đo loại này tiện lợi hơn loại trên nhiều nhưng kết cấu và nguyên lý của nó lại phức tạp hơn rất nhiều, đó cũng là điều tất nhiên. Trong nhiều trường hợp, tự động hoá toàn bộ là không cần thiết. Vì vậy, cả hai hướng trên vẫn phát triển song song và ngày càng đi tới hoàn chỉnh.
Dưới đây, ta sẽ lần lượt xem qua một vài nét tiêu biểu cho hai hướng này. Cũng như những chương trước ở đây vấn để khảo sát để tiện diễn giải, thì được thông qua các ví dụ với thiết bị cụ thể.
6.1.1. Tự động hoá từng phần quá trình đo lường
6.1.1.1. Thay thế phép đo gián tiếp bằng phép đo trực tiếp
Bằng những dụng cụ đo thông thường như vôn-mét, ampe-mét, ôm-mét... ta có thể đọc được trực tiếp trị giá của nhiều đại lượng cần đo. Tuy nhiên nhiều khi kết quả đo được bằng những dụng cụ ấy còn chưa phải là đại lượng cần biết . Chẳng hạn, khi khai thác, kiểm tra điều chỉnh các thiết bị điện tử chúng ta thường phải đo được tỷ số điện áp của hai tín hiệu: tỷ số này cho ta khái niệm về đặc tính truyền đạt của một mạng bốn cực, về độ suy giảm trên một đường dây, về hệ số sóng đứng, về hệ số phản xạ... Nếu như chỉ dùng vôn mét ta sẽ phải làm hai thao tác: đo và tính tỷ
Tự động hoá từng phần đo lường giải quyết vấn đề thời gian và lao động trên đây bằng cách tạo ra những dụng cụ đo theo phương pháp trực tiếp. Ví dụ một trong những loại dụng cụ ấy là máy đo tỷ số biên độ hai tín hiệu. Thang đo của nó khắc độ không thứ nguyên hoặc theo đêxiben.
6.1.1.2. Máy đo nhiều chức năng
Tác dụng của loại máy đo này có thể thấy rõ vị trí các thí nghiệm trong kỹ thuật điện tử, trong vật lý thường yêu cầu xác định nhiều thông số: điện áp, dòng điện, tần số, dải thông tần, đặc tuyến tần số... Và các máy đo nhiều chức năng thông thường nhất có thể gặp ở bất kỳ phòng thí nghiệm vô tuyến, điện tử nào: ampe-vôn- mét, ampe-mét, ôm-mét... Máy đo nhiều chức năng cho phép rút ngắn thời gian thực nghiệm, đơn giản hoá thao tác đo lường, thu gọn kích thước các thiết bị chọn