- Ngõ vào của máy đo có hai vị trí bởi khoá S2:
+ ở vị trí NORM: tín hiệu đo độ méo dạng được đưa vào.
+ ở vị trí RF DET: tín hiệu điều biên AM. Sau khi tín hiệu cao tần
RF bị lọc ra khỏi được đưa vào máy để đô độ méo dạng của tín hiệu âm
tần được điều biên.
- Sau đó máy có hai chức năng:
+ Vôn kế điện tử khi S1 ở vị trí 1.
+ Đo độ méo dạng khi khoá S1 ở vị trí 2, 3 (ở vị trí 2, máy được
chỉnh ở mức cực đại 100%. ở vị trí 3, máy cho biết kết quả đo độ méo
dạng)
- Khi sử dụng phần vôn kế điện tử máy có bộ giảm 1000:1 và 1:1
(khối 1). Còn phần đo độ méo dạng có bộ giảm, có tổng trở vào 1M O
(khối 2).
- Khối 3 mạch điều hợp tổng trở.
- RV: biến trở điều chỉnh (set level) cho phần đo độ méo dạng.
- Khối 4, 5, 6 đã được trình bày ở phần đo méo dạng.
- Khối 7: bộ giảm ở sau mạch khuếch đại loại bỏ tín hiệu cơ bản.
- Khối 8: mạch đo sự sai dạng của tín hiệu.
189 trang |
Chia sẻ: Tiểu Khải Minh | Ngày: 27/02/2024 | Lượt xem: 10 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Giáo trình Đo lường điện - Trường Đại học sư phạm kỹ thuật Nam Định, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
pha giữa hai kênh. Khoá S
được đưa về vị trí 1 (hình 6.6) Khi quay pha k ở vị trí 0 bằng cách thay
đổi quay pha phụ để đạt được vị trí ở bộ chỉ thị cân bằng.
Sau đó khoá S được chuyển về vị trí 2 và điều chỉnh quay pha chuẩn
cho đến khi đạt được vị trí 0 ở bộ chỉ thị cân bằng.
Khi đó kết quả sẽ được đọc ở bộ quay pha chuẩn k (có khắc độ
trên mặt).
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 147
2. Fazômét kiểu bù tự động
Kiểu bù bằng
tay không thuận
tiện và độ chính
xác phụ thuộc rất
nhiều vào người
điều khiển. Hơn
nữa nhiều khi cần
phải theo dõi sự
thay đổi của góc
pha theo thời gian.
Điều này dẫn đến
việc chế tạo
Fazômét kiểu bù tự
động.
Sơ đồ khổi
của một Fazômét kiểu bù tự động vẽ ở hình 6.7 Một đầu vào U2 được đưa
trực tiếp vào bộ chỉ thị cân bằng còn đầu vào U1 qua một loạt các bộ quay
pha đấu nối tiếp nhau 1 n ữ , chúng cho ra góc lệch pha tương ứng là
180o/20, 180o/21,180o/2n-1.
Khi có độ lệch pha giữa các tín hiệu vào. Xuất hiện tín hiệu ở đầu ra
bộ chỉ thị cân bằng và mở khoá K. Xung từ máy phát xung nhịp (clock)
Bộ đếm
Mạch phân phố bằng
Trigơ K MF
KnK2K1
1
180o/2o
2
180o/21
n
180o/22
U1
U2
Quay pha
chuẩn
Quay pha
phụ
1
2
U1
U2
Hình 6.6. Fazômét kiểu bù bằng tay
Hình 6.7. Fazômét kiểu bù tự động
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định148
đi vào bộ phân phối bằng Trigơ lần lượt đưa tín hiệu vào điều khiển các
khoá k1, k2, kn làm ngắn mạch một nhóm các quay pha cho đến khi tín
hiệu ra ở bộ chỉ thị cân bằng bằng 0. Độ lệch pha sẽ được ấn định bởi
những bộ quay pha, mạch phân bố bằng trigơ và bộ chỉ thị ở đầu ra.
Phương pháp cân bằng kiểu bù đã được sử dụng để chế tạo ra các loại
Fazômét như 2 − 4, 2 − 6, 2 − 9,Ví dụ Fazômét 2 − 4 có khoảng đo
là ± 240o với sai số 0,7o ở tần số 20Hz ữ60Hz. Với phương pháp biến đổi
tần số trung gian có thể mở rộng khoảng tần số của dụng cụ đến 10MHz,
nhưng sai số có thể tăng lên đến 2-3o.
Bộ phận chủ yếu trong các Fazômét kiểu bù là các bộ quay pha. Bộ
quay pha thường được chế tạo dựa trên các nguyên tắc sau:
Quay pha thông số, quay pha tròn và quay pha dưới dạng dây trễ.
- Quay pha thông số: thường đạt được độ lệch pha trong khoảng 0-
180o với sai số nhỏ hơn 1,5%. Sai số của quay pha chủ yếu phụ thuộc vào
độ chính xác và độ ổn định của các phần tử, của tần số làm việc và điện
trở tải.
- Quay pha tròn: có thể phân thành quay pha điện trở, điện cảm,
điện dung. Góc lệch pha có thể đạt được là 0 ữ360o và bảo đảm làm việc
trong khoảng rộng loại qua pha điện trở chủ yếu làm việc ở dải tần có sai
số đến 0,2o.
Loại quay qua điện trở có nhược điểm là điện áp ra không ổn định
và sự phụ thuộc giữa góc quay của con chạy biến trở và góc lệch pha là
không tuyến tính.
Loại quay pha điện cảm làm việc ở tần số cao hơn từ 100Hz ữ
1MHz. Sai số đạt được từ 0,1 ữ1%.
Loại quay pha điện dung được sử dụng ở khoảng tần số cao hơn, từ
hàng chục đến hàng trăm MHz.
Sai số của loại này chủ yếu là do điện áp ra không ổn định.
- Quay pha đường dây trễ được sử dụng trong khoảng 0 ữ 180o sử
dụng các phần tử RC hay LC. Loại quay pha này có cấu tạo đơn giản. Nhược
điểm là sự phụ thuộc giữa tín hiệu ra và tần số. Loại LC có thể đạt được độ
phân giải đến 0,001o trong dải tần số 100Hz ữ 10kHz (quay pha số).
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 149
6.3. Đo khoảng thời gian bằng phương pháp số
Việc đo khoảng thời gian giữa hai xung của hai đầu vào A và B ở
hình 6.8
Hình 6.8. Đo khoảng thời gian bằng phương pháp số
Các xung sau khi qua bộ khuếch đại tạo xung tạo ra xung đưa vào
hai đầu vào của bộ điều khiển để tạo ra xung mở (và đóng) khoá K.
Khoảng thời gian khoá K mở bằng khoảng thời gian cần đo tx xung từ
máy phát chuẩn f0 =
0
1
T
được đưa vào máy đếm qua khoá K trong khoảng
thời gian tx. Số xung mà máy đếm được sẽ được tính như sau:
0
0
x
x
tN f t
T
= = (6.15)
Từ đó ta có: 0xt NT= (6.16)
Từ biểu thức trên ta có thể tính được sai số tương đối của phép đo
thời gian như sau:
0
0 100t f
x
T
t
= ± + (6.17)
Trong đó:
0f - sai số tương đối của máy phát chuẩn thạch anh (hay
là một nguồn tần số chuẩn bên ngoài)
T0 - chu kỳ của tín hiệu từ máy phát chuẩn
tx - khoảng thời gian cần đo.
MFTS
chuẩn K
Bộ
Đếm
TX mở
khoá
KĐ
TX
KĐ
TX
Vào A
Vào B
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định150
Để đo độ dài của một xung tu ta đưa xung đó một lúc vào cả hai đầu
vào A và B của bộ khuếch đại tạo xung. Cả hai sườn xung trước và sau
của xung sẽ tạo ra các xung start và stop. Đưa vào bộ điều khiển để tạo ra
xung mở và đóng khoá K. Tiếp theo quá trình diễn ra giống như ở trên.
Sai số của phép đo sẽ là
0
0 100tu f
x
T
t
= ± + . 100 (6.18)
6.4. Đo hệ số công suất
Hệ số công suất là 1 thông số quan trọng xác định công suất máy
phát nguồn điện cung cấp cho tải, giá trị của hệ số công suất phụ thuộc
vào tính chất của tải trong trường hợp tải là thuần trở, hệ số cosϕ = 1,
năng lượng máy phát cung cấp cho tải là tốn nhất.
6.4.1. Đo hệ số công suất cos bằng phương pháp gián tiếp
(dùng Oát kế, Ampe kế và Vôn kế)
Hệ số công suất cos quan hệ với dòng điện và điện áp trong mạch
qua công thức:
(6.19)
Do đó:
(6.20)
Vậy dùng các đồng hồ V, A, W đo U, I, P trên tải ta tính được cosϕ.
Sai số: (6.21)
Phương pháp xác định cosTB
Ta có:
(6.22)
Với Wpk là điện năng phản kháng chỉ bởi công tơ phản kháng trong
khoảng thời gian xét;
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 151
Wtb là điện năng tác dụng chỉ bởi công tơ hữu công trong khoảng
thời gian xét.
Dùng công tơ đo năng lượng tác dụng và phản kháng trong một
khoảng thời gian nào đó (thường là một tháng) ta xác định được cosTB
của phụ tải theo công thức trên.
6.4.2. Đo trực tiếp cos bằng cơ cấu điện động (Fazômet điện
động)
1. Cos mét điện động một pha.
Người ta sử dụng cơ cấu chỉ thị lôgômet điện động để chế tạo dụng
cụ đo cos trong mạch một pha.
Cuộn tĩnh của cos điện động được mắc nối tiếp với mạch cần đo
cos ( hoặc nối với thứ cấp của máy biến dòng) hai cuộn dây động được
mắc nối tiếp với R, L và được đặt lên điện áp trên tải, (hoặc nối với thứ
cấp của máy biến dòng đo lường).
Vì cơ cấu không có mạch từ nên việc nối các cuộn dây động như
vậy sẽ tạo nên các dòng điện i1 và i2 là vuông pha với nhau. Ta có sơ đồ
đấu dây và đồ thị véctơ như sau:
Hình 6.9. Sơ đồ mắc cos điện động và đồ thị véctơ
Theo biểu thức góc quay của cơ cấu lôgômet điện động ta có:
(6.23)
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định152
Với góc:
(6.24)
Vậy:
Chú ý: Trên thực tế khi tần số thay đổi dẫn tới ωL thay đổi vậy I2
thay đổi do đó tỷ số I2/I1 khác hằng số nên sẽ gây nên sai số. Để khắc phụ
thì ta cải tiến sơ đồ như sau:
Hình 6.10. Sơ đồ cos điện động
Cuộn dây được chia thành 2 nhánh 2’ và 2’’. Hai nhánh này mắc
ngược cực tính nhau, một nhánh nối với L, một nhánh nối với C. Ta thấy
các dòng i2’ và i2’’ ngược pha nhau, mặt khác sẽ tạo ra mômen của cuộn
dây động thứ hai là tổng của hai mômen cùng dấu: M2 = M2’+ M2’’. Vì
vậy khi tần số thay đổi làm XL và XC thay đổi ngược nhau hay I2’ và I2’’
thay đổi ngược nhau. Vậy M2 = const. Tức là nhánh này không phụ thuộc
vào tần số.
2. Cos mét điện động ba pha
Sơ đồ mắc như hình (6.11).
Cuộn tĩnh được mắc nối tiếp vào pha A, hai cuộn dây động được
mắc với hai điện trở R và được đặt vào các điện áp UAB và UAC.
(6.25)
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 153
Hình 6.11. Sơ đồ mắc cos điện động ba pha và đồ thị vectơ
Góc quay của cơ cấu là:
(6.26)
Chú ý:
+ Trong sơ đồ này, các cuộn áp đều nối tiếp với điện trở R nên
không phụ thuộc tần số, hay I2/I1 = const.
+ Cuộn dòng có thể mắc vào các pha B, C tùy ý.
6.5. Đo tần số
6.5.1. Khái niệm chung
* Tần số và góc pha là các đại lượng đặc trưng cho quá trình dao
động có chu kì. Tần số được xác định bởi số chu kỳ lặp lại của tín hiệu
trong một đơn vị thời gian. Với các kỹ thuật tiên tiến hiện nay, các
phép đo chính xác nhất được qui về đo tần số chuẩn có thể đạt độ
chính xác cao với sai số 10-13 đến 10-12 mà các đại lượng mẫu khác khó
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định154
đạt được. Mặt khác so sánh tần số có những biện pháp đạt độ phân li
rất cao, có thể truyền đi dễ dàng.
* Chu kỳ là khoảng thời gian ngắn nhất mà giá trị của tín hiệu lặp
lại độ lớn của nó và thoả mãn phương trình u(t) = u(t+T).
Nếu gọi T là chu kỳ của tín hiệu, f là tần số của tín hiệu đó ta có:
f = 1/T (6.27)
* Tần số góc của tín hiệu được xác định bằng biểu thức:
ω = 2пf (6.28)
Dải của tần số được xác sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau như
trong vô tuyến điện, tự động hóa, thông tin liên lạc và thay đổi từ một
phần Hz đến GHz. Việc lựa chọn phương pháp đo tần số được xác định
tuỳ theo khoảng đo, độ chính xác yêu cầu, dạng đường cong, công suất
của nguồn tín hiệu v.v...
Để đo tần số ta có thể thực hiện theo 2 phương pháp biến đổi thẳng
và phương pháp so sánh. Các dụng cụ dùng để đo tần số được gọi là tần
số kế. Tần số, chu kì và góc lệch pha liên quan chặt chẽ với nhau qua
biểu thức:
φ = 2п. τ/T (6.29)
Với φ: góc lệch pha giữa 2 tín hiệu.
τ: là khoảng thời gian lệch nhau giữa 2 tín hiệu.
6.5.2. Đo tần số bằng phương pháp gián tiếp
Sử dụng mạch R, L, C nối tiếp
Xét mạch R, L, C nối tiếp như hình vẽ.
Hình 6.12. Mạch R-L-C mắc nối tiếp
Trong đó L và C có thể điều chỉnh giá trị. Ta điều chỉnh L và C để
mạch đạt cộng hưởng (quan sát Ampe mét thấy số chỉ đạt giá trị cực đại).
A
R CL
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 155
Điều kiện cộng hưởng của mạch là XL = XC hay ωL = 1C (6.30)
Suy ra: ω = 1
LC
hay f = 1
2 LCΠ
(6.31)
Vậy ta có thể xác định tần số của tín hiệu điện thông qua giá trị
của điện cảm L của cuộn dây và điện dung C của tụ.
6.5.3. Đo tần số bằng tần số kế cộng hưởng
* Cấu tạo (hình 6.14)
Trong đó:
1. Nam châm điện có cuộn dây W
2. Thanh thép làm nắp từ của nam châm điện
3. Thanh kim loại làm giá đỡ
4. Các lá kim loại mỏng làm lá rung. Mỗi lá có tần số dao động
khác nhau, nằm kề nhau có tần số dao động riêng chênh lệch nhau 1Hz
hay 0,5 Hz
Khi cho vào nam châm một dòng điện có tần số fx cần đo trong
mạch từ của nam châm sẽ có từ thông. Từ thông này ghép mạch qua nắp
1
2
3
4
Hình 6.13. Tần số kế cộng hưởng
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định156
thứ 2. Do dòng điện biến thiên với tần số fx nên từ thông sinh ra cũng
biến thiên với tần số fx và nó cũng sinh ra lực hút nắp 2 về phía lõi 1.
Vì dòng biến thiên nên lực hút cũng biến thiên làm nắp 2 bị hút nhả
theo sự biến thiên của tần số fx khi nắp 2 bị hút nhả sẽ sinh ra sự chấn
động tới thanh giá đỡ 3 đồng thời cũng làm các lá rung bị rung động.
Lá rung nào có tần số dao động riêng bằng với tần số của dòng điện
vào thì nó sẽ cộng hưởng rung động và nó rung với biên độ cực đại.
Quan sát trên phần đầu các lá rung rồi đọc số ghi tần số dao động
riêng của lá rung cộng hưởng ta xác định được tần số của lưới vào.
Các lá rung xung quanh lá rung cộng hưởng thì dao động với biên
độ thấp
* Ưu điểm: Giá thành rẻ, dễ quan sát.
* Nhược điểm: Độ chính xác không cao. Với những giá trị của tần
số lưới thay đổi khác với tần số cộng hưởng của các lá rung thì nó không
thể hiện được trên máy đo.
6.5.4. Tần số kế điện tử
Mạch nguyên lý cơ
bản: (Hình 6.14)
Điện áp có fx cần đo
được đưa vào cuộn dây của
rơ le (RL) khi đóng công
tắc CT thì giá trị XL của
cuộn dây sẽ thay đổi theo
tần số fx. Khi CT ở vị trí
1-1 thì tụ C được nạp với
điện áp bằng điện áp vào có hằng số thời gian được chọn sao cho tụ C được
nạp đầy mới ngắt CT chuyển đổi. Khi CT ở vị trí 2-2 tụ C phóng qua mạch
có cơ cấu đo là một điện kế. Khi nạp thì điện tích được nạp trên tụ là Q = EC.
Trong một chu kỳ thì điện tích qua cơ cấu đo cũng là Q trong một giây sẽ có
fx lần dao động cho nên dòng chạy qua điện kế I = Qfx = ECfx ⇒ fx = I/EC.
Như vậy tần số đo tỷ lệ bậc nhất với dòng điện qua cơ cấu.
E M
C
1 1 22
RL
Hình 6.14. Tần số kế điện tử
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 157
Nhận xét:
- Thang đo được khắc trực tiếp theo đơn vị của tần số, sai số của
mạch đo là 0,01
- Vì mạch điều khiển là RL cho nên tần số đo được giới hạn (chỉ đo
ở tần số thấp)
+ Đo bằng máy hiện sóng
+ Đo bằng phương pháp điều chỉnh độ sáng
Tần số chuẩn f0 được đưa vào mạch lệch pha 900 như hình 6-16
Mạch có một tụ và một trở. Điện áp trên tụ và trên điện trở lệch
pha. Tín hiệu này được đưa ra phiến làm lệch dọc và ngang. Nếu hai điện
áp này bằng nhau thì trên
màn hình hiện một vòng tròn.
Đưa fx vào lưới của ống
phóng tia điện tử làm cho
điện áp của lưới có sự thay
đổi của tín hiệu vào. Vì vậy
hình tròn trên màn hình trở
nên thay đổi không liên tục và
theo chu kỳ của tín hiệu vào
(bị đứt đoạn theo chu kỳ)
C
R URUCux, fx Đưa vào cuộn lái dọc, láingang màn hình
Hình 6.15. Bộ lái dọc, ngang máy hiện sóng
∼
∼
K
C R
f0=fM
fx
UV
G
Hình 6.16. Máy hiện sóng
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định158
Trigơ
Schmit
Cửa
And
Trigơ
Máy
đếm
thập
phân
Máy
đếm
thập
phân
Máy
đếm
thập
phân
Máy
đếm
thập
phân
Mạch
khoá
Mạch
khoá
Mạch
khoá
Mạch
khoá
BCD
tới giải
mã
thanh 7
đoạn
Màn
hiện
BCD
tới giải
mã
thanh 7
đoạn
Màn
hiện
BCD
tới giải
mã
thanh 7
đoạn
Màn
hiện
BCD
tới giải
mã
thanh 7
đoạn
Màn
hiện
Bộ định
thời gian
Tín hiệu vào
Utx
Bộ khuếch đại/suy giảm
Công tắc chọn gốc
thời gian
Công tắc
chọn dấu chấm
thập phân
Lối vào Reset
Lối vào khoá
Lối
vào
Reset
Dấu
chấm
thập
phân
Lối vào
Dạng sóng vào
Sóng ra mạch
Schmitt
Sóng ra của bộ
khuếch đại
Sóng ra
định thời
gian
Tín hiệu
Q ra từ
Trigơ
Tín hiệu Q
ra từ Trigơ
Tín hiệu
ra cửa
And
Xung Không xung
Cửa And
đóng
Cửa And ngắt
Điều chỉnh lại
mạch đếm
Đếm liên tục
Mạch khoá
ngắt
Mạch khoá
đóng
Hình hiện
không đổi
Hình hiện đã
điều chỉnh
Hình hiện
không đổi
T T
1
0
1
0
1
0
1
0
Q
Q
fx
6.5.5. Tần số kế chỉ thị số
a) b)
Hình 6.17. a) Sơ đồ khối của tần số kế chỉ thị số;
b) Các dạng sóng đối với máy đo tần số chỉ thị số
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 159
Hình 6.17a là sơ đồ khối của tần số kế chỉ thị số có bốn chỉ số và
các dạng sóng điện áp (hình 6.17b)
Tín hiệu có tần số cần đo được đưa vào khuếch đại hoặc làm suy
giảm sau đó đưa đến Trigơ Schmitt để tạo thành các xung vuông. Đầu ra
của Schmitt có cùng tần số như ở đầu vào và dùng để khởi động các mạch
đếm. Trước khi vào mạch đếm các xung phải qua cả Và (AND).
Các xung vuông trên chỉ đi vào mạch đếm khi đầu ra Q từ mạch
trigơ ở mức logic 1 (dương). Mạch trigơ thay đổi trạng thái mỗi khi nhận
được đầu ra tăng theo chiều âm từ bộ định thời gian (bộ chia tần).
Khi T=1s (hình 6.17b) đầu ra của mạch trigơ luân phiên ở mức 1
trong 1s và mức 0 trong 1s. Do đó cửa Và luân phiên đóng trong 1 giây
và ngắt trong 1 giây.
Tức là cửa Và luân phiên đưa các xung ra của trigơ Schmitt tới các
mạch đếm trong một giây và sau đó chặn chúng trong 1 giây. Các xung
vào được đếm trong thời gian cửa Và đóng (T=1s) cũng là số tần số cần
đo. Bộ định thời gian đo (Bộ chia tần) có 6 mức nhờ chuyển mạch bằng
tay hoặc tự động.
Đầu ra Q của trigơ ngược pha với Q. Các tín hiệu ra từ Q dùng để
reset các mạch đếm và để mở và đóng các mạch khoá.
Khi bắt đầu thời gian đếm, đầu ra Q có điện áp tiến theo chiều âm.
Điện áp này khởi động hệ mạch reset của các bộ đếm để đặt (set) chính
xác các điều kiện xuất phát ban đầu của mỗi bộ đếm. Vì đầu ra Q ở logic
0 trong thời gian đếm nên đảm bảo cho các mạch khoá đều ngắt do đó
trong thời gian đếm sẽ không có tín hiệu đi qua mạch khoá. ở cuối thời
gian đếm, dạng sóng cấp cho các đầu vào của mạch khoá chuyển sang
mức logic 1 và làm cho mạch khoá đóng. Trong thời gian mạch khoá
đóng, cửa Và ngắt và bộ đếm ngừng đếm. Các số hiện trên chỉ thị được
giữ không đổi trong suốt thời gian đếm do mạch khoá ngắt. Giả sử thời
gian đếm là Tđo, số xung đếm được là:
= = =
đo 0
0
T
x
x x
kT kN fT T f (6.32)
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định160
Nếu thời gian đo là 1 giây thì số xung đếm được N sẽ bằng tần số fx
fx = N
Sai số cơ bản của tần số kế số là sai số lượng tử theo thời gian. Sai
số này tăng khi tần số cần đo giảm. Sai số tương đối của phép đo được
tính như sau:
x do
Fx
x do
f TN
f N T
∆ ∆∆
= = +
Trong đó ∆NN phụ thuộc vào tỉ số giữa thời gian đo và chu kỳ của tín
hiệu cần đo Tx.
Sai số lượng tử theo thời gian là do sự lệch nhau giữa thời điểm bắt
đầu đo và thời điểm bắt đầu của chu kì. Nếu Tđo = nTx thì sai số ∆N =0,
nếu Tđo và Tx không phải là bội số của nhau thì ∆N =± 1.
Mặt khác ∆ đo
đo
T
T được xác định bởi sự biến động của tần số chuẩn
f0. Sai số này cỡ 10-7 và được tính:
∆ ∆= =đo 0 0
đo 0
T
T
f ff (6.33)
Ta có sai số của phép đo tần số là:
∆ ∆∆= + = + = +đo 0 0
đo đo
T 1 1
T T
x
x x
f N f ff N N f (6.34)
Với máy phát tần số là thạch anh ta có 0f =10-7 do đó
−∆= = ± +
+
7
đo
1% 100% ( 10 ).100%T
x
x
x x
ff f f (6.35)
fx - tính đơn vị Hz
Từ 6.35 ta thấy rằng sai số của phép đo tỉ lệ nghịch với độ lớn của
tần số cần đo. Nếu fx càng lớn thì sai số càng nhỏ và sai số sẽ lớn khi đo ở
tần số thấp. Ví dụ: fx = 10MHz, Tđo = 1s thì xf = 2.10-5%. Nếu fx =
10Hz, Tđo=1s thì xf =10%.
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 161
Để khắc phục hiện tượng sai số lớn khi đo tần số thấp người ta có thể
thực hiện một số biện pháp như tăng khoảng thời gian đo (Tđo) hoặc sử dụng
bộ nhân tần số cần đo lên 10n lần hoặc chuyển phép đo tần số sang đo thời
gian một chu kỳ Tx của tín hiệu đo: fx = 1
xT
. Hình 6.18 là sơ đồ đo tần số
bằng phương pháp đo chu kỳ Tx (phương pháp đếm nghịch đảo).
Tín hiệu có tần số cần đo fx qua thiết bị “đầu vào” và qua bộ tạo
xung để tạo ra các xung có chu kỳ Tx là chu kỳ của tín hiệu cần đo. Các
xung đó đưa vào bộ điều khiển để đóng mở khoá K, thời gian khoá K mở
là khoảng thời gian Tx cũng là thời gian đo Tđo.
Khi khoá K mở, các xung có tần số f0 từ máy phát xung chuẩn được
đưa vào bộ đếm và chỉ thị.
Số xung đếm được: = = 0
0
x
x
T fN T f
Để số xung tỉ lệ với tần số cần đo người ta thực hiện phép biến đổi
nghịch đảo:
=
0
x
ff N (6.36)
Sai số được tính theo biểu thức:
= ± + 00% [ ].100%x
x
TT f NT
MF TS
chuẩn f0 K
Bộ
đếm
ĐK
TXBộvào
T0
Tx
Ufx T0
Tx
t
t
t
U
U
Hình 6.18. Tần số kế đo bằng phương
pháp nghịch đảo
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định162
Hình 6.19. Tần số kế đo tần số thấp
Hình 6.19 là 1 ví dụ về tần số kế đo tần số thấp, trong đó tín hiệu có
tần số đo fx được đưa qua bộ khuếch đại hoặc suy giảm sau đó đưa vào
trigơ Schmitt để tạo xung. Các xung ở đầu ra của mạch Schmitt được
chuyển đến mạch trigơ và tới đầu vào cửa Và.
Mặt khác máy phát tần số chuẩn (1MHz) đưa trực tiếp các xung có
tần số f0 vào cửa Và thay cho mạch Schmitt (hình 6.17). Với cách bố trí
như trên (hình 6.19) bộ Và chuyển sang đóng trong thời gian tần số được
đo và các xung từ máy phát tần số chuẩn được đếm trong thời gian đó.
Trong thời gian đo số xung đếm được
= =
0
0
x
x
T fN T f và =
0
x
ff N sau khi đã nghịch đảo.
Ví dụ: khi tần số cần đo là 100Hz, cửa Và đóng trong khoảng thời gian.
Hz = 10ms. Các xung từ máy phát chuẩn có chu kỳ 0 6
1
10T = Hz = 1 s . Do
Trigơ
Schmit Trigơ
Cửa
AND
Q
Q
Khuếch đại/suy giảm
1 S
MHz từ máy
phát tần số
Tín hiệu
vào
Tín hiệu
từ
Schmit
Tín hiệu
Q ra từ
trigơ Đếm nghịch đảo
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 163
đó các xung đếm được trong thời gian 10ms là N = 101
ms
s = 10000 và con số
này được chỉ thị trên bộ hiện số như 100.00Hz (sau khi đã nghịch đảo).
Độ chính xác của phép đo tần số 100Hz bây giờ là 1± số đếm trên
10000, hoặc 10010000
Hz = 0,01Hz.
0,01% 0,01%100x
Hzf Hz = = ± (6.37)
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định164
Câu hỏi
Câu 1: Trình bày cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của Fazômét điện
động.
Câu 2: Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Fazômét điện tử.
Câu 3: Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của Fazômét số.
Câu 4: Có bao nhiêu phương pháp đo tần số, trình bày các phương
pháp đo tần số đó.
Câu 5: Trình bày nguyên tắc đo tần số của tần số kế chỉ thị số.
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 165
Chương 7
Các dụng cụ đo thông dụng
7.1. Đồng hồ vạn năng
7.1.1. Giới thiệu chung
- Đồng hồ vạn năng hay còn gọi là VOM mét (Vôn mét, Ohm mét,
MiliAmpe mét).
- Đồng hồ vạn năng (VOM) là dụng cụ nhiều chức năng có thể
dùng để đo: điện áp DC hoặc AC, dòng DC và điện trở, ngoài ra có thể sử
dụng để đo kiểm tra các linh kiện điện tử, đo hệ số khuếch đại của
Transistor, đo và kiểm tra chất lượng pin,
Một số ký hiệu trên mặt hiển thị của đồng hồ vạn năng
Hình 7.1. Ký hiệu trên mặt đồng hồ vạn năng
Kết cấu:
- Kết cấu bên ngoài: (mặt đồng hồ)
+ Mặt hiển thị
Để đồng hồ đứng vuông góc khi đo
Cơ cấu đo từ điện có chỉnh lưu
Để đồng hồ nằm ngang khi đo
Để đồng hồ nằm nghiêng khi đo
Điện áp thử nghiệm độ bền cách điện là 2 KV2
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định166
+ Công tắc chuyển mạch
- Kết cấu bên trong:
+ Cơ cấu đo: kiểu từ điện.
+ Mạch đo: U, I, R..... (sơ đồ nguyên lý hình 7.4)
7.1.2. Phân loại đồng hồ vạn năng
Đồng hồ vạn năng rất đa dạng về hình dáng và chức năng cũng như
phương thức hiển thị, có thể là đồng hồ chỉ thị kim (đồng hồ cơ) có thể là
đồng hồ chỉ thị số (đồng hồ số) như minh hoạ dưới đây.
Hình 7.2. Đồng hồ vạn năng chỉ thị kim
Hình 7.3. Đồng hồ vạn năng chỉ thị số
7.1.3. Sơ đồ nguyên lý đồng hồ vạn năng.
Mạch đo đồng hồ YX - 960TR:
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 167
ACV (9K /V)DCmA BATT
+
OUTPUT
2.5A
COM
PNP
NPN
DC (20K /V)
SW (1.5V) (9V)
MULTIMETERS Schematic diagram
R1
15M
R2
4M
R3
800K
R4
150K
R5
40K
R6
5K
R11
3K
R10
120
R9
10
R8
0.99
R26
10
R20
19
R19
200
R18
2.08K
R17
34K
R16
195K
0.1R
R25 360
R12
6.75M
R13
1.8M
R14
360K
R15
83.3K
R24
4.5
R7
240
R21
44K
R22
18K R2331K
R28
24K
R29
24K
R27
510
B2
44uA 1.8K
M
1000 250 50 10 2.5 0.5 0.1 (9V)
BATT
(1.5V)
BATT
2.5A250252.550uA 5010X10KX1KX100X10X1 OFF1000250
+ B1
680
VR3
C1
473
F1
250V/0.5A
10K
VR1
C2
473
D3 D4 680
VR3
D5
E
B
C
C
B
E
4148
D1
Hình 7.4. Sơ đồ nguyên lý đồng hồ vạn năng
Nguyên tắc đo
- Đo điện áp AC
+ Đo thang 10V: + (que đo) → F1 → R15 (83,3K) → SW vị trí 10V
→ D4148 nắn điện → W2 (680) → cơ cấu M → COM (que âm).
+ Tương tự cho các thang đo khác: 50, 250, 1000
- Đo điện áp DC
+ Đo thang 10V: + (que đo) → F1 → R6 (5K) → R5 (40K) → SW
vị trí 10V → R11 (3K) → R7 (240) → W2 (680) → cơ cấu M → COM
(que âm).
+ Tương tự cho các thang đo khác.
- Đo dòng điện DC:
+ Đo thang 25: + (que đo) → F1 → SW vị trí 25V → R11 (3K) →
R7 (240) → W2 (680) → cơ cấu M → COM (que âm).
Sơ đồ nguyên lý đồng hồ vạn năng
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định168
+ Tương tự cho các thang đo khác.
- Đo điện trở:
+ Đo thang X1: +B1 (nguồn pin) → SW vị trí X1 → R21 (44K) →
W1 (10k) → W2 (680) → cơ cấu M → COM (que âm) → F1 → -B1.
7.1.4. Sử dụng đồng hồ vạn năng
Cách sử dụng đồng hồ vạn năng:
Trước khi sử dụng đồng hồ vạn năng để đo các thông số ta cần chú
ý những điểm sau:
Bước 1: Đặt đồng hồ đo theo đúng vị trí quy định.
Bước 2: Các que đo phải cắm đúng cực tính:
+ Que dương (màu đỏ) = âm nguồn pin
+ Que âm (màu đen) = dương nguồn pin
Bước 3: Chỉnh “không” đồng hồ (nếu kim lệch khỏi vạch chỉ 0)
bằng cách xoay nhẹ nút điều chỉnh đối với quả đối trọng nằm ở giữa mặt
đồng hồ.
+ Quy ước: Thang đọc là phần kim chỉ thị.
Thang đo là công tắc chuyển mạch.
1. Đo dòng điện
- Chuyển thang đo về vị trí đo dòng điện (mA, A) sao cho trị số dòng
cần đo không vượt quá giới hạn thang đo. Dây đo phải chú ý cực tính.
- Khi đo dòng điện mắc nối tiếp ampe kế vào mạch cần đo để cho I
đi qua nó. Khi đó điện trở trong toàn mạch tăng lên một lượng bằng điện
trở của bản thân ampemet. Như vậy để đảm bảo chính xác cho kết quả đo
thì điện trở của ampemet phải rất nhỏ để khi mắc vào mạch nó không làm
ảnh hưởng đến dòng của mạch cần đo.
- Khi đo dòng ta phải cố định que đo trước rồi mới cấp nguồn cho
mạch.
Chú ý: - Trong thực tế ở các mạch thực tập điện tử cơ bản ta biết
U và R suy ra I.
- Còn trong công nghiệp để đảm bảo an toàn ta thường dùng ampe
kìm.
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 169
Công thức:
Giá trị đo = (thang đo giá trị kim đang chỉ trên thang đọc) / giới
hạn cực đại thang đọc.
2. Đo điện áp
- Nếu đo điện áp một chiều thì chuyển thang đo của đồng hồ về
phần đo điện áp một chiều (- mV, V).
- Nếu đo điện áp xoay chiều thì chuyển thang đo về vị trí đo điện áp
xoay chiều ( ∼, mV, V).
- Nếu chưa ước lượng được giá trị điện áp cần đo thì đặt thang đo
xoay chiều lớn nhất để đảm bảo an toàn cho thiết bị rồi từ giá trị cụ thể
đưa thang đo về vị trí phù hợp.
- Khi đo điện áp mắc vônmét song song với mạch cần đo (chú ý
cực tính đối với U một chiều). Đối với thang đo điện áp, điện trở trong
càng lớn càng tốt tránh sự rẽ dòng qua đồng hồ. Khi cần đo ở nhiều vị trí
khác nhau trên mạch điện ta cần cố định một que đo (que mass) que đo
còn lại lần lượt đưa tới những điểm cần đo.
Giá trị đo = (thang đo giá trị kim đang chỉ trên thang đọc)
/ giới hạn cực đại thang đọc
2. Đo điện trở
- Đưa chuyển mạch về thang đo R (Ω). Thang đo điện trở dùng để đo
cách điện, thông mạch. Trước khi đo thang nào phải chỉnh không thang đó,
bằng cách chập hai que đo của đồng hồ với nhau rồi vặn núm chỉnh
“không”của thang đo điện trở. Khi đo điện trở ta sử dụng nguồn pin bên
trong của đồng hồ nên tuyệt đối không được đưa nguồn ngoài vào. Hai đầu
que đo được đấu với nguồn pin bên trong của đồng hồ như sau:
Que đỏ (+) của đồng hồ nối với cực âm của nguồn pin.
Que đen (-) của đồng hồ nối với cực dương của nguồn pin.
- Phải chọn thang đo phù hợp sao cho kim chỉ trên mặt hiển thị dễ
đọc nhất (phần thang đo tuyến tính).
Giá trị đo = Số chỉ khắc độ Thang đo
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định170
Tóm lại ta có bảng sử dụng đồng hồ như sau:
Đại lượng đo Vị trí chuyểnmạch Thang đọc Hệ số nhân
Điện trở ì1
ì10
ì100
ì1k
ì10k
(A)
(A)
(A)
(A)
(A)
ì1
ì10
ì100
ì1000
ì10000
Điện áp DC DC 0,1V
0.5V
2.5V
10V
50V
250V
1000V
(B) 10
(B) 50
(B) 250
(B) 10
(B) 50
(B) 250
(B) 10
ì0.01
ì0.01
ì0.01
ì1
ì1
ì1
ì100
Dòng DC DC 50àA
2.5mA
25mA
250mA
2.5A
(B) 50
(B) 250
(B) 250
(B) 250
(B) 250
ì1
ì0.01
ì0.1
ì1
ì0.01
Điện áp AC 10V
50V
250V
1000V
(C) 10
(C) 50
(C) 250
(C) 10
ì1
ì1
ì1
ì100
hFE ì10 (D) ì1
ICE0 ì1
ì10
(E)
(E)
ì1 (for big tzt)
ì1 (for small
tzt)
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 171
7.2. Máy hiện sóng (Oscillocope)
Dao động ký điện tử hay còn gọi là OSCILLOSCOPE hoặc háy hiện
sóng là thiết bị giúp hiển thị dạng sóng của tín hiệu cần đo, qua đó xác
định được dạng sóng và một số thông tin về tín hiệu đó như biên độ, tần
số, góc lệch pha,
Hình 7.5. Sơ đồ khối máy hiện sóng
Dao động ký điện tử được chế tạo nhiều loại như một tia, hai tia,
bốn tia có khả năng hiển thị dạng sóng một tín hiệu hoặc đồng thời hai
hay nhiều tín hiệu.
Sơ đồ khối của dao động ký thông dụng.
7.2.1. ống phóng tia điện tử
Bộ phận chủ yếu của dao động ký là ống tia điện tử. Về cấu tạo,
ống tia điện tử là một ống chân không có vỏ bằng thuỷ tinh, bên trong có
chứa các điện cực. Đầu ống là hình trụ tròn, chứa súng điện tử và hai cặp
phiến làm lệch. Đầu cuối của ống to thành dạng hình nón cụt, đáy hình
nón là màn huỳnh quang, bên trong có quét một vài lớp mỏng huỳnh
quang. Bên trong vách thành cuối ống có quét một lớp than chì dẫn điện
suốt từ hai cặp phiến làm lệch tới gần màn huỳnh quang. Hình dạng bổ
dọc của ống tia như hình dưới.
1. Các bộ phận trong CRT (Cathode Ray Tube)
Tim đèn F: Dùng để đốt nóng catốt của CRT, điện thế đốt tim đèn
là 6,3 VAC.
X
Y
Đồng bộ trong
Chuẩn
biên độ
KĐYPhânáp vào
ĐK
tia
Mạch
ĐB
Máy phát
xung
Răng cưa
Chuẩn
thời gian
KĐX
Kênh Y
Đồng bộ ngoài
Lệch
Y
Lệch
X
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định172
Catốt C: ở bề mặt có phủ một lớp oxit kim loại khi tiếp thu nhiệt
năng sẽ bức xạ điện tử (hiện tượng nhiệt phát xạ).
Lưới điều khiển: Có dạng cái ly bằng Niken, có 1 lỗ cho chùm điện
tử qua, lưới điều khiển này bao quanh catốt. Điện thế phân cực giữa catốt
và lưới sẽ tạo ra điện trường điều khiển số điện tử được phép ra khỏi lưới.
Khi VGK (điện thế giữa lưới và catốt) càng âm thì số điện tử thoát ra khỏi
lưới càng ít, nếu VGK đạt đến điện thế ngưng dẫn thì chùm tia điện tử
không thoát ra được khỏi lưới.
Bản cực gia tốc A1 có nhiệm vụ làm tăng tốc cho chùm tia điện tử,
bản cực này có dạng hình trụ, một đầu hở hướng chùm tia điện tử đi vào,
một đầu kín chỉ chứa một lỗ nhỏ tại tâm cho chùm tia điện tử tập trung lại
đi qua.
A2, A3: Hai bản cực này phối hợp với bản cực A1 tạo thành hệ
thống thấu kính điện tử. Do sự phân cực điện áp khác nhau giữa A1, A2
và A2, A3 chúng ta có lực tĩnh điện tác động lên chùm tia điện tử. Lực
tác động này phụ thuộc vào các đường đẳng thế, các sự phân cực điện
áp này thay đổi thì các đường đẳng thế sẽ tạo ra độ hội tụ của chùm tia
điện tử thay đổi.
Hình 7.6. Hệ thống thấu kính hội tụ chùm tia điện tử dùng tĩnh điện
Bản lệch dọc và bản lệch ngang: Khi chùm tia điện tử đi qua bản
lệch dọc hoặc lệch ngang, thì điện trường giữa 2 bản cực này sẽ lái
chùm tia điện tử lệch theo chiều dọc và chiều ngang bằng lực tĩnh điện
(điều này khác với sự lệch chùm tia điện tử của đèn hình trong ti vi
bằng lực điện từ, nghĩa là có cuộn dây lệch thay cho bản cực lệch). Độ
A1 A2 A3
Đường đẳng thế
Chùm tia điện
tử (e-)
Chiều lực tĩnh điện
tác động
-2kV
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 173
lệch của chùm tia điện tử theo chiều dọc hoặc ngang phụ thuộc vào
điện áp giữa 2 bản cực.
Giữa 2 bản cực lệch dọc và lệch ngang của dao động ký có một bản
chắn nối mass để ngăn cách ảnh hưởng điện trường của 2 bản lệch dọc và
lệch ngang lẫn nhau.
Màn huỳnh quang: mặt trong của màn ảnh ống CRT được phủ
một lớp phát quang, tuỳ theo vật liệu của lớp phát quang này mà tia
sáng phát ra khi chùm tia điện tử đập vào màn ảnh huỳnh quang sẽ có
màu khác nhau:
Chất phát quang (Zn2SiO4 và Mn): cho màu xanh lá.
Chất phát quang muối sulfuric cadnium: cho màu vàng.
* Lớp than chì xung quanh ống cạnh màn ảnh dội trở lại). Do đó
điện thế âm không tích tụ lại trên màn ảnh.
* Điện áp phân cực cho Anod có trị số rất lớn vào khoảng KV nó
rất mạnh (tăng tốc) cho chùm tia điện tử đập vào màn huỳnh quang.
* Các vòng điện trở hình xoáy ốc bên ngoài được nối mass sẽ làm
cho các điện tử tích tụ, do điện trường lớn giữa catốt và anod bị trung hoà
điện tích.
Hình 7.7. ống phóng tia điện tử
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định174
2. Sự phân cực cho các bộ phận CRT
* Điện thế phân cực cho lưới, ví dụ: -2KV, khi thay đổi biến trở
P1 điện thế VGK thay đổi VK = -1950 V. Như vậy VGK <0 ảnh hưởng
đến sự phóng điện tử ra khỏi lưới. Vậy P1 điều chỉnh độ sáng cho chùm
tia điện tử.
* Biến trở P2 thay đổi điện trường cho các bản cực hội tụ A1, A2, A3
như đã đề cập ở trên (phần hội tụ chùm tia điện tử P3 biến trở dùng để
thay đổi điện thế giữa 2 bản cực lệch dọc. Ví dụ con chạy biến trở P3 dịch
chuyển về phía trái thì điện áp Y1 tăng so với điện áp Y2, tia sáng (chùm
tia điện tử) bị kéo về phía trên (phía Y1).
Còn nếu con chạy lệch về phía phải, điện thế Y1 giảm dần so với Y2,
chùm tia điện tử kéo lệch về phía dưới (Y2). Khi con chạy ở giữa biến trở
P3 hiệu điện áp giữa Y1, Y2 bằng không chùm tia điện tử không bị kéo
lệch về phía nào.
* Biến trở P4 dùng để thay đổi chùm tia điện tử theo chiều ngang (lý
luận như phần điều khiển tia sáng quét dọc).
Hình 7.8. Mạch phân cực cho ống phóng tia âm cực
Hình 7.8. Mạch phân cực cho ống phóng tia âm cực
P1
Độ sáng Hội tụ Khử từ
P2
- Điện áp Lệch dọc
P3
Lệch ngang
P4
6,31 VAC
Y1
Y2 X2
X1
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 175
7.2.2. Các khối chức năng trong máy hiện sóng
1. Tổng quát
* Nguồn cung cấp (1) tạo ra điện áp một chiều anod (vào khoảng
vài KV) cho lưới, catốt, cực gia tốc và tất cả điện thế DC cho các mạch
điện trong dao động ký.
* Khối khuếch đại tín hiệu điều khiển chùm tia điện tử quét theo
chiều dọc (2).
* Khối tạo tín hiệu răng cưa (3) làm chuẩn thời gian cho trục X của
màn ảnh dao động ký.
Hình 7.9. Các khối chức năng trong dao động ký
* Khối khuếch đại tín hiệu điều khiển chùm tia điện tử quét theo
chiều ngang (4).
* Khối tạo tín hiệu xung kích (5) cho sự đồng bộ hóa, điều khiển
chùm tia điện tử và ngang để cho hình ảnh hiển thị trên màn ảnh đứng
yên (nghĩa là phải có sự phối hợp đồng bộ cho sự điều khiển quét dọc và
quét ngang của chùm tia điện tử)
Tín
hiệu
Khuếch
đại dọc
Mạch kích
Schmitt
Mạch
vi phân
Khối tín hiệu
răng cưa
Khuếch đại
ngang
Nguồn
cung cấpEXTkích
EXT
INT
LINE
(6.3 VAC
5Hz)
CRT
1
2
3 4
5
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định176
2. Khối khuếch đại quét dọc
Hình 7.10. Mạch khối khuếch đại quét dọc
Tín hiệu thanh đo (prope) được đưa qua mạch phân tầm đo (mạch
giảm - attennuator network) để tín hiệu đưa vào mạch tiền khuếch đại
(preamplìier) đây là mạch khuếch đại điện áp như phần vôn kế điện tử.
Ngõ vào của mạch phân tần có khoá K1 cho 2 cách ghép:
* Ghép trực tiếp DC, tín hiệu DC và AC đều được đưa vào.
* Ghép gián tiếp AC chỉ cho tín hiệu DC vào. Còn ở vị trí O khoá
K1 nối mass không có tín hiệu vào.
Tuỳ theo vị trí của nút thay đổi thang đo (theo đơn vị Volt/ Div),
mạch giảm có khoá K2 ở vị trí tương ứng.
Hình 7.11. Mạch phân tần đo và mạch khuếch đại điện áp
Thanh
đo
Mạch
giảm
Tiền
Khuếch đại
Khuếch đại
công suất CRT
Khối khuếch đại dọc
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 177
Sau đó tín hiệu đưa vào mạch khuếch đại vi sai (Q2, Q3) có mạch
khuếch đại "theo điện áp" (mạch khuếch đại đệm) Q1, Q4. Cuối cùng
tín hiệu ở C2, C3 (VC2 - VC3) được đưa vào mạch khuếch đại công suất
(main frame amplifier), Điện áp ở 2 đầu ra của mạch khuếch đại công
suất đưa vào 2 bản cực lệch dọc (kết hợp với điện áp DC có sẵn của
bản cực lệch dọc).
3. Khối khuếch đại quét ngang
Hình 7.12. Mạch khối khuếch đại quét ngang
Khối khuếch đại quét ngang giống như khối khuếch đại quét dọc.
Ngoài ra tín hiệu vào có 2 cách phụ thuộc vào vị trí của khoá S2. Nếu
khoá S2 ở vị trí EXT tín hiệu quét ngang được đưa ngoài vào. Nếu S2 ở vị
trí INT thì tín hiệu quét dạng răng cưa từ mạch tạo tín hiệu quét răng cưa
(sweep generator) được đưa vào.
7.2.3. Máy hiện sóng hai tia
1. Tổng quát
Để có thể cùng lúc quan sát
được 2 tín hiệu khảo sát trên màn
ảnh, người ta thực hiện dao động
ký 2 kênh (hoặc nhiều kênh).
Trước hết cải tiến ống phóng tia
điện tử (CRT).
Có hai loại:
- Loại 2 catốt phát ra 2
chùm tia điện tử (dual beam)
Quét răng cưa
Khuếch đại
ngang
Khuếch đại đẩy
kéo CRT
Mạch giảm
EXT
Vị trí
khoá INT
Tín hiệu vào
Nối AC
Nối DC
Hình 7.13. ống phóng tia điện tử có 2
tia sáng xuất hiện trên màn hình
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định178
- Loại 1 catốt phát ra 1 chùm tia điện tử nhờ khoá chuyển đổi điện
tử thực hiện tuần tự chùm tia điện tử được quét dọc ở mỗi kênh (do tần số
chuyển lớn hơn tần số lưu ảnh của mắt cho nên chúng ta thấy được 2 hình
ảnh của 2 kênh trên cùng một màn ảnh).
Như vậy mạch khuếch đại quét dọc sẽ có 2 mạch cho mỗi kênh. Tín
hiệu quét ngang tuần tự phối hợp với tín hiệu mỗi kênh A và B theo hình
dưới ở chu kỳ thứ nhất tín hiệu quét ngang phối hợp với tín hiệu sin cho
kênh A.
Hình 7.14. Sơ đồ khối dao động ký
ở chu kỳ thứ 2 của tín hiệu quét ngang phối hợp với tín hiệu dạng răng
cưa của kênh B. Kết quả 2 tín hiệu ở 2 kênh cùng xuất hiện trên màn ảnh.
2. Cấu tạo
Cấu tạo của máy hiện sóng hai tia tương tự như máy hiện sóng một tia,
nhưng máy hiện sóng hai tia cần chú ý rằng trong ống tia điện tử có hai súng
phóng tia điện tử riêng biệt. Mỗi chùm tia điện tử cho một vết sóng. Mỗi tia
điện tử được súng điện tử tạo ra từ catốt qua các điện cực đến màn huỳnh
quang được qua các cặp phiến làm lệch riêng của nó (Y11,Y12 và Y21,Y22)
để lái tia điện tử 1 và 2 theo chiều đứng. Dạng sóng quét răng cưa từ bộ tạo
gốc thời gian đưa vào phiến làm lệch ngang và cả hai chùm tia điện tử này
được làm lệch ngang màn hình một cách đồng thời.
Tín hiệu thời
chuẩn
Khuếch đại dọc
Khuếch đại dọc
Lái kênh A
Lái kênh B
Khuếch đại ngang
Kênh A
Kênh B
Tín hiệu thời
chuẩn
Khuếch đại vào
Khuếch đại vào
Khuếch đại ngang
Kênh A
Kênh B
Mạch hoá
điện tử
Khuếch
đại dọc
Dịch chuyển DC
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 179
Máy hiện sóng hai chùm tia có cặp làm lệch đứng tách biệt hoàn
toàn, kênh A và kênh B. Mỗi kênh đều có mạch khuếch đại làm lệch
riêng biệt đưa tới phiến làm lệch. Bộ tạo gốc thời gian điều khiển một bộ
duy nhất các tấm lái ngang.
Với loại màn hình một chùm tia một cặp phiến lái đứng. Hai bộ
khuếch đại vào riêng kênh A và kênh B được sử dụng một bộ khuếch đại
lệch đứng để tới các tấm lái tia đứng. Tín hiệu vào bộ khuếch đại này
được chuyển mạch luân phiên giữa các kênh A và kênh B với tần số
chuyển mạch được điều khiển bởi mạch tạo gốc thời gian.
Chức năng các nút trên mặt máy hiện sóng:
1 Power Công tắc nguồn
2 Intens chỉnh sáng tối.
3 Focus Chỉnh độ hội tụ
4 Calip Chuẩn mức điện áp vào.
5 ILLum Điều chỉnh ánh sáng đèn hình.
6 Volts/div
AC - GND - DC
Chỉnh biên độ
7 Time/div Chỉnh tần số
8 Vertical mode
CH1- ALT- CHOP- ADD-CH2
Chọn cổng đo
9 Vertical Position
Horizontal Position
chỉnh dọc (β)
chỉnh ngang (β) )
10 Rotation chỉnh xoay
11 Trigger level - Hold, time: Chỉnh đồng bộ.Chỉnh đồng bộ.
12 Trigger Đồng bộ.Đồng bộ.
13 Slope: Xem tín hiệu đảo.
14 Source:
Vert, CH1, CH2,
Line
Exteral Cấp nguồn đồng bộ tín hiệu.
Cấp nguồn đồng bộ tín hiệu.
Tín hiệu nguồn AC được lấy vào
đồng bộ mạch quét ngang.
Đồng bộ qua lỗ cắm ext Syn.
15 Coupling:
Auto
Norm
Fix, TV-F, TV-L
Chọn tần số đồng bộ
đo tín hiệu > 100Hz
đo tín hiệu < 100hz
7.3. Ampe kìm
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định180
Ampe kìm là thiết bị đo dòng điện xoay chiều gián tiếp thông qua
một máy biến dòng điện, nó hoạt động dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện
từ, cấu tạo của máy biến dòng đặc biệt này là cuộn sơ cấp chỉ có một
vòng dây, cuộn thứ cấp nhiều vòng dây và mạch từ có thể đóng mở được.
Ngày nay với công nghệ kỹ thuật phát triển thì ampe kìm đã có
nhiều chức năng hơn, nó có thể được tích hợp để đo được cả điện áp và
nhiều đại lượng khác nữa, nó còn có thể kết nối và truyền thông tin, dữ
liệu qua các thiết bị khác.
7.4. Q mét (đo hệ số phẩm chất của cuộn dây)
7.4.1. Nguyên lý đo hệ số Q
Như chúng ta biết các phần tử điện trở, cuộn dây, tụ điện khi hoạt động
ở tần só cao (RF: tần số vô tuyến điện) thì phương pháp cầu đo (thí dụ như cầu
phổ quát Universal được đề cập ở phần đo điện) không thể đo được, do có ảnh
hưởng các điện dung, điện cảm ký sinh. Khi đó người ta dùng phương pháp
cộng hưởng ở tần số (gần tần số) hoạt động của các phần tử này.
Cho nên Q - mét được thiết kế để đo hệ số Q của cuộn dây và điện
cảm, điện dung, điện trở ở tần số cao.
Mạch đo cơ bản của Q - mét được mô tả ở hình dưới như sau:
E: nguồn tín hiệu tần số cao (RF) có thể thay đổi được tần số và
biên độ cho tín hiệu.
∼
V
Cuộn dây
D Rm
RS
Tải
Hình 7.15. Mạch đo dùng biến dòng
Hình 7.16. Hình ảnh ampe kìm
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 181
VE: điện áp đo của tín hiệu nguồn E. Cuộn dây khảo sát có phần tử
LX, RX, tụ điện thay đổi C và VC trị số đo được ở 2 đầu tụ C.
Cho tần số của nguồn E tại trị số của tần số f0 cần khảo sát cho
cuộn dây. Thay đổi biên độ cho nguồn E thích hợp cho sự chỉ thị của Vôn
kế đo VE.
Điều chỉnh trị số C cho đến khi mạch xảy ra sự cộng hưởng. Vôn kế
chỉ thị trị số VC cực đại.
Vì tại tần số cộng hưởng của mạch.
Chúng ta có: L 0 =
0
1
C 0( 2 )f =
Cho nên chỉ còn lại thuần ở R nghĩa là dòng điện I qua mạch cộng
hưởng được xác định: I = VE/R
Khi đó Hệ số Q = CL
E E
VVL
R V V
= =
7.4.2. Máy đo thực tế
Mạch đo Q - mét thực tế như hình 7.18
Vì nguồn tín hiệu VS có biên độ ổn định và tần số thay đổi được
cũng ổn định. Cho nên trong mạch đo không cần phải có Ve để đo nguồn
VS. Ngoài ra còn có thêm hai đầu để mắc điện dung (cần khảo sát).
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định182
Hình 7.18. Máy đo Q thực tế
Khi đó Q - mét phải có một số tụ, điện cảm mẫu để tăng cưòng
thêm để đo LX hoặc CX.
Theo mạch 2 đầu HI (thế cao - high) cho CX và LX ( chỗ gắn tụ và
cuộn dây) chung, còn đầu còn lại của CX nối mass và đầu LO (thế thấp -
low) được nối với nguồn (nghĩa là khi mạch cộng hưởng đầu LO của
cuộn dây xem như nối mass qua nguồn VS).
Như vậy với mạch đo thực tế chúng ta có thể khảo sát hệ số Q của
cuộn dây bất kỳ và đo CX, LX bất kỳ nhờ sự phối hợp thêm cuộn dây mẫu
và tụ mẫu, nếu CX (thay đổi) có trị số giới hạn và trị số Q ghi trên vôn
mét cũng có giới hạn.
7.5. Máy đo độ méo
7.5.1. Định nghĩa
Tất cả các tín hiệu sin khi đưa vào mạch khuếch đại hoặc một mạch
điện tử nào khác thì tín hiệu ra của mạch này có thể là tín hiệu sin (thuần)
hoặc tín hiệu sin bị méo dạng (distortion). Nếu phân tích tín hiệu ra này
theo Fourrier thì chúng ta có thành phần tín hiệu cơ bản (f0) là tín hiệu cơ
bản được đưa vào khuếch đại và các thành phần của các sóng hoạ tần
(sóng hài bậc cao - harmonics) có tần số f1 = 2f0;f2 = 3f0;... khi đó tín hiệu
ra sẽ được đánh giá theo độ méo dạng D được định nghĩa như sau:
D = 2 2 21 2 0... /nA A A A+ + +
Nếu tính theo (%): D.100%
C V Tụ điện
Cuộn dây
LO HI
Nguồn ổn
định
VS Q
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 183
Với: A0 = biên độ tần số f0; A1, A2,...An; biên độ các hoạ tần f1,
f2,...fn.
Ví dụ: A0 = 3V (RMS); A1=0,05 (RMS); A2 = 0,1 (RMS); A3 = 0,5
(RMS) như vậy: D (%) = ( ) ( ) ( )
1/ 22 2 20.5 0.1 0.05
.100% 17%
3
+ +
=
7.5.2. Mạch nguyên lý đo độ méo dạng
Mạch đo nguyên lý cơ bản được biểu diễn ở hình dưới.
* Mạch (1): mạch tiền khuếch đại (giống như mạch tiền khuếch đại
trong vôn kế điện tử), có nhiệm vụ điều hợp tổng trở cho mạch cầu Wiên
và mạch ngõ vào, để khi tổng trở vào của cầu Wiên thay đổi không làm
thay đổi tổng trở vào của mạch đo.
* Mạch (2): mạch cầu Wien, trong mạch này mạch cầu Wien được
giao nhiệm vụ là mạch dải chặn. Tại tần số cộng hưởng của cầu
fr=1/2 RC, các tín hiệu có cùng tần số này sẽ bị lọc, không xuất hiện ở
ngõ ra của cầu. Nhưng khi khoá S ở vị trí 1, nhánh cầu [R//C] nối mass
cầu Wien không còn hiện hữu. Khi đó tín hiệu đi vào mạch khuếch đại
(3) cho cầu đo qua cầu phân áp R1, R2.
Hình 7.19. Mạch nguyên lý đo độ méo dạng
Khuếch
đại cầu
Wien
Khuếch đại
Tiền
khuếch
đại
Rf
Hồi tiếp âm
Bộ chỉ thị
R1
R2 R
R
C
C
S
1
2
Đo
R
1
2 3
+
-
+
-
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định184
* Mạch (3): mạch khuếch đại tín hiệu ra từ cầu Wien, đưa vào bộ chỉ
thị để cho trị số của tín hiệu hoạ tần (sóng hài) nếu có của tín hiệu khác.
Như vậy chúng ta có thể xem như mạch (1), (2), (3) kết hợp thành
mạch khuếch đại loại bỏ tín hiệu có tần số bằng tần số cộng hưởng của
cầu Wien.
Theo nguyên lý cơ bản của sự hoạt động của mạch trên. Chúng ta
có thể đưa ra các bước tiến hành đo như sau:
Trước hết khoá S ở vị trí 1 (vị trí chỉnh máy). Điều chỉnh biến trở
RV cho đến khi kim chỉ thị số lớn nhất của thang đo (tương ứng với tín
hiệu được đo có tần số cơ bản f0 và các sóng hài bậc cao thí dụ thang đo
có vạch lớn nhất 100%), khi đo kim chỉ thị 100%. Sau đó khoá S ở vị trí
2, cầu Wien được tái lập điều chỉnh R và C cho đến khi nào kim chỉ thị
giá trị nhỏ nhất, nghĩa là khi đó cầu Wien cộng hưởng ở tần số cơ bản f0
của tín hiệu cầu đo có độ méo dạng (nghĩa là: f0 = fr = 1/2 RC), lúc ấy
tín hiệu đi vào mạch đo chỉ còn lại sóng hài (hoạ tần). Trị số độ méo dạng
là trị số nhỏ nhất này (được tính theo đơn vị % hoặc trị RMS (hiệu dụng)
của sóng hài còn lại).
* Đối với
máy đo độ méo
dạng trong thực
tế, ngoài phần đo
độ méo dạng còn
là một vôn kế
điện tử (như máy
đo HP331A của
couresy of Hellett
Packard) có sơ
khối như sau:
2
1
3
S1
2
1
3
S1
2
1
3S1
2
1
3S1
RF
derect
S2
2
1
3
S1
4 5 6
78
NOR
MRFDET
Tín hiệu
AM
Tín hiệu đo
2
1
S1
RV
Hình 7.20. Máy đo vôn kế và độ méo dạng
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 185
- Ngõ vào của máy đo có hai vị trí bởi khoá S2:
+ ở vị trí NORM: tín hiệu đo độ méo dạng được đưa vào.
+ ở vị trí RF DET: tín hiệu điều biên AM. Sau khi tín hiệu cao tần
RF bị lọc ra khỏi được đưa vào máy để đô độ méo dạng của tín hiệu âm
tần được điều biên.
- Sau đó máy có hai chức năng:
+ Vôn kế điện tử khi S1 ở vị trí 1.
+ Đo độ méo dạng khi khoá S1 ở vị trí 2, 3 (ở vị trí 2, máy được
chỉnh ở mức cực đại 100%. ở vị trí 3, máy cho biết kết quả đo độ méo
dạng)
- Khi sử dụng phần vôn kế điện tử máy có bộ giảm 1000:1 và 1:1
(khối 1). Còn phần đo độ méo dạng có bộ giảm, có tổng trở vào 1M Ω
(khối 2).
- Khối 3 mạch điều hợp tổng trở.
- RV: biến trở điều chỉnh (set level) cho phần đo độ méo dạng.
- Khối 4, 5, 6 đã được trình bày ở phần đo méo dạng.
- Khối 7: bộ giảm ở sau mạch khuếch đại loại bỏ tín hiệu cơ bản.
- Khối 8: mạch đo sự sai dạng của tín hiệu.
7.5.3. Cách thức đo độ méo dạng của tín hiệu ra từ mạch
khuếch đại
Hình 7.21. Sơ đồ khối trình bày sự sắp đặt máy đo độ méo dạng
1 2 3
K
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định186
:Máy tín hiệu âm thanh có tần số 20Hz đến 10 KHz.
: Mạch khuếch đại cần đo
độ méo dạng của tín hiệu ra ở tải.
:Máy đo độ méo dạng.
* Cách thức tính độ méo dạng
cho tín hiệu điều biên (AM)
IMD: trị số méo dạng của hai
tín hiệu, biến điệu biên độ.
M: tính từ trị số đỉnh cao nhất phần âm đến cao nhất phần dương.
m: tính từ trị số đỉnh thấp nhất phần dương đến đỉnh thấp nhất phần
âm.
Thí dụ: M = 3V; m = 2V; IMD = (3-2)/ (3+2).100% = 20%.
7.6. Máy phân tích phổ tần số tín hiệu (Spectrum analyzer)
Máy phân tích phổ tần có nhiệm vụ tách những tín hiệu có tần số
khác nhau trong một tín hiệu có dạng bất kỳ. Sau đó trình bày những
phần tử tín hiệu này lên màn hình của dao động ký với biên độ tín hiệu
được quét dọc và tần số của tín hiệu được biểu diễn theo trục ngang của
dao động ký, khi đó chúng ta sẽ có hình ảnh một phổ tần của các tần số
tín hiệu khác nhau trên màn hình của dao động ký.
Máy phân tích phổ tần theo cách quét TRF
Sơ đồ khối máy phân tích này được diễn ta theo hình 7.23
Cách quét TRF: nghĩa là chúng ta dùng tín hiệu quét răng cưa (tín
hiệu hàm Ramp) điều khiển mạch lọc có tần số tín hiệu lọc thay đổi (điều
chỉnh được bởi điện áp của tín hiệu răng cưa TRF - Timed Radio
Frequency). Mạch lọc này có dải thông rất hẹp.
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ khối. Tín hiệu cần phân tích phổ tần
được đưa vào mạch khối 1 hoạt động theo cách quét TRF như đã nói ở
trên.
1
2
3 M m
Hình 7.22. Hệ số diễn tả sự méo
dạng của sóng điều biên AM
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 187
Hình 7.23. Mạch phân tích phổ tần theo cách quét TRF
Tín hiệu quét (dạng hàm Ramp) được mạch khối 5 tạo ra để điều
chỉnh cho khối 1 và được đưa qua mạch khối khuếch đại quét dọc cho
dao động ký 4 để cho đường quét ngang trên dao động ký tỉ lệ với tần số
lọc của mạch khối 1.
Ví dụ: Tần số lọc của khối 1 được quét từ f1 đến f2 do tín hiệu răng
cưa của khối 5 điều khiển thì
đường nằm ngang trên màn ảnh
biểu diễn trục tần số f từ f1 đến f2
(hình 7.24).Tín hiệu vào có tần số
fS được đưa vào khối 1 khi mạch
được điều khiển đến tần số fS thì
ngõ ra xuất hiện tín hiệu ra sau đó
qua mạch tách sóng (dựa trên cơ
bản mạch chỉnh lưu kết hợp với tụ
lọc) để có điện áp DC bằng trị
đỉnh của tín hiệu. Điện áp này đưa
vào mạch khuếch đại dọc để cho xuất hiện 1 đường quét dọc có biên độ
được xác định bởi phần dọc của dao động ký tại tần số fS được xác định
bởi trục ngang (hình 7.24).
Biên độ
f1 f0 f2
Tần số
Hình 7.24. Hình phổ tần trên dao động ký
Máy phát
sóng răng
cưa
1
Tách
sóng
2
3
4
Tách
sóng
1
Khuếch đại
dọc
Vào
f0
1 2
3
4
5
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định188
Tài liệu tham khảo
[1]. Vũ Quý Điềm - Cơ sở kỹ thuật đo lường điện tử - Nhà xuất bản
Khoa học và Kỹ thuật.
[2]. Nguyễn Văn Hoà - Giáo trình Đo lường các đại lượng điện và
không điện - Nhà xuất bản Giáo dục.
[3]. Nguyễn Ngọc Tân - Kỹ thuật đo lường - Nhà xuất bản Khoa
học và Kỹ thuật.
[4]. Phạm Thượng Hàn, Nguyễn Trọng Quế - Kỹ thuật đo lường các
đại lượng vật lý - Nhà xuất bản Giáo dục.
[5]. Nguyễn Hữu Công - Kỹ thuật đo lường - Nhà xuất bản Đại học
Quốc gia Hà Nội.
[6]. Electronic Instrumentation and Measurements - David A.Bell -
Prentice Hall Internatinal Edition.
Giáo trình Đo lường điện
Trường Đại học sư phạm kỹ thuật nam định 189
Giáo trình
đo lường điện
(Lưu hành nội bộ)
Nhà xuất bản lao động - xã hội
Số 36, Ngõ Hoà Bình 4, Phố Minh Khai,
Hai Bà Trưng, Hà Nội
ĐT: 04. 36246917, 36246920
Fax: (04) 36246915
*****
Chịu trách nhiệm xuất bản:
nguyễn hoàng cầm
Chịu trách nhiệm nội dung:
Vũ Anh Tuấn
Biên tập và sửa bản in:
vũ thị thơm
Thiết kế bìa:
doãn huy
In 500 cuốn, khổ 16 x 24 (cm) tại Xí nghiệp in Nhà xuất bản Lao động - Xã hội.
Chấp nhận ĐKKHXB số 894-2012/CXB/38-189/LĐXH. Quyết định XB số
502/QĐ-NXBLĐXH.
In xong và nộp lưu chiểu Quý III/2012.
Các file đính kèm theo tài liệu này:
- giao_trinh_do_luong_dien_truong_dai_hoc_su_pham_ky_thuat_nam.pdf